基于PLC交通信号灯控制

基于PLC交通信号灯控制

摘要

城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。冃前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际屮得到应用的寥寥无儿，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。

实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4 相位交通灯为例，根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC

把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。

关键词：交通；智能控制；PLC

Abstract

Themunipal transportation signal control is through the adjustment, thewaning and the induction which flows to the transporation achievedimproves the person and the cargo safe transportation, enhancig theoperation efficiency. Transport system is a random nature, ambiguityand uncertainty of complex systems, the establishment of mathematicalmodels very difficult and sometimes

impossbleto use existing mathematical methods described?themost adaptive

signal control is usedjt needs mathematical model,without consideringtraffic delays,And vague control is a mathematical model to controlmethods, it can imitate experienced police directingtrafficjdeas,achieve good control results. In recent
years many of ourscholars have different ideas of individual junction, traffic control
Route vague studied, but the limitations of the theory andresearch scholars, the few practical applications, based on thisachievement traffic signals vague PLC control

system?

Accordingto determine signal distribution and flow of the control system vaguetheoretical resesrch results, the achievement of individualintersections with traffic lights blur PLC control methods forindividual crossroads 4 phase of traffic lights, for example,the PLCas an ambiguous signal controllers using Ladder programming, throughexperiments that the reliable operation of the system to a vagueunder different traffic control decision-making, optimize signaldistribution, which can effectively solve trafficimbalancejnstability
brought.

Keywords：Transportation;Intelligent control; PLC

目录

摘要.................................................................1

Abstract....................................................................................................................2目录..................................................................31绪论.................................................................4 L1城帀交通现状....................................................4 1.2智能交通的国内外发展状况........................................4 1.3交通信号灯控制的研究现状........................................7 1.4本文的主要工作..................................................82十字路口信号控制的基本理论和方法.....................................9 2.1交通信号灯......................................................9 2.2信号灯的设置....................................................9 2.3交通信号的控制方式.............................................10 2.4城市道路智能交通信号控制系统...................................11 2.4.1智能交通信号控制系统的基本纽成...........................11 2.4.2交通信号控制系统的主要术语和参数.........................12 2.4.3智能交通信号控制的核心...................................15 2.4.4智能交通信号控制系统的基本设计步骤.......................163模糊控制............................................................16 3」控制理论的发展与模糊控制理论的提出............................16
3.2模糊控制的一般原则及与传统控制的关系...........................18 3.3十字路口交通灯的控制策略.......................................21 3.4交叉口停车线的设计.............................................254基于PLC的模糊控制系统的设计实现....................................28 4」可编程控制器..................................................28 4.2硬件电路.......................................................31 4.3 PLC的编程设计.....................................35 4.5软、硬件的调试.................................................38 4.6系统的性能.....................................................405结论................................................................42

参考文献.............................................错误！未定义书签。

1绪论

1.1城市交通现状

据一项对美国主要城市交通状况的调查显示:1982年至2000年，美国城市在

上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带

来的经济损失每年高达680亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小

时12公里。用这个冃标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代

价总值:每年耗费1?5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%!

