感应式信号控制（精选九篇）
感应式信号控制 篇1
关键词：行人过街,感应信号控制,过街辅助设施
0 引 言
合理的路段行人过街设施有利于保障行人安全过街,提高交通效率。国内城市中行人乱穿马路等诸多不规范的过街行为,在一定程度上是由于忽视路段设计中对路段过街设施设计[1]。为规范交通秩序,提高路段行人过街效率,保障行人过街安全,交通工程师设计了多种路段行人过街设施,可分为平面过街设施和立体过街设施两大类。相对于立体过街设施,平面过街设施具有建设简单、投资少、行人过街方便等优点,应用最为广泛。但平面过街设施由于不能实现车流与人流的空间分离,无法完全阻止不规范的行人过街行为的发生,易影响路段车流的运行,存在较大的安全隐患。
路段平面过街设施可分为无信号控制、定周期信号控制、感应信号控制3类。无信号控制的行人过街设施应用最为广泛,在机动车交通量较大时易造成交通混乱,安全性较低。定周期控制行人过街设施是依据行人流量及机动车流量的历史数据设计,兼顾人、车的通行权,但在过街行人较少的情况下机动车会产生较大延误。感应式行人过街信号控制可根据车流量和人流量的变化改变信号控制方案,能显著改善行人过街安全性和效率。现有基于机动车信息的感应控制和基于过街行人信息的感应控制2种[2]。基于机动车信息的感应信号应用较为广泛,但对行人通行权的考虑有所缺失。基于过街行人信息的感应设施主要为“按钮式”行人过街设施,其能保障路段行人的通行权,体现“以人为本”的设计理念,但使用认知度偏低,智能化程度不高。在交通规范意识较为薄弱的地区,行人常因忽略过街按钮而直接闯红灯过街,容易发生严重的交通事故。
本文设计了一种新型的路段感应式行人安全过街系统,应用于行人过街需求和路段车辆到达具有脉冲特性的路段。该系统采用视频检测技术实现过街行人的自动检测,利用感应线圈检测机动车流的车头时距;通过感应控制实现信号的实时调整以保障行人通行权和减少对车流的影响;采用“减速带式”人行横道、路段行人过街通道灯、智能人行道护栏等辅助过街设施提醒驾驶员减速,空间隔离车流与人流。
1 系统框架设计
路段感应式行人过街系统由信息采集系统、过街信号控制系统、过街辅助设施3个子系统组成。信息采集系统分行人检测和机动车检测两部分,行人检测依靠视频检测技术自动识别过街等待区中行人,机动车检测采用感应线圈检测车辆的车头时距。过街信号控制系统根据行人等待时间和车流的车头时距,调整信号控制参数,并依据实时交通状况对路段通道灯和智能人行道护栏等行人过街辅助设施进行控制。系统兼顾行人过街需求和路段车辆通行效率,同时实现行人流和车流在空间和时间上的同步分离,系统实施框架见图1。
2 信息采集系统
2.1 行人检测
采用视频检测方法可自动获取行人图像。行人具有灵活性、非刚体性和随意性等特征,在视频拍摄时,所得图像中行人的轮廓表现得比刚体复杂;而且行人的外观受到身材、姿势、衣着、光照等多方面的影响,行人轮廓特征不容易被提取。因此将摄像机垂直架设在检测区域上方可最大限度地减少行人的遮挡和行人轮廓特征不易提取的不利因素,摄像机的设置见图2。
摄像机采集的原始图像往往存在噪声,不利于后续图像的处理。为了抑制噪声,须对拍摄的图像进行预处理,以改善图像质量,提高行人的辨识程度。考虑能较好过滤噪声、减少不必要的图像损失、原理简单适用等因素,系统采用中值滤波法对图像进行预处理。
图像经过预处理后,进一步采用基于统计分类的方法,即将行人检测看作是一个行人/非行人的分类问题,先对行人进行特征提取,然后利用模式识别进行分类。因此,行人特征提取方法和分类器的选择成为快速高效检测行人的关键。梯度直方图(histograms of oriented gradient,HOG)[3]被证明是能很好刻画人体的轮廓并描述局部形状信息的特征,对光照变化和少量的偏移不敏感,适用于提取行人特征。步骤如下:①将图片分成多个块,每个块分成多个单元格,在每个单元格中,计算梯度的方向分布直方图作为特征向量;②把每个块的特征向量串联起来构成整个图片的特征向量;③对于大量的特征,求出正样本(行人特征)的概率,联合Gentle Adaboost算法[4]创建的分类器实现行人的快速检测。Gentle Adaboost算法不仅具有较高处理精度与速度,同时算法简单,计算速度快,在需要进行实时信息的处理时显得格外的重要。
2.2 机动车检测
在人行横道两侧的停车线上游车道设置机动车检测器,负责机动车空档检测。检测器位置与机动车单位绿灯延长时间、车辆的平均速度密切相关,因此选择最佳的检测器布置位置对感应控制的效果具有重要作用。检测器距离停车线的距离应满足3个要求:
1) 保证车辆在单位绿灯延时内顺利通过人行横道,如式(1)。
式中:l1为机动车行驶方向上检测器与停车线的距离,m;gmin为机动车单位绿灯延长时间最小值,s;vv为路段机动车车速,m·s-1。
2) 满足车辆在人行横道前安全刹车的要求,见式(2):
式中:l2为机动车在停车线前安全停车时检测器与停车线的距离,m;a为机动车减速度,m·s-2;td为驾驶员反应时间,s,vv为路段机动车车速,m·s-1。
3) 在最小流量时车辆排队不超越检测器,如式(3)。
式中:l3为受车辆排队约束时检测器与停车线的距离,m;qmax为最小流量时的最大排队车辆数,辆,hv为排队车辆的平均车头间距,m。
综合以上3个要求,机动车检测器感应线圈与停车线之间的距离l=max(l1,l2,l3)。
3 路段行人过街感应信号控制系统
3.1 路段行人过街感应信号基本原理
行人过街的信号根据过街行人信息和路段车流空档进行实时的调整,路段行人过街感应信号工作流程见图3。
3.2 信号控制参数计算
路段行人过街感应信号配时方案中涉及5个重要控制参数:行人绿灯时间Gp、机动车初期绿灯时间G0、机动车绿灯极限时间Gmax、机动车单位绿灯延长时间gmin和gmax,其计算及获取方法见表1。
除了上述5个信号控制参数外,行人等待临界时间tp也是决定是否转换行人相位的重要参数。确定适当的tp值,可以减小过街行人延误,避免行人强行穿越的比例。通过对南京西康路、北京西路、进香河路和太平北路路段行人过街设施的观测,当行人平均延误低于20 s时,行人强行穿越的比例较低;在20～30 s时,比例适中;30 s以上,比例较高。因此,建议tp取值在20～30 s之间。
4 行人过街安全辅助设施
基于视频检测的感应式行人过街信号从时间角度分离了行人和车辆,能有效提高路段的通行效率、方便行人过街。但是对于部分交通意识淡薄的行人闯红灯过街、驾驶员未在人行横道前减速等具有较大的交通安全隐患的行为,更需要从空间分离等角度来设计。为此论文设计了“减速带式”人行横道、路段行人过街通道灯系统和智能人行道护栏3类行人过街安全辅助设施,以提高行人过街的安全性。
4.1 “减速带式”人行横道
“减速带式“人行横道的设计借鉴了减速带,通过让驶过人行横道的车辆产生颠簸感来提醒驾驶员在人行横道减速。设置方法为将绘有人行横道标线的路段抬高4 cm,与原路面以1∶4的坡面连接,如图4中标有人行横道标线的浅灰色路面所示。目前国外在一些生活区道路中有相关的应用,在城市干道应用时需要考虑路段车流速度。在平均车速较高时,不宜采用该设施,以避免产生车辆侧翻等事故。
4.2 路段行人通道灯系统
路段行人通道灯铺设于“减速带式”人行横道的坡面上,如图4中人行横道边的红色发光点。由信号控制机来控制其开关:只当行人信号绿灯时,跑道灯发出红光。采用高强度跑道灯,在行人过街时间发出强光束,形成光墙,警示驾驶员停车,在夜晚使用效果尤为明显。
4.3 智能人行道护栏
为了从空间上更好地隔离行人和机动车,避免行人闯红灯引发的交通事故。在设有机非分隔带的路段上安装智能人行道护栏。护栏由控制立柱、启闭门和三辊闸护栏组成,见图5。护栏在行人绿灯相位时开启。考虑到会有行人在护栏关闭时未能及时通过而被滞留在路段中,因此在护栏一侧设置三辊闸式护栏,只允许行人从路段到人行道的单向通行。
5 结束语
针对既有路段行人过街设施的不足,采用视频检测技术,实现对过街行人识别;利用感应线圈判别路段车流空档;根据行人过街需求量、等待时间以及机动车的空档设计了感应信号配时方案,确保行人过街通行权,并尽可能保障机动车的通行需求;应用“减速带式”人行横道、路段通道灯、智能人行道护栏3类行人过街安全辅助设施,实现人流与车流的时空分离,保障行人的过街安全性,提高路段车流运行效率。随着视频检测技术的检测精度的提高和检测设备费用的降低,智能化的行人检测技术将得到推广和应用。在后续的研究中,仍需进一步优化感应信号控制算法,考虑路段过街与相邻交叉口信号的协调,进行实物仿真,验证系统的安全性和有效性。
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交叉口单点感应信号控制优化设计 篇2
交叉口单点感应信号控制优化设计
介绍交叉口感应信号控制的.优越性和局限性、基本工作原理以及控制参数.借助于VISSIM软件,对单个交叉口进行感应信号控制设计,以车辆和行人平均行程时间作为评价指标,对该交叉口进行定时信号控制和感应信号控制仿真比较分析,得到较为理想的结果.
