畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的交通信號(hào)燈.doc

中北大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 引言 城市的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車擁有量的增長(zhǎng)，給交通帶來(lái)了許多問題，如交通擁堵、交通事故頻發(fā)等。作為城市交通命脈的道路阻塞會(huì)使整個(gè)城市交通陷入癱瘓。完善路網(wǎng)來(lái)緩解交通擁擠不是短時(shí)間所能解決的，目前急需做的是進(jìn)一步挖掘路網(wǎng)的潛力并改善交通現(xiàn)狀，特別是改善交通信號(hào)控制?？梢?，研制一種高效的智能交通控制系統(tǒng)是很有必要的，因此，城市交通的智能控制目前已成為國(guó)內(nèi)外交通工程界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，最大程度地提高十字路口的通行能力，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活提供一個(gè)安全、暢通、高效的交通環(huán)境已成為必然1。1.1 交通信號(hào)燈的產(chǎn)生自從有鐵路以來(lái)，就出現(xiàn)了為沿某段軌道行駛的列車顯示是否安全的信號(hào)了。1868年，發(fā)明家jp奈特產(chǎn)生了將這些信號(hào)應(yīng)用在道路的想法。他在倫敦的議會(huì)大樓外設(shè)置了第一個(gè)交通信號(hào)。它們像鐵路信號(hào)一樣有一個(gè)傾側(cè)臂，并且將紅色和綠色的煤氣燈組合起來(lái)供夜晚使用的。然而，當(dāng)某個(gè)信號(hào)燈發(fā)生爆炸并炸死了一名警察后，這個(gè)計(jì)劃就告吹了。由于汽車的發(fā)明以及交通量的不斷增加，交通信號(hào)日益成為一種需要，特別是在美國(guó)。20世紀(jì)初，阿爾弗雷德貝尼施開發(fā)出一種紅綠燈系統(tǒng)，并且在俄亥俄州的克利夫蘭進(jìn)行了第一批安裝。4年后，在設(shè)置于紐約的交通燈上又增加了第3種顏色琥珀色。1925年，交通信號(hào)重新出現(xiàn)在英國(guó)。1926年英國(guó)人首次采用自動(dòng)化的交通信號(hào)控制器來(lái)控制交通信號(hào)燈。早期使用的交通信號(hào)燈對(duì)于安全疏導(dǎo)交叉口的車輛交通起到了良好的作用，但因?yàn)槠涔潭ǖ闹芷陂L(zhǎng)和紅綠燈時(shí)間控制效果不佳，隨著城市交通的飛速發(fā)展，交叉口處的交通沖突也越來(lái)越復(fù)雜。早期使用的交通信號(hào)燈越來(lái)越難以勝任日趨復(fù)雜的交通控制任務(wù)了。同時(shí)，隨著人類科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，相應(yīng)地產(chǎn)生了符合多種時(shí)間分離方法的多樣化的現(xiàn)代化交通信號(hào)燈，學(xué)者們也提出了一些信號(hào)控制方案，例如定時(shí)控制、感應(yīng)控制等2。1930年，美國(guó)鹽湖市開始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)把相鄰的幾個(gè)交叉路口作為一個(gè)整體，以人工方式集中控制，這種控制系統(tǒng)也就是當(dāng)今協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的雛形。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，交通感應(yīng)路口控制機(jī)開始在美國(guó)使用，這種控制機(jī)當(dāng)時(shí)只用在單個(gè)交叉路口，其最大優(yōu)點(diǎn)是能根據(jù)交通檢測(cè)器測(cè)量的交通數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整交通控制方案，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，1963年，加拿大多倫多市建立了一套由jbm650型計(jì)算機(jī)控制的交通信號(hào)系統(tǒng)是基于模糊邏輯的路口交通燈控制算法，這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。該系統(tǒng)第一次把計(jì)算機(jī)技術(shù)用于交通控制，大大提高了控制系統(tǒng)的性能和水平。到80年代初，世界上己有大約250個(gè)的城市建立了區(qū)域交通控制系統(tǒng)，對(duì)城市交通進(jìn)行整體集中控制。1969年英國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)的區(qū)域控制系統(tǒng)優(yōu)化程序transyt(traffic network study tools)被世界各國(guó)廣泛采用，對(duì)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。1979年英國(guó)道路和運(yùn)輸研究所研制成功了scoot系統(tǒng)，與此同時(shí)澳大利亞推出了scai系統(tǒng)。這些實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的誕生在交通控制發(fā)展史上是一個(gè)偉大的創(chuàng)舉，他們可以根據(jù)檢測(cè)器測(cè)量的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，聯(lián)機(jī)生成配時(shí)方案，同時(shí)不斷修正控制參數(shù)，以適應(yīng)交通流的動(dòng)態(tài)隨機(jī)變化，因此有較高的控制精度和較好的響應(yīng)速度。這些系統(tǒng)己經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家的城市網(wǎng)絡(luò)交通控制中獲得了成功的應(yīng)用。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們提出了一些智能控制的方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等。這些技術(shù)的應(yīng)用都不同程度的縮減了車輛延誤、提高了道路的通行能力、改善了交通環(huán)境3。 現(xiàn)代交通信號(hào)常常由電腦來(lái)控制。電腦與道路底下的交通檢測(cè)器相連接，監(jiān)視交通流量并測(cè)算出改變燈光的最佳時(shí)間。1.2 國(guó)內(nèi)外交通問題的現(xiàn)狀在國(guó)外，特別是西方國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的較快，早在60年代，交通問題便日漸突出。據(jù)一項(xiàng)對(duì)美國(guó)主要城市交通狀況的調(diào)查結(jié)果，在1982年至2000年間，美國(guó)城市在上下班高峰期間的交通堵塞狀況不斷加劇，由交通堵塞造成的時(shí)間和汽油浪費(fèi)而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)680億美元。一位在美國(guó)市區(qū)駕車上班者在2000年全年平均在路上遇到塞車的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)62小時(shí)。根據(jù)歐美的經(jīng)驗(yàn)，交通擁擠造成負(fù)面影響中，交通事故、汽油過(guò)量和時(shí)間成本約各占三成4。我國(guó)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較晚，汽車擁有量相對(duì)較少，在改革開放前及初期，這一問題并不嚴(yán)重，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛的增多，在80年代中期，特別是進(jìn)入90年代以來(lái)，我國(guó)的交通狀況日漸惡化，交通擁擠日益嚴(yán)重，特別是一些大中城市，交通擁擠己成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。