【正文】 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 對(duì)于一個(gè)模糊控制器，它的輸入和輸出都是精確的具體數(shù)值，而模糊控制的原理則是采用人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，模擬人的思維，也就是采用語(yǔ)言規(guī)則進(jìn)行推理，因此就必須將輸入的數(shù)據(jù)（例如溫度 100℃ ）變換成語(yǔ)言值（如溫度“高”、“中”、“低”）這樣一個(gè)成為模糊化的過(guò)程，即將推理所得的結(jié)果（如閥門“半開”、“開大”）變換成實(shí)際的一個(gè)精確的校正量（如閥門的流 量為 3m179。 (4) 控制規(guī)則是反映人的經(jīng)驗(yàn)，但每個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)并不完 全一樣，故對(duì)控制規(guī)則需要去偽存真，去次存主進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)控制理論中的傳統(tǒng)思維模式在新問(wèn)題面前顯得無(wú)能為力時(shí)，就預(yù)示著必然有一種新的思維模式的來(lái)臨。這時(shí) ， 自動(dòng)控制問(wèn)題 就可 迎刃而解。 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 15 6 0 k H Z 正 弦 信 號(hào) 源感 應(yīng) 線 圈 電 流 檢 測(cè) 電 路 比 較 鑒 別 電 路 脈 沖 輸 出感 應(yīng) 線 圈 圖 27 車輛檢測(cè)的原理框圖 3．車輛計(jì)數(shù) 車輛計(jì)數(shù)是智能控制的關(guān)鍵，為防止車輛 出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，在環(huán)狀絕緣電線的地下鋪設(shè)中，我們?cè)谑致房谒膫€(gè)方向上的直行車道和左轉(zhuǎn)車道的出口處（停車線處）以及在離每個(gè)出口處一定遠(yuǎn)（ 100m）的進(jìn)口處各鋪設(shè)一個(gè)相同的傳感器，鋪設(shè)方案如圖 28 所示。若將環(huán)狀絕緣電線作為振蕩電路的一部分，則只要檢測(cè)振蕩頻率的變化即可知道汽車的存在和通過(guò)。尤其在飽和程度較低的交叉口，或者幾個(gè)進(jìn)口方向車流量相差懸殊的交叉 口 ，感應(yīng)式控制系A(chǔ)BC主干道主干道支路支路圖 25 三種十字路口類型 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 14 統(tǒng)的效率是很高的。 如 圖 25 所示，城市的主要路口 （ 十字路口 A）車流量一般較多，而且是四個(gè)方向的車流量均很多，相應(yīng)地，它的四個(gè)方向上的綠燈、紅燈的時(shí)長(zhǎng)都相對(duì)較長(zhǎng)；相反的， 一些次要路口和小路口（十字路口 C）的四個(gè)方向上的綠燈、紅燈的時(shí)長(zhǎng)都相對(duì)較短；但是，還有另一種情況，一條主干路和一條支路交匯形成的路口（十字路口 B），其主干路的綠燈時(shí)長(zhǎng)要大于支路的綠燈時(shí)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的，支路的紅燈時(shí)長(zhǎng)就要大于主干路的紅燈時(shí)長(zhǎng)。 Ⅰ ⅡⅢ Ⅰ Ⅰ Ⅰ0 : 0 0 5 : 0 0 7 : 0 0 9 : 0 0 1 1 : 3 0 1 4 : 0 0 1 7 : 0 0 1 8 : 3 0 2 3 : 0 0 2 4 : 0 0ⅢⅡ ⅡⅠ — — 正 常 模 式 Ⅱ — — 高 峰 模 式 Ⅲ — — 夜 間 模 式 圖 24 定時(shí)控制的模式切換時(shí)間 三種模式交替運(yùn)行，并循環(huán)往復(fù)。即信號(hào)機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)交通狀況，自動(dòng)改變或調(diào)整配時(shí)方案，對(duì)交叉路口實(shí)行實(shí)時(shí)隨機(jī)控制。 2. 按控制區(qū)域幾何特性劃分 (1) 單個(gè)交叉口的控制 當(dāng)某個(gè)交叉口與其相鄰的交叉口相距較遠(yuǎn)時(shí)，可以利用一臺(tái)信號(hào)控制 器 獨(dú)立控 制其信號(hào)變化， 若 不考慮與相鄰路口的協(xié)調(diào)關(guān)系，其主要控制參數(shù)是周期長(zhǎng)和綠信比。當(dāng)次干路沒有車輛時(shí)，主干路總是保持綠燈，事實(shí)上分配到次干路的綠燈時(shí)間可充分利用，所有“多余的”綠燈時(shí)間則都分配給主干路。既是計(jì)算信號(hào)配時(shí)的重要參數(shù)，又是衡量路口阻塞程度的一個(gè)尺度。這里稱表示時(shí)間對(duì)“錯(cuò)開”為相位差。通過(guò)合理地分配各車流方向的綠燈時(shí)間 （ 綠信比 ） 可使各方向停車次數(shù)、等待延誤時(shí)間減至最小。