准确再现表演的自动演奏乐器及其中合并的自动演奏器

具体实施方式

在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的位置更接近人类演奏者的位置，该人类演奏者坐在凳子上用手指演奏。在前面的位置和对应的后面位置之间画的线沿“纵向”延伸，并且该纵向与“横向”以直角相交。

第一实施例

自动演奏钢琴

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1、自动演奏系统3和记录系统5。自动演奏系统3和记录系统5安装在原声钢琴1内，并根据操作模式而被有选择地激活。当演奏者在原声钢琴1上用手指演奏一段乐曲，而没有任何用于记录或重放的指令时，原声钢琴1表现为与标准原声钢琴相似，并以通过手指演奏指定的音高来生成钢琴音调。

当演奏者希望记录他/她在原声钢琴1上的表演时，该演奏者发出用于记录的指令到记录系统5，并且激活记录系统5。当演奏者在原声钢琴上用手指演奏时，记录系统5产生代表原声钢琴1上的手指演奏的乐曲数据代码，并将该表演记录在一组乐曲数据代码中。

假设用户希望再现该表演。用户指示自动演奏系统3再现原声音调。自动演奏系统3在原声钢琴1上弹奏所述乐曲，并重演该乐曲，而没有人类演奏者的手指演奏。

在下文中详细描述原声钢琴1、自动演奏系统3和记录系统5。

原声钢琴

在此实例中，原声钢琴是大钢琴。原声钢琴1包括琴槌2、弦4、制音器6、键盘70和动作单元90。键座98形成钢琴壳体的一部分，并且键盘70安装在键座98上。键盘70与动作单元90和制音器6相链接，并且，钢琴家通过键盘70有选择地驱动动作单元90和制音器6。通过键盘70被有选择地驱动的制音器6与相关联的弦4间隔开，使得弦4准备好振动。另一方面，通过键盘70被有选择地驱动的动作单元90引起相关联的琴槌2的自由旋转，并且，琴槌2在自由旋转的终点撞击相关联的弦4。然后，弦4振动，并且，通过弦4的振动而产生原声音调。这样，键盘70、动作单元90、制音器6、琴槌2和弦4表现为与标准原声钢琴的那些部件相似。

键盘70包括多个黑键72、多个白键74和平衡轨道80。黑键72和白键74以众所周知的模式放置，并利用平衡键销80a而可移动地支撑在平衡轨道80上。

假设用户按下黑和白键72/74的前部。该前部向键座98下降，并升高后部。键运动引起相关联的键动作单元90的激活，并如上文中所述使弦4准备好振动。被激活的动作单元90驱动相关联的琴槌2，以通过脱离而自由旋转。琴槌2在自由旋转的终点撞击相关联的弦4，以产生原声音调。琴槌2在弦4上回弹，并再次落到键动作单元90上。

当用户释放黑和白键72/74时，动作操作单元90的自重引起黑和白键72/74的反方向旋转，使得黑和白键72/74返回静止位置。制音器6开始与相关联的弦4接触，使得原声音调衰减。键动作单元90再次返回静止位置。这样，人类钢琴家可以引起像秋千一样的围绕平衡轨道80a的角向键运动。

自动演奏系统

参考图2同时参考图1，在下文中对自动演奏系统3进行描述。自动演奏系统3包括键致动器10的阵列、琴槌传感器22、键传感器27、被简写为“FDD”的软盘驱动器40、操纵板42和控制器100。如将结合记录系统5而在下文中描述的，与记录系统5共享除了键致动器10的阵列以外的那些组成部件。在此实例中，利用电磁控制(solenoid-operated)致动器单元来实现键致动器10。独立地给键致动器10供电，以移动相关联的黑和白键72/74。这意味着将需要的键致动器10数目等于黑和自键72/74。

电磁控制键致动器单元10的每一个包括活塞15和螺线管与磁轭的组合结构17。电磁控制键致动器单元10的阵列悬挂在键座98上，并且活塞15通过键座98中形成的狭缝99伸到键座98上方。当电磁控制键致动器单元10闲置而没有任何驱动信号时，活塞15收缩到螺线管与磁轭的组合结构17中，并且，将活塞15的顶端与处于静止位置的黑和白键72/74的下表面略微间隔开。当控制器100用驱动信号来给组合结构17供电时，磁场产生，并且磁力被施加到活塞15上。然后，活塞15从组合结构17向上伸出，并推动黑和白键72/74的下表面，以便引起角向运动。

控制器100包括脉冲宽度调制器30、在图中被简写为“I/O”的接口37、被简写为“CPU”的中央处理单元50、被简写为“FLASH EEPROM”的快闪电可擦除和可编程只读存储器52、被简写为“RAM”的随机存取存储器54和总线系统60。这些系统组件30、37、50、52和54连接到总线系统60，并且，有选择地将地址代码、控制数据代码和乐曲数据代码从特定的系统组件通过总线系统60传播到其它系统组件。

琴槌传感器22、键传感器27和操纵板42连接到接口37，并且，脉冲宽度调制器30将驱动信号发送给电磁控制键致动器10。软盘驱动器40也连接到总线系统60，并且，在总线系统60与软盘驱动器40之间传递乐曲数据代码。

