plc与模糊控制在数字显示交通灯中的应用毕业设计（论文)word格式

摘要I摘要目前国内十字路口的交通灯控制一般是定时切换控制的。在当今高速发展的社会里，交通问题成为大家关注的社会问题，汽车数量的直线上升及现有的定时切换控制交通方式的局限性都使得我们有必要寻求一种智能的交通控制系统，基于此本论文的思路是通过探测器即电磁感应线圈探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长。车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器PLC来实现。本毕业论文分为以下几部分组成PLC基础知识简介，题目分析编程方案，智能交通系统PLC编程，程序编程和调试。关键词智能交通可编程控制器模糊控制目录目录摘要I目录II第一章绪论111引言112课题的研究背景与意义113课题的主要研究内容1第二章交通控制系统概述321交通控制系统概述322交通信号控制类型423交通信号控制的基本参数524交通信号控制的评价指标625城市平面道路交叉口的类型6第三章交通信号控制系统设计831控制系统的总体方案8311控制对象8312控制原理和控制步骤8313控制特点932交通信号模糊控制的理论基础10321模糊和模糊控制的概念10322模糊集合和隶属函数10323模糊关系1133交通信号模糊控制器的设计12331模糊控制器的基本原理12332模糊控制器的实现方法13333模糊控制器输入输出量的设定14第四章交通信号控制系统在PLC中的实现1741PLC简介1742基于PLC的交通信号控制系统18421控制系统简介18422交通信号相位转换1943PLC控制交通信号的几种设计方法22431模糊控制算法在PLC中的实现22432“起保停”技术在PLC中的实现25433步进顺控技术在PLC中的实现2644关于几种控制方法的总结27第五章总结与展望29致谢30参考文献31目录III附录A32绪论1第一章绪论11引言交通问题是影响我国社会经济发展的一个大问题，随着我国城市现代化进程的不断推进，这个问题显得日益突出。交通是否便捷是衡量一个城市生活水平与投资环境的重要指标。近年来，随着汽车数量的猛增，我国大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。所以，改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号的控制。近几年，国外一些发达国家把城市交通信号控制研究的重点放在城市交通干线和区域的控制上，可是控制效果并不明显。人们对十字路口交通信号的控制方法大致有如下两种因此，本文提出城市交通路口多相位自寻优方法，采用模糊控制技术对交通信号灯进行控制，使主相位和辅相位自转换，并用抗干扰性和稳定性都很高的PLC进行实现，最大限度地减少了十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，从而达到缓解交通拥挤的目的。12课题的研究背景与意义随着我国社会、经济的高速发展和城市化、自动化进程的加快，我国机动车辆拥有量及道路交通量急剧增加。交通拥挤的加剧不仅造成巨额的经济损失，而且将会导致交通事故的增加和环境污染的加剧。交通问题是目前世界各国城市发展共同面临的主要“城市病”之一，无论是发达国家还是发展中国家，都毫无例外地承受着不断恶化的交通的困扰，交通问题己经成为影响世界经济发展的主要因素。提高交叉口的通行能力，不但能提高车辆通过交叉口的速度，减少延误并节约人们的出行时间，同时能避免该交叉口发生堵塞而影响交叉口临近路段及更远路段的顺利通行，减轻汽车尾气污染。城市交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，对到达交叉口的交通流实施控制。由于到达交叉路口的交通流受到许多因素的影响，而且随机性大，因而，通过建立精确的数学模型或预先人为的设定多套方案，控制效果都难以尽如人意。为了更好的提高平面交叉口的通行能力，解决交通拥挤和交通延误问题，近年来，国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法，模糊控制是较新的研究方向之一。因此，应尽量加快智能交通信号灯控制系统的开发和普及应用。13课题的主要研究内容本文主要是研究一种新的交通信号控制系统，并把智能控制引入交通控制中，本系统不需要建立精确的数学模型，具有良好的实时性和稳定性，是一种很有前途的控制方法。从理论意义上来说，当前智能控制已成为交通信号控制淮安信息职业技术学院毕业设计论文发展的一个必然方向。从实际意义上来说，交叉路口的智能控制不仅可以提高交叉路口的道路通行能力，而且可以解决交通延误和交通拥挤等问题。第2章主要详细介绍了目前世界范围内信号交叉路口交通控制研究的几个经典系统TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES，详细分析了这几个经典系统的特点，阐明了这四种系统在交通信号控制应用中的优势和存在的不足，并提出了一种新的控制方法，另外详细介绍和分析了城市交通信号系统的一些基本概念、控制方式、控制的基本结构、信号控制的一些参数。第3章首先进行了整体方案设计，接着介绍了模糊控制理论的一些基本概念，最后进行具体的各部分的设计。第4章主要是完成本方案各个部分在PLC中的实现。交通控制系统概述3第二章交通控制系统概述21交通控制系统概述世界上最早的信号灯出现在1868年英国伦敦WESTMINSTER街口，它具有红绿两种颜色。1918年，在纽约街头出现了手动操作的三色信号灯。