CN1667696A - 自动演奏器乐器及其自动演奏器和用于精确控制键的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动演奏系统(300)为包括在原声钢琴中的键(1a，1b)创建反馈控制环(302)；安设在键(1a，1b)的前部之下的键传感器(7)向运动控制器(11)通知当前位置(yx)，并且运动控制器(11)周期性地将当前位置(yx)和当前速度(yv)与基准轨迹上的目标位置(rx)和目标速度(rv)进行比较，以查看是否发生位置偏差(ex)和速度偏差(ev)；当运动控制器(11)发现偏差(ex，ev)时，运动控制器(11)将偏差(ex，ev)乘以位置增益(kx)和速度增益(kv)，以确定驱动信号(ui)的占空比的增大或减小，并且将驱动信号(ui)提供给螺线管操作键致动器(6)，以便加速或减速键(1a，1b)；增益(kx)根据键运动而可变，以便使实际键轨迹变得接近于基准轨迹。

Description

自动演奏器乐器及其自动演奏器和 用于精确控制键的方法

技术领域

本发明涉及自动演奏器乐器的控制技术，特别涉及一种自动演奏器乐器、包括在其中的自动演奏器、以及用于控制乐器的操纵器的方法。

背景技术

自动演奏器钢琴是自动演奏器乐器的例子，并且其被分解成原声钢琴和自动演奏器。自动演奏器包括具有内置柱塞传感器的螺线管操作键致动器的阵列以及控制器。当用户请求自动演奏器重现演奏时，将一组音乐数据代码装载到控制器中。控制器顺序分析音乐数据代码，以便确定黑/白键要在其上移动的基准轨迹。基准轨迹是指随着时间变化的一系列目标键位置。当时间到来时，控制器将驱动信号提供给相关的螺线管操作键致动器，并且螺线管操作键致动器引起键运动。当黑/白键在基准轨迹上移动时，将代表当前键位置的反馈信号从内置柱塞传感器提供给控制器，并且控制器将当前键位置与对应的目标键位置进行比较，以查看黑/白键是否按计划在基准轨迹上移动。如果黑/白键被延迟或提前，则控制器通过驱动信号加速或减速柱塞。这样，在自动演奏器中创建了反馈环，并且控制器迫使黑/白键按计划在基准轨迹上移动。

现有技术的自动演奏器钢琴例如披露于日本专利申请公开号Hei7-175472中，以下将其称作“第一公开文献”。虽然在现有技术的自动演奏器钢琴中采用了位置控制，但是速度控制可应用于在第一公开文献中披露的现有技术自动演奏器钢琴中所采用的反馈控制。

在第一公开文献中还讲授了“参考点”。音调(tone)的响度与包括在原声钢琴中的音锤的速度成比例。虽然黑/白键通过动作单元引起音锤运动，但是大部分音锤轨迹上的音锤速度与键速度不成比例。然而，音锤速度在参考点上与键速度成比例。虽然参考点在型号不同的原声钢琴之间不固定，但是参考点被发现位于键的静止位置之下的9.0毫米到9.5毫米之间的范围内。

原声钢琴装备有踏板系统，并且在日本专利申请公开号Hei2-275991中披露的现有技术自动演奏器钢琴中还控制踏板，以下将该文献称作“第二公开文献”。在第二公开文献中披露的现有技术自动演奏器钢琴中，将踏板位置反馈给控制器，并且通过位置控制和速度控制两者控制踏板。第二公开文献中的另一教导是通过规范化过程从音乐数据中消除原声钢琴的独特性。

在自动演奏器钢琴中，以等于原始演奏中的键速度的目标键速度再现键运动是重要的。在第一公开文献中，控制器计算基准轨迹上的目标键位置/目标键速度与对应的当前键位置/当前键速度之间的差值，并且如果控制器发觉差值，则改变驱动信号的平均电流。然而，现有技术的伺服控制系统很难使黑/白键以目标键速度在基准轨迹上移动。尤其是，当控制器在回放中再现重复时，黑/白键往往与基准轨迹偏差较大。

虽然增大整个键行程中的伺服增益对于消除偏差是有效的，但是键运动变得不稳定，黑/自键易于在音弦处引起多次敲打。而且，当音乐数据代码请求自动演奏器以音锤轻微敲打音弦时，大的伺服增益使螺线管操作键致动器让柱塞与相关键猛烈碰撞，并且产生噪声。因而，在现有技术的伺服控制中，在敏捷性和稳定性之间存在折衷。为了与该折衷妥协，将伺服增益固定为某个妥协值。在这种情形下，在第一公开文献内公开的现有技术自动演奏器中未实现敏捷性和稳定性。

发明内容

因此，本发明的一个重要目的是提供一种自动演奏器乐器，其中操纵器精确地在基准轨迹上移动而不牺牲稳定性。

本发明的另一个重要目的是提供一种自动演奏器，其使乐器的操纵器精确地在基准轨迹上移动而不牺牲稳定性。

本发明的另一个重要目的是提供一种用于控制形成自动演奏器乐器的一部分的乐器的操纵器的方法。

本发明首先试图将在第二公开文献中披露的伺服控制技术应用于自动演奏器乐器，以精确地控制基准轨迹上操纵器的速度。然而，操纵器没有以目标速度在基准轨迹上移动。实际上，在第二参考文献中披露的现有技术伺服控制技术旨在到达目标位置。它不适合于使操纵器在基准轨迹上以目标速度移动。

为了实现该目的，本发明提出根据实际运动或目标运动改变至少一个控制参数。

根据本发明的一方面，提供了一种用于产生音调的自动演奏器乐器，其包括原声乐器和自动演奏系统，其中原声乐器包括：多个操纵器，选择性地被操纵以指定所要产生的音调；以及音调生成器，连接到该多个操纵器，并且响应于操纵器的运动，以便产生通过被操纵的操纵器指定的音调，并且自动演奏系统包括：多个致动器，为该多个操纵器提供，并且响应于驱动信号，以便引起操纵器的实际运动，从而产生该音调；多个传感器，监测该多个操纵器，并且产生代表当前物理量的检测信号，其中当前物理量表达实际运动；控制器，连接到该多个传感器，并且根据音乐数据片段，为要通过该多个致动器进行操纵的操纵器确定每一个由随着时间变化的目标物理量表达的基准轨迹，根据当前物理量确定至少另一个当前物理量，根据目标物理量确定至少另一个目标物理量，至少确定当前物理量与目标物理量之间和前述另一个当前物理量与前述另一个目标物理量之间的偏差，确定其中至少之一根据实际运动和基准轨迹上的目标运动之一而变化的控制参数，并且通过这些偏差与这些控制参数之间的算术运算来确定驱动信号的最佳幅度；以及信号调制器，连接在控制器与该多个致动器之间，将每个驱动信号调节到最佳幅度，并且将前述每个驱动信号提供给与所要操纵的操纵器之一相关联的致动器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于具有操纵器和音调生成器的乐器的自动演奏系统，其包括：多个致动器，为该多个操纵器提供，并且响应于驱动信号，以便引起操纵器的实际运动，从而通过音调生成器产生音调；多个传感器，监测该多个操纵器，并且产生代表当前物理量的检测信号，其中当前物理量表达实际运动；控制器，连接到该多个传感器，并且根据音乐数据片段为要通过该多个致动器进行操纵的操纵器确定均由随着时间变化的目标物理量表达的基准轨迹，根据当前物理量确定至少另一个当前物理量，根据目标物理量确定至少另一个目标物理量，至少确定当前物理量与目标物理量之间和前述另一个当前物理量与前述另一个目标物理量之间的偏差，确定其中至少之一根据实际运动和基准轨迹上的目标运动之一而变化的控制参数，并且通过这些偏差与这些控制参数之间的算术运算来确定驱动信号的最佳幅度；以及信号调制器，连接在控制器与该多个致动器之间，将每个驱动信号调节到最佳幅度，并且将前述每个驱动信号提供给与所要操纵的操纵器之一相关联的致动器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制乐器的操纵器的方法，其包括以下步骤：a)根据音乐数据片段为要被致动的操纵器中的一个确定由随着时间变化的目标物理量表达的基准轨迹；b)根据目标物理量确定至少另一个目标物理量；c)确定目标物理量与表达操纵器中的前述一个的实际运动的当前物理量之间的偏差、以及前述另一个目标物理量与根据当前物理量确定的至少另一个当前物理量之间的另一个偏差；d)通过这些偏差与其中至少之一根据实际运动和基准轨迹上的目标运动之一而变化的控制参数之间的算术运算来确定最佳幅度；e)将驱动信号调节到该最佳幅度；f)将驱动信号提供给与操纵器中的前述一个相关联的致动器；以及g)重复步骤b)、c)、d)、e)和f)，直到操纵器中的前述一个到达最终目标位置。