在北美、澳大利亚等大城市，道路而积率高达35%—40%,而北京只有20%。

缓解交通拥堵，加快道路建设是当务Z急。抑悉，到2010年，北京将投资500亿元用

丁城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发

展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥

堵一修路一再拥堵”的怪圈。

中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大

城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更

小。从我国冃前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快

速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调

现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种

交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。

1.2智能交通的国内外发展状况

城市交通矛盾的日益突岀，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行Z有效

的良方或许就是大力发展智1能化交通。智1能化交通管理体系在国外已经有了 40多

年的发展历史，是冃前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交

通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限

的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。的能交通系统将

大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间；除此Z外，钢能交通系统能够减少交

通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距

还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。

在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透

露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭

州、中山10个城市进行交通智能化改造,到2010年,这10个城市将全部实现交通的智

能化。冃前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一

点是共同的：智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，

增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。口本、欧洲等众多国家和地区在钢能

交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作

用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高

服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经

济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、

客货运输管理、道路收费系统等方而都会产生巨大的影响。

表1?1美国欧洲日木同我国在智能交通系统发展方而的对?比表

国 家	ITS发展程 度	投资规模	重点发展领域	预期目标
美 国	ITS大国， 智能交通 应用率达 80%以上。	1990—1997 年用于智能 交通的预算 为12.935亿 美元。	ITS发展在车辆安全 系统、GPS适时定位 系统、车辆管理系 统。	一是安全，减少事故 和财产损失；二是经 济效益，每年节省20（）亿美元的目的；三是 环保和减少能耗。
日 本	通过近十 年的研究 己建成符 合本国国 情的智能 交通系统。	1998年用于 智能交通的 研 究经费有 161亿日元， 用于基础设 施的经费有 1285亿日 ww.t	交通信息服务系统、高速公路不停车收费 系统等较为先进的领 域。 odocs.	1994年后未來30年 减少50%的交通事故 人员伤亡率，较少汽 车尾气排放对大气的 污染。 om
欧 洲 各 国	ITS应用程 度介于美 国与日本 之间	1995—1998 年间用于共 同研究的经 费有280亿欧 元C	从道路交通扩展到铁 路和水路等个课题 的研究，分布于交通 信息服务、电子自动 收费管理等方面。	一是安全性提高；二 是有效性提筒（出行 时间节省6%）；三是 环境保护（污染物减 少50%等。
中 国	地方试点 和专家呼 吁阶段。	基本无	基本尢	基本无

1.3交通信号灯控制的研究现状
城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来,随着众多研究控制理论岀身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年來交通信号控制理论的研究进展作一简述。

1. 静态多段配时控制
静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现岀相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用丁?稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。

2. 准动态多段配时控制
准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由丁?反馈的引入，所以系统 的动态性能比静态多时段控制有明显改善,但是乂由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善乂十分有限，故称Z为准动态系统。
3. 最优控制
城市交通控制的最优问题可表述如下：对于满足约朿条件:
0</</max (1-1)

0 < 厂 min <r< r max

(1-2)

的系统

给定初始状态

/(0)= /0,厂仗)=0,0*<0
确定一个控制序列r(k),使得以下性能指标最优 1*-|

其中：(1-1)式表示各方向排队长度/不能超过允许的上限，否则会影响上游相邻路口的放行。(1-2)式表示控制变量r(也即绿信比)受到最大绿灯时间和最小绿灯时间的约束o(1-3)式中的/表示路网中所有支路上排队长度组成的向量;r表示各支路放行流量组成的向量，它与各路口的绿信比相对应，是一控制向量;13是控制矩阵(i=0,1,…，m)；8是一个时变的车俩到达向量。(1-3)式表示:此步排队长度是上步剩余

排队长度减去此步放行长度，再加上此步到达车辆数。(1-4)式表示性能指标，己经写成了二次型函数形式;刖为期望的控制向量，R,Q为加权矩阵。在(1-4)式中引

入了控制偏差的二次函数，冃的是使最优控制问题易于求解。
如果控制系统的规模较小，控制模型维数较低，就可用极小值原理或动态规

划法对上述最优问题求解。
1.4本文的主要工作

近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人丁?智能是

新的研究方向Z—，这是因为人工智1能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。

由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学

模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其

主耍内容如下：

(1)对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述(2)设计两级模糊控制系统
(3)在PLC上编程实现此模糊控制系统

2十字路口信号控制的基本理论和方法2.1交通信号灯

在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，

都是交通信号。交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉

口上，用來在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。交通信号灯用轮

流显示不同灯色來指挥交通的通行或停止。

随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同

的含义。我国冃前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下：
(1) 绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行