以北京市為例，交通問題己成為影響城市正常功能發(fā)揮和城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)全局性問題。城區(qū)主要道路的平均負(fù)荷度高達(dá)95%以上。交通擁擠的加劇，不僅造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，發(fā)展嚴(yán)重甚至?xí)?dǎo)致城市功能的癱瘓。交通擁擠不僅使交通延誤增大，行車速度降低，帶來(lái)時(shí)間損失，而且低速行駛增加耗油量，導(dǎo)致燃料費(fèi)用增加、能源的浪費(fèi)；汽車尾氣排放增加而造成環(huán)境質(zhì)量惡化，據(jù)科學(xué)家測(cè)定，大氣中所含一氧化碳的75%、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锏?0%來(lái)源于汽車的排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)北京市僅來(lái)自汽車排放的尾氣中的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物分別占北京大氣污染物的63%、73%和22%，是北京大氣中的主要污染源；因交通問題而引起的環(huán)境問題同樣己成為人類社會(huì)的公害之一。此外，交通擁擠使交通事故增多，而交通事故的發(fā)生又造成交通擁擠加劇，從而形成惡性循環(huán)。 幾十年來(lái)，盡管世界各國(guó)采取了各種各樣的對(duì)策，但城市交通問題一直沒有很好地解決，在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，僅僅依靠單純的修建道路，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通壓力，特別是在交通問題嚴(yán)重的市區(qū)，由于建筑格局己比較固定，進(jìn)行大的道路建設(shè)往往是不可能的，在這種情況下，利用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)、通信、控制等手段解決交通問題成為必然的選擇5。1.3 解決城市交通的有效途徑發(fā)展智能化交通傳統(tǒng)交通信號(hào)控制策略存在的主要問題：目前的交通信號(hào)控制方法主要包括定時(shí)信號(hào)控制和感應(yīng)式信號(hào)控制方法。其中，定時(shí)信號(hào)控制作為較為簡(jiǎn)單的信號(hào)控制方法，同時(shí)控制效果也較差。對(duì)于感應(yīng)式信號(hào)控制，特別是應(yīng)用較為廣泛的區(qū)域感應(yīng)式信號(hào)控制系統(tǒng)，如sco0t、scats等，比定時(shí)信號(hào)控制來(lái)說(shuō)是交通信號(hào)控制上的一大進(jìn)步，在很大程度上有效地減小了交通擁擠，大大提高了交通控制能力，為現(xiàn)代城市進(jìn)行交通控制作出了重要貢獻(xiàn)。然而，這些系統(tǒng)本身所固有的缺陷，往往又很難真正滿足交通控制的需要，與理論上的控制效果相差較遠(yuǎn)。從80年代以來(lái)，我國(guó)北京、上海、深圳、沈陽(yáng)等城市先后從國(guó)外分別引進(jìn)了該類系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身所存在的上述問題，加之我國(guó)車流組成復(fù)雜，各種類型的車輛相互混雜，并且存在著自行車流與機(jī)動(dòng)車相互干擾等的特殊情況，因此，控制效果更不理想。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論和控制方法的不斷發(fā)展，人們對(duì)交通控制技術(shù)提出了更高的要求。采用新的人工智能技術(shù)進(jìn)行交通控制，己成為現(xiàn)代交通控制發(fā)展的必然的要求。城市交通矛盾的日益突出，已開始影響城市的發(fā)展，為了解決這個(gè)問題，專家提出了許多建議，如限制私人購(gòu)車，增加道路寬度，建立交橋，發(fā)展城市軌道交通等等。這些措施和辦法雖然短期內(nèi)也能緩解交通壓力，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，城市的空間畢竟是有限的，這些辦法除了需要大量的資金支持外，還要付出慘重的代價(jià)。特別是像北京這樣的著名歷史文化古城，一味地?cái)U(kuò)展路面，不僅使古建筑和古跡遭到破壞，也破壞了城市獨(dú)有特征。那么解決城市擁堵的最科學(xué)又行之有效的途徑在哪里呢？最行之有效的良方或許就是大力發(fā)展智能化交通。智能化交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、電子通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等綜合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸方式和交通管理的現(xiàn)代化。智能化交通管理體系在國(guó)外已經(jīng)有了40多年的發(fā)展歷史，是目前發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用的交通管理方式，這種方式是在發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，對(duì)所轄區(qū)域的交通流量實(shí)施有效控制，使有限的交通網(wǎng)絡(luò)功能得到充分合理的利用，極大發(fā)揮城市的載體功能。20世紀(jì)90年代中期后，歐、美發(fā)展智能化交通明顯加快。主張采用智能交通系統(tǒng)的人士說(shuō)，這種技術(shù)將大大提高交通效率而節(jié)省大量的燃料和時(shí)間；除此之外，智能交通系統(tǒng)能夠減少交通事故，減少因事故造成的部分經(jīng)濟(jì)損失。此外，發(fā)展智能交通對(duì)交通安全、節(jié)省能源、城市環(huán)保等方面還有無(wú)窮妙用6。1.4 智能交通系統(tǒng)1.4.1 智能交通系統(tǒng)背景隨著城市交通的不斷發(fā)展和汽車化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致了交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通環(huán)境惡化。當(dāng)前，交通問題已成為世界范圍內(nèi)制約城市發(fā)展的棘手問題，人們對(duì)交通需求的持續(xù)增長(zhǎng)和交通設(shè)施供給之間的矛盾日益突出。解決這一矛盾，一方面措施是加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高交通供給水平；另一個(gè)措施是改善城市布局，實(shí)施有效的交通管理，抑制交通需求。無(wú)疑，緩解交通問題的最直接和最有效辦法是進(jìn)行大量道路建設(shè)以滿足高速增長(zhǎng)的交通需求。但從資金、土地和城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度來(lái)看，通過(guò)無(wú)限制修建道路來(lái)滿足交通需求并不可行。與此同時(shí)，通過(guò)限制車輛增加以達(dá)到削減交通需求的目的，也受到客觀因素的制約而無(wú)法取得滿意的效果。事實(shí)上，由于交通系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的大系統(tǒng)，無(wú)論單獨(dú)從車輛方面考慮還是從道路方面考慮，都很難從根本上解決問題。此外，交通對(duì)能源的消耗和對(duì)城市環(huán)境的污染問題日益為人們所關(guān)注，其嚴(yán)重性為人們所認(rèn)識(shí)。