通过有多种传感器的混合反馈控制环自动演奏音乐的乐器

摘要

一种自动演奏钢琴，包括通过混合反馈控制环(310)驱动以角向旋转的键(1a、1b)；控制器(30)、键位置传感器(25)、活塞速度传感器(35)和电磁控制键致动器(6)形成每个键(1a、1b)的混合反馈控制环的各个部分，并将当前键位置(yxka)和活塞速度(yvma)报告给控制器(30)；控制器(30)确定一系列目标位置(rx)或基准轨迹和目标速度(rv)，并周期性地将根据当前键位置和当前活塞速度确定的复合当前位置(yx)和复合当前速度(yv)与目标位置(rx)和目标速度(rv)相比较，以查看键(1a、1b)是否在基准轨迹上行进；如果答案为否定，则控制器(30)将驱动信号调整到适当的占空比，以强迫键(1a、1b)在基准轨迹上行进。

说明书

技术领域

本发明涉及一种乐器，并且特别涉及一种通过反馈控制环来自动演奏一首音乐的乐器。

背景技术

自动演奏钢琴(automatic player piano)是自动演奏一首音乐的乐器的典型示例。自动演奏钢琴分解为原声钢琴(acoustic piano)和自动演奏系统。还可以将记录系统合并在自动演奏钢琴中。

现有技术自动演奏系统包括电磁控制(solenoid-operated)的键致动器、反馈传感器和控制器。电磁控制键致动器分别在木制的黑/白键的后部下方提供，并且在重放时，利用相关联的电磁控制键致动器的活塞来有选择地向上推动黑/白键的后部。控制器连接在反馈传感器和电磁控制键致动器之间，并且使黑/白键分别以适当的定时沿基准轨迹行进。

当利用相关联的电磁控制键致动器来驱动黑/白键时，反馈传感器直接或间接地监控黑/白键，以便将当前键位置报告给控制器。控制器将当前键位置与基准轨迹上的目标键位置相比较，以查看黑/白键是否准确地沿基准轨迹行进。当答案给出为肯定时，则控制器继续保持驱动信号的占空比。然而，如果控制器发现黑/白键相对目标位置超前或延迟，则控制器减小或增大驱动信号的占空比，以便使黑/白键找准目标位置。这样，控制器、每个电磁控制键致动器和相关联的反馈传感器形成用于相关联的黑/白键的反馈控制环。

作为示例，在对应于日本专利申请第Hei 5-344242号的日本专利申请公开第Hei 7-175471号中公开了现有技术自动演奏钢琴，并且，该日本专利申请向已被赋予了美国专利第5652399号的美国专利申请提供公约优先权。在对应于日本专利申请第Hei 11-284135号的日本专利申请公开第2000-276134号中公开了另一种现有技术自动演奏钢琴，并且，该日本专利申请向已被赋予了美国专利第6271447B1号的美国专利申请提供了公约优先权。

在合并于所述日本专利申请公开中公开的两种现有技术自动演奏钢琴中的电磁控制键致动器的内部，分别提供了反馈传感器。也就是说，只有一种反馈传感器形成反馈控制环的各个部分。在活塞运动与键运动相同的假设下设计了现有技术自动演奏钢琴。然而，电磁控制键致动器和黑/白键是彼此独立的。

活塞是刚性的，并且螺线管与相关联的活塞电磁耦合，以便将推力施加到磁场中的活塞上。另一方面，木制的黑/白键是可变形的，并且与平衡轨道上的平衡销松散地耦接。当活塞从螺线管伸出时，活塞将力持续施加到木制黑/白键的后部。然而，所述力部分地消耗在黑/白键的变形中。此外，活塞运动被部分转换为黑/白键在平衡轨道上的滑动。这意味着黑/白键不会精确地跟随活塞。当活塞引起静止位置和最终位置之间的缓慢键运动时，活塞运动和键运动之间的差异可以忽略。然而，诸如颤音的快速重复(repetition)使得该差异较为严重。

使问题更糟糕的是，活塞运动和键运动之间的差异是无规律的。如果该差异是有规律的，则控制器可以通过修正驱动信号来使键运动与活塞运动一致。然而，无规律性使得不可能这么做。因此，在重放时，电磁控制键致动器阵列仅仅引起伪键运动。这是听众感觉重放中的表演不准确的原因。

发明内容

因此，本发明的重要目的是提供一种准确重现表演的乐器。

为了达到该目的，本发明提出适当地加权诸如键的组成构件的物理量和诸如活塞的可移动构件的另一物理量。

根据本发明的一个方面，提供一种用于产生音乐声音的自动演奏乐器，包括：声音生成器，被驱动以便以不同的音高产生音乐声音；多个链接机构，产生运动，以便驱动声音生成器，并具有各自的组成部件；以及控制环，与所述组成部件相关联，并且，该控制环包括：数据生成器，其输出表示基准轨迹的各个控制数据，所述组成部件被期望在所述基准轨迹上行进；多个致动器，分别与所述组成部件相结合而被提供，具有各自的可移动构件，用于将力施加到所述组成部件上，并响应于驱动信号，以便通过可移动构件来引起运动；传感器，分别监控所述组成部件，并产生表示所述组成部件的物理量的检测信号；其他传感器，分别监控所述可移动构件，并产生表示所述可移动构件的另一物理量的其它检测信号；伺服控制器，连接到数据生成器、传感器和所述其它传感器，确定表示目标物理量和另一目标物理量的各个目标数据，分别利用加权因子和另一加权因子来将所述物理量和前述另一物理量加权，以产生表示加权物理量和另一加权物理量的各个状态数据，并将所述目标物理量和前述另一目标物理量与加权物理量和前述另一加权物理量相比较，以确定表示驱动信号的适当幅度的指令数据；以及调制器，连接在伺服控制器与所述多个致动器之间，并响应于所述指令数据，以将驱动信号调整到所述适当幅度。

