畢業(yè)設計基于PLC的交通信號燈

1、中北大學2009屆畢業(yè)設計說明書1 引言 城市的快速發(fā)展，機動車擁有量的增長，給交通帶來了許多問題，如交通擁堵、交通事故頻發(fā)等。作為城市交通命脈的道路阻塞會使整個城市交通陷入癱瘓。完善路網(wǎng)來緩解交通擁擠不是短時間所能解決的，目前急需做的是進一步挖掘路網(wǎng)的潛力并改善交通現(xiàn)狀，特別是改善交通信號控制。可見，研制一種高效的智能交通控制系統(tǒng)是很有必要的，因此，城市交通的智能控制目前已成為國內外交通工程界研究的熱點領域之一，最大程度地提高十字路口的通行能力，為經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活提供一個安全、暢通、高效的交通環(huán)境已成為必然1。1.1 交通信號燈的產(chǎn)生自從有鐵路以來，就出現(xiàn)了為沿某段軌道行駛的列車顯示是否

2、安全的信號了。1868年，發(fā)明家j·p·奈特產(chǎn)生了將這些信號應用在道路的想法。他在倫敦的議會大樓外設置了第一個交通信號。它們像鐵路信號一樣有一個傾側臂，并且將紅色和綠色的煤氣燈組合起來供夜晚使用的。然而，當某個信號燈發(fā)生爆炸并炸死了一名警察后，這個計劃就告吹了。由于汽車的發(fā)明以及交通量的不斷增加，交通信號日益成為一種需要，特別是在美國。20世紀初，阿爾弗雷德·貝尼施開發(fā)出一種紅綠燈系統(tǒng)，并且在俄亥俄州的克利夫蘭進行了第一批安裝。4年后，在設置于紐約的交通燈上又增加了第3種顏色琥珀色。1925年，交通信號重新出現(xiàn)在英國。1926年英國人首次采用自動化的交通信號控制器

3、來控制交通信號燈。早期使用的交通信號燈對于安全疏導交叉口的車輛交通起到了良好的作用，但因為其固定的周期長和紅綠燈時間控制效果不佳，隨著城市交通的飛速發(fā)展，交叉口處的交通沖突也越來越復雜。早期使用的交通信號燈越來越難以勝任日趨復雜的交通控制任務了。同時，隨著人類科學技術水平的不斷提高，相應地產(chǎn)生了符合多種時間分離方法的多樣化的現(xiàn)代化交通信號燈，學者們也提出了一些信號控制方案，例如定時控制、感應控制等2。1930年，美國鹽湖市開始使用聯(lián)動式信號系統(tǒng)，該系統(tǒng)把相鄰的幾個交叉路口作為一個整體，以人工方式集中控制，這種控制系統(tǒng)也就是當今協(xié)調控制系統(tǒng)的雛形。隨著傳感器技術的發(fā)展，交通感應路口控制機開始在美

4、國使用，這種控制機當時只用在單個交叉路口，其最大優(yōu)點是能根據(jù)交通檢測器測量的交通數(shù)據(jù)來調整交通控制方案，隨著計算機的發(fā)展，1963年，加拿大多倫多市建立了一套由jbm650型計算機控制的交通信號系統(tǒng)是基于模糊邏輯的路口交通燈控制算法，這是道路交通控制技術發(fā)展的里程碑。該系統(tǒng)第一次把計算機技術用于交通控制，大大提高了控制系統(tǒng)的性能和水平。到80年代初，世界上己有大約250個的城市建立了區(qū)域交通控制系統(tǒng)，對城市交通進行整體集中控制。1969年英國學者設計的區(qū)域控制系統(tǒng)優(yōu)化程序transyt(traffic network study tools)被世界各國廣泛采用，對交通控制系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進作

5、用。1979年英國道路和運輸研究所研制成功了scoot系統(tǒng)，與此同時澳大利亞推出了scai系統(tǒng)。這些實時自適應控制系統(tǒng)的誕生在交通控制發(fā)展史上是一個偉大的創(chuàng)舉，他們可以根據(jù)檢測器測量的實時交通數(shù)據(jù)，聯(lián)機生成配時方案，同時不斷修正控制參數(shù)，以適應交通流的動態(tài)隨機變化，因此有較高的控制精度和較好的響應速度。這些系統(tǒng)己經(jīng)在發(fā)達國家的城市網(wǎng)絡交通控制中獲得了成功的應用。隨著智能控制技術的發(fā)展，學者們提出了一些智能控制的方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和遺傳算法等。這些技術的應用都不同程度的縮減了車輛延誤、提高了道路的通行能力、改善了交通環(huán)境3。 現(xiàn)代交通信號常常由電腦來控制。電腦與道路底下的交通檢測器相

6、連接，監(jiān)視交通流量并測算出改變燈光的最佳時間。1.2 國內外交通問題的現(xiàn)狀在國外，特別是西方國家，由于經(jīng)濟發(fā)展的較快，早在60年代，交通問題便日漸突出。據(jù)一項對美國主要城市交通狀況的調查結果，在1982年至2000年間，美國城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時間和汽油浪費而帶來的經(jīng)濟損失每年高達680億美元。一位在美國市區(qū)駕車上班者在2000年全年平均在路上遇到塞車的時間長達62小時。根據(jù)歐美的經(jīng)驗，交通擁擠造成負面影響中，交通事故、汽油過量和時間成本約各占三成4。我國，由于經(jīng)濟發(fā)展相對較晚，汽車擁有量相對較少，在改革開放前及初期，這一問題并不嚴重，但隨著我國經(jīng)濟的飛

