CN107170153A - 一种基于pid串级智能系统的全民书柜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PID串级智能系统的全民书柜，包括书柜本体，其特征在于：所述书柜本体包括整体框架（1），整体框架（2）内设置有存书传动机构（24）、取书传动机构（25）以及智能书柜调节平台（26）；本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于PID串级智能系统的共享式全民书柜，目的在于解决现有读者在借取图书过程中的不便利，通过智能书柜调节平台内设计的基于PID串级智能系统实现样本书位置的闭环控制，通过传动件和样本书的双闭环控制来提高样本书取书过程的快速响应、控制精度和鲁棒性，使样本书迅速到达取书口。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种基于PID串级智能系统的全民书柜。
背景技术
随着人们生活水平的日益提高，越来越多的人注重精神食粮，每次去图书馆借书品读并不能被大部分人所能接受，而且图书馆并不是每处都有，去书店购买新书品读完了，若不能更好地二次利用，又显得不环保。
因此，一种共享式全民书柜的出现尤为重要，公交站台，公共服务场所，小区内均可设立此装置，譬如人们在等公交的时候可以在站台附近的全民书柜上借上一本书细细品读，每次根据借阅时间的长短扣取相应的费用，所借书籍可以在任意全民书柜点进行还书。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种基于PID串级智能系统的全民书柜，目的在于解决现有图书在读者在借取过程中的不便利，通过智能书柜调节平台内设计的基于PID串级智能系统实现样本书位置的闭环控制，通过传动件和样本书的双闭环控制来提高样本书取书过程的快速响应、控制精度和鲁棒性，使样本书迅速到达取书口。
本发明通过以下技术方案实现：
基于PID串级智能系统的全民书柜，包括书柜本体，所述书柜本体包括整体框架（1），整体框架（2）内设置有存书传动机构（24）、取书传动机构（25）以及智能书柜调节平台（26）；整体框架（1）一侧设置有多个进书口（16），相对侧设置有与进书口（16）数量匹配的取书口（2），进书口（16）与取书口（2）之间形成多个独立的取书通道（27），取书通道（27）内设置有取书传动机构（25），上部设置有存书传动机构（24），存书传动机构（24）、取书传动机构（25）与智能书柜调节平台（26）控制连接，智能书柜调节平台（26）内设计有复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统。
本发明进一步技术改进方案是：
所述存书传动机构（24）包括第一支撑板（12），第一支撑板（12）上部通过丝杠（4）驱动连接有第二支撑板（13），第二支撑板（13）底部两侧通过设置于第一支撑板（12）上表面的导轨（3）与第一支撑板（12）滑动连接，丝杠（4）一端通过第一步进电机（8）驱动；第二支撑板（13）上部设置有输送带（11），输送带（11）外侧上方为样本书（5），输送带（11）两端通过滚筒（7）与第二支撑板（13）转动连接，其中一个滚筒（7）通过啮合的齿轮组（10）与减速电机（9）连接；
所述取书传动机构（25）包括设置于进书口（16）底部外侧的第二步进电机（17），第二步进电机（17）传动侧设置有表面带有螺旋形槽口传动件（14），所述的传动件（14）设置于取书通道（27）内，其长度与取书通道（27）相匹配。
本发明进一步技术改进方案是：
所述智能书柜调节平台（26）包括单片机处理器（19）、光电传感器（18）、速度传感器（22）、驱动器（20）、以及直流电源（23），单片机处理器（19）中设计有复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，所述复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统由神经网络PID主调节器和神经网络PID副调节器组成，由神经网络PID主调节器与神经网络PID副调节器构成取书过程中样本书位置的串级控制系统，实现对取书过程中的样本书位置的实时控制；其中神经网络PID主调节器的输出作为神经网络PID副调节器的输入，神经网络PID副调节器的输出作为控制第二步进电机（17）速度的调节量，速度传感器（22）的输出作为神经网络PID副调节器的反馈量构成传动件（14）的闭环控制，实现对第二步进电机（17）的速度的闭环调节；光电传感器（18）的输出作为神经网络PID主调节器的反馈量，神经网络PID主调节器实现样本书位置的闭环控制，通过传动件（14）和样本书的双闭环控制来提高样本书取书过程的快速响应、控制精度和鲁棒性，使样本书迅速到达取书口（2）。
本发明进一步技术改进方案是：
所述丝杠（4）与导轨（3）互为平行设置，丝杠（4）、导轨（3）、滚筒（7）两端均通过支承座（6）与第一支撑板（12）连接。
本发明通过以下技术方案实现：
所述进书口（16）上端设置有向内侧壁倾斜的倾斜板（15），倾斜板（15）底部与进书口（16）侧壁形成落书通道（28），倾斜板（15）上端高度低于、或与输送带（11）高度相等。
本发明通过以下技术方案实现：
所述进书口（16）、取书口（2）均设置有电磁铁开关门。