附图说明

从结合附图的下列描述中，将更加清楚地理解所述乐器的特征和优点，其中

图1是示出根据本发明的自动演奏钢琴的结构的侧视图，

图2是示出合并在自动演奏钢琴中的控制器的系统结构的方框图，

图3是示出在自动演奏钢琴中创建的混合反馈控制环的方框图，

图4A是示出在基准轨迹的基础上、通过混合反馈控制环来再现的标准键运动的曲线图，

图4B是示出在基准轨迹的基础上、通过混合反馈控制环来再现的重奏的曲线图，

图5是示出根据本发明合并在另一自动演奏钢琴中的另一混合反馈控制环的方框图。

具体实施方式

在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的位置更接近演奏者的位置，该演奏者坐在凳子上用手指弹奏。在前面的位置与对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸，并且横向与该纵向以直角相交。

根据本发明的自动演奏乐器主要包括原声乐器和控制环。原声乐器包括声音生成器和多个链接机构。声音生成器用来以不同的音高生成音乐声音，并且，人类演奏者或者控制环引起多个链接机构的运动，以便激活声音生成器。

控制环包括数据生成器、多个致动器、传感器、其它传感器、伺服控制器和调制器。所述多个致动器具有各自的可移动构件，并且该可移动构件将力施加到链接机构的组成部件上。传感器分别监控所述组成部件，以产生代表该组成部件的物理量的检测信号，并且，所述其它传感器分别监控可移动构件，以产生代表可移动构件的另一物理量的其它检测信号。所述检测信号和其它检测信号被提供给伺服控制器，并且，伺服控制器处理物理量的幅度和另一物理量的幅度，以便将被提供给致动器的驱动信号调整到适当的幅度。

当用户指示自动演奏乐器再现音乐乐节(passage)时，音乐数据代码被提供给数据生成器，以便确定所述组成部件的基准轨迹，并且，伺服控制器开始将驱动信号提供给所选择的组成部件。致动器响应于该驱动信号，以便将力顺次施加到所选择的组成部件上。这个力引起链接机构的运动，并且链接机构激活声音生成器，以便以不同的音高来产生音乐声音。

当控制环有选择地移动所述组成部件时，数据生成器将代表基准轨迹的各个控制数据给予伺服控制器，并且，传感器和其它传感器将组成部件的当前物理量和可移动构件的另一物理量报告给伺服控制器。当基准轨迹到达伺服控制器时，伺服控制器分别确定组成部件和可移动构件的目标物理量和另一目标物理量，并通过将当前物理量和另一当前物理量乘以加权因子和另一加权因子来将它们加权。将加权后的物理量和加权后的另一物理量与目标物理量和另一目标物理量相比较，以查看所述组成部件是否在基准轨迹上行进。

当答案给出为肯定时，伺服控制器请求调制器保持驱动信号。另一方面，如果所述组成部件超前或延迟，则答案给出为否定，并且伺服控制器将代表驱动信号的适当幅度的指令数据提供给调制器。这样，控制环强迫所述组成部件在基准轨迹上行进。这导致与原表演中的音乐声音相同的音乐声音。

加权工作从至少三方面来进行。首先，伺服控制器在从传感器报告的物理量的基础上，确定所述组成部件的另一物理量，并且在从所述其它传感器报告的另一物理量的基础上，确定可移动构件的物理量。将所述组成部件的物理量和可移动构件的物理量适当地加权，以便产生加权后的物理量，并且，将所述组成部件的另一物理量和可移动构件的另一物理量也适当地加权，以便产生另一加权物理量。换句话说，对相同种类的物理量进行加权工作。这样，伺服控制器通过在相同种类物理量中的重复超过一次的比较，来使组成部件的运动对应于该组成部件的运动。

第二，当另一物理量与所述物理量种类不同时，将所述组成部件的物理量适当地加权，以便产生加权物理量，并且，将可移动构件的另一物理量适当地加权，以便产生另一加权物理量。换句话说，对不同种类的物理量进行加权工作。这样，伺服控制器通过在不同种类物理量之间进行简单比较，来使组成部件的运动对应于该组成部件的运动。

第三，如果两种传感器均报告某种物理量，即所述物理量和另一物理量属于该某种物理量，则伺服控制器通过在相同种类的物理量间进行简单比较，来使组成部件的运动对应该组成部件的运动。

第一实施例

参考附图的图1，实施本发明的自动演奏钢琴主要包括原声钢琴100、记录系统200和自动演奏系统300。记录系统200和自动演奏系统300安装在原声钢琴100的内部，并与原声钢琴100合作。