的行人通行。

(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的

行人，可以继续通行。

(3)红灯亮时，不准车辆、行人通行。

(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。

(5)黄灯闪烁吋，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。

(6)右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不

妨碍被放行的车俩和行人通行的情况下可以通行。

2.2信号灯的设置

当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号

控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，

非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号控制的

路口，由于主耍道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次

耍道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控制交叉口的

交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。

在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国冃前具体的交通状况，路口信

号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，

作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车俩行驶速度的调查，交通事故及违章

调查，车俩可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，

保证现代交通高效、节能、低公害运行。

交义路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在仲向交义路口上空

型臂上;一种是安装在路口边或屮央的灯柱上。

信号灯的排列方式通常分为两种：

1、水平排列式

从道路的中心线一侧起以红、黃、绿的顺序向路边排列。常用于路面较宽的道

路。

2、垂直排列式

从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路而较窄的道路。按固定方

式排列信号灯有两个好处：一是把红灯信号放在最醒冃的位置；二是可使患有色盲

的人凭借位置来判断信号的含义。在交叉路口屮央上空安装信号灯时应符合车辆通

行净空高度界限的要求。信号灯的亮度应保证人们在100m以外能看清。

2.3交通信号的控制方式

根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式：

1、周期式信号。这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换吋间等那是事先确定

的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。依靠所提

供的设备，可用儿种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用。

2、半感应式信号。这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探

到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须在预定的时间内。该系统的周期长和绿灯时间可根据需耍随时进行调整。当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。

3、全感应式信号。该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个相位都耍规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需耍作很大的变动。周期屮的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。

冃前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提
高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重耍的作用。

2.4城市道路智能交通信号控制系统
智能交通信号控制系统是城币道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街，以及环路出入口采用信号控制的子系统。主要包括交通T程设计、车辆信息采集、数据传输与处理、控制模型算法与仿真分析、优化控制信号调整交通流等。国内外齐大中城市己有的交通信号控制系统就是根据不同环境条件，基于各自城市道路的规划和发展水平建立起來的。

2.4. 1智能交通信号控制系统的基本组成
智能交通信号控制系统的基本组成是：主控中心、路口交通信号控制

机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、数拯（图像）分析处理等。

		接受启动协调配时方寰 单点需求模型分析优化配时	I感应自适应 [^缆
			线协调 ~人工谓
			求
			紧总任务
			D
	图2-1城山道路智能交通信号控制系统框图

2.4.2交通信号控制系统的主要术语和参数1、周期

周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长,即红、

黄、绿灯时间Z和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用C表示。一般信号灯的最短周期长度不少于36秒，否则就不能保证儿个方向的车辆顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过120秒。

从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期

内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵寒现象。

正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待车

队放行完毕。如一个具有两相位（东西向和南北向）交通流的交叉口，设两个相位

的交通到达率（到达率）分别是山、d2,相应相位的通行能力分别为s.,s2,周期时长为C,绿灯时间分別为g,>g2,其中损失时间分别为4、?（损失时间是指灯色切换过程

中的损失时间和不能被充分利用的绿灯时间，原因是绿灯岀现Z初车队有个反应和

S\S2

若S1=S2=S,则有

(2-4)由

式（2-4）可计算岀保证路口不堵塞的一个最小周期值。然而，若交通流的需求过高，堵塞现象将成为不可避免的，信号周期长度的选取应根据某种优化性能指标选择。

2、相位

相位：即信号相位，是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得

通行权的一个或儿个交通流的序列组。
3、相位差

相位差:具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。从某一车流方向来看，为使车辆在交义口处不受阻而流畅通过，与其使相关联信号同时显示同一灯色（特别是绿灯开始时间），不如使绿灯开始时间错开一些。这里称时间对“错开”为相位差。把干线上某一路口作为基准路口，其他各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为绝对相位差;车辆行使方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。通常用时距图表示信号配时与距离的关系。

图2-4时距图
以第1个交叉口的信号为基准，则图中的Al.A2. A3分别为交叉口2、3、4的信号的绝对相位差。耍确定路口信号间的相对相位差，则需要先确定车辆的行驶方向。当车辆由路口 1沿道路驶向路口4时，B1是路口2信号和路口 1信号的相对相位差;B2是路口3信号和路口2信号的相对相位差；当车辆由路口 4沿道路驶向路口1时，B3是路口3信号和路口4信号当相对相位差;B4是路口2信号和路口3信号的相对相位差。由时距图可以看出，13Z和134均表示路口2信号和路口3