7、速發(fā)展，機動車輛的增多，在80年代中期，特別是進入90年代以來，我國的交通狀況日漸惡化，交通擁擠日益嚴重，特別是一些大中城市，交通擁擠己成為制約城市經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。以北京市為例，交通問題己成為影響城市正常功能發(fā)揮和城市可持續(xù)發(fā)展的一個全局性問題。城區(qū)主要道路的平均負荷度高達95%以上。交通擁擠的加劇，不僅造成巨額的經(jīng)濟損失，發(fā)展嚴重甚至會導致城市功能的癱瘓。交通擁擠不僅使交通延誤增大，行車速度降低，帶來時間損失，而且低速行駛增加耗油量，導致燃料費用增加、能源的浪費；汽車尾氣排放增加而造成環(huán)境質量惡化，據(jù)科學家測定，大氣中所含一氧化碳的75%、碳氫化合物和氮氧化合物的50%來源于汽車的排放。據(jù)統(tǒng)

8、計北京市僅來自汽車排放的尾氣中的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物分別占北京大氣污染物的63%、73%和22%，是北京大氣中的主要污染源；因交通問題而引起的環(huán)境問題同樣己成為人類社會的公害之一。此外，交通擁擠使交通事故增多，而交通事故的發(fā)生又造成交通擁擠加劇，從而形成惡性循環(huán)。 幾十年來，盡管世界各國采取了各種各樣的對策，但城市交通問題一直沒有很好地解決，在長期的實踐中，人們逐漸認識到，僅僅依靠單純的修建道路，無法滿足日益增長的交通壓力，特別是在交通問題嚴重的市區(qū)，由于建筑格局己比較固定，進行大的道路建設往往是不可能的，在這種情況下，利用現(xiàn)代化的計算機、通信、控制等手段解決交通問題成為必然的選擇

9、5。1.3 解決城市交通的有效途徑發(fā)展智能化交通傳統(tǒng)交通信號控制策略存在的主要問題：目前的交通信號控制方法主要包括定時信號控制和感應式信號控制方法。其中，定時信號控制作為較為簡單的信號控制方法，同時控制效果也較差。對于感應式信號控制，特別是應用較為廣泛的區(qū)域感應式信號控制系統(tǒng)，如sco0t、scats等，比定時信號控制來說是交通信號控制上的一大進步，在很大程度上有效地減小了交通擁擠，大大提高了交通控制能力，為現(xiàn)代城市進行交通控制作出了重要貢獻。然而，這些系統(tǒng)本身所固有的缺陷，往往又很難真正滿足交通控制的需要，與理論上的控制效果相差較遠。從80年代以來，我國北京、上海、深圳、沈陽等城市先后從國外

10、分別引進了該類系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身所存在的上述問題，加之我國車流組成復雜，各種類型的車輛相互混雜，并且存在著自行車流與機動車相互干擾等的特殊情況，因此，控制效果更不理想。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，計算機技術、控制理論和控制方法的不斷發(fā)展，人們對交通控制技術提出了更高的要求。采用新的人工智能技術進行交通控制，己成為現(xiàn)代交通控制發(fā)展的必然的要求。城市交通矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，為了解決這個問題，專家提出了許多建議，如限制私人購車，增加道路寬度，建立交橋，發(fā)展城市軌道交通等等。這些措施和辦法雖然短期內也能緩解交通壓力，但從長遠來看，城市的空間畢竟是有限的，這些辦法除了需要大量的資金支持外，

11、還要付出慘重的代價。特別是像北京這樣的著名歷史文化古城，一味地擴展路面，不僅使古建筑和古跡遭到破壞，也破壞了城市獨有特征。那么解決城市擁堵的最科學又行之有效的途徑在哪里呢？最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通系統(tǒng)是將先進的信息技術、電子通訊技術、自動控制技術、計算機技術以及網(wǎng)絡技術等綜合運用于整個交通運輸，從而實現(xiàn)運輸方式和交通管理的現(xiàn)代化。智能化交通管理體系在國外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達國家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達的交通網(wǎng)絡基礎上，應用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對所轄區(qū)域的交通流量實施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能

12、。20世紀90年代中期后，歐、美發(fā)展智能化交通明顯加快。主張采用智能交通系統(tǒng)的人士說，這種技術將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時間；除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成的部分經(jīng)濟損失。此外，發(fā)展智能交通對交通安全、節(jié)省能源、城市環(huán)保等方面還有無窮妙用6。1.4 智能交通系統(tǒng)1.4.1 智能交通系統(tǒng)背景隨著城市交通的不斷發(fā)展和汽車化進程的加快，導致了交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化。當前，交通問題已成為世界范圍內制約城市發(fā)展的棘手問題，人們對交通需求的持續(xù)增長和交通設施供給之間的矛盾日益突出。解決這一矛盾，一方面措施是加大交通基礎設施建設，提高交通供給水平；另一個措

13、施是改善城市布局，實施有效的交通管理，抑制交通需求。無疑，緩解交通問題的最直接和最有效辦法是進行大量道路建設以滿足高速增長的交通需求。但從資金、土地和城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度來看，通過無限制修建道路來滿足交通需求并不可行。與此同時，通過限制車輛增加以達到削減交通需求的目的，也受到客觀因素的制約而無法取得滿意的效果。事實上，由于交通系統(tǒng)是一個相當復雜的大系統(tǒng)，無論單獨從車輛方面考慮還是從道路方面考慮，都很難從根本上解決問題。此外，交通對能源的消耗和對城市環(huán)境的污染問題日益為人們所關注，其嚴重性為人們所認識。在這種交通背景下，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，把車流輛和道路綜合起來考慮，運用各種高科技技術系統(tǒng)地解

