畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC專家控制系統(tǒng)的十字路口紅綠燈控制設(shè)計(jì)

1、基于 plc 專家控制系統(tǒng)的十字路口紅綠燈控制設(shè)計(jì) 摘要 在當(dāng)今高速發(fā)展的社會(huì)里，交通問題成為大家關(guān)注的社會(huì)問題，而目前國(guó)內(nèi)十字 路口的交通燈控制一般是定時(shí)切換控制的，汽車數(shù)量的直線上升及現(xiàn)有的定時(shí)切換控 制方式的局限性都使得我們有必要尋求一種智能的交通控制系統(tǒng)?；诖吮菊撐闹饕?思路是：利用探測(cè)器（即電磁感應(yīng)線圈）探測(cè)出車輛的流量后，通過可編程控制器 plc 來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的時(shí)長(zhǎng)。 關(guān)鍵詞：plc 控制；交通燈；探測(cè)車流量；專家控制系統(tǒng) abstract in the high speed development of society，the traffic problem becom

2、es the social problem that everybody pays attention to，but at present our country traffic lights control generally is timing. and that the quantities of cars increase straightly and the timing control of the traffic lights have some bugs make us have necessity to look for a kind of intellective tran

3、sportation control system。according to that, the way of thinking of this thesis is that：the time of the traffic lights are automatically computed by plc after the locators(namely electromagnetic induction coil)have explored the discharge of the vehicle。 key words: the control of plc；traffic lights；n

4、umber cars；the expert control system 目 錄 中英文摘要.（i） 1 引言 .（1） 2 交通燈控制系統(tǒng)方案論證 .（1） 3 用 plc 實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng) .（3） 31 plc 的選型.（3） 32 系統(tǒng) i/o 分配和接線圖.（4） 321 i/o 分配表.（4） 322 i/o 接線圖.（5） 33 傳感器探測(cè)車輛.（5） 331 光電開關(guān)(光電傳感器).（5） 332 電感式傳感器.（6） 333 傳感器的鋪設(shè).（7） 34 用專家控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅綠燈的時(shí)長(zhǎng).（7） 341 專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).（7） 342 車流量的計(jì)算.（9） 343 用專家系統(tǒng)

5、實(shí)現(xiàn)綠燈時(shí)長(zhǎng)的智能控制.（9） 35 程序設(shè)計(jì)和編程.（11） 351 plc 程序設(shè)計(jì).（11） 352 plc 的編程語(yǔ)言.（15） 4 程序調(diào)試的基本要點(diǎn).（15） 5 結(jié)束語(yǔ) .（16） 致謝.（16） 參考文獻(xiàn).（16） 附錄：十字路口紅綠燈控制梯形圖.（17） 1 1 引言 目前，隨著我國(guó)城市道路和交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，交通管制顯得越來越重要。不 僅要依據(jù)實(shí)際車流量來設(shè)計(jì)路口的交通紅綠燈信號(hào)控制方案，而且還要根據(jù)當(dāng)前流量 統(tǒng)計(jì)，及時(shí)進(jìn)行方案的調(diào)整及優(yōu)化，保證道路暢通和單位時(shí)間流量最大化。計(jì)算機(jī)技 術(shù)的迅猛發(fā)展，使小型 plc 可編程控制器的指令功能日趨強(qiáng)大，而采用邏輯集成電路 組成的

6、信號(hào)燈控制器，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要，用 plc 控制城市交通信號(hào)燈，不僅可 以滿足現(xiàn)實(shí)需要，而且投資少，周期短，人機(jī)對(duì)話界面良好，控制方案更簡(jiǎn)單，適合 于各種情況1。傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈，通常是事先經(jīng)過對(duì)交通流量的調(diào)查，運(yùn)用 定時(shí)的方法將兩個(gè)方向紅綠燈的延時(shí)時(shí)間預(yù)先設(shè)置好2。這樣必然產(chǎn)生如下弊端：當(dāng)某 條路段的車流量很大時(shí)卻要長(zhǎng)時(shí)間等待紅燈，而此時(shí)另一條是空道或車流量相對(duì)少得 多的道卻長(zhǎng)時(shí)間亮的是綠燈，這種現(xiàn)象是未對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所造成的，這樣 的交通控制系統(tǒng)效率低，容易造成交通擁擠，而且對(duì)人力、物力資源的浪費(fèi)。因此， 我們有必要尋求一種能根據(jù)車流量變化的情況來智能控制綠燈時(shí)長(zhǎng)，減小

