毕业设计基于PLC的交通十字路口模糊控制

1、 毕业论文(设计)题 目 基于plc的交通 十字路口模糊控制 系（分院） 汽车工程系 专业班级 姓 名 指导教师姓名 职称 高级讲师 日 期 目 录第一章 plc自动控制技术1.1 可编程控制器概况. .1.2 plc的结构及基本配置. .第二章 交通十字模糊控制2.1 plc模糊化2. 2 交通十字路口传感器的设置.2.3  模糊控制器的设计2.4系统设计2.5运行测试及结果分析.2.6  结束语.第1章 plc自动控制技术1.1 可编程控制器概况可编程控制器(programmable controller,简称pc).与个人计算机

2、的pc相区别,用plc表示.plc是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术,计算机技术,自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置,目的是用来取代继电器,执行逻辑,记时,计数等顺序控制功能,建立柔性的程控系统.国际电工委员会(iec)颁布了对plc的规定:可编程控制器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.它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的,模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程.可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计.plc具有

3、通用性强,使用方便,适应面广,可靠性高,抗干扰能力强,编程简单等特点.可以预料:在工业控制领域中,plc控制技术的应用必将形成世界潮流plc程序既有生产厂家的系统程序,又有用户自己开发的应用程序,系统程序提供运行平台,同时,还为plc程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理.用户程序由用户按控制要求设计.1.2 plc的结构及基本配置一般讲,plc分为箱体式和模块式两种.但它们的组成是相同的,对箱体式plc,有一块cpu板,i/o板,显示面板,内存块,电源等,当然按cpu性能分成若干型号,并按i/o点数又有若干规格.对模块式plc,有cpu模块,i/o模块,内存,电源模块,底板或机架.无

4、任哪种结构类型的plc,都属于总线式开放型结构,其i/o能力可按plc中的cpu是plc的核心,起神经中枢的作用,每台plc至少有一个cpu,它按plc的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和plc内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等.进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路,与通用计算机一样,主要由运算器,控制器,寄存器及实现它们之间联系的数据,控制及状态总线构成,还有外围芯片,总线接口及有关电路.它确定了进行控制的规模,工作

5、速度,内存容量等.内存主要用于存储程序及数据,是plc不可缺少的组成单元.三,电源模块:有些plc中的电源,是与cpu模块合二为一的,有些是分开的,其主要用途是为plc各模块的集成电路提供工作电源.同时,有的还为输入电路提供24v的工作电源.电源以其输入类型有:交流电源,加的为交流220vac或110vac,直流电源,加的为直流电压,常用的为24v.五,plc 的外部设备外部设备是plc系统不可分割的一部分,它有四大类编程设备:有简易编程器和智能图形编程器,用于编程,对系统作一些设定,监控plc及plc所控制的系统的工作状况.编程器是plc开发应用,监测运行,检查维护不可缺少的器件,但它不直接

6、参与现场控制运行.监控设备:有数据监视器和图形监视器.直接监视数据或通过画面监视数据.存储设备:有存储卡,存储磁带,软磁盘或只读存储器,用于永久性地存储用户数据,使用户程序不丢失,如eprom,eeprom写入器等.输入输出设备:用于接收信号或输出信号,一般有条码读人器,输入模拟量的电位器,打印机等.下面我们着重介绍三菱公司的fx2n系列产品的一些编程元件及其功能.fx系列产品,它内部的编程元件,也就是支持该机型编程语言的软元件,按通俗叫法分别称为继电器,定时器,计数器等,但它们与真实元件有很大的差别,一般称它们为"软继电器".这些编程用的继电器,它的工作线圈没有工作电压等

7、级,功耗大小和电磁惯性等问题;触点没有数量限制,没有机械磨损和电蚀等问题.它在不同的指令操作下,其工作状态可以无记忆,也可以有记忆,还可以作脉冲数字元件使用.一般情况下,x代表输入继电器,y代表输出继电器,m代表辅助继电器,spm代表专用辅助继电器,t代表定时器,c代表计数器,s代表状态继电器,d代表数据寄存器,mov代表传输等.输入继电器 (x) plc的输入端子是从外部开关接受信号的窗口,plc 内部与输入端子连接的输入继电器x是用光电隔离的电子继电器,它们的编号与接线端子编号一致(按八进制输入),线圈的吸合或释放只取决于plc外部触点的状态.内部有常开/常闭两种触点供编程时随时使用,且使