在這種交通背景下，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，把車流輛和道路綜合起來(lái)考慮，運(yùn)用各種高科技技術(shù)系統(tǒng)地解決道路交通問題的思想就應(yīng)運(yùn)而生了，這就是智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是現(xiàn)代交通管理與控制中更先進(jìn)和更高級(jí)的形式，代表了現(xiàn)代交通管理的更高水平。智能交通系統(tǒng)是一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通管理系統(tǒng)，是檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)在交通管理與控制中綜合應(yīng)用的體現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)的主要目標(biāo)可以概括為：保障交通安全、提高交通效率、改善城市環(huán)境、降低能源消耗。智能交通系統(tǒng)的主要功能體現(xiàn)在智能化地收集交通信息及其他各類相關(guān)信息加以分析處理，并將注釋的信息反饋給系統(tǒng)的操作者或駕駛員。借助于這樣的交通信息，系統(tǒng)操作者和車輛駕駛員能迅速做出反應(yīng)，采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，使交通狀況得到改善5。1.4.2 現(xiàn)有智能交通控制的不足智能控制能夠適應(yīng)交通系統(tǒng)復(fù)雜多變的局面，可獲得比傳統(tǒng)的定時(shí)控制、感應(yīng)式控制方法更好的控制效果，必將成為未來(lái)交通控制的主要形式。但在控制策略的運(yùn)用與理解上仍存在著許多不足之處。因此，如何在交通控制中更充分地發(fā)揮模糊控制的特點(diǎn)，還需要進(jìn)一步深入地研究。 當(dāng)前基于模糊控制的智能交通控制研究的主要不足之處表現(xiàn)在：（1）主要局限于簡(jiǎn)單交叉口單向車流的研究。（2）大多僅考慮兩個(gè)方向的直行交通流，而忽略左轉(zhuǎn)車流的影響。（3）進(jìn)行模糊控制時(shí)，模糊變量的選取比較簡(jiǎn)單，不能綜合考慮各條車道、不同行駛方向交通流的差異變化。（4）決策過(guò)程也不能完全體現(xiàn)交警進(jìn)行信號(hào)控制的實(shí)際狀況。（5）信號(hào)相位的選擇單一、靈活性差，雖然有些系統(tǒng)也進(jìn)行了多相位控制策略的研究，但卻不具備靈活的相位轉(zhuǎn)換能力7。1.4.3 智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著城市交通的發(fā)展，交通量的增大，多相位路口的信號(hào)控制將逐漸成為主流，所以今后研究的重點(diǎn)將是多相位控制。可以通過(guò)模擬有經(jīng)驗(yàn)的交通警察指揮多相位交叉口的經(jīng)驗(yàn)，得出多相位控制的基本原理：在某一相位放行的過(guò)程中除了盡快消除當(dāng)前通行的車隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)外，還需要不斷觀察下一相位車道上的車隊(duì)長(zhǎng)度，綜合考慮是否把通行權(quán)交給下一個(gè)相位。因此把隊(duì)長(zhǎng)作為控制目標(biāo)，綜合考慮各車道上的隊(duì)長(zhǎng)，以此決定綠燈信號(hào)分配的方法更接近人的決策過(guò)程8。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)學(xué)習(xí)給定的有經(jīng)驗(yàn)的訓(xùn)練集生成映射規(guī)則，但在網(wǎng)絡(luò)中映射規(guī)則是不可見和難于理解的。而模糊理論沒有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，使用者難以確定和校正模糊規(guī)則。隨著交通控制技術(shù)智能化的不斷提高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的交叉綜合是90年代智能控制的研究熱點(diǎn)，利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)進(jìn)行交叉口信號(hào)燈控制能取得比定時(shí)控制與感應(yīng)控制更好的效果，將是今后單交叉口信號(hào)燈控制的主要研究方向。在交通控制中，配時(shí)方案的優(yōu)化是非常關(guān)鍵的一步。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法還無(wú)找到它的全局最優(yōu)解。遺傳算法是一種基于自然選擇和進(jìn)化的搜索技術(shù)，因而在優(yōu)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，將模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等多種智能控制方法綜合集成，將是今后智能控制發(fā)展的一個(gè)方向。深人開展這種多學(xué)科的交叉綜合研究，將有助于智能控制理論的發(fā)展，使智能控制的理論及應(yīng)用研究更為深人，更有實(shí)際價(jià)值。 面向中國(guó)城市交通情況和功能需求，開發(fā)研究新一代的實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制與管理系統(tǒng)，成為中國(guó)城市交通控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。自適應(yīng)控制系統(tǒng)被認(rèn)為實(shí)用性最強(qiáng)、是發(fā)展先進(jìn)的交通管理系統(tǒng)(atms)的最佳基礎(chǔ)。因此，自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)將是未來(lái)一個(gè)階段交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)于單點(diǎn)控制，當(dāng)交叉口處于過(guò)飽和或者近飽和狀況時(shí)，無(wú)論多么智能的控制系統(tǒng)也將無(wú)能為力，仍然需要交通警察的指揮來(lái)疏導(dǎo)交通。問題在于超長(zhǎng)排隊(duì)會(huì)導(dǎo)致交叉口的癱瘓，僅靠單個(gè)路口來(lái)盡快消散排隊(duì)是不可能的。城市交通控制研究的新發(fā)展還體現(xiàn)在城市交通網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面：區(qū)域交通信號(hào)燈和城市高速公路匝道口的新的控制方法上；實(shí)現(xiàn)區(qū)域和高速公路的集成控制；采用動(dòng)態(tài)路由導(dǎo)航與交通網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)合；實(shí)現(xiàn)先進(jìn)車輛控制系統(tǒng)avcs為主的智能運(yùn)輸系統(tǒng) (its)；實(shí)現(xiàn)atms和atis為主的城市多智能體交通控制系統(tǒng)；以及一些輔助的交通策略如道路自動(dòng)計(jì)費(fèi)、公共交通優(yōu)先權(quán)等。從城市交通控制的發(fā)展歷史和未來(lái)社會(huì)對(duì)城市交通的要求來(lái)看，實(shí)現(xiàn)城市整體交通網(wǎng)絡(luò)智能化控制將是發(fā)展的必然。智能交通系統(tǒng)的未來(lái)研究方向應(yīng)更重視人的能動(dòng)性，提供各種各樣的信息，從不同的方案中選擇最符合實(shí)際情況的一種。因此，智能交通系統(tǒng)的最終目標(biāo)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合管理系統(tǒng)，使人、車、路密切地配合，和諧的統(tǒng)一。1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容由于交通流量是時(shí)變的、非線性的，具有較大的隨機(jī)性，并且很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)前后車流量來(lái)決定信號(hào)燈配時(shí)的模糊控制系統(tǒng)，其主要內(nèi)容如下:（1）對(duì)十字路口交通信號(hào)燈控制問題、智能控制系統(tǒng)組成等進(jìn)行描述。