本发明通过以下技术方案实现：
所述书柜本体上设置有链接图书信息的二维码。
本发明通过以下技术方案实现：
所述取书口（2）、进书口（16）、取书通道（27）的尺寸与存放书籍尺寸相匹配。
本发明通过以下技术方案实现：
所述传动件（14）采用硬质弹簧。
本发明通过以下技术方案实现：
所述导轨（3）采用光杆导轨。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明由于采用复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，取书过程执行机构的神经网络PID副调节器是根据样本书位置的神经网络PID主调节器输出来调整执行机构硬质弹簧状态的随动系统，副调节器回路已经尽可能把被控过程中对硬质弹簧状态变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动包括在副调节器回路中，这些副调节器回路对影响取书过程中样本书位置的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过神经网络PID主调节器回路和神经网络PID副调节器回路的调节对主被控量取书过程中的样本书位置的影响很小，所以取书过程中样本书位置变化幅度小和稳定，系统能够快速使样本书到达取书口，提高响应速度、控制精度和提高系统的稳定性。
二、本发明取书过程中执行机构硬质弹簧作为被控对象具有非线性、时滞和时变性的特性，主调节器神经网络PID和副调节器神经网络PID，结合神经网络和PID控制器的优点，由神经网络来实现PID的功能，实现了PID控制器参数的自整定，该智能控制器具有很强的自适应性能，该控制系统根据取书过程硬质弹簧执行机构的特点对样本书位置和硬质弹簧实施双闭环控制，提高系统的响应速度，能够适应诸多扰动因素影响，具有良好的鲁棒性。
三、本发明采用神经网络PID主调节器的输出作为神经网络PID副调节器的输入，提高了系统的快速性和抗扰能力，提高样本书取书过程控制系统的鲁棒性， 响应速度快，实现简单，可以迅速遏制硬质弹簧变化波动对样本书位置的影响，可以使样本书迅速到达取书口。
四、本发明涉及PID控制、神经网络控制和串级控制技术，设计了复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，控制系统具有动态性能好、稳态精度高、鲁棒性较强的自适应的智能控制器，克服了单纯PID控制对大惯性大延迟对象调节品质差、抗干扰性弱的缺点，将该控制系统用于取书过程中样本书位置的控制具有较强的动态跟踪性能和抗干扰能力以及良好的动静态性能指标。与原有的常规控制相比该控制系统的控制品质、响应速度和稳定性能都明显提高，样本书位置的控制精度高、抗干扰能力强和稳定性能好，具有较好的应用和推广价值。
五、当用户需要借阅书籍的时候，只需要打开与装置配套的手机APP，通过扫描书柜上的二维码，即可显示出当前书柜里现有书籍，用户可以根据需求在手机APP上（或者书柜外部控制面板）上输入书的序列号，相对应的书柜门会打开，用户方可取出书，当用户需要还书的时候只需要将书在配套软件上进行扫码，然后将书放入还书口，书通过带传动及螺旋传动将书送到相匹配的进书口，书经过倾斜板竖直掉入硬质弹簧的槽口，第二步进电机带动硬质弹簧转动，从而将书传递到最前端，即送到取书口的位置，当光电传感器检测到书到达预定位置时，第二步进电机停转。
附图说明
图1为本发明整体框架示意图；
图2为本发明内部结构示意图；
图3为本发明局部结构示意图；
图4为本发明齿轮啮合示意图；
图5为本发明立体结构示意图；
图6为本发明电气控制流程图；
图7为本发明取书过程智能控制系统图。
具体实施方式
如附图1至7所示，本发明包括整体框架1，整体框架2内设置有存书传动机构24、取书传动机构25以及智能书柜调节平台26；整体框架1一侧设置有多个进书口16，相对侧设置有与进书口16数量匹配的取书口2，进书口16与取书口2之间形成多个独立的取书通道27，取书通道27内设置有取书传动机构25，上部设置有存书传动机构24，存书传动机构24、取书传动机构25与智能书柜调节平台26控制连接，智能书柜调节平台26内设计有复合智能控制器-PID多串级的智能控制系统。存书传动机构24包括第一支撑板12，第一支撑板12上部通过丝杠4驱动连接有第二支撑板13，第二支撑板13底部两侧通过设置于第一支撑板12上表面的导轨3与第一支撑板12滑动连接，丝杠4一端通过第一步进电机8驱动；第二支撑板13上部设置有输送带11，输送带11外侧上方为样本书5，输送带11两端通过滚筒7与第二支撑板13转动连接，其中一个滚筒7通过啮合的齿轮组10与减速电机9连接；所述取书传动机构25包括设置于进书口16底部外侧的第二步进电机17，第二步进电机17传动侧设置有表面带有螺旋形槽口传动件14，所述的传动件14设置于取书通道27内，其长度与取书通道27相匹配，传动件14采用硬质弹簧，导轨3采用光杆导轨。进书口16上端设置有向内侧壁倾斜的倾斜板15，倾斜板15底部与进书口16侧壁形成落书通道28，倾斜板15上端高度低于、或与输送带11高度相等，进书口（16）、取书口（2）均设置有电磁铁开关门；所述书柜本体上设置有链接图书信息的二维码。