1926年在英国又出现了第一座自动交通信号机。从上世纪60年代开始，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，以解决信号配时的优化问题。在众多的交通信号控制系统中，比较成功的有TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES等。TRANSYT系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。最初版本是由英国道路运输研究所（TRRL）于1968年研究成功。TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，主要由仿真模型和优化模型两部分组成。建立交通仿真模型的目的是用数学方法模拟车流在交通网络上的运行状况，研究配时参数的改变对交通流的影响，以便客观的评价任意一组配时方案的优劣。将交通流信息和初始配时参数作为原始数据，通过仿真得到系统的性能指标作为配时的优化目标函数，用“爬上法”进行优化，产生比初始配时更优越的新配时方案，再把新的信号配时输入到仿真部分，反复迭代，最后得到性能指标值达到最小的信号配时方案。经过30多年的不断发展，已成为区域交通控制方案优化设计的强有力工具，因而被世界许多城市使用。实践证明，使用该系统带来的社会经济效益是很显著的。TRANSYT也存在不足之处一是TRANSYT的计算量太大，当网络较大时，这一问题更加突出；二是TRANSYT的优化问题本质上是一个数学规划问题，如何找出全局最优解理论上还没有彻底解决，仍需不断探索；三是作为一种离线优化方法，TRANSYT需要大量的网络几何尺寸和交通流信息，需要大量的人力和时间来采集数据。SCATS（SYDNEYCOORDINATEDADAPTIVETRAFFICSYSTEM）系统是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局于20世纪70年代末研究成功的，它属于响应式联机操作系统，从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。它把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行优选，优选算法以饱和度和综合流量为主要依据。优化过程没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选，方法简单，但配时方案的数量有限。SCOOT系统是20世纪70年代初英国运输和道路研究所与3家公司联合在TRANSYT基础上研究出的一种自适应控制系统。该系统于1975年在英国哥拉斯哥进行现场试验，取得了较好的效果，与TRANSYT相比，可减少12的平均车辆延误时间。SCOOT是一种对交通信号网络实行实时协调控制的自适应控制系统，采用小步长渐进寻优方法，无需过大的计算量。在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变而作频繁的适量调整，通过频繁调整的连续累计来适淮安信息职业技术学院毕业设计论文应一段时间内交通的变化趋势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实现实时运算的自适应控制。RHODES系统是由美国亚利桑那州立大学近年来开发成功的，它充分利用通信、控制、系统工程、运筹学和数值计算等方面的最新技术，通过预测模型预先获得交通流的必要信息，并对其提前做出有效的响应，经过现场测试证明该系统对半拥挤的交通网络比较有效。交通系统是一个大的延迟系统，要实时响应交通流的随机变化，必须提前知道其变化并及时做出响应。智能交通系统（ITS）是为了改善交通系统的运行情况，提高交通效率及安全性，减少交通事故，降低环境污染，综合运用先进的信息通信、网络、自动控制、交通工程等技术，建立起来的一个智能、安全、便捷、高效、环保的综合交通体系。智能交通有许多分支，如交通信息服务系统、城市公共交通系统、自动车辆驾驶系统、自动收费系统、物流系统等。智能信号灯控制是其中的一个重要分支，是城市交通控制和疏导的主要手段。平面交叉路口是道路的基本组成部分，是最容易发生交通堵塞的区域，因此交叉路口通行能力的优化是解决城市交通问题的重要环节，交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。对于传统的信号灯控制系统，控制周期固定，不能根据实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间，从而经常造成很多不必要的时间等待和资源浪费，这是现今交通问题日趋严重的原因之一。智能交通信号灯控制系统则可以根据各方向上检测到的车流量信息，实时调整控制周期，对交通流实行合理的引导和控制，以缓解或防止交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能源消耗、缩短出行延时。22交通信号控制类型城市交通信号控制有多种方式，其分类也有很多种。在此考虑到选择控制方式的方便性，将其按控制范围分为以下几种（1）单点交叉口交通信号控制（点控）点控方式是指道路交叉口的信号灯各自互相不相关的独立运行的方式。点控方式适用于相邻路口间距离较远，线控无多大效果或者因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿号比的独立控制比线控更有效的情况。（2）主干路交通信号协调控制（线控）线控也称干线协调控制、绿波控制。