Synthesis and real-time implementation of parameterized NMPC schemes for automotive semi-active suspension systems

Karthik Murali Madhavan Rathai

Résumé

This thesis discusses the synthesis and real-time (RT) implementation of parameterized Nonlinear Model Predictive Control (pNMPC) schemes for automotive semi-active suspension systems. The pNMPC scheme uses a black-box simulation-based optimization method. The crux of the method is to finitely parameterize the input profile and simulate the system for each parameterized input and obtain the approximate objective and constraint violation value for the pNMPC problem. With the obtained results from the simulation, the input with minimum objective value or the least constraint violation value is selected and injected into the system and this is repeated in a receding horizon fashion. The method was experimentally validated on dSPACE MicroAutoBoX II (MABXII) and the results display good performance of the proposed approach. The pNMPC method was also augmented to parallelized pNMPC and the proposed method was implemented for control of semi-active suspension system for a half car vehicle. This method was implemented by virtue of Graphic Processing Units (GPUs) which serves as a paragon platform for implementation of parallel algorithms through its multi-core processors. Also, a stochastic version of the parallelized pNMPC method is proposed which is termed as Scenario-Stochastic pNMPC (SS-pNMPC) scheme and the method was implemented and tested on several NVIDIA embedded boards to verify and validate the RT feasibility of the proposed method for control of semi-active suspension system for a half car vehicle. In general, the parallelized pNMPC schemes provide good performance and also, fares well for large input parameterization space. Finally, the thesis proposes a software tool termed pNMPC A code generation software tool for implementation of derivative free pNMPC scheme for embedded control systems. The code generation software (S/W) tool was programmed in C/C++ and also, provides interface to MATLAB/Simulink. The S/W tested for variety of examples both in simulation as well as on RT embedded hardware (MABXII) and the results looks promising and viable for RT implementation for real world applications. The code generation S/W tool also includes GPU code generation feature for parallel implementation. To conclude, the thesis was conducted under the purview of the EMPHYSIS project and the goals of the project align with this thesis and the proposed pNMPC methods are amenable with eFMI standard.

Cette thèse traite de la synthèse et de la mise en œuvre en temps réel (RT) de schémas de contrôle prédictif non linéaire paramétré (pNMPC) pour les systèmes de suspension semi-active des automobiles. Le schéma pNMPC est basé sur une technique d'optimisation par simulation en boîte noire. Le point essentiel de la méthode est de paramétrer finement le profil d'entrée et de simuler le système pour chaque entrée paramétrée et d'obtenir la valeur approximative de l'objectif et de la violation des contraintes pour le problème pNMPC. Avec les résultats obtenus de la simulation, l'entrée admissible (si elle existe) ayant la valeur objective minimale ou, à défaut, la valeur de violation de contrainte la plus faible est sélectionnée et injectée dans le système et ceci est répété indéfiniment à chaque période de décision. La méthode a été validée expérimentalement sur dSPACE MicroAutoBoX II (MABXII) et les résultats montrent de bonnes performances de l'approche proposée. La méthode pNMPC a également été étendue à une méthode pNMPC parallélisée et la méthode proposée a été mise en œuvre pour le contrôle du système de suspension semi-active d'un demi-véhicule. Cette méthode a été mise en œuvre grâce à des unités de traitement graphique (GPU) qui servent de plate-forme modèle pour la mise en œuvre d'algorithmes parallèles par le biais de ses processeurs multi-cœurs. De plus, une version stochastique de la méthode pNMPC parallélisée est proposée sous le nom de schéma pNMPC à Scénario-Stochastique (SS-pNMPC). Cette méthode a été mise en œuvre et testée sur plusieurs cartes NVIDIA embarquées pour valider la faisabilité de la méthode proposée pour le contrôle du système de suspension semi-active d'un demi-véhicule. En général, les schémas pNMPC parallélisés offrent de bonnes performances et se prêtent bien à un large espace de paramétrage en entrée. Enfin, la thèse propose un outil logiciel appelé pNMPC - A code generation software tool for implementation of derivative free pNMPC scheme for embedded control systems. L'outil logiciel de génération de code (S/W) a été programmé en C/C++ et propose également une interface avec MATLAB/Simulink. Le logiciel de génération de code a été testé pour divers exemples, tant en simulation que sur du matériel embarqué en temps réel (MABXII), et les résultats semblent prometteurs et viables pour la mise en œuvre de la RT pour des applications réelles. L'outil de génération de code S/W comprend également une fonction de génération de code GPU pour une mise en œuvre parallèle. Pour conclure, la thèse a été menée dans le cadre du projet EMPHYSIS et les objectifs du projet s'alignent sur cette thèse et les méthodes pNMPC proposées sont compatibles avec la norme eFMI.