附图说明

通过下面结合附图的描述，自动演奏器乐器、自动演奏器和方法的特性和优点将得到更清楚的理解，其中：

图1是示出根据本发明的自动演奏器钢琴的结构的示意侧视图，

图2是示出包括在自动演奏器钢琴中的控制器的系统配置的方框图，

图3是示出包括在自动演奏器钢琴中的反馈控制环的功能的方框图，

图4是示出目标键位置与位置增益值之间的关系的表，

图5A是示出实际键轨迹与基准轨迹的图，

图5B和5C是示出实际键轨迹与基准轨迹的图，

图6A是示出包括在自动演奏器钢琴中的反馈控制环的变型的方框图，

图6B是示出目标键位置与速度增益之间的关系的图，

图7A是示出包括在自动演奏器钢琴中的反馈控制环的另一变型的方框图，

图7B是示出目标键速度与位置增益之间的关系的图，

图8A是示出包括在自动演奏器钢琴中的反馈控制环的另一变型的方框图，

图8B是示出目标键速度与速度增益之间的关系的图，

图9是示出根据本发明的另一自动演奏器钢琴的结构的示意侧视图，

图10是示出包括在自动演奏器钢琴中的控制器的系统配置的方框图，

图11是示出包括在自动演奏器钢琴中的反馈控制环的功能的方框图，

图12是示出校正值表的视图，

图13A是示出在校正值固定的条件下基准轨迹和实际轨迹的图，

图13B是示出基准轨迹和在自动演奏器钢琴中观察到的实际轨迹的图，

图13C是示出在校正值固定的条件下基准轨迹和实际轨迹的图，

图13D是示出基准轨迹和在自动演奏器钢琴中观察到的实际轨迹的图，

图14是示出包括在另一自动演奏器钢琴中的反馈控制环的功能的方框图，

图15是示出包括在另一自动演奏器钢琴中的反馈控制环的功能的方框图，以及

图16是示出用于图15所示的反馈控制环的增益表的视图。

具体实施方式

在下面描述中，术语“前”代表与以术语“后”修饰的位置相比更靠近于坐在凳子上以进行弹奏的演奏者的位置。绘制在前位置和对应后位置之间的线在“前后”方向上延伸，并且横向以直角与前后方向相交。

实施本发明的自动演奏器乐器主要包括原声乐器例如钢琴以及自动演奏器或自动演奏系统。原声乐器的组成部分被分解成操纵器和音调生成器。演奏者选择性地操纵这些操纵器，以便指定所要产生的音调。另一方面，音调生成器连接到操纵器，并且响应于操纵器的运动，以便产生由演奏者指定的音调。在原声钢琴作为原声乐器的情况下，黑白键作为操纵器，并且动作单元、音锤和音弦作为一个整体构成音调生成器。

另一方面，自动演奏器或自动演奏系统被分解成传感器、致动器、控制器和信号调制器。传感器、致动器、控制器和信号调制器形成控制环，并且操纵器在控制环的控制下精确地在下面将要详述的基准轨迹上移动。这样的对操纵器的精确控制导致演奏的忠实重现。

传感器监测操纵器，并且产生代表电流物理量的检测信号。将检测信号从传感器提供给控制器。当前物理量表达相关操纵器的实际运动。当前物理量的一系列值表达操纵器在其上移动的实际轨迹。实际物理量例如是键行程或当前键位置、当前速度、目前作用于操纵器上的当前加速度或力。任何种类的物理量都是可用的，只要实际运动可采用这种物理量定义即可。从而，位置变换器、速度传感器、加速度传感器或压力传感器都可用于控制环。

还为操纵器提供致动器，并且致动器引起相关操纵器的实际运动。致动器通过信号调制器连接到控制器。控制器确定驱动信号的最佳幅度，并且信号调制器将被调节至最佳幅度的驱动信号提供给致动器，以便使致动器引起实际运动。这样，自动演奏系统演奏音乐片段，而无需任何演奏者弹奏。致动器可采用螺线管操作(solenoid-operated)致动器实现。然而，其他种类的致动器例如气动致动器或脉冲马达也可用于自动演奏系统。

控制器的功能被分解成以下部分。控制器通过在处理器上运行的计算机程序实现下面功能。然而，有线逻辑电路也可实现下面功能。

首先，控制器根据音乐数据片段为要致动的操纵器确定基准轨迹。基准轨迹是一系列随着时间变化的目标物理量的值，并且可以以二进制代码的形式制作音乐数据片段。

第二，控制器确定另一种当前物理量和另一种目标物理量。当前物理量和另一个当前物理量分别对应于目标物理量和另一个目标物理量。在当前物理量和另一个当前物理量是位置和速度的情况下，目标物理量和另一个目标物理量也是位置和速度。然而，两种物理量不对本发明的技术范围设置任何限制。三种物理量例如位置、速度和加速度可用于对操纵器的控制。

第三，控制器将当前物理量和另一个当前物理量与目标物理量和另一个物理量进行比较，以查看每个操纵器是否精确地在基准轨迹上移动。如果答案为否，则控制器确定第一偏差和第二偏差，其中第一偏差是当前物理量与目标物理量之间的差值，而第二偏差是另一个当前物理量与另一个目标物理量之间的差值。在检查三种物理量的情况下，控制器还确定再另一个当前物理量与再另一个目标物理量之间的第三偏差。

第四，控制器确定这些偏差的控制参数。这些控制参数中的至少之一根据轨迹上的运动是可变的。“轨迹上的运动”从各种视点如目标物理量、另一个目标物理量、当前物理量、另一个当前物理量或其间的任何组合来描述。如果检查再另一个物理量，则还增加候选项。

最后，控制器确定驱动信号的最佳幅度。最佳幅度是指当将驱动信号调节至最佳幅度时，致动器降低这些偏差而不牺牲运动的稳定性。通过对这些偏差和控制参数的一个或多个算术运算来确定最佳幅度。由于控制参数中的至少之一根据轨迹上的运动是可变的，因此实际轨迹变得更接近于基准轨迹。控制器将代表最佳幅度的控制数据片段提供给信号调制器。

信号调制器将驱动信号调节至最佳幅度，并且将驱动信号提供给与实际轨迹上的每个操纵器相关联的致动器。

从前面描述可以理解，自动演奏系统通过一个或多个可变控制参数，忠实地重现音乐数据片段所表达的演奏。

下面对自动播放器乐器的若干实施例进行更详细的描述。

第一实施例

参照附图的图1，实施本发明的自动播放器钢琴主要包括原声钢琴100、自动演奏系统300和记录系统500。自动演奏系统300和记录系统500安装在原声钢琴100中，并且根据操作模式选择性地被激活。当演奏者在没有任何记录和回放指令的情况下在原声钢琴100上弹奏音乐片段时，原声钢琴100表现得类似于标准原声钢琴，并且以通过弹奏指定的音高产生钢琴音调。

当演奏者希望记录他或她在原声钢琴100上的演奏时，演奏者向记录系统500发出记录指令。然后，记录系统500被激活。当演奏者在原声钢琴100上弹奏时，记录系统500产生代表原声钢琴100上的演奏的音乐数据代码。这样，以一组音乐数据代码来记录该演奏。

假定用户希望再现演奏。用户指示自动演奏系统300再现原声音调。自动演奏系统300在原声钢琴100上弹奏该音乐片段，并且重现该演奏，而无需演奏者的弹奏。

以下详细描述原声钢琴100、自动演奏系统300和记录系统500。

原声钢琴

在本例中，原声钢琴100是大钢琴。原声钢琴100包括键盘1、动作单元2、音锤3、音弦4和制音器5。键座102形成钢琴柜的一部分，并且键盘1安装在键座102上。键盘1与动作单元2和制音器5链接(link)，并且钢琴演奏者选择性地通过键盘1驱动动作单元2和制音器5。已通过键盘70选择性地致动的制音器5与相关的音弦4隔开，以便音弦4准备振动。另一方面，已通过键盘1选择性地致动的动作单元2引起相关音锤3的自由旋转，并且音锤3在自由旋转结束处敲打相关的音弦4。然后，音弦4振动，并且通过音弦4的振动而产生原声音调。这样，键盘1、动作单元2、制音器5、音锤3和音弦4表现得类似于标准原声钢琴。

