【正文】 ................... 7 交通控制的基本參數(shù) ............................................. 7 交通控制的相關(guān)概念 ............................................. 9 交通信號(hào)的控制方式 ................................................ 10 交通信號(hào)的控制系統(tǒng) ................................................ 12 傳統(tǒng)的固定配時(shí)控制系統(tǒng) ........................................ 12 車(chē)輛感應(yīng)控制系統(tǒng) .............................................. 13 第三章 交通信號(hào)的模糊控制 ............................................ 16 傳統(tǒng)控制理論的缺陷 ................................................ 16 模糊控制理論 ...................................................... 17 3. 2. 1 模糊控制理論的概況 .......................................... 17 模糊控制實(shí)現(xiàn)的步驟與方法 ...................................... 18 模糊控制器與 PLC 的結(jié)合與應(yīng)用 ...................................... 20 交通信號(hào)的模糊控制思想 ............................................ 20 模糊化 ........................................................ 21 模糊推理 ...................................................... 22 反模糊化 ...................................................... 23 第四章 基于 PLC的交通信號(hào)模糊控制 ................................... 25 可編程控 制器 ...................................................... 25 設(shè)計(jì)步驟 .......................................................... 27 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 IV 系統(tǒng) I/O 地址分配 .............................................. 27 交通信號(hào)的時(shí)序安排和 設(shè)計(jì) 流程 .................................. 28 硬件配置及 S7200 安裝 ......................................... 33 系統(tǒng)接線 ...................................................... 33 程序的調(diào)試與運(yùn)行 ................................................... 34 第五章 結(jié)論 ............................................................. 38 致謝 ...................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ................................................................. 40 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 交通信號(hào)燈 道路 交通信號(hào) 燈是 交通安全 產(chǎn)品中的一個(gè)類別，是為了加強(qiáng)道路交通管理，減少 交通事故 的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的 一種重要工具。J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 PLC在交通十字路口模糊控制中的應(yīng)用 Application of PLC in the Fuzzy Control for Crossroads Traffic Light 學(xué)院名稱： 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： W X M 指導(dǎo)教師姓名： 項(xiàng)倩雯 指導(dǎo)教師職稱： 講 師 2021 年 6 月 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 I PLC 在交通十字路口模糊控制中的應(yīng)用 專業(yè)班級(jí)：電氣 0801 班 學(xué)生姓名：王歆蒙 指導(dǎo)教師：項(xiàng)倩雯 職稱：講師 摘要 交通信號(hào)燈控制是通過(guò)對(duì)交通流量的控制以達(dá)到改善人和貨物的安全運(yùn)輸，提高運(yùn)營(yíng)效率。適用于十字、丁字等交叉路口，由道路 交通信號(hào)控制機(jī) 控制，指導(dǎo)車(chē)輛和行人安全有序地通行。 (5) 方向指示信號(hào) ： 指揮機(jī)動(dòng)車(chē)行駛方向的專用指示信號(hào)燈，通過(guò)不同的箭頭指向，表示機(jī)動(dòng)車(chē)直行、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 2 1858 年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝 了以燃煤氣為光源的紅 、 藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車(chē)通行。