智能交通灯控制系统

毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题目 智能交通灯控制系统设计 系 别 电气与电子工程系 专 业 自 动 化 姓 名 凡 建 超 学 号 122408116 指导教师 任 琦 梅 河南城建学院 2012 年 05 月 20 日 成绩评定 毕业设计 论文 成绩评定 成绩评定说明 一 答辩前每个学生都要将自己的毕业设计 论文 在指定的时间内交给指导 教师和评阅教师 由指导教师和评阅教师审阅 写出评语并评分 二 答辩工作结束后 答辩小组应举行专门会议按学校统一的评分标准和评分办 法 在参考指导教师和评阅教师评定结果的基础上 评定每个学生的成绩 系 对专业答辩小组提出的优秀和不及格的毕业设计 论文 要组织系级答辩 最 终确定成绩 并向学生公布 三 各专业学生的最后成绩应符合正态分布规律 四 具体评分标准和办法见 河南城建学院毕业设计 论文 工作管理规程 班级班级 姓名姓名 学号学号 综合成绩 综合成绩 分 折合等级分 折合等级 答辩小组组长签字 年 月 日 指导教师评定意见 一 评语 一 评语 二 评分 二 评分 1 理工科评分表 评分项目 工作态度与纪律 10 分 毕业设计 论文 完 成任务情况与水平 40 分 数据处理 文字表达 10 分 基础理论和基 本技能 20 分 创新能力 20 分 合 计 100 分 评分 2 文科评分表 评分项目 文献阅读与文献综述 20 分 外文翻译 10 分 论文撰写质量 40 分 学习态度 10 分 论证能力与创新 20 分 合 计 100 分 评分 指导教师签字 年 月 日 评阅教师评定意见 一 评语 一 评语 二 评分 二 评分 评分项目 规范化程度 10 分 数据处理 文字表达 10 分 质 量 正确性 条理性 创造性 实用性 40 分 成果的技术水平 科学性 系统性 40 分 合计 100 分 评分 评阅教师签字 年 月 日 答辩小组评定意见 一 评语 一 评语 二 评分 二 评分 评分项目 完成任务情况 20 分 毕业设计 论文 质 量 40 分 表达情况 15 分 回答问题情况 25 分 合计 100 分 评分 答辩小组成员签字 年 月 日 毕业答辩说明 1 答辩前 答辩小组成员应详细审阅每个答辩学生的毕业设计 论文 为答辩做好准备 并 根据毕业设计 论文 质量标准给出实际得分 2 严肃认真组织答辩 公平 公正地给出答辩成绩 3 指导教师应参加所指导学生的答辩 但在评定其成绩时宜回避 4 答辩中要有专人作好答辩记录 河南城建学院本科毕业设计 论文 摘 要 I 摘要 根据十字路口交通灯的控制要求 采用 PLC 实现智能交通灯的时序控制 然 后通过传感器完成对交通异常情况的智能判别及处理 在系统设计中 使用传感 器采集车辆脉冲 用 PLC 高速计数器对脉冲进行计数 将该数据转换为标准脉冲 信号作为可编程逻辑控制器的控制输入 根据取得的数据运用一定的控制原则自 动调节红绿灯的时间长度 最大限度地减少车辆滞留现象 提出了基于 PLC 查表 方式实现模糊控制的控制方法 结果表明 用基于 PLC 的模糊控制器可以较好的 实现交通灯的智能控制 对改善交通的很好的作用 关键词 PLC 交通灯 智能控制 模糊控制器 河南城建学院本科毕业设计 论文 Abstract II Abstract According to the control request of the intersections transportation light adopt the cycle time control that the PLC carries out the intelligence transportation light Then pass to spread the feeling machine to complete to the transportation intelligence discretion and processings of the excrescent circumstance In system design the usage spreads the feeling machine to collect the vehicle pulse counting the machine to carry on count to the pulse with the high speed of PLC converting that data as the control importation that the standard pulse signal is the programmable logic controller making use of the time length that the certain control principle regulates the traffic lights automatically according to the data that obtain reducing the vehicle to be detained the phenomenon with maximum limit Put forward to check the control method that the watch