7、滯留量，提 高交通控制系統(tǒng)。 基于此，本論文應(yīng)用可編程序控制器(plc)對(duì)十字路口交通實(shí)現(xiàn)專家控制：在十字 路口各入路口附近的地下按要求埋設(shè)感應(yīng)線圈，當(dāng)汽車經(jīng)過時(shí)就會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，環(huán) 狀絕緣電線的電感開始減少，即可檢測(cè)汽車的通過，并將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信 號(hào)作為可編程控制器的控制輸入，并用 plc 計(jì)數(shù)，按一定控制規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈的 時(shí)長(zhǎng),可避免出現(xiàn)空道占時(shí)現(xiàn)象。 本論文主要解決的問題是：如何檢測(cè)車輛的存在與通過，探測(cè)車輛傳感器的布置， 如何應(yīng)用專家控制系統(tǒng)來控制紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，最后程序的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。 2 交通燈控制系統(tǒng)方案論證 (1) 采用繼電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，繼電器控制回路存在多種弊端，如

8、繼電器由于長(zhǎng)期 動(dòng)作容易造成咬死和損壞、繼電器回路接線復(fù)雜，而且維護(hù)困難、繼電器回路難以實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜邏輯的控制等。采用繼電器控制來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、維護(hù)難，很難達(dá) 到復(fù)雜的控制要求。 傳統(tǒng)十字路口紅綠燈控制就是采用此種方法來控制的。其系統(tǒng)工作過程：首先是 南北紅燈亮并維持 25s，在南北紅燈亮的同時(shí)，東西綠燈亮并維持 20s。20s 延時(shí)到， 東西綠燈閃亮 3s（閃亮的周期為 1s 即亮 0.5s，熄 0.5s)后熄滅，東西黃燈亮并維持 2s 后，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。東西紅燈亮并 維持 25s。南北綠燈亮并維持 20s,20s 延時(shí)到，南北綠燈閃亮 3s

9、 后熄滅，南北黃燈亮 并維持 2s。2s 延時(shí)到，南北黃燈熄滅，南北紅燈亮，同時(shí)東西紅燈熄滅，東西綠燈亮。 開始下一周期的動(dòng)作，以后周而復(fù)始地循環(huán)。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)斷開時(shí)，所有信號(hào)燈熄滅3。 急車強(qiáng)通信號(hào)受強(qiáng)通開關(guān)控制。無急車時(shí)，按正常循環(huán)時(shí)序控制,有急車來時(shí),將 該方向急車強(qiáng)通開關(guān)接通，不管原來信號(hào)狀態(tài)如何，一律強(qiáng)制讓急車方向的綠燈亮， 直到急車通過為止。急車一過，斷開急車強(qiáng)通開關(guān)，信號(hào)的狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為急車放行方 向的綠燈閃 3 次，隨后按正常時(shí)序控制。 這種定時(shí)控制方式雖然考慮了緊急車輛的通行，但是交通燈的正常時(shí)序是定時(shí)切 換紅綠燈，這樣必然會(huì)產(chǎn)生如下弊端：當(dāng)某條路段的車流量很大時(shí)卻要等待紅燈，而

10、 此時(shí)另一條是空道或者車流量相對(duì)少得多的路段卻長(zhǎng)時(shí)間亮的是綠燈，這種多等少的 尷尬現(xiàn)象是未對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所造成的。顯然，這樣的交通燈控制系統(tǒng)效率 較低，無法依據(jù)道路與季節(jié)變化情況改變控制方式，容易造成交通擁擠，也浪費(fèi)人力、 物力4。 (2) 采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如 dsp、專用集成電路以及單片機(jī)等。這類控制系統(tǒng) 雖有較好的性價(jià)比，但使用的是高級(jí)語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，其難度大、 糾正難、用戶不易掌握。 (3) 用可編程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由于其在自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅 猛發(fā)展，使 plc 的功能日益增多。它不僅能實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制，而且能實(shí)現(xiàn)多機(jī)群控制； 不僅能實(shí)現(xiàn)

11、邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理等。它具有功能強(qiáng)大、 使用可靠、維修簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，并且在很多地方已逐步取代了繼電 器電路的邏輯控制。 繼電器控制系統(tǒng)接線復(fù)雜、電器多、占地面積大，調(diào)整延時(shí)不方便，延時(shí)準(zhǔn)確度 差；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是按一定數(shù)學(xué)模型進(jìn)行跟蹤控制、效果好，但造價(jià)高，維護(hù)難度 大，只適用于極重要的交通路口；可編程控制系統(tǒng)(plc)有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低、 堅(jiān)固耐用、在惡劣環(huán)境下也能可靠地工作、延時(shí)準(zhǔn)確，用軟件來改變控制程序和時(shí)間， 極為靈活5。 專家控制系統(tǒng)需要按實(shí)際情況來改變參數(shù)，如使用繼電器控制，則很難 實(shí)現(xiàn)；如使用單片機(jī)控制，則需要引入大量的 i/o