信号Z间的相对相位差，只是因选定行车方向不同而具有不同的数值。两者Z和等于一个周期的长度。

4、饱和流量：是衡量路L」交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路M的最大车流量。

5、绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。

6、有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等丁绿灯时间与黄灯时间Z和减去头车启动的损失时间。

2. 4. 3智能交通信号控制的核心
智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。冃前，国内外已应用的信号控制系统大多是以优化定周期方案、优化路口绿信号配比以及协调相关路口通行能力为基础的，是根据历史数拯和自动检测到的车流量信息，通过设置的控制模型算法选取适当的信号配比控制方案，是

被动的控制策略。随着网络技术的发展，交互式控制策略使信号控制由感控到诱导实现了真正的智能，交通信号控制系统不仅可以检测到车流量等交通信息参数，路口绿信号配比，变化交通限行、禁行等指路标志，还可以根据系统联接的数据库完成与交通参与者Z间的信息交换，向交通参与者显示道路交通信息、停车场信息，提供给交通参与者合理的行驶线路，以达到均衡道路交通负荷的主动的控制策略。尤其重耍的是计算机网络技术和数字化使数据传输和信息利用得到了可靠保证。可以说，城山道路智能交通信号控制系统是城山道路交通管理随着信息产业技术迅猛发展的综合产物。

2.4.4智能交通信号控制系统的基本设计步骤
根据路口交通现状和预测进行交通渠化设计分析原始交通流数据，通过仿真模型效验，确定控制模式，进行交通参数设定根据交通渠化设计及控制模式的设计耍求完成交通丁程设计(包括车辆检测器的检测区定位)根据齐个路口配备设备的相关性，完成协调设计确定系统和单点控制的优化冃标函数，得岀最优信号控制方案

配置路口信号控制机的固化基础参量，配置主控中心数据库与数据传输设置。

3模糊控制
自从1965年加里福尼亚大学教授扎德(L.A.Zadeh)提岀了模糊集合的概念Z后，模糊理论得到了飞速的发展，并应用于各个学科，产生了模糊识别、模糊控制等一系列前沿学科。到1974年Momdoni成功地研制岀第一台模糊控制器，从此模糊理论从一种思维方式变成了控制理论屮的一种具体应用。模糊控制理论的提出，是现代控制理论、人T智能领域的一个重要突破，它实际上是对人类长期以来对自然界中一些复杂的、不确定的、无法用现有数学工具进行描述的对象进行定量的模糊的描述和控制。3.1控制理论的发展与模糊控制理论的提出
1、控制理论的发展
在英国工业Z前，生产处于不发达的状态，工业主要是作坊式手工业或小手工业，对生产过程的控制往往是凭借人的智慧、经验等手段。随着工业的到
来，大规模生产的出现，使生产过程的控制和自动化成为必然，自动控制理论应运
而生。最早的控制理论为古典控制理论，它是以简单对象为控制背景，解决单输入一单输出的控制关系。如上烧制陶瓷过程，如要保证大批量陶瓷品的质量和生产自动地进行，就必须对烧制过程某个关键参数进行定量的控制，而次要参数在其主要参数控制的前提下进行一定的。

随着工业技术的不断发展，特别是电子、计算机和空间技术的发展，口动化程度的控制精度耍求越来越高，古典控制理论已不能适应工业要求。考虑上例，对陶瓷品质量影响的因素不仅是T和时间，还有窑内的气氛（酸碱性）、压力、温升和温降的梯度曲线等，同时输入量还有负载（一窑所有陶瓷品的量）的变化。因此，必须考虑多个输入（喷量、负载）和多个输出（温度、温度梯度、气氛）的控制，这就促使现代控制理论的诞生。1958年，卡尔曼和布西发表了关丁线性滤波器和估计器的论文，即著名的卡尔曼滤波，它代表了控制理论向现代控制理论发展，现代

