基于元胞传输模型的模糊控制器设计与仿真.doc

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1、五邑大学本科毕业设计 摘要20世纪80年代以来，我国的经济快速发展，高速公路发挥了重要的作用。但随着机动车辆以几何级的数量增长，交通拥挤成为了社会上的热点问题。交通拥挤不仅会引起车辆延误，扰乱交通秩序，而且还会破坏人们的生活质量。针对这个问题，本文设计了基于元胞传输模型的模糊控制器，并把它运用在高速公路匝道控制上，进而控制进入高速公路主干道的车流量。本论文首先介绍了有关模糊控制的理念，接着重点介绍了元胞传输模型的原理，该原理能很好反映交通流的动态，并根据元胞传输模型设计了一种用于高速公路匝道控制的模糊控制器。最后应用MATLAB软件进行仿真，仿真的结果表明，该控制器具有较好的动态和稳态性能，能

2、有效提高线路的通行能力，实现车辆快速，安全地运行。关键词 高速公路；匝道控制；元胞传输模型；模糊控制器；交通拥挤Abstract Since the 1980s, the freeway has played an important role in Chinas rapid economic development. But the number of motor vehicles with geometrical level growth, traffic congestion has become a social heat issues. Traffic congestion not

3、only causes vehicle delays, and but also destroys the rule of traffic, destroys peoples quality of life. Face to this question, this paper designs a fuzzy controller based on cell transmission model, and applys it on the freeway on-ramp control in order to control entering freeway traffic. The paper

4、 first starts to introduce the concept of fuzzy control, and then focuses on the principle of cell transmission model, which can well reflect the dynamic of traffic flow, and based on this a kind of fuzzy controller has been designed for freeway ramp control. Finally MATLAB software is used for simu

5、lation. Simulation results show that the controller has good dynamic and steady state performance.It can effectively improve the road capacity and make vehicles travel quickly and safely.Keywords freeway ramp control cell transmission model fuzzy controller traffic congestion目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.

6、1 选题背景11.2 研究的目的和意义11.3 国内外文献综述21.4 论文的主要内容2第2章 模糊控制42.1 模糊控制概述42.2 模糊控制的数学基础42.2.1隶属度函数42.2.2模糊关系42.3 模糊推理系统52.3.1模糊推理系统的结构52.3.2模糊推理以及规则52.4 模糊控制的特点62.5 模糊控制器的性能分析72.6 本章小结7第3章 元胞传输模型83.1 元胞传输模型的概述83.2 元胞传输模型的原理83.3 本章小结10第4章 高速公路入口匝道控制114.1 高速公路概述114.2 入口匝道的控制目标114.3 入口匝道的控制方法114.3.1需求-容量差额控制124.

7、3.2占有率控制124.3.3反馈控制134.4 本章小结14第5章 基于元胞传输模型的模糊匝道控制器设计与仿真155.1 模糊控制器的设计步骤155.2 结合元胞传输模型设计模糊匝道控制器225.3 仿真背景235.4 仿真结果与分析235.5 本章小结33结论34参考文献35致谢36附录3743第1章 绪论1.1 选题背景目前国家的经济高速发展，车辆数目也快速增长，市民的出游数次不断增加，城市交通的需求平衡进一步被破坏，从而引发了城市道路交通拥堵。城市道路交通阻塞，是当今社会很热点的问题，它不仅给人民的生活带来了诸多不便，而且限制了国民经济的发展，降低了社会效益。缓解交通拥堵，提高道路的通

8、行能力，成为了各国政府的头等大事。在我们现实生活中，存在停车难，搭车难，行车难等一系列问题，比如在广州，在上下班高峰期，一段本来只需要20分钟的路程，由于拥挤，一个钟或许也达不到目的地。对于交通拥挤的问题，其引起的因素有很多，在国内外的一些大城市，像伦敦，北京，东京，广州等，主要是由于车辆多而路少，特别是高速公路上的拥挤情况最为严重。为了解决这个问题，最有效的办法就是多建造公路，完善交通道路规划，来提高道路的通行能力。但是这个方法需要大量的人力，物力，工期也不短，无法在短时间内取得好效果。况且大部分城市的空间布局存在很大问题，没有多余的空间来修建道路。那么如何解决交通拥挤的问题呢？如果我们想要