12、接口電路、硬件設(shè)計(jì)，而且這兩種 控制方式的抗干擾能力都十分有限。采用可編程控制器（plc）對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行管 理，既能滿足控制要求，又具有高的抗干擾性和穩(wěn)定性。 基于此，本論文采用 plc 專家控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)十字路口紅綠燈控制，用傳感器探 測(cè)車輛的存在與通過，以得到車輛脈沖，然后把這一脈沖輸入到 plc，考慮到車輛脈 沖的頻率，用 plc 內(nèi)高速計(jì)數(shù)器對(duì)車輛脈沖的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，并按一定的智能控制 原則來自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，從而減小滯留量，提高交通控制系統(tǒng)效率。 3 用 plc 實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng) 31 plc 的選型 為了簡(jiǎn)單起見，本文只做一個(gè)十字路口的交通燈控制系統(tǒng)。一個(gè)十字路口的交通 控

13、制系統(tǒng)共有 11 個(gè)輸入信號(hào)，其中 4 個(gè) x0x3 用作高速計(jì)數(shù)器（c235c238）的輸 入端口，x4 是啟動(dòng)開關(guān)，x5 是定時(shí)控制或智能控制地選擇開關(guān)，x6 是高速計(jì)數(shù)器 c235c238 線圈的驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)，最后 4 個(gè) x10x13 用作內(nèi)部計(jì)數(shù)器（c10c13）的輸入 端口。輸出信號(hào)有東西方向、南北方向各兩組指示燈驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于每一個(gè)方向的兩 組指示燈中，同種顏色的指示燈是同時(shí)工作的。因此，可采用并聯(lián)方式輸出，從而減 少了 plc 輸出點(diǎn)的數(shù)目。即將東西方向的紅黃綠燈分別并聯(lián)，將南北方向的紅黃綠燈 分別并聯(lián)。所以，系統(tǒng)的輸出信號(hào)只有 6 個(gè)，為了遵循 plc 機(jī)型的選擇原則，本設(shè)計(jì) 選

14、用 fx2n-32mr（繼電器輸出）的 plc，最主要的是因?yàn)樵?fx 系列的眾多機(jī)型中， 要數(shù) fx2n 系列的功能最強(qiáng)、處理速度最快、容量最大，屬于高檔的超小型機(jī)。它有 16 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)，足足可以滿足系統(tǒng)輸入、輸出的要求，而且還有一定余量。 輸入繼電器的編號(hào)為 x0x7、x10x17，輸出繼電器的編號(hào)為 y0y7、y10y17。其輸入端接收來自各個(gè)路口車輛探測(cè)器測(cè)得的輸出標(biāo)準(zhǔn)電脈沖， 輸出端接十字路口的紅黃綠信號(hào)交通燈。信號(hào)燈的選擇：選用紅、黃、綠發(fā)光二極管 作為信號(hào)燈（綠燈是箭頭方向型） 。fx2n的性能指標(biāo)見表 1 表 1 fx的性能指標(biāo)6n2 項(xiàng) 目 fxn2 運(yùn)行控

15、制方式反復(fù)掃描程序 i/o 刷新方式批處理方式，當(dāng)有輸入輸出刷新指令 處理速度（基本指令）0.08 us/步 存儲(chǔ)器容量和類型內(nèi)附 8k 步 ram，最大可達(dá) 16k 步 程序語(yǔ)言梯形圖、指令表、sfc（狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖） 指令數(shù)基本指令 27 條，步進(jìn)指令 2 條，應(yīng)用指令 298 條 最大 i/o 點(diǎn)數(shù) 256 輸入繼電器最多 184 點(diǎn)，x0x267 輸出繼電器最多 184 點(diǎn)，y0y267 普通型500 點(diǎn)，m0m499 保持型2572 點(diǎn),m500m3071輔助繼電器 （m）256 點(diǎn),m8000m8255 狀態(tài)(s) 普通型500 點(diǎn) s0s499(其中 s0s9 用于初始化,s10s1

