毕业论文基于单片机音乐喷泉设计.doc

XX工业职业技术学院毕业论文毕业论文基于单片机音乐喷泉设计Based on SCM music fountain design 学 生 姓 名： XX 专 业 班 级： 自动化3082班 指 导 教 师： XX 完 成 日 期： 2011.3.3 XX工业职业技术学院XX Vocational College of Industry and Technology摘 要音乐喷泉是近几年来出现的一种园林建筑与音乐欣赏相结合的产物。随着计算机软件硬件技术的飞速发展，新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛，音控喷泉也越来越复杂，越来越精密，使得越来越多的控制部分需要计算机来完成。因此，计算机控制音控喷泉成为必然趋势。但喷泉工程还存在一些技术难题，主要表现为明显的水声滞后效应。 本文采用PWM变频调速、预处理、预测补偿控制和基于数据库的软件信号提前控制方法，提出了一种新的先进的音乐喷泉设计方案和控制途径，并与传统设计方案进行了分析比较，用面向对象的编程方法完成了对当今较为流行的MP3音频格式的解码，同时实时提取了音频信号。仿真分析证明该设计方案改善了传统控制方法的水声滞后效应，改善了喷泉系统的控制品质，从而真正达到了实时控制的要求.为了同时加强实际动手能力及创新能力的培养，巩固学到的理论知识所开拓的视野，弥补课堂不足的目的，同时在实习过程中熟悉单片机的使用或者制作流程，为这次进行毕业设计搜集了所需的资料，增强了这次作业的责任心和对作业的严谨要求的态度。设计的内容主要是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机控制的一个水泵。应能进行喷泉的喷水高度进行动态的设定，或按音量高低进行同步的变化。能更早的适应于社会。开发我们的创新能力。关键字：变频调速、数据库系统、计算机控制 、补偿控制。 - 24 -Based on SCM music fountain designABSTRACTMusical fountain there in recent years as a landscape architecture and music to enjoy a product of the combination. With the computer software of the rapid development of hardware technology, the new interactive fountain with the computer more and more extensive applications, audio and control fountain also more complex, more and more sophisticated, making more and more control over some of the needs of the computer to complete. Therefore, computer-controlled fountain sound control has become an inevitable trend. Fountain works but there are still some technical problems, mainly the water is clear hysteresis effect. In this paper,PWM frequency control pre-processing, forecasting and compensation control signal based on the database software in advance of the control method, a new advanced design of the musical fountain and control means, and with the traditional designs are analyzed and compared, using object-oriented programming methods for todays more popular MP3 audio format decoding, at the same time extract the audio signal in real time. Simulation analysis proves that the design of traditional control methods to improve the water hysteresis effect, the fountains to improve the quality control system in order to really achieve the requirements of real-time controlAt the same time to strengthen the innovation ability and actual