键盘1包括多个黑键1a、多个白键1b和平衡轨104。在本例中，八十八个键1a/1b包括在键盘1中。黑键1a和白键1b以公知的图案排列，并且通过平衡键销P可移动地支持在平衡轨104上。当不对黑/白键1a/1b施加任何力时，音锤3和动作单元2将自重作用于黑/白键1a/1b的后部，并且黑/白键1a/1b的前部与前导轨106隔开，如实线所示。由后线代表的键位置是“静止位置”，并且键行程(keystroke)为零。当钢琴演奏者按黑/白键1a/1b时，前部克服动作单元/音锤2/3的自重而下降，并且到达由点划线代表的“结束位置”。结束位置沿着键轨迹与静止位置相隔10毫米。换句话说，从静止位置到结束位置的键行程为10毫米。

假定用户按黑和白键1a/1b的前部。前部向前轨106下降，并且后部升高。键运动引起相关动作单元2的激活，并且如前所述进一步使音弦4准备振动。所激活的动作单元2驱动相关音锤3以通过脱离(escape)而进行自由旋转。音锤3在自由旋转的结束处敲打相关音弦4，从而产生原声音调。音锤3在音弦4上回弹，并且再次落在相关键动作单元2上。

当用户释放黑和白键1a/1b时，动作单元/音锤2/3的自重在反方向上引起黑和白键1a/1b的旋转，以便黑和白键1a/1b返回到静止位置。使制音器5与相关音弦4接触，以便衰减原声音调。键动作单元2再次返回到静止位置。这样，钢琴演奏者可以引起如同跷跷板的关于平衡轨104的角形键运动。

自动演奏系统

下面同时参照图1和图2描述自动演奏系统300和记录系统500。自动演奏系统300包括一排键致动器6、键传感器7、存储器装置23、操纵面板(未示出)和控制器302。另一方面，记录系统500包括音锤传感器8、键传感器7、存储器装置23、控制器302和操作面板(未示出)。这样，在自动演奏系统300和记录系统500之间共用系统组件7、23、控制器302和操作面板(未示出)。

形成自动演奏系统300的一部分的控制器302的功能被分解成初级数据处理器10和运动控制器11。将代表要重现的演奏的一组音乐数据代码装载到初级数据处理器10，并且键传感器7将代表当前键位置的键位置信号提供给运动控制器11。键位置信号用作反馈信号yxa。初级数据处理器10顺序地分析音乐数据代码，并且确定要再现的钢琴音调，以及再现钢琴音调的定时。当时间到来时，初级数据处理器10确定黑/白键1a/1b的基准轨迹，并且将代表基准轨迹的控制数据信号rf提供给运动控制器11。基准轨迹是一组随着时间变化的目标键位置。音锤3获得相关黑/白键1a/1b在基准轨迹上移动的状态下的最终音锤速度，其与音调的响度成比例。基准轨迹在第一公开文献中有描述。运动控制器11将驱动信号ui提供给螺线管操作的键致动器6，并且通过比较基准轨迹上的目标键位置与当前键位置，周期性地将驱动信号ui调节至适当的平均电流值，以便迫使黑/白键1a/1b在基准轨迹上移动。

另一方面，形成记录系统500的一部分的控制器302的功能被分解成记录控制器12和在后数据处理器(post data processor)13。音锤传感器8将代表当前音锤位置的音锤位置信号提供给记录控制器12，并且记录控制器12确定最终的音锤速度和音弦4被音锤3敲打的时间。记录控制器12还确定分配给所按下/所释放的键1a/1b的键号、键速度和钢琴演奏者开始按压黑/白键1a/1b的时间。记录控制器12分析代表键运动和音锤运动的这些音乐数据片段，并且将事件数据片段提供给在后数据处理器13。在后数据处理器13规范化这些事件数据片段。经过规范化的事件数据片段由在后数据处理器13采用以例如MIDI(乐器数字接口)协议的协议定义的适当格式进行编码。规范化处理披露于第二公开文献中。

键致动器6独立地以驱动信号ui激励，以便移动相关的黑和白键1a/1b。这意味着所需的键致动器6在数目上等于黑/白键1a/1b。在本例中，键致动器6由螺线管操作致动器单元实现。

每一个螺线管操作键致动器单元6包括柱塞9a以及螺线管和磁轭的组合结构9b。螺线管居于磁轭内，并且柱塞9a可从螺线管突出和回缩到其中。螺线管操作键致动器单元6的阵列从键座102悬挂。当螺线管操作键致动器单元6保持空闲而无任何驱动信号ui的时候，柱塞15回缩在螺线管和磁轭的组合结构9b中，并且柱塞15的尖端与处于静止位置的相关黑和白键1a/1b的下表面略微隔开。

当控制器302采用驱动信号ui激励螺线管9b时，在柱塞9a的周围产生磁场，并且在该磁场中磁力作用于柱塞9a上。然后，柱塞9a从组合结构9b向上突出，并且推动黑和白键1a/1b的下表面，以便引起相关黑/白键1a/1b的角运动。黑/白键1a/1b驱动相关动作单元2和形成动作单元2的一部分的顶杆(jack)，从音锤3脱离。音锤3通过脱离而开始自由旋转，并且音弦4在自由旋转的结束处被音锤3敲打。虽然螺线管操作键致动器6、黑/白键1a/1b、动作单元2和音锤3在机械上相互独立，但是螺线管操作键致动器6顺序地引起键运动、顶杆的脱离和音锤3的自由旋转，从而产生钢琴音调。

各自地以键传感器7监测黑/白键1a/1b。键传感器7安设在黑/白键1a/1b的前部之下，并且具有相应的与完全键行程相重叠的可检测范围。键传感器7横穿相关黑/白键1a/1b的轨迹而产生光束，并且光量根据相关黑/白键1a/1b的当前键位置而变化。这样，键传感器7被分类到光位置变换器中，并且键传感器7的结构例如披露于第一公开文献中。

光量代表当前键位置，并且被转换成光电流。光电流形成代表当前键位置的键位置信号，并且键位置信号被提供给控制器302。键位置信号的幅度根据当前键位置而变化，并且变化率表达键速度。将键位置信号从键传感器7提供给记录控制器12和运动控制器11两者，以便如上所述用于对黑/白键1a/1b的记录和伺服控制两者。

音锤传感器8也由光位置变换器实现。在日本专利申请公开号2001-175262中披露的光位置变换器可用作音锤传感器8。音锤传感器8包括在记录系统500中，并且将音锤位置信号提供给记录控制器12。

控制器302包括缩写为“CPU”的中央处理单元20、缩写为“ROM”的只读存储器21、缩写为“RAM”的随机存取存储器22、总线系统20B、缩写为“I/O”的接口4、以及脉宽调制器25。这些系统组件20、21、22、24和25连接到总线系统20B，并且存储器装置23也连接到总线系统20B。地址代码、控制数据代码和音乐数据代码通过总线系统20B选择性地从特定系统组件传播到其他系统组件。

中央处理单元20是数据处理能力的起源。主例程程序、子例程程序和数据/参数表存储在只读存储器21中，并且计算机程序在中央处理单元20上运行，以便完成作为初级数据处理器10、运动控制器11、记录控制器12和在后数据处理器13的工作。数据表之一用于确定如下将详细描述的反馈增益kx，并且下面称作“增益表”。随机存取存储器22提供临时数据存储，并且用作工作存储器。

存储器装置23向自动演奏和记录系统300/500提供大量存储器。音乐数据代码在记录和回放时临时存储在存储器装置23中。在本例中，存储器装置23由硬盘驱动器实现。柔性盘驱动器或软盘(商标)驱动器、致密盘驱动器例如CD-ROM驱动器、磁光盘驱动器、ZIP盘驱动器、DVD(数字多功能盘)驱动器和半导体存储板可用于系统300/500。

音锤传感器8、键传感器7和操作面板(未示出)连接到接口24，并且脉宽调制器25将驱动信号ui分发到螺线管操作键致动器6。键位置信号和音锤位置信号到达接口24。接口24适当地对音锤位置信号和键位置信号的波形进行整形，然后通过模数转换器将音锤位置信号和键位置信号转换成数字音锤位置信号和数字键位置信号。在模数转换之后，中央处理单元20周期性地从接口24取出代表当前键位置的位置数据片段和代表当前音锤位置的位置数据片段。控制器302还可包括通过公共通信网络将音乐数据代码从远程数据源提供给其的通信接口。