控制理论研究的对象是多输入一多输出的多变量复杂系统。现代控制理论的提出为现代工业和空间技术的发展打下了坚实的基础。

2、传统控制理论的基础与其缺陷

传统控制理论，无论是古典还是现代控制理论，它耍解决问题的立足点就是耍建立对象的精确的数学模型一即输入与输出的数学方程式，然后对此模型进行求解，从而得到控制规则。当我们能够得到对象的精确的数学模型，并通过数学的于段求解该数学模型，那么我们就可以精确地制定控制规则，即通过调节输入量而达到控制输出量的冃的。这吋自动控制问题迎刃而解。但是，在自然界中，大多数对象都不是存在的，各个参数Z间往往存在着千丝万缕的联系。而数学模型的建立常常是在忽略众多“次耍因素”的基础上得到的，因此数学模型并不能完全反映对彖性质。同时对复杂对象来说，它的数学模型的得到和求解都是非常困难的，T业上常采用经验公式法进行，它是在一定的误差范用、一定的假设条件下近似进行的。现代控制理论中往往研究的对象非常复杂，当遇到非线性、时变对象时，对象的数学模型更不易求得，而且建立起來的数学模型也往往是会随着外界的改变而

改变。为此，现代控制发展了自适应控制理论，这种理论的关键在于系统可以根据
得到的外界信息，按不同的方案自行修改数学模型，从而“ 口动”地“适应”对象的变化。随着计算机的应用和机器人学的发展，传统控制理论屮的最基本的建模成了控制理论发展的障碍。当控制理论中的传统思维模式在新问题面前显得为力时，就预示着必然有一种新的思维模式的来临。

3、模糊控制的提出

1966年扎徳提出了模糊思维方法，这为传统控制理论的突破照亮了一盏明灯。我们可以避开数学模型，而直接从人的经验、人的客观认识出发去求解问题。如上例中，我们可以把制陶人的经验，它根据色泽等信息反馈在人脑中所进行模糊的判断的过程进行整理和处理，归纳成一组条件语句，并用模糊数学工具加以量化，用模糊逻辑语言给出模糊算法，做出决策，实现对系统的控制（并非照搬），从而避开数学模型这一棘手问题。模糊控制与传统控制完全不同，它不依赖精确的数学模型，不需耍知道影响模型的参数本身的性质及参数Z间相互关系的性质，因此，可

以克服系统建模屮所遇到的复杂问题。

3.2模糊控制的一般原则及与传统控制的关系

1、人脑所固有的模糊思维

人类生存的环境，基本上是一个模糊环境，人脑所接收到的信息和做出的判

断大多数是基丁?模糊的，我们的自然语言常常也富于模糊性。就是这些模糊化思维才是人的智能与机器智能的最基本的区别C例如人可以分辩字迹潦草的汉字，可

以跳过文草中个别的错别字而正确的理解文章，甚至连三岁的孩子都可以辩论出“圆”，而他并不知道圆的定义是X2+Y2=R2,这在机器是做不到的。长期以来，

人们在认识自然中，大力发展和应用的是精确思维即所谓的“二真逻辑”……“是”和“非”，而自然界多数对象均是存在于是非Z间，人脑的活动也不总是绝对的抉

择，这种自然和人脑屮固有的模糊性是精确数学所无法描述的，它真止地体现了

人脑思维的“活化”。
2、模糊控制理论

把普通集合中的绝对隶属关系加以推广，提岀模糊集合的概念。绝对集合隶属关模糊控制理论是建立在扎德的模糊集合和模糊推理的基础上。扎德在1965年

系中隶属度只能取“0”和“1”两个值,即“是”和“非”。对于一个手画的圆来说只是“是圆”或“不是圆”两个选择。而模糊集合隶属函数可以取【0,1】中的任何值，隶属度越接近1,表示该点隶屈模糊集合的程度越高，否则越低。对于一个手画的圆来说，隶属度就表示该闘有儿分象I员I。在模糊集合的基础上扎德乂推岀模糊

