基于神經網絡PID的制動器冷卻系統

張明　高志彬　陳守佳　郝大亮　蔣紅敏

摘 要：貨車在長下坡和重載運輸時頻繁制動使制動器溫度急劇升高，制動系統失效引發事故。根據對市場制動系統輔助裝置的實際調研，兼顧經濟性與實用性，設計一種以微控制器為控制單元，水冷與風冷相結合的智能輔助制動冷卻系統。駕駛員控制臺選擇的運行工況和冷卻裝置及制動盤溫度作為控制系統輸入量，應用神經網絡PID控制動態調整水流量、風速和工作時長，在保證制動效率和駕駛安全性的同時，延長制動盤的使用壽命。關鍵詞：BP神經網絡;制動器;PID溫度控制;冷卻系統;霧化噴水中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-114-03

Abstract： The high frequency brake increases the brake temperature sharply during the long downhill course of the truck， and the brake system is liable to fail and cause accidents.According to the actual demand of the market for the auxiliary device of the braking system， an intelligent water-jet cooling system for the brake is designed， which takes the microcont?-roller as the control unit， the brake disc temperature as the input of the control system， and USES the neural network（NN） PID to control and dynamically adjust the water jet flow， so that the brake temperature tends to the critical value set by the system.Extend the service life of the brake disc， improve driving safety and braking efficiency.Keywords： BP NN;?Brake;?PID temperature control;?Cooling system;?Atomizing sprayCLC NO.：?U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-114-03

1?引文

制動系統對貨車特別是掛車型重載貨車的安全運行發揮至關重要的作用，響應駕駛員的制動激勵，通過反向摩擦力將動能轉化為熱能，以控制運動速度。貨車在持續制動過程中產生的熱量取決于車輛質量、減速率和制動操作頻率，尤其是在車速過快或車輛重載使得車輛動能增大情況下，制動器在單位時間內產生巨大熱能導致制動器溫度升高。

實驗表明[1]在制動接合的瞬間其溫度迅速升高至150℃。當制動器的溫度高于某一臨界值，制動部件材料和制動結構的微觀特性可能發生變化，材料的摩擦系數降低，摩擦力大幅下降;制動鼓和襯片之間逐漸形成一層潤滑層，會使制動踏板在制動操作中感到松軟;制動蹄片和輪鼓在高溫影響下較易發生極為復雜的變形，容易產生制動衰退和振抖現象[2]，引起制動效率下降;制動系統中的高溫也會導致熱磨損問題，制動器襯片過熱會引起一些化學反應，形成機械強度損失;此外，高溫還會對制動鼓產生熱應力，熱應力和機械強度的損失將導致熱磨損的逐漸增加，通常由表面點蝕、劃痕演變為重度磨損，熱磨損效應將導致制動部件過早失效。

通過自然對流進行傳遞可以散失部分熱量，但在制動器高溫且持續工作時，有必要采用更快的散熱技術。目前貨車駕駛員流行的制動策略存在以下問題：通過加大制動氣路的過氣量使制動鼓承受更大作用力，然而破壞其機械強度;強化掛車制動同時削弱主車制動，使掛車制動鼓負荷過大，同樣容易導致制動器過早失效;采用無智能控制的普通水冷系統輔助制動裝置，固定流量的持續淋水不僅造成水資源浪費，在冬季多余水分灑落路面結冰還會造成安全隱患，且加水后水箱自重大，降低載貨量。因此有必要設計一種基于智能控制風冷與水冷結合的制動系統輔助裝置來降低制動能量保證行車安全。

2?系統設計

2.1 總體設計

制動冷卻系統主要組成硬件有STC89C52型微控制器[3]、紅外溫度傳感器、液位傳感器、繼電器、電磁閥、高壓水泵、水霧噴頭、橡膠軟管、水箱、直流風機和安裝在駕駛室的顯示屏、選擇運行工況與冷卻裝置的控制臺。駕駛員踩下制動踏板時觸發制動冷卻系統開關。

駕駛員可以通過控制臺實時顯示的系統工作狀態和水箱水位及實際情況，合理選擇風冷與水冷兩套冷卻裝置。

為解決貨車在下坡路段進行停車制動過程中因制動時間與距離過長及制動器的工作負荷而導致制動系統失效的問題，增強制動系統輔助裝置的使用效能，針對長下坡和重載特殊行車工況，在控制臺設置下坡與重載兩個運行工況選擇按鍵。駕駛員可以根據溫度傳感器持續反饋的溫度信息，選擇不同運行工況模式提高輔助制動系統效能。根據運行工況和冷卻裝置選擇及紅外溫度傳感器探測到的制動器溫度，利用神經網絡PID控制理論輸出控制信號，動態調整噴水器水流量、風機風速和工作時長使制動器冷卻降溫。當檢測到制動器溫度過高超過系統調節能力可能造成制動系統失效時，冷卻系統在保持工作的同時發出建議停車的安全提示信息。

