基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计(1).pdf

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1、2 2 工业仪表与自动化装置2 0 0 9 年第3 期基于P L C 的交通信号灯智能控制系统设计崔秫，周力(安徽工程科技学院电气工程系，安徽芜湖2 4 1 0 0 0)摘要：该文针对城市交通道路十字交叉路1 7 的交通灯信号控制存在的问题进行了探讨，提出一种新的控制方案，由P L C 承担主要的控制任务，采用模糊控制的算法，通过主相位和辅相位的自选择，建立拟人化的多相位信号灯智能控制。实验表明，该控制方法对减少车辆平均延误时间、提高路口通行能力具有很好的控制效果。关键词：十字交叉路口；交通灯；模糊控制；多相位；P L C中图分类号：哦7 3+1文献标志码：A文章编号：1 0 0 0 0 6

2、8 2(2 0 0 9)0 3 0 0 2 2 0 4T h ed e s i g no ft r a f f i cs i g n a ll i g h ti n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nP L CC U IY i，Z H O UL i(S c i e n c eE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t，A n h u iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，A n h u iW u h

3、u2 4 1 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o n t e n to ft e x ti sc o n c e n t r a t e do nt h ed i s c u s s i o ni nv i e wo ft h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a-t i o nc r o s s r o a dt r a f f i cl i g h ts i g n a lc o n t r o le x i s t e n c eq u e s t i o n，p r o p o s e do n ek

4、i n do fn e wc o n t r o lp l a n，u s e st h ef u z z yc o n t r o lt h ea l g o r i t h m，t h r o u g ht h eh o s tp h a s ea n dt h ea u x i l i a r yp h a s ef r o mt h ec h o i c e，e s t a b l i s h e st h ep e r s o n i f i c a t i o nt h es i g n a ll i g h ti n t e l l i g e n c ec o n t r o

5、l，a n du n d e r t a k e st h em a i nc o n t r o lt a s kb yp e r-f o r m a n c es u p e r i o rP L C I n d i c a t e da f t e rt h em o d e l i n gt h a t，t h i sc o n t r o lm e t h o dt or e d u c e sa v e r a g ed e l a yt i m eo ft h ev e h i c l et oh a v et h eo b v i o u sc o n t r o le f f

6、 e c t K e yw o r d s：c r o s s r o a d；t r a g i cl i g h t；f u z z yc o n t r o l；m u h i p h a s e；P L C0引言由于城市的发展和人们生活水平的提高，交通路口通行问题已变得越来越严重。尽管交通路口的信号控制已普遍使用，但由于控制方法的落后而达不到良好的控制效果。多年来，人们对城市交通控制进行了系统的研究，也取得了不少的研究成果，其一般的方法是先建立城市交通控制系统的数学模型，然后进行最优控制，例如目前应用比较多的两个系统：S C A T S、S C O O T，他们或采用方案选择式或需建立

7、精确的参数模型。但城市交通系统是一个复杂的、多变的超大型系统，不仅准确的数学模型难以建立并且方案的有限性也难以适应变化的交通系统，所以它们的控制效果也不理想。另外，很多研究人收稿日期：2 0 0 8 0 7 2 2基金项目：安徽省教育厅自然科学重点科研项目资助(2 0 0 6 K J 0 1 7 A)作者简介：崔稀(1 9 7 5)，男，硕士研究生，副教授。从事自动控制、人工智能控制研究。员也提出了一些方法和措施，但由于各种原因，这些方法和措施都存在着一定的不足之处。因此，研究一种高效的、智能的交通控制系统是十分必要的。随着计算机技术、自动控制技术和人工智能技术不断发展，城市交通的智能控制有了

8、强硬的基础，实现的可能性大大提高。该文基于我国交通的现状，提出一种新的控制方案，根据十字路口停车道前的车队长度和各相位换相的要求，采用模糊控制的算法，通过主相位和辅相位的自选择，建立拟人化的多相位信号灯智能控制，并由性能优越的P L C 为控制核心，以降低路口车辆停车延误时间，提高路口的通行能力。1 控制方案1 1 控制对象城市道路的十字路E l 是城市交通运输的咽喉，如何使各种交通流顺畅地通过是城市交通信号控制系统成功与否的关键。随着现代城市的发展，交通流量的增加，现在的大中城市都以6 车道居多，该控万方数据2 0 0 9 年第3 期工业仪表与自动化装置2 3 制方案即以6 车道为控制对象，