我们知道交通流具有连续运动的特点，若交通干线上几个距离较近的交叉口其控制信号不相关时，从上游驶出的车辆又可能在下游又遇红灯。这种交叉口之间各自为政的孤立控制方式难免造成频繁停车，控制效果不佳。这时若把这些交叉口的信号机在时间上联接起来进行协调控制，则可以形成一条绿波带，减少了干线上车辆的停车次数和行车延误。线控的主要特点是对几个信号设定共同的周期长和相对的相位差。线控适用于交叉口间距离较小，交通干线流量交通控制系统概述5较大的情况，因为这时车流不会离散，控制效果好。线控按控制的时间基准分为同时式线控、优先式线控和交互式线控；按有无连接电缆分为有缆线控和无缆线控；按控制策略分为固定周期控制、方案选择式感应控制、方案生成式感应控制。线控根据控制目标的不同而有相应的信号配时算法，比较有代表性的有最大绿波算法MDWB、最小化总延误和停车次数算法MINDS。（3）区域交通信号系统控制（面控）面控也称区域协调控制，是对某一大面积道路网上的多台信号机采用集中协调控制的方式，因为这些信号机相互关联，每一个路口的配时变化都或多或少地与其他路口有关。面控方式是线控方式的扩展。面控区域一般划分成若干个子区，这里的子区是指用相同的周期去进行控制的区域。面控系统由中央控制机、子区控制机、路口控制机三级组成。中央控制机给出每个子区的最佳周期长，各个子区控制机负责相位差和绿信比的优化计算，路口控制机再作优化调整。面控系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的路网结构，这时若采用线控不能达到预期效果。面控系统按控制方式分为定时控制系统和自适应控制系统。其中加拿大多伦多的UTC系统、英国早期的TRANSYT系统部属于前者，而英国的SCOOT系统、澳大利亚的SCAT系统及我国上海80年代开发的STACS系统部属于后者。由于任何一个交叉路口都处于整个城市交通网的大环境中，所以为了能够提高整个交通网络的通行能力，今后交叉口研究方向将趋向于多路口协调控制即线控和面控。未来的交通信号控制仍然是点、线、面控制并存的形式。对于中小城市，仍将是点、线控制相结合的控制方式。对于大型城市，大多将采用网络控制方式。一方面，当前智能控制已成为交通信号控制发展的一个必然方向；另一方面，线控和面控的基础都是单交叉路口，如果单交叉路口得不到有效控制，干线或整个区域也无法提高通行效率。本文就以城市道路平面交叉路口为对象，进行交通信号智能控制方面的研究和设计。23交通信号控制的基本参数1步与步长当进行交通信号灯控制时，这些灯色中的某一些将被点亮。某一时刻，灯控路口的各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步。步的持续时间称为步长。一般地，步长的最小单位为1S。2周期用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限的步构成。一个循环内各步步长之和称为信号周期，简称周期。3相位淮安信息职业技术学院毕业设计论文在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。4排队长度某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数被称为排队长度。5绿信比绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用表示GE/C21式中绿信比；C周期时长；GE有效绿灯时长24交通信号控制的评价指标通流的通行或停止，使路口有良好的秩序，减少或完全消除可能引起交通事故的冲突点，并使得路口的运行指标对交叉口实行信号控制的基本目标是用灯色信号合理分配入口车道通行权，指挥交最好。目前，常用的信号控制效果的评价指标有延误时间、平均队长、通行能力。1、延误时间车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时间和无阻碍行走所需时间之差。2、平均排队队长信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。3、通行能力一定时间内通过某交叉口所有进口道停车线车辆数之和。25城市平面道路交叉口的类型在城市道路中有大量的平面交叉路口，它们是交通流的汇集点和分流点。由于这些交叉路口的存在，才形成了四通八达的交通网络，而平面交叉路口又往往是事故高发地带。按照交叉口的形状，一般可分为十字形、X形、T形、Y形和多交叉形，如图21所示图21平面交叉口的类型示意图十字形交叉口X形交叉口T形交叉口Y形交叉口多路口形交叉口交通控制系统概述7各类交叉口中，T形路口和Y形路口的通行效率不高，多交叉形路口交通组织复杂，所以应尽量避免使用，平面十字交叉路口为主要的实用类型。淮安信息职业技术学院毕业设计论文第三章交通信号控制系统设计31控制系统的总体方案311控制对象交叉字路口是城市交通运输的咽喉，其中十字交叉路口最为常见，如何使各种交通流顺畅地通过是城市交通信号控制系统成功与否的关键。随着现代城市的发展，交通流量的增加，现在的大中城市都以六车道居多，本方案即以六车道为控制对象，其模型结构如图31所示312控制原理和控制步骤智能交通信号的控制实质上就是模拟一个有经验的交通警察面对复杂的交通情况如何有效的指挥各车道车辆通行的行为，也就是根据正在通行的相位各车道上车辆的多少与下一相位上排队等待的车辆的多少进行比较，判断是否将通行权转给下一相位。在人们以往的研究中，往往把右转方向作为常通来考虑。