method carries out the misty control according to the PLC The result enunciation Use the intelligence control that can compare to carry out the transportation light goodly according to the PLC misty controller to improve good function of the transportation Keyword PLC Transportation light The intelligence control Misty controller 河南城建学院本科毕业设计 论文 目 录 III 目录 摘要 I Abstract II 引言 1 1 控制系统设计总体思路 2 2 器件选型 4 2 1 可编程控制器 4 2 1 1 可编程控制器简介 4 2 2 2 PLC 的选型 5 2 3 环形线圈车辆检测器 6 2 3 1 环形线圈车辆检测器的工作原理 7 2 3 2 环形线圈车辆检测器的选型 8 3 电路硬件部分设计 9 3 1 车流量采集 9 3 2 系统电路连接线路图 9 3 3 PLC 的 I O 口分配 10 4 智能交通灯的模糊控制实现 11 4 1 模糊控制概述 11 4 2 模糊控制器设计的基本过程 12 4 3 模糊控制器的 PLC 实现方法 13 4 3 1 模糊控制策略 13 4 3 2 程序设计流程 14 4 3 3 模糊控制查询表查询程序设计 15 5 智能交通灯控制系统软件部分设计 17 5 1 车辆计数程序 17 5 2 倒计时显示程序 17 5 3 急行车通行程序 19 结束语 21 参考文献 22 致谢 23 附录 智能交通灯控制系统程序梯形图 24 河南城建学院本科毕业设计 论文 引言 1 引言引言 随着我国经济的发展 城市的交通拥挤问题日趋严重 因此为了保障城市交 通有序 安全 快速的运行 提高城市路网的通行能力及实现道路交通的科学化 管理迫在眉睫 传统的十字路口交通灯的控制方法是 事先经过车辆的流量调查 运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好 然而 实际上车辆流量的 变化往往是不确定的 有的路口在不同时段甚至可能产生很大的差异 即使是经 过长期运行 较实用的方案 仍然会发生这样的现象 绿灯方向几乎没有什么车 辆 而红灯方向却排着长队等候通过 这种多等少的现象是未对实际情况进行实 时监控所造成的 这不仅让司机乘客怨声载道 而且对人力和物力资源也是一种 浪费 况且这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的 由此可见 统计的方 法已不能适应迅猛发展的交通现状 十字路口简单的双向红绿灯的控制已不能满 足现实生活的需要 为了适应现代社会道路车流量越来越大的实际情况 一种以微电脑技术为核 心的自动控制装置的可编程逻辑控制器 PLC 被广泛应用于交通灯的控制领域 本设计在原有控制系统的基础上采用了新的控制方式 是系统更加具有实用性和 便捷性 智能交通灯控制系统利用工控机结合智能控制技术可以提高车辆通行效 率 使车辆滞留数量最少化 设计的智能交通灯控制系统尽量可靠 经济 使大 多数城市能够使用 在未来的工业发展中 交通灯的研究慢慢地走向人性化 自 由化和便利化 因此 交通灯控制系统的设计还存在非常广阔的研究价值 河南城建学院本科毕业设计 论文 控制系统设计总体思 路 2 1 控制系统设计总体思路 控制要求 对单叉路口交通灯控制系统进行设计 交通灯控制系统包括直行 左转 右转指示灯 并可以数字显示等待时间 可以检测两个方向的车流情况 随即调整红绿灯时间 可以根据急行车 如救护车 的通性方向 强制使此方向 临时通行 根据十字路口交通灯的控制要求 采用 PLC 设计实现正常交通的时序控制 其特点是非常可靠 容易实现开关量顺序控制和逻辑控制 具有很高的工作可靠 性和抗干扰能力 然后通过传感器完成对交通异常情况的智能判别及处理 在系 统设计中 使用传感器采集车辆脉冲 用 PLC 高速计数器对脉冲进行计数 将该 数据转换为标准脉冲信号作为可编程逻辑控制器的控制输入 根据取得的数据运 用一定的控制原则自动调节红绿灯的时间长度 最大限度地减少车辆滞留现象 该方案经济 可靠 具有一定的实用性 传感器PLC 交通信 号灯 图 1 1 交通灯控制系统原理框图 确定信号相位方案 是将信号轮流分配给某些方向的车辆或行人以便确定通 行顺序 即在一个信号周期内安排若干控制状态 并合理的安排这些控制状态的 显示次序 每一个控制状态 即对各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合 成为一个信号相位 在城市交叉路口中 合理地进行信号相位的设计可以达到部 分或全部消除交通冲突的目的 相位数及其组合方法对交通控制的效率有决定性 的影响 一般来讲 相位越多 分离交通冲突点越少 交通秩序就比较好 但车 辆通过交叉路口的时间会比较长 路口的通行率也比较低 反之交叉路口相位数 少 交叉口处交通冲突点会比较多 但车辆通过时间短 路口通行效率高 因此 合理的设计信号相位是交叉口信号控制的关键之一 任意交叉口的信号相位数目不是单一的 