在本例中，中央处理单元20、脉宽调制器25、键致动器6、键传感器7和接口24形成反馈控制环64，并且将黑和白键72/74插入到反馈控制环304中。

如前所述，运动控制器11响应于代表基准轨迹的控制数据信号，以便采用驱动信号ui迫使黑/白键1a/1b在其上移动。伺服控制的目的是将最终的音锤速度给予相关的音锤3。此目的通过迫使黑/白键1a/1b在基准轨迹上移动来完成。在本例中，完全键行程为10毫米的量级，以便期望运动控制器11在短的基准轨迹上忠实地再现键运动。但是，螺线管操作键致动器6在机械上独立于相关黑和白键1a/1b，并且反馈信号yxa代表螺线管操作键致动器6所引起的键运动。这意味着各种噪声分量易于发生。然而，在现有技术的伺服控制中对这些噪声分量未加以考虑。增益要根据基准轨迹上的目标键位置来改变。

伺服控制

图3示出用于黑/白键1a/1b上的伺服控制的运动控制器11的功能。在本例中，运动控制器11通过软件实现。

在图3中，圆圈31和32代表减法器，并且圆圈36代表加法器。框24代表包括在接口24中的模数转换器，并且框30代表在每个采样时间周期确定目标键位置rx和目标键速度rv。中央处理单元20在每个采样时间周期内从模数转换器24取一次数字键位置信号yxd，并且以1毫秒的间隔重复。框33代表增益计算器。增益计算器33分析目标键位置rx，并且根据目标键位置rx确定位置增益kx的值。框34和35代表放大器。放大器34将位置偏差ex乘以位置增益kx，并且另一放大器将速度偏差ev乘以速度增益kv。框25和38分别代表脉宽调制器25的功能和规范化。框39代表速度计算器，其根据基准轨迹上预定数目的当前键位置来确定当前键速度yv。

现在假定基准轨迹代表从静止位置到结束位置的完全键行程，则框30在每个采样时间周期内输出一次基准轨迹上的目标键位置和目标键速度。在本例中，目标键位置在零到10毫米的范围内变化，并且单位是毫米。另一方面，目标键速度在零到500毫米/秒的范围内变化，并且单位是毫米/秒。

假定框30输出目标键位置rx和目标键速度rv。分别将目标键位置rx和目标键速度rv提供给减法器31和32，并且分别通过减法器31和32从目标键位置rx的值和目标键速度rv的值中减去已经在框38处经过规范化的当前键位置yx的值和根据规范化的当前键位置而确定的当前键速度yv的值。分别将位置偏差ex和速度偏差ev从减法器31和32提供到放大器34和35，并且通过放大器34和35中的乘法操作来乘以位置增益kx和速度增益kv。虽然速度增益kv是恒定的，但是位置增益kx与目标键位置rx一起变化。

详细地说，将目标键位置rx同时提供给减法器31和增益计算器33。如前所述，位置增益kx的值以表的形式存储在只读存储器21中。在增益表中，位置增益kx的值与目标键位置rx的值相互相关。当目标键位置rx到达增益计算器33时，增益计算器33访问增益表，并且从增益表读出位置增益kx的适当值。

图4示出位置增益表。在本例中，键行程分成两个区域，即目标键位置rx小于3毫米，和目标键位置rx等于或大于3毫米。如果目标键位置rx距离静止位置小于3毫米，则位置增益kx为0.9。另一方面，如果目标键位置rx落在下一个区域内，即等于或大于3毫米，则位置增益kx减至0.3。这样，当黑/白键1a/1b在浅区域内移动时，黑/白键1a/1b被强烈地加速或减速。然而，在进入参考点所在的深区域之后，运动控制器11精细地控制黑/白键1a/1b。

通过放大器34中的乘法操作，将以毫米为单位表达的位置偏差ex转换成占空比的增大/减小比例。类似地，通过放大器35中的乘法操作，将以毫米/秒为单位表达的速度偏差ev转换成占空比的增大/减小比例。换句话说，占空比以总百分比增大或减小。在本例中，键速度而非键位置被重重加权。因此，速度增益kv大于位置增益kx。

可变位置增益kx让螺线管操作键致动器6迫使黑/白键1a/1b及时到达基准轨迹上的目标键位置。参考点处的键速度变得等于原始演奏中的键速度，从而让黑/白键1a/1b精确地在基准轨迹上移动。这导致以等于原始演奏中的响度产生钢琴音调。

回到图3，将乘积ux和uv提供给加法器36。在加法器36处，将乘积ux加到另一乘积uv，并且将和u提供给脉宽调制器25。脉宽调制器25根据和u改变驱动信号ui的占空比。如果和u为零，则运动控制器11预测黑/白键1a/1b及时到达目标键位置rx，并且脉宽调制器25将驱动信号ui保持在当前占空比。然而，如果否，则脉宽调制器25将驱动信号ui调节至适当的占空比，并且使黑/白键1a/1b加速或减速。

将驱动信号ui提供给螺线管操作键致动器6。当脉宽调制器25改变占空比时，使磁场变强或变弱，从而增大或减小柱塞9a上的力。这样，螺线管操作键致动器6加速或减速相关的黑/白键1a/1b。另一方面，如果脉宽调制器25以先前的占空比保持驱动信号ui，则不改变柱塞9a上的力，并且螺线管操作键致动器6将黑/白键1a/1b保持在先前键速度。

键传感器7确定当前键位置yk，并且将键位置信号yxa提供给接口24。通过模数转换将模拟键位置信号yxa转换成数字键位置信号yxd，并且在框38处规范化数字键位置信号yxd。从由数字键位置信号yxd表达的当前键位置中消除原声钢琴100的独特性。

通过对当前键位置求微分来得到当前键速度。在计算当前键速度时可使用多项式近似。例如，将每七个当前键位置近似成二次曲线，并且根据二次曲线确定当前键速度。

将当前键位置yx和当前键速度yv反馈给减法器31和32，并且分别与下一采样时间周期内的下一目标键位置rx和下一目标键速度rv比较。

本发明人评价了可变位置增益kx。本发明人制作了增益表，并且观察了实际键运动。曲线PL1代表键的基准轨迹(参见图5A)。当运动控制器11通过图3所示的反馈环304控制键时，键沿着曲线PL2移动。

本发明人在整个完全键行程范围内将增益kx固定为0.3，并且观察了键运动。曲线PL5也是键的基准轨迹(参见图5B)。当运动控制器11通过反馈环304控制键时，键沿着曲线PL6移动。浅区域内的当前键位置与基准轨迹PL5相隔较远。浅区域内的较差敏捷性在快速重复中是严重的，因为原声钢琴100易于漏音。

本发明人在整个完全键行程范围内将位置增益kx改成0.9。曲线PL3也代表基准轨迹(参见图5C)。当运动控制器11通过反馈环304控制键时，键沿着曲线PL4移动。键运动在深区域内变得不稳定。不稳定的键运动是由于无意的双重敲打而引起的。

比较曲线PL2与曲线PL6和PL4，可以理解，可变位置增益kx使键运动更接近于在以固定增益的反馈控制下的键运动。当键从静止位置移动到静止位置之下3毫米时，键由于较大的位置增益kx而迅速上升，使得曲线PL2比曲线PL6更接近于基准轨迹PL1。即使键接近于静止位置，较小的位置增益kx保持键运动稳定，并且不发生任何双重敲打。这样，可变增益增强了敏捷性，而不牺牲稳定性。

变型

如前所述，在图3所示的反馈环304中，位置增益kx根据基准轨迹上的目标键位置rx而变化。在第一变型中，速度增益kv根据目标位置rx而变化。

黑/白键1a/1b通过如图6A所示的反馈环304A来控制。定义目标键位置rx和速度增益kv之间的关系的增益表存储在只读存储器21或随机存取存储器22中，并且增益计算器33a访问增益表，以便读出目标键速度rv所对应的速度增益kv的值。将速度增益kv提供给放大器35，并且放大器35将目标键速度rv乘以速度增益kv。在本例中，速度增益kv如图6B中的曲线PL7所示变化。当键在静止位置与距离静止位置5毫米的目标键位置之间的浅区域内移动时，速度增益kv取较小值。边界上的键位置仅适于原声钢琴100。如果自动演奏系统安装在另一型号中，则该边界不同于距离静止位置5毫米的键位置。在进入目标键位置与结束位置之间的深区域之后，速度增益kv取较大值。如果将大于临界值的较大速度增益kv施加到浅区域内的伺服控制，则较大速度增益kv使键运动不稳定。在本例中，虽然速度增益kv在浅区域内较大，但是速度增益kv等于或小于临界值，使得在浅区域内增强敏捷性，而不牺牲稳定性。其他控制步骤类似于第一实施例的控制步骤，因此，为简单起见不再赘述。

