1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)</b></p><p>　　題 目 基于PLC的交通 </p><p>　　十字路口模糊控制 </p><p>　　系（分院） 汽車工程系 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師　姓名 　 　</p><p>　　職稱 高級講師 　</p><p>　　日 期 </p><

3、;p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 PLC自動控制技術(shù)</p><p>　　1.1 可編程控制器概況..................................................................... ............................</p><p&

4、gt;　　1.2 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置.............................................................. ...........................</p><p><b>　　交通十字模糊控制</b></p><p>　　2.1 PLC模糊化……………………………………………………………………

5、…</p><p>　　2. 2 交通十字路口傳感器的設(shè)置…………………………………………………..</p><p>　　2.3  模糊控制器的設(shè)計………………………………………………………………</p><p>　　2.4系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………………</p><p>

6、;　　2.5運行測試及結(jié)果分析………………………………………………………….</p><p>　　2.6  結(jié)束語………………………………………………………………………….</p><p>　　第1章 PLC自動控制技術(shù)</p><p><b>　　可編程控制器概況</b></p><p>　　可

7、編程控制器(PROGRAMMABLE CONTROLLER,簡稱PC).與個人計算機的PC相區(qū)別,用PLC表示.</p><p>　　PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù),計算機技術(shù),自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置,目的是用來取代繼電器,執(zhí)行邏輯,記時,計數(shù)等順序控制功能,建立柔性的程控系統(tǒng).國際電工委員會(IEC)頒布了對PLC的規(guī)定:可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),

8、專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計.它采用可編程序的存貯器,用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算,順序控制,定時,計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令,并通過數(shù)字的,模擬的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程.可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴充其功能的原則設(shè)計.</p><p>　　PLC具有通用性強,使用方便,適應(yīng)面廣,可靠性高,抗干擾能力強,編程簡單等特點.可以預(yù)料:在工業(yè)控制領(lǐng)域中,PLC

9、控制技術(shù)的應(yīng)用必將形成世界潮流</p><p>　　PLC程序既有生產(chǎn)廠家的系統(tǒng)程序,又有用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序,系統(tǒng)程序提供運行平臺,同時,還為PLC程序可靠運行及信息與信息轉(zhuǎn)換進行必要的公共處理.用戶程序由用戶按控制要求設(shè)計.</p><p>　　1.2 PLC的結(jié)構(gòu)及基本配置</p><p>　　一般講,PLC分為箱體式和模塊式兩種.但它們的組成是相同的,對箱

10、體式PLC,有一塊CPU板,I/O板,顯示面板,內(nèi)存塊,電源等,當(dāng)然按CPU性能分成若干型號,并按I/O點數(shù)又有若干規(guī)格.對模塊式PLC,有CPU模塊,I/O模塊,內(nèi)存,電源模塊,底板或機架.無任哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC,都屬于總線式開放型結(jié)構(gòu),其I/O能力可按</p><p>　　PLC中的CPU是PLC的核心,起神經(jīng)中樞的作用,每臺PLC至少有一個CPU,它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù),用

11、掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù),并存入規(guī)定的寄存器中,同時,診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等.進入運行后,從用戶程序存貯器中逐條讀取指令,經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號,去指揮有關(guān)的控制電路,與通用計算機一樣,主要由運算器,控制器,寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù),控制及狀態(tài)總線構(gòu)成,還有外圍芯片,總線接口及有關(guān)電路.它確定了進行控制的規(guī)模,工作速度,內(nèi)存容量等.內(nèi)存主要用于存儲程序及

12、數(shù)據(jù),是PLC不可缺少的組成單元.</p><p><b>　　三,電源模塊:</b></p><p>　　有些PLC中的電源,是與CPU模塊合二為一的,有些是分開的,其主要用途是為PLC各模塊的集成電路提供工作電源.同時,有的還為輸入電路提供24V的工作電源.電源以其輸入類型有:交流電源,加的為交流220VAC或110VAC,直流電源,加的為直流電壓,常用的為24V

13、.</p><p>　　五,PLC 的外部設(shè)備</p><p>　　外部設(shè)備是PLC系統(tǒng)不可分割的一部分,它有四大類</p><p>　　編程設(shè)備:有簡易編程器和智能圖形編程器,用于編程,對系統(tǒng)作一些設(shè)定,監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況.編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用,監(jiān)測運行,檢查維護不可缺少的器件,但它不直接參與現(xiàn)場控制運行.</p><p