作 者：胡大伟 吴中 方青 葛灵志 HU Da-wei WU Zhong FANG Qing GE Ling-zhi 作者单位：河海大学交通学院,江苏南京,210098 刊 名：交通科技与经济 英文刊名：TECHNOLOGY & ECONOMY IN AREAS OF COMMUNICATIONS 年，卷(期)：2009 11(2) 分类号：U491 关键词：交叉口 感应信号控制 VISSIM 仿真考虑铁损的感应电动机节能控制 篇3
(1. 上海海事大学 物流工程学院，上海 201306； 2. 上海应用技术学院 电气与电子工程学院，上海 201400；3. 上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)
考虑铁损的感应电动机节能控制
魏彪1， 王步来2， 魏明3， 钱德鹏1， 吴颖君1， 季珊珊1
(1. 上海海事大学 物流工程学院，上海 201306； 2. 上海应用技术学院 电气与电子工程学院，上海 201400；3. 上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)
为提高感应电动机的运行效率,提出一种快速响应且节能的控制方法.基于矢量控制原理，建立一种带转矩控制和磁链调节器的感应电动机最佳磁链节能控制策略.首先,建立考虑铁损的感应电动机数学模型;然后,根据数值分析方法求得系统最高效率时的最佳磁链的表达式;最后,利用MATLAB搭建节能控制系统的仿真模型.仿真结果表明，这种控制策略不仅可以改善节能效果，而且能够改善感应电动机的动态性能，这种控制方式是正确和可行的.
快速响应； 节能控制； 感应电动机； 转矩控制； 最佳磁链
0 引 言
感应电动机作为主要的用电设备，用电量占世界工业用电量的60%左右.通常感应电动机处于低速或轻载运行状况下，传统矢量控制使得感应电动机在这种状况下效率不高，电能被大量浪费.文献[1-3]从电动机损耗的角度研究铁损对感应电动机效率的影响.文献[4]将空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)控制算法应用在变频空调中.文献[5]研究转子磁链控制对感应电动机效率的影响.文献[6-11]研究最高效率控制方法.文献[12-13]研究具有高性能调速和转矩响应快的感应电动机节能控制方法.为既保证节能又能使感应电动机快速响应，本文考虑铁损的影响，建立带转矩控制和磁链调节器的感应电动机最佳磁链节能控制策略.
1 考虑铁损的感应电动机数学模型
在对感应电动机进行数学建模前，作如下假设：(1)忽略空间谐波，设感应电动机三相绕组对称，在空间互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；(2)忽略磁饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的，并认为自感、互感均为常数；(3)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响；(4)电压、电流、磁链的正方向符合右手螺旋定则.
考虑铁损，建立感应电动机在d-q同步旋转坐标系下的轴动态数学模型.考虑铁损的感应电动机d,q轴动态等效电路见图1.
图1 感应电动机d，q轴动态等效电路
对于鼠笼型转子，根据上述数学模型可知感应电动机在旋转坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程及运动方程.
电压方程
(1)
磁链方程
(2)
转矩方程
(3)
运动方程
(4)
式中：usd，isd，usq，isq分别为定子d，q轴电压和电流；urd，ird，urq，irq分别为转子d，q轴电压和电流；Rs，Rr和Rm分别为定子电阻、转子电阻和铁损电阻；p为微分算子；ωs为定子角频率；ω为转子角频率；ωsl为转差角频率；Ψsd，Ψsq，Ψrd及Ψrq分别为定子d，q轴磁链和转子d，q轴磁链；Ls，Lr，Lm分别为定子自感，转子自感和转子互感；Te和TL分别为电磁转矩和负载转矩；J为转动惯量；np为极对数.
2 考虑铁损的感应电动机节能控制原理及算法
2.1 考虑铁损的感应电动机节能控制原理
根据上述数学模型，若系统按转子磁场定向控制，则有
(5)
(6)
再由式(3)，(5)和(6)可得电磁转矩
(7)
由式(7)可知，如果磁链为最佳磁链Ψr，opt并保持恒定不变，那么电磁转矩Te由转矩电流isq唯一决定，从而实现转矩与磁链解耦.在忽略磁饱和的情况下要使效率最优，可以建立效率η关于Ψr的单值函数，因此必然存在磁链在某一时刻效率处于最优的情况.如果通过某种算法找到对应的最佳磁链，那么电磁转矩Te可以得到最佳控制.通常情况下，节能控制使得感应电机的动态性能不高，为进一步提高感应电动机的动态特性，建立带转矩控制和磁链调节器的感应电动机最佳磁链节能控制策略.
2.2 节能控制算法
最大效率控制算法是在精确的数学描述基础上，根据感应电动机的效率最大化控制电动机的运行点，使电动机始终工作在最大效率处，达到节能的效果.根据上述数学模型和节能控制原理，可以推导出最大效率控制算法.具体算法如下：
由式(1)的第3式可知，由于Rmisd≪(Rr+Rm)ird，忽略最小项Rmisd，系统稳态时，磁链为某一恒定值，磁链的变化率为零，可得
(8)
根据式(2)的第3式，式(5)和(8)，可得磁链电流的表达式为
(9)
由式(3)，(5)和(6)，可得定子q轴电流的表达式为
(10)
由式(2)的第4式，式(6)和(7)，可得转子q轴电流表达式为
(11)
由式(9)和(10)可计算出定子铜损为
(12)
由式(8)～(11)可求得定子铁损.在这里，由于转子铁损远远小于定子铁损，故转子铁损可以被忽略.定子铁损为
(13)
根据输入功率为定子铜损、定子铁损和电磁功率(Pe=Teωs/np)三者之和的关系，再结合式(12)和(13)，可求得输入功率为
(14)
根据求效率的方法，并结合式(14)，可得效率函数的表达式为
(15)
3 系统结构图
基于Simulink仿真平台搭建仿真模型，见图3.
图2 最佳磁链模型
图3 带转矩控制和磁链调节器的感应电动机最佳磁链节能控制结构
4 仿真结果分析
电动机参数为：额定输出功率1.5 kW，4极，额定转速nN=1 420 r/min，额定电流IN=6.4 A，定子电阻Rs= 1.377 Ω，转子电阻Rr=1.225 Ω，铁损电阻Rm=0.210 6 Ω，定子漏感Lls=0.004 79 H，转子漏感Llr=0.007 33 H，转子互感Lm=0.108 77 H.
