Development of a road excitation index for semi-active suspension control scheduling

Road vehicles are very complex systems, composed of several subsystems which are interacting with one another. In this framework, suspensions play a fundamental role in the achievement of vehicle comfort, road holding and riding safety. In particular, in the last decades, semi-active suspension systems accomplished significant research progresses, due to their remarkable performance-cost trade off. In the industrial field, the bulk of the control strategies for semi-active suspensions is based on the notorious Skyhook rationale. From this logic, many derivatives have been developed, such as the Mixed SkyHook-ADD algorithm, which represents the current state of the art. An important hurdle in the design of the aforementioned control law, but, more in general for all the Skyhook-based techniques, is represented by the calibration of the controller parameters. Indeed, fine tuning of semi-active suspension is an expensive and onerous duty, which needs many hours of joint effort between control system engineers, test engineers and professional drivers. Moreover, it is hard to find a calibration that is fully satisfying for every type of road excitation that the vehicle might encounter. For these reasons, the aim of this Thesis is to develop a new control algorithm for semi-active suspension, where, the innovation comes from the implementation of an Adaptation module (that works in parallel with the Mixed SH-ADD algorithm) capable of scheduling, in real time, the controller parameters as a function of the excitation coming from the road profile. The aforementioned module, firstly quantifies the road excitation through the computation of an ad-hoc designed index, then, outputs the desired parameter based on the value of that index. In this way, by scheduling the controller parameters as a function of the road excitation, the overall controller performance, from a comfort point of view, are enhanced. This module was developed in simulation and subsequently tested on an electric vehicle equipped with electrohydraulic (EH) semi-active suspensions.

I veicoli stradali sono sistemi molto complessi, composti da diversi sottosistemi che interagiscono tra loro. In questo ambito, le sospensioni giocano un ruolo fondamentale nel raggiungimento del comfort del veicolo, della tenuta di strada e della sicurezza di guida. In particolare, negli ultimi decenni, i sistemi di sospensione semi-attivi hanno compiuto notevoli progressi nella ricerca, grazie al loro notevole compromesso tra prestazioni e costi. In campo industriale, la maggior parte delle strategie di controllo per le sospensioni semiattive si basa sulla famigerata logica Skyhook. Da questo concetto sono stati sviluppati molti derivati, come l’algoritmo Mixed SkyHook-ADD, che rappresenta lo stato dell’arte attuale. Un ostacolo importante nella progettazione della suddetta legge di controllo, ma, più in generale per tutte le tecniche basate su Skyhook, è rappresentato dalla calibrazione dei parametri del controllore. Infatti, la messa a punto delle sospensioni semiattive è un compito costoso e oneroso, che richiede molte ore di sforzo congiunto tra ingegneri del sistema di controllo, ingegneri collaudatori e conducenti professionisti. Inoltre, è difficile trovare una taratura che sia pienamente soddisfacente per ogni tipo di eccitazione stradale che il veicolo potrebbe incontrare. Per questi motivi, lo scopo di questa Tesi è di sviluppare un nuovo algoritmo di controllo per la sospensione semi-attiva, dove l’innovazione deriva dall’implementazione di un Modulo di adattamento (che funziona in parallelo con l’algoritmo Mixed SH-ADD) in grado di schedulare, in tempo reale, i parametri del regolatore in funzione dell’eccitazione proveniente dal profilo stradale. Il suddetto modulo, prima quantifica l’eccitazione della strada attraverso il calcolo di un indice progettato ad-hoc, quindi restituisce il parametro desiderato in base al valore di tale indice. In questo modo, schedulando i parametri del controllore in funzione dell’eccitazione stradale, si migliorano le prestazioni complessive del controllore, dal punto di vista del comfort. Questo modulo è stato sviluppato in simulazione e successivamente testato su un veicolo elettrico dotato di sospensioni semiattive elettroidrauliche (EH).