ability to do the training, to consolidate the theoretical knowledge acquired to develop the vision, to make up for the shortage of classrooms, while in the training process or are familiar with the use of single-chip production process, for the graduation project for the collection of the necessary information and enhance the operation of the sense of responsibility and strict requirements on the operation of the attitude。The content of the design is mainly used to produce a single-chip voice-activated fountain, DC motor control for a pump. Should be ablet carry out the water fountain highly dynamic settings, or by volume changes in the level of synchronization. Earlier adaptation to the society. Develop our ability to innovate.Keywords: Frequency Control, Database systems, Computer control, Compensation contro引言单片机作为微型计算机的一个重要分支，其应用范围很广，发展也很快，它已成为在现代电子技术、计算机应用、网络、通信、自动控制与计量测试、数据采集与信号处理等技术中日益普及的一项新兴技术，应用范围十分广泛。对于计算机专业的学生来说，即使暂时没有从事单片机的应用与开发，学习单片机也有很重要的意义。学习它，不仅为将来可能从事该方面的开发打下基础，另一方面，由于单片机作为微型计算机的一个种类，麻雀虽小，五脏俱全，可以把它当作微型计算机的一个简化模型来看待，学习单片机可以加深对微型计算机工作原理的理解，更加清楚计算机的脉络。同时，提供了一个实际应用手段。音乐喷泉是利用播放或现场演奏或按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉。音乐喷泉控制系统可以使喷水造型变化和灯光的变化随音乐的节奏、旋律的起伏变化而变化，美妙动人；编辑程序是利用单片机进行的，一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。音乐喷泉到了编码阶段必然涉及到音乐要素的数据格式，MIDI（音乐设备数字接口）提取音乐要素、音乐模式识别、音乐情感信息库建立、3D动画显示音乐喷泉等，而这些都要与音乐喷泉要素数据打交道。因此对各部分所需要的数据格式、这些数据不同形式的表示的相似性和差异性的研究就变得十分迫切。目录摘 要- 2 -ABSTRACT- 3 -引言- 4 -第一章 单片机的介绍- 6 -1.1单片机历史- 7 -1.2嵌入式系统- 8 -1.3单片机发展史- 8 -1.4单片机的硬件特性- 9 -1.5单片机的应用- 9 -第二章. 喷泉技术发展- 11 -第三章.课题简介- 12 -3.2 课题提出的科学依据- 12 -3.3主要内容- 12 -第四章.液压系统的动态过程及其研究内容和方法- 14 -4.1液压系统的动态过程- 14 -4.2 液压系统的动态特性- 14 -4.3 液压系统的动态特性研究方法- 15 -4.3.1 传递涵数分析法- 15 -4.3.2 数字仿真法- 15 -4.3.3 计算机仿真方法的特点、地位与作用- 15 -第五章.音乐喷泉的总体设计及仿真模型的建立- 17 -5.1 音乐喷泉的工作原理- 17 -5.2 传统设计方案简介- 17 -5.2.1 音乐喷泉系统组成- 17 -5.2.2 音乐喷泉系统的软件设计- 18 -5.2.3 本文设计方案的优缺点- 19 -5.3 音乐喷泉系统模型仿真的建立- 19 -5.3.1 水泵及管道的仿真模型的建立- 19 -第六章. 声音基础知识及MP3编码解码原理- 20 -6.1 声音的基本性质- 20 -6.2 音频信号数字化- 20 -6.3 MP3音频- 20 -结 论- 21 -致 谢- 22 -参考文献- 23 -第一章 单片机的介绍单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端1的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 1.1单片机历史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 单片机的基本结构单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成 起初模型1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。 Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。 1.2嵌入式系统单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 1.3单片机发展史 1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。 主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。 1.4单片机的硬件特性1、单片机集成度高。单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031 无）、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化; 3、单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障; 4、处理功能强，速度快。 1.5单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管 理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。第二章. 喷泉技术发展 改革开放以来，水景工程在我国得到了迅速发展。以往园林工程中常见的镜池、溪流、假山瀑布等，已不能满足人们的需求。各种新型水景工程，从微型喷泉小品、室内喷泉、庭院喷泉、广场喷泉、各种趣味性游乐喷泉、程控喷泉、音乐喷泉、激光喷泉、水幕电影、超高喷泉、超大瀑布等，都在我国相继出现，产品走向国际市场。 为适应喷泉工程建设需要，喷泉设备依赖进口的局面彻底打破各地喷泉设备厂，专业公司一个接一个成立起来。据不完全统计，到1997年底全国已有200多个厂家，其中年产值1000万元以上的厂家已有10来家，年总产值估计达到3亿元以上，尤其是在江苏省和全国各大城市喷泉设备厂星罗棋布。一些大学院校(如人民大学、清华大学、北京林业大学、北京机械工业学院、同济大学、武汉水电学院、青岛建工学院等)，科研设计单位(如中科院计算所、中科院自动化所、中国建筑技术研究院、中国建筑西北设计院、北京有色冶金设计研究总院等)也投入了的研究开发，为我国喷泉技术的发展做出了一定的贡献，其中一些技术力量雄厚的专业公司的半产品，开始向美国、西欧等发达国家出口。 在建设形势推动下，我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等也为推动喷泉技术的发展做出不少工作。1989年出版的第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；1991年开始施行的第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年出版了第一本专门著作，1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。第三章.课题简介3.1课题背景 目前在我国有200多家喷泉生产厂家，但是他们多为个体、私营或乡镇小企业，基础、实力、技术力量、管理水平都很薄弱。产品我国是简单的仿制，重复生产，创新并不多，实际进行科研设计的少之又少。所以根据我国的实际情况，设计和生产技术水平先进，符合国际流行趋势的音乐喷泉是非常重要的，而且更有必要进行音乐喷泉的研究和开发，特别是控制部分，以达到提高系统性能，提高音乐喷泉艺术效果的。除此之外，有关音乐喷泉可供查找的文献资料比较少，这样给利用传统的机械设计方法直接进行音乐喷泉的设计及视音误差的校正带来了困难，因此很有必要建立一个仿真设计软件系统来辅助音乐喷泉的设计。3.2 课题提出的科学依据 长期以来，音乐喷泉中普遍存在喷水滞后于音响这一问题，如图2-1和图2-2所示 如图3-1图3-2可见，音频信号经放大后去控制电磁阀或水泵工作，使水流经音频信号放大控制器触发器 喷头管路 电磁阀音源音频放大 音频控制控制电源 高压水泵 管路喷头 图3-1 电磁阀控制过程 图3-2 水泵控制过程过管路再由喷头喷出。如果是控制电磁阀，则当执行机构接收到开启信号后去打开电磁阀，使水流通过并由喷头喷出。而水流受到管道长度及水流变化的影响，必定在时间上落后于音响，如果是直接控制，则水泵从收到开启信号到启动旋转再带动水流经管路由喷头喷出，则滞后影响的时间比控制电磁阀还要长，故必须采取一定的技术来解决这一滞后问题。3.3主要内容 当前解决音乐喷泉滞后问题有两种可行办法:一种方法是提前发出控制信号,使电磁阀或水泵先启动以达到同步的效果:另一种方法是将音乐滞后,让音乐的节拍去等待电磁阀或水泵开启的控制信号。第一种方法实现起来难度较大,而第二种方法则有很大的时间调节余地,轻而易举地实现音乐与喷水效果协调同步。但是第二种方案存在一个严重的问题,那就是容易导致音乐信号断断续续,而且这种缺陷是不可避免的.