(1)t=0时，转速n=600 r/min，TL= 5 N·m；t=1 s时，n保持不变，TL突变为10 N·m.仿真结果见图4.
图4n=600 r/min，t=0时TL=5 N·m，t=1 s时TL=10 N·m情况下的仿真波形
仿真结果表明：电动机在启动过程中，转速无超调，0.037 s后达到稳态，启动电流为20.8 A，为额定电流的3.3倍，符合启动电流要求.控制系统调节时间短，系统动态响应快.当电动机运行到t=1 s，TL突变为10 N·m时，转矩波动小，并很快进入稳定运行状态.
当不考虑节能时，去除图3中最佳磁链控制算法模块.由参考文献[14]分析可知：根据给定磁链与转速的关系，可直接给定磁链Ψr=0.85 Wb，进行传统矢量控制的仿真.仿真所得的d,q轴电流波形见图5.
图5n=600 r/min时非节能控制的d，q轴电流波形
综上，可得非节能控制时和节能控制时的励磁电流和转矩电流，见表1.
表1 n=600 r/min，TL分别为5 N·m和10 N·m时的定子电流
由上述仿真可得非节能控制时和节能控制时的磁链观测波形，见图6.
图6n=600 r/min，非节能控制时和节能控制时的磁链观测波形
由磁链波形对比和式(15)(即效率关于磁链的表达式)可知：轻载时非节能控制方式不能合理利用磁链，从而效率不高，然而节能控制方式可以使磁链处于最佳状态，效率最高.
由表2可知：在同一转速下，TL=5 N·m时，节能控制比传统矢量控制效率提升7.02%，而TL=10 N·m时，节能控制比传统矢量控制效率提升1.67%.因此考虑铁损的感应电动机最佳磁链节能控制在轻载时节能效果明显.
表2 n=600 r/min时，不同负载转矩下节能效果对比
(2)t=0时n=1 000 r/min，TL=5 N·m；t=1 s时n突变为1 400 r/min时，TL保持不变.仿真结果见图7.
图7TL=5 N·m，n从1 000 r/min突变到1 400 r/min时的仿真波形
仿真结果表明：当n从1 000 r/min突变到1 400 r/min时，定子电流有效值在允许范围内.转速突变过程只需0.06 s即可达到稳态，且转速无超调，动态响应快.在转速突变过程中，转矩波动小.
同理可得传统矢量控制所对应的d,q轴电流仿真波形，见图8.
图8TL=5 N·m，非节能控制时d，q轴的电流波形
综上，可得非节能控制时和节能控制时的励磁电流和转矩电流，见表3.
表3 TL=5 N·m，n分别为1 000 r/min和1 400 r/min时的定子电流
由上述仿真可得，非节能控制时和节能控制时的磁链观测波形，见图9.
图9TL=5 N·m，非节能控制时和节能控制时的磁链观测波形
由磁链波形对比和式(15)可知：低速时非节能控制方式不能合理利用磁链，从而导致电机效率不高，然而节能控制方式可以使磁链始终处于最佳状态，效率最高.当TL=5 N·m时，结合表3同理可得不同转速下输入功率和效率的变化值ΔP1和Δη，计算结果见表4.
表4 TL=5 N·m时，不同转速下节能效果对比
由表4可知：在同一负载转矩下，转速为1 000 r/min时，节能控制比传统矢量控制的效率提升6.57%；转速为1 400 r/min时，节能控制比传统矢量控制的效率提升5.10%.因此，考虑铁损的感应电动机最佳磁链节能控制在低速时节能效果好.
5 结 论
建立考虑铁损的感应电动机数学模型，基于最高效率原理分析考虑铁损的感应电动机最佳磁链节能控制原理；为改善系统动态性能，建立带转矩控制和磁链调节器的感应电动机节能控制策略，并据此构建基于MATLAB/Simulink的仿真模型.由仿真结果可知：采用这种控制策略的感应电动机转速无超调，转矩波动小，动态性能好；其轻载、低速时节能效果明显.可见，考虑铁损的感应电动机带转矩控制和磁链调节器的最佳磁链节能控制策略是可行、有效的.
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(编辑 贾裙平)
Energy-saving control of induction motor considering core loss
WEI Biao1, WANG Bulai2, WEI Ming3, QIAN Depeng1,WU Yingjun1, JI Shanshan1
(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China; 2. College of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201400, China; 3. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai 200125, China)
In order to improve the running efficiency of induction motors, a fast response and energy-saving control method is proposed. Based on the vector-control theory, an energy-saving control strategy of the optimal flux of induction motors with torque control and flux regulators is built. At first, a mathematical model of induction motors considering core loss is established. Then, the expression of the optimal flux that is obtained when the system is at the highest efficiency is obtained according to the numerical analysis method. Finally, the simulation model of the energy-saving control system is built by MATLAB. The simulation results show that the control strategy can not only improve the energy-saving effect, but also improve the dynamic performance of induction motors. Thus, the control method is correct and feasible.
fast response; energy-saving control; induction motor; torque control; optimal flux
10.13340/j.jsmu.2015.02.016
1672-9498(2015)02-0084-05
2014-10-16
2014-11-24
魏彪(1988—)，男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为船舶与港口电气控制技术与系统，(Email)debwei_0720@163.com； 王步来(1966—)，男，江苏淮安人，教授，硕导，博士，研究方向为电机及其系统，(Email)wruoyi@163.com
TM346
感应式信号控制 篇4
1公交信号优先策略适用条件分析
( 1) 绿灯延长控制策略。当检测到公交车辆到达交叉口时, 如果公交相位仍为绿灯信号, 且剩余的绿灯时间不足以让公交车辆通过交叉口, 通过延长本相位的绿灯时间避免公交车辆停车。 ( 2) 红灯早断控制策略。当公交车辆到达交叉口时, 对应通行方向所在的相位处于红灯状态, 通过缩短交叉口其余相位的绿灯执行时间, 使公交车辆能够以绿灯信号顺利通过交叉口。 ( 3) 插入相位控制策略。检测到公交车辆优先请求后, 信号机将提前截止当前通行相位, 插入公交专用相位, 确保公交车辆通过路口, 公交专用相位绿灯时间不能低于公交车辆通过路口安全时间。
三种公交优先控制策略的适用条件如下表所示。
虽然插入相位会减少公交车辆的等待时间, 但同时会增加社会车辆的等待时间, 使得交叉口延误变大。因此, 为了兼顾社会车辆的运行效率, 不建议采用插入相位方式。
2公交信号优先控制方法设计
2. 1公交信号优先控制级别
本文将公交优先的控制级别分为两级, 一是公交车辆运行正常或者是早点, 二是公交车运行晚点, 两种级别下分别运行不同的控制方案。 ( 1) 公交车运行正常或者早点。在这种情况下, 为了减少对社会车辆的影响, 不进行公交优先控制。 ( 2) 公交车运行晚点。在这种情况下, 为了保证公交车快速到达目的地, 宜运行绿灯延长或红灯早断控制策略。
