Linear Parameter-Varying Control of Full-Vehicle Vertical Dynamics using Semi-Active Dampers

Abstract

Semi-aktive Fahrwerke bergen im Vergleich zu passiven großes Potential zur Verbesserung wesentlicher Fahrzeugeigenschaften, wie Fahrkomfort, Straßenhaftung und Fahrverhalten. Die Ausnutzung dieses Potentials verlangt nach geeigneten Regelungsalgorithmen,welche das nichtlineare Eingangssignal-zu-Dämpferkraft Verhalten und die Passivitätsbeschränkung semi-aktiver Dämpfer berücksichtigen. Im Besonderen die Passivitätsbeschränkung impliziert enge, zustandsabhängige Aktuatorkraftbegrenzungen und sollte daher im Regelungsentwurf direkt berücksichtigt werden. Der Entwurf performanter semi-aktiver Fahrwerkregelungen stellt eine große Herausforderung dar, da Störungen aufgrund von Straßenunebenheiten und Lastwechseln unterschiedliche Anforderungen an die Regelung stellen, und zusätzlich in einer Gesamtfahrzeuganwendung auch ein Regelungsentwurf basierend auf einem Gesamtfahrzeugmodell benötigt wird. Im Gegensatz zu konventionellen viertelfahrzeug-basierten Fahrwerkregelungsansätzen, welche häufig in der Literatur zu finden sind, zielt der Gesamtfahrzeugregelungsansatz dieser Dissertation auf die explizite Berücksichtigung der Hub-, Wank und Nickbewegung des Aufbaus. Darüber hinaus ermöglicht der Gesamtfahrzeugansatz die Entwicklung von fehlertoleranten Reglern, welche die schwache Aktuatorredundanz der vier Dämpfer nutzen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit linear parameter-variablen (LPV) Regelungsmethoden zur Lösung des oben beschriebenen komplexen Regelungsproblems. Die Kraftbegrenzungen der semi-aktiven Dämpfer werden mittels Sättigungsindikatoren modelliert und diese dann als variable Parameter in den LPV Regelungsentwurf integriert. Zusätzlich wird der LPV Regler um eine Dämpferkraftrekonfiguration erweitert, so dass der Regler den Dämpferkraftverlust im Falle einer Dämpferfehlfunktion mit den verbleibenden gesunden Dämpfern kompensiert. Der Regelungsentwurf begegnet den unterschiedlichen Anforderungen von Straßen- und Lastwechselstörungen durch eine Zweifreiheitsgradregelung bestehend aus einem LPV Regler und einer LPV Vorsteuerung.Dabei fokussiert sich der LPV Regler auf die Verminderung des Effekts der Straßenunebenheiten und die LPV Vorsteuerung verringert den Effekt der Lastwechselstörungen. Auf diese Weise zeigt die Zweifreiheitsgradregelung das gewünschte Verhalten trotz dieser beiden konträren Störungen. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Zweifreiheitsgradregelung wird durch Experimente auf einem Stempelprüfstand und durch Straßenversuche validiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung des klassischen Zielkonflikts der Fahrwerksregelung zwischen Fahrkomfort und Straßenhaftung durch die LPV Gesamtfahrzeugregelung. Insbesondere erzielt die LPV Gesamtfahrzeugregelung eine 10 % ige Verbesserung von Fahrkomfort und Straßenhaftung im Vergleich zu einer Skyhook-Groundhook Gesamtfahrzeugregelung. Des Weiteren verdeutlicht ein Experiment mit einem simulierten Dämpferfehler die Vorteile der fehlertoleranten LPV Regelung. Abschließend wird anhand von Spurwechselversuchen die Wirksamkeit der LPV Vorsteuerung zur Verbesserung von Fahrkomfort, Straßenhaftung und Fahrverhalten bei dynamischen Lenkwinkeleingaben des Fahrers demonstriert.