图7B示出反馈环304的另一个变型304B。在本例中，增益计算器33b响应于目标键速度rv，以便确定位置增益kx。定义目标键速度rv与位置增益kx之间的关系的增益表存储在只读存储器21或随机存取存储器22中。在本例中，位置增益kx在较慢的键运动中与目标键速度rv成反比减小，并且在较快的键运动中恒定，如图7B的曲线PL8所示。较慢的键运动与较快的键运动之间的阈值即边界例如为每秒50毫米。该阈值以实验方式确定。当键以较慢的速度移动时，将速度增益kv的大值提供给放大器34，并且占空比受到位置偏差ex的强烈影响。换句话说，当控制器11确认该键要以高速度移动时，位置增益kx被重重加权。另一方面，如果目标键速度rv较大，则位置增益kx是恒定的。位置增益kx的接触值以实验方式确定。反馈控制环304B在键以较低的速度移动的状态下实现良好的敏捷性。换句话说，反馈控制环304B忠实地再现停止处附近的键运动。其他控制步骤类似于第一实施例的控制步骤，因此，为简单起见不再赘述。

图8A示出反馈环304的另一个变型304C。增益计算器33c访问如图8B中的曲线PL9所示定义目标键速度rv与速度增益kv之间的关系的增益表，以便读出速度增益kv的适当值。将速度增益kv提供给放大器35，并且将速度偏差ev乘以速度增益kv的值。在本例中，速度增益kv与目标键速度rv成反比减小，直到目标键速度rv为每秒200毫米，并且在每秒200毫米之上是恒定的。这样，该阈值大于第二变型的阈值。通过可变速度增益kv，忠实地再现原始键运动。其他控制步骤类似于第一实施例的控制步骤，因此，为简单起见不再赘述。

第二实施例

参照附图的图9，实施本发明的另一自动播放器钢琴主要包括原声钢琴100A、自动演奏系统300A和记录系统500A。原声钢琴100A和记录系统500A类似于原声钢琴100和记录系统500，因此原声钢琴100A的各组件和记录系统500A的各组件以指定原声钢琴100的对应组件的附图标记和指定记录系统500的对应组件的附图标记来标示，而不作详细描述。键行程也是10毫米。

自动演奏系统300A在系统配置上类似于自动演奏系统300。然而，包括在控制器302A中的运动控制器11A的功能不同于运动控制器11的功能。因此，如图9和10所示，其他系统组件以指定自动演奏系统300的对应系统组件的附图标记来标示。

自动演奏系统500A表现如下。通过通信网络(未示出)将一组音乐数据代码从存储器装置22或数据源(未示出)提供给初级数据处理器10。初级数据处理器10顺序地处理音乐数据代码，并且确定要移动的黑/白键1a/1b、每个黑/白键1a/1b开始键运动的时间、以及每个黑/白键1a/1b要在其上移动以便重现键事件的基准轨迹。当时间到来时，初级数据处理器10向运动控制器11A通知基准轨迹，并且运动控制器11A将驱动信号ui提供给黑/白键1a/1b。相关的键传感器7检测当前键位置，并且将代表当前键位置的键位置信号yxa提供给运动控制器11A。然后，运动控制器11A通过反馈控制环304A开始对黑/白键1a/1b的伺服控制。

基准轨迹相当于一系列随着时间变化的目标键位置值。如果黑/白键1a/1b精确地在基准轨迹上移动，则音锤3获得由音乐数据代码表达的最终音锤速度。如何确定基准轨迹披露于第一公开文献中。

当运动控制器11A接收到代表基准轨迹的控制数据片段时，运动控制器11A确定每个时刻的目标键位置，并且调节驱动信号ui的平均电流或占空比。这样，运动控制器11A通过对驱动信号ui的调节迫使黑/白键1a/1b在各自的基准轨迹上移动。

如前所述，螺线管操作键致动器6在机械上独立于黑/白键1a/1b，并且柱塞运动不与键运动严格相同。换句话说，即使运动控制器11A考虑当前键位置来优化驱动信号ui，驱动信号ui也只是使螺线管操作键致动器6改变作用于黑/白键1a/1b的后部的力，并且位移从后部传播到采用键传感器7监测的前部。传统地，对柱塞9a的重量和/或相关黑/白键1a/1b的重量被加以考虑，并且将某个恒定偏压施加到螺线管9b。恒定偏压使螺线管操作键致动器6迅速地升高柱塞6。然而，恒定偏压引起不稳定的键运动。当音弦4要轻微地被音锤3敲打时，恒定偏压强得使柱塞9a与黑/白键1a/1b猛烈地碰撞。另一方面，如果音弦4要被音锤3猛烈地敲打，则恒定偏压不能引起与原始演奏中的音锤速度相等的最终音锤速度。这样，恒定偏压不能实现忠实的重现。

通过下面描述可以理解，运动控制器11A根据目标键位置和目标键速度来改变偏压。

图11示出反馈控制环304A的功能。虽然脉宽调制器25、螺线管操作键致动器6和模数转换器24由各自的电路实现，但是中央处理单元20通过计算机程序的执行而实现其他功能。

将代表基准轨迹的控制数据片段提供给目标值生成器30。目标值生成器30例如以1毫秒的间隔输出键位置的目标值和键速度的目标值。由于静止位置和结束位置之间的完全键行程为10毫米的量级，因此使用毫米作为单位。另一方面，使用毫米/秒作为键速度的单位，并且键速度的目标值的范围为零到500毫米/秒。

以1毫秒的间隔将键位置的目标值和键速度的目标值分别提供给减法器31和32，并且分别从键位置的目标值和键速度的目标值中减去键位置的当前值和键速度的当前值。减法器31和32分别输出分别提供给放大器33和34的位置偏差ex和速度偏差ev。将位置偏差ex和速度偏差ev分别乘以恒定增益kx和恒定增益kv，并且通过加法器35将乘积ux和uv相加。乘积ux表示由于位置偏差ex引起的平均电流的一部分。另一方面，乘积uv表示由于速度偏差ev引起的平均电流的一部分。这样，放大器33和34将这些单位即毫米和毫米/秒转换成平均电流或占空比的值。

乘积和(ux+uv)代表平均电流或占空比的目标值。通过加法器37将校正值加到乘积和(ux+uv)。将键位置目标值rx和键速度目标值rv提供给校正值生成器36，并且校正值生成器36访问校正值表，以便读出适当的校正值。校正值表示平均电流或占空比的值。换句话说，平均电流或占空比增至或减至乘积(ux+uv)与校正值ru的总和。校正值表定义校正值与目标值之间的关系。

图12示出校正值表。目标键位置rx和目标键速度rv将校正值分成四个象限。换句话说，校正值根据钢琴演奏者是重按还是轻按以及键是在浅区域内还是在深区域内移动而变化。当目标键位置rx和目标键速度rv分别小于0.5毫米和小于每秒100毫米，则校正值ru为8％。如果目标键速度rv增至或超过每秒100毫米，则校正值ru也为8％。然而，当目标键位置rx大于或等于0.5毫米时，校正值ru根据目标键速度rv而变化。如果目标键速度rv等于或小于每秒100毫米，则校正值ru为9％。当目标键速度rv大于每秒100毫米时，校正值ru如下给出：

ru＝0.02×(rv-100)+9  [％]    ....  方程式1

当期望黑/白键1a/1b以低速即每秒小于100毫米移动时，校正值ru为8％或9％。校正值ru增强了较低键速度下的键运动的敏捷性。而且，校正值ru在浅区域内较小，即8％，而不管目标键速度rv。这使得柱塞9a轻柔地与相关的黑/白键1a/1b接触。

另一方面，当黑/白键1a/1b进入深区域、即等于或大于0.5毫米时，校正值ru由方程式1给出。系数“0.02”以实验方式确定。校正值ru在等于或大于0.5毫米的深区域内随着目标键速度rv一起增大。结果，黑/白键1a/1b可以迅速地到达(capture)目标键位置。