推理方法，这种推理方法是模拟人的口常推理的一种近似推理，它是以一个模糊

推理规则出现，它是一组类似于“如果…，则…”的模糊推理语句。模糊控制理

论是以扎德的模糊集合论为数学依据，它将模糊推理语句演变成模糊控制规则，用于运算和推理。如图3-1为一个工业控制系统的方框图，模糊控制器的作用与传

统控制系统中控制器的作用相同。一个模糊控制器通常有三部：

图3-1工业控制系统方框图
（一）模糊化:它把模糊语言数量化，即化为某个论域上的模糊子集，给出各种分情况下的隶属关系。（二）模糊算法:通常是模糊推理规则，它是由若干个语句组
成的表，例如:若P则Q,若P或Q则S,若A则B,否则C等。每一条语旬都对应不同实际
情况的一个模糊关系，各模糊关系的并集即为总的模糊关系。（三）模糊判决:根据给定的模糊算法，对输入的模糊量进行运算，从而进行判定，即将模糊集合映射到普通集合，选岀确定量。在实际过程中，模糊控制器根据输入的模糊量，按照模糊控制规则进行运算、推理、判断，最终给岀控制量。可见模糊控制器能根据人的经验，模仿人的策略、指令，实现对系统的最优控制。由于客观事物的复杂性，特别在随机干扰情况下，人们对控制经验和信息往往缺乏认识，因此很难得到比较完善的模糊控制规则。即使得到一些比较完善的规则，由于环境等多种因素的影响，致使原有的规则不能运用，这就迫使人们不得不去研究具有能够在线自动修改、完善和调整的模糊控制器，以使控制系统的性能不断完善。

3、模糊控制与传统控制的辩证关系
模糊控制与传统控制的关系也是辩证的关系，首先模糊控制是在传统控制在一定的应用领域束手无策时另辟蹊径产生的，但这并不能认为模糊控制就可以取代

以往的传统控制，它们Z间是相互渗透，相互弥补，协同发展的。在模糊控制理论从简单模糊控制到复杂模糊制的发展过程中，吸收了传统控制中许多方法，如PID控制、自学习、自适应控制方法等，从而形成了自身的一套体系。而在传统控制屮也引入了许多模糊控制的思想，这两种思维方式的相互融和，标志着控制论的成熟性更强、适应性更广，也标志着控制论中思维方式的先进性和成熟性进入了更高的阶段。在传统控制理论产生Z前，人们对控制的认识是不清楚的，含糊的，为了达到生产的自动化，人们的认识产生了一个飞跃，即对控制过程寻求一个精确的、定量的运算和控制，占典控制理论的诞生可以说是人类开启知识宝库的一把金钥匙。随着航天技术、大信息系统、计算机系统的飞速发展，系统的复杂的不确定性将传统的控制方法逼进了死胡同，模糊控制系统重新发掘和发展是人们认识上的乂一次

精确一模糊的过程。总Z,模糊控制理论的产生和发展，不是用精确性完全取代模糊

性，而是承认精确性向模糊性的逼近，是模糊思维在控制理论领域的重现。它是沟通人类模糊化自然思维和机械的精确思维Z间的科学桥梁，它为我们解决巨大系统、人一机系统和人T智能等问题提供了有效的工具和手段。

3.3十字路口交通灯的控制策略

本系统为一个4相位的交通灯控制系统，各相位如图3-2所示。

相位1的绿灯延时取决于东西直行道现有的绿灯吋间内离开的车辆数和南北左行道红灯时间内的交通强度;相位2的绿灯延时取决于现有的南北左行道的绿灯时间内离开的车俩数和南北直行道红灯时间内的交通强度;相位3的绿灯延时取决于现有南北直行道的绿灯时间内离开的车辆数和东西左行道红灯时间内的交通强度;相位4

的绿灯延时取决于现有东四左行道绿灯时间内离开的车辆数和东西直行道红灯时间

内的交通强度。

相位2

图3-2相位图

十字路口交通流分布如图3-3所示。东、南、西、北四个方向，每个方向均有

右行、直行和左行三个车道车流。在直行和左行的入口道上设置两个信号检测器构

成一个检测区，一个设在停车线处，用于检测该道的车辆离开数(记为X);-个设在

远端，用丁检测车辆到达数(记为Y)。检测器对路口各个车道流量进行实时检测而

获取车流量信息，为模糊控制提供必要的数据。为了简化运算，可以将两个相对的

方向的X、Y值合并为一组,分別取两个方向的最大者，也就是所谓的主队列。

图3-3十字路口交通流分布

1、绿灯期间离开车辆数(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tl;其二根据两个方向车流量变化进行模糊决策的延时to绿灯期间车辆通过路口的速度不超过20km/h,则在10秒内通过的最大车辆数约为10辆。以红绿灯辕换瞬间计时起点，记录10秒内通过的车辆数作为变量X的论域，取(0,10),并将它分为三个模糊子集:少、中等、多，其从属函数设计如图3-4所示。