14、>　　監(jiān)控設(shè)備:有數(shù)據(jù)監(jiān)視器和圖形監(jiān)視器.直接監(jiān)視數(shù)據(jù)或通過畫面監(jiān)視數(shù)據(jù).</p><p>　　存儲設(shè)備:有存儲卡,存儲磁帶,軟磁盤或只讀存儲器,用于永久性地存儲用戶數(shù)據(jù),使用戶程序不丟失,如EPROM,EEPROM寫入器等.</p><p>　　輸入輸出設(shè)備:用于接收信號或輸出信號,一般有條碼讀人器,輸入模擬量的電位器,打印機等.</p><p><b

15、>　　.</b></p><p>　　下面我們著重介紹三菱公司的FX2N系列產(chǎn)品的一些編程元件及其功能.</p><p>　　FX系列產(chǎn)品,它內(nèi)部的編程元件,也就是支持該機型編程語言的軟元件,按通俗叫法分別稱為繼電器,定時器,計數(shù)器等,但它們與真實元件有很大的差別,一般稱它們?yōu)?quot;軟繼電器".這些編程用的繼電器,它的工作線圈沒有工作電壓等級,功耗大小和電

16、磁慣性等問題;觸點沒有數(shù)量限制,沒有機械磨損和電蝕等問題.它在不同的指令操作下,其工作狀態(tài)可以無記憶,也可以有記憶,還可以作脈沖數(shù)字元件使用.一般情況下,X代表輸入繼電器,Y代表輸出繼電器,M代表輔助繼電器,SPM代表專用輔助繼電器,T代表定時器,C代表計數(shù)器,S代表狀態(tài)繼電器,D代表數(shù)據(jù)寄存器,MOV代表傳輸?shù)?</p><p>　　輸入繼電器 (X) </p><p>　　PLC的輸入

17、端子是從外部開關(guān)接受信號的窗口,PLC 內(nèi)部與輸入端子連接的輸入繼電器X是用光電隔離的電子繼電器,它們的編號與接線端子編號一致(按八進制輸入),線圈的吸合或釋放只取決于PLC外部觸點的狀態(tài).內(nèi)部有常開/常閉兩種觸點供編程時隨時使用,且使用次數(shù)不限.輸入電路的時間常數(shù)一般小于10ms.各基本單元都是八進制輸入的地址,輸入為X000 ～ X007,X010 ～X017,X020 ～X027 .它們一般位于機器的上端.</p>

18、<p><b>　　輸出繼電器(Y) </b></p><p>　　PLC的輸出端子是向外部負(fù)載輸出信號的窗口.輸出繼電器的線圈由程序控制,輸出繼電器的外部輸出主觸點接到PLC的輸出端子上供外部負(fù)載使用,其余常開/常閉觸點供內(nèi)部程序使用.輸出繼電器的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不限.輸出電路的時間常數(shù)是固定的 .各基本單元都是八進制輸出,輸出為Y000 ～Y007,Y010～Y017

19、,Y020～Y027 .它們一般位于機器的下端.</p><p><b>　　輔助繼電器(M)</b></p><p>　　PLC內(nèi)有很多的輔助繼電器,其線圈與輸出繼電器一樣,由PLC內(nèi)各軟元件的觸點驅(qū)動.輔助繼電器也稱中間繼電器,它沒有向外的任何聯(lián)系,只供內(nèi)部編程使用.它的電子常開/常閉觸點使用次數(shù)不受限制.但是,這些觸點不能直接驅(qū)動外部負(fù)載,外部負(fù)載的驅(qū)動必須通過

20、輸出繼電器來實現(xiàn).如下圖中的M300,它只起到一個自鎖的功能.在FX2N中普遍途采用M0～M499,共500點輔助繼電器,其地址號按十進制編號.輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器,如掉電繼電器,保持繼電器等,在這里就不一一介紹了.</p><p>　　X000 X001 M300</p><p><b>　　M300</b></p><p>

21、<b>　　定時器(T)</b></p><p>　　在PLC內(nèi)的定時器是根據(jù)時鐘脈沖的累積形式,當(dāng)所計時間達到設(shè)定值時,其輸出觸點動作,時鐘脈沖有1ms,10ms,100ms.定時器可以用用戶程序存儲器內(nèi)的常數(shù)K作為設(shè)定值,也可以用數(shù)據(jù)寄存器(D)的內(nèi)容作為設(shè)定值.在后一種情況下,一般使用有掉電保護功能的數(shù)據(jù)寄存器.即使如此,若備用電池電壓降低時,定時器或計數(shù)器往往會發(fā)生誤動作.</