16、9 用于 返回原點(diǎn)) 保持型500 點(diǎn) s500s999(其中 s900s999 固定用于故障報(bào)警) 100 ms 200 點(diǎn),t0t199 10 ms 46 點(diǎn),t200t245 1 ms(積算型)4 點(diǎn),t246t249(電池后備)定時(shí)器(t) 100 ms(積算型)6 點(diǎn),t250t255(電池后備) 普通型100 點(diǎn)(16 位) c0c99加計(jì)數(shù)器 保持型100 點(diǎn)(16 位) c100c199 普通型20 點(diǎn)(32 位) c200c219加/減 計(jì)數(shù)器保持型15 點(diǎn)(32 位) c220c234 1 相 1 輸入11 點(diǎn) c235c245(32 位加/減計(jì)數(shù) 保持型) 1 相 2 輸

17、入5 點(diǎn) c246c250(32 位加/減計(jì)數(shù) 保持型) 計(jì) 數(shù) 器 高 速 計(jì) 數(shù) 器 2 相 2 輸入5 點(diǎn) c251c255(32 位加/減計(jì)數(shù) 保持型) 普通型200 點(diǎn)(16)位 d0d199 保持型7800 點(diǎn)(16)位 d200d7999 特殊型256 點(diǎn)(16)位 d8000d8255 數(shù) 據(jù) 寄存器 變址用16 點(diǎn)(16)位 v0v7,z0z7 32 系統(tǒng) i/o 分配和接線圖 321 i/o 分配表 本設(shè)計(jì)占用 plc 的 11 個(gè)輸入點(diǎn)，6 個(gè)輸出點(diǎn)，具體的 i/o 分配表見 2、3 表 2 輸入分配表 輸 入 信 號(hào)信 號(hào) 功 能輸 入 信 號(hào)信 號(hào) 功 能 x0 po

18、1東車道車輛進(jìn)入信號(hào)x10po5東車道車輛出去信號(hào) x1 po2北車道車輛進(jìn)入信號(hào) x11po6北車道車輛出去信號(hào) x2 po3西車道車輛進(jìn)入信號(hào) x12po7西車道車輛出去信號(hào) x3 po4南車道車輛進(jìn)入信號(hào) x13po8南車道車輛出去信號(hào) x4 ps1啟動(dòng)開關(guān) x5 ps2智能開關(guān) x6高速計(jì)數(shù)器 c235c238 線圈的驅(qū) 動(dòng)觸點(diǎn) 表 3 輸出分配表 輸 出 信 號(hào)信 號(hào) 功 能輸 出 信 號(hào)信 號(hào) 功 能 y1東西紅燈y11南北紅燈 y2東西黃燈y12南北黃燈 y3東西綠燈y13南北綠燈 322 i/o 接線圖 圖 1 i/o 接線圖 33 傳感器探測(cè)車輛 331 光電開關(guān)(光電傳感器

19、) 光電開關(guān)(也叫光電傳感器)是接近開關(guān)的一種,它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或 反射,由同步回路選通電路,從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線 均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接 受到的光線的強(qiáng)弱后有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見 光的紅外線光波型。它具有體積小，功能多，壽命長(zhǎng)，精度高，響應(yīng)速度快，檢測(cè)距 離遠(yuǎn)以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，光電開關(guān)已被用作物位檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、 速度檢測(cè)、信號(hào)延時(shí)、色標(biāo)檢出以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。光電開關(guān)按檢測(cè)方式可分 為漫反射式、鏡反射式、對(duì)射式等，它們各自的特點(diǎn)是： 漫反射式光

20、電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng) 過時(shí)，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn) 生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是 首選的檢測(cè)模式。 鏡反射式光電開關(guān)是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過 反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè) 開關(guān)信號(hào)。 對(duì)射式光電開關(guān)它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器， 發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光 線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明時(shí)，對(duì)射式

21、光電開關(guān)是最可 靠的檢測(cè)裝置。 332 電感式傳感器 電感式傳感器由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化 的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定 的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把 線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。 電感式傳感器的特點(diǎn)是：無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長(zhǎng)分辨率高靈敏度高 線性度高、重復(fù)性好測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）無輸入時(shí)有零位輸出 電壓，引起測(cè)量誤差對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高7。 電感式傳感器是埋設(shè)在公路下十幾厘米深處的環(huán)狀