14、決道路交通問題的思想就應運而生了，這就是智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是現(xiàn)代交通管理與控制中更先進和更高級的形式，代表了現(xiàn)代交通管理的更高水平。智能交通系統(tǒng)是一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的綜合交通管理系統(tǒng)，是檢測技術、計算機技術、通信技術和控制技術等信息技術在交通管理與控制中綜合應用的體現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)的主要目標可以概括為：保障交通安全、提高交通效率、改善城市環(huán)境、降低能源消耗。智能交通系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在智能化地收集交通信息及其他各類相關信息加以分析處理，并將注釋的信息反饋給系統(tǒng)的操作者或駕駛員。借助于這樣的交通信息，系統(tǒng)操作者和車輛駕駛員能迅速做出反應，采取適當?shù)男袆?，使交通?/p>

15、況得到改善5。1.4.2 現(xiàn)有智能交通控制的不足智能控制能夠適應交通系統(tǒng)復雜多變的局面，可獲得比傳統(tǒng)的定時控制、感應式控制方法更好的控制效果，必將成為未來交通控制的主要形式。但在控制策略的運用與理解上仍存在著許多不足之處。因此，如何在交通控制中更充分地發(fā)揮模糊控制的特點，還需要進一步深入地研究。 當前基于模糊控制的智能交通控制研究的主要不足之處表現(xiàn)在：（1）主要局限于簡單交叉口單向車流的研究。（2）大多僅考慮兩個方向的直行交通流，而忽略左轉車流的影響。（3）進行模糊控制時，模糊變量的選取比較簡單，不能綜合考慮各條車道、不同行駛方向交通流的差異變化。（4）決策過程也不能完全體現(xiàn)交警進行信號控制的

16、實際狀況。（5）信號相位的選擇單一、靈活性差，雖然有些系統(tǒng)也進行了多相位控制策略的研究，但卻不具備靈活的相位轉換能力7。1.4.3 智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 隨著城市交通的發(fā)展，交通量的增大，多相位路口的信號控制將逐漸成為主流，所以今后研究的重點將是多相位控制?？梢酝ㄟ^模擬有經(jīng)驗的交通警察指揮多相位交叉口的經(jīng)驗，得出多相位控制的基本原理：在某一相位放行的過程中除了盡快消除當前通行的車隊隊長外，還需要不斷觀察下一相位車道上的車隊長度，綜合考慮是否把通行權交給下一個相位。因此把隊長作為控制目標，綜合考慮各車道上的隊長，以此決定綠燈信號分配的方法更接近人的決策過程8。神經(jīng)網(wǎng)絡能夠通過學習給定的有經(jīng)驗的

17、訓練集生成映射規(guī)則，但在網(wǎng)絡中映射規(guī)則是不可見和難于理解的。而模糊理論沒有學習和適應能力，使用者難以確定和校正模糊規(guī)則。隨著交通控制技術智能化的不斷提高，神經(jīng)網(wǎng)絡控制與模糊控制的交叉綜合是90年代智能控制的研究熱點，利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能控制技術進行交叉口信號燈控制能取得比定時控制與感應控制更好的效果，將是今后單交叉口信號燈控制的主要研究方向。在交通控制中，配時方案的優(yōu)化是非常關鍵的一步。傳統(tǒng)的數(shù)學方法還無找到它的全局最優(yōu)解。遺傳算法是一種基于自然選擇和進化的搜索技術，因而在優(yōu)化領域有著廣泛的應用。當然，將模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等多種智能控制方法綜合集成，將是今后智能控制發(fā)展的一個

18、方向。深人開展這種多學科的交叉綜合研究，將有助于智能控制理論的發(fā)展，使智能控制的理論及應用研究更為深人，更有實際價值。 面向中國城市交通情況和功能需求，開發(fā)研究新一代的實時自適應控制與管理系統(tǒng)，成為中國城市交通控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。自適應控制系統(tǒng)被認為實用性最強、是發(fā)展先進的交通管理系統(tǒng)(atms)的最佳基礎。因此，自適應交通控制系統(tǒng)將是未來一個階段交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。對于單點控制，當交叉口處于過飽和或者近飽和狀況時，無論多么智能的控制系統(tǒng)也將無能為力，仍然需要交通警察的指揮來疏導交通。問題在于超長排隊會導致交叉口的癱瘓，僅靠單個路口來盡快消散排隊是不可能的。城市交通控制研究的新發(fā)展還體

19、現(xiàn)在城市交通網(wǎng)絡的各個方面：區(qū)域交通信號燈和城市高速公路匝道口的新的控制方法上；實現(xiàn)區(qū)域和高速公路的集成控制；采用動態(tài)路由導航與交通網(wǎng)絡控制結合；實現(xiàn)先進車輛控制系統(tǒng)avcs為主的智能運輸系統(tǒng) (its)；實現(xiàn)atms和atis為主的城市多智能體交通控制系統(tǒng)；以及一些輔助的交通策略如道路自動計費、公共交通優(yōu)先權等。從城市交通控制的發(fā)展歷史和未來社會對城市交通的要求來看，實現(xiàn)城市整體交通網(wǎng)絡智能化控制將是發(fā)展的必然。智能交通系統(tǒng)的未來研究方向應更重視人的能動性，提供各種各樣的信息，從不同的方案中選擇最符合實際情況的一種。因此，智能交通系統(tǒng)的最終目標是以信息技術為基礎的實時、準確、高效的綜合管理系

20、統(tǒng)，使人、車、路密切地配合，和諧的統(tǒng)一。1.5 本文的主要研究內容由于交通流量是時變的、非線性的，具有較大的隨機性，并且很難建立精確的數(shù)學模型，所以本文設計了一種根據(jù)前后車流量來決定信號燈配時的模糊控制系統(tǒng)，其主要內容如下:（1）對十字路口交通信號燈控制問題、智能控制系統(tǒng)組成等進行描述。（2）設計模糊控制系統(tǒng)。（3）學習三菱公司fx2n系列plc的原理以及程序設計。（4）在plc上編程實現(xiàn)此模糊控制系統(tǒng)。（5）完成硬件電路的焊接。2 模糊控制2.1 模糊控制理論概述2.1.1 模糊控制的背景有時，人們難以用精確的概念來描述事物，例如，可以按身高把人分為“高”與“不高”兩類，但是難以給出精確的度