将琴槌传感器22分别提供给琴槌2，也就是说，它们与琴槌2数目相等，并且因此，与黑和白键72/74数目相等。琴槌传感器22是固定的，并且监控相关联的琴槌2。琴槌传感器22每一个包括两个光耦合器，而每个光耦合器是发光二极管和光电晶体管的组合。沿着附加到相关联的琴槌2的槌柄上的遮光盘(shutter plate)的轨迹而将发光二极管彼此间隔开，并使其分别与光电晶体管相对。这样，两对光耦合器利用光束来桥接遮光盘移过的缝隙。

所述光耦合器的一个位于由于琴槌2在相关联的弦4上回弹而使遮光盘开始返回的轨迹的末端。这样，利用下游侧的光耦合器来检测琴槌2与相关联的弦4撞击的时刻。在上游侧提供另一个光耦合器，并以预定的距离将其间隔开。

当琴槌2旋转时，遮光盘间歇地与光束相交。由光电晶体管接收的光的量被迅速改变，并且，光电晶体管在所接收的光量的基础上产生的数字琴槌位置信号被顺次从通状态改变为断状态。控制器100测量时间延迟，并且光耦合器之间的距离已知。然后，控制器100确定琴槌速度。琴槌速度与在弦4上碰撞的强度成比例，而碰撞的强度与原声音调的响度成比例。这样，控制器100在琴槌位置信号的基础上产生代表原声音调的响度以及产生原声音调的时刻的乐曲数据。

键传感器27在键座98上提供，并且各自位于黑和白键72/74之下。这意味着键传感器27与黑和白键72/74数目相等。键传感器27将相关联的黑和白键72/74的当前键位置转换为键位置信号。这样，键传感器27充当位置变换器。

键传感器27的每一个包括：遮光盘75，其非透明灰度色标印制在透明盘上；和一对光传感头77。发光二极管(未示出)通过光纤(未示出)连接到光传感头77的一个上，并且横向发出与遮光盘75的轨迹相交的光束。另一个光传感头77在与所述轨迹相交的另一侧提供，并通过光纤(未示出)连接到光电晶体管(未示出)。光束具有宽横截面，使得遮光盘75在相关联的键72/74向下运动期间逐渐截断该光束。当黑和白键72/74从静止位置向最终位置移动时，入射到光电晶体管上的光量逐渐减少，并在所接收的光量的基础上来确定当前键位置。这样，键传感器27产生代表在相关联的黑和白键72/74向下运动时连续变化的当前键位置的键位置信号。

键传感器27引起自动演奏系统中的另一种内在的个体特征。例如，如果透明盘被玷污，则经过该透明盘的光量被非故意地减少。在遮光盘偏离相关联的键的下表面上的目标位置的时候，当传感头偏离键座98上的目标位置时，光电晶体管上的光强度变化。在发光二极管和光电晶体管中，老化衰退是不可避免的。通过示例可知，偏置电压随时间变化。从合适的电源给发光二极管和光电晶体管提供电力。该电源不能完全保护电源电压免受不希望的电压波动。这些是其它种类个体特征的其它因素。当然，并非同等地衡量那些因素。一些因素可以忽略，而另外的因素是重要的。

键传感器27在重放和记录时均产生键位置信号。当控制器100工作以记录表演时，黑和白键72/74被人类演奏者有选择地按下和释放，并且，将唯一的键运动转换为连续变化的当前键位置。利用模拟数字转换器，模拟键位置信号被转换为也连续变化的二进制值数字键位置信号。

另一方面，当控制器100工作以便重放时，键传感器27充当反馈传感器，并且，控制器100检验键位置信号，以查看键致动器10是否引起目标键运动。如果实际键运动与目标键运动不同，则修正驱动信号，以便使实际键运动与目标键运动一致。

键位置信号和琴槌位置信号到达接口37。接口37将琴槌位置信号和键位置信号的波形适当地整形，并且随后，利用模拟数字转换器来将琴槌位置信号和键位置信号转换为数字琴槌位置信号和数字键位置信号。尽管在图2中未示出，但是另一个接口37也连接在软盘驱动器40和总线系统60之间，并且通过该接口将乐曲数据代码传递到软盘驱动器40和从软盘驱动器40传递乐曲数据代码。在记录时，利用软盘驱动器40来将代表键盘70上的表演的一组乐曲数据代码写入软盘44，并且在重放时，通过软盘驱动器40将其从软盘44中读出。控制器100还可以包括通信接口，其中，将乐曲数据代码从远程数据源通过公共通信网提供给该接口。

操纵板42还连接到接口37。在操纵板42上提供多个按钮开关、显示窗和指示器。按钮开关的一个使控制器100通电。用户通过其它按钮开关而将各种指令给予控制器100，并通过另一个按钮开关选择一段要再现的乐曲。当用户希望记录他或她的表演时，该用户通过操纵板42来指示控制器100进入记录模式。当用户希望重演该表演时，该用户还通过操纵板42来指示控制器进入重放模式。因而，操纵板42是人机接口。