如一個(gè)具有兩相位 （ 東西向和南北向 ） 交通流的交叉口，設(shè)兩個(gè)相位的交通到達(dá)率 （ 到達(dá)率 ） 分別是 dl 和 d2， 相應(yīng)相位的通行能力分別為 s1 和 s2， 周期時(shí)長(zhǎng)為 C，綠燈時(shí)間分別為 g1 和 g2，其中損失時(shí)間分別為 L1 和 L2（ 損失時(shí)間是指燈色切換過(guò)程中的損失時(shí)間圖 21 車流的交錯(cuò)軌跡 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 8 和不能被充分利用的綠燈時(shí)間，原因是綠燈出現(xiàn)之初 ， 車隊(duì)有個(gè)反應(yīng)和加速的過(guò)程 ） ，則： ? ? 1sLgCd 111 ?? (21) ? ? 2222 sLgCd ?? (22) 將上兩式相加，并代入 Cgg 21 ?? ，得 ： ???????? ????221121sdsdLLC1 (23) 若 sss 21 ?? ，則有 ： sdd LLC 21 21 ?? ?? 1 (24) 由 上 式可計(jì)算出保證路口不堵塞的一個(gè)最小周期值。一般信號(hào)燈的最短周期長(zhǎng)度不少于 36 秒，否則就不能保證幾個(gè)方向的車輛順利通過(guò)交叉口。 實(shí)驗(yàn)表明，此控制方法對(duì)減少車輛平均延誤時(shí)間、提高路口通行能力具有很好的控制效果，既保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，又能根據(jù)不同的交通流量進(jìn)行模糊控制決策，優(yōu)化信號(hào)燈的配時(shí)，從而有效的解決交通流量不均衡、不穩(wěn)定帶來(lái)的問(wèn)題 ，而且該系統(tǒng)具有較好的抗干擾性。 1999 年，我國(guó)成立了全國(guó)智能交通系統(tǒng) （ ITS） 協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組及辦公室，同年，又成立了全國(guó)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng) （ ITS） 專家咨詢委員會(huì)，其中，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、北方交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)等高校的有關(guān)專家為咨詢委員，并啟動(dòng)了國(guó)家 “ 九五 ” 科技攻關(guān)課題和國(guó)家 “ 十五 ” 科技攻關(guān)課題。而智能交通控制系統(tǒng)則在不產(chǎn)生大的硬件改動(dòng)的情 況下有效的提高效率。這 往往存在車多的路口綠燈通行時(shí)間短、無(wú)車或少車的路口卻亮著綠燈 的情況。 (4) 公共交通萎縮，出行結(jié)構(gòu)不合理。改革開放以來(lái)的 20 多年，我國(guó)取得了持續(xù)高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和大規(guī)模城市化的輝煌成就。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。 1868 年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。 (6) 車道燈信號(hào) ： 綠色箭頭燈亮?xí)r，準(zhǔn)許 本車道車輛按指示方向通行；紅色叉形燈或者箭頭燈亮?xí)r，禁止本車道車輛通行。 1. 交通信號(hào)燈的分類 (1) 綠燈信號(hào) ： 準(zhǔn)許車輛、行人通行，但轉(zhuǎn)彎的車輛不準(zhǔn)妨礙被放行的直 行車輛和行人通行。模糊控制是一種不依賴模型的智能控制方法，通過(guò)模 擬人的思維和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，是一種前景廣闊的城市智能交通控制方式。 實(shí)驗(yàn)表明， 此 控制方法對(duì)減少車輛平均延誤時(shí)間、提高路口通行能力具有很好的控制效果。 (3) 黃燈信號(hào) ： 已越過(guò)停止線的車輛，可以繼續(xù)通行。綠燈亮?xí)r，準(zhǔn)許行人通過(guò)人行橫道；紅燈亮?xí)r，禁止行人進(jìn)入人行橫道，但是已經(jīng)進(jìn)入人行橫道的，可以繼續(xù)通過(guò)或者在道路中心線處停留等候。 電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成， 1914 年始安裝于紐約市 5 號(hào)大街的一座高塔上。各個(gè)時(shí)期典型交通信號(hào)系統(tǒng)的特征如表 11 所示。黃燈是 警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車輛不能越過(guò)停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。 (2) 機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)加快，道路容量不足。由于公共交通受到?jīng)_擊，被轉(zhuǎn)移出來(lái)的乘客便要尋找其它出行方式，加劇出行結(jié)構(gòu)的不合理。 智能交通系統(tǒng) 智能交通系統(tǒng) （ Intelligent Transportation System，簡(jiǎn)稱 ITS） 是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸和管理系統(tǒng)，從而使交通設(shè)施得以充分利用，提高交通效率和安全，最終使交通運(yùn)輸服務(wù)和管理智能化，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)募s式發(fā)展。 而在我國(guó)，智能交通系統(tǒng)則剛剛處于起步階段。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 6 調(diào)越來(lái)越受到交通部門的重視 ， 也越來(lái)越成為衡量一個(gè)城市基礎(chǔ)建設(shè)的基本硬件指標(biāo) 。 如 右面的圖 21，即描述了 在典型十字路 口無(wú)信號(hào)燈的情況下，車流行駛軌跡的交錯(cuò)情況。 從疏散交通的角度講，顯然當(dāng)交通需求越大時(shí)，周期應(yīng)越長(zhǎng)，否則一個(gè)周期內(nèi)到達(dá)的車輛不能在該周期的綠燈時(shí)間內(nèi)通過(guò)交叉口，就會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象。 在一個(gè)周期內(nèi)，平面交叉口上某一支或幾支交通流所獲得的通行權(quán)稱為信號(hào)相位，簡(jiǎn)稱相；一個(gè)周期內(nèi)有幾個(gè)信號(hào)相位，則稱該信號(hào)系統(tǒng)為幾個(gè)相 位系統(tǒng)。它等于綠燈信號(hào)時(shí)段減去前后損失時(shí)間、起動(dòng)停車損失時(shí)間，用符號(hào) eg 表示。它是計(jì)算信號(hào)配時(shí)和衡量路口通行效果的一個(gè)重要參數(shù)，也常作為確定信號(hào)控制系統(tǒng)性能的重要參量。依靠所提供的設(shè)備，可用幾種預(yù)定配時(shí)方案，每一種都在一天規(guī)定的時(shí)間中交替使用。這種控制方式的周期長(zhǎng)度和綠燈時(shí)間可根據(jù)需要作很大的變動(dòng)。為使相位差在每個(gè)信號(hào)周期都保持恒定，這些相鄰的各個(gè)交叉口都必須 共用相同的信號(hào)周期。 在事先確定的配時(shí)方案中，綠燈時(shí)間的長(zhǎng)短、信號(hào)周期以及每個(gè)方向上綠燈的起止時(shí)間都是相對(duì)固定的，亦即在某一確定的時(shí)間區(qū)段中，上述這些配時(shí)參數(shù)保持不變。作為區(qū)域控制系統(tǒng)的一個(gè)特例，僅僅包含一條連續(xù)路線的多個(gè)交叉口聯(lián)動(dòng)控制，也就是我們常說(shuō)的“線控”。交通系統(tǒng)本身是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng) ,設(shè)置如此繁復(fù)的定時(shí)控制根本無(wú)法真正的實(shí)現(xiàn)交通的暢通，更無(wú)法適應(yīng)社會(huì)逐漸加速發(fā)展、道路交通日益擁擠、人口車輛不斷增長(zhǎng)的情況。當(dāng)汽車進(jìn)入這一高頻磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，汽車就會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，環(huán)狀絕緣電線的電感開始減少。 電感式傳感器安裝在公路下面，從交 通安全和美觀考慮，它是理想的傳感器。假設(shè)窯內(nèi)的溫度 T 為關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng) ? ?0，tT? 時(shí)，陶瓷需 3 小時(shí)（次要參數(shù)）方可燒制完畢。同時(shí)對(duì)復(fù)雜對(duì)象來(lái)說(shuō)，它的數(shù)學(xué)模型的得到和求解都是非常困難的，工業(yè)上常采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行，它是在一定的誤差范圍、一定的假設(shè)條件下近似進(jìn)行的。如上例中，我們可以把制陶人的經(jīng)驗(yàn)，它根據(jù)色澤等信息反饋在人 腦中所進(jìn)行模糊的判斷的過(guò)程進(jìn)行整理和處理，歸納成一組條件語(yǔ)句，并用模糊數(shù)學(xué)工具加以量化，用模糊邏輯語(yǔ)言給出模糊算法，做出決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制 （ 并非照搬 ） ，從而避開數(shù)學(xué)模型這一棘手問(wèn)題。