本课题主要在第一种方案的基础之上,突破了传统的设计方案,采用PWM变频调速,预处理,预测补偿控制和基于数据库的软件信号提前控制方法,建立以工控机为核心的多媒体音乐喷泉计算机控制处理系统,从而提供了一种新的先进的音乐喷泉控制途径,主要完成的任务如下:(1)为彻底解决音乐与喷水不能同步的矛盾,本课题从理论上提出了一种全新的设计方案,这种方案能准确的解决滞后问题.(2)完成了对当今最为流行的音频编码,解码系统-MP3的解码,同时实时提出音频信号并导入数据库和存入文件,为进一步研究音乐喷泉系统提供了很好的接口.第四章.液压系统的动态过程及其研究内容和方法4.1液压系统的动态过程 液体系统的动态特性是其动态过程中的特性。液压系统的动态过程可以由许多原因引起，总的来讲有下面两个方面： (1)由控制过程引起的：为了得到工作循环中的不同动作，某一或某些元件受控改变其工作状态。例如工作元件的启动、制动、运动方向或运动速度的转换。工作压力的转换、卸荷、不同执行机构动作的切换等。有时还将产生连续的动态过程，例如数控加工的连续控制过程。 (2)由外界干扰引起的：例如外界被驱动负载的变化，机床加工中切削力的变化，工作元件运动中的阻力(如摩擦力)的变化。 一般来讲，液压系统是机器的一部分。一台液压机械既有机械系统部分，也有液压系统部分。整台机器的动态结构将由这两部分组成，如图3-1加在整个系统上的外界负载f(t)需要液压系统输出的驱动力p(t)可以克服，经过机械系统中各种因素的作用，可以使工作元件获得运动速度v(t)，如果外界负载机械系统液压系统图 4-1 液压机械的动态结构框图+有一变化，既有一外界干扰，工作元件的速度v(t)即产生变化，这时液压系统作为一个反馈环节，在其动态过程中，可以根据工作元件速度的变化，调节其输出的驱动力p(t)以适应外界负载的变化。如果液压系统是一个自动调节系统，就可以使工作元件基本维持原来的运动速度，或使运动速度的变化不大。 液压系统在产生动态过程以前，是在某一稳态状况下工作的，即系统中各参量相互间的关系都处于平衡状态。系统产生动态过程时，这种平衡状态即遭破坏.。当动态过程结束时，系统又恢复平衡，但这是一种新的平衡状态。所以液压系统的动态过程是系统失去原来平衡状态到达新的平衡状态的过程。在这一过程中，系统中各参量都在随时间发生变化，这种变化过程性能的好坏,就是系统动态特性的好坏。4.2 液压系统的动态特性 液压系统动态特性研究的内容主要有两个方面： （1）稳定性：液压系统经过动态过程之后，是否能快速达到新的平衡状态，还是形成较持续的震荡，这就取决于系统的稳定性，如果系统的稳定性较好，其在受到外界的干扰之后，在正常情况下，经过动态过渡过程系统能迅速达到新的平衡状态，相反如果系统的稳定性能不好，则其在受到外界干扰之后，将会产生持续的压力振荡，而不能达到新的平衡状态。 （2）过渡过程品质：它是指稳定的液压系统在过渡过程中各变量的变化品质。过渡过程的品质包括变量的超调量和过渡过程时间等。 对于一般的液压系统，应根据对其动态特性的要求进行分析研究。如：工作元件是否产生爬行，振荡，系统中是否产生液压冲击，噪声是否过大。在较复杂的系统中，还得注意各动作环节的转换是否迅速平衡，各部件的动作是否互相协调，是否能保证所需的动态精度等。4.3 液压系统的动态特性研究方法 目前，在液压系统动态特性研究中常用的方法有以下两种：传递涵数分析法和数字仿真法。4.3.1 传递涵数分析法 这是过去在液压系统动态研究中用的较多的，基于古典掏理论的一种分析方法。这种方法主要是用于分析系统的稳定性，可以根据稳定性判断分析系统是否稳定。但是这种方法的使用限于线性系统，非线性系统则需视条件许可进行线性化。液压系统一般都存在许多非线性因素，而且，其中有些在本质就不具备线性化的条件，如库仑摩擦就不能进行线性化。因此，传递涵数分析方法常用于允许线性化的液压系统。4.3.2 数字仿真法 由于电子计算机分为模拟计算机，数字计算机，因而相应就存在模拟计算机仿真方法，数字计算机仿真方法，这两种类型的计算机仿真方法无论在硬件结构，软件编制还是算法选择上都存在很大差异。 （1）模拟计算机仿真方法（模拟仿真方法）：模拟仿真的工具是模拟计算机。模拟计算原理是以实际系统的数学模型与模拟计算机中具有模型特征的典型硬件电路间的相似性为基础的。这些电路由各种基本运算部件，如加法器，乘法器，比例器，积分器，函数器等组成，其输入输出均是电压。 （2）数字计算机仿真方法（数字仿真方法）：数字仿真的工具是通用数字计算机。数字计算机的运算对象是二进制数码，因而机器变量表现为离散的形式，这同时要求将连续的数学运算转换为离散的数值计算，否则计算机无法识别。数字计算机的上述特点，决定了数字仿真模型的建立与模拟仿真有很大不同：它不是建立在数学模型相似的基础上，而是建立在离散数值计算的基础上。仿真模型确立后，即可运用适当的算法语言编制仿真程序。数字仿真具有运算精度高，逻辑判断功能强，使用方便灵活（系统参数可随意调整）等优点。但其不足是，对复杂动态系统难以实现实时仿真：进行实物或半实物仿真时需配备模数（A/D），数模（D/A）转换装置。4.3.3 计算机仿真方法的特点、地位与作用 计算机仿真方法的特点：由前述对计算机仿真方法的有关论述，可以看出它有如下显著的特点：（1）模型参数任意调整。