22、絕緣電線，當(dāng)有高頻電流通過 電感時(shí)，公路面上就會(huì)形成高頻磁場(chǎng)。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。當(dāng)汽車正好在該感應(yīng)線圈的正上方時(shí)，該 感應(yīng)線圈的電感減到最小值，當(dāng)汽車離開這高頻磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，該感應(yīng)線圈的電感逐漸復(fù) 原到初始狀態(tài)。由于電感變化，該感應(yīng)線圈中流動(dòng)的高頻電流的振幅和相位發(fā)生變化， 因此，在環(huán)的始端連接上檢測(cè)相位或振幅變化的檢測(cè)器，就可得到汽車通過的電信號(hào)。 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8。 電感式傳感器的高頻電流頻率為 60khz，尺寸為 23m，電感約為 100uh，這種傳 感器可

23、檢測(cè)的電感變化率在 0.3 上。 當(dāng)今的工業(yè)自動(dòng)控制已不滿足于簡(jiǎn)單的開關(guān)量信號(hào)，這種情形不禁使我們想起以 前電子式非接觸電感式傳感器取代機(jī)械開關(guān)的時(shí)期。過去，唯一的解決辦法是使用一 個(gè)昂貴的測(cè)量系統(tǒng)，但其精度等級(jí)卻大大地超過了我們的應(yīng)用需要。 先進(jìn)的模擬量電感式傳感器恰好填補(bǔ)了這個(gè)空白。電感式傳感器能夠提供一個(gè)與 物體位移成比例的電流或電壓信號(hào)，由此來完成簡(jiǎn)單可靠的檢測(cè)和控制任務(wù)。近些年， 此類產(chǎn)品的技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。從技術(shù)方面講，這些裝置已經(jīng)趕上測(cè)量系統(tǒng)，但其 價(jià)格與開關(guān)量電感式傳感器接近，因而在許多應(yīng)用中成為理想的替代方案。 333 傳感器的鋪設(shè) 車輛計(jì)數(shù)是智能交通控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，為

24、防止車輛出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象，環(huán)狀絕 緣電線在地下的鋪設(shè)將采取在每個(gè)車行道上的出口處以及在離出口處一定距離的進(jìn)口 處各鋪設(shè)一個(gè)相同的傳感器。同一車道上的兩個(gè)傳感器之間的距離為該車道正常運(yùn)行 時(shí)所允許的最長(zhǎng)停車車龍為好8。 x12 c12 x10 c10 x3 c238 x0 c235 x2 c237 車輛探測(cè)器 1 車輛探測(cè)器 2 西西 x13 c13 x11 c11 x1 c236北北 東東 南南 (其他道同此其他道同此) 圖 2 十字路口傳感器的鋪設(shè) 34 用專家控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紅綠燈的時(shí)長(zhǎng)控制 341 專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì)和分析是建立在系統(tǒng)的精確模糊基礎(chǔ)上的，而實(shí)際系統(tǒng)由于 存在復(fù)

25、雜性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。采用 傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須提出并遵循一些苛刻的假設(shè)，而這些假設(shè)往往與 實(shí)際情況不符，使得所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能與實(shí)際情況相差很遠(yuǎn)。所以，本文由交通專家 根據(jù)某個(gè)十字路口的具體情況確定綠燈延時(shí)時(shí)間的參數(shù)。 專家控制是智能控制的一個(gè)重要分支，它是把專家系統(tǒng)的思想和方法引入控制系 統(tǒng)及其工程應(yīng)用。就其實(shí)質(zhì)而言，專家控制是基于控制對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)的 總和，而且要以智能的方式使用這些知識(shí)，求得受控系統(tǒng)更可能地優(yōu)化和實(shí)用化，它 反映出智能控制的許多重要特征和功能。作一個(gè)形象的比喻，專家控制是試圖在控制 閉環(huán)中加入一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程

26、師，系統(tǒng)能為他提供一個(gè)“控制工具箱” ，即可對(duì)控制、 辨識(shí)、測(cè)量、監(jiān)視等各種算法選擇自便，調(diào)節(jié)自如。因此，專家控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)一個(gè) “控制專家”的思路、經(jīng)驗(yàn)、策略的模擬、延伸、擴(kuò)展。 專家系統(tǒng)是一種能在某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來解決該領(lǐng)域中高度困 難任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的主體是一個(gè)基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有某個(gè) 領(lǐng)域中大量專家水平的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來解 決該領(lǐng)域的問題。專家系統(tǒng)所要解決的問題一般沒有算法解，并且往往要在不精確或 不確定或不完全的信息基礎(chǔ)上進(jìn)行推理，做出結(jié)論。專家系統(tǒng)應(yīng)用人工智能技術(shù)和計(jì) 算機(jī)技術(shù)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家解決