通过前面描述可以理解，根据目标键位置rx和目标键速度rv而变化的校正值ru对于防止与黑/白键1a/1b的强烈碰撞和不同于原始键运动的键运动是有效的。

回到图11，将乘积和(ux+uv)以及校正值ru提供给脉宽调制器25。脉宽调制器25响应于代表总和(ux+uv+ru)的控制信号，以便改变驱动信号ui的平均电流或占空比。总和(ux+uv+ru)表达平均电流或占空比的目标值，以便使占空比从先前占空比增至或减至(ux+uv+ru)。脉宽调制器25将驱动信号ui调节至占空比的目标值，并且将驱动信号ui提供给螺线管操作键致动器6。

驱动信号ui在柱塞9a的周围产生相应的磁场，使得柱塞9a从螺线管9b向上突出。柱塞9a引起相关黑/白键1a/1b的键运动。黑/白键1a/1b在基准轨迹上移动，并且试图在采样周期的结束时到达目标键位置rx。键传感器7监测黑/白键1a/1b，并且将当前键位置yk转换成模拟键位置信号yxa。通过模数转换器24将模拟键位置信号yxa转换成数字键位置信号yxd，并且通过规范化装置38规范化当前键位置。速度计算器39根据预定数目的当前键位置的值确定当前键速度，因此分别将当前键位置yx和当前键速度yv从规范化装置38和速度计算器39提供给减法器31和32，以用于下一个目标键位置rx和下一个目标键速度rv。

本发明人评测了反馈控制环304A。图13A、13B、13C和13D示出基准轨迹PL11、PL13、PL15和PL17以及实际键轨迹PL12、PL14、PL16和PL18。

当校正值固定为9％时，键以小于每秒100毫米的较低键速度在曲线PL12上移动。另一方面，当校正值如前所述根据目标键位置和目标键速度而变化时，键以较低键速度在曲线PL14上移动。比较曲线PL12与曲线PL14，可以理解，键运动由于大的校正值而引起在浅区域内，即小于0.5毫米，不稳定。详细地说，使柱塞9a猛烈地与键碰撞，并且实际键位置瞬时达到峰值。这是因为较大的校正值即9％。另一方面，柱塞运动由于较小的校正值即8％如曲线PL14所示在浅区域内是稳定的。在较深区域内，实际键轨迹PL12变得相当接近于基准轨迹PL11，这类似于实际键轨迹PL14。这样，可变校正值对于防止不稳定的键运动是有效的。

曲线PL16和PL18代表大于每秒100毫米的较高键速度的键运动。当校正值固定为9％时，实际键轨迹PL16逐渐地偏离基准轨迹PL15，并且偏差在深区域内是严重的。另一方面，实际键轨迹PL18由于由方程式1给出的可变校正值ru，在完全键行程范围内非常接近于基准轨迹PL17。由于校正值在浅区域内较小即8％，因此键运动在浅区域内是稳定的。

从前面描述可以理解，在根据本发明的自动演奏系统300A中，校正值ru根据目标键位置和目标键速度而变化，并且在浅区域内增强了黑/白键1a/1b的敏捷性而不牺牲稳定性。

图14示出第二实施例的变型。除了反馈控制环304B特别是运动控制器11B的功能之外，该变型类似于实现第二实施例的自动演奏器钢琴。因此，描述集中在反馈控制环304B上。

定义校正值ru与当前键位置/当前键速度yx/yv之间的关系的校正值表存储在只读存储器21或随机存取存储器22中。向校正值生成器36b提供当前键位置和当前键速度yx/yv。在校正值表中，不同的校正值与当前键位置yx和当前键速度yv相互相关。校正值生成器36b在每个采样时间周期内访问一次校正值表，并且从校正值表读出适当的校正值ru。其他功能与反馈控制环304A的功能类似，并且为简单起见不再赘述。

校正值可以与当前键位置或当前键速度相互相关。当前加速度也可与校正值相互相关。

第三实施例

参照图15，另一反馈控制环304C包括在形成实施本发明的自动演奏器钢琴的一部分的自动演奏器中。除了运动控制器11C的功能之外，原声钢琴、记录系统和自动演奏系统类似于原声钢琴100、记录系统500和自动演奏系统300。因此，各组成部分和系统组件以指定对应的组成部分和对应的系统组件的附图标记来标示，而不作详细描述，以便避免赘述。

比较图15与图3，在加法器35和脉宽调制器25之间新插入加法器40，并且以另一增益计算器33c替代增益计算器33。运动控制器11C的其他功能类似于运动控制器11的功能，从而描述集中在增益计算器33c和加法器40上。

如图16所示定义目标键位置/目标键速度与位置增益/速度增益/校正值kx/kv/f之间的关系的增益表存储在只读存储器21或随机存取存储器22中，并且增益计算器33c在每个采样时间周期内访问一次增益表。

位置增益kx、速度增益kv和校正值f根据目标键位置rx和目标键速度rv的组合而变化。在本例中，键运动分成四组。第一组中的键运动的特征在于目标键位置rx在静止位置之下的零到4毫米之间，并且目标键速度rv等于或小于每秒200毫米。第二组中的键运动的特征在于目标键位置rx在静止位置之下4毫米到结束位置，即静止位置之下10毫米之间，并且目标键速度rv等于或小于每秒200毫米。第三组中的键运动的特征在于目标键位置rx在静止位置之下的零到4毫米之间，并且目标键速度rv大于每秒200毫米。第四组中的键运动的特征在于目标键位置rx在静止位置之下4毫米到结束位置之间，并且目标键速度rv大于每秒200毫米。

假定增益计算器33c确定键运动分到第一组中。然后，从增益表读出0.6、0.3和9％作为位置增益kx、速度增益kv和校正值f，并且将其分别提供给放大器34、放大器35和加法器40。当增益计算器33c将键运动分到第二组中时，从增益表读出0.2、0.3和9％作为位置增益kx、速度增益kv和校正值f，并且将其分别提供给放大器34、放大器35和加法器40。这样，当黑/白键1a/1b以等于或小于每秒200毫米的较低速度移动时，速度增益kv和校正值f恒定，而位置增益kx根据目标键位置rx而变化。

另一方面，当黑/白键1a/1b以大于每秒200毫米的普通键速度移动时，将键运动分到第三组或第四组中。当键运动分到第三组中时，从增益表读出0.6和0.3作为位置增益kx和速度增益kv，并且如下计算校正值f：

f＝9+2×(rv-200)/100[％]           ....方程式2

如果键运动分到第四组中时，从增益表读出0.2和0.3作为位置增益kx和速度增益kv，并且通过方程式2表达校正值f。

将位置偏差ex和速度偏差ev乘以位置增益kx和速度增益kv，并且通过加法器36将乘积ux和uv相加。将乘积和(ux+uv)提供给下一个加法器40，并且还将校正值f加到乘积和(ux+uv+f)。总和(ux+uv+f)代表占空比的目标值，并且被提供给脉宽调制器25。

由于校正值f随着目标键速度rv一起增加，因此黑/白键1a/1b在高的键速度下迅速地到达目标键位置rx。

从前面描述可以清楚，可变控制参数例如位置增益kx、速度增益kv和校正值ru/f使反馈控制环304/304A/304B/304C精确地再现原始键运动。结果，自动演奏系统通过精确再现的键运动而忠实地重现原始演奏。

虽然示出和描述了本发明的特定实施例，但是本领域的技术人员应当清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

光键传感器7不对本发明的技术范围设置任何限制。磁位置变换器可用于自动演奏器钢琴中。类似地，位置变换器不对本发明的技术范围设置任何限制。键传感器7和/或音锤传感器8可由速度传感器或加速度传感器实现。键位置和音锤位置通过键速度/音锤速度的积分来确定。反馈信号可以从监测相关柱塞9a的柱塞传感器获得。

可以为踏板如减音踏板、软踏板和持续踏板(sostenuto pedal)提供反馈控制环304/304A、304B或304C。这样，黑/白键1a/1b不对本发明的技术范围设置任何限制。

原声钢琴100不对本发明的技术范围设置任何限制。自动演奏系统300、300A或300C可以包括在其他种类的键盘乐器例如直立式钢琴或大键琴中。键盘乐器也不对本发明的技术范围设置任何限制。可以为其他种类的乐器例如打击乐器提供自动演奏系统。打击乐器的典型例子是钟琴。

计算机程序和数据表可装载到随机存取存储器22中。

中央处理单元20和计算机程序不对本发明的技术范围设置任何限制。记录控制器、在后数据处理器、初级数据处理器和运动控制器13/12/10/11可以部分或全部地以适合的逻辑电路和信号线代替。