而是多种多样的 这要依据具体交 通情况而定 一般来讲 再设计信号相位时 要考虑以下原则 1 根据各个进口道的方向绘制交通流线 2 绘出相互不交叉 或者不汇合的交通流线 对其中能够统一的组合进 行整理 给予一个相位分配 3 路口左右转车辆的转向行驶 对正常的交通运行影响较大 处理不好 往往会减少道路通行能力 容易引发交通事故 这样就应根据转弯车 河南城建学院本科毕业设计 论文 控制系统设计总体思 路 3 数目 决定是否使用左右转弯专用相位和行人专用相位 4 一般来讲 相位数越少则效率越高 相位数多会使分配给各相位的时 间减少 同时会使相位转换时的清路口时间 黄灯时间 红灯时间 变长 增加了损失时间 因此要认真研究交叉路口的结构 路面标线 和交通规则 5 当一个交叉口左转车辆较少 或者饱和度比较低时 其相位数要尽可 能少 当交叉口左转车辆较多 或过街行人 自行车较多并与右转车 辆相冲突时 相位数目可适当增加 6 在实际中 相位在一个交叉口一经确定 考虑到人们的习惯 一般不 要轻易改变 这就要求在相位设计阶段要仔细研究 但目前国内外还 没有最佳的相位设计法 信号相位方案一般用信号配时图表示 如最基本的两相位信号配时图 其中 第一相位 对不同方向显示的灯色组合是东西向道路放绿灯 南北向道路放红灯 即给东西向车辆以通行权 南北向车辆不准通行 第二相位改东西向道路放红灯 南北向道路放绿灯 即给南北向车辆以通行权 两相位配时方案应用较为广泛 但在交叉路口进口道又设有专用左转车道时 可考虑用三相位信号配时方案 其中专用左转相位需用绿色左转箭头灯 三相位 配时方案各口道不同方向的信号灯色组合为 对东向南和西向北左转车放绿色左 转箭头灯 东 西及南 北直行车流均放红灯 另外两个相位同前 若只是西侧 进口道左转车较多 则可以选用另一种单侧左转相位 信号组合是对西侧进口道 放绿灯 其他方向均放红灯 即西侧左 直 右有通行权 其他各向车辆均不准 通行 若单侧左转相位放在东西通车相位之前 称之为前导左转相或早启左转相 若在东西相之后 称之为后延左转相或迟断左转相 如果左转车数量比较大 那么左转车仅依靠对直行车的空挡穿过交叉路口是 比较困难的容易引发交通堵塞 这就要求为左转车提供专用相位 为了使交通冲 突点最少化 采用四相位交通控制 交通控制四相位转换图如图 1 2 所示 南北直行南北左转 东西直行东西左转 图 1 2 交通控制四相位转换图 初始 河南城建学院本科毕业设计 论文 器件选 型 4 2 器件选型 2 1 可编程控制器 2 1 1 可编程控制器简介 可编程控制器 简称 PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动 控制技术和通讯技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置 他具有体积小 功能强 灵活通用与维护方便等一系列优点 特别是他的高可靠性和较强的适应 恶劣环境的能力 而备受用户的青睐 在多个工业领域获得了广泛应用 PLC 是 一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 它采用可以编 制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算 术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的 机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一 个整体 易于扩展其功能的原则而设计 其有如下特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由 于采用现代大规模集成电路技术 采用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先 进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故 障时间高达 30 万小时 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统 相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应 用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外 的电路及设备也获得故障自诊断保护 这样 整个系统具有极高的可靠性也就不 奇怪了 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小 各种规模的系列化产品 可以用于各种规模的工业控制场合 除了逻辑处理功能 以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年 来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种 工业控制中 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各 种控制系统变得非常容易 3 易学易用 深受工程技术人员欢迎 PLC 作为通用工业控制计算机 是面 