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車(chē)輛 一 接近紅燈便變?yōu)榫G燈 ； 另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下 喇叭 ，就使紅燈變?yōu)榫G燈。 交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事敵有明顯效果。 城市交通系統(tǒng) 1. 我國(guó) 的 城市交通現(xiàn)狀 當(dāng)前，全國(guó)大中城市普遍存在著道路擁擠、車(chē)輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象。 (3) 路網(wǎng)不合理，交通管理水平低下。 解決 交通 問(wèn)題的根本出路，是實(shí)現(xiàn)對(duì) 城市交通系統(tǒng)的智能 化管理。 目前的智能交通燈控制系統(tǒng)有以紅外感應(yīng)車(chē)流量的、有 按 預(yù)定時(shí)間段改變通行時(shí)間的、有以電視監(jiān)控信息來(lái)干預(yù)的等多種方法與手段 ， 各有特點(diǎn)。 在 20 世紀(jì) 90 年代初，我國(guó)的相關(guān)學(xué)者開(kāi)始意識(shí)到研究和開(kāi)發(fā) ITS 的重要性。 因此 ，設(shè)計(jì)一種新的控制方案 使得紅綠燈能夠根據(jù)車(chē)流量大小實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)工作時(shí)長(zhǎng)，將大大提高車(chē)輛通行效率 ，對(duì)交通的發(fā)展與維護(hù)具有積極的意義 。 交通控制 的 基本參數(shù) 1. 周期 周期是指信號(hào)燈色發(fā)生變化，顯示一個(gè)循環(huán)所需的時(shí)間，也稱周期長(zhǎng)， 即紅、黃、綠燈 的 時(shí)間之 和 。若周期太長(zhǎng)，則某一方向的綠燈時(shí)間可能大于實(shí)際需要長(zhǎng)度，而另外方向的紅燈時(shí)間不合理延長(zhǎng)必然導(dǎo)致該方向車(chē)流等待時(shí)間的延長(zhǎng)。 相位綠信比是一個(gè)相位信號(hào)有效綠燈長(zhǎng)度與周期長(zhǎng)度之比，用 λ 表示，Cgλ e?， λ 為相位綠信比， eg 為相位有效綠燈長(zhǎng)度 （ 秒 ） ， C 為周期長(zhǎng)度 （ 秒 ） 。 (3) 相位差 ： 具有相同周期長(zhǎng)的相關(guān)路口，在同方向上的兩個(gè)相關(guān)相位的啟動(dòng)時(shí)間差，稱為相位差。 (7) 飽和流量：是衡量路口交通流施放能力的重要參數(shù)，通常是指一個(gè)綠燈時(shí)間內(nèi)的連續(xù)通過(guò)路口的最大車(chē)流量。在綠波信號(hào)系統(tǒng)中，分配給次干路的綠江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 11 燈時(shí)間必須限制在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)。有些城市還部分地實(shí)現(xiàn)了交替信號(hào)的線或面的聯(lián)動(dòng)控制，在這樣的系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)充當(dāng)了主控機(jī)和監(jiān)視器的角色。就其實(shí)質(zhì)而言，干線協(xié)調(diào)控制只是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制的一種特例。 三種模式的啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間，都是由之前預(yù)設(shè)好的。 此外， 由于各個(gè)交叉口之間的信號(hào)控制無(wú)法協(xié)調(diào)，這種定時(shí)控制方式只能以路口的狀態(tài) ， 按丁字、十字與多路口分時(shí)段進(jìn)行紅綠黃燈控制各路口依次通行。因此，這種系統(tǒng)所需投資要多些。 由于電感變化 ， 該 感應(yīng)線圈可感應(yīng) 東西左行道綠燈時(shí)間內(nèi)離開(kāi)的車(chē)輛數(shù)和東西直行道紅燈時(shí)間內(nèi)的交通強(qiáng)度。其具體電路圖由三部分組成：信號(hào)源部分、檢測(cè)部分、比較鑒別部分。因此，必須考慮多個(gè)輸入（噴量 Q、負(fù)載 F）和多個(gè)輸出（溫度 T、溫度梯度 ΔT 、環(huán)境 P）的控制。但就目前情況來(lái)看，由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，自適應(yīng)理論與實(shí)際應(yīng)用之間存在一定的距離。 (2) 由于控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的條件語(yǔ)句表示的，所以即使是對(duì)模糊控制理論不熟悉的人來(lái)說(shuō)，也是易學(xué)、易掌握的一種控制方法。就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，模糊控制系統(tǒng)和一般的模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)或數(shù)字控制系統(tǒng)沒(méi)有多大的 區(qū)別，只是用模糊控制器取代了模擬控制系統(tǒng)中的模擬調(diào)節(jié)器，或者數(shù)字控制系統(tǒng)中的數(shù)字控制器。 絕對(duì)集合隸屬關(guān)系中 的 隸屬度只能取“ 0”和“ 1”兩個(gè)值，即“是”和“非”。顯然輸入變量 x， y 和輸出變量 z 在模糊推理過(guò)程中都應(yīng)是模糊量。由此可見(jiàn)， 這種模糊控制器在本質(zhì)上，只是一種模糊算法而已。模糊控制是一種無(wú)須數(shù)學(xué)模型的控制方法，它能模仿有經(jīng)驗(yàn)的交警指揮交通時(shí)的思路，達(dá)到很好的控制效果。