在重放时，脉冲宽度调制器30充当键致动器10的驱动器。活塞15的推力随驱动信号而变化。在此实例中，脉冲宽度调制器30改变驱动信号的占空比，以改变活塞15的推力。脉冲宽度调制器30还可以改变驱动信号的幅度。脉冲宽度调制器30包括多个调制电路，使得脉冲宽度调制器30可以同时将驱动信号提供给多个键致动器10。当注意到实际键运动延后时，脉冲宽度调制器30增大驱动信号的占空比。另一方面，如果黑和白键72/74移动超前，则脉冲宽度调制器30减小占空比，使得活塞15减速。

在此实例中，中央处理单元50、脉冲宽度调制器30、键致动器10、键传感器27和接口37形成反馈控制环64，并且，黑和白键72/74被插入到反馈控制环64中。

主例行程序、子例行程序和参数表存储在快闪电可擦除和可编程存储器54中，并且随机存取存储器54充当中央处理单元50的工作存储器。中央处理单元50运行主例行程序，并且主例行程序有选择地分支为子例行程序。重放模式中的行为将在下文中详细描述。

记录系统和记录模式中的行为

记录系统5包括键传感器27、琴槌传感器22、软盘驱动器40、操纵板42和控制器100。这样，记录系统5与重放系统3共享系统组件22、27、40、42、100。

当用户通过操纵板42指示控制器100记录他或她的表演时，中央处理单元50开始运行主例行程序，并周期性地进入子例行程序以记录该表演。中央处理单元50启动内部时钟以测量逝去的时间。

在子例行程序中，中央处理单元50取出代表当前琴槌位置的乐曲数据和代表当前键位置的乐曲数据，并将那些乐曲数据积存在随机存取存储器54中。随后，中央处理单元50将当前键位置与先前的键位置相比较，以查看用户是否按下或释放了黑和白键72/74的任意一个。

如果中央处理单元50注意到用户按下黑和白键72/74的一个，则中央处理单元50确认击键(key-on)事件，并指明所按下的键72/74。假设在击键事件之后，附加到琴槌94上的遮光盘与下游光耦合器的光束相交。中央处理单元50计算琴槌速度，并确定从表演的开始或者从先前的事件到现在的音键开(note-on)事件的时间流逝。中央处理单元50产生音键开事件代码和持续时间代码，并将代表分配给被按下的键的键代码、琴槌速度和时间流逝的多个乐曲数据存储在音键开事件代码和持续时间代码中。音键开事件代码和持续时间代码是不同种类的乐曲数据代码。音键开事件代码与持续时间代码相伴随。

另一方面，如果中央处理单元50注意到用户释放了所按下的键，则中央处理单元50指明所释放的键72/74，并确定使原声音调衰减的定时。该定时近似等于使制音器92开始与正在振动的弦96接触的定时。中央处理单元50确定从先前的事件起的时间流逝以及将使原声音调衰减的定时。中央处理单元产生音键关(note-off)事件代码和持续时间代码，并将代表键代码和时间流逝的乐曲数据存储在音键关事件代码和相关联的持续时间代码中。音键关事件代码是另一种乐曲数据代码，并与持续时间代码相伴随。术语“事件代码”在下文中代表音键开事件代码和音键关事件代码。

尽管未在图中示出，但自动演奏钢琴还包括制音器、柔音(soft)和持音(sostenuto)踏板以及相关联的踏板传感器，并且，中央处理单元50还将代表当前踏板位置的乐曲数据积存在随机存取存储器54中。当中央处理单元50确认用户踏在踏板上时，中央处理单元产生代表该效果的乐曲数据代码。

当用户在键盘70上用手指演奏一段乐曲时，中央处理单元50周期性地进入子例行程序，并返回主例行程序，使得乐曲数据代码间歇地产生并积存在随机存取存储器54中。将该乐曲数据正规化，并从该乐曲数据中消除一些个体特征。这样，将记录系统5的工作概括为如图1所示的乐曲数据产生器130和后处理器140的串联组合。

当完成表演时，用户可以指示中央处理单元50传递代表该表演的该组乐曲数据代码。如果这样的话，中央处理单元50将该组乐曲数据代码从随机存取存储器54传递到软盘驱动器40，并将其存储在软盘44中。

重放模式中的系统行为

自动演奏系统3完成被表示为如图1所示的运动设计器110和运动控制器120的串联组合的工作。图3示出了在重放模式中对黑/白键72/74的控制序列。当用户指示控制器100再现表演时，中央处理单元50开始所述控制序列以便有选择地移动黑/白键72/74，并在键盘70上再现该表演。控制序列以子例行程序的形式存储在快闪型电可擦除可编程只读存储器52中。中央处理单元50在定时器中断处周期性地进入该子例行程序，并返回主例行程序。这意味着中央处理单元50周期性地停止执行，并在进入子例行程序时重新开始该执行。然而，为简单起见，在下文中将控制序列描述为好像中央处理单元50连续完成该任务一样。

当接收到再现所述表演的用户指令时，中央处理单元50请求软盘驱动器40将代表该表演的一组乐曲数据代码传递到随机存取存储器54中。软盘驱动器40从软盘44读出该组乐曲数据代码，并将该乐曲数据代码相继传递到随机存取存储器54，如步骤SP2。同步地增加地址，并将该乐曲数据代码写入随机存取存储器54中。