向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语言易于为工程技术人员接受 梯形 图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近 只用 PLC 的少量开关量 河南城建学院本科毕业设计 论文 器件选 型 5 逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 为不熟悉电子电路 不懂计 算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 4 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替 接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计及建造的周期大为 缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产 过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 5 体积小 重量轻 能耗低 以超小型 PLC 为例 新近出产的品底部尺寸小 于 100mm 重量小于 150g 功耗仅数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实 现机电一体化的理想控制设备 2 2 2 PLC 的选型 三菱 FXPLC 是小形化 高速度 高性能和所有方面都是相当FX 系列中 最高档次的超小程序装置 除输入出16 25 点的独立用途外 还可以适用 于多个基本组件间的连接 模拟控制 定位控制等特殊用途 是一套可以满足 多样化广泛需要的 PLC 该系统配置即固定又灵活 编程简单 备有可自由 选择 丰富的品种 令人放心的高性能 高速运算 使用于多种特殊用途 外 部机器通讯简单化 具有共同的外部设备 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块 可进行16 256 点的灵活输入 输出组合 可选用 16 32 48 64 80 128 点的主机 可以采用最小 8 点的扩 展模块进行扩展 可根据电源及输出形式 自由选择 程序容量 内置800 步 RAM 可输入注释 可使用存储盒 最大可扩充至16K 步 丰富的软元件 应用指令中有多个可使用的简单指令 高速处理指令 输入过滤常数可变 中 断输入处理 直接输出等 便利指令数字开关的数据读取 16 位数据的读取 矩阵输入的读取 7 段显示器输出等 数据处理 数据检索 数据排列 三角 函数运算 平方根 浮点小数运算等 特殊用途 脉冲输出 20KHZ DC5V KHZ DC12V 24V 脉宽调制 PID 控制指令等 外部设备相 互通信 串行数据传送 ASCII code 印刷 HEX ASCII 变换 校验码等 时 计控制内置时钟的数据比较 加法 减法 读出 写入等 该控制系统选用三菱 FX2N 系列 PLC 根据输入输出点数 选用 型号为 FX2N 64MS 晶闸管输出 外部电源为 AC85 240V 最大灯负载为 30W 感性 负载 15VA AC100V 响应时间 ON 时为 1ms OFF 时为 10ms 光电可控硅隔离 输入点数为 32 输出点数为 32 扩展模块可用点数为 48 64 其每条指令执 行时间为 0 08 s 具有 27 条基本指令 两条步进指令和 298 条功能指令 河南城建学院本科毕业设计 论文 器件选 型 6 有 3072 点辅助继电器 1000 点状态继电器 256 点定时器 235 点计数器 8000 多点 16 位数据寄存器 128 点跳步指针和 15 点中断指针 内附 8K 步 RAM 最大可达 16K 最大可扩展 256 个 I O 点 其能完成复杂的数据处理 数值运算 实现高难度控制 2 3 环形线圈车辆检测器 交通传感器是将有关交通流信息等物理量的形式转化为电子量 然后通过传 输线路传送到信号控制器的信息处理部分进行处理 其主要用于检测车辆的存在 与速度等参数 该检测器类型比较多 其工作原理大致可分为两类 1 检测 能使某种开关触点闭合的机械力 2 检测因车辆的运动或存在引起的能量变 化 压力检测器就是利用机械力检测的例子 而利用能量变化进行检测则有环形 线圈检测器超声波检测器等等 按照能否检测静止车辆来分 检测器可分为两类 有些检测器如环形线圈 磁强计检测器能检测存在于检测区域的静止或运动的车 辆 这类检测器称为存在型检测器 而另一类检测器只能检测运动通过检测区域 的车辆 这类检测器称作通过型检测器 检测器还可以检测和交通有关的环境条 件 以便在出现有害的环境条件时能够对交通进行控制或提出警告 超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的检测器 它利用车辆形状对超 声波波前的影响来实现检测 超声波车辆检测的探头具有发射和接受双重功能 被设置于道路的正上方或斜上方 向路面发射超声波 并接收来自车辆的反射波 其不足之处是容易受环境的影响 当风速 6 级以上时 反射波产生飘移而无法正 常检测 探头下方通过的人或物也会产生反射波 造成误检 所以超声波检测器 要按照一定的规范安装 基于光学原理的车辆检测器用得比较多的是红外检测器与激光检测器红外检 