8、用次数不限.输入电路的时间常数一般小于10ms.各基本单元都是八进制输入的地址,输入为x000 x007,x010 x017,x020 x027 .它们一般位于机器的上端.输出继电器(y) plc的输出端子是向外部负载输出信号的窗口.输出继电器的线圈由程序控制,输出继电器的外部输出主触点接到plc的输出端子上供外部负载使用,其余常开/常闭触点供内部程序使用.输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限.输出电路的时间常数是固定的 .各基本单元都是八进制输出,输出为y000 y007,y010y017,y020y027 .它们一般位于机器的下端.辅助继电器(m)plc内有很多的辅助继电器,其线圈与

9、输出继电器一样,由plc内各软元件的触点驱动.辅助继电器也称中间继电器,它没有向外的任何联系,只供内部编程使用.它的电子常开/常闭触点使用次数不受限制.但是,这些触点不能直接驱动外部负载,外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现.如下图中的m300,它只起到一个自锁的功能.在fx2n中普遍途采用m0m499,共500点辅助继电器,其地址号按十进制编号.辅助继电器中还有一些特殊的辅助继电器,如掉电继电器,保持继电器等,在这里就不一一介绍了.x000 x001 m300m300定时器(t)在plc内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式,当所计时间达到设定值时,其输出触点动作,时钟脉冲有1ms,10ms,

10、100ms.定时器可以用用户程序存储器内的常数k作为设定值,也可以用数据寄存器(d)的内容作为设定值.在后一种情况下,一般使用有掉电保护功能的数据寄存器.即使如此,若备用电池电压降低时,定时器或计数器往往会发生误动作.定时器通道范围如下:100 ms定时器t0t199, 共200点,设定值:0.1 3276.7秒;10 ms定时器t200tt245,共46点,设定值:0.01327.67秒;1 ms积算定时器 t245t249,共4点,设定值:0.00132.767秒;100 ms积算定时器t250t255,共6点,设定值:0.13276.7秒; 定时器指令符号及应用如下图所示: x000k1

11、23 设定值(累积) t200 y000 当定时器线圈t200的驱动输入x000接通时,t200的当前值计数器对10 ms的时钟脉冲进行累积计数,当前值与设定值k123相等时,定时器的输出接点动作,即输出触点是在驱动线圈后的1.23秒(10 * 123ms = 1.23s)时才动作,当t200触点吸合后,y000就有输出.当驱动输入x000断开或发生停电时,定时器就复位,输出触点也复位.每个定时器只有一个输入,它与常规定时器一样,线圈通电时,开始计时;断电时,自动复位,不保存中间数值.定时器有两个数据寄存器,一个为设定值寄存器,另一个是现时值寄存器,编程时,由用户设定累积值.如果是积算定时器,

12、它的符号接线如下图所示:x001k345 x002 定时器线圈t250的驱动输入x001接通时,t250的当前值计数器对100 ms的时钟脉冲进行累积计数,当该值与设定值k345相等时,定时器的输出触点动作.在计数过程中,即使输入x001在接通或复电时,计数继续进行,其累积时间为34.5s(100 ms*345=34.5s)时触点动作.当复位输入x002接通 ,定时器就复位,输出触点也复位.计数器(c) fx2n中的16位增计数器,是16位二进制加法计数器,它是在计数信号的上升沿进行计数,它有两个输入,一个用于复位,一个用于计数.每一个计数脉冲上升沿使原来的数值减1,当现时值减到零时停止计数,

13、同时触点闭合.直到复位控制信号的上升沿输入时,触点才断开,设定值又写入,再又进入计数状态. 其设定值在k1k32767范围内有效.设定值k0与k1含义相同,即在第一次计数时,其输出触点就动作.通用计数器的通道号:c0 c99,共100点.保持用计数器的通道号:c100c199,共100点.通用与掉电保持用的计数器点数分配,可由参数设置而随意更改.第2章 交通十字模糊控制2.1 plc模糊化一、本系统采用plc是基于以下四个原因：1、plc具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；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

14、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。二、输入及其模糊化本控制系统的输入量是指十字路口各方向上车辆数的动态变化量。具体由传感器采集后送入可编程序控制器。2、绿灯期间通过路口车辆数(x)的模糊化为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的10秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20km/h，则在10s内通过的最大车辆数约为10辆。以红绿灯转换瞬间为计时起点，记录10s内通