所述智能书柜调节平台（26）包括单片机处理器（19）、光电传感器（18）、速度传感器（22）、驱动器（20）、以及直流电源（23），单片机处理器（19）中设计有复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，单片机处理器19包括单片机、输入模拟量处理单元和模拟量输出单元组成，单片机选用MSP430实现复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统的控制过程，输入模拟量处理光电传感器18和速度传感器22反馈的模拟量信号，模拟量输出给驱动控制器20的控制信息号来调节第一步进电机8、第二步进电机17和减速电机9。
复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控统中的神经网络PID设计过程如下：
采用复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，取书过程执行机构的神经网络PID副调节器是根据样本书位置的神经网络PID主调节器输出来调整执行机构硬质弹簧状态的随动系统，副调节器回路已经尽可能把被控过程中对硬质弹簧状态变化剧烈、频繁和幅度大的主要扰动包括在副调节器回路中，这些副调节器回路对影响取书过程中样本书位置的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过神经网络PID主调节器回路和神经网络PID副调节器回路的调节对主被控量取书过程中的样本书位置的影响很小，所以取书过程中样本书位置变化幅度小和稳定，系统能够快速使样本书到达取书口，提高响应速度、控制精度和提高系统的稳定性。主调节器的输出是副调节器的给定控制量，通过速度传感器22检测第二步进电机17的转速实际值作为反馈量，副调节器负责调整第二步进电机17的转速；主调节器的输入是取书口样本书5的期望位置，通过光电传感器18检测样本书5的实际值作为反馈量，由神经网络PID主调节器和神经网络PID副调节器构成串级控制系统，使样本书5准确快速到达取书口2。
1）、神经网络PID主调节器的设计
神经网络PID主调节器控制器负责调节硬质弹簧14控制对象样本书的位置，使书准确到达取书口2，提高样本书5到达取书口2的准确和快速性，神经网络PID副调节器有3个输入（i=1,2,3），状态变换器的输入反映的是期望样本书到达取书口2及控制给定的偏差状态，若设给定样本书5到达取书口2的控制目标值和样本书5实际位置值，它们的偏差为e(t)，经转换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态X1、X2 、X3在这里性能指标为：
（1）
神经元通过关联搜索来产生控制样本书5位置的信号，即自适应神经元的输出控制样本书5位置的信号为:
（2）
为了反映神经元对外界信号的响应能力，神经元重要的特征就是要通过不断的学习使获得的知识结构适应样本书5实际位置变化，通过修改自身的权系数来进行的，采用了有监督的Hebb学习算法。
2）、神经网络PID副调节器的设计
神经网络PID副调节器负责调节第二步进电机17的转速来调节硬质弹簧14，使书快速到达取书口2，神经网络PID副调节器有3个输入（i=1,2,3），状态变换器的输入反映的是期望第二步进电机17的转速给定的偏差状态，若设第二步进电机17的转速给定转速目标值和第二步进电机17转速的实际值，它们的偏差为e(t)，经转换器后转换成为神经元学习控制所需要的状态X1、X2 、X3在这里性能指标为：
（3）
神经元通过关联搜索来产生控制第二步进电机17转速的信号，即自适应神经元的输出控制第二步进电机17转速的信号为:
（4）
为了反映神经元对外界信号的响应能力，神经元重要的特征就是要通过不断的学习使获得的知识结构适应第二步进电机17转速变化，通过修改自身的权系数来进行的，采用了有监督的Hebb学习算法。
结合附图对本发明的工作过程作进一步阐释：
当用户需要借阅书籍的时候，只需要打开与本发明全民书柜配套的手机APP，通过扫描书柜本体上的二维码，即可显示出当前书柜里现有书籍，用户可以根据需求在手机APP上，或者书柜外部控制面板上输入书的序列号，相对应的取书口2会打开，用户方可取出书，当用户需要还书的时候只需要将书在配套软件上进行扫码，然后将书放入样本书位置5，书通过存书传动机构24将书送到相匹配的进书口16，书经过倾斜板15竖直掉入硬质弹簧的槽口，第二步进电机17带动硬质弹簧转动，从而将书传递到最前端，即送到取书口2的位置，当光电传感器18检测到书到达预定位置时，第二步进电机17停转。
同时为了避免硬质弹簧上的样本书在运动过程中脱离运动轨迹，本发明加入了复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，包括由神经网络PID主调节器和神经网络PID副调节器组成，由取书过程位置的神经网络PID主调节器与神经网络PID副调节器构成串级控制系统，神经网络PID主调节器的输出作为神经网络PID副调节器的输入，神经网络PID副调节器的输出作为控制第二步进电机17速度的调节量，速度传感器22的输出作为神经网络PID副调节器的反馈量构成硬质弹簧的闭环控制，光电传感器18的输出作为神经网络PID主调节器的反馈量，神经网络PID主调节器实现样本书位置的闭环控制，通过硬质弹簧和样本书的双闭环控制来提高样本书取书过程的快速响应、控制精度和鲁棒性，使样本书迅速到达取书口。