基于元胞传输模型的PI控制器设计与仿真

摘要高速公路在当今世界起着重要作用。

它为出行者提供舒适高速的运行状态并且节约了出行者时间。

但是随着经济的高速发展，机动车辆急剧增多导致部分时段超过了高速公路临界密度值，造成了交通拥堵。

为了可以改善交通拥堵这种情况，历史上曾经尝试使用多种交通方法来缓解交通拥堵的情况，在实际情况中出现的例子有：入口匝道控制、限速控制、变向车道。

现在很多地方都会使用元胞传输模型来建模，将元胞传输模型运用于入口匝道控制可以让高速公路的交通状态更好。

元胞传输模型可以很好地模拟交通激波、排队形成与消散等，本文将PID控制器运用到高速公路，整定相关参数来控制入口匝道的车流量。

然后使用MATLAB软件对元胞传输模型进行仿真，仿真的结果表明该模型有着很好的稳定性和动态性，并且具有鲁棒性强等特点，特别是数据应用于匝道控制的时候，对匝道的调节具有很好的效果。

关键词高速公路；匝道控制；元胞传输模型；PID控制器AbstractNowadays, Freeway plays a very important role all over the word. It provides comfortable and high speed running state which will save times for travelers. But with the rapidly development of economy, the vehicle increase rapidly result in a problem that freeway critical density may outstrip at some times which will lead to the traffic congestion. In order to improve the situation of traffic congestion. in the pass, There are variety of ways was used to ease traffic congestion, for example, entrance ramp control, speed control, variable to the driveway. there are many districts make use of the cell transmission model to modeling. Therefore ,the cell transmission model was used to entrance ramp control that it will perfect traffic situation of freeway. Cell transmission model can well simulate the traffic shock and the queue of formatting or dissipating and so on. this article will use PID controller to simulate freeway and setting the related parameter to control the on-ramp traffic. Cell transmission model is used by the MATLAB software to simulating, the simulation results show that the model has good stability and dynamics, and the characteristics shows a perfect robustness, especially the data make use to the ramp control, there also have a perfect regulate to the ramp.Keywords Freeway R amp Control Cell Transmission Model PID Controller目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.2研究目的和意义 (1)1.3国内外文献综述 (2)1.4本论文的主要研究内容 (3)第2章高速公路入口匝道控制 (4)2.1概述 (4)2.2入口匝道控制 (4)2.3流量控制 (4)2.4入口匝道感应控制 (5)2.4.1需求-容量差额控制 (5)2.4.2占有率控制 (6)2.4.3反馈控制 (7)2.5本章小结 (7)第3章PID控制器 (8)3.1概述 (8)3.2PID控制原理 (8)3.3离散PID控制 (9)3.4本章小结 (10)第4章基于元胞传输模型的PID控制器的设计 (11)4.1元胞传输模型 (11)4.2元胞传输模型的优化 (12)4.3基于元胞传输模型的PID控制器 (12)4.4本章小结 (13)第5章仿真研究 (14)5.1仿真背景 (14)5.2仿真结果 (20)5.3本章小结 (31)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)第1章绪论1.1课题背景在现在这个时代，人民的物质需求和精神需求不断增加，要求的服务也是与日增长，其中一个特点就是体现在人民出行这一方面，所以人民对高速公路的也是具有比较高的要求，高速公路也就面临着交通拥堵和交通安全的各个方面的问题，根据全球情况来看，经济的增长让高速公路拥堵，让其成为困扰我国的问题之一。

为了更加有效地去缓解交通拥堵的状况，一个方法是修建更多的高速公路，但是这往往占用更多的用地和使用更多的资源，另一个方法就是必须对交通量进行具有时代意义的控制，让其控制更加有效，让交通可以更加的顺畅。

入口匝道控制对改善我国的高速公路具有重要的意义，它的主要作用是对我国交通流进行一个缓解的作用，即是在交通流的高峰期防止交通流出现拥堵的状态，使得交通流处于顺畅地运行。

利用现时所具有的科学技术，对交通流进行一个控制，让车辆、车道、人三者结合起来，形成一个及时有效的控制系统，这样才能达到一个控制交通流的效果。

1.2研究目的和意义为了使交通流控制具有很好的时效性，就必须对交通流的参数进行研究，参数可以让交通流的控制得到及时的更新，让其状态趋向最佳，并且在实际应用中，交通流参数的控制对其效果明显。

车流量、车流密度、车辆速度是基于高速公路模型的三大基本，三个参数的及时更新是让高速公路状态趋向最佳的必经之路。

本文的研究主要目的是围绕如何能将高速公路的最好的性能展现出来，采用元胞传输模型对高速公路进行模拟，并且在匝道上进行一个探究，其中包括控制匝道的车流量、密度、速度。

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。