圖1 ?制動冷卻系統控制電路

通過電磁閥和繼電器控制噴水開關，采用微型電動高壓水泵控制水箱出水，出水管口處加裝濾芯，防止雜質堵塞淋水噴頭，選用霧化噴頭提高對水的利用率，合理布局噴頭使其盡可能向整個制動鼓表面淋水，噴頭的安裝位置應避免影響換胎操作。

固然水冷具有很好的散熱能力，但當水與制動鼓和制動襯片的摩擦面接觸，水將起到潤滑劑的作用，減少制動部件之間的摩擦力，部分地區限制使用噴水降溫，因此制動冷卻系統還包括風冷裝置。貨車的運行速度較低，因此通過空氣動力學設計外形，加快制動鼓空氣流速進行自然對流散熱的方法并不能取得顯著效果，選用經過特殊葉片和出風口設計的直流高壓風機增加空氣流速。風機出風口與制動鼓夾角的安裝角度不超過15°以達到最好的風冷降溫效能。

2.2 控制策略

由于外界環境溫度和路面狀況，以及制動頻率和行駛狀態的影響，無法準確建立制動器的溫度調節的溫度變化數學模型。PID控制是一種經過長期工程實踐的控制策略，廣泛應用于存在時變性和非線性的溫度控制。神經網絡模仿生物神經系統以多個神經元為節點組成拓撲結構網絡，在非線性和不確定性控制系統設計中表現出良好的實時性和魯棒性[4]。構建僅有一層隱含層的三層網絡利用反向傳播算法（BP算法）的神經網絡，傳感器采集的制動器溫度經輸入端傳入控制器，檢測溫度高于臨界值時，實際輸出與期待輸出的誤差值[5]沿網絡各層向輸入層逆向傳輸，各層沿函數自變量下降最快的負梯度方向計算誤差信息修改權值動態調整PID控制器的比例P、微分I、積分D參數，實輸出控制信號的調節噴水量和噴水時間。

BP神經網絡自主訓練學習過程如下：

①初始化權值，制動器檢測溫度歸一化處理，提供訓練樣本，即輸入量與期望輸出。

②前向傳遞計算隱含層和輸出層神經元的輸出[6]。定義神經元第p次迭代時當前層第j個神經元的凈輸入netpj與輸入值yapi、權值wij與閾值θpj的關系式為：

⑤若神經網絡訓練誤差值尚未滿足誤差容限，則重復迭代過程。

利用Matlab訓練神經網絡，將訓練完成的神經網絡權值和閾值通過“Fixed-point Tool”浮點數定點轉換為整形數，“Code Generation”生成代碼導入微控制器[8]。

3 結論

制動冷卻系統基于運輸工況和冷卻裝置選擇的控制方式解決了貨車在長下坡路段和大重載運輸時制動器失效的

難題。

水冷與風冷相結合的方式使冷卻系統的降溫效果更加顯著，適用性更強。霧化噴水提高了水資源利用率，避免冬季多余水流造成路面結冰為后車造成安全隱患，駕駛員實現溫度和水位監測，掌握行車狀態，特別是在制動器溫度迅速升高時可以有效做出風險規避。

參考文獻

[1] 佟廷友.基于ANSYS汽車鼓式制動器的有限元分析[J].裝備制造技術，2016（11）：237-239.

[2] 孫蛟.車輛制動系統的研究與CAD[D].上海：同濟大學，2006：63-65.

[3] 陳富堅，鄭峰，徐培培.基于貨車制動安全的公路長大下坡可靠性設計方法[J].北京工業大學學報，2017，43（07）：1100-1107.

[4] 夏陽，陸余良.基于人工神經網絡的主機安全量化評估研究[J].計算機工程與設計，2005（06）：1478-1480.

[5] 馮玉婷. 基于云平臺的胎兒體征信號數據挖掘的研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2018.

[6] 張寶堃，張寶一.基于BP神經網絡的非線性函數擬合[J].電腦知識與技術，2012，8（27）：6579-6583.

[7] 江永紅.深入淺出人工神經網絡[M].北京：人民郵電出版社，2019.6：?108-113.

[8] 鄭峰.基于貨車制動安全的公路長大下坡可靠性設計方法研究[C].桂林：桂林電子科技大學，2016：52-53.