模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，从而能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这正是计算机仿真被称为“计算机实验”的原因。（2）系统模型快速求解。借助于先进的计算机系统，人们在较短时间内就能知道仿真运算的结果（数据或图象），从而为人类的实践活动提供强有力的指导。这是通常的数学模型方法所无法实现的。（3）运算结果准确可靠、只要系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结果一定准确无误，因此，人们可毫无顾虑地应用计算机仿真的结果。实物仿真形象直观。把仿真模型、计算机系统和物理模型及实物联结在一起的实物仿真（有些还同时是实时仿真），形象十分直观，状态也很逼真。因而在一些工程技术领域如宇宙航行、核电站控制等发挥了独特的作用。 计算机仿真方法的地位：人类过去所使用的科研方法可分为两大类，一类是实验方法（含观察方法）；另一类是理论方法（核心是数学与逻辑方法）。近代科学诞生后，四百多年来这两大类方法在科学探索中发挥了重要作用，取得了麦兄斯韦电磁理论和爱因斯坦相对论为代表的一系列辉煌成就，使人类的科学水平大大提高。随着计算机技术的产生和发展，计算机仿真方法也应运而生，它在科学研究和技术开发中的独特作用愈益突显。 计算机仿真方法的作用：计算机仿真方法的独特作用主要表现为以下四个方面：（1）优化系统设计。对于复杂系统的研究，一般要求达到最优化，为此必须对系统的结构和参数反复进行修改和调整。这只有借助计算机仿真方法才能方便、快捷地实现。（2）降低实验成本。对于复杂的工程系统，如果直接进行实物实验，费用很高。而用计算机仿真手段就可大大降低相关费用。（3）减少失败风险。对于一些难度高、危险大的复杂工程系统，如载人宇宙飞行，若直接实验，一旦失败则无论在经济上还是政治上都是难以承受的。为了减少风险，必须先进行计算机仿真实验，以提高成功率。（4）提高预测能力。计算机仿真实验却可以在给定的边界条件下，推演出此类系统的变化趋势，从而为人们制定对策提供可靠的依据。可以预计，计算机仿直方法将在未来的科学研究和技术开发中发挥越来越大的作用。 第五章.音乐喷泉的总体设计及仿真模型的建立5.1 音乐喷泉的工作原理 音乐喷泉是用声音来控制音乐喷泉水形变化的一种自控喷泉。它一般有以下几部分组成如图4-1； （1）声-电转换、放大装置、通常由电子线路或数字电路及计算机组成。 （2）执行机构：电磁阀。 （3）动力：变频器（VVVF）、电机、水泵。（4）其它设备：主要由管路、过滤器、喷头等组成。 音乐喷泉的原理是将声音信号转换成电信号，经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，一种方案是去控制设在水路的通断，这样随着声音的变化，人们可以看到喷水大小、高矮、形态的变化。它能把人们的听觉和视觉结合起来，使喷泉喷射的水花随着音乐优美的旋律而偏偏起舞。 声源 放大装置 音响声波转换滤波装置中继电路照明中继电路电磁阀喷水图 5-1 音乐喷泉原理简图 总的来讲，音乐喷泉是一种高智能产品，其主要有下述功能：在无音乐状态，能够自动完成多种喷头花样组合及彩灯的变换，组合方案由用户设计，并以一定数据格式存储；音频信号经数字处理后，驱动水泵改变喷嘴压力获得跳动的水柱；音乐发生变化后，艺术彩灯亦要随之变化，产生声、光、水的情景交融效果。5.2 传统设计方案简介5.2.1 音乐喷泉系统组成 在音乐喷泉传统设计中，为满足前面所述功能 要求，所设计的音乐喷泉方案通常如图5-2所示。音响设备计算机及接口常设 变化灯光 灯光 常量 变量水泵 水泵电磁阀水底彩灯灯光喷头喷头图 5-2 音乐喷泉系统组成框图其中 ，常设灯光和变化灯光由继电器控制，常量水泵控制固定花样的喷头，变量水泵用做音乐信号的执行器件。电磁阀控制其他的一些变化功能，当喷泉工作于静态时，计算机定时循环输出一组数字量，经光电隔离和驱动后控制电磁阀和继电器，从而控制水底彩灯和常设喷头的通断，此时的控制主要是开关量的循环输出。当喷泉工作于动态时，从音响设备前级输入到计算机的音频信号被分成两路，一路经检波处理后控制变量水泵的压力，实现水柱的上下运动；另一路经处理后送音响设备的功效。为实现音乐喷泉系统的计算机控制，传统设计的计算机接口电路通常如图5-3所示。音频输入，输出信号和变压控制信号经过A/D,D/A数据板进出计算机。接口板提供10路单控制终端的数据采集通道，其性能达到0.03%的精度和12位的分辨率。音响设备计算机A/D常量泵D/AD/D驱动光电隔离常量泵电磁阀继电器图5-3 计算机控制系统硬件组5.2.2 音乐喷泉系统的软件设计 传统方案中进行软件设计时，首先将设计好的彩灯与喷头的组合花样作为数据文件存储起来，系统采用定时重担方法处理各项任务，中断服务程序如图4-4所示。音乐开关取一组状态数据灯光组合数输出在缓存队列中取t时刻以前的音频信号送功放音频信号缓存数字信号处理变量泵控制量输出A/D采样音频信号有效无效 图5-4 中断服务器框图5.2.3 本文设计方案的优缺点 传统设计方案优点有：结构简单，由于控制系统简单，故实现也简单， 对任何音乐都作统一处理。 传统设计方案缺点有：由图4-4可知，音乐容易产生断续现象， 控制精度不高由于它是采取实时控