测一般采用反射式或阻断式检测技术 例如反射式检测探头 它包括一个红外发 光管和一个接收管 无车时 接收管不受光 有车时 接受车体反射的红外线 其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲 经红外探头向道路上辐射 当由 车辆通过时 红外线脉冲从车体反射回来 被探头的接收管接收 经红外调解器 调解 再通过选通 放大 整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号 这类检 测器存在的缺点是 工作现场的灰尘 冰雾会影响系统的正常工作 雷达检测器是基于多普勒效应原理进行工作的 其原理是 当发射换能器向 地面发射微波时 如果由车辆在微波发射线的覆盖区域内通过 会视部分微波发 生反射 且被接收换能器收到 根据多普勒效应 接收到的微波频率将比原发射 频率略高或略低 即产生频差 频率偏差 利用检测电路 将频差转化为脉冲 河南城建学院本科毕业设计 论文 器件选 型 7 信号 即可检测车辆的存在或通过 同时也可以测定车速 雷达检测器要求车辆 速度至少在 5km h 以上 只有这样才能可靠的检测到车辆的存在 环形线圈检测器出现于 20 世纪 60 年代 它是现代交通控制中使用最为广泛 的交通检测器 它能够测量一切需要测量的控制参数 并且与它的能力相比 它 的价格是比较低的 目前来说 环形线圈仍具有足够的准确性和可靠性 2 3 1 环形线圈车辆检测器的工作原理 埋设在道路下面的环形线圈电感元件与检测器内的电容及附加电路组成电容 三点式振荡电路 车辆通过时对检测器最直接的作用的是引起整个回路的总电感 变化 其中包括两个部分 一部分是环形线圈的自感 另一部分是环形线圈与车 辆金属底盘之间的互感 具体地说是当车辆经过埋有环形线圈的道路上方时 根 据电磁感应原理和楞次定理 车体的金属底盘产生自成闭合回路的感应涡流 这 个涡流又产生了与原闭合回路中磁场相反的新磁场 导致线圈的总电感量减小 但是 车辆底盘作为金属导体通过拥有环形线圈的道路上方时能够增加线圈周围 空间的导磁率 是环形线圈的电感量又有增加的趋势 所以 在车辆通过环形线 圈时 对环形线圈电感量同时具有增大和减小的作用 一辆车 无论它的形状有 多么复杂 当它通过环形线圈时 在底盘中引起涡流是必然的 涡流对环兴地埋 线圈的影响也是必然的 所以车辆可以被看成一个具有电感LC和电阻RC环路 这 个短环路通过互感与环形线圈相耦合 Rd和Ld分别是环形线圈的电阻和电感 等 效电路图如图2 1所示 假设环形线圈的电压为Ur 则Ur Um sin t ic和id分 别为车辆回路电流 图2 1 环形线圈与车辆的等效电路 环形线圈检测系统包括埋于路面下面的环形线圈 接线盒 传输电缆 信号 检测处理单元等 检测车辆时 将一个或多个环形线圈按一定的方法埋于路面下 id ir LdLr M Rd Rc Umsin t 河南城建学院本科毕业设计 论文 器件选 型 8 线头接入接线盒 信号由传输电缆送入信号检测处理单元 该电路单元通常包括 了微处理器 直接处理检测数据 计算一些交通控制参数 环形线圈检测系统与控制中心的主控机通过电缆连接 通信 主控机可发送 信号 设置检测器的检测周期等工作状态 并监测检测器故障 检测器则将检测 数据如车辆计数 占有率等传送至主控机 以便完成控制系统的信息存储 优化 配置 方案选择和事件检测等功能 实现系统的最佳控制效果 图 2 2 车辆经过检测器时信号的产生 2 3 2 环形线圈车辆检测器的选型 VDi 系列环形线圈式车辆检测系统时钟控信息专门为公路机电工程应用开发 的一种车辆检测系统 VDi 可检测的交通信息参数包含了 车速 车流量 车间 距 车道占有率等信息 并能检测逆向行驶 交通堵塞 超速行驶等交通事件 该系统包含以下部件 机架母板 MF 10 电源模块 PS 检测模块 LD 4E 处理模块 VDi B 其可检测出二轮以上所有类型机动车 可提供的交通参数包 括采样周期内阁车道的平均车流量 车速 车道占有率 车间距等 具有自适应 功能可根据现场变化的条件实时的调节基准频率从而使检测数据更加精确 同一 辆车通过相邻两个车道上的两个线圈可通过逻辑判断功能 只会被记作一个车道 的一辆车 检测器配置大容量的 Flash 具有历史数据存储功能 能为每输入线 圈存储多达 32768 条日志周期数据 车辆检测器可全天 24 小时不间断工作 并 可应付绝大多数恶劣环境 检测器面板上配有多路 LED 指示灯 用以指示系统及 关键部件是否正常工作 单台 VDi 系列车辆检测器可处理多达 16 个线圈的信号 输入 并可通过扩展总线扩展到任意多个线圈 处理模块 VDi 8 主要负责对 所有来自检测卡 LD 4E 的信号进行采集和处理 同时负责对系统状态的监视以及 与外部设备的通讯 标准配备两个 RS 232 通信接口 检测模块 LD 4E 是四通 道的线圈感应检测卡 负责采集环形线圈的电感量的变化 并输出到处理模块 有车辆经过 无车辆经过 信号输出 河南城建学院本科毕业设计 论文 电路硬件部分设 计 9 3 电路硬件部分设计 3 1 车流量采集 在十字路口处各个方向安装一个环形线圈 用于检测车辆离开数 在距离十 字路口 100m 处各个方向安装一个环形线圈 用于检测车辆到达数 线圈包括南 直行 南左转 北直行 被左转 东直行 东左转 西直行 西左转共 