The Twin-in-the-Loop Approach for Vertical Vehicle Dynamics Control

The control of vertical dynamics (suspension control) is a critical aspect in the field of vehicle dynamics control, essential for ensuring passenger comfort and vehicle handling. This thesis addresses the challenge of controlling the vertical dynamics of vehicles using the cutting-edge Twin-in-the-Loop control (TiL-C) approach, which incorporates a high-fidelity Digital Twin (DT) of the vehicle directly on-board within the control loop, allowing for precise real-time simulations. Although previously applied to case studies involving reference tracking, such as lateral and longitudinal control, this is the first time TiL-C is being applied to a problem of disturbance rejection (the road profile in our case). Through several simulations and novel analysis of the "direction" of perturbation between the real vehicle and its DT, limitations in the TiL-C architecture were identified, revealing scenarios where the classical approach leads to degradation rather than improvement of the performance. To address these limitations, we proposed and tested new TiL-C design strategies. Comprehensive simulations and careful analysis of the results were conducted, comparing the new strategies with the classical one, as well as with a benchmark solution. In-depth discussions were also conducted on the tuning of the control parameters and hyperparameters, and on the effect of measurement noise on the control system's performance. The analyses conducted, as well as the new strategies introduced, can also be extended to other applications, including those already addressed in the literature.

Il controllo della dinamica verticale (controllo delle sospensioni) è un aspetto critico nel campo del controllo dei veicoli, essenziale per garantire il comfort dei passeggeri e la maneggevolezza del veicolo. Questa tesi affronta il problema di controllo delle dinamica verticale dei veicoli utilizzando l'innovativo approccio di controllo Twin-in-the-Loop (TiL-C), che incorpora un Digital Twin (DT) molto fedele al veicolo direttamente a bordo nel loop di controllo, permettendo precise simulazioni in tempo reale. Sebbene sia stato precedentemente applicato a casi studio riguardanti inseguimento di un riferimento, come il controllo laterale e longitudinale, questa è la prima volta che il TiL-C viene applicato a un problema di reiezione del disturbo (nel nostro caso, il profilo stradale). Attraverso diverse simulazioni e analisi innovative sulla "direzione" delle perturbazioni tra il veicolo reale e il suo DT, sono state individuate limitazioni nell'architettura TiL-C, rivelando scenari in cui l'approccio classico porta a peggioramento piuttosto che a un miglioramento delle performance. Per far fronte a queste limitazioni, abbiamo proposto e testato nuove strategie di design del TiL-C. Ampie simulazioni e un'attenta analisi dei risultati sono state condotte, confrontando le nuove strategie con quella classica, nonché con una soluzione di riferimento. Sono state condotte discussioni approfondite anche sulla taratura dei parametri di controllo e degli iperparametri, oltre che sull'effetto del rumore di misura sulle prestazioni del sistema di controllo. Le analisi condotte, così come le nuove strategie introdotte, possono anche essere estese ad altre applicazioni, incluse quelle già trattate in letteratura.