Modelling, control and hardware-in-the-loop platform development for advanced suspension systems

The main objective of this work is to enhance vehicle performance in terms of vertical dynamics, attitude angle regulation, and suspension stroke management, aiming to provide the best possible experience for both passengers and driver. The study addresses the three main types of controllable suspensions, starting from the conventional semi-active systems, progressing to the highly promising multi-chamber solution, and culminating in an innovative active suspension design. The study begins with the design and stability analysis of a Hardware-in-the-Loop (HIL) platform for suspension systems. HIL platforms allow reliable testing and validation of control algorithms by integrating physical actuators with virtual vehicle models, overcoming the limitations of traditional simulations. Focusing on semi-active suspensions, the research develops an optimal policy for end-of-stroke (EOS) avoidance on speed bumps using a sequential learning methodology. The policy, tested on the HIL platform, ensures effective suspension travel management, with good level of comfort both on single-event obstacles and irregular profiles. Further advancements in comfort are achieved by proposing two semi-active control laws with continuous damping modulation, improving vehicle comfort across a wide array of realistic road profiles while maintaining reduced vertical jerk. Subsequently, the benefits of combined stiffness/damper control are explored by implementing the proposed semi-active control laws in parallel with stiffness algorithms from the literature on an experimental vehicle equipped with a multi-chamber suspension. The study then transitions to handling-oriented control, introducing a modular damping controller designed to regulate vehicle angular rates during dynamic maneuvers such as steering, braking, and acceleration. Combined with a state-of-the-art stiffness controller, the proposed system significantly enhances vehicle attitude regulation and stability compared to decoupled control strategies. Finally, a novel active suspension architecture, the Epicyclic Active Suspension (EAS), is analyzed. The EAS employs an innovative electromechanical design featuring two rotational motors and an epicyclic gearbox. A joint plant/controller optimization approach is applied to the EAS, considering comfort performance, active force requirements, and motor constraints. Compared to a state-of-the-art system, the EAS achieves similar handling performance while significantly improving ride comfort, demonstrating its potential as a next-generation active suspension technology.

L’obiettivo principale di questo lavoro è migliorare le prestazioni del veicolo in termini di dinamica verticale, regolazione dell’assetto e gestione della corsa delle sospensioni, con l’intento di offrire la migliore esperienza possibile sia ai passeggeri che al conducente. Lo studio affronta le tre principali tipologie di sospensioni controllabili, partendo dai sistemi semi-attivi convenzionali, passando per la promettente soluzione multi-camera, fino ad arrivare a un’innovativa architettura di sospensione attiva. Lo studio presenta inizialmente la progettazione e l’analisi della stabilità di una piattaforma Hardware-in-the-Loop (HIL) per sistemi di sospensione. Le piattaforme HIL permettono di testare il sistema sospensione e validare gli algoritmi di controllo integrando attuatori fisici con modelli virtuali del veicolo, superando così i limiti delle simulazioni tradizionali. Concentrandosi sulle sospensioni semi-attive, la ricerca sviluppa una strategia ottimale per evitare il fine corsa (EOS) in presenza di dossi, utilizzando una metodologia di apprendimento sequenziale. Tale strategia, testata sulla piattaforma HIL, garantisce una gestione efficace della corsa della sospensione, assicurando un buon livello di comfort sia in presenza di ostacoli isolati sia su profili stradali irregolari. Ulteriori miglioramenti del comfort sono ottenuti attraverso la proposta di due leggi di controllo semi-attive con modulazione continua dello smorzamento, capaci di aumentare il comfort del veicolo su una vasta gamma di profili stradali realistici, mantenendo al contempo ridotti i picchi di accelerazione verticale (jerk). Successivamente, vengono analizzati i vantaggi del controllo combinato rigidità/smorzamento implementando le leggi di controllo semi-attive proposte in parallelo con algoritmi di controllo della rigidità tratti dalla letteratura, su un veicolo sperimentale equipaggiato con sospensione multi-chamber. Lo studio prosegue affrontando il controllo handling, introducendo un controllore modulare dello smorzamento progettato per regolare le velocità angolari del veicolo durante manovre dinamiche come sterzata, frenata e accelerazione. Combinato con un controllore di rigidità all’avanguardia, il sistema proposto migliora significativamente la regolazione dell’assetto e la stabilità del veicolo rispetto alle strategie di controllo disaccoppiato. Infine, viene analizzata una nuova architettura di sospensione attiva, la Epicyclic Active Suspension (EAS). L’EAS adotta un’innovativa configurazione elettromeccanica basata su due motori rotativi e un riduttore epicicloidale. Viene applicato un approccio congiunto di ottimizzazione impianto/controllore all’EAS, tenendo conto delle prestazioni in termini di comfort, delle forze attive richieste e dei vincoli dei motori. Rispetto allo stato dell'arte industriale, l’EAS raggiunge paragonabili livelli di forza attiva, con sensibili miglioramenti in comfort, dimostrando così il proprio potenziale come tecnologia di sospensione attiva di nuova generazione.