2. 2感应式信号控制系统下实现方法
感应式信号控制系统与固定配时信号控制系统的一个主要差别在于倒计时牌的显示方式。感应式信号控制系统一般采用的是通讯式倒计时器, 其指令直接来自信号机。由于其相位绿灯时间会根据实时流量发生变化, 为了避免倒计时发生跳变, 一般采用后程显示方式, 启亮时间通常为9s。综上, 在感应式信号控制系统的提前下, 为了避免倒计时发生跳变, 倒计时要么采用通讯式后程显示方式, 要么采用不显示倒计时的方式, 下面分别分析其公交优先实现方法。
2. 2. 1倒计时后程显示下的公交优先实现方法
假设倒计时后程显示的启亮时间为9s: ( 1) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为绿灯时间, 且在倒计时启亮时间9s内发送公交优先请求, 则不予执行公交优先; ( 2) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为绿灯时间, 且在倒计时启亮时间9s前发送公交优先请求, 由于公交车道上的检测器一般布设在距离下游交叉口80 ~ 100米的地方, 按照公交车辆限速45 - 50km/h计算, 到达下游交叉口需要6 ~ 8s, 即公交车辆有充足的时间通过交叉口, 亦不予执行公交优先控制; ( 3) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为红灯时间, 且在前一相位倒计时启亮时间9s内发送公交优先请求, 则不予执行公交优先; ( 4) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为红灯时间, 且在前一相位倒计时启亮时间9s前发送公交优先请求, 此种情况下, 如果前一相位绿灯时间已运行完最小绿灯时间, 则立即显示9s倒计时, 即执行红灯早断策略; 如果前一相位绿灯时间未运行完最小绿灯时间, 则待最小绿灯时间之后, 立即显示9s倒计时, 即执行红灯早断策略。
2. 2. 2不显示倒计时下的公交优先实现方法
( 1) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为绿灯时间, 判断剩余的绿灯时间是否足以让公交车辆通过交叉口, 如果不能, 则执行绿灯延长策略; 如果可以, 则不予执行公交优先。 ( 2) 如果公交车辆到达路口时公交通行相位为红灯时间, 判断前一相位绿灯时间是否已运行完最小绿灯时间, 如果是, 即执行红灯早断公交优先; 如果否, 则待最小绿灯时间之后, 执行红灯早断策略。
3实证分析
珠海市东西部公交快速化工程首期起点为前山枢纽, 终点为湖心路口枢纽, 工程正线范围全长约21. 5km, 全线共涉及3处交叉口。目前, 珠海市在梅华路上已采用感应式信号控制系统, 且未来将在全市推广感应式信号控制系统的应用。下面以珠海大道- 寿丰路交叉口为例, 分析在感应式信号控制系统下的公交优先实现方法。
该交叉口南侧仙桥路目前正在施工, 在施工后的建议方案如下。
采用本文方法, 有倒计时公交优先方案如下表所示。
采用本文方法, 无倒计时公交优先设计方案如下表所示。
4结论
感应式控制系统是目前城市交叉口信号控制的发展趋势, 但现有公交信号优先相关研究基本都是在路口采用固定配时方案的基础上进行的, 如何在感应式控制系统下实现公交信号优先成为实际工程中亟待解决的问题。本文在分析公交信号优先控制策略适用条件的基础上, 提出了一种基于不同控制级别的感应式控制系统下公交信号优先实现方法, 并结合珠海市东西部公交快速化工程进行了案例分析。结果表明, 所提出的方法具有良好的可实施性, 可为类似工程的实现提供借鉴意义。
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感应式信号控制 篇5
与定时控制相同,感应信号控制信号灯变化也是绿灯—(黄灯)—红灯—绿灯反复交替,车流运行受车流到达率、离去率以及交通信号灯作用的影响。
1.1机动车延误
HCM2010中车辆延误由均匀延误、增量延误 和初始排队延误组成。该延误包含了正常相位延误以及排队延误,但是感应控制没有固定周期,机动车延误要从延误产生机理进行讨论。
本文延误研究范围为信号控制产生的延误,不包含人为主观因素或其他客观条件迫使而产生的减速延误。根据感应控制基本原理,车辆到达感应控制人行横道处,可能遇到四种情况:一是到达时信号灯为绿灯,并且前方无车辆或前方车辆对本车的运行不产生影响,则车辆属于自由行驶,车辆运行速度基本保持不变,不产生延误;二是达到时信号灯为绿灯,但前方车队正属于车辆消散过 程,车辆减速跟驰行驶、低速行驶一段时间后,车辆重新加速行驶至自由行驶的速度,此过程中未停车,只有疏散延误;三是车辆到达时前方无排队车 辆,但信号灯显示红灯,此时车辆需减速停车,但车辆作为排队车队的第一辆车,绿灯启亮后可以直接加速通过路口,只产生等待延误;四是信号灯显示红灯且前方有车辆处于排队等待状态,则车辆需减速停车等待一段时间,等到前排 的排队车 辆开始消 散后,车辆将加速驶过路口,此过程既有等待延误又有疏散延误。因此,在任意一个信号周期内,车辆延误可看作是由停车等待延误和车队消散延误两部分构成。
1.2行人延误
行人延误分析与机动车类似。若行人到 达时信号灯为绿灯且时间充裕,且行人流量较小时,行人可直接过街,不产生延误。当行人流量较大时, 因人行横道通行能力有限,行人绿灯启亮后,无法在短时间内将所有行人疏散,产生疏散延误;若行人到达时信号灯为绿灯,但过街时间不够,一部分人选择不过街,此时产生绿灯损失时间。若到达时信号灯为红灯,则要停下等候,行人等待时间即为等待延误。
2路段人行横道二次过街感应控制
二次过街感应控制算法设计是 建立在一次过街感应控制算法基础之上,一次过街感应控制流程如图1所示。针对跨度较大的人行横道,二次过街感应控制算法设计结合了二次过街相关理论、信号控制人行横道机动车与行人延误机理,提出“人行绿波”协调思路。
2.1二次过街感应控制原理
根据延误的分析,机动车延误主要来自于停车等待时间以及停车疏散延误,而停车疏散延误与停车次数密切相关;行人延误主要来自于等待延误以及因人流较大而产生的行人间的干扰延误。因此, 在设计二次过街感应控制算法时,要考虑尽可能的减少两者的等待时间,同时减少机动车停车次数。
以中央分隔岛 为中心,将人行横 道分为两 部分,行人在路边等候过街,假设以靠近自己的一部分人行横道叫做内侧人行横道,以远离自己的那部分人行横道叫做外侧人行横道(见图2)。只有当与自己同方向的行人有过街需求时,二次过街感应控制逻辑与一次过街感应控制逻辑才基本一致,只需考虑“人行绿波”绿波带的计算;若人行横道两侧都有行人需要申请过街,要同时协调两侧行人,并尽可能减少车辆停车次数,就要尽可能的使一方行人达到“人行绿波”。因此,接收到行人申请过街后要分两种情况讨论:若行人申请过街时外侧人行横道为红灯状态,说明对向行人没有获得通行权,此时没有可协调对向感应控制,控制逻辑与一次过街感应控制逻辑基本一致;若行人申请过街时外侧人行横道为绿灯状态,说明外侧人行横道已经有行人正往自己走来,此时如果内侧出现一个车流间 断,同时过街以后能立即遇上外侧人行横道出现车流间断,则该方向的 行人顺利 过街不需 要在安全 岛滞留;若行人申请过街时外侧人行横道为 绿灯状态, 又不能保证自己能够无阻碍的穿过两侧人行横道, 此时即使内侧有间断并给予绿灯,行人穿越过街以后仍然需要在安全岛滞留,而对向行人到达安全岛以后需要再申请一次过街,增加了停车次数,因此, 这种情况申请的行人需要等待对向行人穿过外侧人行横道后,与对向行人共用一次行人相位。由于要同时兼顾双向行人与机动车,因此逻辑判断采用机动车与行人感应方案,即判断是否给予行人绿灯时,考虑机动车车头时距大于某一阈值则认为该方向车流间断,此时切换至行人相位,如果出现到达最大绿灯时间(行人可忍耐时间)仍然没出现双向车流同时间断,则切换至行人相位。
2.2检测器布设
每个车道都要设置两组车辆检测器:一组设置在靠近行人过街人行道,即下游检测器;另一组设置在远离行人过街人行道,即上游检测器。上游检测器和下游检测器都返回车头时距及车辆速度等信息,根据车头时距判断车流是否出现间断,判断是否给予行人相位。不同的是上游检测器返回的数据主要用于不同侧人行横道绿灯启亮判断,而下游检测器的数据主要用于同侧人行横道绿灯启亮判断。具体情况如图3所示,图3中方块为检测器位置,上面的数字表示检测器编号,图3中的圆圈表示行人过街按钮设施,上面数字为行人按钮设施编号,四号按钮为由上向下的行人通过L2段人行横道时申请按钮,三号按钮为由上向下的行人通过L1段人行横道时申请按钮,二号按钮为由下向上的行人通过L2段人行横道时申请按钮,一号按钮为由下向上的行人通过L1段人行横道时申请按钮。
2.2.1下游检测器的设置