22、p><p>　　定時器通道范圍如下:</p><p>　　100 ms定時器T0～T199, 共200點,設(shè)定值:0.1～ 3276.7秒;</p><p>　　10 ms定時器T200～TT245,共46點,設(shè)定值:0.01～327.67秒;</p><p>　　1 ms積算定時器 T245～T249,共4點,設(shè)定值:0.001～32.767秒

23、;</p><p>　　100 ms積算定時器T250～T255,共6點,設(shè)定值:0.1～3276.7秒; </p><p>　　定時器指令符號及應(yīng)用如下圖所示: </p><p><b>　　X000</b></p><p>　　K123 設(shè)定值(累積) </p><p>　　T200 Y000

24、 </p><p>　　當(dāng)定時器線圈T200的驅(qū)動輸入X000接通時,T200的當(dāng)前值計數(shù)器對10 ms的時鐘脈沖進行累積計數(shù),當(dāng)前值與設(shè)定值K123相等時,定時器的輸出接點動作,即輸出觸點是在驅(qū)動線圈后的1.23秒(10 * 123ms = 1.23s)時才動作,當(dāng)T200觸點吸合后,Y000就有輸出.當(dāng)驅(qū)動輸入X000斷開或發(fā)生停電時,定時器就復(fù)位,輸出觸點也復(fù)位.</p><p>　

25、　每個定時器只有一個輸入,它與常規(guī)定時器一樣,線圈通電時,開始計時;斷電時,自動復(fù)位,不保存中間數(shù)值.定時器有兩個數(shù)據(jù)寄存器,一個為設(shè)定值寄存器,另一個是現(xiàn)時值寄存器,編程時,由用戶設(shè)定累積值.</p><p>　　如果是積算定時器,它的符號接線如下圖所示:</p><p><b>　　X001</b></p><p><b>　　K

26、345 </b></p><p><b>　　X002 </b></p><p>　　定時器線圈T250的驅(qū)動輸入X001接通時,T250的當(dāng)前值計數(shù)器對100 ms的時鐘脈沖進行累積計數(shù),當(dāng)該值與設(shè)定值K345相等時,定時器的輸出觸點動作.在計數(shù)過程中,即使輸入X001在接通或復(fù)電時,計數(shù)繼續(xù)進行,其累積時間為34.5s(100 ms*345=34.5s

27、)時觸點動作.當(dāng)復(fù)位輸入X002接通 ,定時器就復(fù)位,輸出觸點也復(fù)位.</p><p><b>　　計數(shù)器(C) </b></p><p>　　FX2N中的16位增計數(shù)器,是16位二進制加法計數(shù)器,它是在計數(shù)信號的上升沿進行計數(shù),它有兩個輸入,一個用于復(fù)位,一個用于計數(shù).每一個計數(shù)脈沖上升沿使原來的數(shù)值減1,當(dāng)現(xiàn)時值減到零時停止計數(shù),同時觸點閉合.直到復(fù)位控制信號的上

28、升沿輸入時,觸點才斷開,設(shè)定值又寫入,再又進入計數(shù)狀態(tài). </p><p>　　其設(shè)定值在K1～K32767范圍內(nèi)有效.</p><p>　　設(shè)定值K0與K1含義相同,即在第一次計數(shù)時,其輸出觸點就動作.</p><p>　　通用計數(shù)器的通道號:C0 ～C99,共100點.</p><p>　　保持用計數(shù)器的通道號:C100～C199,共10

29、0點.</p><p>　　通用與掉電保持用的計數(shù)器點數(shù)分配,可由參數(shù)設(shè)置而隨意更改.</p><p>　　第2章 交通十字模糊控制</p><p>　　2.1 PLC模糊化</p><p>　　一、本系統(tǒng)采用PLC是基于以下四個原因：　1、PLC具有很高的可靠性，通常的平均無故障時間都在30萬小時以上；　2、編程能力強，可以將模糊

30、化、模糊決策和解模糊都方便地用軟件來實現(xiàn)；　3、抗干擾能力強，目前空中各種電磁干擾日益嚴(yán)重，為了保證交通控制的可靠穩(wěn)定，我們選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的PLC；　4、近年來PLC的性能價格比有較大幅度的提高，使得實際應(yīng)用成為可能?！　《?、輸入及其模糊化　　　　本控制系統(tǒng)的輸入量是指十字路口各方向上車輛數(shù)的動態(tài)變化量。具體由傳感器采集后送入可編程序控制器?！　　　　　　　?、綠燈期間通過路口車輛數(shù)(X)的模