27、問題和進(jìn)行決策的過程，其獨(dú)到之處是 能求解那些需要人類專家才能求解的高難度復(fù)雜問題。 在實(shí)際應(yīng)用中，專家系統(tǒng)最有吸引力、也是難度頗大的領(lǐng)域之一是專家控制。專 家控制可以看成是對(duì)一個(gè)“控制專家”在解決控制問題或進(jìn)行控制操作時(shí)的思路、方 法、經(jīng)驗(yàn)、策略的模擬?？刂茖＜以谕瓿煽刂迫蝿?wù)時(shí)主要進(jìn)行三項(xiàng)工作：觀察、檢測(cè) 系統(tǒng)中的有關(guān)變量和狀態(tài)；綜合應(yīng)用自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)判斷當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)；分 析比較各種可以采用的控制策略并選擇其中最優(yōu)者予以執(zhí)行；并用計(jì)算機(jī)予以實(shí)現(xiàn) （模擬） 。這三個(gè)基本功能就構(gòu)成了最基本的專家控制系統(tǒng)9。 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。在實(shí)際使用的專家系統(tǒng)中，根據(jù)具體問題其內(nèi) 容可

28、能會(huì)進(jìn)行某些調(diào)整：或簡(jiǎn)化、或刪除、或細(xì)化、或增加某些部分。在基本結(jié)構(gòu)中， 專家系統(tǒng)主要包括：知識(shí)庫(kù)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)推理機(jī)解釋機(jī)構(gòu)知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)接 口。設(shè)計(jì)一個(gè)專家系統(tǒng)主要解決的問題是知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)。 人機(jī)接口 過程接口 推理機(jī)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù) 知識(shí)庫(kù)知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)解釋機(jī)構(gòu) 用戶 過程 專家 圖 3 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 342 車流量的計(jì)算 每條行車道的車流量通過 plc 來統(tǒng)計(jì),本文用高速計(jì)數(shù)器對(duì)進(jìn)入路口的車輛進(jìn)行計(jì) 數(shù),而不用內(nèi)部計(jì)數(shù)器,是因?yàn)檫@時(shí)的車速比較快；用內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)離開路口的車輛進(jìn) 行計(jì)數(shù),高速計(jì)數(shù)器與內(nèi)部計(jì)數(shù)器是同時(shí)工作的。車輛傳感器 1 用來檢測(cè)紅燈期間進(jìn)入 路口排隊(duì)等候的車輛數(shù)，每

29、經(jīng)過一輛車，plc 中的高速計(jì)數(shù)器就加 1；車輛傳感器 2 用 來檢測(cè)綠燈期間通過十字路口的車輛數(shù)，每經(jīng)過一輛車，內(nèi)部計(jì)數(shù)器就加 1。在一個(gè)紅 綠燈周期中，每當(dāng)綠燈亮之前，從高速計(jì)數(shù)器、內(nèi)部計(jì)數(shù)器中采集一次數(shù)據(jù)，即用高 速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減去內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，就可得到車輛滯留量，其它通道同理， 并將該滯留量存放于高速計(jì)數(shù)器中。數(shù)據(jù)采集完后，內(nèi)部計(jì)數(shù)器內(nèi)的數(shù)立即清零，高 速計(jì)數(shù)器則在原有的車輛滯留量的基礎(chǔ)上繼續(xù)計(jì)數(shù)，為下一個(gè)紅綠燈周期做好準(zhǔn)備。 343 用專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綠燈時(shí)長(zhǎng)的智能控制 專家參數(shù)的調(diào)用可以采用變址寄存器來實(shí)現(xiàn)，本文采取的智能控制綠燈時(shí)長(zhǎng)的方法 是:通過傳感器探測(cè)出各個(gè)車道上的車輛

30、數(shù),經(jīng)過比較得出東西、南北方向的最大車輛 數(shù)，在通過查表法得出綠燈延時(shí)時(shí)間t， （t 是由兩個(gè)函數(shù)t=maxte,tw和 tmaxts,tn組成的） ，將其與綠燈固定的最小時(shí)間 t0（10s）相加，這樣就可得到 綠燈亮的時(shí)間 t=固定的最小時(shí)間 t0+綠燈延時(shí)時(shí)間t（是專家參數(shù)） ，專家參數(shù)是非線 性的、不確定的，可以采用變址寄存器 v/z 來調(diào)用專家參數(shù)。其中最小固定時(shí)間是為 了避免紅綠燈切換過頻；最大綠燈亮的時(shí)間是為了保障公平性，不能讓其它路口的車 輛過分久等。 本文中同一車道上的兩個(gè)傳感器之間的距離設(shè)為 100 米，這樣就可以檢測(cè)出每個(gè) 車道上的車輛數(shù)，按平均每輛車的長(zhǎng)度與車間距之和為