16 个环 形线圈 在使用上 一条 3 米宽的车道 通常使用 1 8 米长的环形线圈 如果车 到比较窄 也可以使用 1 5 米长的环形线圈 环形线圈通常埋设在道路连线终端 的上游 其离开前一个交叉口距离为 10 15 米 离开下一个停车线的距离为 80 100 米 以保证车辆从线圈位置驶到下游交叉口停车线位置需要 10 秒以上 这样做既有利于减少线圈与上游路边的传输装置之间的传输成本 又可以使控制 系统有足够的的时间完成算法运算 以便达到实时控制的目的 3 2 系统电路连接线路图 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116 VCC 116 116 116 X0 X1 X4 X5 X24 X25 X30 X31 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 Y25 Y26 Y27 Y0 Y7 Y31 Y32 Y33COM FX2N 64MS 图 3 1 智能交通灯接线图 河南城建学院本科毕业设计 论文 电路硬件部分设 计 10 3 3 PLC 的 I O 口分配 表 3 1 PLC 的 I O 接口分配 X000启动X024西左转传感器 2 X001南北直行急行车传感器 1X025南北直行急行车传感器 2 X002南北左转急行车传感器 1X026南北左转急行车传感器 2 X003东西直行急行车传感器 1X027东西直行急行车传感器 2 X004东西左转急行车传感器 1X030东西左转急行车传感器 2 X005南直行传感器 1X031停止 X006南直行传感器 2Y000南北直行绿灯 X007东直行传感器 1Y001南北直行红灯 X010东直行传感器 2Y002南北直行黄灯 X011北直行传感器 1Y003南北左转绿灯 X012北直行传感器 2Y004南北左转红灯 X013西直行传感器 1Y005南北左转黄灯 X014西直行传感器 2Y006东西直行绿灯 X015南左转传感器 1Y007东西直行红灯 X016南左转传感器 2Y030东西直行黄灯 X017东左转传感器 1Y031东西左转绿灯 X020东左转传感器 2Y032东西左转红灯 X021北左转传感器 1Y033东西左转黄灯 X022北左转传感器 2Y10 Y17七段数码管显示十位数 X023西左转传感器 1Y20 Y27七段数码管显示个位数 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 11 4 智能交通灯的模糊控制实现 4 1 模糊控制概述 众所周知 经典控制理论和现代控制理论是根据被控对象的精确数学模型 传递函数和状态方程 来设计控制器的 但随着工业的发展和社会的进步 被 控对象越来越复杂 其数学模型的建立也越来越困难 对于很多被控对象有的只 能建立起粗糙的数学模型 有的甚至根本无法建立起模型 这类对象往往被称为 不确定系统 对于不确定系统 很显然用传统的控制方法不能取得满意的控制效 果 但对于这类系统 人类却可以凭借自身的操作经验进行很好的控制 Zadeh 教授创立的模糊数学可以将模糊的人类自然语言转换为精确的数学描述 为解决 这一问题奠定了数学基础 而后 控制专家运用模糊数学工具 结合人类的专家 控制经验 逐渐建立了一种新型的控制方法 模糊控制 在 1974 年 英国剑桥的 Mamdani 首先将模糊理论和模糊语言逻辑用于锅炉和蒸汽机的控制 并获得了比 传统 DDC 控制更好的效果 宣告了模糊控制的诞生 所谓模糊控制 只是在控制方法上应用了模糊数学知识 其基本原理仍和经 典控制理论 现代控制理论一样 没有改变 其核心是利用模糊集合论 把人类 专家用自然语言描述的控制策略转化为计算机能够接受的算法语言 从而模拟人 类的智能 达到对生产过程进行控制的目的模糊控制直接根据人类专家的控制经 验进行设计 其设计不依赖于被控对象的模型 因此可以有效地实现对复杂 非 线性 大滞后 不确定性严重的对象的控制 这也是它与经典控制和现代控制理 论相比具有的最大优点 它能提供许多非智能控制方法无法替代的控制效果 在 许多领域模糊控制的应用都非常成功路口交通的控制是城市交通系统中的一个重 要问题 交通系统是一个时变的 具有随机性的复杂系统 模糊化 处理 模糊 推理 清晰 化 D A 对象 传感器A D 控制 规则 偏差变 化率 图 4 1 模糊控制系统原理框图 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 12 4 2 模糊控制器设计的基本过程 1 确定模糊控制器的结构 根据控制对象的特点 要求及专家经验 合理选择控制器的输入量 输出量 从而确定其结构 输入维数越多 控制会更精细 但控制规则的选取会越困难 控制算法也越复杂 实现起来较困难 如图为常用的二维模糊控制系统的原理框 图 以偏差 e 和偏差变化率 ec 作为输入量 输出量 u 为系统控制量 2 确定模糊语言变量的语言值及其论域 E EC U 分别表示输入 输出量的模糊语言变量 综合控制精度 控制 规则 控制算法的复杂程度及控制的稳定性等因素 取各语言变量的语言值为 正大 正中 正小 零 负小 负中 负大 语言变量 E EC 的论域范围及 量化等级为 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 