9、其结构如图1 所示。J撮!TT1|T广图1 十字路口结构图在以前研究中，往往只考虑两个方向的直行车流，并把右转方向作为常通来考虑，这忽视了在我国大多数城市里没有过街天桥或地下通道的情况下行人安全通行的要求，所以，在设计中，把右转相位加以考虑。经过对交通路口的长时间调查和研究，设计将路口的信号相位分为主信号相位和辅信号相位。其中，主信号相位为东西向直行、东西向左转加右行、南北向直行、南北向左转加右行。一般情况下，控制信号在主相位之问进行转换，但根据交通流的实时需要可以转换到辅相位，如图2 所示。一叫l 奇l 回三圈_ 国三国1 l 咖l 23、l 擘l 4I 逻I68图2 信号控制系统相位转换图

10、当主相位1 执行完毕后，控制系统将同时进行相位2、5、6 转换条件的模糊判断，一般情况下，系统将会直接将相位转换到主相位2，但当系统发现满足辅相位5 或6 的触发条件时，系统将会选择该相位，待执行完毕后直接转换到主相位2。依此类推，周期性的进行信号灯的智能控制。1 2 控制量智能信号的控制实质上就是模拟一个有经验的交通警察面对复杂的交通情况如何有效的指挥各车道车辆通行的行为，也就是根据正在放行的相位各车道上车辆的多少与下一相位上排队等待的车辆的多少进行比较，判断是否将通行权转给下一相位。因而，在对队长的判断时一般是以各车道的平均车队长度L，作为判据。，的计算是用同相位各车道的队长除以车道数。设

11、定放行相位初始绿灯时间为G l、该相位的最大绿灯时间为G。(为防止该相位长时间占用通行权)以及根据模糊判决在该相位应增加的绿灯延长时间r。1 3 具体控制方案由图2 可知，信号系统共有8 个相位(即8 个状态)，在一个周期内这8 个相位按实际的要求进行换相，对P L C 控制来说，这相当于8 个状态，P L C 在控制时按实际的要求进行状态的转移。一般情况下，主要进行状态l、2、3、4(相位l、2、3、4)的顺序转移，但在转移过程中，若满足辅相位(状态5、6、7、8)换相(转移)条件时，P L C 就利用选择分支与汇合技术进行状态转移。对于多相位信号控制系统，通行相位的选择方式是关系到系统能否

12、正常、有效运行的重要方面。将系统的相位分为主相位和辅相位增加了相位选择的灵活性和相位转换的合理性。其辅相位触发条件为：正在通行相位的直行两个行驶方向中，一个队长。为零，另一个方向队长：为中等以上。P L C 信号控制的具体方法为：(1)在状态l，首先根据，的检测数据，采用模糊控制算法，得出初始绿灯时间e，令e=T，将r通过P L C 的功能指令传送给计时器并由P L C 开始执行。(2)当执行完初始绿灯时间G，时，输入检测到的各队长数据，判断是否满足辅相位触发条件，若满足则根据厶。、如的数据转到对应的状态5 或状态6；若不满足，则根据。通过模糊控制来判定是否转移到状态2，若不转移，则由模糊控制

13、算法得到一绿灯延长时间r，如果丁+T G。，则将T=G。一丁通过P L C 的功能指令传送给计时器并由P L C 执行，执行结束后，立即进行状态转移。如果r+T G。，则将r 通过P L C 的功能指令传送给计时器并由P L C 执行，同时令r+T=T，重复(2)(此时的G。为r)。(3)在状态5 或6，先执行(1)，然后根据。由模糊控制判定是否转移到状态2，若不转移则按(2)中所述进行控制。(4)在状态2，仍是先执行(1)，然后根据。由模糊控制的判定是否转移到状态3，若不转移则按(2)中所述进行控制。(5)对状态3、4 和7、8，控制方法同上述方法基本相同，不再赘述。通过对控制方案的描述，可

14、以看出此方案有如下特点：万方数据2 4 丁业仪表与自动化装置2 0 0 9 年第3 期(1)控制信号能在多个设定的相位间自主地进行转换，充分地适应交通流变化的需要；(2)在各相位G，的设定上，根据该相位实际车队长度给出，提高了信号长度的灵活性；(3)能根据各相位的实际车流通过模糊控制算法动态调节各相位的绿灯信号长度，实现信号随交通流变化进行实时控制。2 模糊控制算法2 1 相位初始绿灯时间的模糊设定在传统的信号控制中，一般都给初始绿灯一固定的时间，其不足之处是不考虑具体车流情况，从而在很多时候会使绿灯时间白白浪费，因此，该设计采取模糊控制的方法，根据各相位的实时队长L，对相位初始绿灯时间进行模

