3借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)設(shè)計(jì)

3. 1監(jiān)測(cè)分機(jī)硬件設(shè)計(jì)

借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)主要由微處理器、液晶顯示模塊、供電電路、按鍵電路、ZigBee 通信模塊、無(wú)線通信模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)的微處理器采用 STM32F4 單片機(jī)，其電源供電可直接采用交流 220V。無(wú)線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)和圖書(shū)管理中心之間的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程操控等功能，采用Wi⁃Fi 無(wú)線通信的方式來(lái)完成信息互換。液晶顯示模塊主要用來(lái)顯示該借閱室各類書(shū)架隔板的應(yīng)力變化與應(yīng)力大小，通過(guò)不同類別書(shū)架應(yīng)力狀態(tài)的液晶顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同書(shū)籍的借閱情況一目了然。

3. 2 監(jiān)測(cè)分機(jī)軟件設(shè)計(jì)

借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)軟件要實(shí)現(xiàn)與書(shū)架應(yīng)力采集器的命令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、液晶顯示以及與圖書(shū)管理中心通信等功能，其流程圖如圖 8 所示。當(dāng)啟動(dòng)借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，將采集地址輸入給借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)，借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)送命令給輸入地址相同的書(shū)架應(yīng)力采集器，采集器將數(shù)據(jù)打包上傳給該塔筒監(jiān)測(cè)分機(jī)，監(jiān)測(cè)分機(jī)可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給圖書(shū)管理中心。

4 圖書(shū)管理中心軟件

圖書(shū)管理中心主要針對(duì)各借閱室不同類別書(shū)架應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)不同類別圖書(shū)的書(shū)架狀態(tài)分析，來(lái)完成對(duì)圖書(shū)熱度的評(píng)估，從而為圖書(shū)管理和采 購(gòu) 決 策 提 供 相 應(yīng) 的 參 考。 本 文 采 用 VisualC ++ 來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件客戶端設(shè)計(jì)，其中，數(shù)據(jù)管理算法同樣采用 VC ++ 進(jìn)行封裝，保證調(diào)用的實(shí)效性。 最后通 過(guò) ActiveX 數(shù) 據(jù) 對(duì) 象 ( ActiveX Data Object，ADO)技術(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)書(shū)架應(yīng)力信息進(jìn)行匹配并生成相應(yīng)的圖書(shū)熱度報(bào)告。

圖書(shū)管理中心主要由參數(shù)設(shè)置模塊、設(shè)備管理模塊、運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊組成。 參數(shù)設(shè)置模塊主要分為兩部分，第一部分是設(shè)置連接設(shè)備編號(hào)、串口和波特率，第二部分是設(shè)定書(shū)架初始狀態(tài)下的應(yīng)力值。 設(shè)備管理模塊主要功能是添加、保存、刪除書(shū)架與借閱室的名稱和地址。 運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊主要功能是查詢?cè)O(shè)備列表、查詢歷史數(shù)據(jù)、查詢?cè)诰�實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、完成數(shù)據(jù)分析，其設(shè)計(jì)框架如圖9所示。

5系統(tǒng)性能測(cè)試

5. 1書(shū)架應(yīng)力精度測(cè)試

對(duì)于書(shū)架應(yīng)力精度測(cè)試，搭建了專用測(cè)試平臺(tái)，如圖 10 所示，其是由一臺(tái)上位機(jī)電腦、一臺(tái)借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)、一個(gè)書(shū)架應(yīng)力采集器、一臺(tái)解調(diào)儀、一個(gè)拉力傳感器、一組 FBG 應(yīng)力傳感器、被測(cè)角鋼和多個(gè)配重鉤碼組成。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先將被測(cè)角鋼固定在試驗(yàn)支架上，保證測(cè)量過(guò)程中角鋼不發(fā)生移動(dòng)，其次在角鋼上找一個(gè)應(yīng)力待測(cè)點(diǎn)，粘貼 FBG 應(yīng)力傳感器，并在無(wú)應(yīng)力方向上粘貼第二個(gè) FBG 應(yīng)力傳感器，然后在角鋼另一端依次增加配重鉤碼，最后記錄單元數(shù)據(jù)采集器在不同鉤碼下采集的應(yīng)變量，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。

其應(yīng)變與配重拉力的關(guān)系為：ε = σ式中， E 為彈性模量;L 是受力點(diǎn)到FBG應(yīng)力傳感器軸心距;b 為截面寬度; F為配重帶來(lái)的拉力。