下游检测器的位置设置应满足以下几个条件:
1)制动条件:下游检测器距停车线的位置至少应满足车辆能在距离范围内安全制动,则有
式中:l1为机动车在停车线前安全停车时检测器与停车线的距离,m;S停车为机动车遇到机动车红灯的停车距离,m。a为机动车减速度,m/s;t1为驾驶人反应时间,s;v1为路段机动车车速,m/s。
2)车辆排队长度限制条件:检测器位置的设置要保证最小流量时车辆的排队长度不超过检测器,则有
式中:l2为受车辆排队约束时检测器与停车线的距离,m;qmax为最小流量时的最大排队车辆数,veh; h1为排队车辆的平均车头间距,m。
因此,下游检测器的位置为
式中:S1为检测器与停车线的距离,m。
2.2.2上游检测器的设置
上游检测器到停车线的距离应 满足等于行人穿越不同侧人行横道所需的时间内机动车平均行驶的距离加上机动车停车距离
式中:S2,S3为上游车辆检测器到停车线之间的距离,m;L1,L2为两侧人行横道长度,m;v1为路段机动车车速,m/s;v为行人平均过街速度,m/s;S停车为机动车遇到机动车红灯的停车距离,m。
2.3控制流程
以由下向上的行人为例,行人要先穿过人行横道L1段,初始状态为L1段机动车为绿灯,当行人按下按钮发出过街请求,系统应切断1号、3号过街按钮请求窗口,然后判断L1段机动车是否运行了最小绿灯时长,如果小于最小绿灯时间,继续给予机动车绿灯相位;如果大于最小绿灯时间,则需要判断L2段是否为行人绿灯相位。此时如果L2段为行人红灯相位,则只需要考虑车流情况,按照1号检测器返回的车流信息,若车流出现间 断给予行人绿灯, 如果达到行人最大忍耐时间,还没出现车流间断则给予行人绿灯放行,但存在一种特殊情况,即1号检测器和4号检测器同时出现车流间断,则给予行人绿灯放行并且提前切断2号按钮,行人直接一次通过L1段和L2段人行横道。此时如果L2段为行人绿灯相位,并且1号检测器和4号检测器同时出现车流间断,则给予行人绿灯放行并且提前切断2号按钮,行人可以一次通过L1段和L2段人行横道。 此时如果L2段为行人绿灯相位,而1号检测器和4号检测器没有同时出现车流间断,则行人等待L2段人行横道绿灯持续时间超过L2/v秒后,如果1号检测器出现车流间断则给予行人绿灯放行,行人与对向行人同时穿越人行横道L1段。1号按钮接收行人过街申请控制逻辑如图4所示。
如果没有遇到1号检测器和4号检测器,同时出现车流间断的情形,行人需要二次过街,需要在2号行人过街按钮处再申请一次过街,控制逻辑如图5所示。要注意的是这里t等指的是安全岛内行人最大等待时间。
3号按钮接收行人过街申请后控制逻辑与2号类似,只需同时切断1号、3号请求窗口,判断1号检测器车头时距信息即可。4号按钮接收行人过街申请后控制逻辑与1号类似,1号检测器对应3号检测器,4号检测器对应2号检测器,1号行人按钮对应4号行人按钮,3号行人按钮对应2号行人按钮,L1与L2段人行横道互换。
3信号控制参数
3.1车流间断判定阈值
一般判断车流间断的车头时距阈值可取2s或3s,根据德国交通信号控制指南———德国现行规范 (RiLSA)规定:车辆检测器的布设位置、车头时距阈值、车道限制车速之间数值对应关系如表1所示。
3.2机动车最小绿灯时间
机动车最小绿灯时间又称初期绿灯时间Gmin, 停止车辆间的平均车头距离为6m时,依照美国推荐初期绿灯时间随检测器位置而定,具体关系如表2所示。
3.3行人最大等待时间
根据国内外对行人最大忍耐时间的研究,以及调查的人行横道实际行人过街情况,建议路边行人最大等待时间在60~90s以内,二次过街的安全岛最大等待时间在50~70s以内。
3.4行人绿灯时间
行人过街最小绿灯时间根据人 行横道长度及行人过街步行速度确定,信号控制人行横道最小绿灯时间为
式中:Vr为第15百分位的步行速度,m/s;Y为绿灯闪烁时间,s;D为人行横道的长度,m。
绿灯延时可以根据检测到的实 际行人流量情况,依照行人速度与密度关系来确定,行人检测可以采用视频设备检测。
4结束语
将设计的二次感应控制算法和 普通二次过街感应控制算法导入Vissim软件以及自编的CAperson行人仿真软件,进行仿真对比,结果显示:在机动车流量较小时,设计二次过街感应控制行人平均延误略低;在机动车流量较大时,设计的二次过街感应控制的行人平均延误比普通二次过街感应控 制的行人平均延 误明显偏 小;当双向行 人流比为5∶5、3∶7时,两种感应控制机动车平均延误差不多,而当双向行人流比为1∶9时,设计的二次过街感应控制的机动车平均延误与普通二次过街感应控制平均延误相比明显要小,尤其是行人流量少的时候,两者延误相差最大。
摘要：在现有感应控制二次过街系统中,道路两边以及安全岛按钮控制多为分开控制,没有相互协调,行人在安全岛等待时间过长易导致违章过街等问题。在一次过街感应控制算法基础上,结合二次过街相关理论、机动车与行人延误机理以及行人过街信号配时理论,提出“人行绿波”协调思路,对路段二次过街感应控制算法进行设计,并应用Vissim软件进行仿真验证,结果显示设计感应控制算法能有效地降低行人和机动车延误。
交叉口单点感应信号控制优化设计 篇6
就我国交通管理现状而言, 交叉口单点信号控制仍是最主要的控制手段之一。交叉口单点信号控制主要分为定时信号控制和感应信号控制两种。定时信号控制由于成本较低, 在我国广泛应用;感应信号控制由于成本较高, 在我国应用较少。感应信号控制有其自身的优点, 在交通流量较小、交通流量波动较大的交叉口, 应用感应信号控制, 能够有效提高交叉口的运行效益。
本文对交叉口感应信号控制的优越性和局限性、工作原理、控制参数进行了简要说明, 并运用微观交通仿真软件VISSIM 对实例交叉口进行了仿真分析。
1 感应信号控制的优越性和局限性
1.1 感应信号控制的适用条件及优越性
1) 在交通量变化大而不规则、难于用定时控制处置的交叉口以及必须降低对主要干道干扰的交叉口上, 用感应控制效益更大。
2) 感应控制特别适用于交通只在一天的部分时间里需要信号控制的地方。
3) 感应控制在交通强度较小的交叉口有其优越性, 不会导致主要道路上的交通产生不必要的延误。
4) 感应控制在有几个流向的交通量时有时无或多变的复杂交叉口上, 可得到最大效益。
5) 半感应信号通常适用于主次道路相交, 只在次路有车辆和行人时才中断主路车流的交叉口上。
6) 随交通流的变动采用不同的控制。
1.2 感应信号控制的局限性
感应式控制只适用于交通流量没有达到其饱和量的交叉口, 如果交叉口的交通流量已经达到其饱和流量, 则感应控制就没有意义了[2]。为检测各进口道需安装检测器, 投资多, 维护费用高。饱和度高时, 绿灯时间分配无多大余地, 无异固定配时。
2 感应信号控制的工作原理
交通感应控制系统由信号控制器及与之相连的车辆检测器组成。所需信号控制器, 简称信号机, 通常是以微处理器为核心。检测器通常是普通的时间型环形线圈检测器, 其埋设位置一般有2种情况:①检测器设在距离停车线一定距离的进口道[3];②检测器设在刚越过停车线的路口内[4]。通常所讲的感应控制都是针对第一种感应控制的情况, 对于这种感应控制, 所需要确定的配时参数有:各相位的最小绿灯时间、最大绿灯时间、单位绿灯延长时间、检测器的设置位置, 即检测器与停车线之间的距离等。
图1是感应信号工作原理图, 它体现了感应信号控制的基本工作原理。一相位起始绿灯, 感应信号控制器内预设有一个“初期绿灯时间” (Gmin) , 到初期绿灯结束时, 如在一个预设的时间间隔内, 无后续车辆到达, 则可更换相位;如检测器测到有后续车辆到达, 则每测得一辆车, 绿灯延长一个预置的“单位绿灯延长时间” (G0) , 即只要在这个预置的时间间隔内, 车辆中断, 即换相;连续有车, 则绿灯连续延长。绿灯一直延长到一个预置的“极限延长时间” (Gmax) 时, 即使检测到后面仍有来车, 也中断这个相位的通车权。实际绿灯时间 (G) 大于初期绿灯时间 (Gmin) 而小于绿灯极限延长时间 (Gmax) [1]。
3 感应信号控制的控制参数
3.1初期绿灯时间
给每个相位初期预先设置一段最短绿灯时间。不管本相位或其他相位是否有车, 对本相位必须保证放完这段绿灯时间。设置初期绿灯时间时应考虑以下几个因素[1]:
1) 保证停在检测器和停车线之间的车辆, 全部驶出停车线所需的最短时间。初始绿灯时间应等于这段最短绿灯时间加上一段单位延长绿灯时间。
2) 保证行人安全过街所需的时间。
3) 我国还需考虑保证红灯时停在停车线前的非机动车安全过街所需的时间。
3.2单位绿灯延长时间
单位绿灯延长时间对于感应信号控制的效率起决定性的作用。单位绿灯延长时间应保证车辆能从检测器开出停车线, 同时应尽可能不产生绿灯时间损失。
单位绿灯延长时间可以参考公式[5]
式中:Δi为各相位的单位绿灯延长时间;Di为i相位关键进口道上检测器与停车线之间的距离, m;Vi为i相位关键进口道上车流的正常行驶速度, m/s.