可是由于我国大多数城市里并没有过街天桥或地下通道，为了保证行人安全通行，本文把右转相位加以考虑，将路口的信号相位设为8个相位，具体设定如图32所示。其中，主信号相位如图32中相位1（东西向直行）、相位2（东西向左转加右行）、相位3（南北向直行）、相位4（南北向左转加右行）；辅相位如图2中5、6、7、8相位所示。经过长期对十字交通路口车流情况的观察，本文提出的控制原理概括如下在一般情况下，主要进行主相位1、2、3、4的顺序转换，但在转换过程中，若满足辅相位5或6、7、8的换相条件时，系统应转向辅相位执行，其辅相位触发条件为正在通行的直行两个行使方向中，一个方向车辆平均长度为零，另一个方向车辆平均长度为中等以上。其相位转换决策流程图如图33所示东北西南图31十字路口模型结构图图32相位转换示意图12345678交通信号控制系统设计9如图32可知，信号系统共有八个相位，在一个周期内这八个相位按实际的要求进行换相，其具体的控制步骤如下STEP1系统根据检测到的交通流数据，得出相位1初始绿灯时间GS，并对其开始放行，同时令GSTSTEP2当系统执行完初始绿灯时间GS时，输入检测到的交通流实时数据，通过运算，确定系统下一步工作；STEP21如果满足辅相位5或6的触发条件（包括STEP1中系统检测到的数据），则转到STEP3；否则STEP22判断是否放行相位2，如放行，则转到STEP3；否则STEP23由得到的相位1的T，如果TTGM，则令GSGMT并送系统执行，执行结束后，转STEP4；STEP3系统根据检测到的交通流数据，得出相位5或6的初始绿灯时间GS，对相位5或6开始放行，执行结束后，转下一步；STEP4系统根据检测到的交通流数据，得出相位2的初始绿灯时间GS，对相位2开始放行，执行结束后，判断是否继续延长绿灯时间，如需要延长，则用与STEP23相似的方法进行，如不需要，则转下一步；STEP5对主相位3、4，辅相位7、8的相序转换方法与上述类同，因篇幅有限，不再赘述。313控制特点（1）在各相位初始绿灯信号时间的设定上，改变传统固定时间长度的方式，由系统根据该相位具体车流长度而具体给出，优点是提高了系统的灵活性，减少了不必要的绿灯时间浪费。（2）在一般情况下，系统主要在4个主信号相位之间进行转换，辅相位是当前相位判断辅相位转换器转换转换主相位转换器当前相位下一相位下一相位直行相位是否非直行相位交通流否是图33相位转换决策流程图淮安信息职业技术学院毕业设计论文主相位的补充，从而提高了系统相位的灵活性。（3）在传统的信号控制中，一般都给初始绿灯一个固定的时间，其不足之处是不考虑具体车流情况，从而在很多时候会使绿灯时间白白浪费，因此，本设计采取模糊控制的方法，根据各相位的车道综合队长LS，对相位初始绿灯时间进行模糊设定。32交通信号模糊控制的理论基础321模糊和模糊控制的概念在现实生活中一些概念是有明确意义的，比如说“建筑物”、“一个”、“机器”等，对于这些明确的概念，在数学中可以用经典集合来表示。但现实生活中并不是所有的概念都是明确的，例如“老年人”这个概念，不可能在年龄轴上划定一个区间，规定在这个区间内的就是老年人。再比如，某人说“今天的温度真高”，但对于另一个人来说，气温很舒适，“今天的气温不算高”。类似于这样的问题，对于不同的人来说可能就有不同的答案。面对这类大量存在于客观实际的模糊现象，人们使用经典数学来描述遭遇了实质性的困难。1965年美国加州大学伯克莱学院的ZADEH教授首次发表了关于模糊集的论文，从而奠定了模糊数学的基础。19681973年间又先后提出语言变量、模糊条件语句和模糊算法等概念和方法，使得某些以往只能用自然语言的条件语句形式描述的手动控制规则可采用模糊条件语句形式来描述，从而使这些规则成为在计算机上可以实现的算法。在过去40多年里，对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用广泛而活跃。目前，模糊理论已经在自动控制、人工智能、图像识别、气象研究等领域发挥了重要作用。需要特别指出的是，尽管模糊理论描述的现象可能是模糊的，但理论本身却是精确的。模糊控制是模糊理论在控制领域的应用，是智能控制的主要方法之一。概括地说，模糊控制模仿操作人员的控制过程（包括控制经验和知识），用语言规则来描述控制规律。这里的语言规则在模糊系统中就是所谓的IFTHEN规则。例如，如果汽车速度快，则给油门施加较小的力，这就是一个模糊IFTHEN规则。由于模糊控制无需知道被控对象的数学模型，所以在控制具有不确定性和具有强非线性对象时，较经典控制方法有着无法比拟的优势。自从1973年英国教授EHMAMDANI首先将模糊集合理论成功地应用于锅炉和蒸气机的控制以来，模糊控制已形成了产业化趋势，尤其在家用电器行业的应用已相当成熟，日本、欧美等国家的模糊家电已相当普及。322模糊集合和隶属函数一般地，给定一个论域，把具有某种确定性质且彼此可以区别的对象组成的一个整体称为集合。若用A代表论域X中的一个集合，X表示论域中一个元素，则把X属于A记为XA；否则X不属于A，记为XA。即论域中的任一交通信号控制系统设计11元素，要么属于某个集合，要么不属于该集合，决不会出现含混不清的情况。然而现实生活中时刻存在着模糊概念，如“运行状况良好”、“水温有点高”等，它们的边界都是不明确的。ZADEH创立的模糊集合为解释这种模糊概念提供了可能。这种模糊集合的边界是模糊的，允许论域中的某些元素部分属于该集合，只要规定该元素属于这个集合的程度即可。模糊集合定义为给定论域X中的一个模糊集A，是指对任意XX，都为其指定个数AX0,1与之对应，这个数称为X对A的隶属度。做出一个映射AX0,1，XAX，称A为A的隶属函数。由模糊集合的定义可知，论域X上的模糊子集A完全由隶属函数AX来表征。