Adaptive Noise Cancellation Strategies for Active Suspension Applications

Il lavoro di tesi proposto presenta lo sviluppo e la validazione di un innovativo algoritmo di Cancellazione Adattiva del Rumore (ANC, Adaptive Noise Cancellation) applicato ai Sistemi di Sospensione Attiva (ASS, Active Suspension Systems) di un quarto di veicolo (quarter-car). L'obiettivo principale è migliorare il comfort e la stabilità del veicolo sopprimendo le vibrazioni causate dalle irregolarità del manto stradale attraverso la stima in tempo reale del disturbo. L'attività di ricerca segue un percorso strutturato, che inizia con un'analisi esaustiva dello stato dell'arte riguardo alle tipologie di sospensioni, inclusi i sistemi passivi, attivi e semi-attivi, nonché a vari layout tecnologici come gli attuatori magnetoreologici, pneumatici e a motore lineare. I sistemi ASS ibridi (HASS) saranno valutati come soluzione, dove la definizione di "ibrido" deriva dal funzionamento semi-attivo in ambito multi-dominio: ovvero, alcune componenti pneumatiche multi-camera per la parte "molla" e altre con valvole bistabili per la parte idraulica dello "smorzatore". Il nucleo del lavoro riguarda lo sviluppo teorico di un algoritmo ANC ad anello chiuso — applicato a un modello convenzionale double skyhook — in grado di adattare la propria risposta alle variazioni delle caratteristiche di disturbo della strada. Il progetto del controllo utilizza la teoria delle perturbazioni singolari, che fornisce il quadro matematico per il modello del sistema e la dimostrazione formale della convergenza dell'algoritmo. La strategia di controllo proposta integra diversi componenti avanzati, tra cui un controllo di tracciamento basato sulla cancellazione esatta e adattiva del rumore e un osservatore di ordine ridotto per stimare gli stati interni. La fase di validazione è stata condotta applicando l'algoritmo a un modello quarter-car, che rappresenta una singola ruota e la porzione corrispondente del telaio del veicolo. L'intero sistema è stato implementato e testato all'interno dell'ambiente Matlab/Simulink per confermare i risultati teorici attraverso simulazioni numeriche. Lo strumento di linearizzazione di Bode ha permesso di valutare le variazioni apportate dal controllo ideato, osservando i cambiamenti nella forma del diagramma della risposta in frequenza ad anello chiuso. È stata strutturata una metodologia specifica per il tuning dei parametri, basata su principi teorici, tenendo conto degli obiettivi di larghezza di banda e dei vincoli degli attuatori. Infine, la tesi dimostra che l'integrazione di algoritmi adattivi avanzati consente alle sospensioni attive di attenuare efficacemente le vibrazioni indotte dal disturbo stradale sulla massa del veicolo, riducendo così l'accelerazione verticale e migliorando il comfort e la maneggevolezza del veicolo.

This thesis presents the development and validation of an innovative Adaptive Noise Cancellation (ANC) algorithm applied to Active Suspension Systems (ASS) of a quarter-car. The primary objective is to enhance vehicle comfort and stability by suppressing vibrations caused by road irregularities through real-time disturbance estimation. The research activity follows a structured path, beginning with an exhaustive analysis of the state of the art regarding suspension types, including passive, active, and semi-active systems, as well as various technological layouts such as magneto-rheological, pneumatic, and linear motor actuators. Hybrid ASS (HASS) shall be evaluated as a solution, where the hybrid definition is derived by semi-active operating in multi-domain: i.e. some multi-chamber pneumatic parts for the "spring" and others with bistable valves for the hydraulic part of the "damper". The core of the work involves the theoretical development of a closed-loop ANC algorithm - applied to a conventional double skyhook model - capable of adapting its response to variations in road disturbance characteristics. The control design utilizes singular perturbation theory, which provides the mathematical framework for the system model and the formal proof of the algorithm's convergence. The proposed control strategy integrates several advanced components, including a tracking control based on exact and adaptive noise cancellation and a reduced-order observer to estimate internal states. The validation phase was conducted by applying the algorithm to a quarter-car model, which represents a single wheel and the corresponding portion of the vehicle frame. The entire system was implemented and tested within the Matlab/Simulink environment to confirm the theoretical results through numerical simulations. The Bode linearization tool enabled the evaluation of changes made by the devised control, observing the changes in closed-loop frequency response diagram shape .A specific parameter tuning methodology was structured, based on theoretical principles, considering bandwidth targets and actuator constraints. Eventually, the thesis demonstrates that integrating advanced adaptive algorithms allows active suspensions to effectively attenuates the vibration induced by the road disturbance on the vehicle mass, hence reducing the vertical acceleration, improving the comfort and the vehicle handling