3.3绿灯极限延长时间
绿灯极限延长时间是为了保持最佳绿信比而对各相位规定的绿灯时间的延长限度。信号到达绿灯极限延长时间时, 强制绿灯结束并改换相位。绿灯极限延长时间, 实际上就是按定时信号最佳周期时长及绿信比分配到各个相位的绿灯时间, 绿灯极限时间一般定为30～60 s[6,7]。
4 实例仿真分析
本文选取南京市鼓楼区某一典型十字交叉口进行仿真比较分析。
4.1实地调查
经过实地调查, 该交叉口具体情况见图2。
该交叉口定时控制周期为150 s, 具体配时见图3。
说明:①南、北进口右转:红灯35 s, 绿灯52 s, 黄灯2 s, 红灯30 s, 绿灯29 s, 黄灯2 s;②南、北进口直行:红灯92 s, 绿灯39 s, 黄灯2 s, 红灯17 s;③南、北进口左转:红灯133 s, 绿灯15 s, 黄灯2 s;④东、西进口右转:红灯35 s, 绿灯52 s , 黄灯2 s, 红灯30 s, 绿灯29 s, 黄灯2 s;⑤东、西进口直行:红灯3 s, 绿灯62 s, 黄灯2 s, 红灯83 s;⑥东、西进口左转:红灯67 s, 绿灯20 s, 黄灯2 s, 红灯61 s;⑦东、西进口人行道:红灯92 s, 绿灯27 s, 红灯31 s;⑧南、北进口人行道:红灯3 s, 绿灯32 s, 红灯115 s。
4.2感应控制设计
本文进行感应信号控制设计时遵循以下原则:当检测到某车道停车线后车辆等待达到一定时间或者车辆排队达到一定长度时, 应尽快给该车道放行, 以减少车辆等待时间, 避免出现较长排队现象, 减少延误, 保证道路交通流的畅通。充分考虑行人交通, 尽量减少行人的等待时间。
该交叉口的定时控制相位较复杂, 为了简化感应控制以便达到更好的效果, 现将其简化为4个相位, 见图4。
由于条件所限, 本文没有对该交叉口的交通量进行详细调查。根据观察发现, 该交叉口东西向道路交通量比南北向交通量大, 且东西向交通量波动较大。现假设人行道流量均为300人/h, 南北向道路交通量为每车道100辆/h不变, 东西向交通量分为每车道100辆/h、200辆/h、300辆/h等3种情况。
根据该交叉口的情况, 感应信号控制参数为:第1、4相位初期绿灯时间15 s, 单位绿灯延长时间6 s, 绿灯极限延长时间40 s;第2、3相位初始绿灯时间12 s, 单位绿灯延长时间6 s, 绿灯极限延长时间30 s。
4.3仿真分析
利用VISSIM微观仿真软件, 在3种不同交通量情况下, 分别对该交叉口进行定时信号控制和感应信号控制仿真, 并对仿真结果进行比较。本文选取平均行程时间作为评价指标。进行仿真时, 程序运行3 600 s, 取500～3 600 s之间的数据进行评价, 这是因为开始时段道路上没有车辆, 前500 s将不进行分析, 如此可以确保数据的真实性、科学性。
运行VISSIM软件, 可以得到车辆和行人在不同控制方式、不同交通量情况 (东西向道路每车道100辆/h、200辆/h、300辆/h) 下的平均行程时间见表1。
由表1的仿真结果可见, 在3种不同交通流情况下, 感应信号控制的效果明显好于定时信号控制。当东西向道路交通量增大时, 感应信号控制下的机动车平均行程时间增加很少, 而定时信号控制下的平均行程时间增加很多, 这充分说明感应信号控制的适应性强于定时信号控制。在感应信号控制设计中, 充分考虑了行人过街, 利用右转车辆之间的间隙, 给行人放绿灯, 从而大大减少了行人的过街时间。
5 结束语
交叉口是道路交通系统的重要组成部分, 能否对交叉口进行有效控制, 提高交叉口的通行能力, 关系到整个道路交通系统的运行效益。
本文对实例交叉口进行了感应信号控制优化设计, 通过VISSIM仿真, 得到了较为满意的结果, 验证了感应信号控制的优越性, 这也证明本文的设想是可行的。
摘要：介绍交叉口感应信号控制的优越性和局限性、基本工作原理以及控制参数。借助于VISSIM软件, 对单个交叉口进行感应信号控制设计, 以车辆和行人平均行程时间作为评价指标, 对该交叉口进行定时信号控制和感应信号控制仿真比较分析, 得到较为理想的结果。
关键词：交叉口,感应信号控制,VISSIM,仿真
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电子设备感应信号端口设计与应用 篇7
1 电子感应系统
电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成, 主要接住的电子技术软件呈现不同的应用功能。现阶段, 电子设备及感应系统应用范围广泛, 例如:电子计算机以及由电子计算机控制的机器人、数控或程控系统等, 这些都体现了电子感应系统的功能价值。随着工业化技术快速发展, 电子感应系统应用领域更加广泛, 电子设备信号端口功能也体现了多方面作用, 设计符合电子设备感应需求的系统平台, 对设备控制与使用至关重要。
2 电子感应信号端口设计
当前, 电子感应系统已经成为工业自动化核心, 利用感应平台完成各项数据传输, 体现了感应技术的功能特性。“信号端口”是电子感应设备的主控元件, 设置端口能够对电子信号执行一体化控制, 从收集、处理、控制等流程完成控制目标。
笔者认为, 设计感应信号端口必须具备传感器、控制器、存储器等构件, 具体如下:
2.1 传感器
传感器是接收信号或刺激并反应的器件, 能将待测物理量或化学量转换成相应的输出端口, 促使电子信号传送平台稳步运行。电子感应信号端口设计中, 可选用光纤传感器为控制中心, 如图1, 这类传感器具有强大的数字功能, 自动完成电子设备信号收集与分类工作。
2.2 控制器
设计控制模块是对原始信号的综合处理, 主要设计控制装置、检测装置、处理装置等多个平台。技术人员设计电子信号端口中, 控制器可自主被测量的信息, 并能将检测感受到的电子信号进行控制, 如:按一定规律变换成为电信号, 或转变为与信号相配套的信息输出模式, 提升了电子设备的控制效率。
2.3 存储器
电子设备在各个行业中普及应用, 对电子感应信号设计存储模块, 可实时收录相关数据, 为电子感应系统改良提供依据。现有存储器中, 信号端口设计需包括信号的传输、处理、存储、显示、记录、控制等操作。未来, 电子感应信号端口将设置智能感应系统, 减小了人工观测信号的难度。
3 感应信号端口应用模式
传统工业领域生产技术落后, 产业结构及生产效益达不到预期标准, 阻碍了工业经济发展步伐。基于电子感应系统平台下, 可充分利用信号端口操控性能, 实现信号传输与控制一体化流程。从现实应用角度考虑, 本次从工业设备、通信设备、综合设备等方面, 对电子信号端口应用模式进行介绍, 体现电子设备信号端口的应用价值。具体如下:
3.1 工业设备
我国工业经济快速发展趋势下, 工业设备自动化是行业必然趋势, 利用高端设备辅助人工生产与控制, 显著提升了电子设备的可操控性能。工业领域应用电子传感器执行控制, 如:生产工艺控制、机械设备控制等, 温度、液位、压力、流量等各种测量工艺变量。
3.2 通信设备
通信传输是信号传递的新方式, 在通信领域是尤为关键的信号元素。设计感应端口对信号控制器操作具有辅助作用, 如图2, 满足远距离、超远距离的信号操控要求。比如:应用于集团电话和无绳电话的超声波感应器、用于磁存储介质的磁场感应器等都将出现强势增长。
3.3 综合设备
对于大规模生产控制区域, 电子感应信号设备功能更具智能性, 充分体现了信号端口的功能优势。综合设备是对各种信号端口的一体化应用, 在医疗、环保、气象等领域应用专业电子设备为主控中心, 这些都奠定了综合设备的端口控制功能, 为端口设计与控制创造了技术化平台。
4 结论
总之, 电子设备是现代工业控制不可缺少的装置, 设定电子感应系统可辅助生产自动化操作。为了摆脱传统信号控制存在的不足, 应按照信号端口平台要求提供可行性方案。信号端口设计与电子感应器功能密切相关, 可设定以传感器、控制器、存储器等为平台的端口操控模式。
参考文献
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感应式信号控制 篇8
1 系统情况
出现故障的设备为2 500t/d生产线上的一套由6台电子皮带秤组成的配料系统，设备安装点与现场控制站间布线距离180m;现场控制站与中控室间通过光纤环网连接，距离100m左右。
在设备现场有一个与电子配料系统配套的控制仪表柜，在车间电气室内置有DCS系统的现场控制站、电子配料秤控制仪表与现场控制站间，有多个模拟量信号和包括备妥、启动、运行反馈和停机等开关量信号，诸多信号中有一个开关量信号用于产量累计值积算，当电子计量秤每满100kg物料流量时，向DCS提供一个脉冲信号。二者间通过点对点通讯方式联系。每个秤体控制仪表与DCS现场站间，模拟量和开关量信号分别采用两根多芯电缆连接。
电子秤的运行和控制由中控室“组起”操作，配料系统的布线、接地、屏蔽等原则上能满足抗干扰要求。在DCS现场站和电子秤控制仪表柜上，每个模拟量输入信号回路中都安装有抗干扰电流隔离模块，导线选用对绞屏蔽导线;在现场控制站内，每个开关量信号的输入与输出都通过OMRON(欧姆龙)继电器隔离，进入I/O模块时还采取光电隔离抗干扰措施。
2 故障现象
电子配料系统经单机、联动调试正常投入运行后不久，在中控室显示屏上发现多个电子配料秤显示的“累计值”与实际物料数值差异甚大。仔细观察一段时间，还能发现电脑屏幕上显示的“累计值”在一个较长时间段内，其数据没有发生递增变化。6台配料秤中只有少数几台能长时间连续正常累计产量。
3 故障部位查找
首先校验电子秤的零点、皮重，继而对物料流量进行实物标定，均未发现计量秤有异常现象。
接着检查电子秤控制仪表：仪表柜上各继电器吸合、面板指示灯显示与运行状态一致;瞬时流量示值和累计产量积算显示正常，累计值的数值增大速度与配料量基本吻合。用万用表电流档分别测量来自中控的给定信号、来自秤体的荷重和速度信号，其示值均在允许误差范围内。输出到DCS现场站的瞬时流量电流信号经系数换算与实际流量相近。
然后检查电子秤仪表控制系统的开关量输入、输出接口：各相应接口开闭正常，相关继电器闭锁完好，各接线端子连接良好，无接线松弛和虚接现象;能连续定时输出累计脉冲，经长时间观察，未发现出现累计脉冲丢失现象。
维修人员还对秤体机械传动部件进行仔细检查，未发现皮带跑偏、打滑等异常，秤体上料层厚度均匀，物料含水量正常，粒度在合理范围内，库底卸料口出料畅通，运行正常。可以排除电子秤及控制仪表自身故障。
4 故障现象的分析与故障点锁定
从故障现象来看，电子配料秤控制仪表输出的计量脉冲正常，而在中控室却只能接收到少量计量脉冲。显而易见，问题的关键就是查找计量脉冲是如何丢失的。
从DCS系统的接线分析，来自电子计量秤仪表控制柜的累计脉冲信号是通过现场站CPU处理后通过光缆传输至中控显示屏，因而我们先把目光锁定在现场控制站。
将检修人员分成两组，分别在电子配料控制柜和DCS现场站检测检查，相互间通过对讲机联络。校对两处计量脉冲的数量，经对比，电子秤的脉冲输出是正常的，而DCS现场站上计量脉冲DI输入量大量丢失。同时发现DCS现场柜上的计量脉冲DI输入点指示灯长亮，其处于接口前端的计量脉冲输入继电器也长期吸合。
从配料系统设计者的思路来分析，为了得到精度较高的累计积算值，在中控室的显示屏幕上，该数值不是简单地由电子配料秤现场反馈的流量信号乘以运行时间的方式取得，而是由电子秤控制仪表按达到某一定量值(如100kg)时，输出一个脉冲信号的方式提供，然后再按单位脉冲代表的物料质量和脉冲数量进行累计。从计量要求分析：DCS现场站上的累计脉冲输入继电器，只能在脉宽很窄的计量脉冲输出高电平的瞬间吸合，短暂的脉冲峰值过后即迅速断开，该继电器的吸合次数就代表电子秤上物料达到定量值的次数;然后经CPU处理后，通过光纤以同样数量的计量脉冲送入中控。一旦出现继电器长期吸合，CPU在完成对最后一个脉冲信号计数后，无法再对后续脉冲输入信号作出计数反应，势必丢失大量产量累计积算脉冲。
由上述检查结果和分析不难判断，DCS现场站输出计量脉冲信号丢失故障的根本原因是计量脉冲输入继电器长期吸合，只有解决这个问题后中控室的数值显示才会正常。
5 故障的处理和排除
维修人员首先怀疑故障点继电器可能存在触点粘连或电磁铁芯磁滞等缺陷。拉开在现场柜进线端子排上该继电器编号的熔断器，即切断其线圈电源，该继电器迅速断开，继电器上方的指示灯熄灭;再尝试在继电器吸合时将其用手从继电器座上拔出，脉冲输出继电器同样迅速断电释放;接着又将继电器重新插入座内通电，继电器在计量脉冲到来前保持断开状态，直到计量脉冲到来时才重新吸合，而重新吸合的继电器又一次出现长时间不释放现象。通过上述检查可以排除继电器自身故障。
随后维修人员用万用表电压档测量该继电器线圈两端电压，竟意外发现在无计量脉冲出现时，吸合的继电器线圈两端电压一直维持在147V的高位;当计量脉冲出现时，瞬间电压升至220V，原本已经吸合的继电器并没有作出进一步反应。也就是说，该继电器线圈两端电压的高电位是220V，而147V低电位足以使该继电器继续维持吸合状态、无法及时释放而丢失后续计量脉冲。