X对模糊子集A的隶属程度由AX在闭区间0，1的取值大小来反映。AX的值越接近1，表示X从属于A的程度越大；反之，AX的值越接近0，则表示X从属于A的程度越小。显然，当AX的值为0，1时，隶属函数A已蜕变成一个清晰集合的特征函数，模糊集合也就蜕变成为一个清晰集合。因此，可以这样概括清晰集合和模糊集合间的互变关系，即模糊集合是清晰集合在概念上的拓展，清晰集合是模糊集合的一种特殊形式。隶属函数则是特征函数的扩展，特征函数是隶属函数的一个特例。323模糊关系1普通二元关系和关系矩阵关系是集合理论中的一个重要概念，是描述客观事物之间联系的数学模型。如果对集合X、Y的元素之间的搭配X,Y，XX,YY施加某种限制，这时构成的集合就是直积XY的一个子集。该子集具有某种特定性质，反映了X、Y元素之间的某种特定关系。关系的定义如下设X与Y是两个非空集合，集合X,Y的直积XY的一个子集R称为X到Y的一个二元关系，简称关系。关系R的特征函数为CRX,Y31YX,01关系R可以用矩阵来表示，称为关系矩阵，其中元素RIJ基于特征函数的定义，与序偶XI,YJR对应的记为1，与序偶XI,YJR对应的记为0。2模糊关系在普通集合理论中，关系R描述事物之间有或无的肯定关系，对于不能简单地用是或否来表达的模糊概念，则需要用模糊关系来描述。模糊关系是普通关系的扩展，普通关系只是表示事物间是否存在关联，而模糊关系是描述事物间对于某一模糊概念上的关联程度。模糊集合X到模糊集合Y的一个模糊关系是指以直积XY为论域的一个模糊子集，记作R。模糊关系R由其隶属函数R完全刻画。当论域XY为有限情况下，淮安信息职业技术学院毕业设计论文模糊关系可以写成矩阵形式。设有限集XX1,X2,XM，YY1,Y2,YN，则XY中的模糊关系R可以表示成MN阶矩阵32,21221211NMMNYXYXR3模糊矩阵的运算由于模糊矩阵本身表示一个模糊关系子R，因此根据模糊集的交、并、补运算定义，模糊矩阵也可作相应的运算。对于任意两个模糊矩阵RRIJ，I1,2,MJ1,2,N和SSJK，J1,2,NK1,2,L，则模糊矩阵的交、并、合成运算为模糊矩阵交RSRIJSJKML33模糊矩阵并RSRIJSJKML34模糊矩阵合成运算R对S的合成运算ROS指的是一个M行L列的模糊关系矩阵TTIK，其中T的第I行第K列元素TIK等于R的第I行元素与S的第K列的对应元素两两先进行取小运算，然后在所得的结果中再进行取大运算，即TIKRIJSJK,I1,2MK1,2L35NIV1在对实际的被控对象进行经验总结时，通常可以知道输入模糊集中各元素及其隶属度和输出模糊集中各元素及其隶属度。只要求出输入输出的关R，并根据R制定模糊控制规则表，当对系统输入一个已知的值后，就可以根据它计算出输出值。可见，模糊关系R对于模糊控制有着极其重要的作用。33交通信号模糊控制器的设计331模糊控制器的基本原理本文的核心部分在于模糊控制器的实现，设计一个模糊控制器主要需要解决以下三方面问题精确量的模糊化、模糊推理、输出变量的反模糊化。1精确量的模糊化由于输入数据是精确值，而模糊控制中的控制规则用到的都是模糊的语言量，这就需要对输入数据进行模糊化，用相应的模糊集合来表示。2模糊推理模糊控制算法的设计。通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，利用模糊推理合成原则和经模糊化的输入集合，计算出模糊关系。3输出信息的反模糊化将模糊推理得到的模糊控制量变换为实际用于控制的精确量。常见的模糊控制器有以下几种1单输入单输出模糊控制器图34A为单输入单输出模糊控制器，其控制规则用条件语句表示为IFATHENBIFATHENBELSEC2双输入单输出模糊控制器交通信号控制系统设计13图34B为双输入单输出模糊控制器，其控制规则用条件语句表示为IFAANDBTHENC这是模糊控制中应用最多的一种控制规则。3多输入单输出模糊控制器图34I为多输入单输出模糊控制器，其控制规则用条件语句表示为IFAANDBANDANDNTHENU4双输入多输出模糊控制器图34D为双输入多输出模糊控制器，其控制规则由一组模糊条件语句表示为IFAANDBTHENCANDIFAANDBTHENDANDIFANDIFAANDBTHENN图34常见模糊控制器结构图332模糊控制器的实现方法模糊控制器的实现方法主要有两种一种是在通用处理器上实现模糊算法，另一种是直接利用模糊控制专用处理器。通用处理器可以是PC机或微处理器等，现在使用最多的是利用单片机实现模糊算法。利用单片机特定的算法可以直接进行模糊化及反模糊化，因而在家电智能控制领域已经获得了相当成熟的应用。由于单片机容量有限，在实现稍复杂系统时必须外接设备，这必然增加电路的复杂性及不稳定性，单片机的串行工作方式也使得它进行复杂运算时实时性较差。模糊逻辑集成电路较之通用处理器来说，速度具有绝对优势。1985年在美国AT（2）编程能力强,可以将模糊化、模糊决策和解模糊都方便地用软件来实现（3）抗干扰能力强,目前空中各种电磁干扰日益严重,为了保证交通控制的可靠稳定,我们选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC（4）近年来PLC的性能价格比有较大幅度的提高,使得实际应用成为可能。因此本文采用PLC对交通信号控制系统进行实现，既能满足控制要求，又具有很高的抗干扰性和稳定性。333模糊控制器输入输出量的设定（1）车辆检测器的设置车辆检测器（传感器）设置如图35所示。在十字路口的每条车道上，分别设置两个传感器，一个设在十字路口处，用于检测离开的车辆数；另一个设在距第一个传感器约100米处，用于检测到达的车辆数。