Design and analysis of semi-active systems for vehicles

This Thesis deals with the analysis and the design of control systems of semi-active suspensions for ground vehicles. In particular the Thesis discusses the following topics: • Analysis and modeling of semi-active actuators. A protocol for the characterization and non-linear models of semi-active dampers are proposed. • A new comfort-oriented control strategy based on the half car model is presented to compensate the limitations of the state-of-art algorithm designed for quarter-car representation of the vehicle. • A new handling-oriented control strategy has been developed to maximize the efficiency of the transmission of force between the tire and the ground. • The application of the model reference control technique to semi-active dampers is discussed. In particular, the description of an industrial application of such control approach is illustrated. • A simulation study of the influence of suspension systems on the out-of-plane dynamics of a motorcycle is deeply analyzed. Furthermore, a novel control strategy which aims at increasing the stability of the motorcycle during critical maneuvers is designed. • For industrial application of semi-active suspensions system, information regarding the vertical dynamics of the vehicle is required to be as much robust and cost effective as possible. Observers based on Kalman-filtering technique for estimation of suspension stroke speed and tire deflection with different sensors layouts are designed and analyzed. Finally, a sensor reduction in a 4-wheels vehicle equipped with semi-active suspensions is presented. • In the last Chapter an innovative architecture of suspension, the dual stage suspension system, is presented and analyzed. Such system is able to approximate the behavior of a reactive system in which both the damping and the stiffness coefficients can be modulated.

Questo lavoro di tesi tratta l’analisi e lo sviluppo di sistemi di sospensioni semi-attive per veicoli terrestri. In particolare, i temi discussi in questa tesi sono i seguenti: • Analisi e modellistica di ammortizzatori semi-attivi. Sono proposti un protocollo di caratterizzazione e modelli non lineari di sospensioni elettroniche. • Progetto di una nuova strategia di controllo orientata al comfort. Tale strategia è basata sul modello half-car del veicolo e permette di ottenere prestazioni superiori rispetto all’algoritmo stato dell’arte progettato a partire da una rappresentazione a singolo asse del veicolo. • Progetto di una nuova strategia di controllo orientata alla tenuta di strada del veicolo. In particolare, tale strategia è basata sulla massimizzazione delle forze di contatto scambiate tra pneumatico e strada. • Applicazione della tecnica di controllo a modello di riferimento alle sospensioni semi-attive. In particolare viene descritta l’implementazione delle strategie di controllo su una piattaforma elettronica hardware e software di tipo industriale. • Studio in simulazione dell’influenza delle sospensioni sulle dinamiche fuori dal piano. Inoltre, una nuova strategia di controllo centralizzata è stata sviluppata al fine di aumentare la stabilità di una motocicletta durante manovre particolarmente critiche. • Per l’applicazione industriale di sistemi di sospensione semi-attiva, le informazioni riguardanti la dinamica verticale del veicolo devono essere il più possibile affidabili e a basso costo. Vengono quindi affrontati i temi della stima della velocità di elongazione della sospensione e della deflessione dello pneumatico con differenti sensori, mediante osservatori basati sul filtraggio alla Kalman. Infine, viene valutata la possibilità di ridurre il numero di sensori necessari per il controllo delle dinamiche verticali in un veicolo a quattro ruote. • Nell’ultimo Capitolo una innovativa architettura di sospensione, la sospensione a doppio stadio, viene presentata e analizzata. Questo sistema è in grado di approssimare il comportamento di una sospensione reattiva in cui sia il coefficiente di smorzamento sia quello di rigidezza possono essere modulati.