9、一个舒适的交通环境，就必须了解造成交通拥挤的原因，对症下药。就目前来讲，政府有关部门可以通过实施公交优先，上下班高峰期，某些路段实行单方向行驶，来减少路段的车流量，抑制私家车喷口式发展趋势等。但这种做法，无法从根本上消除交通拥挤的现象，取得的效果不明显。因此，随着科学技术的发展，各种高新的技术结合在交通系统上，智能交通成为了新时代研究的热点。它通过建立各种模拟控制器，能很好实现对高速公路上的动态进行控制。本文就设计了基于元胞传输模型的模糊控制器，监控匝道上的车辆数目，进而解决高速公路上的拥挤问题。1.2 研究的目的和意义就目前来讲，交通问题刻不容缓。交通是国家经济发展的生命线，它能满足人们出行

10、的需求，提高人们的出行效率，加快资源的合理分配，促进国家经济的发展。本课题研究的目的就是在上述提到的道路拥堵情况下，分析出造成交通拥堵的原因，进而探讨如何寻找合理的方案和方法去解决道路拥堵问题。在充分利用现有城市道路资源的前提下，对高速公路的拥挤情况进行分析，本文采用基于元胞传输模型的方法，从而设计出缓解道路拥堵的匝道控制器，有效引导道路交通，让道路保持畅通，达到出行轻松方便快捷，降低由于道路交通引起的各种安全事件的次数。本文研究具有重要的意义，在我们的平常生活当中，因为公路上的拥堵，使得我们在道路上花费了更多的时间，降低了工作效率。通过模糊控制器的设计，将其使用在高速公路匝道控制上，能控制高

11、速公路上的车辆数目，提高主干道的通行能力，减少交通污染，营造一个人与车辆和谐发展的交通环境。模糊控制器增强了对匝道的控制效果，它能避免因为车流量过多而引起车辆在道路上排队，从而引发交通拥挤。这种控制具有很强的灵活性，能有效减少交通上发生的追尾事件，提高行车的效率和安全。1.3 国内外文献综述文献1 介绍了智能控制的几种控制类型，并在第2章详细的讲述了模糊控制系统的设计方法。而在MATLA系统中模糊控制器的仿真，进一步描述了模糊控制在现代工业的运用。文献2 介绍了MATLAB的有关操作，各种隶属度函数的应用以及相关性质，如何建立模糊规则等，然后介绍模糊工具箱的用法。文献3 阐述了有关交通流的理论

12、，分析了匝道控制在控制高速公路车辆数目中的作用，有关匝道控制的条件、类型和目标，对于定时与感应控制在高速公路中的不一样的控制效果也做出了研究。文献4 针对高速公路的拥挤情况，智能交通控制把现代的科学技术运用于交通领域，设计了入口匝道的模糊控制器，讲述了其设计的步骤，它建立了56条规则，能很好地控制主线上的交通量，减轻高速公路的压力。文献5 讲述了在当代智能交通在高速公路上的运用，分析了交通量，交通密度，车流速度三者的关系，建立了交通流模型，并在最后介绍了匝道的有关概念，讲述了入口匝道的控制效果。文献6 在高速公路飞快发展的今天，交通拥挤成为社会上热点问题。本文讲述了模糊控制的有关算法和模糊控制

13、器的结构，依据具体的隶属度函数，设计了25条规则，并具备两个输入变量，单个输出的模糊控制器，并将它运用于高速公路匝道控制。文献7 讲述了在高速公路上匝道控制的控制方法，介绍了利用模糊逻辑工具箱来建立模糊控制器的方法，本文依据模糊工具箱建立的控制器，具备简单，直观，实用价值高等优点，能实现车辆安全运行。 文献8 对于交通流中的排队特性，比如排队开始到变为拥挤的现象，元胞传输模型能很好模拟这种状况。每个元胞就是一个路段，在本文中提出一种新的基于元胞传输模型的对于不同线路选择的行程时间的计算方法。文献9 重点介绍了元胞传输模型的基本原理，针对公路上的某路段的快速路交通状况，运用元胞传输模型进行模拟交

14、通拥挤情况，然后再仿真，得出结果。文献10 目前模糊控制系统的设计主要依靠实验和错误，这极大的限制了其实用性，本文论述了能实现多种模糊推理的控制器的原理，其性能的评估通过仿真来实现。1.4 论文的主要内容全文共分五章。第1章 阐述了基于元胞传输模型的模糊控制器的选题有关背景，它在交通领域研究目的和意义，并对国内外城市的交通拥堵情况作出研究。第2章 主要讲述了模糊控制的有关概念，模糊控制的数学基础，模糊推理系统的组成部分，并简单介绍了模糊控制的特点，并进一步分析了模糊控制的有关性能。第3章 首先介绍了元胞传输模型的有关概念以及发展史，然后详细介绍了元胞传输模型的原理。第4章 主要介绍了匝道控制在