语言变量 U 的论 与范围及量化等级为 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 3 确定隶属度函数 隶属度函数是论域元素对某语言值从属程度的描述 可结合工程实际 通过 统计分析和专家经验来确定 一般可取三角形或高斯形隶属度函数 有隶属度函 数可方便地获得各模糊语言变量的赋值表 4 输入量的模糊化 首先 将输入量 e ec 的某一精确量分别乘以量化因子 将其量化为论域元 素内的值 再由模糊语言变量的赋值表 确定输入量的模糊化结果 实现输入量 的模糊化 5 建立模糊控制规则 模糊控制规则的建立依赖于操作者经验和专家知识 模糊控制规则的提取方 法在模糊控制器的设计中起着举足轻重的作用 它的优劣直接关系到模糊控制其 性能的好坏 是模糊控制器设计中最重要的部分 以偏差和偏差变化率为输入量 的二维模糊控制器 常采用 Mamdani 控制规则 用条件语句表示为 若 e is Ai and ec is Bj 则 u is Cij 6 模糊推理 控制规则中每一条件语句对应有模糊关系 Rij Ai Bj Cij 其中 Ai Bj Cij分别是定义在 E EC U 上的模糊子集 全部的模糊控制规则确定的 整个系统的模糊关系 R R11 R12 Rij Rnm 当给定输入后 依据模糊推理合 成规则 求取相应的模糊控制量 7 输出量的清晰化 由模糊推理获得的控制量是模糊语言变量论域上的模糊子集 通过清晰化运 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 13 算 如加权平均法 得到控制量的量化值 U 成一比例因子 获得控制量的精确 值 u 由 D A 转换输出施加给被控对象 4 3 模糊控制器的 PLC 实现方法 4 3 1 模糊控制策略 设车道内等候红灯的两车车距为 1 5 米 车平均长度为 3 5 米 则 100 米的 车道内可以停放约 16 辆车 设一辆车通过红绿灯的时间平均为 4 秒 则一共需 要 64 秒 将东西直行绿灯初始时间设为 15 秒 最长绿灯时间为 65 秒 设输入 为绿灯方向处于检测区域内的最大车量数 QG 和当前红灯方向处于检测区域内的 最大车辆数为 QR 输出为绿灯换向后绿灯时间长度 T QG 和 QR 的变化范围为 0 16 输出量 T 的变化范围为 15 65 设 QG QR 的论域为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 T 的论域为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 则 10 中 KT 4 t T 4 15 将采样得到的数据 QG QR 分别置入 D1000 D1001 中 对其量化 量化值存入到 D1002 D1003 中 查询控制规则表 得输出控制量化 值 T 置 D10 经 t T 4 15 得精确输出量 t K1量化 K2量化 模糊控制 表 K3对象 绿灯方向排队 红灯方向排队 Tt 图 4 2 控制表方式的模糊控制系统结构图 对于平面交叉路口控制 在车辆稀疏的情况下 信号周期尽量短 但要大于 信号最小周期 以免无通行权方向的等待车辆等待时间过长而造成较大延误或 排队 而在交通量较大的情况下 加大信号周期 但不能大于最大信号周期 以减少相位转换的损失时间提高路口通过率 对于过饱和交通流 只能按信号最 大周期控制 控制的目的是尽快消除堵塞 信号最小周期是由每相位最小绿灯时 间和黄灯时间相加而成 相位最小周期的引入是为了确保此相位已过停车线而来 不及通过十字路口的车辆安全 也是在某相位车辆很稀的情况下给行人和非机动 车一些过街时间 最大信号周期的引入是考虑到驾驶员等待绿灯时的心理承受能 力 一般应小于 180 秒 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 14 表 4 1 基于车辆等待长度的变周期交通模糊控制系统的模糊规则表 当 前 红 灯 方 向 的 论 域 元 素 输出量 论域值 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 0 1 2 4 6 8 9 10 1 0 0 1 2 4 6 8 9 10 2 0 0 1 2 3 5 8 9 10 3 0 0 1 2 3 5 8 9 10 4 0 0 0 1 3 5 8 9 10 5 0 0 0 1 2 4 7 9 10 6 0 0 0 1 2 4 7 9 10 7 0 0 0 1 2 4 7 9 10 当 前 绿 灯 方 向 的 论 域 元 素 8 0 0 0 0 2 4 7 9 10 4 3 2 程序设计流程 考虑到 PLC 程序执行采用循环扫描方式的特点 为满足控制的实时性的要求 节省在线实时计算工作量 具体设计时 根据建立的模糊语言变量赋值表和模糊 控制规则表 利用 MATLAB 预先编制程序进行模糊推理与模糊判决 建立离线 的模糊控制查询表 按一定的规律将其存放在 PLC 的保持继电器中 实时控制时 PLC 只须对采样得到的精确量进行量化 得到相应的模糊化论域元素 在通过查 表获得输出控制量的量化值 最后将此量化值乘以比例因子 ku 就可得到最终的 精确控制量 其程序设计流程如图具体实现上述控制算法的关键在于解决输入量 