这样可以检测出每个车道上的车辆数，再经过比较可得出当前绿灯方向和当前红灯方向处于检测区的最大车辆数即队长（按平均5米一辆车计算，100米车道最多停车20辆）。N2W1100米车道图35车辆检测器设置图N1E1E2W2S1S2（2）初始绿灯时间的模糊设定在传统的信号控制中，一般都给初始绿灯一固定的时间，其不足之处是不考虑具体车流情况，从而在很多时候会使绿灯时间白白浪费，因此，本设计采交通信号控制系统设计15用模糊控制的方法,根据某一相位所停车辆的多少，设定一绿灯初始时间，从而减少绿灯时间的浪费。为了实现交通灯的模糊控制，将绿灯时间分为两个部分。第一是初始绿灯时间GS，第二是根据车辆流量变化进行模糊决策的绿延时间T。其中对于初始绿灯时间GS，模糊控制器的输入变量为队长L，其变化范围为120；把L论域量化为5级，即1，2，3，4，5，模糊子集为短，中等，长，其量化因子W102，其隶属函数赋值表如表31所示队长语言值12345短（L1）105000中等（L2）0051050长（L3）000051初始绿灯时间为GS，其变化范围为1555S，把GS论域量化为5级，即1，2，3，4，5，控制量的模糊子集为短，中等，长，比例因子W201，其隶属函数赋值表如表2所示表32初始绿灯时间GS隶属函数赋值表初始绿灯时间语言值12345短（GS1）105000中等（GS2）0051050长（GS3）000051根据控制经验一般可总结出下列3条控制规则R1IFL短THENGS短R2IFL中等THENGS中等R3IFL长THENGS长根据模糊控制理论知道,一个完整语言控制策略是由很多不同的语言控制策略所组成的。式31所示的单输入单输出语言控制策略就是由3条语言控制策略所组成,每条控制策略可用下面模糊关系矩阵表示RILIGSI,I1,2,336R1370500501表31队长L隶属函数赋值表淮安信息职业技术学院毕业设计论文R23805100510510R339150150150其中LI为51列向量,GSI为15行向量,其数值分别对应于表31和表32中的行。总的一组控制策略的模糊矩阵为各个模糊关系矩阵求“并”。RR1R2R3310由表31、表32和式36、310得模糊关系矩阵R3111500500然后采用加权平均法进行模糊判决得模糊控制查询表，如表33所示其对应精确量查询表，如表34所示L12345GS1525354555（3）相位转换的模糊设定相位转换包括主相位到主相位和主相位到辅相位的转换。我们设定在以下三种情况下，相位发生转换A某相位通行时间达到最大绿灯时间。B某相位的综合平均队长L为零。C当前相位的队长L和下一待转相位的队长L相比很短而且当前相位已用较长时间时，综合看来就应转到下一相位，以便让更需要通行的相位通行。另一方面，如果当前相位的队长L和下一待转相位的队长L相比很短但是当前相位只用了较短的时间时，就不能进行相位的转换，以免造成相位过早的转换。因此，对于多相位控制系统，既要避免当前相位占用过长的绿灯时间，又要防止当前相位的绿灯时间过早结束。针对这一现实要求，我们设定当前相位的队长L与下一待转相位的队长L之差L和最大绿灯时间GM与当前相位已用时间之差G作为相位转换模糊控制的两个输入量，把相位是否转换X作为其输出量。L12345GS12345表33模糊控制量查询表表34精确量查询表交通信号控制系统设计17淮安信息职业技术学院毕业设计论文第四章交通信号控制系统在PLC中的实现41PLC简介可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作的面向用户的指令，并能通过数字或模拟输入输出模块，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。目前，国内外PLC的生产厂家和种类很多，分类方法也不同。一般根据输入和输出的点数、存储容量和功能，将PLC分为超小型、小型、中型、大型、超大型5种。按结构形式分类，PLC又可分成整体式和模块式。整体式又称单元式或箱体式，是将电源、CPU、I/O部件集中装在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型机采用这种结构，由基本单元和扩展单元组成，二者之间用扁平电缆连接。整体式PLC一般配有特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，以加强PLC的功能。模块式结构是将PLC的各个部分分成若干单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种功能模块。模块式PLC由框架和各个模块组成，模块插在框架的插座上，或安装到底板上。这种结构配置灵活，装配方便，易于安装和维修，一般被大中型PLC所采用，有些小型PLC也采用这种结构。PLC是采用循环扫描的工作方式，即执行完一次用户程序后，又去执行第二次、第三次，直至停机。PLC的工作过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式读入输入端的状态，并存入输入映像寄存器，接着进入程序执行阶段。在非输入采样阶段，无论输入状态如何变化，输入映像寄存器中的内容都保持不变，直到进入下一个周期的输入采样阶段，PLC才会再次读入输入端状态。2程序执行阶段在程序执行阶段，根据梯形图程序先左后右，先上后下的扫描原则，PLC顺序扫描用户程序，遇到跳转指令，则根据转移条件决定程序的走向。若指令中的元件为输出元件，则使用当时输出映像寄存器中的状态值进行运算。若程序的结果为输出元件，则将运算结果写入输出映像寄存器。