随后，中央处理单元50取出代表第一音键开事件的乐曲数据代码。中央处理单元50将该乐曲数据代码中的乐曲数据正规化，并确定将被移动的黑/白键72/74的基准轨迹，如步骤SP4。当中央处理单元50确定基准轨迹时，中央处理单元求基准轨迹的微分，并确定基准轨迹上的下一个监控时刻的目标键速度，如步骤SP6。中央处理单元50闲置预定的时间，如步骤SP8。

当预定的时间到期时，中央处理单元50在监控时刻确定现在的目标位置rx，如步骤SP10。通过模拟键位置信号，从相关联的键传感器27连续报告当前键位置，并通过合并在接口37中的模拟数字转换器来将该模拟键位置信号转换为数字键位置信号。中央处理单元50从模拟数字转换器取出代表当前键位置yxd的位置数据，如步骤SP12。

中央处理单元50将当前键位置yxd正规化，以便获得真实键位置yx，如步骤SP14。中央处理单元50从现在的目标位置rx减去真实键位置yx，并确定位置差ex，如步骤SP16。中央处理单元50将位置差ex乘以预定增益kx，以便确定控制因子ux，如步骤SP16。

随后，中央处理单元50取出在先前监控时刻的真实键位置，并在现在监控时刻的真实键位置yx和先前监控时刻的真实键位置的基础上计算真实键速度yv，如步骤SP20。中央处理单元50从目标键速度ry减去真实键速度yv，以便确定速度差ev，如步骤SP22。中央处理单元将速度差ev乘以预定增益kv，并确定控制因子uv，如步骤SP24。

中央处理单元50将位置控制因子ux加到速度控制因子uv上，以便确定控制因子u，如步骤SP26。中央处理单元50将控制因子u发送给脉冲宽度调制器30，并请求脉冲宽度调制器30将驱动信号的脉冲宽度最优化，如步骤SP28。当黑/白键72/74超前目标键位置时，控制因子u指示减速，并且脉冲宽度调制器30减小驱动信号的占空比。驱动信号使磁场比以前弱，并且活塞15使黑/白键72/74减速。另一方面，如果黑/白键72/74未到达目标键位置，则控制因子u指示加速，并且脉冲宽度调制器30增大驱动信号的占空比。驱动信号使磁场比以前强，并且活塞15使相关联的黑/白键72/74加速。

随后，中央处理单元50检验目标键位置，以查看黑/白键72/74是否到达基准轨迹的末端，如步骤SP30。如果黑/白键72/74仍然在前往基准轨迹末端的途中，则步骤SP30处的答案给出为否定的，并且中央处理单元50返回步骤SP6。这样，中央处理单元50重复由步骤SP6至SP30组成的循环，并在监控点周期性地检验键运动，以查看黑/白键72/74应当被加速还是被减速。

当黑/白键72/74到达基准轨迹的末端时，步骤SP30处的答案给出为肯定的，并且中央处理单元50检验随机存取存储器54，以查看是否再现了所有音键事件，如步骤SP32。当步骤SP32处的答案给出为否定的时，中央处理单元50重复由步骤SP4至SP32组成的循环。当步骤SP32处的答案改变为肯定的时，中央处理单元50返回主例行程序，并且主例行程序不会分支为子例行程序，直到接收到再现表演的用户指令为止。

中央处理单元50以及对应于步骤SP4、SP6、SP8和SP32的指令代码实现运动设计器110，而中央处理单元50和对应于步骤SP10至SP30的指令代码实现运动控制器120。

以下描述集中在反馈环64上。图4示出了合并在自动演奏钢琴内的反馈控制环64中采用的算法。如上文中所述，中央处理单元50、脉冲宽度调制器30、键致动器10、键盘70、键传感器27和接口37形成反馈环64。

键传感器27即位置变换器27将当前键位置“yxa”转换为模拟键位置信号，并且，表示当前键位置yxa的该模拟键位置信号被提供给接口37。方框202代表中央处理单元50在步骤SP4、SP6和SP10面前的任务，并且，中央处理单元50在基准轨迹的基础上，确定目标键位置rx和目标键速度rv。基准轨迹是一系列随时间变化的键行程的值。当把一个时刻赋给方框202时，方框202输出给定时刻的目标键位置rx，并计算给定时刻的基准轨迹的梯度，即目标键速度rv。

中央处理单元50还通过执行子例行程序来实现由圆圈203/206/210和方框204/208/216/218所表示的功能。在真实键位置yx的基础上计算真实键速度yv，并将真实键位置yx和真实键速度yv分别与目标键位置rx和目标键速度rv相比较，以确定将提供给键致动器10的平均电流或驱动信号的最佳占空比。

详细地说，圆圈203代表在步骤SP16处中央处理单元50面前的任务，并且中央处理单元50通过减法来确定目标键位置rx与真实键位置yx之间的位置差ex。类似地，圆圈206代表在步骤SP22处中央处理单元50面前的任务，并且中央处理单元50通过减法来确定目标键速度rv与真实键速度yv之间的速度差ev。方框204和208代表步骤SP18和SP24处中央处理单元50面前的任务，并且中央处理单元50通过分别乘以增益kx和ky来确定位置控制因子ux和速度控制因子uv。圆圈210代表在步骤SP26处中央处理单元50面前的任务，并且中央处理单元50通过加法来确定控制因子u。