（2）設(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)。（3）學(xué)習(xí)三菱公司fx2n系列plc的原理以及程序設(shè)計(jì)。（4）在plc上編程實(shí)現(xiàn)此模糊控制系統(tǒng)。（5）完成硬件電路的焊接。2 模糊控制2.1 模糊控制理論概述2.1.1 模糊控制的背景有時(shí)，人們難以用精確的概念來(lái)描述事物，例如，可以按身高把人分為“高”與“不高”兩類，但是難以給出精確的度量來(lái)區(qū)分“高”與“不高”。因此，一個(gè)事物只用真假兩個(gè)值來(lái)劃分并不能描述某些事物的狀態(tài)以及他們之間的關(guān)系。模糊邏輯就是在這種條件下形成和發(fā)展的。經(jīng)典邏輯對(duì)于自然界普遍存在的非真非假現(xiàn)象是無(wú)法進(jìn)行處理的。因此，對(duì)于含有模糊概念的對(duì)象，只能用基于模糊集合的模糊邏輯系統(tǒng)來(lái)描述。模糊邏輯是研究含有模糊概念或帶有模糊性的陳述句的邏輯。而模糊系統(tǒng)是由那些模糊現(xiàn)象引起的不確定性系統(tǒng)。也就是說(shuō)一個(gè)模糊系統(tǒng)，它的狀態(tài)或輸入、輸出具有模糊性9。自從加利福尼亞大學(xué)教授扎德 (l.a.zadeh)提出了模糊集合的概念之后，模糊理論得到了飛速的發(fā)展，并應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科，產(chǎn)生了模糊識(shí)別、模糊控制等一系列前沿學(xué)科。到1974年momdoni成功地研制出第一臺(tái)模糊控制器，從此模糊理論從一種思維方式變成了控制理論中的一種具體應(yīng)用。模糊控制理論的提出，是現(xiàn)代控制理論、人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要突破，它實(shí)際上是對(duì)人類長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)自然界中一些復(fù)雜的、不確定的、無(wú)法用現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具進(jìn)行描述的對(duì)象進(jìn)行定量的模糊的描述和控制。模糊控制與傳統(tǒng)控制的根本不同在于模糊控制不需要對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此，可以有效地克服對(duì)象數(shù)學(xué)模型建立上所遇到的非線性、時(shí)變性、滯后性等問題，先進(jìn)的模糊控制器還具有參數(shù)優(yōu)化、模糊規(guī)則的自整定、自學(xué)習(xí)、自組織功能。所以模糊控制理論的發(fā)展是控制理論領(lǐng)域認(rèn)識(shí)思維的改變，是模仿人腦中固有的“模糊”思維的結(jié)晶，是又一次飛躍。經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期研究和實(shí)踐形成的經(jīng)典控制理論，對(duì)于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，但對(duì)于非線性時(shí)變系統(tǒng)卻難以奏效，隨著計(jì)算機(jī)尤其是微機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)代控制對(duì)于解決非線性、定長(zhǎng)或時(shí)變的多輸入多系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是無(wú)論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論在設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，都需要事先知道被控對(duì)象(或生產(chǎn)過(guò)程)精確的數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型很難建立。對(duì)于一些變量多，各種參數(shù)存在時(shí)變性，且具有非線性，強(qiáng)藕合等特點(diǎn)的系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學(xué)模型非常困難，難以進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行手動(dòng)控制，卻能收到滿意的效果。通常將人的控制行為用語(yǔ)言加以描述，總結(jié)成一系列條件語(yǔ)句，即控制規(guī)則。在描述控制規(guī)則的條件語(yǔ)句中的一些詞，如“較大”、“稍小”、“偏高”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合來(lái)描述這些模糊條件語(yǔ)句，即組成了所謂的模糊控制器。2.1.2 模糊控制的特點(diǎn)模糊控制的特點(diǎn)如下： (l) 模糊控制系統(tǒng)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，特別適宜于很難獲得準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)(或過(guò)程)與模糊對(duì)象。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論解決控制問題時(shí)首先要建立基于傳遞函數(shù)或者狀態(tài)方程的被控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在很多控制問題中，這種數(shù)學(xué)模型可能不存在或不完整。其原因在于系統(tǒng)本身由于滯后、時(shí)變、強(qiáng)非線性、多擾動(dòng)等因素非常復(fù)雜，其控制過(guò)程還沒有被人類完全認(rèn)識(shí)。即使是建立了數(shù)學(xué)模型，由于利用了參數(shù)線性化處理、高階系統(tǒng)的降階處理、大系統(tǒng)的分割處理、參數(shù)估計(jì)的誤差忽略處理等手段，所以模型難以表達(dá)系統(tǒng)特性，控制精度受到影響，一些自動(dòng)控制系統(tǒng)甚至不如手動(dòng)控制。而模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，只是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，把人的控制規(guī)則模型化，模擬人的控制過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 (2) 模糊控制中的知識(shí)表述、模糊規(guī)則和合成推理是基于專家知識(shí)或者熟練操作者的成熟經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)學(xué)習(xí)可不斷更新，因此它具有智能性和自學(xué)習(xí)性。 (3) 模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以計(jì)算機(jī)(微機(jī)、單片機(jī)等)為主體，因此它兼有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，如具有數(shù)字控制的精確性與軟件編程的柔軟性等。 (4) 模糊控制系統(tǒng)具有極好的穩(wěn)定性和魯棒性。模糊控制由于對(duì)數(shù)據(jù)的描述上采用了隸屬函數(shù)的方法，在控制規(guī)則的生成上基于人工控制的經(jīng)驗(yàn)，模擬了人腦的模糊判斷，故控制過(guò)程中幾個(gè)規(guī)則的失效對(duì)控制特性影響極小。由于模糊控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的低敏感性，避免了常規(guī)控制系統(tǒng)中控制參數(shù)或系統(tǒng)參數(shù)變化引起整個(gè)系統(tǒng)失靈的問題。 (5) 模糊控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便。模糊控制由于是從控制過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，建立基于人類語(yǔ)言信息的控制規(guī)則，所以使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在改善系統(tǒng)性能時(shí)，模糊控制不像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)那樣只能調(diào)節(jié)個(gè)別參數(shù)，它可以通過(guò)改變控制規(guī)則、隸屬函數(shù)、推理方法、決策方法等多個(gè)途徑進(jìn)行調(diào)試，增加了高度的靈活性。 (6) 對(duì)控制對(duì)象的干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。 (7) 模糊控制系統(tǒng)的人機(jī)界面具有一定程度的友好性，它對(duì)于有一定操作經(jīng)驗(yàn)但對(duì)控制理論不熟悉的工作人員來(lái)說(shuō)，很容易掌握，并且易于使用“語(yǔ)言”進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，更好的為操作者提供控制信息10。 正是由于模糊控制的上述特點(diǎn)，使其在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2.1.3 模糊集合和隸屬函數(shù) 一般地，給定一個(gè)論域，把具有某種確定性質(zhì)且彼此可以區(qū)別的對(duì)象組成的一個(gè)整體稱為集合。若用a代表論域x中的一個(gè)集合，x表示論域中一個(gè)元素，則把x屬于a記為;否則x不屬于a，記為。即論域中的任一元素，要么屬于某個(gè)集合，要么不屬于該集合，決不會(huì)出現(xiàn)含混不清的情況。然而現(xiàn)實(shí)生活中時(shí)刻存在著模糊概念，如“運(yùn)行狀況良好”、“水溫有點(diǎn)高”等，它們的邊界都是不明確的。模糊集合的概念和普通集合的概念主要區(qū)別是不能絕對(duì)的用屬于或不屬于來(lái)描述，也即論域上的元素符合概念的程度不是絕對(duì)的0或1，而是介于0和1之間的一個(gè)實(shí)數(shù)。模糊集合定義為：給定論域x中的一個(gè)模糊集合，是指對(duì)任意x，都為其指定一個(gè)數(shù)0，1與之對(duì)應(yīng)，這個(gè)數(shù)稱為x的隸屬度。由模糊集合的定義可知，論域x上的模糊子集完全由隸屬函數(shù)來(lái)刻劃。它的取值范圍為閉區(qū)間0，1。x的值越接近l，表示x從屬于的程度很高；x的值越接近0，則表示x從屬于的程度很低。當(dāng)值域?yàn)?，1時(shí)，隸屬函數(shù)已蛻化成一個(gè)普通集合的特征函數(shù)，模糊集合也就蛻變成為一個(gè)普通集合。由此不難看出，普通集合是模糊集合的一種特殊形式，即模糊集合是普通集合概念上的推廣，隸屬函數(shù)則是特征函數(shù)的擴(kuò)展，特征函數(shù)是隸屬函數(shù)的一個(gè)特例11。2.2 模糊控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系2.2.1 模糊控制理論模糊控制理論是建立在扎德的模糊集合和模糊推理的基礎(chǔ)上。扎德在1965年把普通集合中的絕對(duì)隸屬關(guān)系加以推廣，提出模糊集合的概念。絕對(duì)集合隸屬關(guān)系中隸屬度只能取“0”和“1”兩個(gè)值，即“是”和“非”。對(duì)于一個(gè)手畫的圓來(lái)說(shuō)只是“是圓”或“不是圓”兩個(gè)選擇。而模糊集合隸屬函數(shù)可以取0，1中的任何值，隸屬度越接近1，表示該點(diǎn)隸屬模糊集合的程度越高，否則越低。對(duì)于一個(gè)手畫的圓來(lái)說(shuō)，隸屬度就表示該圓有幾分像圓。在模糊集合的基礎(chǔ)上扎德又推出模糊推理方法，這種推理方法是模擬人的日常推理的一種近似推理，它是以一個(gè)模糊推理規(guī)則出現(xiàn)，它是一組類似于“如果，則”的模糊推理語(yǔ)句。模糊控制理論是以扎德的模糊集合論為數(shù)學(xué)依據(jù)，它將模糊推理語(yǔ)句演變成模糊控制規(guī)則，用于運(yùn)算和推理。如圖2.1為一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的方框圖。圖2.1 工業(yè)控制系統(tǒng)方框圖模糊控制器的作用與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中控制器的作用相同。一個(gè)模糊控制器通常有三部分組成；(一)模糊化：由于實(shí)際中輸入值通常是連續(xù)變化的，所以必須將輸入量變化范圍由相關(guān)專家評(píng)定來(lái)分成有限個(gè)級(jí)別，以便使輸入量對(duì)應(yīng)有限個(gè)模糊集。再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以求出輸入變量對(duì)各模糊集合的隸屬度，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量的值，完成了模糊化的工作。輸入變量的值在內(nèi)部論域時(shí)是普通數(shù)值，經(jīng)過(guò)模糊化以后變?yōu)?，1區(qū)間內(nèi)的隸屬度。定義模糊集隸屬函數(shù)通常采用三角形模糊數(shù)與梯形模糊數(shù)。(二)模糊算法：通常是模糊推理規(guī)則，它是由若干個(gè)語(yǔ)句組成的表，例如：若p則q，若p或q則s，若a則b，否則c等。每一條語(yǔ)句都對(duì)應(yīng)不同實(shí)際情況的一個(gè)模糊關(guān)系，各模糊關(guān)系的并集即為總的模糊關(guān)系。(三)解模糊：根據(jù)給定的模糊算法，對(duì)輸入的模糊量進(jìn)行運(yùn)算，從而進(jìn)行判定，即將模糊集合映射到普通集合，從而可得到輸出的確定量。假如對(duì)燒制陶瓷的過(guò)程，我們可以首先將制陶師傅的經(jīng)驗(yàn)和整個(gè)燒制過(guò)程進(jìn)行模糊化，將過(guò)程中的人腦的推理歸納成一組條件語(yǔ)句，制成模糊控制規(guī)則。在實(shí)際過(guò)程中，模糊控制器根據(jù)輸入的模糊量，按照模糊控制規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算、推理、判斷，最終給出控制量?？梢娔：刂破髂芨鶕?jù)人的經(jīng)驗(yàn)，模仿人的策略、指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。解模糊的過(guò)程是模糊化的反過(guò)程，它是在模糊推理結(jié)果的基礎(chǔ)上產(chǎn)生輸出控制量的數(shù)值。被控對(duì)象只能接受一個(gè)精確的控制量，因此必須從決策值模糊集中判決出一個(gè)確切的清晰量。解模糊的過(guò)程就是將模糊推理得到的模糊集合映像到輸出量的普通集合的過(guò)程，即是從一個(gè)模糊量變?yōu)榍逦康倪^(guò)程。解模糊的方法有最大隸屬度法、取中位數(shù)法、加權(quán)平均法。（1）最大隸屬度法它是在輸出模糊集合中選取隸屬度最大的論域元素為判決結(jié)果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是它概括的信息量教少，引起一定的不精確性。如果在多個(gè)論域元素上同時(shí)出現(xiàn)隸屬度最大值，不能唯一確定，這時(shí)就應(yīng)用平均最大隸屬度法。（2）平均最大隸屬度法平均最大隸屬度法取所有達(dá)到控制作用隸屬函數(shù)最大值的點(diǎn)的平均值作為判決結(jié)果。（3）加權(quán)平均法 此法又稱重心法，就是取輸出模糊集合隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成面積的重心相應(yīng)的輸出當(dāng)作精確值的輸出。