31、5 米計(jì)算，100 米的車道上最多 停車 20 輛。當(dāng)東西（或南北）車道上的最大車輛數(shù)為 1 時(shí)，綠燈延時(shí)時(shí)間為 2s，此后， 每增加一輛，綠燈延時(shí)時(shí)間就增加 2s，由此類推，最長(zhǎng)的綠燈延時(shí)時(shí)間為 40s，最大 綠燈亮的時(shí)間為 50s。綠燈延時(shí)時(shí)間見表 4，這是為了設(shè)置方便而假設(shè)的參數(shù)。 表 4 綠燈延時(shí)時(shí)間表 最大車 輛數(shù) 12345678910 綠燈延 時(shí)時(shí)間 t(s) 2468101214161820 最大車 輛數(shù) 11121314151617181920 綠燈延 時(shí)時(shí)間 t(s) 22242628303234363840 綠燈延時(shí)時(shí)間是用變址寄存器 v/z 來改變的，變址寄存器 v/z

32、 實(shí)際上是一種特殊 用途的數(shù)據(jù)寄存器，其作用相當(dāng)于微機(jī)中的變址寄存器，用于改變?cè)木幪?hào)（變址） ， 例如 z=5，則執(zhí)行 d0z 時(shí)，被執(zhí)行的編號(hào)為 d5（d05） 。變址寄存器可以像其它數(shù) 據(jù)寄存器一樣進(jìn)行讀寫，當(dāng)要進(jìn)行 32 位數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，可將 v、z 串聯(lián)使用（z 為低位， v 為高位） ，這樣用變址寄存器就可以很容易的查找東西或南北方向的車輛數(shù)。 將綠燈查表中的綠燈延時(shí)時(shí)間t 分別存放在數(shù)據(jù)寄存器 d1d20 中，將東西（或 南北）車道上的最大車輛數(shù)存在變址寄存器 z0(或 z1)中，由最大車輛數(shù)通過查表可得 綠燈延時(shí)時(shí)間t（d0z0 或 d0z1）并將其存入數(shù)據(jù)寄存器 d22(或

33、d23)中，將固定的最 小綠燈時(shí)間 t0(10s)存在數(shù)據(jù)寄存器 d21 中，在與 d22(d23)中的數(shù)據(jù)相加并存于數(shù)據(jù) 寄存器 d40 中，即 d40 為綠燈亮的時(shí)間。當(dāng)綠燈熄滅時(shí)，計(jì)算出東西(或南北)車道上 的車流量，并將其存入高速計(jì)數(shù)器內(nèi)，同時(shí)，將內(nèi)部計(jì)數(shù)器及數(shù)據(jù)寄存器 d40 清零。 如以東西方向車輛為例，設(shè)東方向的車輛數(shù)為 5 輛，西方向的車輛數(shù)為 3 輛，經(jīng)比較， 取東方向的車輛數(shù)（5 輛）為東西方向的最大車輛數(shù)，將其存于變址寄存器 z0 中，再 將 d0z0（即 d5）中的數(shù)據(jù) 10 存于 d22 中，再加上最小固定時(shí)間 10s（即 20s）存入 d40 中，作為東西方向綠燈亮

34、的最長(zhǎng)時(shí)間。 35 程序設(shè)計(jì)和編程 351 plc 程序設(shè)計(jì) 三菱 fx2n 系列 plc 具有順序功能圖(狀態(tài)轉(zhuǎn)移 sfc 圖)的順序控制功能，利用這 種順序控制功能圖編制交通信號(hào)燈控制程序，條理清楚，方便簡(jiǎn)單，易于理解，三菱 plc 步進(jìn)指令表示的方法是，將控制的各個(gè)動(dòng)作或工序用狀態(tài)（s）表示，然后將輸入 條件與輸出按順序編程，fx2n 序列 plc 有狀態(tài)寄存器（s）1000 點(diǎn)（s0s999） ，其 中 s0s9 共 10 個(gè)為初始狀態(tài)，一般狀態(tài)從 s20 開始。初始狀態(tài)用雙線框表示，通常 用特殊輔助繼電器 m8002 的常開觸點(diǎn)提供初始信號(hào)，其作用是為啟動(dòng)做好準(zhǔn)備，防止 運(yùn)行中的誤操