图3-4绿灯期间离开的车辆数(X)的从属函数

2、红灯期间到达车辆数(Y)的模糊化
检测区的长度直接影响输入量Y的变化论域。经过对某些路口不同时段车辆

流量的实地调查分析，我们认为两个检测器Z间的距离取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20辆。丁是红灯方向到达的车辆数Y的论域为(0,20) o

图3— 5红灯期间到达车辆数(Y)的从屈函数

3、输出及模糊分类

本系统的输出就是两个方向的红黄绿灯，人行横道的红绿灯以及左行和右行红

绿黄灯，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t。根据实际测试，对一般不太大的路口，直行的t最大取30秒较为恰当，左行的t最大取10秒较为恰当，则绿灯的延时论域分別为(0,30)和(0,10) o将其分为5个模糊子集:很短、短、适中、长、很长。

0 1	2	3	4	5	6	7	8	9	1
		图3-6	録灯时间延时（t2）的从属函数						0

4、模糊规则的设计
本系统的模糊控制规则的设计采用矩阵方式，根据交警实际操作的经验及有关知识来确定。模糊控制规则表如下表3-1所示

	很少 w	少 ww.t	aodo	多 cs.co	很多m
多	很长	长	适中	短	很短
中等	长	适中	短	短	很短
少	短	短	很短	很短	很短

表3-1中，当两个方向的状态处丁?同一量级时，如同为多，或同为中等，或同为少时，绿灯的延时t均取“短”，其冃的是保证双方流量相差不多的情况下，尽快地均衡疏散。

上表中一共包含了15条模糊条件语句:

规则6:若X二中等，且Y二很少,则t二长，否则

规则7:若X二中等，且Y二少，则t二适中，否则

规则8:若X二中等，且Y二中等,则t二短，否则

规则9:若X二中等，且Y二多，则t二短，否则

规则10:若X二中等,且Y二很多，则t二很短，否则

规则11:若X二少，且Y二很少，则t二短，否则且Y

规则12:若X二少，二少，则t二短，否则且Y二中等，

规则13:若X二少，则t二很短，否则且Y二多，则t二

规则14:若X二少，很短，否则 且Y二很多，则t二很

规则15:若X二少，短，否则

5、模糊推理算法与解模糊

从模糊规则得到的结果仍然是模糊量，还要经过模糊推理算法还原为精确量

才能输出。本设计采用当今模糊控制算法的主流算法一简易模糊推理算法。对于每

个确定的输入X和Y值对应不同的模糊子集，具有不同的从属度。由此而激活的多

条模糊规则以取小的策略求出齐输出丁模糊集的从属度:

//l(r2)= ^41(X)A//Bl(y) (3-1)

“2(/2)= 01(X)人//B2(r) (3-2)

然后采用重心法(加权平均法)解模糊，求出t2的精确值：

式中：□为确左禹X/4爲臾值所对应的不同模糊子集的从属度；Tj为输出各模糊子
池=?川 (3一3)

集所对应的重心值。

3.4交叉口停车线的设计

道路平面交叉口是制约城市道路通行能力的咽喉，也是城山道路交通事故的

多发点。科学、合理地规划、设计平而交义口是城市道路交通畅通与安全的决定因

素Z-o交叉口停车线的设计受很多因素制约，从交通流通行安全性及顺畅性角度出

发，假定交叉口行人过街横道垂直丁道路中心线设置，停车线与行人过街横道线平

行。

平面交叉U停车线的平面图如图4-1：

交叉口停车线的合理位置可以通过以下三种方法来确定。

1、右转约束方程从右转车辆通行约束分析，要求在右转车俩弯曲半径小于等于20米的条件下，相邻两条行人横道线Z间的转角长度等于巧米。受交叉口相交两条道

路屮心线夹角影响，行人横道线与道路缘石线的交点位置存在两种可能，一是行
人横道线断面落在路缘石的曲线段上，二是落在直线段上。对于这二种情况，A、
D、E、II四个端点将落在弧线段上，另外四个点落在直线段上。由丁假定停车线垂直于道路中心线，因此停车线的位置是由A、H及D、EZ间的转角距离决定的。