15、高速公路上的应用，分别讲述了实现匝道控制的目标以及方法。第5章 本文的重点，结合元胞传输模型设计模糊控制器，实现高速公路的匝道控制，改善交通拥挤情况，最后在MATLAB中进行仿真研究。结论部分对本论文内容进行归纳总结，并陈述了基于元胞传输模型的模糊控制器的应用意义。第2章 模糊控制2.1 模糊控制概述模糊控制是以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理作为基础，是一种不同于传统的控制方法，应用于智能控制领域1。自1965年扎德（L.A.Zadeh）首先提出了模糊集理论，经过了多年的发展和深入研究，其理论不断完善，且在复杂的工业控制领域上取得了不错的成就。然而对那些测量数据不精确，处理大量数据而导

16、致无法实时处理的控制场合，传统的控制方法无法满足日益要求精度复杂的生产工业，更加无法取得好效果。面对这种情况，为了实现精确控制，经过研究人员的努力，人们发现利用模糊手段可以达到这个目的。模糊控制是一种具有模拟人的学习能力和自适应能力的新型控制系统，它以模糊规则作为核心，利用模糊条件语句来刻画变量之间的函数关系，用模糊推理来描述对象间的复杂关系1。自20世纪末以来，模糊控制理论逐渐成熟，在生产领域，它逐渐向大系统，智能应用系统等方向发展，比如我们生活中的模糊空调，就是一个很好的例子。在今后的日子，模糊控制将会引起控制领域上的产业风暴。但由于它带有相当大的主观性，只是凭借经验建立的模糊规则，所以在

17、某些控制领域上也存在一些缺点，这就需要以后进一步的学习和改善。2.2 模糊控制的数学基础2.2.1隶属度函数从那些具体的模糊集出发，隶属度函数体现了该集合的模糊性以及其内部特性。所以，怎么确立隶属度函数关系到控制器的性能，选择隶属度函数需要遵循以下规则：(1) 隶属度函数一般选择单峰函数，不应该采用多峰函数。(2) 隶属度函数中，对于模糊变量的选择一般采用3到9个标称值，通常取奇数个。(3) 隶属度函数应该遵循语意的顺序，比如力量很小，力量较小，力量适中，力量较大，力量很大这些模糊集的中心位置必须按一定的顺序排列，这样就符合人们日常的经验和常识。另外，应该避免不恰当的重叠。在考虑重叠问题时，重

18、叠率和重叠鲁棒性关系到最后控制器的控制效果，需要仔细作出研究，进行选择。就今天来讲，有关隶属度函数的确立还处于初级的发展阶段，其理论的确立是建立在日常经验基础上，还无法做出进一步的突破。一般来说，隶属度函数的确立可以选择专家评分法，模糊统计法，二元对比排序法1。2.2.2模糊关系在这个世界，事物是普遍联系的，也就是说事物间都有关系。如两个数字之间就有大于，等于，小于等关系，两条直线就有平行，相交，异面关系，不同的人就有高矮，肥瘦的关系。而母子之间的像与不像就是一种模糊关系。在科学上，模糊关系是笛卡尔空间A与B到区间0 1的映射。模糊关系通常用模糊集合，模糊矩阵和模糊图来表示。模糊关系是研究两个

19、事物之间对某个模糊概念的相关联程度，模糊关系与普通关系一样，两种模糊关系可以通过运算算子来进行合并成为一种新型关系。2.3 模糊推理系统2.3.1模糊推理系统的结构模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示以及模糊逻辑推理为理论基础，模拟人的模糊思维方法，对复杂过程进行控制，由计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的智能控制系统1。作为一种典型的智能控制系统，它的核心是智能化的模糊控制器。图2-1 模糊控制器基本结构图从图2-1中分析可以得出，模糊控制器的基本结构由模糊化过程、模糊规则（含数据库和规则库）、模糊推理（推理机制）和精确化计算组成，而模糊化系统在结构上与传统的控制系统的区别就在