35、作引起的再次啟動(dòng)。 由于本設(shè)計(jì)是多任務(wù)實(shí)時(shí)并行處理系統(tǒng)，車流量的計(jì)數(shù)是不間斷的，與紅綠燈控 制系統(tǒng)呈并行關(guān)系，簡(jiǎn)單的用狀態(tài)流程圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)較煩瑣。因此還可使用 plc 的 一些基本指令，將順序控制設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來。 plc 控制程序流程圖如下： n y n y n ny y 開 始 南北紅，東西綠 10s 南北紅，東西綠閃 2s 南北紅，東西黃 2s 東西紅，南北綠 10s 東西紅，南北綠閃 2s 東西紅，南北黃 2s 智能控制 東西空道 南北紅，東西綠燈時(shí)間 南北紅，東西綠閃 2s 南北紅，東西黃 2s 南北空道 東西紅，南北綠燈時(shí)間 東西紅，南北綠閃 2s 東西紅，南北黃 2s 智能控

36、制 東西紅，南北綠 南北紅，東西綠 ts 圖 4 程序流程圖 根據(jù)上面的流程圖設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下： 南北綠(y13),東西紅(y1) 南北黃(y12)，東西紅(y1) 亮 2s(t25) 南北綠閃(y13),東西紅(y1) 亮 2s(t24) 南北綠(y13)，東西紅 (y1) 亮 100s(t23) 東西黃(y2)，南北紅(y11) 亮 2s(t22) 東西綠閃(y3)，南北紅(y11) 亮 2s（t21） 東西綠(y3)，南北紅(y11) 亮 10s（t20） 啟動(dòng)開關(guān) t23 東西有車 y n t25 t24 t20 x4 m8002 s0 s20 t25 k20 t20 k100 s

37、21 t22 s22 s23 t21 y3 y11 t21 k20 t23 k100 y1 y13 t22 k20 y2 y11 y3 y11 y1 y12 t24 k20 y1 y13 y1 y13 s24 s25 s26判斷東西是否空道 s27 東西紅(y1),南北黃 (y12)2s(t36) 東西紅(y1),南北綠閃 (y13)2s(t35) 東西紅(y1) ,南北綠 (y13)的時(shí)間(t34) 南北紅(y11),東西黃(y2) 2s(t33) 南北紅(y11),東西綠閃 (y3)2s(t32) 南北紅(y11),東西綠(y3) 的時(shí)間(t31) /x5 南北車輛比較 t36非智能控制

38、轉(zhuǎn)至 s20 智能控制 轉(zhuǎn)至 s30 t35 t34 t32 t31 智能開關(guān)x5 轉(zhuǎn)至 s20/x5 南北有車 n y s28 s29 y3 y11 采集數(shù)據(jù) s32 s31 s30 t33 t32 k20 y3 y11 y3 y11 t31 ts s34 s33 s35 s36 y2 y11 t33 k20 t34 ts y13 y1 y13 y1 t35 k20 y12 y1 t36 k20 判斷南北是否空道 東西車輛比較 南北紅，東西綠 圖 5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 352 plc 的編程語(yǔ)言 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，使用梯形圖編程。梯形圖是使用得最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱為 plc 的第一編程語(yǔ)言。梯形

39、圖是一種圖形語(yǔ)言，它沿用繼電器的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián) 等圖形符號(hào)，同時(shí)增加繼電器系統(tǒng)沒有的符號(hào)。具有形象、直觀、易于接受的優(yōu)點(diǎn)。 梯形圖的編程規(guī)則如下： （1）梯形圖按自上而下，從左到右的順序排列。 各邏輯行中所有觸點(diǎn)應(yīng)畫在線圈左邊（左母線省略） 。 線圈不能與左母線直接相連。 （2）軟繼電器線圈不能串聯(lián)。 （3）觸點(diǎn)可無限次使用，但同一繼電器的線圈一般只允許出現(xiàn)一次。雙線圈輸出： 在同一程序中，同一繼電器的線圈使用了兩次或兩次以上。 注意：雙線圈輸出只有最后一次輸出有效，或者可能出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤。 （4）支路并聯(lián)時(shí)，應(yīng)把串聯(lián)觸點(diǎn)多的支路畫在上面。 （5）支路串聯(lián)時(shí)，應(yīng)把并聯(lián)觸點(diǎn)多的支路畫在左邊。 （6）梯形圖中不允許畫電流交叉的電路。 4 程序調(diào)試的基本要點(diǎn) （1）紅