输出映像寄存器中的内容会随程序执行的进程而变化。3输出刷新阶段在程序执行完毕后，输出映像寄存器中的继电器的通断状态传送至输出锁存器，形成PLC的实际输出，驱动相应外设。由于PLC自身的特点和优势，按其不同的控制类型，已成功应用于以下几个方面交通信号控制系统在PLC中的实现191开关量逻辑控制这是PLC最广泛最基本的应用，它可以取代传统的继电器控制装置，如机床电气控制、各种电机控制等，可实现组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制等功能。2快连续量的运动控制PLC使用专用的运动控制模块，可对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，实现单轴、双轴和多轴位置控制，并使运动控制和顺序控制功能有机结合在一起。3慢连续量的过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过其模拟量I/O模块，及数据处理和数据运算等功能，实现对模拟量的闭环控制。42基于PLC的交通信号控制系统421控制系统简介本系统由一台FX2N48MRFX0N8EYR为扩展模块作为主控机，实际的交通流数据由环型线圈检测传输给PLC输入端。因为本系统控制的是六车道路口，所以车辆检测器分别安装在直行、左转和右转车道上，每条道安装两个分别检测进入和离开车流数的传感器，总数为24个。十字路口共有12盏灯，每个灯红、黄、绿三色。PLC输入、输出接线图如图41所示起动传感器1传感器2传感器22X0X1X2Y1X3Y0X27Y27COMCOMY30Y43COMFX2N48MRFX0N8EYR停止图41PLC输入/输出连接图传感器22传感器22传感器22X30X31X32COM淮安信息职业技术学院毕业设计论文422交通信号相位转换信号系统共有8个相位，在一个周期内这8个相位按实际的要求进行换相，对PLC控制来说，这相当于8个状态，PLC在控制时按实际的要求进行状态的转移。交通信号控制系统在PLC中的实现21图42交通控制系统相位转换流程图一般情况下，主要进行状态1、2、3、4的顺序转移，但在转移过程中，若满足辅相位状态5、6、7、8换相转移的条件时，PLC就利用选择分支与汇合技术进行状态转移。对于多相位信号控制系统，通行相位的选择方式是关系到系统能否正常、有效运行的重要方面。将系统的相位分为主相位和辅助相位，增加了相位选择的灵活性和相位转换的合理性。其PLC信号控制的具体步骤已经在312节中给出，交通信号控制系统相位转换流程图42模糊判定控制框图如图43所示淮安信息职业技术学院毕业设计论文图43模糊判定控制框图交通信号控制系统在PLC中的实现2343PLC控制交通信号的几种设计方法431模糊控制算法在PLC中的实现当模糊控制表设计好后，将此表存放在PLC的内存里。首先，将各个量化因子置入PLC的保持继电器中，再利用A/D模块将采集到的各个输入量置入PLC的数据寄存器中，经过处理后根据它们所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制查询表，求得模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出量，也可如本文中所述，直接制成精确量输出查询表，由D/A模块进行控制。初始绿灯时间模糊控制算法流程图如图44所示图44初始绿灯时间模糊控制算法的流程图2绿延长时间模糊控制算法流程图如图45所示淮安信息职业技术学院毕业设计论文图45绿灯延长时间模糊控制算法的流程图在整个程序编制中，最重要的就是模糊控制查询表的查询程序编制，其梯形图如图46所示。图中FNC10CMP和FNC12MOV分别是FX2N型PLC的比较功能指令和传送功能指令。当继电器X000由OFF变为ON时，第一操作数（如D200）中数据分别与第二操作数（如D210）开始的连续5个数字寄存器中预置的数据进行比较,若第一操作数中的数据与第二操作数中的某一数据相同，则第三操作数（如M0）中的相应位M1置“1”，否则M1仍为“OFF”。D300D348中按顺序存储着模糊控制查询表中的49个控制结果，将D201、D202与D203中数据分别与输入论域中的元素相比较，由比较结果，根据M100等状态继电器的状态查询输出量，将其送入D400，以备输出使用。其中，FNC12MOV是传送指令，FNC22MUL是乘法指令。将存放在D401里的模糊控制量放入D450中，并根据控制的规则，将D450中的控制量与立即数K02（KU）相乘，得到的输出量放入D200中，以供输出使用，从而完成了输出量的反模糊化。交通信号控制系统在PLC中的实现25图46“模糊控制法”梯形图淮安信息职业技术学院毕业设计论文432“起保停”技术在PLC中的实现起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号PLC的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的PLC改造过程中应用较多。如表41为I/0分配表，图471为交通灯控制系统结构图，图48为梯形图。图47交通灯控制系统结构图表41I/O分配表交通信号控制系统在PLC中的实现27图48起保停梯形图433步进顺控技术在PLC中的实现步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器S来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指淮安信息职业技术学院毕业设计论文令一起使用，而且状态寄存器必须用置位指令SET置位，这样才具有控制功能，状态寄存器S才能提供STL触点，否则状态寄存器S与一般的中间继电器M相同。