31、糊化　　　　為了實現(xiàn)模糊控制，需要將綠燈時間分為兩部分：其一是固定的10秒作為路口車輛狀態(tài)參數(shù)的采集時間t1；其二是根據(jù)兩個方向車輛流量變化進行模糊決策的延時t2?！　　　【G燈期間車輛通過路口的速度不超過20km/h，則在10S內(nèi)通過的最大車輛數(shù)約為10輛。以紅綠燈轉(zhuǎn)換瞬間為計時起點，記錄10S內(nèi)通過的車輛數(shù)作為變量X的論域，取(0～10)，并將它分為三個模糊子集：少、中等、多</p><p>　　3、紅

32、燈期間排隊等候車輛數(shù)(Y)的模糊化　　　　遠(yuǎn)端傳感器和近端傳感器之間的距離(L)直接影響輸入量Y的變化論域。實際應(yīng)用中隨實地情況而有所變化。經(jīng)過對某些路口不同時段車輛流量的實地調(diào)查分析，我們認(rèn)為L取100米左右較為適宜。通常車輛的長度連同車輛間的間距平均約為5米，則在100米內(nèi)可能滯留的車輛最大數(shù)量約為100／5＝20輛。于是紅燈方向排隊等候的車輛數(shù)Y的論域為(0～20)。將其分為5個模糊子集：很少、少、中等、多、很多?！　　∪?/p>

33、、輸出及其模糊分類　　本系統(tǒng)的輸出就是兩個方向的紅黃綠燈，還有人行橫道的紅綠燈以及按前進方向分得更細(xì)的綠燈等等，其相互間的關(guān)系都是固定的，而且兩個方向的輸出關(guān)系也是固定的，最終都?xì)w結(jié)到對當(dāng)前綠燈的延時t2。根據(jù)實際測試，對一般不太大的路口，t2最大取30S較為恰當(dāng)，則綠燈的延時t2的論域為(0～30)。將其分為5個模糊子集：很短、短、適中、長、很長?！?lt;/p><p>　　2.2  交通十字路口傳感

34、器的設(shè)置    </p><p>　　在十字路口的四個方向（e、s、w、n）的近端j（斑馬線附近）和遠(yuǎn)端y（距斑馬線約100米處）各設(shè)置一個傳感器，分別統(tǒng)計通過該處的車輛數(shù)。如圖1所示。</p><p>　　圖1  傳感器的設(shè)置</p><p>　　近端的傳感器用于記錄綠燈期間通過路口的車輛數(shù)（記為x）；

35、遠(yuǎn)端的傳感器用于記錄紅燈期間進入路口排隊等候的車輛數(shù)（記為y）。為了簡化運算，可以將兩個相對的方向（n與s、w與e）的x、y值合并為一組，分別取兩個方向之最大者。</p><p><b>　　模糊控制器的設(shè)計</b></p><p>　　本模糊控制系統(tǒng)設(shè)計的核心是模糊控制器的設(shè)計，設(shè)計模糊控制器主要是求取模糊控制表。3.1 系統(tǒng)分析  

36、;  確定控制器的輸入變量和輸出變量以及它們的數(shù)值變化范圍。輸入變量為x、y，輸出變量為t。綠燈期間車輛通過路口的速度不超過20公里/小時，則在15秒時間內(nèi)通過的最大車輛數(shù)約為15輛。則x的變化范圍為0～15。當(dāng)遠(yuǎn)端和近端傳感器之間距離約為100米時，考慮一般車輛車身長度連同兩車輛間距平均5米左右，所以100米內(nèi)可能停留等待的車輛數(shù)最多可達到100/5=20輛，于是紅燈方向排隊等待的車輛數(shù)y變化范圍為0～20。本系統(tǒng)

37、的輸出就是兩個方向的紅黃綠燈，還有斑馬線處人行橫道的紅綠燈以及按前進方向分得更細(xì)的綠燈相互間關(guān)系及兩個方向的輸出關(guān)系最終歸結(jié)到對當(dāng)前綠燈的延時t。根據(jù)現(xiàn)場測試，輸出變量t的變化范圍為15～60。3.2 模糊化方法的選擇與確定    為了實現(xiàn)模糊控制，需要將綠燈時間分為兩部分：其一是固定的1o秒作為路口車輛狀態(tài)參數(shù)的采集時間t1；其二是根據(jù)兩個方向車輛流量變化進行模糊決策的延時t2。綠

