Design of an integrator-based leveling control strategy for electronically controlled air suspension systems

In the context of controllable suspension systems for road vehicles, two principal control objectives are load-leveling and height-adjustment. The former consists of maintaining the suspension height centered within the available stroke despite payload variations, to reduce end-stop collisions, enhancing ride comfort. The latter consists of regulating the vehicle body height to improve road handling and reduce fuel consumption, or increase ground clearance. In the literature, an interesting solution is a hybrid control strategy originally proposed for suspension leveling of a hydro-pneumatic tractor suspension. This approach exploits integrator dynamics associated with the control objectives, making the controller simple to implement, avoiding the computational burden of Hybrid Model Predictive Control (HMPC) solutions and limiting the excessive valve switching typical of Pulse Width Modulation (PWM). Additionally, it guarantees global asymptotic stability of the closed-loop system. The main contribution of this thesis lies in demonstrating the adaptability of the control strategy to a more complex Electronically Controlled Air Suspension (ECAS) system. The analysis builds on a highly non-linear simulator developed in a previous work. By applying state-space linearization and frequency-domain analysis, the system is reduced to a low-order representation capturing the chassis heave, roll and pitch angles integrator dynamics. The hybrid controller is then designed to select valve configurations via a Lyapunov-based criterion, maximizing mode separation and ensuring the necessary condition that preserves the integrator dynamics. Simulations evaluate the robustness under non-nominal scenarios, including asymmetric loads. Parameters tuning enables balancing the trade-off between heave regulation, posture control, and actuator switching reduction. Finally, a comparison with a Finite State Machine (FSM) benchmark shows improved dynamic response and efficiency, reducing heave overshoot by up to 2.75 times, eliminating undershoot, and requiring up to 3.7 times fewer configuration changes under asymmetric load conditions.

Nel contesto dei sistemi di sospensioni controllabili per veicoli stradali, fra i principali obiettivi di controllo rientrano il livellamento del carico e la regolazione dell’altezza. Il primo consiste nel mantenimento dell’altezza della sospensione centrata rispetto alla corsa disponibile nonostante variazioni di carico, riducendo il rischio di collisioni con i finecorsa, aumentando il comfort di guida. Il secondo consiste nel regolare l'altezza da terra per una migliore tenuta di strada e una riduzione del consumo di carburante, o per evitare il contatto con il fondo stradale. In letteratura, una soluzione interessante è una strategia di controllo ibrida originariamente proposta per il livellamento di una sospensione idropneumatica per trattori. L’approccio sfrutta le dinamiche di tipo integratore associate agli obiettivi di controllo, semplificando l’implementazione del controllore, evitando l’elevato carico computazionale dei controllori predittivi ibridi (HMPC) e limitando l’eccessivo commutamento delle valvole, tipico della modulazione a larghezza di impulso (PWM). Garantisce inoltre la stabilità asintotica globale in anello chiuso. Il contributo principale di questa tesi consiste nel dimostrare l’adattabilità della strategia di controllo ad un sistema più complesso di sospensioni pneumatiche controllate elettronicamente (ECAS). L'analisi si basa su un simulatore altamente non lineare sviluppato in una precedente tesi. Attraverso linearizzazione nello spazio di stato e analisi in frequenza, il sistema è ridotto alle dinamiche integratrici di moto verticale, rollio e beccheggio. Il controllore è successivamente progettato per selezionare le configurazioni delle valvole basandosi su una funzione di Lyapunov, massimizzando la separazione dei modi e preservando le condizioni necessarie per l’esistenza degli integratori. Simulazioni valutano la robustezza in condizioni non nominali, inclusi carichi asimmetrici. La regolazione dei parametri bilancia il compromesso fra controllo dell’altezza e della postura, e riduzione delle commutazioni delle valvole. Infine, il confronto con una macchina a stati finiti (FSM) mostra una migliore risposta dinamica ed efficienza, riducendo il sovraelongamento dell'altezza fino a 2,75 volte, eliminando i fenomeni di sottoelongamento e richiedendo fino a 3,7 volte meno cambi di configurazione in presenza di carichi asimmetrici.