20、于模糊控制器，它实现了智能化控制。接下来就讲述模糊推理结构中的重点部分，模糊推理及规则。2.3.2模糊推理以及规则在我们生活中，通常有一些不确定或不完全的信息，比如1.8米算是高的标准，那么1.79米算是这个范围吗？模糊推理就在这种背景下产生，模糊推理又称不确定推理。模糊推理是一种近似推理，而模糊条件是模糊控制理论规则生成的基础。在目前的社会，经过多年的发展，模糊推理有很多方法。比如：Zadeh推理法，Mandani推理法，Baldwin推理法等。下面重点介绍Mandani推理法。在模糊控制系统中，Mandani推理法是比较常用的推理手段，其模糊关系可以用模糊集A和B直积来表示 (2-1) (

21、2-2)Mandani推理方法就是把输入模糊变量和模糊关系一起运算，最后得到模糊输出量。设它的控制规则为：r1: if x is A1 and y is B1 then z is C1r2: if x is A2 and y is B2 then z is C2 rn: if x is An and y is Bn then z is Cn推理强度： 其中和，i=1,2 n分别是和的隶属度函数。对于第i条模糊控制规则，则有模糊控制量， 其隶属度函数为： i=1, 2, ,n (2-3)进而得出 (2-4)其中“” 是最大运算 符；“”是最小运算符，在区间内，有：， (2-5)(2-5)式为最大

22、和最小运算，这是Mandani推理最常用的算法，该方法简单，有效。2.4 模糊控制的特点模糊控制是建立在模糊数学与模糊逻辑学的基础上，依据专家专业技能和专业人士的实践经验来建立语言规则，进而将其转化为策略性很强的控制的一种模糊推理方式。它在生产领域得到了广泛的应用主要是因为其以下的特点。(1) 模糊控制器，是根据人们的实践和操作的经验来设计的，对于被控对象，就不需要建立数学模型，因而它容易被人接受，利于推广和投入生产。(2) 模糊控制语言中的很多，比较多，很少，比较少等具备人类的思维特征，是一种不精确推理，对于处理复杂性，模糊性的对象具有很好的效果。(3) 模糊控制中的算法可以用软件来实现，能

23、够执行线性或非线性的被控对象，适应性强。(4) 从受控对象出发，它用语言变量代替了数学变量，能轻松用于知识表达和建立新的语言型控制规则。(5) 鲁棒性强，能提高系统性能，能减少参数变化带来的不良影响，能减少系统带来的额外干扰。2.5 模糊控制器的性能分析 在日常生活中，我们常常关心的是该控制器的性能，性价比，它到底符不符合人类的生产要求，能否促进人类文明的进步。而模糊控制器具有其它传统控制器无法比拟的优势，它给生产领域带来了新的革命。模糊控制器的性能主要分析它的静态性能，动态性能，稳定性和鲁棒性2。静态性能：主要是控制规则的相容性，干涉性以及完备性。控制规则中的相容特性对控制器影响比较大，当有

24、两条以上规则不相容时，会产生矛盾的输出，使得控制效果很差。干涉的强弱取决于相应子空间的笛卡尔乘积，而完备性主要是不允许有输入而没输出的状况。动态性能：一旦控制器建立的模糊规则有缺陷，参数的选择有误，其动态性能将会产生很多问题，比如系统将会有调节的时间过长，强烈动荡，对于外界的干扰的抵抗能力差，造成的误差较大等问题。稳定性分析的方法有：描述函数分析法，相平面分析法，线性近似分析法。鲁棒性：鲁棒性是控制器最重要的性能之一，指的是控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性。因为它直接与控制器的受输入扰动，控制参数和结构变化有关，与传统的控制器相比，模糊控制器的鲁棒性更好。2.6 本章小结本章首先

25、讲述了模糊控制的产生以及应用，引入模糊关系的概念后，接着详细地讲述了模糊控制的特点以及模糊控制器中的模糊规则和模糊推理，这是其核心部分。结尾介绍了模糊控制器的性能。第3章 元胞传输模型3.1 元胞传输模型的概述Daganzo分析交通流量，交通密度两者间的关系，并进行简化，并根据有限微分法确立了交通传输模型，这是一种依据高速公路交通中的运行环境，将所有车辆看成一个整体，可以分析交通流的干扰和波的形成，对于公路上排队的形成、排队的消散具有很强模拟能力，能很好地判断交通的拥挤情况。在国外，CTM已经被广泛被应用于交通领域，并取得不错的效果。但在国内，由于元胞传输模型的技术不是很成熟，应用在交通领域的