通過(guò)測(cè)量可得 L 為 0. 25m，b為0.06m，h為0􀆰 005m，配置鉤碼按每 1kg 進(jìn)行依次增加，經(jīng)多次測(cè)試，其試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表所示。

E =6FLEbh2

(3)誤差小于 2% ，符合該系統(tǒng)應(yīng)力測(cè)試要求。

5. 2 圖書(shū)熱度分析

選取 01 編號(hào)借閱室的 01 號(hào)書(shū)架進(jìn)行圖書(shū)熱度分析測(cè)試，通過(guò)移走不同的書(shū)籍?dāng)?shù)量來(lái)模擬圖書(shū)館借書(shū)狀態(tài)。 其中，分別在書(shū)架 1 - 5 層中取走 10、5、1、7、4 本書(shū)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表3所示。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，借走圖書(shū)越多其監(jiān)測(cè)應(yīng)力與初始應(yīng)力差值越大，熱度百分比也越高，因此可通過(guò)圖書(shū)管理中心的熱度狀態(tài)百分比從高到度排序來(lái)判斷哪一類書(shū)籍熱度較高，從而為圖書(shū)的采購(gòu)和管理決策提供相應(yīng)的參考。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)階段圖書(shū)館圖書(shū)管理困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于書(shū)架應(yīng)力的圖書(shū)熱度自動(dòng)分析系統(tǒng)，根據(jù)圖書(shū)館現(xiàn)有環(huán)境和措施，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行選型，完成了書(shū)架應(yīng)力采集器、借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)、圖書(shū)管理中心的軟硬件設(shè)計(jì)。書(shū)架應(yīng)力采集器實(shí)現(xiàn)了對(duì)書(shū)架各層隔板應(yīng)力的實(shí)時(shí)采集和相對(duì)初始狀態(tài)應(yīng)力的差值計(jì)算，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸給書(shū)架所在借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)。

借閱室監(jiān)測(cè)分機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)該借閱室各個(gè)書(shū)架應(yīng)力狀態(tài)的顯示和匯總，并通過(guò) Wi⁃Fi 把數(shù)據(jù)上傳給圖書(shū)管理中心。 圖書(shū)管理中心對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，完成對(duì)圖書(shū)熱度的評(píng)估，從而為圖書(shū)采購(gòu)和管理決策提供相應(yīng)的參考。

在此種條件下，三個(gè)控制器的響應(yīng)曲線如圖 4所示，響應(yīng)的擺動(dòng)量如表 2 所示。 從圖 4 和表 2 中明顯可以看出，Ziegler⁃Nichols 整定 PID 控制與二維迭代學(xué)習(xí)控制的響應(yīng)由于噪聲影響過(guò)大，較為明顯的偏離目標(biāo)濕度值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，說(shuō)明PID 控制與傳統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)控制對(duì)隨機(jī)干擾的魯棒性能較差，無(wú)法保證較大隨機(jī)干擾條件下的跟蹤性能。

而二維迭代學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)控制響應(yīng)依舊保持著較好的響應(yīng)速度，且在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的擺動(dòng)量?jī)H為 0. 051，響應(yīng)曲線也顯示了該控制響應(yīng)依舊能夠較好的跟蹤目標(biāo)濕度值。 說(shuō)明加入了預(yù)測(cè)控制之后，該控制器對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)具有較好的魯棒性，能夠在隨機(jī)噪聲影響下保證較好的跟蹤能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種迭代學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)控制器。 首先建立了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，然后介紹了二維框架理論，進(jìn)一步利用該理論得到了迭代學(xué)習(xí)控制收斂的條件，最后得到了二維迭代學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)方法。 經(jīng)過(guò)仿真對(duì)比得到如下結(jié)論：

①PID 控制相對(duì)于迭代學(xué)習(xí)控制更適合無(wú)干擾條件下精確模型的跟蹤控制;

②迭代學(xué)習(xí)控制對(duì)于周期性干擾具備較好的魯棒性，但對(duì)隨機(jī)干擾的魯棒性較差，無(wú)法在隨機(jī)干擾的條件下實(shí)現(xiàn)較好的跟蹤;

③二維迭代學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)控制不僅能夠保證在無(wú)干擾或者周期性干擾條件下具備較好的跟蹤效果，而且對(duì)大隨機(jī)干擾具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠保證在較強(qiáng)隨機(jī)干擾下的良好跟蹤能力。