当用户希望记录他/她的表演时，他或她指示记录系统200产生代表该表演的音乐数据代码，并开始在原声钢琴100上演奏一首音乐。当用户在原声钢琴100上用手指弹奏时，记录系统200监控键运动和琴槌运动，并产生代表所产生并随后衰减的音调的音乐数据代码。该音乐数据代码被以实时的方式提供给目的地，或者在完成表演时存储在合适的存储器中。这样，记录系统200与原声钢琴合作，以便记录用户的表演。

当用户希望重演该表演而没有在原声钢琴上的任何手指弹奏时，他或她指示自动演奏系统300在音乐数据代码的基础上再现音调。自动演奏系统300顺次处理该音乐数据代码，并确定将以适当的响度再现的音调和再现该音调的时刻(timing)。自动演奏系统300驱动原声钢琴100以在该时刻产生音调，使得自动演奏系统300重演原来的表演。这样，自动演奏系统300与原声钢琴合作，以便重演所述表演。

原声钢琴100是大型的，并且包括键盘1、动作单元2、琴槌3、弦4和制音器5。黑键1a和白键1b以众所周知的模式放置，并且横向排列在平衡轨道1c上。黑/白键1a/1b是木制的，并且可以变形。

平衡销P伸到平衡轨道1c的上方，并且给相关联的黑/白键1a/1b提供键运动的支点。在黑/白键1a/1b的中部垂直地形成孔，并且平衡键销P宽松地穿过该孔。出于此原因，当黑/白键1a/1b从静止位置旋转到最终位置时，黑/白键1a/1b和平衡轨道1c之间的接触面积沿纵向变化，并且黑/白键1a/1b的前部开始与最终位置处的前销布穿孔(pin cloth punching)1d相接触。当在最终位置处释放黑/白键1a/1b时，黑/白键1a/1b沿相反方向旋转，并且后部开始与后轨道毡(back rail felt)1e相接触。由于前销布穿孔1d和后轨道毡1e不是刚性的，因此黑/白键1a/1b在最终位置和静止位置处略微移动。这样，键运动复杂且不统一。

键盘1与动作单元2和制音器4相链接，并且琴槌3还与弦4下方的相关联动作单元2相链接。人类演奏者或者自动演奏系统300引起键运动，并使黑/白键1a/1b有选择地激活制音器4和相关联动作单元2。制音器4在黑/白键1a/1b的最后面部分的上方被提供，并且与相关联的弦4间隔开以及使其与相关联弦4接触。动作单元2被提供在黑/白键1a/1b的后半部分上方，并驱动相关联的琴槌3向弦4旋转。

假设用户按下黑/白键1a/1b的前部。被按下的键1a/1b向上推动在前往最终位置途中的相关联的制音器5，并使制音器5与弦4间隔开。制音器5允许弦4振动。随后，所按下的键1a/1b使形成动作单元2的一部分的支撑杆(jack)脱离琴槌3。换句话说，所按下的键1a/1b使动作单元2引起琴槌3的自由旋转。琴槌3开始与弦4碰撞，并引起弦4的振动。琴槌3在弦4上回弹，并在动作单元2上被接收。当用户释放所按下的键1a/1b时，动作单元2开始返回静止位置，并且，制音器5开始在所释放的键1a/1b前往静止位置途中与弦4相接触。

记录系统200包括数据生成器28；后处理器29；键传感器25，即光调制器26和光耦合器25a的组合；以及琴槌传感器27。光调制器26分别附加到黑/白键1a/1b的下表面上，而光耦合器25a发射穿过光调制器26的轨迹的光束。该光束具有足够宽的横截面来监控从静止位置到最终位置的键行程。这样，键传感器25分别与黑/白键1a/1b相关联，并监控键运动。当黑/白键1a/1b从静止位置向最终位置行进时，光调制器26逐渐改变入射到光耦合器的光检测元件上的光量，以便改变键位置信号的幅度。

琴槌传感器27与键传感器25相似。琴槌传感器27分别与琴槌150相关联，并监控琴槌运动。键传感器25和琴槌传感器27连接到数据生成器28，并将表示相关联的黑/白键1a/1b的当前键位置的键位置信号和表示相关联的琴槌3的当前琴槌位置的琴槌位置信号提供给数据生成器28。

数据生成器28和后处理器29代表稍后将结合图2描述的控制器30的特定功能。数据生成器28周期性地取出表示当前键位置和当前琴槌位置的各个位置数据，并将它们累积在分别被分配了音高名称的队列中。数据生成器28分析各个位置数据，以查看用户是否按下或释放黑/白键1a/1b的任意一个。当数据生成器28发现被按下的键1a/1b时，数据生成器28指定所按下的键1a/1b的音高名称，并确定响度，该响度与撞击弦4之前紧邻的琴槌速度成比例。数据生成器28产生表示所述音高名称和响度即速度的音乐数据。另一方面，当数据生成器28发现被释放的键时，数据生成器指定所释放的键的音高名称，并确定释放速度。数据生成器28产生表示所述音高名称和释放速度的音乐数据。这样，数据生成器28间歇地产生表示表演中产生和衰减的音调的各个音乐数据。