21、量來區(qū)分“高”與“不高”。因此，一個事物只用真假兩個值來劃分并不能描述某些事物的狀態(tài)以及他們之間的關系。模糊邏輯就是在這種條件下形成和發(fā)展的。經(jīng)典邏輯對于自然界普遍存在的非真非假現(xiàn)象是無法進行處理的。因此，對于含有模糊概念的對象，只能用基于模糊集合的模糊邏輯系統(tǒng)來描述。模糊邏輯是研究含有模糊概念或帶有模糊性的陳述句的邏輯。而模糊系統(tǒng)是由那些模糊現(xiàn)象引起的不確定性系統(tǒng)。也就是說一個模糊系統(tǒng)，它的狀態(tài)或輸入、輸出具有模糊性9。自從加利福尼亞大學教授扎德 (l.a.zadeh)提出了模糊集合的概念之后，模糊理論得到了飛速的發(fā)展，并應用于各個學科，產(chǎn)生了模糊識別、模糊控制等一系列前沿學科。到1974年

22、momdoni成功地研制出第一臺模糊控制器，從此模糊理論從一種思維方式變成了控制理論中的一種具體應用。模糊控制理論的提出，是現(xiàn)代控制理論、人工智能領域的一個重要突破，它實際上是對人類長期以來對自然界中一些復雜的、不確定的、無法用現(xiàn)有數(shù)學工具進行描述的對象進行定量的模糊的描述和控制。模糊控制與傳統(tǒng)控制的根本不同在于模糊控制不需要對象的數(shù)學模型，因此，可以有效地克服對象數(shù)學模型建立上所遇到的非線性、時變性、滯后性等問題，先進的模糊控制器還具有參數(shù)優(yōu)化、模糊規(guī)則的自整定、自學習、自組織功能。所以模糊控制理論的發(fā)展是控制理論領域認識思維的改變，是模仿人腦中固有的“模糊”思維的結晶，是又一次飛躍。經(jīng)過人

23、們長期研究和實踐形成的經(jīng)典控制理論，對于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，但對于非線性時變系統(tǒng)卻難以奏效，隨著計算機尤其是微機的發(fā)展和應用，基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)代控制對于解決非線性、定長或時變的多輸入多系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應用。但是無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論在設計一個控制系統(tǒng)時，都需要事先知道被控對象(或生產(chǎn)過程)精確的數(shù)學模型。然后根據(jù)數(shù)學模型以及給定的性能指標選擇適當?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設計。然而，在許多情況下被控對象的精確數(shù)學模型很難建立。對于一些變量多，各種參數(shù)存在時變性，且具有非線性，強藕合等特點的系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學模型非常困難，難以進行自動控制系統(tǒng)設計。但有經(jīng)

24、驗的操作人員進行手動控制，卻能收到滿意的效果。通常將人的控制行為用語言加以描述，總結成一系列條件語句，即控制規(guī)則。在描述控制規(guī)則的條件語句中的一些詞，如“較大”、“稍小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合來描述這些模糊條件語句，即組成了所謂的模糊控制器。2.1.2 模糊控制的特點模糊控制的特點如下： (l) 模糊控制系統(tǒng)不依賴于精確的數(shù)學模型，特別適宜于很難獲得準確數(shù)學模型的復雜系統(tǒng)(或過程)與模糊對象。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論解決控制問題時首先要建立基于傳遞函數(shù)或者狀態(tài)方程的被控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。在很多控制問題中，這種數(shù)學模型可能不存在或不完整。其原因在于系統(tǒng)本身由于滯后、時變

25、、強非線性、多擾動等因素非常復雜，其控制過程還沒有被人類完全認識。即使是建立了數(shù)學模型，由于利用了參數(shù)線性化處理、高階系統(tǒng)的降階處理、大系統(tǒng)的分割處理、參數(shù)估計的誤差忽略處理等手段，所以模型難以表達系統(tǒng)特性，控制精度受到影響，一些自動控制系統(tǒng)甚至不如手動控制。而模糊控制不需要精確的數(shù)學模型，只是根據(jù)現(xiàn)場操作人員或專家的經(jīng)驗和知識，把人的控制規(guī)則模型化，模擬人的控制過程即可實現(xiàn)自動控制。 (2) 模糊控制中的知識表述、模糊規(guī)則和合成推理是基于專家知識或者熟練操作者的成熟經(jīng)驗，并通過學習可不斷更新，因此它具有智能性和自學習性。 (3) 模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以計算機(微機、

26、單片機等)為主體，因此它兼有計算機控制系統(tǒng)的特點，如具有數(shù)字控制的精確性與軟件編程的柔軟性等。 (4) 模糊控制系統(tǒng)具有極好的穩(wěn)定性和魯棒性。模糊控制由于對數(shù)據(jù)的描述上采用了隸屬函數(shù)的方法，在控制規(guī)則的生成上基于人工控制的經(jīng)驗，模擬了人腦的模糊判斷，故控制過程中幾個規(guī)則的失效對控制特性影響極小。由于模糊控制系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)變化的低敏感性，避免了常規(guī)控制系統(tǒng)中控制參數(shù)或系統(tǒng)參數(shù)變化引起整個系統(tǒng)失靈的問題。 (5) 模糊控制器設計簡單、調試方便。模糊控制由于是從控制過程的定性認識出發(fā)，建立基于人類語言信息的控制規(guī)則，所以使得控制機理和控制策略易于理解和接受、設計簡單。在改善系統(tǒng)性能時，模糊控制不像傳

