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挑战杯作品
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。
Abstract
Accordingtothecontrolrequestoftheintersectionstransportationlight,adoptthecycletimecontrolthatthePLCcarriesouttheintelligencetransportationlight.Thenpasstospreadthefeelingmachinetocompletetothetransportationintelligencediscretionandprocessingsoftheexcrescentcircumstance.Insystemdesign,theusagespreadsthefeelingmachinetocollectthevehiclepulse,countingthemachinetocarryoncounttothepulsewiththehighspeedofPLC,convertingthatdataasthecontrolimportationthatthestandardpulsesignalistheprogrammablelogiccontroller,makinguseofthetimelengththatthecertaincontrolprincipleregulatesthetrafficlightsautomaticallyaccordingtothedatathatobtain,reducingthevehicletobedetainedthephenomenonwithmaximumlimit.PutforwardtocheckthecontrolmethodthatthewatchmethodcarriesoutthemistycontrolaccordingtothePLC.Theresultenunciation:
UsetheintelligencecontrolthatcancomparetocarryoutthetransportationlightgoodlyaccordingtothePLCmistycontroller,toimprovegoodfunctionofthetransportation.
Keyword:
PLC,Transportationlight,Theintelligencecontrol,Mistycontroller
图
(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当穿过交叉路口是比较困难的,容易引起交通堵塞,这就为了为左转车提供个专用的相位。
为了使交通冲突点最少化,采用四相位控制。
交通控制四相位转换如图
(2)所示。
初始
图
(2)交通控制四相位转换图
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。
2.2PLC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,ASCIIcode印刷,HEXASCII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0.08üs,具有27条基本指令,两条步进指令和298条功能指令;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(3)所示。
假设环形线圈的电压为Ur,则Ur=Umsinωt。
ic和id分别为车辆回路电流。
图(3)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,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。
有车辆经过
信号输出
无车辆经过
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。
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
图(4)
X000
启动
X024
西左转传感器2
X001
南北直行急行车传感器1
X025
南北直行急行车传感器2
X002
南北左转急行车传感器1
X026
南北左转急行车传感器2
X003
东西直行急行车传感器1
X027
东西直行急行车传感器2
X004
东西左转急行车传感器1
X030
东西左转急行车传感器2
X005
南直行传感器1
X031
停止
X006
南直行传感器2
Y000
南北直行绿灯
X007
东直行传感器1
Y001
南北直行红灯
X010
东直行传感器2
Y002
南北直行黄灯
X011
北直行传感器1
Y003
南北左转绿灯
X012
北直行传感器2
Y004
南北左转红灯
X013
西直行传感器1
Y005
南北左转黄灯
X014
西直行传感器2
Y006
东西直行绿灯
X015
南左转传感器1
Y007
东西直行红灯
X016
南左转传感器2
Y030
东西直行黄灯
X017
东左转传感器1
Y031
东西左转绿灯
X020
东左转传感器2
Y032
东西左转红灯
X021
北左转传感器1
Y033
东西左转黄灯
X022
北左转传感器2
Y10~Y17
七段数码管显示十位数
X023
西左转传感器1
Y20~Y27
七段数码管显示个位数
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。
图(5)
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
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