控制因子u代表将被提供给键致动器10的平均电流或者驱动信号的最佳占空比，并被提供给脉冲宽度调制器30。脉冲宽度调制器30将驱动信号调整到最佳占空比u，并且，施加到活塞15上的推力发生变化。

现在假设活塞15已经开始伸出，位置变换器27确定当前键位置“yxa”，并将模拟键位置信号提供给接口37。该模拟键位置信号被转换为代表二进制码“yxd”的数字键位置信号，其二进制数相当于模拟键位置信号的幅度。中央处理单元50取出位置数据，即二进制码“yxd”，并且，将代表当前键位置“yvd”的位置数据正规化为真实键位置“yx”，如方框216。该正规化旨在消除黑/白键72/74的个体特征和位置变换器27的个体特征，并被表示为

yx＝R*yxd+S[mm]           等式1

其中，R是增益的校正因子，而S是偏移量的校正因子。校正因子R和S通过经验给出。在快闪型电可擦除和可编程只读存储器52中，将校正因子R/S的值列在表中，并且，中央处理单元50访问该表以取出适当的值。

中央处理单元50取出代表真实键位置的正规化后的位置数据“yx”，并通过对真实键位置“yx”的微分来计算目标键速度“yv”如下。

yv＝(yx0-yx1)/T[mm/sec.]    等式2

其中，yx0是当前的真实键位置，而yx1是先前的真实键位置。

中央处理单元50从已经由方框202计算出的目标键位置“rx”和目标键速度“ry”减去真实键位置“yx”和真实键速度“yv”。

尽管在日本专利申请公开第7-175472号中详细描述了如何确定基准轨迹，但只是在黑/白键72/74采取统一运动的假设下来简单地对基准轨迹进行描述。基准轨迹是一组目标键位置的值。目标键位置“rx”表示如下。

rx＝f(vm)*t+rx0           等式3

其中，f代表函数，vm是在MIDI协议中定义的速度，t是时间，而rx0是初始值。按等式4来给出目标键速度“rv”。

rv＝d(rx)/dt＝f(vm)       等式4

f(vm)是指数函数。目标键位置rx和目标键速度rv由中央处理单元50计算，或者被编写为表。

在方框204和208处，将差“ex”和“ev”分别乘以增益“kx”和“ky”。位置控制因子ux和速度控制因子uv被提供给加法器210，并被彼此相加。和数或控制因子“u”指示最佳占空比，其中，脉冲宽度调制器30将把驱动信号调整到该最佳占空比。和数“u”被提供给脉冲宽度调制器30，并且，脉冲宽度调制器30将驱动信号调整到最佳占空比。

磁场强度根据平均驱动电流而变化。并且，施加到活塞15上的推力也变化。通过反馈控制环64来使活塞15加速、减速或保持。这样，反馈控制环64引起其它黑/白键72/74的原来的键运动。

如将理解的，通过反馈控制环64来控制活塞运动以及相应的键运动，并且，在反馈控制中考虑键位置和键速度两者。将位置差ex的增益kx和速度差ev的增益kv彼此独立地赋给反馈控制环64。因为很容易使反馈控制环64的响应特性最优化，所以这个特征是合乎需要的。

本发明人研究了增益kx/kv对反馈控制环64的响应特性的影响。图5示出了在增益kx和kv小的条件下反馈控制环64的响应特性。增益kx和kv分别被调整为0.2和0.0。目标键速度“rv”在时刻t1急剧增大，并在时刻t2恢复。目标键速度“rv”在时刻t3急剧减小，并在时刻t4恢复。尽管加法器210改变了控制因子“u”，但是由于小增益kx和kv，真实键速度“yv”几乎不变，并且真实键位置“yx”不遵循目标键位置“rx”。由于黑/白键72/74未达到最大行程mx1，因此相关联的弦4不与琴槌2撞击，并且不会从自动演奏钢琴听到任何原声音调。

图6示出了在另一条件下反馈控制环64的响应特性。增益kx和kv分别被调整为0.5和1.4。目标键速度在时刻t1和时刻t3之间保持为高，而在时刻t5和时刻t6之间为低。真实键速度“yv”在时刻t2开始增大，并在大约t4到达峰值。尽管真实键位置“yx”响应得比图5中示出的早，但真实键位置“yx”未达到最大行程mx2，并且自动演奏钢琴微弱地生成原声音调。这样，在重放时生成的原声音调响度小于原来的原声音调。

图7示出了在再一条件下反馈控制环64的响应特性。增益kx和kv分别被调整为0.2和3.2。目标键速度在时刻t1和时刻t3之间也保持为高，而在时刻t3和时刻t4之间为低。由于增益kv远大于增益kx，因此真实键速度“yv”和真实键位置“yx”两者都振荡，并且控制因子“u”大幅摆动。这样，反馈控制环64使自动演奏钢琴在重放时不稳定。