27、統(tǒng)控制系統(tǒng)那樣只能調節(jié)個別參數(shù)，它可以通過改變控制規(guī)則、隸屬函數(shù)、推理方法、決策方法等多個途徑進行調試，增加了高度的靈活性。 (6) 對控制對象的干擾具有較強的抑制能力。 (7) 模糊控制系統(tǒng)的人機界面具有一定程度的友好性，它對于有一定操作經(jīng)驗但對控制理論不熟悉的工作人員來說，很容易掌握，并且易于使用“語言”進行人機對話，更好的為操作者提供控制信息10。 正是由于模糊控制的上述特點，使其在控制領域得到了廣泛的應用。2.1.3 模糊集合和隸屬函數(shù) 一般地，給定一個論域，把具有某種確定性質且彼此可以區(qū)別的對象組成的一個整體稱為集合。若用a代表論域x中的一個集合，x表示論域中一個元素，則把x屬于a記

28、為;否則x不屬于a，記為。即論域中的任一元素，要么屬于某個集合，要么不屬于該集合，決不會出現(xiàn)含混不清的情況。然而現(xiàn)實生活中時刻存在著模糊概念，如“運行狀況良好”、“水溫有點高”等，它們的邊界都是不明確的。模糊集合的概念和普通集合的概念主要區(qū)別是不能絕對的用屬于或不屬于來描述，也即論域上的元素符合概念的程度不是絕對的0或1，而是介于0和1之間的一個實數(shù)。模糊集合定義為：給定論域x中的一個模糊集合，是指對任意x，都為其指定一個數(shù)0，1與之對應，這個數(shù)稱為x的隸屬度。由模糊集合的定義可知，論域x上的模糊子集完全由隸屬函數(shù)來刻劃。它的取值范圍為閉區(qū)間0，1。x的值越接近l，表示x從屬于的程度很高；x的

29、值越接近0，則表示x從屬于的程度很低。當值域為0，1時，隸屬函數(shù)已蛻化成一個普通集合的特征函數(shù)，模糊集合也就蛻變成為一個普通集合。由此不難看出，普通集合是模糊集合的一種特殊形式，即模糊集合是普通集合概念上的推廣，隸屬函數(shù)則是特征函數(shù)的擴展，特征函數(shù)是隸屬函數(shù)的一個特例11。2.2 模糊控制與傳統(tǒng)控制的關系2.2.1 模糊控制理論模糊控制理論是建立在扎德的模糊集合和模糊推理的基礎上。扎德在1965年把普通集合中的絕對隸屬關系加以推廣，提出模糊集合的概念。絕對集合隸屬關系中隸屬度只能取“0”和“1”兩個值，即“是”和“非”。對于一個手畫的圓來說只是“是圓”或“不是圓”兩個選擇。而模糊集合隸屬函數(shù)可

30、以取0，1中的任何值，隸屬度越接近1，表示該點隸屬模糊集合的程度越高，否則越低。對于一個手畫的圓來說，隸屬度就表示該圓有幾分像圓。在模糊集合的基礎上扎德又推出模糊推理方法，這種推理方法是模擬人的日常推理的一種近似推理，它是以一個模糊推理規(guī)則出現(xiàn)，它是一組類似于“如果，則”的模糊推理語句。模糊控制理論是以扎德的模糊集合論為數(shù)學依據(jù)，它將模糊推理語句演變成模糊控制規(guī)則，用于運算和推理。如圖2.1為一個工業(yè)控制系統(tǒng)的方框圖。圖2.1 工業(yè)控制系統(tǒng)方框圖模糊控制器的作用與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中控制器的作用相同。一個模糊控制器通常有三部分組成；(一)模糊化：由于實際中輸入值通常是連續(xù)變化的，所以必須將輸入量變化

31、范圍由相關專家評定來分成有限個級別，以便使輸入量對應有限個模糊集。再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以求出輸入變量對各模糊集合的隸屬度，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量的值，完成了模糊化的工作。輸入變量的值在內部論域時是普通數(shù)值，經(jīng)過模糊化以后變?yōu)?，1區(qū)間內的隸屬度。定義模糊集隸屬函數(shù)通常采用三角形模糊數(shù)與梯形模糊數(shù)。(二)模糊算法：通常是模糊推理規(guī)則，它是由若干個語句組成的表，例如：若p則q，若p或q則s，若a則b，否則c等。每一條語句都對應不同實際情況的一個模糊關系，各模糊關系的并集即為總的模糊關系。(三)解模糊：根據(jù)給定的模糊算法，對輸入的模糊量進行運算，從而進行判定，即將模糊集合映射到普通集合

32、，從而可得到輸出的確定量。假如對燒制陶瓷的過程，我們可以首先將制陶師傅的經(jīng)驗和整個燒制過程進行模糊化，將過程中的人腦的推理歸納成一組條件語句，制成模糊控制規(guī)則。在實際過程中，模糊控制器根據(jù)輸入的模糊量，按照模糊控制規(guī)則進行運算、推理、判斷，最終給出控制量?？梢娔：刂破髂芨鶕?jù)人的經(jīng)驗，模仿人的策略、指令，實現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制。解模糊的過程是模糊化的反過程，它是在模糊推理結果的基礎上產(chǎn)生輸出控制量的數(shù)值。被控對象只能接受一個精確的控制量，因此必須從決策值模糊集中判決出一個確切的清晰量。解模糊的過程就是將模糊推理得到的模糊集合映像到輸出量的普通集合的過程，即是從一個模糊量變?yōu)榍逦康倪^程。解模糊的