15、糊设定。模糊控制器的输入变量为相位的，其变化范围为l 3 0；输出为G。，其变化范豳为1 5 6 0，它们的论域分别为 1，2，3，4，5，6 、l，2，3，4，5 ，量化因子和比例因子分别为0 1 8 和0 9，模糊集都为 S，M，B ，其隶属函数赋值表分别如表l、表2 所示。表1L。赋值表信号相位初始绿灯时问的模糊控制规则为：I FL P=ST H E NG，=SI FL P=MT H E NG，=MI FL p=BT H E NG。=B根据M a m d a n i 推理法可求出模糊关系R，然后用重心法进行模糊判决求出模糊控制查询表，再由比例因子进行论域变换求出精确量输出查询表就可以对相

16、位绿灯信号进行实时控制了。2 2 相位转换模糊控制相位转换包括主相位到主相位和辅相位到主相位的转换。在下面两种情况下，相位发生转换：(1)队长，为零；(2)达到最大绿灯时间。但是，如果当前相位的队长。和下一待转相位的队长，相比很短并且当前相位已用较长时间时，综合来看就应当结束当前相位而转到下一相位，以让更需要通行的相位通行。另一方面，如果当前相位的队长。和下一待转相位的队长。相比很短但当前相位只用了较短的时I 时，就不能进行相位的转换，以免相位过早的转换。因此，对多相位控制系统，既要避免某一相位长时间占用绿灯时间，又要防止绿灯信号的早断。为做到这一点，排队队长和绿灯所用时问是重要的参数。为此设

17、当前相位的队长厶与下一待转相位的队长，之差形和最大绿灯时间G。与当前相位已用时间之差G 作为相位转换模糊控制的输入量，把相位是否转换c 作为其输出量。形、A G 的论域分别为 一3，一2，一1，0，l，2，3 、1，2，3，4，5 ，语言变量分别为 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大、很小，小，中，大，很大，其隶属函数赋值表分别和表1、表2 类同，此处不再赘述。相位转换的模糊控制规则比较简单。用Y 表示进行相位转换，N 表示不进行相位转换。经过模糊推理和判决，进行0、1 输出控制相位的转换。2 3 绿灯延长时间r 的模糊控制当系统判定相位不进行转换时，就给当前通行相位增加一延长绿灯时间r。

18、在前面的初始绿灯时间模糊设定的时候，并没有把时间范围的最大值定在最大绿灯时间上，这是由于所取输入量为平均队长的缘故，比如在相位1，若根据上，大取G。为G。就可能会造成某一方向在绿灯时间内有通行权而无车。所以，在系统判定不换相时，通过模糊控制根据新的交通数据给当前相位加一延长绿灯时间咒L，和丁的论域分别为 1，2，3，4，5，6，7，8 、1，2，3，4，5，6，7 ，语言变量分别为 短，较短，中，较长，长、小，较小，中，较大，大，隶属函数表分别和表1、表2 类同，此处不再赘述。经过模糊推理和模糊判决得出模糊控制查询表，再由比例因子进行论域变换求出精确量输出查询表就可以对当前相位的绿灯时间进行实

19、时控制了。2 4 模糊控制在P L C 中的实现当模糊控制表完成后，将此表存放在P L C 的内存里。首先，将各个量化因子置入P L C 的保持继电器中，再将采集到的各个输入量置入P L C 的数据寄OO 560mmO1O吣oO06m00SMB万方数据2 0 0 9 年第3 期工业仪表与自动化装置2 5 存器中，根据它们所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制查询表(即模糊控制表)，求得模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出量(也可如文中所述，可直接制成精确量输出查询表)，以达到对相位信号的实时控制。图3 实现模糊控制查询的梯形图程序在整个程序编制中，最重要的就是模糊控制查询表的查询

20、程序编制。该文在此提出一种实现模糊控制查询表查询的新方法。其梯形图程序如图3 所示。图中F N C1 0C M P 和F N C1 2M O V 分别是F X 2 N 型P L C 的比较功能指令和传送功能指令。当继电器X 0 0 0 由O F F 变为O N 时，第1 操作数(如D 2 0 2)中数据分别与第二操作数(如1 3 2 1 0)开始的连续7 个数字寄存器中预置的数据进行比较，若第一操作数中的数据与第2 操作数中的某一数据相同，则第3 操作数(如M O)中的相应位M l 置“1”，否则M l 仍为“O F F”。D 3 0 0 D 3 4 8 中按顺序存储着模糊控制查询表中的4 9