将各个音乐数据从数据生成器28传送到后处理器29。后处理器29从各个音乐数据中消除键传感器25的个体特征。也就是说，后处理器29将各个音乐数据正规化。以预定的格式将这样正规化的各个音乐数据编码，并将乐器数据代码提供给合适的存储器。另外，将该音乐数据代码以实时的方式提供给另一乐器。该格式可以在诸如MIDI协议的某些音乐数据协议中定义。

自动演奏系统300包括电磁控制键致动器6、预处理器10、运动控制器11、伺服控制器12、活塞传感器35、活塞传感器35和键传感器25。预处理器10、运动控制器11和伺服控制器12表示控制器30的不同功能。每个电磁控制键致动器6包括螺线管和活塞6a，并且活塞6a的顶端在静止位置处的相关黑/白键1a/1b的下表面附近，或者保持与相关黑/白键1a/1b的下表面略微接触。伺服控制器12将驱动信号提供给电磁控制键致动器6的螺线管，并引起活塞运动。

活塞传感器25是动磁铁型的，并且检测相关联的活塞6a的活塞速度。键传感器25和活塞传感器35连接到伺服控制器12，并且，将活塞速度信号和键位置信号从活塞传感器35和键传感器25提供给伺服控制器12。这样，在记录系统200和自动演奏系统300之间共享键传感器25和控制器30。

预处理器10在音乐数据代码的基础上确定基准轨迹。基准轨迹是随时间变化的黑/白键1a/1b的目标位置。将音乐数据代码从存储器提供给预处理器10。可以通过诸如因特网的通信网络来从供应商提供多组音乐数据代码。

运动控制器11被提供了表示基准轨迹的数据代码，并且在该数据代码的基础上，每个一段时间确定驱动信号的平均电流的目标量、或者驱动信号的占空比。

将表示目标量或占空比的数据代码提供给伺服控制器12。伺服控制器12将驱动信号的占空比调整到目标值，并将该驱动信号提供给键致动器6的螺线管。当电磁控制键致动器6驱动黑/白键1a/1b旋转时，活塞传感器35和键传感器25将活塞速度信号和键位置信号提供给伺服控制器12，并且，如随后将详细描述的，伺服控制器12利用通过活塞速度信号和键位置信号而提供的各个控制数据来修改驱动信号的占空比。

记录器的系统结构

转向附图的图2，控制器30包括被简写为“CPU”的中央处理单元40、被简写为“ROM”的只读存储器41、被简写为“RAM”的随机存取存储器42、外部存储器43、被简写为“I/O”的接口44和共享总线系统46。作为示例，利用硬盘单元、柔性(flexible)盘单元、软盘(商标)驱动器、用于CD-ROM的CD驱动器、CD-RAM、磁光盘、ZIP盘或DVD(数字多用途盘)或安装了半导体存储器的存储板来实现外部存储单元43。接口44包括模拟-数字转换器。将键位置信号、琴槌位置信号和活塞速度信号提供给该模拟-数字转换器，使得将数字键位置信号、数字琴槌位置信号和数字活塞速度信号输出到共享总线系统64。尽管未在图2中示出，但是操纵板也连接到接口44上，并且用户通过该操纵板来将他们的指令给予控制器30。中央处理单元40周期性地从接口44取出表示当前键位置、当前琴槌位置的各个位置数据和当前活塞速度。

中央处理单元40、随机存取存储器42、只读存储器41、外部存储器43、脉冲宽度调制器(PWM)45和接口44连接到共享总线系统46，使得中央处理单元40可以通过共享总线系统46来与其它组件40/41/42/43/44/45通信。

计算机程序，即主例行程序和子例行程序以及参数表被存储在只读存储器41中，而随机存取存储器42充当工作存储器。中央处理单元40运行主例行程序，并有条件地进入子例行程序以便完成给定任务。中央处理单元40确认用户的指令，并在执行主例行程序期间递增软件计时器。中央处理单元40有选择地启动和停止软件计时器，并测量从先前的事件到现在的事件的时间间隔。在执行分配给记录系统200的子例行程序时，中央处理单元40产生表示MIDI消息的音乐数据代码。在执行分配给自动演奏系统300的子例行程序时，中央处理单元40还在音乐数据代码的基础上产生表示合适的驱动信号的控制数据代码。

将多组表示MIDI消息的音乐数据代码，即MIDI音乐数据代码存储在外部存储器43中。换句话说，将表演记录在外部存储器43中。当完成该表演时，将表示原声钢琴100上的表演的该组音乐数据代码从随机存取存储器42提供给外部存储器43。另外，可以通过通信网络来将该组音乐数据代码提供给合适的数据存储器。

脉冲宽度调制器45将驱动信号的平均电流，即占空比调整为从中央处理单元40给出的值。占空比越大，磁场即施加到活塞6a上的推力就越强。换句话说，中央处理单元40通过由脉冲宽度调制器45改变驱动信号的占空比来控制键运动。

