基于元胞传输模型的PI控制器设计与仿真毕业论文Word格式文档下载.docx

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根据PID仿真来调节参数来达到高速公路的最佳状态，在MATLAB软件中运行来研究车流参数的变化，从而起到调节高速公路的作用。

本文的研究具有重要的实际意义，在实际的交通流量变化中，现代的交通状态变化迅速和交通流的增长，原本的交通流量已经不能满足现在实际情况的需求，并且对高速公路的具体情况缺乏研究，对车流量的控制不能得到及时的同步，造成了高速公路的拥堵的现象频繁，已经发挥不出预期高速的公路的作用。

所以，如何将智能交通系统融入高速公路的控制之中已经成为一个世界的焦点，如何让耗费巨资的高速公路运行情况到达最佳的状态，也是成为了世界一个重要研究的话题。

1.3国内外文献综述

文献1在高速公路的讨论这一个方面进行了详细的探究，并且在对智能交通和匝道控制的基本方法做了很详细的说明，详细地说明了交通基础理论在高速公路、匝道口交通流的应用，并讨论如何将研究所得的控制方法运用于实际高速公路情况中，研究了当前交通和信息领域的热点问题。

从人工智能及信息融合的角度研究交通控制问题，让其体现出了现代科学技术对高速公路的控制。

文献2针对高速公路流量数据等参量呈现出的非线性、随机性强和高度不确定性问题，本文尝试使用PID的控制方法进行控制，调节参数的变化来尝试控制匝道的车流量变化，使得高速公路运行的状态可以最佳。

并且因为PID控制器可以进行匝道参数的调节，所以可以令得高速公路的状态和运行趋向稳定状态。

文献3关于元胞传输模型理论的首次提出和元胞传输模型的推论，并且将元胞传输模型运用于高速公路之中。

利用交通流密度和车流量守恒定律运用于元胞传输模型之中，更加清晰的让高速公路流量、密度等参数表现出来。

并且利用有效差分法对元胞传输模型进行改善，元胞传输模型更加拥有动态性，让元胞传输模型能够模拟交通流的一些典型的动力学特性。

文献4元胞传输模型进行进一步的探究和元胞传输模型的实际应用进行的是否可行性的探究，对元胞传输模型改进的方法进行设想，并且实践改善元胞传输模型的方法，让其更加适应与高速公路的匝道控制，让高速公路的参数设定更加准确。

文献5当代控制中，很多情况下，交通道路已经拥堵了，但是在控制系统中不能及时体现出来，所以降低了道路控制的效率，所以在原有的基础上率先进行匝道的控制，其控制主要目的缓解高速公路的压力，在汇入和驶离的情况进行控制，让其更具动态性和稳定性。

文献6可以将高速公路当作一个系统，里面系统参数的变化确定了这个系统的效率，导致高速公路这个系统在数学建模这个方面难度会加大，所以尝试运行仿真，对高速公路进行一个仿真的设计，让其更加具有实际的运用方法，这样所得出来的结果具有很好的时效性和指导意义。

文献7详细的解释了元胞传输模型的基本原理，并且根据LN-CTM数学模型，在MATLAB环境下建立交通流计算机仿真流程，LN-CTM是一个动态模型，它在模拟交通事件对交通流的影响有着很好的准确性，在运用MATLAB仿真时，用连接路段的密度和流量来描述交通路网上的交通流的状况，并且详尽的解释了仿真的流程和步骤。

文献8关于PID仿真的参数的调整的方法，让其可以实现控制参数的自动调整，解释了PID控制系统的原理以及PID控制器的构造。

文献9关于MATLAB软件的设计的说明，对MATLAB的基本功能、编程方法以及系统分析有相关的实例进行操作，并且在设计中的应用了多种程序的设计方法和程序的仿真。

1.4本论文的主要研究内容

全文共有五个章节，五个章节的主要内容如下：

第1章在国际普遍的情况下高速公路进行一个概述，对自己的这篇文章的研究目的和研究意义进行一个描述。

第2章介绍了匝道控制的定义进行说明，举例说明匝道的重要作用，也对研究匝道控制的方法进行一个探究。

第3章本章介绍了PID控制系统的工作原理，并且解说工作的公式和计算方法。

第4章本章首先建立高速公路的模型来研究高速公路的变化参数，然后分析基于元胞传输模型的PID仿真的设计原理，最后将元胞传输模型的各个参数运行于PID仿真里面。

第5章运用MATLAB软件来实行元胞传输模型在PID控制器的仿真，并且得出交通流的变化参数，改变匝道车流量的变化，让高速公路的交通状态催向稳态。

最后对整篇文章进行总结，并阐述设计相关的经历。

第2章高速公路入口匝道控制

2.1概述

高速公路最主要的控制是基于匝道车流量的控制，其中匝道的车流速度、密度等参数控制时间决定了系统的控制效果，系统的控制最主要体现在交通灯信号的变化，若可以及时调整交通灯的变化的时间和调节最大车速的数值，可以有效的控制匝道的流量变化，让流量不超过临界值，让高速公路依据某一性能指标以及相关参数让高速公路保持在最佳的运行状态。