21、个控制结果，将I Y 2 0 2 与I Y 2 0 3 中数据分别与输入论域中的元素(D 2 1 0 D 2 1 6 中数据)相比较，由比较结果，根据M 1 0 0 与M 2 0 0 的状态查询输出量，将其送入I M 0 0，以备输出使用。直行和左转车道上，每条道安装两个分别检测进入和离开的车流数；十字路口共有1 2 盏灯，每个灯红、黄、绿三色。P L C 输入、输出接线图如图4 所示。T 启动-一X oY o甲停止。，；：一X lY l_ 一。一 卜x 2_ 卜_X 3F X 2 N 一4 8 M R传感器2 2_ 卜_X”Y 2 79 一C O MC O M石弋二厂一传感器2 3_ 卜_X

22、 3 0Y 3 0啊_ 卜-X 3 lF X o N 一8 E XY 4 3F X o N 一8 E Y R(、C O MC O M三r图4P L C 输人输出连接图在实验室条件下，对程序进行了运行实验。实验以市中心地段一十字路口交通信号控制为样本，此路口采用S C O O T 系统控制。实验前，对该路口在各个时段的数据做了较为详细的采集，并进行了归纳总结。实验时，车流数据由自脉冲发生器模拟产生送人，并保证在实验时间内各车道的车辆均匀到达，到达率通过调整自脉冲发生器的周期与该路口的数据基本相同，每次实验时间为2 0m i n，在绿灯时间，车辆以1 辆s 的速率离开路口。实验部分结果和实地采集的

23、数据对照表如表3 所示。从表3 可以看出，文中所提出的智能拟人多相位交通信号控制方法，可使平均停车延误时间减少提高2 3 5，尽管实验与实际情况存在一定的误差，但仍可表明本文所提出的方法具有明显的控制效果，这为提高交通控制的效率，降低交通堵塞，减少路口车辆延误时间，提高路口的通行能力，加强交通信号控制的智能性，提供了新的方法。参考文献：1 阐淑芳，绕泓智能交通系统的发展与思考 J 科技广场，2 0 0 5。(2)：1 1 4 1 1 7 3 实验结果心1 晋淼警豢凇器Z 冀雾竺制系统由一台F X：。一4 8 M R(F X。N 一8 E X、F X o N 一 3 赵晨，胡福乔，施鹏飞基于模糊

24、逻辑的路口交通信黑勰鬻主控銎，慧鬈蠢翌妻鍪翼驰制琳鼽硼舢3 2 纵1 浑筹晶P L C由环型线圈检测传输给输入端，检测器安装在坩印烈7万方数据2 0 0 9 年第3 期工业仪表与自动化装置9 3 台U P S 脱离进行维修而不影响仪控系统正常运行。注意正常运行时维修旁路开关禁止合闸。系统正常运行时若3 8 0V 交流电源掉电，所并各台U P S 同时转电池逆变运行状态并均流运行。以上功能都是在智能管理下自动完成的，在每一种状态变化时，都有相应的报警提示并发出通讯检测信号。1 2 直流电源的设计一般在控制系统中间继电器联锁保护、程序控制的现场电磁阀电源，有的D C S 或P L C 的I O 卡

25、件驱动电源等使用2 4V 直流电源。一旦在仪控系统中2 4V 直流供电网络中出现故障，也会直接影响到整个控制系统和生产装置的安全运行。在永煤空分装置界区内配置了两台西门子S I T O P 直流电源，输出2 4V D C，额定电流1 0A。这种直流电源有电子短路保护、自动再启动、导轨安装等功能，可以并联使用，最大并联个数为5 台。电路如图2 所示。电源本身可以实现并联应用，为了更好的解决两台电源的匹配和环流的产生，在两台直流电源的正极输出端加入两个正向导通二极管，从而避免了由于两台直流电源输出电压不同而产生的环流影响。1 3 仪表电源元器件选型原则为了保证仪表电源系统在任何情况下都万无一失，必