有兩種形式：普通加權(quán)平均法和算術(shù)加權(quán)平均法。（4）取中位數(shù)法 取中位數(shù)法把控制作用模糊集的隸屬函數(shù)與橫坐標(biāo)所圍成的面積分為左右兩等份，取平分的點(diǎn)為判決結(jié)果。選擇反模糊算法，現(xiàn)在還沒有一個(gè)系統(tǒng)的規(guī)范方法或原則12。 在實(shí)際應(yīng)用中，重心法采用較多，一些研究試驗(yàn)結(jié)果顯示重心法能給出較好的結(jié)果，有較好的穩(wěn)定性，它的輸出是連續(xù)的而不是跳躍的。所以，本文的解模糊判決采用的是重心法?？陀^事物的復(fù)雜性，特別在隨機(jī)干擾情況下，人們對(duì)控制經(jīng)驗(yàn)和信息往往缺乏認(rèn)識(shí)，因此很難得到比較完善的模糊控制規(guī)則。即使得到一些比較完善的規(guī)則，由于環(huán)境等多種因素的影響，致使原有的規(guī)則不能運(yùn)用，這就迫使人們不得不去研究具有能夠在線自動(dòng)修改、完善和調(diào)整的模糊控制器，以使控制系統(tǒng)的性能不斷完善。這種具有自組織功能的模糊控制器稱為自組織模糊控制器，它是目前糊控制器研究的一個(gè)新領(lǐng)域。2.2.2 模糊控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系模糊控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系也是辯證的關(guān)系。首先模糊控制是在傳統(tǒng)控制在一定的應(yīng)用領(lǐng)域束手無(wú)策時(shí)另辟蹊徑產(chǎn)生的，但這并不能認(rèn)為模糊控制就可以取代以往的傳統(tǒng)控制，它們之間是相互滲透，相互彌補(bǔ)，協(xié)同發(fā)展的。在模糊控制理論從簡(jiǎn)單模糊控制到復(fù)雜模糊控制的發(fā)展過(guò)程中，吸收了傳統(tǒng)控制中許多方法，如pid控制、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制方法等，從而形成了自身的一套體系。而在傳統(tǒng)控制中也引入了許多模糊控制的思想，這兩種思維方式的相互融和，標(biāo)志著控制論的成熟性更強(qiáng)、適應(yīng)性更廣，也標(biāo)志著控制論中思維方式的先進(jìn)性和成熟性進(jìn)入了更高的階段。在傳統(tǒng)控制理論產(chǎn)生之前，人們對(duì)控制的認(rèn)識(shí)是不清楚的，含糊的，為了達(dá)到生產(chǎn)的自動(dòng)化，人們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，即對(duì)控制過(guò)程尋求一個(gè)精確的、定量的運(yùn)算和控制，古典控制理論的誕生可以說(shuō)是人類開啟知識(shí)寶庫(kù)的一把金鑰匙。隨著航天技術(shù)、大信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜的不確定性將傳統(tǒng)的控制方法逼進(jìn)了死胡同，模糊控制系統(tǒng)重新發(fā)掘和發(fā)展是人們認(rèn)識(shí)上的又一次轉(zhuǎn)變。人們的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)模糊精確模糊的過(guò)程。總之，模糊控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展，不是用模糊性完全取代精確性，而是承認(rèn)精確性向模糊性的逼近，是模糊思維在控制理論領(lǐng)域的重現(xiàn)。它是溝通人類模糊化自然思維和機(jī)械的精確思維之間的科學(xué)橋梁，它為我們解決巨大系統(tǒng)、人機(jī)系統(tǒng)和人工智能等問題提供了有效的工具和手段13。2.3 交通燈系統(tǒng)運(yùn)用模糊控制的原因交通系統(tǒng)是一個(gè)具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，因此其數(shù)學(xué)模型的建立非常困難，有的甚至無(wú)法用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)方法加以描述。即使經(jīng)過(guò)多次簡(jiǎn)化己建立的數(shù)學(xué)模型，它的求解還須簡(jiǎn)化計(jì)算才能完成。所以經(jīng)典控制法很難取得滿意的效果。模糊控制主要模擬人的思維，推理，判斷的一種方法，它將人的經(jīng)驗(yàn)常識(shí)等用自然語(yǔ)言表示出來(lái)，建立一種適合于計(jì)算機(jī)處理的輸入輸出過(guò)程模型，它是智能控制的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。在交通控制領(lǐng)域，它能模仿有經(jīng)驗(yàn)的交警指揮交通時(shí)的思路，取得很好的控制效果。近年來(lái)我國(guó)的許多學(xué)者也都以不同的思路對(duì)單個(gè)十字路口，交通干線的模糊控制進(jìn)行了研究4。3 智能交通燈的硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件器件的簡(jiǎn)介3.1.1 三菱fx2n-32mt型plc可編程控制器又稱為可編程邏輯控制器(prgrammable logic controller)。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(iec)在1987年的可編程控制器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)第三稿中，對(duì)其定義如下：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)14。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(dec)研制出第一臺(tái)plc，在美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種新型的工業(yè)控制裝置以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，很快地在美國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。到1971年，己經(jīng)成功地應(yīng)用于食品、飲料、冶金、造紙等工業(yè)。雖然plc問世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步，plc也迅速發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程大致可分四代：第一代在1969-1972年。這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品，cpu由中小規(guī)模集成電路組成，存儲(chǔ)器為磁芯存儲(chǔ)器。第二代在1973-1975年。這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品已開始使用微處理器作為cpu，plc(可編程邏輯控制器)成為真正意義上的pc(可編程控制器)(尚未正式命名)，而存儲(chǔ)器采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。其功能上有所增加，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字運(yùn)算、傳送、比較等功能，并初步具備自診斷功能，可靠性有了一定提高。第三代在1976-1983年。這個(gè)時(shí)期，plc進(jìn)入了大發(fā)展階段，美國(guó)、日本、原西德各有幾十個(gè)廠家生產(chǎn)plc。這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品己采用8位和16位微處理器作為cpu，部分產(chǎn)品還采用了多微處理器結(jié)構(gòu)。