图8示出了在再一条件下反馈控制环64的响应特性。增益kx和kv分别被调整为0.5和0.2。目标键速度在时刻t1和时刻t2之间也保持为高，而在时刻t4和时刻t5之间为低。利用速度控制因子“uv”的修正很差，以至于真实键位置“yx”超过了最大键行程mx3。由于真实键位置“yx”在时刻t3达到峰值，因此相关联的弦4与琴槌2猛烈碰撞，并且在重放时产生的原声钢琴音调响度大于原来的音调。

图9示出了在再一条件下反馈控制环64的响应特性。增益kx和kv分别被调整为1.1和2.0。目标键速度在时刻t1和时刻t2之间也保持为高，而在时刻t3和时刻t4之间为低。增益kx和kv被最优化，并被很好地彼此平衡。真实键速度“yv”随着目标键速度“rv”一起变化，并且真实键位置“yx”很好地遵循目标键位置“rx”。因此，真实键位置“ymx4”接近达到最大键行程mx4。这导致响度与原来的音调一样大的原声音调。

本发明人对各种不同的条件反复进行了实验，并获得了图10中示出的表。列表示增益kx，并且增益kx从0.0改变到2.3。另一方面，行表示增益kv，并且增益kv从0.0改变到3.5。本发明人将增益kx和kv调整为表中的值，并指示自动演奏钢琴再现原来的音调。结果在行和列的交叉点处示出。标记“*”意思是不生成任何音调，标记“+”意思是该音调响度大于原来的音调，标记“ok”意思是该音调响度与原来的音调几乎一样大，标记“-”意思是该音调响度小于原来的音调，而标记“#”意思是作为示例，由于振荡而导致键运动不稳定。

根据该表，可以理解，最小增益kx和kv等于0.5。另一方面，最大增益kx和kv分别等于2.0和2.3。当增益kv和增益kx之比落在1至3内时，反馈控制环64往往得到良好的标记“ok”。这样，本发明人发现了以目标响度再现音调的数值范围。

第二实施例

图11示出了合并在实施本发明的另一个自动演奏键盘乐器内的反馈控制环64中采用的另一种算法。该自动演奏键盘乐器也包括原声钢琴、记录系统和自动演奏系统3C。原声钢琴和记录系统与实现第一实施例的自动演奏键盘乐器的原声钢琴和记录系统相似，并且，在记录系统和自动演奏系统3C中使用速度传感器28。然而，重放模式中的子例行程序和反馈控制环64C与自动演奏系统3中的那些不同。出于此原因，在下文中将描述集中在反馈控制环64C上。在下文中，用指定自动演奏系统3的系统组件的标号来标注自动演奏系统3C的对应系统组件，而不做详细描述。

中央处理单元50、脉冲宽度调制器30、键致动器10、键盘70、速度传感器28和接口37形成反馈环64C。速度传感器28将当前键速度“yva”转换为模拟键速度信号，并且，该模拟键速度信号被提供给接口37。中央处理单元50通过执行子例行程序来实现由方框202、204、208、220和222以及圆圈203、206和210表示的功能。在此实例中，在真实键速度“yv”的基础上计算真实键位置“yx”，并且，将真实键位置“yx”和真实键速度“yv”分别与目标键位置“rx”和目标键速度“rv”相比较，以确定目标占空比。圆圈203/206和方框204/208处的功能与第一实施例的那些功能相同，而方框220和222的功能与方框216和218的那些功能不同。在方框220处进行下列正规化。

yv＝P*yvd+Q[mm/sec]         等式5

其中，P是增益的校正因子，而Q是偏移量的校正因子。校正因子P和Q通过实验来确定，并被存储在快闪型电可擦除和可编程只读存储器52中。另一方面，在方框222处求真实键速度yv的积分，并通过该积分来确定真实键位置yx。

现在假设活塞15已经开始伸出，速度传感器28确定当前键速度“yva”，并将模拟键速度信号提供给接口37。该模拟键速度信号被转换为代表二进制码“yvd”的数字键速度信号，其二进制数相当于模拟键速度信号的幅度。中央处理单元50取出该速度数据，即二进制码“yvd”，并且在方框220处将位置数据“yvd”正规化为真实键速度“yv”。然而，当设计者确定校准因子时，他或她会考虑方框204和208处的放大。

中央处理单元50取出代表真实键速度的正规化后的速度数据“yv”，并通过对真实键速度“yv”的积分来计算真实键位置“yx”如下。

yx＝yx1+yv0*T[mm]           等式6

其中，yx1是先前的真实键位置，yv0是当前的真实键速度，T是从yx1起的时间流逝，而*是乘号。所述时间流逝可以等于采样时间间隔。

中央处理单元50从目标键位置“rx”和目标键速度“ry”中减去真实键位置“yx”和真实键速度“yv”，这已经在圆圈203和206处计算过。

在方框204和208处，将差“ex”和“ev”分别乘以增益“kx”和“kv”。乘积，即位置控制因子“ux”和速度控制因子“uv”表示平均驱动电流，即从不同的观点来看的占空比的目标值。将代表占空比目标值的控制数据“ux”和“uv”提供给加法器210，并将其彼此相加。和数，即控制因子“u”表示占空比的目标值，其中将把驱动信号的占空比调整为该目标值。将和数“u”提供给脉冲宽度调制器30，并且，脉冲宽度调制器30将驱动信号调整到该目标占空比。

