基于PLC的智能交通信号灯系统设计-开题报告范文

中北大学毕业设计开题报告学生姓名：何尚龙学号：0403240133学院、系：信息与通信工程学院电气工程系专业：电气工程及其自动化设计题目：基于PLC的智能交通信号灯系统设计指导教师:吴其洲2009年3月16日更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述课题研究的背景（我国城市交通现状）以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里，而建设内环路目的是使车速增加到22.5公里。用这个目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。如果我国的交通状况得不到根本改善，那么随着城市的不断发展，所付出的代价将更加巨大。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急[1]。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达，因此总体的城市交通效率不高。所以，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。为了解决城市交通问题，设计智能交通灯已成为时代的需要[2]。交通信号灯控制理论的研究现状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与0D矩阵的随机波动，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出相当程度的重复性，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[3]。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。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又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又十分有限，故称之为准动态系统[4]。3.模糊控制理论。一般控制系统的架构包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区化、知识库、逻辑判断及反模糊化[5]。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[6]。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[7]。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[8]。课题研究的现状与发展近年来,随着我国经济的发展,城市的交通拥挤问题日趋严重,因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是：事先经过车辆流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状,更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。城市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，如果通过建立一个数学模型来反映实际单路口交通状况是非常困难的。而采用模糊控制方法设计交通灯控制系统，可以建立精确的数学模型，减少路口延误时间和停车次数，更加精确地控制非线性的、随机的十字路口车流量，极大提高路口的通行能力。本毕业设计将工业上应用比较成熟的可编程控制器（PLC）用于对交通信号灯实现车辆等待长度的模糊控制方法。因此,十字路口交通灯控制的设计还存在非常广阔的前景[9]。交通灯控制系统发展的趋势和方向近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。利用模糊控制与神经网络控制等智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，是今后单个交叉口信号灯控制的主要研究方向。将模糊控制、神经网络控制和遗传算法这三者结合起来用于交叉口信号灯的控制将有可能是今后交叉口信号控制研究的重点[9]。PLC运用于交通灯的优势PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController）是一种专门为在工业环境更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区下应用而设计的数字运算操作的电子装置[10]。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[11]。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。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、数据处理等几类[12]。PLC在其应用上具有以下优点：可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强、易学易用，深受工程技术人员欢迎。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低。基于PLC的以上优点，利用PLC控制交通信号灯是目前采取的普遍做法[13]。PLC运用与交通灯控制系统有教强的优势,主要可从以下四个方面来描述。1.使用寿命长。2.性能稳定可靠,抗干扰性好。3.功能强大,实现灵活,可扩展性好。4.良好的性价比：虽然PLC型产品其成本的增加与其性能的提高并非成线性关系,所以无论将其作为整机用于新品开发,还是作为老设备改进均有其良好的性价比[14]。三菱FX2N系列PLCFX2N系列是小型化,高速度,高性能和所有方便都是相当于FX系列中最高档次的超小形程序装置。除输入输出16--25点的独立用途外,还可以适用于在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。系统配置既固定又灵活。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。备有可自由选择,丰富的品种。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。令人放心的高性能。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。以及具有丰富的软元件[15]。更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区参考文献[1]刘畅.智能交通信号灯实时优化控制.硕士学位论文.辽宁：沈阳工业大学，2008.[2]汪然.智能交通信号控制系统的研究与开发.工程硕士学位论文.重庆：重庆大学，2006.[3]史强.智能交通系统中的车流量预测与信号协调控制.硕士学位论文.山东：山东大学，2006.[4]穆艳.四相位交叉路口交通灯控制算法的研究.硕士学位论文.辽宁：大连理工大学，2007.[5]黄崇福,阮达.模糊集理论与近似推理.武汉：武汉大学出版社，2004.150～167[6]刘林,曹艳平,王婷等.应用模糊数学.第二版.西安：陕西科学技术出版社，2008.182～204[7]曹炳元.应用模糊数学与系统.北京：科学出版社，2005.174～244[8]苏玉萍.基于模糊逻辑的路口交通灯控制算法的研究.硕士学位论文.甘肃：兰州理工大学，2007.[9]丁金婷.基于PLC的交通十字路口模糊控制.硕士学位论文.浙江：浙江大学，2006.[10]黄明琪,冯济缨,王福平.可编程控制器.重庆：重庆大学出版社，2003.46～114[11]宋德玉,王桂梅,张平格.可编程控制器原理及应用系统设计技术.北京：冶金工业出版社，1999.58～111[12]王永华，宋寅卯，陈玉国.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003.292～293[13]杨士元,李美鸾,栾永恒等.可编程控制器（PC）编程应用和维修.北京：清华大学出版社，1994.127～133[14]邹金慧，陈乐庚，韦寿祺.可编程控制器及其系统.重庆：重庆大学出版社，2002.31～110[15]丁炜,魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用.北京：化学工业出版社，2004.26～51更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区毕业设计开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题以三菱FX2N-32MT型号PLC进行设计，在传统的交通信号灯基础上进行改进。改进项目为交通信号灯根据车流的不同来自动控制和改变红绿灯的点亮（熄灭）时间，从而控制车流，来缓解不同时段交通压力。1.交通十字路口传感器的设置在十字路口的四个方向(e、s、w、n)的近端j(斑马线附近)和远端y(距斑马线约100米处)各设置一个传感器，分别统计通过该处的车辆数。近端的传感器用于记录绿灯期间通过路口的车辆数(记为x)；远端的传感器用于记录进入路口的车辆数(记为y)。而实际等候车辆为y-x辆。绿灯时间t分为两部分。其一是固定的最小时间t1为15s，其二是根据车辆流量变化进行模糊决策的绿灯延时t2。本系统的输出是东西和南北两个方向的红、黄、绿灯，由于两个方向的输出关系是固定的，最终都可归结到对当前绿灯的延时上根据现场测试，输出变量t=t1+t2的变化范围为15～60s。图1传感器的设置2.模糊控制算法的设计2.1输入量，输出量的模糊化2.2建立模糊控制规则，模糊控制表2.3输出信息的模糊判决3.模糊控制器的PLC实现3.1控制器的硬件设计控制器功能要求:东、西、南、北方向各有红、黄、绿信号灯一盏，共12盏信号灯;更多资料尽在：大学生部落-大学生第一门户社区更多资料尽在：个，共8个(东、西方向及南、北方向的信号灯可并联，CD4511为4位BCD码输入);则共有14个输出点。该控制器设一个启动按钮;一个停止按钮;8个环型检测器脉冲输入端;共有10个输入点。因此，可选用日本三菱FX2N-32MR的PLC作为控制器核心，它有16个输入点，16个输出点。图2控制器硬件接线原理图3.2系统软件设计控制器的工作原理：控制器接通电源，按下启动按钮，开始工作。首先东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮(亮灯延时时间由队长决定)，当东西方向绿灯最后3s时闪烁3次转黄灯亮2s;接着东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮(亮灯延时时间由队长决定)，当南北方向绿灯最后3s时闪烁3次转黄灯亮2s;接着又转东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，如此循环，直到按下停止按钮结束。显示时间最短为15s，最长为60s。3.2.1队长数据采集程序3.2.2绿延时查表程序3.2.3灯亮程序3.2.4时间显示程序更多资料尽在：大学生部落