Nonlinear and adaptive control algorithms for electrohydraulic active suspension systems

Mohamed Al Aela, Amhmed (2021). Nonlinear and adaptive control algorithms for electrohydraulic active suspension systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis proposes novel control strategies for automobile active suspension systems. The car electrohydraulic active suspension modeling systems were characterized by several phenomena, such as nonlinear dynamics, parametric uncertainties, and uncertain nonlinearities. Therefore, the control laws were developed in this thesis for a SISO quarter car electrohydraulic active suspension, a SISO restricted quarter car electrohydraulic active suspension, and MIMO full car filtered electrohydraulic active suspension.

The first control strategy in this thesis focuses on passenger comfort for a quarter car active suspension system. The dynamic system of the quarter car active suspension is known by unmatched model uncertainty. Hence, the control input cannot altogether cancel out the system uncertainties. Thus, a backstepping control system was applied to solve this issue. However, the regression of the backstepping control system is tedious and challenging to determine. So, the Radial basis function neural network system was applied to represent complicated functions. Consequently, an adaptive neural network backstepping control system was developed for SISO semi-strict feedback of a quarter car electrohydraulic active suspension system.

The second proposed control strategy addresses the compromise between passenger comfort, road holding, suspension travel limits, and suspension travel oscillations for a quarter car electrohydraulic active suspension. Even though the first control strategy indicated high sprung mass position compensation, it had the worst road holding and suspension travel oscillations. Therefore, we have designed a new model system to explicitly address road holding, which was called a dynamic landing tire system. We have also considered nonsymmetric suspension travel limits instead of that in most previous studies. Accordingly, a nonlinear control filter was developed to track the suspension restrictions. Thus, the second proposed control strategy was the combined nonlinear control filter with the adaptive neural networks control system, which can perfectly deal with the suspension restrictions, dynamic nonlinearities, and system uncertainties.

The third control strategy was developed for full car active suspension systems. Although the second control strategy was successfully demonstrated the control effectiveness, it was designed for a quarter car active suspension. Moreover, most previous studies for full car active suspension control systems were not clearly addressed road holding and control robustness. Therefore, the second control system was evolved for the MIMO nonlinear of full car electrohydraulic active suspension system in the presence of both a stiff road perturbation and external aerodynamic disturbances. The third control system consists of the adaptive neural networks backstepping control system and four nonlinear control filters. A zero dynamics system was also applied to guarantee system stability.

The simulation results show that the proposed control systems are successfully achieved the control objectives as follows. Firstly, the first control strategy can provide an excellent ride comfort for a quarter car active suspension. Secondly, the second proposed control law can powerfully manage the compromise between passenger comfort, road holding, and suspension travel for a quarter car active suspension. Finally, the third control strategy can achieve the optimal suspension performance of improving passenger comfort, maintaining road holding, avoiding reaching suspension travel limits, reducing suspension travel oscillations, and overcoming dynamic nonlinearities and system uncertainties for full car active suspension.

Titre traduit

Algorithmes de commande non linéaire et adaptative pour les systèmes electro-hydrauliques de suspension active

Résumé traduit

Cette thèse propose de nouvelles stratégies de commande pour les systèmes de suspension active dans le domaine automobile. Les systèmes de modélisation de la suspension active électrohydraulique des voitures sont caractérisés par plusieurs phénomènes, tels que la dynamique non linéaire, les incertitudes paramétriques et les non-linéarités incertaines. Par conséquent, des lois de commande ont été développées dans cette thèse pour une suspension active électrohydraulique de quart de voiture SISO, une suspension active électrohydraulique de quart de voiture restreinte SISO et une suspension active électrohydraulique filtrée pour voiture complète MIMO.

La première stratégie de commande de cette thèse se concentre sur le confort des passagers pour un système de suspension active représentant le quarte de voiture. Le système dynamique de la suspension active de quart de voiture est connu par l'incertitude du modèle non apparié. Par conséquent, l'entrée de commande ne peut pas complètement annuler les incertitudes du système. Ainsi, un système de commande backstepping a été appliqué pour résoudre ce problème. Cependant, la régression du système de commande backstepping est fastidieuse et difficile à déterminer. Ainsi, le système de réseau neuronal à fonction de base radiale a été appliqué pour représenter des fonctions compliquées. Par conséquent, un système de commande backstepping adaptative du réseau neuronal a été développé pour la rétroaction semi-stricte SISO d'un système de suspension active électrohydraulique d'un quart de voiture.

La deuxième stratégie de commande proposée aborde le compromis entre le confort des passagers, la tenue de route, les limites de débattement de la suspension et les oscillations de débattement de la suspension pour une suspension active électrohydraulique quart de voiture. Même si la première stratégie de commande indiquait une compensation de position de masse suspendue élevée, elle présentait les pires oscillations de tenue de route et de course de suspension. Par conséquent, nous avons conçu un nouveau système de modèle pour aborder explicitement la tenue de route, qui a été appelée un système de pneu d'atterrissage dynamique. Nous avons également considéré des limites de course de suspension non symétriques au lieu de celles de la plupart des études précédentes. En conséquence, un filtre de commande non linéaire a été développé pour suivre les restrictions de suspension. Ainsi, la deuxième stratégie de commande proposée était le filtre de commande non linéaire combiné avec le système de commande adaptative des réseaux de neurones, qui peut parfaitement gérer les restrictions de suspension, les non-linéarités dynamiques et les incertitudes du système.

La troisième stratégie de commande a été développée pour les systèmes de suspension active des voitures complètes. Bien que la deuxième stratégie de commande ait démontré avec succès l'efficacité de la commande, elle a été conçue pour une suspension active d'un quart de voiture. De plus, la plupart des études précédentes sur les systèmes de commande de suspension active des voitures complètes ne portaient pas clairement sur la tenue de route et la robustesse des commandes. Par conséquent, le troisième système de commande a été développé pour le système de suspension active électrohydraulique MIMO non linéaire de voiture complète en présence à la fois d'une perturbation de la route raide et de perturbations aérodynamiques externes. Le troisième système de commande se compose du système de backstepping adaptative des réseaux neuronaux et de quatre filtres de commande non linéaires. Un système de dynamique zéro a également été appliqué pour garantir la stabilité du système.

Les résultats de la simulation montrent que les systèmes de commande proposés atteignent avec succès les objectifs de commande. La première stratégie de commande peut offrir un excellent confort de conduite pour une suspension active en quart de voiture. La deuxième loi de commande proposée permet de gérer puissamment le compromis entre confort des passagers, tenue de route et débattement de la suspension pour une suspension active en quart de voiture. Enfin, la troisième stratégie de commande peut atteindre les performances optimales de suspension en améliorant le confort des passagers, en maintenant la tenue de route, en évitant d'atteindre les limites de débattement de la suspension, en réduisant les oscillations de débattement de la suspension et en surmontant les non-linéarités dynamiques et les incertitudes du système pour une suspension active de voiture complète.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 155-163).
Mots-clés libres:	systèmes de suspension active, système de commande backstepping, réseaux de neurones, commande adaptatives, systèmes électrohydraulique, systèmes à dynamique zéro
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kenné, Jean-Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Angue Mintsa, Honorine
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 mars 2022 14:47
Dernière modification:	08 mars 2022 14:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2937

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