脉宽调制器25不对本发明的技术范围设置任何限制。改变驱动信号ui的电位电平的其他种类的驱动器电路可以包括在控制器11/11A/11B中。

通过原声钢琴100与记录系统500之间的协作来产生一组音乐数据代码。然而，可以通过另一乐器或个人计算机系统来制作一组音乐数据代码。在这种情况下，通过通信网络或便携式信息存储介质例如柔性盘或致密盘将该组音乐数据代码装载到随机存取存储器中。当用户指示自动演奏系统演奏由该组音乐数据代码表达的音乐片段时，自动演奏系统控制原声钢琴以产生音调。这样，自动演奏系统根据音乐数据代码不仅再现而且产生音调。

增益表不对本发明的技术范围设置任何限制。运动控制器11可以通过使用适合的方程式确定增益kx。在这种情况下，目标键位置rx由一组参数表达，并且方程式的变量以这些参数代替。当然，这组增益值即0.3和0.9是一个例子。另一组增益值kx可以适于其他型号的自动演奏器钢琴。

在第一实施例和变型中，位置增益kx和速度增益kv之一根据目标键位置或目标键速度而变化。该特性不对本发明的技术范围设置任何限制。增益kx和kv都可以根据目标键位置和/或目标键速度而变化。增益kx和kv可以根据目标键位置和目标键速度的组合来确定。而且，还可对加速度加以考虑。还在框30中计算目标加速度，并且将加速度偏差乘以加速度增益。位置偏差和速度偏差之一可以用加速度偏差代替。否则，还与位置偏差和速度偏差一起对加速度偏差加以考虑。

在第二实施例中，校正值ru的标准是目标键位置是否小于0.5毫米以及目标键速度是否小于每秒100毫米。然而，这些阈值，即0.5毫米和每秒100毫米在其他型号中可以不同。而且，校正值可以根据目标键位置rx或目标键速度rv来确定。目标加速度可以是校正值ru的第三标准。这样，该标准和阈值不对本发明的技术范围设置任何限制。

系数“0.02”也适于此型号的原声钢琴100，而其他值可以适于其他型号的原声钢琴。这样，该系数不对本发明的技术范围设置任何限制。

深区域内快键运动的校正值ru可以通过二次曲线或其他函数表达。换句话说，方程式1不对技术范围设置任何限制。

在第三实施例中，位置增益kx和速度增益kv固定为0.6/0.2和0.3。在第三实施例的变型中，位置增益kx和速度增益kv可以根据键速度和/或键位置而变化，以便使实际键轨迹与基准轨迹几乎一致。换句话说，有可能通过使用位置增益kx、速度增益kv和校正值f来优化键运动。键行程可分成多于两个区域。类似地，键速度可分成多于两个区域。这样，图16所示的增益表不对本发明的技术范围设置任何限制。

在第三实施例的另一变型中，可以将当前键位置yx和当前键速度yv提供给增益计算器33c。

权利要求语言如下与这些实施例的各个组成部分相互相关。原声钢琴100对应于“原声乐器”。黑键1a和白键1b作为“多个操纵器”，而动作单元2、音锤3和音弦4作为一个整体构成“音调生成器”。螺线管操作键致动器6作为“多个致动器”，并且键传感器7对应于“多个传感器”。键位置信号yxa作为“检测信号”，而驱动信号ui对应于“驱动信号”。“幅度”意味着平均电流或占空比。

当前键位置yx和当前键速度yv分别对应于“当前物理量”和“另一个当前物理量”，而目标键位置rx和目标键速度rv分别对应于“目标物理量”和“另一个目标物理量”。音乐数据代码表达“音乐数据片段”。位置偏差ex和速度偏差ev作为“偏差”。位置增益kx、速度增益kv和/或校正值ru/f作为“控制参数”。

位置增益kx的固定值或速度增益kx的固定值作为“另一个具有恒定值的控制参数”。在第一实施例中，“阈值”是距离静止位置3毫米(参见图4)、每秒200毫米(参见图6B)、5毫米(参见图6B)和每秒50毫米(参见图7B)。

Claims (38)

1.一种用于产生音调的自动演奏器乐器，包括：

原声乐器(100)，包括：

多个操纵器(1a，1b)，选择性地被操纵以指定要产生的音调，和

音调生成器(2，3，4)，连接于所述多个操纵器(1a，1b)，并且响应于操纵器(1a，1b)的运动，以便产生通过被操纵的操纵器指定的所述音调；以及

自动演奏系统(300；300A)，包括：

多个致动器(6)，被提供用于所述多个操纵器(1a，1b)，并且响应于驱动信号(ui)，以便引起所述操纵器(1a，1b)的实际运动，从而产生所述音调，

多个传感器(7)，监测所述多个操纵器(1a，1b)，并且产生代表当前物理量(yx)的检测信号(yxa)，其中当前物理量(yx)表示所述实际运动，

控制器(11；11A；11B；11C)，连接于所述多个传感器(7)，并且

根据音乐数据片段，为要被所述多个致动器(6)操纵的操纵器(1a，1b)确定基准轨迹，每个基准轨迹由随着时间变化的目标物理量(rx)表示，

根据所述当前物理量(yx)确定至少另一个当前物理量(yv)，

根据所述目标物理量(rx)确定至少另一个目标物理量(rv)，

至少确定所述当前物理量(yx)与所述目标物理量(rx)之间和所述另一个当前物理量(yv)与所述另一个目标物理量(rv)之间的偏差，以确定最佳幅度，以及

信号调制器，连接在所述控制器与所述多个致动器之间，将每个驱动信号调节到所述最佳幅度，并且将所述每个驱动信号提供给与要被操纵的所述操纵器之一相关联的致动器，

其特征在于，

所述控制器还确定控制参数(kx，kv；kx，kv，ru；kx，kv，f)，所述控制参数中的至少一个根据所述实际运动和所述基准轨迹上的目标运动之一而变化，以及还在于，

所述控制器通过所述偏差(ex，ev)与所述控制参数(kx，kv；kx，kv，ru；kx，kv，f)之间的算术运算来确定所述驱动信号的所述最佳幅度(u)。

2.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中控制参数(kx，kv；kx，kv，ru；kx，kv，f)中的所述至少之一(kx；kv)根据所述目标物理量(rx)而变化。

3.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中将所述目标物理量(rx)与所述当前物理量(yx)之间的偏差(ex)乘以所述控制参数中的所述至少之一(kx)。

4.如权利要求3所述的自动演奏器乐器，其中所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置。

5.如权利要求4所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(kx)在所述目标物理量超过阈值时减小。

6.如权利要求3所述的自动演奏器乐器，其中还将所述另一个目标物理量(rv)与所述另一个当前物理量(yv)之间的偏差(ev)乘以具有恒定值的所述控制参数中的另一个(kv)以产生乘积(uv)，其中将所述偏差(ex)与所述控制参数中的所述至少之一(kx)之间的乘积(ux)加到所述偏差(ev)与所述控制参数中的所述另一个(kv)之间的乘积(uv)，以确定所述最佳幅度(u)。

7.如权利要求2所述的自动演奏器乐器，其中将所述另一个目标物理量(rv)与所述另一个当前物理量(yv)之间的偏差(ev)乘以所述控制参数中的所述至少之一(kv)。

8.如权利要求7所述的自动演奏器乐器，其中所述另一个目标物理量(rv)和所述另一个当前物理量(yv)是速度，并且所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置。

9.如权利要求8所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(kv/PL7)在所述目标物理量(rx)超过阈值时增大。

10.如权利要求7所述的自动演奏器乐器，其中将所述目标物理量(rx)与所述当前物理量(yx)之间的偏差(ex)乘以具有恒定值的所述控制参数中的另一个(kx)，并且将所述偏差(ev)与所述控制参数中的所述另一个(kv)之间的乘积(uv)加到所述偏差(ex)与所述控制参数中的所述另一个(kx)之间的乘积(ux)，以确定所述最佳幅度(u)。

11.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中控制参数中的所述至少之一(kx；kv)根据所述另一个目标物理量(rv)而变化。

12.如权利要求11所述的自动演奏器乐器，其中将所述目标物理量(rx)与所述当前物理量(yx)之间的偏差(ex)乘以所述控制参数中的所述至少之一(kv)。

13.如权利要求12所述的自动演奏器乐器，其中所述另一个目标物理量(rv)是速度，并且所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置。

14.如权利要求13所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(kx/PL8)逐渐减小，直到所述另一个目标物理量(rv)达到阈值，并且在所述阈值之后恒定。