线圈两端147V电压从何处来?常规的理解不外乎通过传导回路或电磁感应耦合两种途径进入，通过检查导线间相互绝缘和线路对地绝缘，迅速排除了电压通过传导进入的可能。因此，只可能是长距离多根通电导线平行布置引起，因为与其同处一根电缆线内的如启动信号、运行反馈信号在设备运行后一直处于220V高电位状态，可能会干扰计量脉冲的输出。但是如果要采取重新布线方式来消除感应电压，对一个已经投产运行的工厂来说一般是行不通的。
故障点和引发故障的原因找到后，只要采取消除或削弱线圈两端感应电压的措施即可。在多种方案的比较中，维修人员采用了简单易行的方法，即将机房内常用的额定电流20mA的半导体指示灯，并联安装在线圈两端，指示灯点亮的同时继电器线圈两端电压迅速下降为30V左右，因残存感应电压而长期吸合的线圈则立即转为断开状态。计量脉冲输入继电器的吸合、分离与电子秤控制仪表输出的计量脉冲完全同步，中控室显示的累计产量也与实际值达到一致，故障得以彻底解决。
6 结束语
感应式信号控制 篇9
以输出电压5VDC为例,本文构建了基于E类功放的ICPT滑模控制调压系统,发射侧由Boost变换器和E类放大器[1]构成,接收侧通过整流滤波电路得到直流电压,其电压控制可通过对Boost变换器进行PWM滑模控制进行实现。文中在建立系统状态模型和滑模控制器数学模型的基础上,构建李雅普诺夫(Lyapunov)函数证明了系统稳定性,给出了滑模系数的确定范围。最后,利用有限元分析技术对不同传输气隙下的耦合器模型的电参数进行了计算,并将参数代入到ICPT系统电路模型中,从而构建系统在滑模控制下的仿真模型,并进行不同气隙长度扰动下的仿真分析。结果表明,当电磁耦合器存在距离扰动或系统负载变化时,系统输出电压在滑模控制下保持稳定,证明了滑模控制对ICPT系统的适用性和强鲁棒性。
1 基于E类放大器的ICPT系统
基于E类功放的ICPT稳压系统如图1所示,其由Boost变换器、E类逆变器、电磁耦合器、桥式整流器以及控制器五部分组成。图2为E类功放和耦合器的等效电路图。上述图中,Uin为系统直流输入电压;iC为流过滤波电容C的电流;Uo为Boost变换器的输出电压;LDC、iDC为扼流电感及电感电流;ω=2πf为E类驱动角频率;ft为三角波频率;Cr、CP为发射端谐振电容、串联补偿电容,合并后用Cout表示;CS为接收端并联补偿电容;LP和LS为发射、接收线圈电感;RL为系统负载,Uout为系统输出电压,Uref为参考电压。
为便于分析,由E类和耦合器等效电路,可建立如下数学模型。
式中,UP为发射线圈的端电压;iP、iS为流过发射与接收线圈的电流;M为互感;Zin为E类功放的输出阻抗;Rr、Xr为反射电阻和电抗。
综合式(1)~式(3)得出:
实际电路中,ICPT系统常采用S-P电容补偿方式[3],因而有
根据E类放大器最优工作特性[1]得:
式中,θ是E类等效负载上的相移;是MOS管S2漏极电压相移;σ是开关管关断时间的一半。
2 PID滑模变结构控制
2.1 ICPT系统的状态模型
由图3所示滑模控制下的系统等效电路可知:Lo、Co分别是Boost的升压电感及输出滤波电容;α1、α2和α3为控制器的滑模系数。为方便分析做如下假设:(1)假定Uo∶Uout=β∶1(β在1~2之间);(2)Boost开关频率大于E类驱动频率,且整流二极管d1和d4工作在导通状态。
根据理想升压器的开关特性,可以得到:
式中,u为1表示开关管S1导通,u为0表示关断。
ICPT系统的状态变量:输出电压误差x1,输出电压误差的微分x2、误差的积分x3以及由假设条件(2)得出流过滤波电容C的电流iC可表示为
式中,iL是流过负载RL的电流。
综合式(4)~式(16),得到如下状态方程。
式中,N=-(Rr+j Xr)f(θ,,σ)/jωM为常量。
2.2 滑模变结构控制设计和稳定性证明
根据滑模系数定义如下滑模面方程[9]。
系统的相轨迹图如图4所示,当轨线S的位置与滑模面的距离满足0<|S|<ξ时,滑模控制过程中S继续向滑模面收敛,其中ξ是趋近于零的正数。
选取V=(1/2)S2为系统的Lyapunov函数,为确保轨迹图沿滑模曲线运动,并使系统趋于稳定,必须满足李雅普诺夫第二稳定性原理导出的存在条件,即
当0<S<+ξ,u=1,将式(17)~式(20)代入式(22),并令其为λ1,则:
同理,当-ξ<S<0,u=0,式(22)为λ2,则:
对上述不等式进行适当缩放,限制条件为
选取β=1,E类功率放大器开关管驱动角频率ω=2πf=2π×30×103=1.884×105rad/s,,Co=0.1 m F,C=1 m F,最终选取α1=0.7,α2=0.1,α3=150。
3 仿真验证
3.1 参数选择
选取ICPT系统中耦合器基准气隙长度lg=10.0 mm,k=0.6,最佳负载点RL=10.0Ω。设计过程中的主要仿真参数如表1所示。电磁耦合器传输气隙在不同程度扰动时经过有限元分析计算得到的电磁参数如表2所示。以lg=10.0±2.0 mm为例,耦合器磁场分布如图5所示。此外,相应元件的寄生电阻或电容也加入到仿真系统中。
3.2 仿真结果
为了验证上述理论分析的正确性,建立了基于E类功放的ICPT系统滑模控制的仿真模型,如图6所示。E类放大器开关管S2上电压Uds、电流id以及驱动信号Ugs的波形如图7所示。从仿真结果看出,开关管上电压电流不同时出现,开关管导通瞬间漏极电压已经降为零,满足零电压导通(ZVS),工作在比较理想的状态。当RL=10.0Ω,ICPT系统在不同传输气隙下输出电压波形如图8所示,图8(a)、8(b)和8(c)中超调范围各不相同,输出电压纹波约为0.005 V左右。当lg=10.0 mm,RL在10.0±5.0Ω范围内变化,滑模控制系统与开环系统对应输出电压如图9所示:在相同传输气隙、不同负载条件下,滑模控制下的系统输出电压保持稳定,其电压变化远小于开环控制下的输出电压变化。当RL=10.0Ω,lg在10.0±2.0 mm范围内变化时,滑模控制系统与开环系统对应的输出电压如图10所示:在相同负载、不同传输气隙条件下,滑模控制系统的输出电压能保持稳定,而开环控制下的系统输出电压则会随传输气隙大小发生明显的变化。
4 结论
本文基于E类放大器的ICPT传输系统研究了能实现其稳压输出的滑模控制。通过建立系统的数学模型以及选取合适的滑模方程,利用李雅普诺夫稳定性原理证明了系统的稳定性,给出了滑模系数的选取原则。最后,通过对耦合器的有限元分析计算,并与控制电路仿真相结合,构建了基于滑模控制下的ICPT系统,进行了负载和气隙扰动仿真,结果表明:在滑模控制下,ICPT系统具有较好的抗扰性和强鲁棒性。
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