例如人可以分辯字跡潦草的漢字，可以跳過(guò)文章中個(gè)別的錯(cuò)別江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 18 字而正確的理解文章，甚至連三歲的孩子都可以辯論出“圓”，而他并不知道圓的定義是222 ryx ?? ，這在機(jī)器是做不到的。 模 糊 化 模 糊 推 理 反 模 糊 化知 識(shí) 和 經(jīng) 驗(yàn)（ I F … T H E N 規(guī) 則 ） 圖 32 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 19 (1) 模糊化 在模糊控制中，可以將輸入變量成為語(yǔ)言變量，而將 這些輸入變量的“大小”、“高低”稱為這個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值。 (2) 模糊 推理 模糊推理 也稱 規(guī)則 評(píng)價(jià) ，它是 模糊控制器的關(guān)鍵一步。 假如對(duì)前面所談到的燒制陶瓷的過(guò)程，我們可以首先將制陶師傅的經(jīng)驗(yàn)和整個(gè)燒制過(guò)程進(jìn)行模糊化，將過(guò)程中的人腦的推理歸納成一組條件語(yǔ)句，制成模糊控制規(guī)則。 交通信號(hào) 的 模糊控制思想 交通系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此其數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，有時(shí)甚至無(wú)法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)方法加以描述。 檢測(cè)器對(duì)路口各個(gè)車道流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)而獲取車流量信息，為模糊控制提供必要的數(shù)據(jù)。通常車輛的長(zhǎng)度連同車輛間的間距平均約為 5 米，則在 100 米內(nèi)可能滯留的車輛最大數(shù)量約為 20 輛。 0 5 1 5t20 . 51短 適 中 長(zhǎng)很 短 很 長(zhǎng)2 0 2 51 0t2＇t2＂0 5 1 5 2 0 2 51 0 圖 36 綠燈時(shí)間延時(shí)的從屬函數(shù) 2． 模糊規(guī)則的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)采用矩陣方式，根據(jù)交警實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)知識(shí)來(lái)確定。由此而激活的多條模糊規(guī)則以取小的策 略求出各輸出于模糊集的從屬度 ： ? ? ? ? ? ?YμBXμAtμ 1121 ?? (33) ? ? ? ? ? ?YμBXμAtμ 2222 ?? (34) ?? 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 24 然后采用重心法 (加權(quán)平均法 )反 模糊 化 ，求出 t2 的精確值 ： ?????miimiii2μTμt11 (35) 式中 ： iμ 為確定的 X、 Y 輸入值所對(duì)應(yīng)的不同模糊子集的從屬度 ； Ti 為輸出各模糊子集所對(duì)應(yīng)的重心值。 這種新型的工業(yè)控制裝置 PLC 的基本設(shè)計(jì)思想是把計(jì)算機(jī)的功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的對(duì)象、將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶存 儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，以滿足不同的應(yīng)用對(duì)象。而且，同一臺(tái)PLC 還可用于不同的控制對(duì)象，通過(guò)改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同控制系統(tǒng)的控制要求。在維修方面， PLC 完善的診斷和顯示功能，可以通過(guò)模塊 上的顯示或編程器等很容易地找出故障模塊，由于是模塊化的設(shè)計(jì)，因此只需要對(duì)出錯(cuò)的模塊進(jìn)行更改即可。 (2) 東西主干道 東西主干道的交通燈也有 9 個(gè)，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、右轉(zhuǎn)紅燈、右轉(zhuǎn)綠燈、右轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、直行綠燈和直行黃燈。 線圈 采樣 10s 后 ， 根據(jù)前 一章節(jié) 的表 31 中的模糊控制規(guī)則，可以由 X Y1 判斷 出 南北左行綠燈的延長(zhǎng)時(shí)間， 由 X Y2 判斷 出 南北直行 和右轉(zhuǎn) 綠燈的延長(zhǎng)時(shí)間， 由 X Y3 判