15.如权利要求12所述的自动演奏器乐器，其中还将所述另一个目标物理量(rv)与所述另一个当前物理量(yv)之间的偏差(ev)乘以具有恒定值的所述控制参数中的另一个(kv)，以产生乘积(uv)，并且其中将所述偏差(ex)与所述控制参数中的所述至少之一(kx)之间的乘积(ux)加到所述偏差(ev)与所述控制参数中的所述另一个(kv)之间的乘积(uv)，以确定所述最佳幅度(u)。

16.如权利要求11所述的自动演奏器乐器，其中将所述另一个目标物理量(rv)与所述另一个当前物理量(yv)之间的偏差(ev)乘以所述控制参数中的所述至少之一(kv)。

17.如权利要求16所述的自动演奏器乐器，其中所述另一个目标物理量(rv)和所述另一个当前物理量(yv)是速度，并且所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置。

18.如权利要求17所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(kv/PL9)减小，直到所述另一个目标物理量(rv)达到阈值，并且在所述阈值之后恒定。

19.如权利要求16所述的自动演奏器乐器，其中还将所述目标物理量(rx)与所述当前物理量(yx)之间的偏差(ex)乘以具有恒定值的所述控制参数中的另一个(kx)，并且将所述偏差(ev)与所述控制参数中的所述至少之一(kv)之间的乘积加到所述偏差(ex)与所述控制参数中的所述另一个(kx)之间的乘积，以确定所述最佳幅度(u)。

20.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(ru)根据所述目标物理量(rx)与所述另一个目标物理量(rv)之间的组合而变化。

21.如权利要求20所述的自动演奏器乐器，其中将所述控制参数中的所述至少之一(ru)加到所述偏差(ex，ev)和具有恒定值的所述控制参数中的其它参数(kx，kv)之间的乘积(ux，uv)之和。

22.如权利要求20所述的自动演奏器乐器，其中所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置，并且所述另一个目标物理量(rv)和所述另一个当前物理量(yv)是速度。

23.如权利要求22所述的自动演奏器乐器，其中将所述控制参数中的所述至少之一(ru)加到所述偏差(ex，ev)和具有恒定值的所述控制参数中的其它参数(kx，kv)之间的乘积(ux，uv)之和。

24.如权利要求23所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(ru)在所述目标物理量(rx)超过阈值时增大，并且在所述目标物理量(rx)超过所述阈值后，根据所述另一个目标物理量(rv)大于另一个阈值而逐渐增大。

25.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(ru)根据所述当前物理量(yx)与所述另一个当前物理量(rv)之间的组合而变化。

26.如权利要求25所述的自动演奏器乐器，其中将所述控制参数中的所述至少之一(ru)加到所述偏差(ex，ev)和具有恒定值的所述控制参数中的其它参数(kx，kv)之间的乘积(ux，uv)之和。

27.如权利要求25所述的自动演奏器乐器，其中所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置，并且所述另一个目标物理量(rv)和所述另一个当前物理量(yv)是速度。

28.如权利要求27所述的自动演奏器乐器，其中将所述控制参数中的所述至少之一(ru)加到所述偏差(ex，ev)和具有恒定值的所述控制参数中的其它参数(kx，kv)之间的乘积(ux，uv)之和。

29.如权利要求1所述的自动演奏器乐器，其中所述控制参数中的所述至少之一(kx)根据所述目标物理量(rx)和所述另一个目标物理量(rv)之间的组合而变化、并且所述控制参数中的另一个(kv)和所述控制参数中的再另一个(f)也根据所述组合而变化，以便所述控制器(11C)根据所述控制参数中的所述至少之一(kx)、所述控制参数中的所述另一个(kv)、所述控制参数的所述再另一个(f)和所述偏差(ex，ev)确定所述最佳幅度(u)。

30.如权利要求29所述的自动演奏器乐器，其中将所述偏差(ex，ev)分别乘以所述控制参数中的所述至少之一(kx)和所述控制参数中的所述另一个(kv)，以产生乘积，并且将所述控制参数中的所述再另一个(f)加到所述乘积(ux，uv)，以确定所述最佳幅度(u)。

31.如权利要求30所述的自动演奏器乐器，其中所述目标物理量(rx)和所述当前物理量(yx)是位置，并且所述另一个目标物理量(rv)和所述另一个当前物理量(yv)是速度。

32.一种用于具有操纵器(1a，1b)和音调生成器(2，3，4)的乐器的自动演奏系统，包括：

多个致动器(6)，被提供用于所述多个操纵器(1a，1b)，并且响应于驱动信号(ui)，以便引起所述操纵器(1a，1b)的实际运动，从而通过所述音调生成器(2，3，4)产生音调，

多个传感器(7)，监测所述多个操纵器(1a，1b)，并且产生代表当前物理量(yx)的检测信号(yxa)，其中当前物理量(yx)表示所述实际运动，

控制器(11；11A；11B；11C)，连接于所述多个传感器(7)，并且

根据音乐数据片段，为要被所述多个致动器操纵的操纵器(1a，1b)确定基准轨迹，每个基准轨迹由随着时间变化的目标物理量(rx)表示，

根据所述当前物理量(yx)确定至少另一个当前物理量(yv)，

根据所述目标物理量(rx)确定至少另一个目标物理量(rv)，

至少确定所述当前物理量(yx)与所述目标物理量(rx)之间和所述另一个当前物理量(yv)与所述另一个目标物理量(rv)之间的偏差(ex，ev)，以确定最佳幅度，以及

信号调制器(25)，连接在所述控制器(11；11A；11B；11C)与所述多个致动器(6)之间，将每个驱动信号(ui)调节到所述最佳幅度(u)，并且将所述每个驱动信号(ui)提供给与要被操纵的所述操纵器之一相关联的致动器(6)，

其特征在于，

所述控制器(11；11A；11B；11C)还确定控制参数(kx，kv，ru，f)，所述控制参数(kx，kv，ru，f)中的至少一个根据所述实际运动和所述基准轨迹上的目标运动之一而变化，以及还在于，

所述控制器(11；11A；11B；11C)通过所述偏差(ex，ev)与所述控制参数(kx，kv，ru，f)之间的算术运算来确定所述驱动信号(ui)的所述目标幅度(u)。

33.如权利要求32所述的自动演奏系统，其中控制参数中的所述至少之一(kx；kv)根据所述目标物理量(rx)而变化。

34.如权利要求32所述的自动演奏系统，其中控制参数中的所述至少之一(kx；kv)根据所述另一个目标物理量(rv)而变化。

35.如权利要求32所述的自动演奏系统，其中所述控制参数中的所述至少之一(ru)根据所述目标物理量(rx)和所述另一个目标物理量(rv)之间的组合而变化。

36.如权利要求32所述的自动演奏系统，其中所述控制参数中的所述至少之一(ru)根据所述当前物理量(yx)和所述另一个当前物理量(yv)之间的组合而变化。

37.如权利要求32所述的自动演奏系统，其中所述控制参数中的所述至少之一(kx)根据所述目标物理量(rx)和所述另一个目标物理量(rv)之间的组合而变化、并且所述控制参数中的另一个(kv)和所述控制参数中的再另一个(f)也根据所述组合(rx，rv)而变化，以便所述控制器(11C)根据所述控制参数中的所述至少之一、所述控制参数中的所述另一个(kv)、所述控制参数的所述再另一个(f)和所述偏差(ex，ev)确定所述最佳幅度(u)。

38.一种用于控制乐器的操纵器(1a，1b)的方法，包括以下步骤：

a)根据音乐数据片段，为要被驱动的所述操纵器(1a，1b)中的一个确定由随着时间变化的目标物理量(rx)表示的基准轨迹；

b)根据所述目标物理量确定至少另一个目标物理量(rv)；

c)确定所述目标物理量(rx)与表示所述操纵器(1a，1b)中的所述一个的实际运动的当前物理量(yx)之间的偏差(ex)、以及所述另一个目标物理量(rv)与根据所述当前物理量(yx)确定的至少另一个当前物理量(yv)之间的另一个偏差(ev)；

d)通过偏差(ex，ev)与控制参数(kx，kv，ru，f)之间的算术运算来确定最佳幅度(u)，所述控制参数(kx，kv，ru，f)中的至少一个根据所述实际运动和所述基准轨迹上的目标运动之一而变化；

e)将驱动信号(ui)调节到所述最佳幅度(u)；

f)将所述驱动信号(ui)提供给与所述操纵器(1a，1b)中的所述一个相关联的致动器(6)；以及

g)重复所述步骤b)、c)、d)、e)和f)，直到所述操纵器(1a，1b)中的所述一个到达最终目标位置。

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