操纵板(未示出)是人-机接口。在操纵板上提供各种开关、控制杆、指示器和显示窗，并且，用户通过操纵这些开关和控制杆来将指令给予中央处理单元40。

当钢琴家在原声钢琴100上演奏一首音乐时，中央处理单元40运行所述计算机程序，以便产生MIDI音乐数据代码。详细地说，中央处理单元40周期性地从接口44中的模拟-数字转换器中取出当前键位置和当前琴槌位置，并将表示当前键位置的各个位置数据和表示当前琴槌位置的各个位置数据添加到分配给黑/白键1a/1b和琴槌3的队列中。该队列在随机存取存储器42中创建。当中央处理单元40确认事件，即音符开(note-on)事件和音符关(note-off)事件，发生时，队列中的各个位置数据被重置。中央处理单元40检查该队列，以查看是否移动了任何键130。

当中央处理单元40发现黑/白键1a/1b超过音符开事件或音符关事件的点时，中央处理单元40确定键运动，即分配给黑/白键1a/1b的音符编号、表示响度的琴槌速度、按下速度、释放速度等，并产生用于将要产生或衰减的音调的MIDI声音消息。中央处理单元40还在MIDI声音消息出现时启动计时器，并在下一个MIDI声音消息出现时停止该计时器。中央处理单元40测量MIDI事件之间的时间间隔，并产生表示该时间间隔的持续时间数据代码。这样，中央处理单元40间歇地产生表示MIDI声音消息的各个音乐数据和表示时间间隔的各个持续时间数据。数据生成器28代表这个功能。

随后，中央处理单元40将各个音乐数据代码正规化。由于键/琴槌传感器25/27偏离目标位置、仪器误差、原声钢琴100的组成部件的尺寸公差等，原声钢琴100表现出个体特征。该个体特征使自动演奏钢琴显示出某种倾向。中央处理单元40发现该倾向，并从各个音乐数据中消除由于个体特征而引起的噪声成分。这样，所述各个音乐数据被正规化为标准自动演奏钢琴的那些音乐数据。这个功能由后处理器29来代表。

以MIDI协议中定义的格式来将已正规化的各个音乐数据编码。表示原声钢琴100上的表演的该组音乐数据代码被传送给外部存储器43，并存储在其中。可以将该组音乐数据代码放在标准MIDI文件中。另外，通过通信网络而以实时的方式将该音乐数据代码发送给另一MIDI乐器。

假设用户指示自动演奏系统300重演所述表演。于是，主例行程序周期性地分支为用于重放的子例行程序。中央处理单元40请求外部存储器43将该组音乐数据代码传送给随机存取存储器42，并按时间顺序读出该音乐数据代码。

当从随机存取存储器42读出表示音符开事件的音乐数据代码时，中央处理单元40分析该音乐数据，并确定将被移动的黑/白键1a/1b的基准轨迹。基准轨迹上的目标键位置随时间一起变化。作为示例，以1毫秒的间隔来确定目标键位置。这个功能由预处理器10来表示。

当由相关联的持续时间代码指定的时刻到来时，中央处理单元40计算目标活塞速度和目标活塞加速度，并确定驱动信号的占空比，并且，将表示该占空比的控制数据代码提供给脉冲宽度调制器45，其中，期望所述占空比使活塞6a获得目标活塞速度以及使黑/白键1a/1b到达目标键位置。这个功能由运动控制器11来表示。

脉冲宽度调制器45将驱动信号调整到所述占空比，并将该驱动信号提供给相关联的电磁控制键致动器6的螺线管。活塞6a开始伸出，并引起键运动。键传感器25和活塞传感器35将当前键位置和当前活塞速度报告给控制器30。

中央处理单元40周期性地从接口44取出表示当前键位置的位置数据和表示当前活塞速度的速度数据，并分别在当前键位置和当前活塞速度的基础上计算当前键速度和当前活塞位置/当前活塞加速度。中央处理单元40将各个位置数据正规化，并将当前键位置、当前活塞位置、当前键速度和当前活塞速度加权，并确定当前加权位置和当前加权速度。

中央处理单元40将当前加权位置、当前加权速度和当前活塞加速度与目标键位置、目标活塞速度和目标活塞加速度相比较，以查看黑/白键1a/1b是否正确地在基准轨迹上行进。当答案给出为肯定时，中央处理单元40请求脉冲宽度调制器45保持占空比。然而，如果答案给出为否定，则中央处理单元40将当前加权位置与目标位置之间的差、当前加权速度与目标速度之间的差以及当前活塞加速度与目标活塞加速度之间的差分别乘以预定增益，并将恒定偏置加到所述差上，以便确定适当的占空比。中央处理单元40将该适当的占空比通知给脉冲宽度调制器45。

脉冲宽度调制器45将驱动信号调整到所述适当的占空比，并将该驱动信号提供给螺线管，使得螺线管增大或减小施加到活塞6a上的推力。这个功能由伺服控制器12来表示。

如将理解的，控制器30、电磁控制键致动器6、黑/白键1a/1b和键传感器/活塞传感器25/35形成混合反馈控制环310，并且通过混合反馈控制环310来控制键运动。螺线管直接引起活塞6a的线性运动，并且间接地通过活塞6a而将力施加到黑/白键1a/1b上，以便引起角向运动。换句话说，电磁控制键致动器6和黑/白键1a/1b彼此独立。这意味着当前键位置不总是与当前活塞位置一致。出于此原因，利用活塞传感器35和键传感器25来直接监控活塞6a和黑/白键1a/1b，并且，伺服控制器12考虑两种位置数据以便进行精确的反馈控制。