33、方法有最大隸屬度法、取中位數(shù)法、加權平均法。（1）最大隸屬度法它是在輸出模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素為判決結果。這種方法的優(yōu)點是簡單易行，缺點是它概括的信息量教少，引起一定的不精確性。如果在多個論域元素上同時出現(xiàn)隸屬度最大值，不能唯一確定，這時就應用平均最大隸屬度法。（2）平均最大隸屬度法平均最大隸屬度法取所有達到控制作用隸屬函數(shù)最大值的點的平均值作為判決結果。（3）加權平均法 此法又稱重心法，就是取輸出模糊集合隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標軸圍成面積的重心相應的輸出當作精確值的輸出。有兩種形式：普通加權平均法和算術加權平均法。（4）取中位數(shù)法 取中位數(shù)法把控制作用模糊集的隸屬函數(shù)與橫坐標所圍成

34、的面積分為左右兩等份，取平分的點為判決結果。選擇反模糊算法，現(xiàn)在還沒有一個系統(tǒng)的規(guī)范方法或原則12。 在實際應用中，重心法采用較多，一些研究試驗結果顯示重心法能給出較好的結果，有較好的穩(wěn)定性，它的輸出是連續(xù)的而不是跳躍的。所以，本文的解模糊判決采用的是重心法。客觀事物的復雜性，特別在隨機干擾情況下，人們對控制經(jīng)驗和信息往往缺乏認識，因此很難得到比較完善的模糊控制規(guī)則。即使得到一些比較完善的規(guī)則，由于環(huán)境等多種因素的影響，致使原有的規(guī)則不能運用，這就迫使人們不得不去研究具有能夠在線自動修改、完善和調整的模糊控制器，以使控制系統(tǒng)的性能不斷完善。這種具有自組織功能的模糊控制器稱為自組織模糊控制器，它

35、是目前糊控制器研究的一個新領域。2.2.2 模糊控制與傳統(tǒng)控制的關系模糊控制與傳統(tǒng)控制的關系也是辯證的關系。首先模糊控制是在傳統(tǒng)控制在一定的應用領域束手無策時另辟蹊徑產(chǎn)生的，但這并不能認為模糊控制就可以取代以往的傳統(tǒng)控制，它們之間是相互滲透，相互彌補，協(xié)同發(fā)展的。在模糊控制理論從簡單模糊控制到復雜模糊控制的發(fā)展過程中，吸收了傳統(tǒng)控制中許多方法，如pid控制、自學習、自適應控制方法等，從而形成了自身的一套體系。而在傳統(tǒng)控制中也引入了許多模糊控制的思想，這兩種思維方式的相互融和，標志著控制論的成熟性更強、適應性更廣，也標志著控制論中思維方式的先進性和成熟性進入了更高的階段。在傳統(tǒng)控制理論產(chǎn)生之前，

36、人們對控制的認識是不清楚的，含糊的，為了達到生產(chǎn)的自動化，人們的認識產(chǎn)生了一個飛躍，即對控制過程尋求一個精確的、定量的運算和控制，古典控制理論的誕生可以說是人類開啟知識寶庫的一把金鑰匙。隨著航天技術、大信息系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的復雜的不確定性將傳統(tǒng)的控制方法逼進了死胡同，模糊控制系統(tǒng)重新發(fā)掘和發(fā)展是人們認識上的又一次轉變。人們的認識經(jīng)歷了一個模糊精確模糊的過程?？傊：刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展，不是用模糊性完全取代精確性，而是承認精確性向模糊性的逼近，是模糊思維在控制理論領域的重現(xiàn)。它是溝通人類模糊化自然思維和機械的精確思維之間的科學橋梁，它為我們解決巨大系統(tǒng)、人機系統(tǒng)和人工智能等問

37、題提供了有效的工具和手段13。2.3 交通燈系統(tǒng)運用模糊控制的原因交通系統(tǒng)是一個具有隨機性、模糊性和不確定性的復雜系統(tǒng)，因此其數(shù)學模型的建立非常困難，有的甚至無法用現(xiàn)有的數(shù)學方法加以描述。即使經(jīng)過多次簡化己建立的數(shù)學模型，它的求解還須簡化計算才能完成。所以經(jīng)典控制法很難取得滿意的效果。模糊控制主要模擬人的思維，推理，判斷的一種方法，它將人的經(jīng)驗常識等用自然語言表示出來，建立一種適合于計算機處理的輸入輸出過程模型，它是智能控制的一個重要研究領域。在交通控制領域，它能模仿有經(jīng)驗的交警指揮交通時的思路，取得很好的控制效果。近年來我國的許多學者也都以不同的思路對單個十字路口，交通干線的模糊控制進行了研

38、究4。3 智能交通燈的硬件設計 3.1 硬件器件的簡介3.1.1 三菱fx2n-32mt型plc可編程控制器又稱為可編程邏輯控制器(prgrammable logic controller)。根據(jù)國際電工委員會(iec)在1987年的可編程控制器國際標準第三稿中，對其定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外部設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則

39、設計14。1969年，美國數(shù)字設備公司(dec)研制出第一臺plc，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優(yōu)點，很快地在美國其他工業(yè)領域推廣應用。到1971年，己經(jīng)成功地應用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。雖然plc問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術的不斷進步，plc也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分四代：第一代在1969-1972年。這個時期的產(chǎn)品，cpu由中小規(guī)模集成電路組成，存儲器為磁芯存儲器。第二代在1973-1975年。這個時期的產(chǎn)品已