26、例子并不多。但随着科学技术的发展，我相信，在未来的日子，该项技术一定能发挥其作用，改善交通的状况。3.2 元胞传输模型的原理元胞传输模型的原理与流体动力学理论相近，是对其一种逼近，求极限，并且它为实际路网提供了一种比较简单的求法。CTM描述了交通路段上交通量，交通密度，交通速度的关系。其在公路上车流量和密度的关系为： (3-1)在式(3-1)中是拥塞密度,辆/km；为高速公路上的最大通行能力，辆/h；为自由流速度，km/h；为拥挤车流后向后面传来的干扰；结合式(3-1)，其流量-密度关系如图3-1所示。图3-1 流量-密度关系图在元胞传输模型里，它的主要内容是等长度的元胞集合，就是每个细胞的长

27、度为自由交通流在单位时间中行驶的距离。一般在没有拥堵的情况下，在单位时间里，车辆可顺畅地从一个元胞流动到下一个元胞。所以，每个元胞的容量即元胞容许容纳的最大车辆数目，式(3-2)是它的表达式，因为每个元胞长度都是一样的，进而得出每个元胞的车道数决定每个元胞的容量。在时间段内，流入元胞内的车辆数的表达式为式(3-3)，也即是第个元胞和第个元胞的通行能力的最小值。 (3-2) (3-3)式(3-2),(3-3)中，是第元胞的容量，即是元胞能容纳的最大车辆数；为拥挤密度， 辆/(km .车道)； 为第个元胞的通行能力，辆/h；为车道数；为元胞的长度；图3-2 CTM模型的流量流动图图3-2中，为第个

28、元胞，为第个元胞的下游，为第个元胞的上游，为在t时段内元胞内的机动车数目； (3-4) (3-5)结合图(3-2)与式(3-4)，式(3-5)可知当在交通量比较小的时候，进入元胞的车辆数就等于其上流元胞内的车辆数；而当交通比较拥挤时，就等于第个元胞最多能容纳的剩下的车辆数；当交通瓶颈时，就等于元胞最大车辆数。从模型可以分析出交通的状况，它可以动态反映公路上交通的拥挤情况，是一个很好模拟交通的平台。3.3 本章小结本章主要讲述了元胞传输模型的发展史，元胞传输模型的概念和基本原理，讲述了元胞传输模型在交通领域的应用，它能很好的模拟动态交通，能反映高速公路上的拥挤情况，拥有较好的发展前景。第4章 高

29、速公路入口匝道控制4.1 高速公路概述在平常生活中，高速公路在人们出行中扮演着重要的角色，由于其快捷方便，通行能力大吸引了无数的出游者。可是，当大部分人们都选择高速公路时，就会出现交通拥挤的情况，处理不好的话，还会发生交通事故，打乱道路的通行秩序，威胁市民的生命安全。就目前高速公路采用的交通控制策略来说，主要有四种：主线控制、通道控制，收费控制和入口匝道控制3。而入口匝道控制是其中较好的一种控制方法，它能很好得控制交通拥挤的状况发生，它在高峰期控制车流进入高速公路主干道的数目，进而达到交通平衡的目的。那么什么条件下可以实施这种控制方法呢？当匝道的上游流量小于下游的最大通行能力时，我们就可以采用

30、入口匝道控制进入高速公路的车流。但入口匝道控制这种方法造成了部分入口匝道延误，引起了匝道车辆排队，这是一种转移部分车流到其它可替代的路线上来提高高峰期间道路主干道的车流量和车速，减少我们的出行时间, 能很好抑制因车流扰动而引起交通拥挤，提高行车的效率。4.2 入口匝道的控制目标从我们学过的交通流理论可知，交通密度是衡量交通拥挤程度的标准，当交通密度大于临界密度时，道路就会变得拥挤，虽然可以通过控制入口匝道车流量这种方法来进一步改善，但交通拥堵仍需要很长一段时间才可以恢复到平时的状态。因此匝道控制的目标就是使交通密度小于临界密度，一般来说，保持交通密度在临界密度的负邻域，即，公式中的为道路上的期