等级量化程序梯形图设计和查表获得模糊控制量的查表程序梯形图设计 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 15 开始 将模糊控制查询表的元素输入到 D200 D280 中 车辆采样 采样值置入 D1000 D1001 中 模糊量化 将量化值置入 D1002 D1004 中 查询模糊控制表 得出 T 置入 D1010 中 清晰化 T 得到绿灯延时时间 t 置于 D1010 中 结束 图 4 3 模糊控制流程图 4 3 3 模糊控制查询表查询程序设计 模糊控制查询表是经模糊推理与逆模糊运算获得的一个 9 9 基于上述对语 言变量论域范围的二维矩阵 表 2 给出了一个模糊控制查询表的实例 表中矩阵 元素是由输入量的论语元素确定的输出控制量 U 的量化值 其论域范围为 0 10 将查询表元素逐行依次存储在 PLC 的保持继电器 D200 D280 查表程序 设计利用变址寄存器 V 通过采用 基址 偏移地址 设两方向车辆的论域元 素分别为 X Y 则输出控制量 u 的位置为 表首地址 9X Y 其梯形图如图所 示 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯的模糊控制实 现 16 图 4 4 模糊控制子程序 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯控制系统软件部分设 计 17 5 智能交通灯控制系统软件部分设计 5 1 车辆计数程序 图 5 1 车辆计数程序 当车辆到达时 X006 触发导通 D0 加 1 当车辆离开时 X005 触发导通 D0 减 1 其它方向的车辆计数程序与此类似 5 2 倒计时显示程序 七段码译码指令 SEGD 用于控制一位七段数码管 如图所示 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯控制系统软件部分设 计 18 表 5 1 七段码译码指令 SEGD 说明 D0笔画 十六进制二进制 七段码 显示Y7Y6 g Y5 f Y4 e Y3 d Y2 c Y1 b Y0 a 显示字符 00000001111110 10001000001101 20010010110112 30011010011113 40100011001104 50101011011015 60110011111016 70111001001117 81000011111118 91001011011119 A101001110111A B101101111100B C110000111001C D110101011110D E111001111001E F111101110001F 图 5 2 倒计时显示程序梯形图 倒计时显示程序的梯形图如图所示 SUB 指令用于将 T1 的加计数值转换为 倒计时值 并存放到 K4M20 中 BCD 指令用于将 K4M20 中的二进制数转化为 BCD 码存放在 K4M0 中 M7 M4 存放秒的个位数 M11 M8 存放秒的十位数 SEGD K1M4 K2Y20 指令将秒的个位数进行译码 通过输出继电器 K2Y20 控制数 码管显示秒的个位数 SEGD K1M8 K2M10 指令将秒的十位数进行译码 通过输 出继电器 K2Y10 控制数码管显示秒的十位数 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯控制系统软件部分设 计 19 5 3 急行车通行程序 图 5 3 急行车通行程序梯形图 FX2N 系列可编程控制器具有 6 个和 X0 X5 对应的中断输入点 中断指针为 I 0 其中 0 5 对应 X0 X5 0 下降沿中断 1 上升沿中断 中 断相关指令有中断返回指令 IRET 允许中断指令 EI 禁止中断指令 DI EI 和 DI 之间的程序段为允许中断的区间 当程序执行到该区间时 如果出现中断信号 河南城建学院本科毕业设计 论文 智能交通灯控制系统软件部分设 计 20 则停止执行主程序 转而去执行相应的中断子程序 执行到中断返回指令 IRET 时 返回原中断点 继续执行原来的主程序 表示中断服务程序首地址的中断指 针应该编在 FEND 指令的后面 当急行车到来时触发该方向传感器接口 X001 执 行中断程序 M30 接通 相应的输出继电器接通 当急行车为通过十字路口时 一直执行中断子程序 当急行车通过十字路口 触发 X025 中段结束 返回到主 程序 其它方向的急行车通行程序与之类似 河南城建学院本科毕业设计 论文 结束语 21 结束语 智能交通灯控制系统的任务主要是对道路上的交通运行进行合理的引导和控 制 缓解交通拥挤 并及时为车辆上的有关人员及行人提供交通情况信息 增进 交通安全 本设计在原有控制系统的基础上采用了模糊控制方式 基于 PLC 查表 方式实现模糊控制器 使系统更加具有实用性 灵活性和便捷性 智能交通灯控 制系统利用工控机结合智能控制技术可以提高车辆通行效率 使车辆滞留数量最 少化 在处理复杂系统控制时 传统的控制理论对于复杂性所带来的问题总是力图 突破旧的模式 以适应社会对自动化提出的新要求 近年来 把传统控制流域模 糊推理 神经网络等人工智能技术相结合 充分利用人类的控制知识对复杂系统 进行控制 逐渐形成了智能控制理论 实践证明 用 PLC 实现的模