40、開始使用微處理器作為cpu，plc(可編程邏輯控制器)成為真正意義上的pc(可編程控制器)(尚未正式命名)，而存儲器采用半導體存儲器。其功能上有所增加，能夠實現(xiàn)數(shù)字運算、傳送、比較等功能，并初步具備自診斷功能，可靠性有了一定提高。第三代在1976-1983年。這個時期，plc進入了大發(fā)展階段，美國、日本、原西德各有幾十個廠家生產(chǎn)plc。這個時期的產(chǎn)品己采用8位和16位微處理器作為cpu，部分產(chǎn)品還采用了多微處理器結構。其功能顯著增強，速度大大提高，并能進行多種復雜的數(shù)學運算，具備完善的通訊功能和較強的遠程控制能力，具有較強的自診斷功能并采用了容錯技術。第四代為1983年到現(xiàn)在。這個時期的產(chǎn)品除

41、采用16位以上的微處理器作為cpu外，內存容量更大，有的已達數(shù)兆字節(jié)；可以將多臺plc鏈接起來，實現(xiàn)資源共享；可以直接用于一些規(guī)模較大的復雜控制系統(tǒng)；編程語言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等，還可使用高級語言；外設多樣化，可以配置打印機等 15。第一代plc功能太弱，已基本淘汰；第四代plc面向復雜大型系統(tǒng)，應用還不廣泛。目前，在各行業(yè)應用最多的是第二、三代產(chǎn)品。另外，在plc的發(fā)展過程中，產(chǎn)生了三類按1/0點分類的plc：小型、中型、大型。一般小于256點為小型(小于64為超小型或微型plc)?？刂泣c不大于2048點為中型plc。2048點以上為大型plc(超過8192點為超大型plc)16

42、。 plc的編程的基本原則：(1) 輸入/輸出繼電器、內部輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等器件的觸點可以重復使用，無需復雜的程序結構來減少觸點的使用次數(shù)。(2) 梯形圖每一行都是從左母線開始的，線圈終止于右母線。觸點不能放在線圈的右邊。(3) 除步進程序外，任何線圈、定時器、計數(shù)器、高級指令等不能直接與左母線相連。如果需要任何時候都要被執(zhí)行的程序段，可以通過特殊的內部常閉繼電器或一個沒有使用的內部繼電器的常閉觸點來連接。(4) 在程序中，不允許編號相同的線圈兩次出現(xiàn)。(5) 不允許出現(xiàn)橋式電路。(6) 程序的編寫順序應按自上而下、從左至右的方式編寫，為了減少程序的步數(shù)，程序應為“左大右小，上大下小

43、”17。plc的主要特點：(1) 可靠性高，抗干擾能力強。plc是專為工業(yè)控制而設計，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，并對元件進行了嚴格的篩選，在軟件方面采用了警戒時鐘、故障診斷、自動恢復等措施，利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進行保護，因此，plc具有其他工業(yè)控制設備更高的可靠性。(2) 編程簡單，使用方便。plc采用面向過程，面向問題的“自然語言”編程，比如梯形圖語言編程方式，非常直觀，易懂易編，容易推廣使用，現(xiàn)代的 plc已經(jīng)使用 iec1131-3作為編程語言標準，具有功能清晰、易于理解的特點正在被技術人員所接納和采用。(3) 功能強大，應用靈活。plc

44、的基本功能包括數(shù)字和模擬量輸入/輸出、算術和邏輯運算、定時、計數(shù)、步進、移位、比較、代碼轉換等，還能完成a/d、d/a轉換、以及通訊網(wǎng)絡、生產(chǎn)過程監(jiān)控等功能。plc的配置、安裝、使用和維護都很簡單，方便，plc標準的積木式結構與模塊化的程序設計可以適應大小不同、功能復雜的控制要求，并能適應產(chǎn)品規(guī)格或者工藝要求的變化，從而可以節(jié)省大量的人力和物力。(4) 維護操作方便，擴展容易plc的輸入/輸出能夠直觀地反映現(xiàn)場信號的變化狀態(tài)，plc不能通過各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如內部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、i/o點狀態(tài)、異常狀態(tài)、電源狀態(tài)等，均有醒目的指示，非常有利于運行和維護人員監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀

45、態(tài)。plc采用梯形圖邏輯編程，有利于電氣操作人員對plc的編程，可以方便地調整系統(tǒng)的程序和組態(tài)。plc的模塊化結構，可以允許維護人員方便地更換故障模塊或在生產(chǎn)工藝流程改變時更改系統(tǒng)的結構和配置18。fx2n系列plc是日本三菱公司繼f1，f2系列plc之后新推出的小型機。它同時具有單元式plc的簡單易用和模塊式plc的功能強大，配置靈活，性能高，具有在線和離線編程功能，處理速度快的優(yōu)點。本次設計使用fx2n系列中的fx2n-32mt產(chǎn)品。fx2n-32mt表示該plc的型號為fx2n，i/o總點數(shù)為32，基本單元，晶體管輸出方式，交流電源，直流24v輸入，橫式端子排。處理速度為0.08us/步

46、。內附8k步ram（可裝ram，eep-rom，eprom存儲卡盒）。基本指令27條，步進指令2條，應用指令298條。100ms定時器200點，t0t199；10ms定時器46點，t200t245。高速計數(shù)器1相1輸入11點，c235c245，1相2輸入5點，c246c250。普通型數(shù)據(jù)寄存器200點，d0d199；特殊用數(shù)據(jù)寄存器256點，d8000d8225。3.1.2 hef4511bp芯片和七段數(shù)碼管一hef4511bp功能介紹hef4511bp是一個用于驅動共陰極led（數(shù)碼管）顯示器的bcd碼七段碼譯碼器。特點：具有bcd轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的cmos電路能提供