15、过的车辆数作为变量x的论域，取(010)，并将它分为三个模糊子集：少、中等、多3、红灯期间排队等候车辆数(y)的模糊化远端传感器和近端传感器之间的距离(l)直接影响输入量y的变化论域。实际应用中随实地情况而有所变化。经过对某些路口不同时段车辆流量的实地调查分析，我们认为l取100米左右较为适宜。通常车辆的长度连同车辆间的间距平均约为5米，则在100米内可能滞留的车辆最大数量约为100520辆。于是红灯方向排队等候的车辆数y的论域为(020)。将其分为5个模糊子集：很少、少、中等、多、很多。三、输出及其模糊分类本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，还有人行横道的红绿灯以及按前进方向分得更细的绿灯等

16、等，其相互间的关系都是固定的，而且两个方向的输出关系也是固定的，最终都归结到对当前绿灯的延时t2。根据实际测试，对一般不太大的路口，t2最大取30s较为恰当，则绿灯的延时t2的论域为(030)。将其分为5个模糊子集：很短、短、适中、长、很长。2.2  交通十字路口传感器的设置    在十字路口的四个方向（e、s、w、n）的近端j（斑马线附近）和远端y（距斑马线约100米处）各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。如图1所示。图1  传感器的设置    近端的传感器用于记录绿灯期间通

17、过路口的车辆数（记为x）；远端的传感器用于记录红灯期间进入路口排队等候的车辆数（记为y）。为了简化运算，可以将两个相对的方向（n与s、w与e）的x、y值合并为一组，分别取两个方向之最大者。2.3 模糊控制器的设计    本模糊控制系统设计的核心是模糊控制器的设计，设计模糊控制器主要是求取模糊控制表。3.1 系统分析    确定控制器的输入变量和输出变量以及它们的数值变化范围。输入变量为x、y，输出变量为t。绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20公里/小时，则在15秒时间内通过的最大车辆数约为15辆。则x的变

18、化范围为015。当远端和近端传感器之间距离约为100米时，考虑一般车辆车身长度连同两车辆间距平均5米左右，所以100米内可能停留等待的车辆数最多可达到100/5=20辆，于是红灯方向排队等待的车辆数y变化范围为020。本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，还有斑马线处人行横道的红绿灯以及按前进方向分得更细的绿灯相互间关系及两个方向的输出关系最终归结到对当前绿灯的延时t。根据现场测试，输出变量t的变化范围为1560。3.2 模糊化方法的选择与确定    为了实现模糊控制，需要将绿灯时间分为两部分：其一是固定的1o秒作为路口车辆状态参数的采集时间t1

19、；其二是根据两个方向车辆流量变化进行模糊决策的延时t2。绿灯期间车辆通过路口的速度不超过10m/s，则在10s内通过的最大车辆数约为l5。以红绿灯转换瞬间为计时起点，记录10s内通过的车辆数作为变量x的论域，取（0-15），并将它分为三个模糊子集：少、中等、多。其从属函数设计如图2所示。图2  绿灯期间通过路口车辆数（x）从属函数设计    红灯期间排队等候车辆数（y）的模糊化， 输出量模糊分类都采用三角形属函数的设计。3.3 模糊规则的设计    当两个方向的状态处于同一量

20、级时，如同为多，或同为中等，或同为少时，绿灯的延时t2均取“短”，如表1所示,其目的是保证双方流量相差不多的情况下，尽快地均衡疏散。表1  模糊规则表2.3  系统设计4.1 系统硬件设计    模糊控制器采用三菱的fx2n型plc，通过编程来实现交通调度过程控制。图3所示的模糊控制系统数据采集及a/d转换由模拟量输入模块fx2n-2ad完成，d/a转换由模拟量输出模块fx2n-2da完成。 图3  plc实现模糊控制的硬件连接    

21、其中y10-y12是东西方向红绿灯的控制线路,y13-y15则是南北方向的控制线路,yo-y7则是控制7段显示器的控制线路。4.2 软件设计    plc编程能力强，可以将模糊化.模糊决策和解模糊方便地用软件来实现，基于交叉路口车辆等待长度的变周期交通模糊控制器模糊判决子程序的算法流程如图4所示。  首先分别读入红绿灯方向检测区中各检测器显示值,计算最大车辆数x和y 然后将x和y分别乘以量化因子,求得相应论域元素表征的查找控制表所需的x和y,并根据表4模糊控制规则表查得输出控制量的论域值t 最后将其代入公式15+ki×t, 可计算出实际换向后绿灯的时间长度t。 2.4运行测试及结果分析本文设计的基于plc的模糊交通控制系统，在某路口经过了试运行并现场测试，并与传统的定时控制方法进行了比较（见表2所示），比较结果表明：在交通流较小或接近定时配时的预期量时,模糊控