在进入匝道前，进行一个市内交通信息的控制，提供多条匝道的汇入，让其使用者自行选择驾驶路线。

不但节约了使用者的时间，还减少交通拥堵等状况的形成，增加入口匝道车辆驾驶入主线时的安全。

2.2入口匝道控制

入口匝道控制在全国的情况来看，运用于高速公路的例子最多，并且其效果也是相对于多种方法较为突出的。

车辆从匝道汇入高速公路主要分为两个过程，一个是车流汇入匝道，另一个是车流在高速公路上汇入主干线。

在第一过程的控制只要是在车辆驶入主线的交通流量这个方面调节，让匝道不超过其极限的车流量，让其在源头上避免交通拥堵的情况发生，这种控制称为“流量控制”；

在第二阶段的控制则是让车辆在高速公路的安全度大大的增加，这样可以减少车辆汇入高速公路的车流量对原本车流量的影响，称为“汇入控制”。

2.3流量控制

在车流量这一个方面，最重要就是实行单点控制，即是重点对单个匝道的研究，以交通道路的主流路段的状况作为最先考虑，对其进行探究。

另一个方面是考虑整体协调控制，以高速公路和匝道最为一个整体，作一个连带关系，从其关联的地方切入，从而达到控制整个交通流。

确定从匝道进入主线的调节率，整体协调控制则以整条快速路的交通状况总体优化为目标，这样可以考虑到多个匝道的调节率，从而起到一个统筹的作用。

整体协调控制和单点控制比较起来，其主要表现在理论上具有一定的先进性。

但是因为在交通流本身所具有的随机性和复杂性，在实际的应用当中，如果难以获得准确描述实时交通状态的模型，那么整体控制就难以体现出来其突出的效益。

从实用这一个方面来看，该研究只能局限于单点控制。

关于汇入控制，如有在快速公路有一个合理的设计，入口匝道附近的加速车道一般可以保证驶入加速车道的车辆安全地驶入主线车流，但是不能保证驶入车辆在汇入主线的过程中不对主线车流产生“挤压”或者阻滞作用，如果在一定形式上采取汇入控制，则可以减少阻滞等情况的发生，还可以避免出现主线车辆被迫交换车道的情况，从而减少交通事故的发生。

2.4入口匝道感应控制

入口匝道感应控制利用交通量的数据来定时调节，按照预先给定的调节率来进行控制，但是其随机变化难以响应交通量，这个就将会造成交通堵塞，致力于改善其缺陷，可以采用入口匝道感应控制方法。

其特点是：

调节率的变化可以不再依赖于过去观测的交通流状况，而是根据如今的实际交通状况，在应用与交通匝道的时候，观测实时交通流量改变率，取得其相关参数从而进行调节，这样可以及时得出来交通流的变化参数。

在当代控制之中，比较常用的有需求-容量差额控制和占有率控制以及反馈控制三种方法。

2.4.1需求-容量差额控制

美国使用的一种常见的入口匝道控制方法是需求-容量差额控制方法。

在上游交通需求进行一个数据的检测，然后和匝道下游容量进行比较，根据这个匝道上的放行车辆来调节匝道车流量的变化。

记离散时间下标k=0,1,2,……及其时间段T，则r（k）表示时间段[kT,（k+1）T]内的调节率。

其公式为：

（2-1）

公式2-1：

qc---匝道下游的高速公路路段的饱和容量；

qu---匝道上游的路段流量；

oout---匝道下游的车辆占有率；

ocr---临界占有率，即一个控制阈值，在达到临界占有率情况下，交通流

达到最大；

rmin---预设的匝道最小流入量。

根据图2-1可以看出，当下游占有率和临界占有率相等时，那么下游的交通流量的容量可以达到最大值。

所以为更好地控制车流量，可以选取相应的调节率。

如果本身的数值适合，那么入口匝道等于实际上游道路需求容量和下游道路容量之差的绝对值。

2.4.2占有率控制

该方法是通过测量占有率，用经验公式来估算下游剩余容量。

如果实测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。

为负说明该段高速公路的交通量超过了最大通行能力，应采用最小调节率。

美国公路安全研究所给出的估算下游剩余容量的经验公式如下：

（2-2）

经过演算推出的公式为：

（2-3）

公式2-3：

---最大调节率。

2.4.3反馈控制

其基本公式为：

（2-4）

公式2-4：

>

0为调节器的参数，

---匝道下游期望的占有率值，一般取。

可以看出，如果占有率oout（k）比期望占有率小，则r（k）要在r（k-1）的基础上增加；

如果占有率oout（k）比期望占有率大，则r（k）要在r（k-1）的基础上减少。

这是一种完全合理的控制行为，实践也证明了这一结论。

另一种连续型反馈控制律为：

（2-5）

根据车辆数量进出相等，推导出来的动态控制系统的公式为：

（2-6）

式2-6中ρ（t）为车辆密度。

由于车辆密度在实际中难于直接测量，常用时间占有率用o（t）代之。

两者之间的关系可用下面式表示：

（2-7）

式2-7：

η---常数；

Μ---高速公路的车道；

Le---平均有效车长。

记α=μη/Le，将式（2-7）代入（2-6）可得：

（2-8）

2.5本章小结

入口匝道控制是世界高速公路运用最为之广泛，并且是十分可取的一种方法，该章节主要介绍入口匝道控制的原理和分类。

在匝道控制也介绍了单点控制和整体控制的作用，突显出来了两种方法在匝道控制中的重要应用，在几种匝道控制的方法中，表现出来的各种匝道控制的不同思路。

第3章PID控制器

3.1概述

在工业生产的过程中，在生产装置的温度、压力、流量、液位等关键点经常会要求维持在一定的数值上，并且有时候还要按照一定的规律来变化，以满足