26、须遵照系统安全的法则实行保守设计。在配置U P S 和直流电源时，单台额定设备容量应该按照仪表实际耗电总量的2 3 倍考虑，且应环形对负载母线供电。与电源系统配套的辅助设备及辅助材料，如空气开关、熔断器、导线等也需按照仪表实际耗电量总和的2 3 倍考虑或更大些，以满足个别仪表回路、电磁阀、行程开关等现场个体仪表出现短路、接地等准故障造成的电流冲击，这就是故障安全的基本思路。在设计中，还应当考虑电源系统故障预报警系统。u P s 蝴2 2 0 v 能U P S 广蝴2 2 0 一VA C2 结束语 广一缅术l 百I，K i|_ 一芽广一一l一母线III III一I 母线一图2 永煤5 20 0

27、0m 3 h 空分装置直流电源配置图从图2 可以看出，两台1 0A 的直流电源并用实现了冗余配置，同时可靠的U P S 供电更是确保了直流电源网络的安全性。在设计中，虽然S I T O P 直流人们在使用时往往注重仪表和计算机控制系统的选型和冗余配置，电源系统的设计往往被忽略，或者简单的进行冗余，这样容易造成一些安全隐患。在永煤5 20 0 0 m 3 h 空分设计中加强了对电源的设计，使得控制系统更加可靠。永煤5 20 0 0m 3 h 空分装置运行一年多时间非常平稳，没有出现什么问题，证明其电源设计是可靠的。参考文献：1 张广明，沈卫东，曲颖U P S 高可用供电系统设计与应用 M (第一

28、版)北京：人民邮电出版社，2 0 0 4 2 陈得民，张振基，黄布余石油化工自动控制设计手册 M (第三版)北京：化学工业出版社，2 0 0 1-+-+-+-+-+-+-+-+-+-卜+-+卜-卜+卜斗-+卜-卜卜+卜+-卜-卜+卜-+-+-卜+卜+卜-+-一+-一(上接第2 5 页)4 章卫国，杨尚忠模糊控制理论与应用 M 西安：西北工业大学出版社。1 9 9 9 5 邹金慧可编程控制器及其系统 M 重庆：重庆大学出版社，2 0 0 2 表3 实验结果比较万方数据基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计基于PLC的交通信号灯智能控制系统设计作者：崔祎，周力，CUI Yi，ZHOU Li作者单位

29、：安徽工程科技学院,电气工程系,安徽,芜湖,241000刊名：工业仪表与自动化装置英文刊名：INDUSTRIAL INSTRUMENTATION&AUTOMATION年，卷(期)：2009，(3)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.闻淑芳.饶泓 智能交通系统的发展与思考期刊论文-科技广场 2005(02)2.邓宜阳 用PLC实现道路十字路口交通灯的模糊控制期刊论文-成都大学学报（自然科学版）2001(02)3.赵晨.胡福乔.施鹏飞 基于模糊逻辑的路口交通信号控制期刊论文-计算机工程 2003(10)4.章卫国.杨尚忠 模糊控制理论与应用 19995.邹金慧 可编程控制器及其系

30、统 2002 相似文献(3条)相似文献(3条)1.期刊论文 单家明.周力.SAN Jia-ming.ZHOU Li 基于ARM的交通信号灯智能控制系统设计-自动化与仪器仪表2008,(6)针对城市交通道路十字交叉路口的交通灯信号控制存在的问题进行了探讨,并基于中国城市道路交通控制的现状,提出一种新的控制方案,采用模糊控制的算法,通过主相位和辅相位的自选择,建立拟人化的多相位信号灯智能控制,并由性能优越的ARM7控制器S3C4480承担主要的控制任务.实验表明,此种控制方法对减少车辆平均延误时间、提高路口通行能力具有很好的控制效果.2.期刊论文 周力.陈跃东.江明 城市智能交通信号控制系统设计-

31、自动化与仪器仪表2006,(6)基于我国城市道路交通控制的现状,提出一种新的控制方案,采用模糊控制的算法,通过初始绿灯时间和相位转换的模糊设定,建立拟人化的多相位信号灯智能控制,并由性能优越的PLC承担主要的控制任务.经实验表明,这种控制方法对减少车辆平均延误时间具有明显的控制效果.3.期刊论文 李晓东.蓝蔚 浅谈PLC在交通灯控制系统的实现-科技信息2008,(21)本文主要叙述采用PLC实现对城市十字交叉路口的交通灯信号的控制,并对功能扩展性进行说明,使用PLC对交通灯控制更方便满足不同交通信号控制的要求,易实现智能控制,达到提高道路通行效率,缓解交通拥挤的目的.引证文献(1条)引证文献(1条)1.赵玉晓.孙斌.叶晓峰 基于局域网的相邻路口交通灯协调控制系统的设计期刊论文-实验室科学 2010(1)本文链接：http:/