磁场强度根据目标占空比而变化，并且，施加到活塞15上的推力也会变化。这导致活塞15被减速、加速或保持速度。

尽管施加到相关联的黑和白键72/74上的力变化，但是键运动不会立即跟随。在推力的改变和键运动的改变之间存在时间延迟，并且，该时间延迟取决于键盘70的个体特征和相关联的速度传感器28的个体特征。出于此原因，即使速度传感器28将当前键速度“yva”准确转换为模拟键位置信号，当前活塞位置的改变也不会被准确地传递给当前键速度“yva”。将模拟键速度信号转换为数字键速度信号，并且利用二进制码“yvd”来表示当前键速度“yva”。

中央处理单元50从接口37取出位置数据或二进制值“yvd”，并在方框220处将当前键速度正规化。通过积分来计算真实键位置“yx”。这样，中央处理单元50准备好真实键位置“yx”和真实键速度“yv”。

中央处理单元50读出控制数据，并在方框202处计算下一个目标位置“rx”和下一个速度“rv”。计算差“ex”和“ev”，并如在上文中描述的最终确定目标占空比。这样，中央处理单元50周期性地检验真实键速度“yv”和真实键位置“yx”，以查看占空比，即施加到活塞15上的推力是否适当，以通过上述反馈控制环64C来迫使活塞15在基准轨迹上移动。出于此原因，脉冲宽度调制器30总是能将驱动信号调整到最佳占空比。

本发明人确认增益kx和kv的上述数值范围对反馈控制环64C是有效的。

第三实施例

图12示出了合并在实施本发明的再一个自动演奏键盘乐器内的反馈控制环64D中采用的算法。该自动演奏键盘乐器也包括原声钢琴、记录系统和自动演奏系统3D。该原声钢琴和记录系统与原声钢琴1和记录系统5相似，并且在记录系统和自动演奏系统3D中使用位置变换器27。然而，重放模式中的子例行程序和反馈环64D与自动演奏系统3中的那些不同。出于此原因，在下文中将描述集中在反馈环64D上。在下文中，用指定自动演奏系统3的系统组件的标号来标注自动演奏系统3D的对应系统组件，而不做详细描述。

中央处理单元50、脉冲宽度调制器30、键致动器10、键盘70、键传感器或位置变换器27以及接口37形成反馈环64D。位置变换器27将当前键位置“yxa”转换为模拟键位置信号，并且，该模拟键位置信号被提供给接口37。通过接口37，该模拟键位置信号被转换为数字键位置信号。

中央处理单元50通过执行子例行程序来实现由方框232、203、204、206、208、210、216、218和234表示的功能。将图12与图4相比较，我们发现第三实施例和第一实施例之间的差异在于方框232和圆圈234。目标键位置“rx”和目标键速度“rv”以及偏置“ru”均从方框232输出。目标键位置“rx”和目标键速度“rv”与图4中示出的那些相同。偏置“ru”表示被施加到键致动器10上的偏置电压。键致动器10需要偏置电压的原因是对驱动信号的迅速响应。假设驱动信号从0开始升高。因为诸如键72/74的重量的各种阻力和回动弹簧的弹力与磁力相反地施加到活塞15上，所以活塞15不会立即从螺线管和磁轭的组合结构17中伸出。当磁力超过总阻力时，活塞15开始伸出。偏置电压“ru”使螺线管和磁轭的组合结构17将等于总阻力的临界磁力施加到活塞15上。脉冲宽度调制器30总是将该偏置电压施加到螺线管和磁轭的组合结构17上。当脉冲宽度调制器30增大驱动信号时，活塞15立即从螺线管和磁轭的组合结构17中伸出。这样，借助于偏置“ru”，键致动器10灵敏性得以提高。

在此实例中，从方框232输出恒定偏置“ru”，并在圆圈234处将该偏置“ru”加到“ux”和“uv”的和数上。其它方框和圆圈处的功能与图4中示出的那些功能相同。出于此原因，不在下文中合并对反馈环64D的进一步描述，以避免重复。上述数值范围对第三实施例基本上是最佳的。

如将从前面的描述意识到的，分别将位置差ex和速度差ev乘以增益kx和kv，并将增益kx和kv独立地调整为适当的值。结果，以黑/白键72/74在基准轨迹上行进这样的方式来使控制因子“u”最优化。这导致了通过自动键盘乐器来准确地重演原来的表演。

第四实施例

图13示出了合并在实施本发明的再一个自动演奏键盘乐器内的反馈控制环64E中采用的算法。该自动演奏键盘乐器也包括原声钢琴、记录系统和自动演奏系统3E。该原声钢琴和记录系统与第二实施例中的原声钢琴和记录系统相似，并且在记录系统和自动演奏系统3E中使用速度传感器28。然而，重放模式中的子例行程序和反馈环64E与第二实施例的自动演奏系统中的那些不同。出于此原因，在下文中将描述集中在反馈环64E上。在下文中，用指定自动演奏系统3的系统组件的标号来标注自动演奏系统3E的对应系统组件，而不做详细描述。

中央处理单元50、脉冲宽度调制器30、键致动器10、键盘70、速度传感器28和接口37形成反馈环64E。速度传感器28将当前键速度“yva”转换为模拟键速度信号，并且，该模拟键速度信号被提供给接口37。通过接口37，该模拟键速度信号被转换为数字键速度信号。