其功能顯著增強(qiáng)，速度大大提高，并能進(jìn)行多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，具備完善的通訊功能和較強(qiáng)的遠(yuǎn)程控制能力，具有較強(qiáng)的自診斷功能并采用了容錯(cuò)技術(shù)。第四代為1983年到現(xiàn)在。這個(gè)時(shí)期的產(chǎn)品除采用16位以上的微處理器作為cpu外，內(nèi)存容量更大，有的已達(dá)數(shù)兆字節(jié)；可以將多臺(tái)plc鏈接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)資源共享；可以直接用于一些規(guī)模較大的復(fù)雜控制系統(tǒng)；編程語(yǔ)言除了可使用傳統(tǒng)的梯形圖、流程圖等，還可使用高級(jí)語(yǔ)言；外設(shè)多樣化，可以配置打印機(jī)等 15。第一代plc功能太弱，已基本淘汰；第四代plc面向復(fù)雜大型系統(tǒng)，應(yīng)用還不廣泛。目前，在各行業(yè)應(yīng)用最多的是第二、三代產(chǎn)品。另外，在plc的發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)生了三類按1/0點(diǎn)分類的plc：小型、中型、大型。一般小于256點(diǎn)為小型(小于64為超小型或微型plc)?？刂泣c(diǎn)不大于2048點(diǎn)為中型plc。2048點(diǎn)以上為大型plc(超過(guò)8192點(diǎn)為超大型plc)16。 plc的編程的基本原則：(1) 輸入/輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等器件的觸點(diǎn)可以重復(fù)使用，無(wú)需復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)來(lái)減少觸點(diǎn)的使用次數(shù)。(2) 梯形圖每一行都是從左母線開始的，線圈終止于右母線。觸點(diǎn)不能放在線圈的右邊。(3) 除步進(jìn)程序外，任何線圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、高級(jí)指令等不能直接與左母線相連。如果需要任何時(shí)候都要被執(zhí)行的程序段，可以通過(guò)特殊的內(nèi)部常閉繼電器或一個(gè)沒有使用的內(nèi)部繼電器的常閉觸點(diǎn)來(lái)連接。(4) 在程序中，不允許編號(hào)相同的線圈兩次出現(xiàn)。(5) 不允許出現(xiàn)橋式電路。(6) 程序的編寫順序應(yīng)按自上而下、從左至右的方式編寫，為了減少程序的步數(shù)，程序應(yīng)為“左大右小，上大下小”17。plc的主要特點(diǎn)：(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。plc是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)，在硬件方面采用了電磁屏蔽、光電隔離、模擬量和數(shù)字量濾波、優(yōu)化電源等措施，并對(duì)元件進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，在軟件方面采用了警戒時(shí)鐘、故障診斷、自動(dòng)恢復(fù)等措施，利用后備電池對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，因此，plc具有其他工業(yè)控制設(shè)備更高的可靠性。(2) 編程簡(jiǎn)單，使用方便。plc采用面向過(guò)程，面向問題的“自然語(yǔ)言”編程，比如梯形圖語(yǔ)言編程方式，非常直觀，易懂易編，容易推廣使用，現(xiàn)代的 plc已經(jīng)使用 iec1131-3作為編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，具有功能清晰、易于理解的特點(diǎn)正在被技術(shù)人員所接納和采用。(3) 功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活。plc的基本功能包括數(shù)字和模擬量輸入/輸出、算術(shù)和邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)、移位、比較、代碼轉(zhuǎn)換等，還能完成a/d、d/a轉(zhuǎn)換、以及通訊網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等功能。plc的配置、安裝、使用和維護(hù)都很簡(jiǎn)單，方便，plc標(biāo)準(zhǔn)的積木式結(jié)構(gòu)與模塊化的程序設(shè)計(jì)可以適應(yīng)大小不同、功能復(fù)雜的控制要求，并能適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格或者工藝要求的變化，從而可以節(jié)省大量的人力和物力。(4) 維護(hù)操作方便，擴(kuò)展容易plc的輸入/輸出能夠直觀地反映現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的變化狀態(tài)，plc不能通過(guò)各種方式直觀地反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如內(nèi)部工作狀態(tài)、通信狀態(tài)、i/o點(diǎn)狀態(tài)、異常狀態(tài)、電源狀態(tài)等，均有醒目的指示，非常有利于運(yùn)行和維護(hù)人員監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)。plc采用梯形圖邏輯編程，有利于電氣操作人員對(duì)plc的編程，可以方便地調(diào)整系統(tǒng)的程序和組態(tài)。plc的模塊化結(jié)構(gòu)，可以允許維護(hù)人員方便地更換故障模塊或在生產(chǎn)工藝流程改變時(shí)更改系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置18。fx2n系列plc是日本三菱公司繼f1，f2系列plc之后新推出的小型機(jī)。它同時(shí)具有單元式plc的簡(jiǎn)單易用和模塊式plc的功能強(qiáng)大，配置靈活，性能高，具有在線和離線編程功能，處理速度快的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)使用fx2n系列中的fx2n-32mt產(chǎn)品。fx2n-32mt表示該plc的型號(hào)為fx2n，i/o總點(diǎn)數(shù)為32，基本單元，晶體管輸出方式，交流電源，直流24v輸入，橫式端子排。處理速度為0.08us/步。內(nèi)附8k步ram（可裝ram，eep-rom，eprom存儲(chǔ)卡盒）。基本指令27條，步進(jìn)指令2條，應(yīng)用指令298條。100ms定時(shí)器200點(diǎn)，t0t199；10ms定時(shí)器46點(diǎn)，t200t245。高速計(jì)數(shù)器1相1輸入11點(diǎn)，c235c245，1相2輸入5點(diǎn)，c246c250。普通型數(shù)據(jù)寄存器200點(diǎn)，d0d199；特殊用數(shù)據(jù)寄存器256點(diǎn)，d8000d8225。3.1.2 hef4511bp芯片和七段數(shù)碼管一hef4511bp功能介紹hef4511bp是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極led（數(shù)碼管）顯示器的bcd碼七段碼譯碼器。特點(diǎn)：具有bcd轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的cmos電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)led顯示器。hef4511bp是一片cmos bcd鎖存7段譯碼驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖3.1所示。其中a，b，c，d為bcd碼輸入，a為最低位。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。