在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用RET指令使后面的程序返回原母线。把图49中的03用状态寄存器S600S603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，对应的梯形图如图1所示。这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应优先考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。图49“步进顺控”梯形图44关于几种控制方法的总结上述四种方法种，模糊计算在应用上可是一点都不含糊，其应用范围非常广泛，它在家电产品中的应用已被人们所接受，例如，模糊洗衣机、模糊冰箱、模糊相机等。另外，在专家系统、智能控制等许多系统中，模糊计算也都大显身手。究其原因，就在于它的工作方式与人类的认知过程是极为相似的。交通信号控制系统在PLC中的实现29模糊计算方法以模糊集模糊计算方法以模糊集理论为基础，它有诸如模糊信息检索、模糊识别、模糊聚类等许多广泛的应用，而且由于其采用的方法也是人类大脑所采用的认知方法，因而在社会学方面也大有用武之地。人脑也正是采用模糊的手段，极大地压缩了信息的输入量、处理量、存储量，才得以满意地处理所面临的各种问题。致谢第五章总结与展望当今交通问题的加剧已经普遍成为各大中城市发展道路上急需解决的难题。在交通负荷加重而资源有限且不可再生的条件下，交通管理智能化已成为必然趋势。本文设计的智能交通信号灯控制系统，以城市道路十字交叉路口为模型，在传统的模糊控制技术基础上实现了各相位的灵活转换。根据交通控制实时性要求高的特点，采用PLC实现了智能交通信号灯控制系统，摆脱了以往通用处理器需外加众多外围设备的不利因素。通过MATLAB软件仿真，结果证明系统运行正常准确，并完全可以满足实时性要求。针对不同路口的实际状况，可以随时随地更改各相位的控制参数，从而更加有效地指挥交通流，达到通过智能控制改善交通的最终目标。尽管在这方面我做了很多工作，但由于智能交通控制是一门新兴学科，加上个人学识水平有限等方面的原因，本系统仍存在很多不足之处，如还不具备自我学习能力等，仍需进一步的研究改进。另外，智能交通是一个多学科、多门类交叉的学科，本文主要的工作集中在智能交通信号灯控制系统中模糊控制器的算法研究、软件设计和硬件实现上，对于其他方面未作深入的研究。希望后来的人可以对该问题进行更深入、更全面的研究，使之形成完整的可实际应用的系统。总结与展望31致谢在论文完成之际，首先要感谢我的指导老师刘老师，本论文是在刘老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究、撰写到定稿，都得到了刘老师的细心指导。作为学生的榜样，刘老师在工作上精益求精，强调科研与实践相结合，鼓励学生学以致用，其求实的科研作风给我以极大的影响、启迪和熏陶，令我终身受益。在此，谨向刘老师表示深深的敬意和衷心的感谢毕业论文是对我大学阶段学习成绩的总结，也是对我分析问题、解决问题能力的综合考察。三年的大学学习生活即将结束了，在这里我还要感谢我所有的授课老师，感谢他们对我的悉心指导和关心，从老师这里，学到的不仅仅是知识，更有严谨的治学态度、勤勉认真的工作作风和为人处事的道理。这些品格永远值得我学习，并定将使我在日后的工作、学习中受益匪浅。同时还要感谢大学期间同学们对我的热心帮助和支持，在这里表示真挚的感谢作者范伟2009年9月24日附录参考文献1王立新模糊系统与模糊控制教程M北京清华大学出版社，20032王磊，王为民模糊控制理论及应用M北京国防工业出版社，19973史忠科，黄辉先等交通控制系统导论M北京科学出版社，20034刘智勇智能交通控制理论及其应用M北京科学出版社，20035李军，李友善模糊控制理论及其在过程控制中的应用M北京国防工业出版社，19936成晓明，杨勇，黄文梅，熊桂林系统仿真分析与设计MATLAB语言工程应用M长沙国防科技大学出版社，20017汤兵勇，路林吉等模糊控制理论与应用技术M北京清华大学出版社，20028杨长能，张兴毅可编程序控制器（PC）基础及应用M重庆重庆大学出版社，19929吴晓莉，林哲辉MATLAB辅助模糊系统设计M西安西安电子科技大学出版社，200210郑阿奇，赵阳，曹弋MATLAB实用教程M北京电子工业出版社，200411陆化普智能运输系统M北京人民交通出版社，200212周露，闻新等MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用M北京科学出版社，200113李双全，电机与电气控制。14金大鹰，机械制图15于建明，PLC控制技术。16王强，电子技术基础。参考文献33附录A对初始绿灯时间设定的模糊控制器输出初始绿灯时间GS三变量的隶属度函数输入队长L变量的隶属度函数初始绿灯时间的模糊控制器输出曲线对绿灯延长时间设定的模糊控制器输入初始队长L变量的隶属度函数附录输出T变量的隶属度函数绿灯延长时间模糊控制器输出曲线附录1原文已完。下文为附加文档，如不需要，下载后可以编辑删除，谢谢施工组织设计本施工组织设计是本着“一流的质量、一流的工期、科学管理”来进行编制的。编制时，我公司技术发展部、质检科以及项目部经过精心研究、合理组织、充分利用先进工艺，特制定本施工组织设计。一、工程概况西夏建材城生活区27、30住宅楼位于银川市新市区，橡胶厂对面。本工程