1)当aS刃2时右转车俩约束模型为方程组(4-1)

RrxO= ly

btn _ bm sin cd sin(a -力)

(4-1)

.bin -bmx cos a
l\= bmx ctyax= ---------------------
sina

7	7 n a n4 一 0、	sin(―^―) dr = drc + 1 + R
dr(：	堆三

2)当a'刃2时右转车俩约束模型为方程组(4-2)

RrxO = I、 f — 二 几 sine sin(7r - a - a")		(4-2)
l\ =bnly<ctga[=	几—Q”xcosa sin a

dr= A + 尺x绘亍—Rrx sin(—^―)
clr= drc+ 1 + Pc
2、左转约束方程
左转车辆约束即保证交叉口每个进口道左转车辆能以大于等丁30米的半径通过交 叉口，交叉口停车线设计同时受本向左转车流及右侧进口左转进入车流约朿。本 向左转车流约朿下的停车线设计模型为方程组

d；=d；+] + Re

3、交叉口停车线模型
交叉口停车线设计要同时满足上述3个约束方程，因此设计停车线位置选取上述3个解的最大值，交叉口停车线设计模型如下：
d= max[d^d/.d,} (4-5)

通过求出的d,就可以对交叉口的停车线进行设计，并为交叉口的信号灯设计做好准备。

4基于PLC的模糊控制系统的设计实现
现代交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此其数学模型的建立非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。即使经过多次简化已建立的数学模型，它的求解还必须简化计算才能完成。所以经典控制法很难得到满意的效果。模糊控制是一种无须数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。20世纪70年代，Pappis设计了一个孤立交叉口的信号灯模糊控制器，效呆很好。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究。

4.1可编程控制器
可编程控制器(ProgmlnlnableController),乂称为可编程逻辑控制器根据国际电工委员会(IEC)在1987年的可编程控制器国际标准第三稿中，对其定义如下，

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在T业环境应用而设计的。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，

计数与算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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，都应按易于使工业控

制系统形成一个整体，易丁?扩充其功能的原则设计。

1、PLC的主耍特点
(1)可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为丁?业控制而设计，在硬件方面采用了电磁屏蔽、光电隔离、模

拟量和数字量滤波、优化电源等措施，并对元件进行了严格的筛选，在软件方而

采用了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和数据进行保护，因此，PLC具有其他工业控制设备更高的可靠性。

(2) 编程简单，使用方便
PLC采用面向过程，面向问题的“自然语言”编程，比如梯形图语言编程方式，非常直观，易懂易编，容易推广使用，现代的PLC已经使用IEC1131-3作为编
程语言标准，具有功能清晰、易于理解的特点正在被技术人员所接纳和采用。
(3)功能强大，应用灵活
PLC的基本功能包括数字和模拟量输入/输岀、算术和逻辑运算、定时、计数、步进、移位、比较、代码转换等，还能完成A/D、D/A转换、以及通讯网络、生产过程监控等功能。PLC的配置、安装、使用和维护都很简单，方便，PLC标准的积

木式结构与模块化的程序设计可以适丿应大小不同、功能复杂的控制耍求，并能适

丿应产品规格或者工艺耍求的变化，从而可以节省大量的人力和物力。

2、控制系统比较

(l)PLC与单片机控制系统比较

虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业

控制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍

较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，

所以其长处仍得不到发挥。在很大程度上，PLC是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代PLC的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置Z间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然PLC也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主耍使用汇编语言开发软件。而PLC用专用的指

令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项冃。硬件上主耍受CPU、内存容量及1/0接口的;软件上主耍受限于与CPU类型有关的编程语言。一般说来