图3示出了混合反馈控制环310。尽管通过混合反馈控制环310来控制所有黑/白键1a/1b，但是为简明起见，将混合反馈控制环310集中在仅仅一个黑/白键1a/1b上。

方框50/54a/54b/55/56/57/58/59/60a/60b/60c和圆圈51/52/53/61更详细地代表运动控制器/伺服控制器11/12的功能。模拟-数字转换器(A/D)44a/44b合并在接口44中。

将表示基准轨迹的控制数据提供给方框50。方框50在表示基准轨迹的控制数据的基础上，以1毫秒的间隔来确定表示目标位置、目标速度和目标加速度的各个控制数据，并输出表示目标位置的目标位置信号rx、表示目标速度的目标速度信号rv、表示目标加速度的目标加速度信号ra和恒定偏置ru。恒定偏置ru表示占空比的一部分，并且该部分占空比将一个分量加到施加在活塞6a上的推力上。如此加到所述推力上的分量等于对活塞运动的阻力，并通过实验来确定。因为活塞急剧升起，所以恒定偏置ru是合乎需要的。将目标位置信号rx、目标速度信号rv、目标加速度信号ra和恒定偏置ru分别提供给圆圈61/51/52/53，其中，所述圆圈61/51/52/53表示如稍后将详细描述的加法。

当相关联的电磁控制键致动器6的螺线管将推力施加在磁场中的活塞6a上时，活塞6a从螺线管伸出，并引起键运动。利用活塞传感器35，将当前活塞速度ym变换为模拟活塞速度信号yvma，并且利用键传感器25，将当前键位置变换为模拟键位置信号yk。

分别通过模拟-数字转换器44a/44b，将模拟键位置信号yxka和模拟活塞速度信号yvma分别转换为表示当前键位置的数字键位置信号yxkd和表示当前活塞位置的数字活塞速度信号yvmd，并将其分别提供给方框54a/54b。

方框54a/54b代表正规化。由于当前键位置和当前活塞速度以不同的单位表示，因此方框54a/54b进行线性变换，并产生数字正规化键位置信号yxk和数字正规化活塞速度信号yvm。将数字正规化键位置信号yxk和数字正规化活塞速度信号yvm分别提供给方框55/59和方框56/57/58。

方框55代表对数字正规化键位置信号yxk所表示的正规化后的各个键位置数据的微分。多项式逼近对于该微分是可用的。例如，从队列读出先前的7个正规化键位置和接下来的7个正规化键位置，并将这14个正规化键位置逼近为二次曲线。方框55在该二次曲线的基础上确定当前键速度，并产生表示当前键速度的数字正规化键速度信号yvk。

方框56代表对数字正规化活塞速度信号所表示的正规化后的各个活塞速度数据的积分，并且产生表示当前活塞位置的数字正规化活塞位置信号yvk。

方框57代表对数字正规化活塞速度信号所表示的正规化后的各个活塞速度数据的微分，并且产生数字正规化活塞加速度信号yam。对于该微分，也可以使用多项式逼近。

方框58代表当前加权速度的确定。方框58的功能被分解为乘法器58a/58b和加法器58c。将数字正规化活塞速度信号yvm提供给乘法器58a，并且利用“Kvm”来将正规化的活塞速度数据加权。类似地，将数字正规化键速度信号yvk提供给乘法器58b，并且利用“Kvk”来将正规化的键速度数据加权。在相乘之后，数字正规化活塞速度信号yvm表示加权的活塞速度数据，而数字正规化键速度信号yvk表示加权的键速度数据。将加权后的活塞速度数据加到加权后的键速度数据上，使得方框58输出表示当前加权速度的复合当前速度信号yv。

方框59代表当前加权位置的确定。方框59的功能被分解为乘法器59a/59b和加法器59c。将数字正规化键位置信号yxk提供给乘法器59a，并且利用加权因子“Kxk”来将正规化后的键位置数据加权。将数字正规化活塞位置信号yxm提供给乘法器59b，并且利用加权因子“Kxm”来将正规化后的活塞位置数据加权。在相乘之后，数字正规化活塞位置信号yxm表示加权后的活塞位置数据，而数字正规化键位置信号yxk表示加权后的键位置数据。将加权后的活塞位置数据加到加权后的键位置数据上，使得方框59输出表示当前加权位置的复合当前位置信号yx。

加权因子Kvm和Kvk通过实验来确定，并且总是满足下列等式Kvm+Kvk＝1。加权因子Kvm或Kvk哪一个将有影响力取决于原声钢琴100的结构、传感器25/35的特性等。使用自动演奏钢琴的某个型号，本发明人通过实验确定了用于自动演奏钢琴的加权因子Kvm和Kvk的适当值。加权因子Kvm和Kvk的适当值分别为0.7和0.3。

类似地，加权因子Kxm和Kxk通过实验来确定，并且总是满足下列等式Kxm+Kxk＝1。加权因子Kxm或Kxk哪一个将有影响力也取决于原声钢琴100的结构、传感器25/35的特性等。使用自动演奏钢琴的某个型号，本发明人通过实验确定了对于该自动演奏钢琴的加权因子Kxm和Kxk的适当值。加权因子Kxm和Kxk的适当值分别为0.9和0.1。