中央处理单元50通过执行子例行程序来实现由方框202、204、208、220、222、240、242以及圆圈203、206和244表示的功能。将图13与图11相比较，我们发现第四实施例和第二实施例之间的差异在于方框240和242以及圆圈244。

在真实键速度的基础上，通过方框240处的微分来计算真实加速度“ya”，并在方框242处利用增益“ka”来将其放大。该乘积或控制因子“ua”表示加速度，并且被提供给加法器244。加法器244将位置控制因子“ux”加到速度控制因子“uv”上，并从和数中减去控制因子“ua”，即u＝ux+uv-ua。这样，利用加速度“ua”修正了控制因子“ux”+“uv”。将控制因子“u”提供给脉冲宽度调制器30，并且，脉冲宽度调制器30将驱动信号调整到目标占空比。当设计者确定增益的校准因子时，他或她考虑方框204、208和242处的放大。其它功能与第四实施例的那些功能相同，并且为简单起见而省略进一步的描述。

对于利用位置和速度来调整驱动信号，利用加速度“ua”进行修正是优选的。详细地说，当加速度大时，大加速度使和“ux+uv”减小，以便防止活塞15过冲，并相应地防止键72/74过冲。

如将从前面的描述意识到的，将位置差ex、速度差ev和加速度分别乘以增益kx、kv和ka，并且将增益kx、kv和ka独立调整为适当的值。结果，以黑/白键72/74准确地在基准轨迹上行进这样的方式来使控制因子“u”最优化。这导致通过自动键盘乐器来准确地重演原来的表演。

此外，在此实例中考虑了加速度。这个特征是合乎需要的。即使加速度迅速变大，控制因子“u”也是慢慢增大，而防止了黑/白键72/74过冲。

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，可以在立式钢琴的基础上制作另一种自动演奏钢琴。原声钢琴不对本发明的技术范围设置任何限制。自动演奏器可以安装在诸如例如大键琴、风琴、弦乐器、打击乐器和管乐器的另一种乐器中。

还可以将静音系统合并在根据本发明的自动演奏钢琴中，并且，将配有无声系统的自动演奏钢琴称为静音钢琴。静音钢琴是原声钢琴、自动演奏系统、琴槌制动器和电子音调生成系统的组合。琴槌制动器在自由位置和阻塞位置之间改变。当琴槌制动器停留在自由位置时，弦与琴槌在自由旋转的终点碰撞，并且通过弦的振动来生成原声钢琴音调。当琴槌制动器改变为阻塞位置时，琴槌制动器进入琴槌的轨迹。尽管琴槌被驱动进行自由旋转，但是琴槌在自由旋转的终点之前在琴槌制动器上回弹，而不产生任何原声钢琴音调。电子音调生成系统监控被演奏者有选择地按下和释放的键，并且用电子学方法来产生音高等于分配给所按下的键的音高的音调。

可以通过诸如例如因特网的公共通信网，从诸如例如软盘或提供商的、自动演奏乐器的外部来提供所述计算机程序。

所述位置、速度和加速度不对本发明的技术范围设置任何限制。可以在黑/白键72/74之下提供压力传感器阵列，以便将代表施加到其上的力的检测信号提供给控制器。

键传感器27和键速度传感器28不对本发明的技术范围设置任何限制。活塞传感器可以监控活塞15。在此实例中，将活塞位置或活塞速度从活塞传感器报告给控制器。

方框202还可以计算基准轨迹上的目标加速度。在此实例中，加法器被插入在方框240和方框242之间，并计算真实加速度ya和目标加速度之间的差。

增益可以是可变的。在此实例中，将最佳增益从增益控制器提供给方框204/208。

脉冲宽度调制器30不对本发明的技术范围设置任何限制。可以通过合适的电阻器阵列来改变驱动信号的电势电平。

电磁控制键致动器10不对本发明的技术范围设置任何限制。在自动演奏系统3中，可以使用气动致动器或微型马达。

传感器27或28可以监控诸如例如琴槌2的另一种组成部件。类似地，电磁控制致动器10可以驱动诸如例如动作单元90的另一种组成部件。

实施例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“音调生成子系统”，而琴槌2、制音器4、黑/白键72/74和动作单元90联合形成每条“动作传播路径”。方框202/232充当“目标状态指示器”。位置变换器27或速度传感器28充当多个“传感器”。黑/白键72/74对应于所述多条运动传播路径的“预定组成部件”。

当前键位置或当前键速度对应于“当前物理量”。压力可充当如结合所述修正而描述的当前物理量。在当前物理量是当前键位置的情况中，当前键速度充当“该物理量的变化率”。真实键位置或真实键速度对应于“真实物理量”，而真实键速度或真实键加速度充当“该真实物理量的变化率”。

方框216/218或220/222作为整体来组成“第一数据处理器”，而圆圈204/206联合形成“第二数据处理器”。方框204/208作为整体来组成“乘法器”，而圆圈210和脉冲宽度调制器30联合形成“信号调制器”。增益kx和kv分别相当于“第一增益”和“第二增益”。