47、較大的拉電流?？芍苯域寗觢ed顯示器。hef4511bp是一片cmos bcd鎖存7段譯碼驅動器，引腳排列如圖3.1所示。其中a，b，c，d為bcd碼輸入，a為最低位。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。lt為燈測試端，加低電平時，顯示器正常顯示，加高電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。bi為消隱功能端，高電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時，b1端應加低電平。另外，hef4511bp有拒絕偽碼的特點，當輸入數(shù)據(jù)越過十進制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱。le是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。vdd接高電平，vss

48、接低電平。二七段數(shù)碼管簡介七段數(shù)碼管見圖3.2所示，它的主要特點有：（1）發(fā)光響應時間極短(<01µs)，高頻特性好，單色性好，亮度高。（2）壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。（3）能在低電壓、小電流條件下驅動發(fā)光，能與cmos、itl電路兼容。（4）體積小，重量輕，價格低。因此它被廣泛用作電子，電氣儀表，數(shù)控裝置及計算機的數(shù)顯器件。七段數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種結構。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極接到+5v。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極

49、管的陰極接到一起形成公共陰極的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極接地。本次設計選用共陰極結構，與芯片hef4511bp相連。圖3.1 hef4511bp引腳圖 圖3.2 七段數(shù)碼管圖 3.2 硬件的設計3.2.1 確定i/o點數(shù)及plc的選擇控制器功能要求：東、西、南、北方向各有紅、黃、綠信號燈一盞，共12盞信號燈；有2個hef4511bp（為4位bcd碼輸入，輸出驅動七段數(shù)碼顯示管)；則共有14個輸出點。該控制器設一個啟動按鈕；一個停止按鈕；8個按鍵（模擬傳感器式檢測器）；共有10個輸入點。因此，可選用日本三菱fx2n-32mt的plc作為控制器核心，它有16個輸入點，16個輸出點，繼電器

50、輸出。3.2.2 plc的1/0點地址分配系統(tǒng)i/o地址定義如表3.1所示表3.1 交通燈控制系統(tǒng)i/0地址定義表信號名稱信號地址說明開啟按鈕x000開啟按鈕動作檢測信號，高電平有效停止按鈕x001停止按鈕動作檢測信號，低電平有效東路近端傳感器e1x002傳感器計數(shù)，上升沿動作東路遠端傳感器e2x003傳感器計數(shù)，上升沿動作西路近端傳感器w1x004傳感器計數(shù)，上升沿動作西路遠端傳感器w2x005傳感器計數(shù)，上升沿動作南路近端傳感器s1x006傳感器計數(shù)，上升沿動作南路遠端傳感器s2x007傳感器計數(shù)，上升沿動作北路近端傳感器n1x010傳感器計數(shù)，上升沿動作北路遠端傳感器n2x011傳感器計

51、數(shù)，上升沿動作兩個七段數(shù)碼管y000y007顯示十字路口交通燈倒計時東西綠燈y010東西綠燈控制信號，高電平接通東西黃燈y011東西黃燈控制信號，高電平接通東西紅燈y012東西紅燈控制信號，高電平接通南北綠燈y013南北綠燈控制信號，高電平接通南北黃燈y014南北黃燈控制信號，高電平接通南北紅燈y015南北紅燈控制信號，高電平接通其中x為輸入繼電器，y為輸出繼電器，電源的連接對照plc的使用手冊19。plc的i/o具體接線原理圖見附錄a：硬件接線原理圖（用protel99se軟件繪制）。3.3 硬件電路的連接對照附錄a：硬件接線原理圖連接電路板。步驟如下：（1）將hef4511bp，七段數(shù)碼管

52、，按鍵，發(fā)光二極管，usb接口，電阻引腳放入電路板上。擺放要求美觀，對稱，合理布局。（2）按照圖3.1，3.2將hef4511bp和七段數(shù)碼管相對應的引腳用導線焊接。（3）將hef4511bp輸入引腳a，b，c，d接到相應的電阻上再接到plc上。（4）將hef4511bp上剩下的控制和電源引腳接到對應的電源正負極上。（5）將對稱的同一顏色的發(fā)光二極管相并聯(lián)，然后與對應的電阻相串聯(lián)，最后接到plc上。（6）將8個按鍵一端接到plc的輸入端。（7）將usb端口焊在電路板上。將相關涉及到電源和接地的部件與usb正負極相連。最后，硬件擺放如圖3.3電路板布局圖。圖3.3 電路板布局圖4.智能交通燈的軟

53、件設計4.1 交通信號模糊控制算法的設計思想 在十字路口的車道上，分別設置2個環(huán)型傳感器式檢測器，一個設在十字路口處，用于檢測離開的車輛數(shù)；另一個設在距第一個環(huán)型檢測器約100m處，用于檢測到達的車輛數(shù)。這樣可檢測出每個車道上的車輛數(shù)，再經(jīng)過比較可得出當前綠燈方向和當前紅燈方向處于檢測區(qū)的最大車輛數(shù)即隊長(按平均5m一輛車計算，100m車道上最多約20輛)，如圖4.1所示： 圖4.1 傳感器設置圖為了實現(xiàn)交通燈的模糊控制，將綠燈時間分為兩部分。其一是固定的最小時間t1為12s，其二是根據(jù)車輛流量變化進行模糊決策的綠延時t2。本系統(tǒng)的輸出是東西和南北兩個方向的紅、黃、綠燈，由于兩個方向的輸出關系是固定的，最終都可歸結到對當前綠燈的延時上20。將測得的隊長可看作模糊變量l，其論域為：l=1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，取7個語言值：l1(很長)，l2(長)，l3(較長)，l4(中等)，l5(較短)，l6(短)，l7(很短)，賦值表如表4.1所示：表4.1 語言變量l賦值表語言值li隊長13579111315171921l10.20.60.91.0l20.20.71.00.70.2l3