在此实例中，不确定任何当前加权加速度。当然，为当前加权加速度准备类似于方框58/59的另一个方框是有可能的。然而，当前键加速度较不准确。这是因为对于当前键加速度将进行两次微分的事实。不准确的加权加速度使占空比不可靠。出于此原因，如将在下文中结合圆圈53来描述的，将数字活塞加速度信号yam直接与目标加速度相比较。

圆圈51/52/53代表相减。通过圆圈51，从当前加权位置减去目标位置rx，并从圆圈51输出差值ex。通过圆圈52，从当前加权速度减去目标速度rv，并从圆圈52输出差值ev。通过圆圈53，从当前活塞加速度减去目标加速度ra，并从圆圈53输出差值ea。

方框60a/60b/60c代表相乘，通过方框60a，将差值ex乘以伺服增益kx，并从方框60a输出乘积ux。通过方框60b，将差值ev乘以伺服增益kv，并从方框60b输出乘积uv。通过方框60c，将差值ea乘以伺服增益ka，并从方框60c输出乘积ua。

伺服增益kx/kv/ka通过实验来确定。使用某个型号的自动演奏钢琴，本发明人进行了实验，并确定了伺服增益kx/kv/ka的适当值。所述某种型号的适当值分别为1.7、3.5和0.5。这样，在某种型号的自动演奏钢琴的混和反馈控制环中将速度控制加权。

圆圈61和62代表相加。通过圆圈61，将乘积ux/uv/ua彼此相加，并且还通过另一个圆圈62将恒定偏置ru加到该和数，即(ux+uv+ua)上。和数“u”，即(ux+uv+ua+ru)表示所述适当的占空比，并被提供给脉冲宽度调制器45。

脉冲宽度调制器45将驱动信号ui调整到所述适当的占空比，并将该驱动信号提供给相关联的电磁控制键致动器6的螺线管。

在第一实施例中，位置和速度对应所述物理量。伺服位置控制、伺服速度控制和伺服加速度控制通过混合反馈控制环310来实现。从伺服位置控制的方面来看，伺服速度控制充当微分补偿器，并且伺服位置控制和伺服加速度控制分别充当积分补偿器和微分补偿器。

本发明人评价了混合反馈控制环310。本发明人在图4A中绘出了目标位置rx、目标速度rv和目标加速度ra的曲线。目标位置rx表明将键向最终位置逐渐按下，并随后将其恢复到静止位置。换句话说，目标位置rx表示键的标准键运动。通过混合反馈控制环310来控制键，并且键运动由曲线yxk来表示。曲线yxk指示在从键传感器25输出的键位置信号的基础上确定的当前键位置。将曲线rx与曲线yxk相比较，所理解的是，混合反馈控制环310有助于标准键运动的精确再现。在时刻T，目标位置rx迅速加深。由于目标速度rv也迅速增加，因此当前键位置yxk紧跟目标键位置rx。这样，伺服速度控制使混合反馈环310的灵敏性提高。

本发明人在图4B中绘出了目标位置rx’、目标速度rv’和目标加速度ra’。目标位置rx’表明键被反复按下，像颤音一样。也通过混合反馈控制环310来控制键，并且键运动由曲线yxk’表示。曲线yxk指示在从键传感器25输出的键位置信号的基础上确定的当前键位置。将曲线rx’与曲线yxk’相比较，所理解的是，混合反馈控制环310使得颤音被精确再现。键精确跟随的原因是在混合反馈控制环310中合并了伺服加速度控制。可以从曲线ra’来理解伺服加速度的贡献。这样，本发明人确认混合反馈环310使得有可能精确地重演由所述音乐数据代码组表示的表演。

如将从前面的描述理解的，混合反馈控制环310包含两种传感器，即键传感器25和活塞传感器35，并且，将各个当前物理量数据利用各自的加权因子来适当地加权，以确定当前加权物理量。将当前加权物理量与基准轨迹上的目标物理量相比较，以便确定驱动信号的适当幅度，并且利用该驱动信号来控制键致动器6。尽管活塞运动不完全对应于键运动，但是加权因子使复合的当前物理量很好地对应目标物理量，使得通过混合反馈控制环310来很好地控制黑/白键1a/1b。因此，在重放时，准确地再现键运动，并且自动演奏系统300精确地重演所述表演。

第二实施例

转向附图的图5，混合反馈控制环310A合并在实施本发明的另一自动演奏钢琴中。实现第二实施例的自动演奏钢琴也包括原声钢琴100A、记录系统和自动演奏系统。原声钢琴100A和记录系统200A与原声钢琴100和记录系统200相似，从而将组成部件用指定原声钢琴/记录系统100/200的对应组成部件的标号来标注。

将若干功能从控制器30A删除，使得混合反馈控制环310A比混合反馈控制环310更简单。将控制器30A的剩余功能用指定控制器30的对应功能的标号来标注。

将数字活塞速度信号yvdm正规化，并利用加权因子Kvm来将数字正规化活塞速度信号yvm加权。将数字加权活塞速度信号yv与目标速度rv相比较，而不产生任何复合的当前速度信号。类似地，将数字键位置信号yxkd正规化，并利用加权因子Kxk来将数字正规化键位置信号yxk加权。将数字加权键位置信号yx与目标位置rx相比较，而不产生任何复合的当前位置信号。加速度和恒定偏置都不考虑。