綠燈期間車(chē)輛通過(guò)路口的速度不超過(guò) 20km/h，則在 10 秒內(nèi)通過(guò)的最大車(chē)輛數(shù)約為 10 輛。其從屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖 35 所示。 綠燈的延時(shí) t2 均取“短”，其目的是保證雙方流量相差不多的情況下，盡快地均衡疏散?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC 的年生產(chǎn)增長(zhǎng)率仍保持在 30%~40%的水平，成為當(dāng)今增長(zhǎng)速度最快的工業(yè)控制器，而其將向大型化和小型化兩個(gè)方向發(fā)展，以適應(yīng)不同場(chǎng)合和不同要求的控制需要。 (4) 功能強(qiáng)大 現(xiàn)代 PLC 不僅具有條件控制、計(jì)數(shù)、定時(shí)、步進(jìn)、跳轉(zhuǎn)、移位等功能，還能完成 A/D，D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理及通信網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等功能。因此， PLC 就可以組成范圍很大的控制網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)工廠，甚至整個(gè)系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 由上 可知 ， 4 個(gè)路口則需要 44 個(gè)輸出端口，而實(shí)際上，東西方向兩個(gè)路口，南北方向兩個(gè)路口交通燈的變化完全一樣，用一個(gè)輸出端口驅(qū)動(dòng)兩個(gè)指示燈，就可以節(jié)約一半的資源，只需 22 個(gè)輸出端。在這里選擇編程靈活，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的西門(mén)子 S7200系列 PLC作例子， CPU型號(hào)為 CPU226，并加一個(gè) I/O擴(kuò)展模塊 EM223，在 step7Micro/win32平臺(tái)上編程。 PLC 結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，體積小巧，并具備很強(qiáng)的可靠性和搞干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。所以硬件安裝上的工作量相應(yīng)減少。 (1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 26 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，在硬件方面采用了電磁屏蔽、光電隔離、模擬量和數(shù)字量濾波、優(yōu)化電源等措施，并對(duì)元件進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，在軟件方面采用了警戒時(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，利用后備電池對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，因此， PLC 具有其他工業(yè)控制設(shè)備更高的可靠性。 1． PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 1968 年，美國(guó)通用汽車(chē)公司首先提出了可編程控制器的概念。 表 31 模糊控制規(guī)則 X Y 很少 少 中等 多 很多 多 很長(zhǎng) 長(zhǎng) 適中 短 很短 中等 長(zhǎng) 適中 短 短 很短 少 短 短 很短 很短 很短 反模糊化 從模糊規(guī)則得到的結(jié)果仍然是模糊量，還要經(jīng)過(guò)模糊推理算法還原為精確量才能輸出。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，對(duì)一般 大小 的路口， 綠燈的延時(shí) 最大取 25 秒較為合適，這里將 直行 方向 的 綠燈延時(shí) t2＂ 和 左行 方向 的 綠燈延時(shí) t2＇ 均取 25 秒為最大時(shí)間 ，則 它們的綠燈延時(shí)論域均 為 (0~25)。 0 1 2 3 456 7 8 9 1 0 X0 . 51少 中 等 多 圖 34 綠燈期間離開(kāi)車(chē)輛的從屬函數(shù) 2．紅燈期間到達(dá)車(chē) 輛數(shù) Y 的模糊化 檢測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度直接影響輸入量 Y 的變化論域。近些年來(lái)我國(guó)的許多學(xué)者也都以不同的思路對(duì)單個(gè)交叉口、交通干線的模糊 控制圖 33 十字路口的車(chē)流分布 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 21 進(jìn)行了研究。 2． 使用專用的 PLC 模糊控制單元 有 些公司為滿足用戶的要求，開(kāi)發(fā)了可在 PLC 上運(yùn)行的模糊控制單元，其中有些模糊控制單元可以直接插在 PLC 的機(jī)架上，與其 I/O 模塊、監(jiān)視計(jì)算機(jī)構(gòu)成了 PLC 模糊控制系統(tǒng)，這樣，用戶不需要專門(mén)的編程工具就能對(duì)模糊單元編程、建立知識(shí)庫(kù)，并且還可以在線監(jiān)視模糊單元的運(yùn)行狀況。 模糊控制的描述是使用規(guī)則，而規(guī)則的多少 、 規(guī)則的重疊程度 、隸屬數(shù)的形狀都是可以靈活設(shè)置的，這顯然增加了控制的靈活性，但也使得系統(tǒng)的建立和調(diào)整不容易把握，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改和調(diào)試才能得到比較滿意的結(jié)果。而模糊集合隸屬函數(shù)可以取 [0，l]中的任何值，隸屬度越接近 1，表示該點(diǎn)隸屬模糊集合的程度越高，否則越低。 2．