31、望密度，是道路上的临界密度，是符合要求的正数，且值较小。为了达到很好的控制效果，下面讲述入口匝道控制的目标。(1) 缩短机动车在道路上花费的时间；(2) 使得交通密度小于临界密度；(3) 减少机动车冲突数次；(4) 保持道路交通流的平稳性，进而消除不适应感，为机动车辆营造一个较好的环境。4.3 入口匝道的控制方法车辆通过入口匝道驶进高速公路时，匝道控制器就可以限制其进入高速公路的车辆数，其进行调节的方式一般可以分为入口匝道定时控制、入口匝道集中控制和入口匝道感应控制。(1) 定时调节是指入口匝道调节率开始就设定，在特定的时间段里，它的运行不会改变。这种控制方式的特点是根据历史的交通流数据来统计

32、情况，它把一天划分为若干时段。这是一种假设各时段交通流不会改变的控制方式来确定入口匝道调节率。(2) 入口匝道集中控制是指高速公路的各个入口匝道的调节是联系在一起的，它们对交 通流的影响是相关的，当一个入口匝道调节率发生变化时，高速公路的交通量就会发生变化，就会进一步影响其它的匝道控制调节率。这种方式全面分析每个入口匝道的调节率，使得交通性能指标得到改善。(3) 入口匝道感应控制是调节率的变化不再像定时控制一样考虑过去的交通情况，它在现场实时调查，根据在现场测得的交通量实时检测数据得知匝道的调节率，这做法符合交通流中的随机变化的特点，它可以改变入口匝道中定时控制的弱点。在目前控制方法之中，比较

33、常用的有需求-容量差额控制和占有率控制以及反馈控制三种方法。 4.3.1需求-容量差额控制国际上较常见的控制方法，它首先对上游的交通需求进行检测，然后与下游的车辆容量进行对比，根据这个来调节匝道的车辆数目。记离散时间的下标为k=1, 2, 3，及时间段，则表示在时间段内的调节率，它的计算公式为： (4-1)为匝道下游的容量；为时间段内的匝道上游交通需求；为匝道下游车辆占有率的检测值；为占有率的临界值；为预设的调节率下限值。4.3.2占有率控制这种方法，根据测量的数据来估计下游剩下的容量，再来确定入口匝道的调节率。进行检测时，当匝道下游的占有率比最大交通流的占有率小，则为正，否则为负。当为负，就

34、表示该段道路的交通量超出了其能承受的最大的通行能力，应对这种情况，一般应用最小调节率。 图4-1 剩余通行能力-占有率关系图根据图4-1以得出两者的关系，而美国公路安全研究所研究出来的估算下游剩余容量的经验公式如下。 (4-2)于是得出调节率： (4-3)4.3.3反馈控制这种方式指将控制系统得到的输出信息通过反馈通道进入输入端口，两者进行比较，进一步利用二者的偏差而进行控制的过程。在此领域中，给出这样一种控制方法； (4-4)其中，为调节器参数；为下游路段期望的占有率值而另一种连续型控制为： (4-5)K为反馈增益；和分别为高速公路的流出车流量和流入车流量。进而推出系统的动态方程，由车辆守恒

35、可知， (4-6) 式中，为车辆密度，因为车辆密度比较难测量，实际中常用时间占有率代之： (4-7)式中为常数，表示高速公路的车道数目，为平均有效车长。记，将式(4-7)代入式(4-6)可得： (4-8)如果系统式(4-8)采用控制律式(4-4)，则 (4-9)式(4-9)表明，当我们在高速公路应用匝道控制时，入口匝道控制器的控制目标是想方设法令交通密度逼近于期望的交通密度，在这里，期望的交通密度可选取为临界密度。4.4 本章小结高速公路快速发展，方便了人们的出行。不过当大量的车辆行驶进高速公路时，会引起交通拥挤等问题。本章针对这个问题，研究了匝道控制在高速公路的应用，它能有效控制进入高速公路

36、上的车辆数目，提高行车效率。首先讲述了入口匝道控制的原理，接着描述了匝道控制的目标，最后介绍了达到好的控制效果，而采取的控制方法。在各种控制方法中，很好体现了其不同的控制思路。 第5章 基于元胞传输模型的模糊匝道控制器设计与仿真5.1 模糊控制器的设计步骤(1) 明确输入变量，输出变量的维数。(2) 确定模糊推理的方法。(3) 确定模糊规则。(4) 确定输入隶属度函数，了解模糊化模块，并进行设计。(5) 建立输出模糊量的隶属度函数，确立精确化模块。(6) 应用软件仿真，查看模糊控制器的性能，根据具体要求，并作出改良。在本次高速公路的匝道控制上，模糊控制器采用双输入单输出的模式，作为反馈型的控制