lt為燈測(cè)試端，加低電平時(shí)，顯示器正常顯示，加高電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。bi為消隱功能端，高電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)，b1端應(yīng)加低電平。另外，hef4511bp有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過(guò)十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。le是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。vdd接高電平，vss接低電平。二七段數(shù)碼管簡(jiǎn)介七段數(shù)碼管見圖3.2所示，它的主要特點(diǎn)有：（1）發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短(01s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。（2）壽命長(zhǎng)，使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。（3）能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與cmos、itl電路兼容。（4）體積小，重量輕，價(jià)格低。因此它被廣泛用作電子，電氣儀表，數(shù)控裝置及計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。七段數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)。按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽(yáng)極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極接到+5v。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極接地。本次設(shè)計(jì)選用共陰極結(jié)構(gòu)，與芯片hef4511bp相連。圖3.1 hef4511bp引腳圖 圖3.2 七段數(shù)碼管圖 3.2 硬件的設(shè)計(jì)3.2.1 確定i/o點(diǎn)數(shù)及plc的選擇控制器功能要求：東、西、南、北方向各有紅、黃、綠信號(hào)燈一盞，共12盞信號(hào)燈；有2個(gè)hef4511bp（為4位bcd碼輸入，輸出驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼顯示管)；則共有14個(gè)輸出點(diǎn)。該控制器設(shè)一個(gè)啟動(dòng)按鈕；一個(gè)停止按鈕；8個(gè)按鍵（模擬傳感器式檢測(cè)器）；共有10個(gè)輸入點(diǎn)。因此，可選用日本三菱fx2n-32mt的plc作為控制器核心，它有16個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)，繼電器輸出。3.2.2 plc的1/0點(diǎn)地址分配系統(tǒng)i/o地址定義如表3.1所示表3.1 交通燈控制系統(tǒng)i/0地址定義表信號(hào)名稱信號(hào)地址說(shuō)明開啟按鈕x000開啟按鈕動(dòng)作檢測(cè)信號(hào)，高電平有效停止按鈕x001停止按鈕動(dòng)作檢測(cè)信號(hào)，低電平有效東路近端傳感器e1x002傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作東路遠(yuǎn)端傳感器e2x003傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作西路近端傳感器w1x004傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作西路遠(yuǎn)端傳感器w2x005傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作南路近端傳感器s1x006傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作南路遠(yuǎn)端傳感器s2x007傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作北路近端傳感器n1x010傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作北路遠(yuǎn)端傳感器n2x011傳感器計(jì)數(shù)，上升沿動(dòng)作兩個(gè)七段數(shù)碼管y000y007顯示十字路口交通燈倒計(jì)時(shí)東西綠燈y010東西綠燈控制信號(hào)，高電平接通東西黃燈y011東西黃燈控制信號(hào)，高電平接通東西紅燈y012東西紅燈控制信號(hào)，高電平接通南北綠燈y013南北綠燈控制信號(hào)，高電平接通南北黃燈y014南北黃燈控制信號(hào)，高電平接通南北紅燈y015南北紅燈控制信號(hào)，高電平接通其中x為輸入繼電器，y為輸出繼電器，電源的連接對(duì)照plc的使用手冊(cè)19。plc的i/o具體接線原理圖見附錄a：硬件接線原理圖（用protel99se軟件繪制）。3.3 硬件電路的連接對(duì)照附錄a：硬件接線原理圖連接電路板。步驟如下：（1）將hef4511bp，七段數(shù)碼管，按鍵，發(fā)光二極管，usb接口，電阻引腳放入電路板上。擺放要求美觀，對(duì)稱，合理布局。（2）按照?qǐng)D3.1，3.2將hef4511bp和七段數(shù)碼管相對(duì)應(yīng)的引腳用導(dǎo)線焊接。（3）將hef4511bp輸入引腳a，b，c，d接到相應(yīng)的電阻上再接到plc上。（4）將hef4511bp上剩下的控制和電源引腳接到對(duì)應(yīng)的電源正負(fù)極上。（5）將對(duì)稱的同一顏色的發(fā)光二極管相并聯(lián)，然后與對(duì)應(yīng)的電阻相串聯(lián)，最后接到plc上。（6）將8個(gè)按鍵一端接到plc的輸入端。（7）將usb端口焊在電路板上。將相關(guān)涉及到電源和接地的部件與usb正負(fù)極相連。最后，硬件擺放如圖3.3電路板布局圖。圖3.3 電路板布局圖4.智能交通燈的軟件設(shè)計(jì)4.1 交通信號(hào)模糊控制算法的設(shè)計(jì)思想 在十字路口的車道上，分別設(shè)置2個(gè)環(huán)型傳感器式檢測(cè)器，一個(gè)設(shè)在十字路口處，用于檢測(cè)離開的車輛數(shù)；另一個(gè)設(shè)在距第一個(gè)環(huán)型檢測(cè)器約100m處，用于檢測(cè)到達(dá)的車輛數(shù)。這樣可檢測(cè)出每個(gè)車道上的車輛數(shù)，再經(jīng)過(guò)比較可得出當(dāng)前綠燈方向和當(dāng)前紅燈方向處于檢測(cè)區(qū)的最大車輛數(shù)即隊(duì)長(zhǎng)(按平均5m一輛車計(jì)算，100m車道上最多約20輛)，如圖4.1所示： 圖4.1 傳感器設(shè)置圖為了實(shí)現(xiàn)交通燈的模糊控制，將綠燈時(shí)間分為兩部分。其一是固定的最小時(shí)間t1為12s，其二是根據(jù)車輛流量變化進(jìn)行模糊決策的綠延時(shí)t2。本系統(tǒng)的輸出是東西和南北兩個(gè)方向的紅、黃、綠燈，由于兩個(gè)方向的輸出關(guān)系是固定的，最終都可歸結(jié)到對(duì)當(dāng)前綠燈的延時(shí)上20。將測(cè)得的隊(duì)長(zhǎng)可看作模糊變量l，其論域?yàn)椋簂=1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，取7個(gè)語(yǔ)言值：l1(很長(zhǎng))，l2(長(zhǎng))，l3(較長(zhǎng))，l4(中等)，l5(較短)，l6(短)，l7(很短)，賦值表如表4.1所示：表4.1 語(yǔ)言變量l賦值表語(yǔ)言值li隊(duì)長(zhǎng)13579111315171921l10.20.60.91.0l20.20.71.0