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于PID串级智能系统的全民书柜，包括书柜本体，其特征在于：所述书柜本体包括整体框架（1），整体框架（2）内设置有存书传动机构（24）、取书传动机构（25）以及智能书柜调节平台（26）；整体框架（1）一侧设置有多个进书口（16），相对侧设置有与进书口（16）数量匹配的取书口（2），进书口（16）与取书口（2）之间形成多个独立的取书通道（27），取书通道（27）内设置有取书传动机构（25），上部设置有存书传动机构（24），存书传动机构（24）、取书传动机构（25）与智能书柜调节平台（26）控制连接，智能书柜调节平台（26）内设计有复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述存书传动机构（24）包括第一支撑板（12），第一支撑板（12）上部通过丝杠（4）驱动连接有第二支撑板（13），第二支撑板（13）底部两侧通过设置于第一支撑板（12）上表面的导轨（3）与第一支撑板（12）滑动连接，丝杠（4）一端通过第一步进电机（8）驱动；第二支撑板（13）上部设置有输送带（11），输送带（11）外侧上方为样本书（5），输送带（11）两端通过滚筒（7）与第二支撑板（13）转动连接，其中一个滚筒（7）通过啮合的齿轮组（10）与减速电机（9）连接；
所述取书传动机构（25）包括设置于进书口（16）底部外侧的第二步进电机（17），第二步进电机（17）传动侧设置有表面带有螺旋形槽口传动件（14），所述的传动件（14）设置于取书通道（27）内，其长度与取书通道（27）相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述智能书柜调节平台（26）包括单片机处理器（19）、光电传感器（18）、速度传感器（22）、驱动器（20）、以及直流电源（23），单片机处理器（19）中设计有复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统，所述复合智能控制器-PID串级的取书过程智能控制系统由神经网络PID主调节器和神经网络PID副调节器组成，由神经网络PID主调节器与神经网络PID副调节器构成取书过程中样本书位置的串级控制系统，实现对取书过程中的样本书位置的实时控制；其中神经网络PID主调节器的输出作为神经网络PID副调节器的输入，神经网络PID副调节器的输出作为控制第二步进电机（17）速度的调节量，速度传感器（22）的输出作为神经网络PID副调节器的反馈量构成传动件（14）的闭环控制，实现对第二步进电机（17）的速度的闭环调节；光电传感器（18）的输出作为神经网络PID主调节器的反馈量，神经网络PID主调节器实现样本书位置的闭环控制，通过传动件（14）和样本书的双闭环控制来提高样本书取书过程的快速响应、控制精度和鲁棒性，使样本书迅速到达取书口（2）。
4.根据权利要求2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述丝杠（4）与导轨（3）互为平行设置，丝杠（4）、导轨（3）、滚筒（7）两端均通过支承座（6）与第一支撑板（12）连接。
5.根据权利要求2所述的基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述进书口（16）上端设置有向内侧壁倾斜的倾斜板（15），倾斜板（15）底部与进书口（16）侧壁形成落书通道（28），倾斜板（15）上端高度低于、或与输送带（11）高度相等。
6.根据权利要求2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述进书口（16）、取书口（2）均设置有电磁铁开关门。
7.根据权利要求1或2所述的基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述书柜本体上设置有链接图书信息的二维码。
8.根据权利要求2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述取书口（2）、进书口（16）、取书通道（27）的尺寸与存放书籍尺寸相匹配。
9.根据权利要求2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述传动件（14）采用硬质弹簧。
10.根据权利要求2所述的一种基于PID串级智能系统的全民书柜，其特征在于：所述导轨（3）采用光杆导轨。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107831668A (zh) * | 2017-11-15 | 2018-03-23 | 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 | 一种适用于随动控制自适应检测的方法及系统 |
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2017
- 2017-04-19 CN CN201710254937.5A patent/CN107170153B/zh active Active
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