37、，两个输入分别为密度跟踪误差和变异误差，而系统的输出量为。 (5-1) (5-2)为期望密度与现实密度之差，它和的范围为40到40辆(千米车道)，而输出量是从1000到1000辆/小时。在本次设计中，选择的输入输出隶属度函数为比较常用的三角函数，其输入在MATLAB中的设计过程如下：图5-1 输 入的隶 属度函 数设 计界 面图图5-2 输入的隶属度函数图从图5-1，图5-2可知，输入e划分为8个模糊空间，隶属度函数选择三角函数。图5-3 输 入的隶 属 度函数设 计界 面图图5-4 输入的隶属度函数图从图5-3，图5-4可知，输入划分为7个模糊空间，隶属度函数选择三角函数。图5-5 输 出的

38、隶属 度函数设 计界 面图图5-6 输出的隶属度函数图从图5-5，图5-6可知，输入划分为7个模糊空间，隶属度函数选择三角函数。设计模糊控制器时，采用Mandanid的模糊推理方法，由于模糊分割的次数越多，其控制进度就越高，基于本次匝道控制的情况，本次输入e分为八个模糊空间，NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，NO(负零)，PO(正零) ，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大),而输入ec分为七个模糊空间，NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)；为了达到较好的控制效果，其一共建立56条模糊规则：(1) If (e is NB) a

39、nd (ec is NB) then (rc is NB) (1) (2) If (e is NB) and (ec is NM) then (rc is NB) (1) (3) If (e is NB) and (ec is NS) then (rc is NB) (1) (4) If (e is NB) and (ec is ZE) then (rc is NB) (1) (5) If (e is NB) and (ec is PS) then (rc is NM) (1) (6) If (e is NB) and (ec is PM) then (rc is ZO) (1) (7) If

40、 (e is NB) and (ec is PB) then (rc is ZO) (1) (8) If (e is NM) and (ec is NB) then (rc is NB) (1) (9) If (e is NM) and (ec is NM) then (rc is NB) (1) (10) If (e is NM) and (ec is NS) then (rc is NB) (1)(11) If (e is NM) and (ec is ZE) then (rc is NB) (1)(12) If (e is NM) and (ec is PS) then (rc is N

41、M) (1)(13) If (e is NM) and (ec is PM) then (rc is ZO) (1)(14) If (e is NM) and (ec is PB) then (rc is ZO) (1)(15) If (e is NS) and (ec is NB) then (rc is NM) (1)(16) If (e is NS) and (ec is NM) then (rc is NM) (1)(17) If (e is NS) and (ec is NS) then (rc is NM) (1)(18) If (e is NS) and (ec is ZE) t

42、hen (rc is NM) (1)(19) If (e is NS) and (ec is PS) then (rc is ZO) (1)(20) If (e is NS) and (ec is PM) then (rc is PS) (1)(21) If (e is NS) and (ec is PB) then (rc is PS) (1)(22) If (e is NO) and (ec is NB) then (rc is NM) (1)(23) If (e is NO) and (ec is NM) then (rc is NM) (1)(24) If (e is NO) and

43、(ec is NS) then (rc is NS) (1)(25) If (e is NO) and (ec is ZE) then (rc is ZO) (1)(26) If (e is NO) and (ec is PS) then (rc is PS) (1)(27) If (e is NO) and (ec is PM) then (rc is PM) (1)(28) If (e is NO) and (ec is PB) then (rc is PM) (1)(29) If (e is PO) and (ec is NB) then (rc is NM) (1)(30) If (e

44、 is PO) and (ec is NM) then (rc is NM) (1)(31) If (e is PO) and (ec is NS) then (rc is NS) (1)(32) If (e is PO) and (ec is ZE) then (rc is ZO) (1)(33) If (e is PO) and (ec is PS) then (rc is PS) (1)(34) If (e is PO) and (ec is PM) then (rc is PM) (1)(35) If (e is PO) and (ec is PB) then (rc is PM) (1)(36) If (e is PS) and (ec is NB) then (rc is NS) (1)(37) If (e is PS) and (ec is NM) then (rc is NS) (1)(38) If (e is PS) and (ec is NS) then (rc is ZO) (1)(39)