使用标准型号的自动演奏钢琴，本发明人评价了混合反馈环310A。本发明人确认，只要加权因子Kvm和Kxk分别落在0.1与2之间的数值范围和0.1与2之间的数值范围内，键就精确地在基准轨迹上行进。

当把加权因子Kvm和Kxk调整为等于0.1和小于1的各个值时，目标键倾向于超速，即超过目标速度rv而移动。另一方面，当把加权因子Kvm和Kxk调整为1时，目标键易于遵循目标速度rv。当把加权因子Kvm和Kxk调整为大于1和等于2的各个值时，目标键倾向于被减速。

尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说将清楚的是，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。

例如，动磁铁型速度传感器35不对本发明的技术范围设置任何限制。对于活塞6a，任何种类的速度传感器都是可用的。

可以通过诸如例如因特网的通信网络来将所述计算机程序从合适的来源下载到随机存取存储器42中。类似地，可以与计算机程序一起从合适的来源提供所述参数。

可以将方框57/60c和圆圈53从混合反馈控制环310删除。可以将方框55/58添加到混合反馈控制环310A中。这样，混合反馈控制环310/310A具有各种修改。

混合反馈控制环310/310A可以结合原声钢琴的踏板而被提供。致动器6可以引起动作单元2的运动。这样，黑/白键1a/1b不对本发明的技术范围设置任何限制。

加权因子Kvm/Kvk/Kxk/Kxm的适当值根据自动演奏钢琴的型号而变化，并且不对本发明的技术范围设置任何限制。

活塞传感器35和键传感器25可以分别用用于检测当前活塞位置的活塞传感器和用于检测键速度的键传感器来代替。在此实例中，通过微分来计算当前活塞速度，并且分别通过积分和微分来计算当前键位置和当前键加速度。另外，键传感器和活塞传感器两者可分别检测键速度和活塞速度，或者分别检测键位置和活塞位置。这样，传感器25/35的组合不对本发明的技术范围设置任何限制。

原声钢琴100/100A可以用诸如例如立式钢琴、静音钢琴(mute piano)和大键琴的另一种键盘乐器来代替。该键盘乐器不对本发明的技术范围设置任何限制。可以将混合反馈控制环310/310A合并在诸如例如钢片琴或鼓组的合适的打击乐器中。

电磁控制致动器6不对本发明的技术范围设置任何限制。气动致动器或微型马达可以驱动黑/白键1a/1b。此外，键致动器6可以在键盘1上方被提供，以便将力施加到黑/白键1a/1b的前部。这样，电磁控制键致动器6的位置不对本发明的技术范围设置任何限制。

如果键传感器25和活塞速度传感器调整得好，则数字键位置信号和数字活塞速度信号不需要正规化。因而，方框54a和54b不是本发明的必不可少的元件。类似地，可以用数字键传感器和数字活塞速度传感器来代替键传感器25和活塞速度传感器35，以便删除模拟-数字转换器44a/44b。

所述自动演奏钢琴的组成部件与权利要求语言相关如下。弦4作为整体来组成“声音生成器”，并且，从振动的弦4生成的音调对应于“不同种类的音乐声音”。黑/白键1a/1b、动作单元2和琴槌3联合形成每个链接机构，并且黑/白键1a/1b充当“组成部件”。混合反馈控制环310/310A对应于“控制环”。预处理器10和运动控制器11联合形成“数据生成器”。电磁控制键致动器6分别充当“多个致动器”，并且活塞6a对应于“可移动构件”。键传感器25和活塞速度传感器35充当“传感器”和“其它传感器”，并且当前键位置和当前活塞速度分别对应于“物理量”和“另一物理量”。

键位置信号和活塞速度信号充当“检测信号”和“其它检测信号”，并且当前键位置和当前活塞速度分别对应于“物理量”和“另一物理量”。目标位置rx和目标速度rv分别相当于“目标物理量”和“另一目标物理量”。在第一实施例中，加权因子Kxk和Kxm充当“加权因子”的“第一参数”和“第二参数”，而加权因子Kvm和Kvk充当“另一加权因子”的“第一参数”和“第二参数”。在第二实施例中，加权因子Kxk和加权因子Kvm充当“加权因子”和“另一加权因子”。

“表示加权物理量和另一加权物理量的各个状态数据”在复合当前位置信号/当前位置信号yx和复合当前速度信号/当前速度信号yv上传送。这样，当前加权位置和当前加权速度分别充当“加权物理量”和“另一加权物理量”。和数u对应于“指令数据”。

方框56和55分别充当“积分器”和“微分器”，而方框59a、59b、58a和58b以及圆圈59c和58c分别对应于“乘法器”、“另一乘法器”、“再一乘法器”、“又再一乘法器”、“加法器”和“另一加法器”。方框50、60a、60b、60c和圆圈51、52、53、61、62作为整体组成“比较器”。方框60a、60b和60c分别对应于“放大器”、“另一放大器”和“再一放大器”，而方框57充当“另一微分器”。