38、燈期間車輛通過路口的速度不超過10m/s，則在10s內(nèi)通過的最大車輛數(shù)約為l5。以紅綠燈</p><p>　　圖2  綠燈期間通過路口車輛數(shù)（x）從屬函數(shù)設(shè)計</p><p>　　紅燈期間排隊等候車輛數(shù)（y）的模糊化， 輸出量模糊分類都采用三角形屬函數(shù)的設(shè)計。3.3 模糊規(guī)則的設(shè)計    當(dāng)兩個方向的狀態(tài)處

39、于同一量級時，如同為多，或同為中等，或同為少時，綠燈的延時t2均取“短”，如表1所示,其目的是保證雙方流量相差不多的情況下，盡快地均衡疏散。</p><p><b>　　表1  模糊規(guī)則表</b></p><p>　　2.3  系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 &

40、#160;  模糊控制器采用三菱的fx2n型plc，通過編程來實現(xiàn)交通調(diào)度過程控制。圖3所示的模糊控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及a/d轉(zhuǎn)換由模擬量輸入模塊fx2n-2ad完成，d/a轉(zhuǎn)換由模擬量輸出模塊fx2n-2da完成。 </p><p>　　圖3  plc實現(xiàn)模糊控制的硬件連接</p><p>　　其中y10-y12是東西方向紅綠燈的控制線路,y

41、13-y15則是南北方向的控制線路,yo-y7則是控制7段顯示器的控制線路。4.2 軟件設(shè)計    plc編程能力強，可以將模糊化.模糊決策和解模糊方便地用軟件來實現(xiàn)，基于交叉路口車輛等待長度的變周期交通模糊控制器模糊判決子程序的算法流程如圖4所示。</p><p>　　首先分別讀入紅綠燈方向檢測區(qū)中各檢測器顯示值,計算最大車輛數(shù)x和y 然后將x和y

42、分別乘以量化因子,求得相應(yīng)論域元素表征的查找控制表所需的x和y,并根據(jù)表4模糊控制規(guī)則表查得輸出控制量的論域值t 最后將其代入公式15+ki×t, 可計算出實際換向后綠燈的時間長度t。 </p><p>　　2.4運行測試及結(jié)果分析</p><p>　　本文設(shè)計的基于plc的模糊交通控制系統(tǒng)，在某路口經(jīng)過了試運行并現(xiàn)場測試，并與傳統(tǒng)的定時控制方法進行了比較（見

43、表2所示），比較結(jié)果表明：在交通流較小或接近定時配時的預(yù)期量時,模糊控制與定時控制方法并無太大差別,而當(dāng)交通量逐漸增大時,本系統(tǒng)的模糊控制的優(yōu)勢就明顯起來,可以有效地減少延誤車隊長和車輛平均延誤時間，其中南北方向和東西方向的平均延誤分別較定時控制的減少6.74%和5.32 %。</p><p>　　表2  模糊控制與定時控制方案效果比較對照表</p><p>

44、　　2.6  結(jié)束語   </p><p>　　理論與實踐證實，應(yīng)用可編程控制器plc對十字路口交通信號燈進行模糊控制,其控制效果要比定周期方法的控制效果明顯，尤其適用在車輛信息量比較大的交叉路口。由于使用plc作為本系統(tǒng)控制器的核心，系統(tǒng)編程簡單。操作方便，具有較好的應(yīng)用推廣價值，適合目前我國交通控制與管理的現(xiàn)狀。</p><p>　　

45、經(jīng)過一個多月的畢業(yè)設(shè)計，終于出了成果，畢竟這是到目前為止，大學(xué)里耗時最長，最為正式的一次設(shè)計，是之前任何一次設(shè)計都不能比的，在這一個多月的時間，每天需要早上，中午按時簽到，有安排的值日時間，還要每天的必修課——日志，日子充實的過著，在這段時間里要感謝指導(dǎo)老師，在設(shè)計進行一個階段時，就會通知我們下一步的走向，也就是說，老師把我們的任務(wù)，步驟時間安排等都給我們做了個規(guī)定，是我們不至于忙碌，無所適從，每周一的班會，例行講解一些注意事項，還有期