Dans cette thèse, nous avons abordé la problématique liée au diagnostic des systèmes contrôlés en réseau. L’approche de diagnostic proposée est basée sur les modèles dynamiques de la partie opérative et la partie de communication. Par le fait que les deux parties distinguées du système contrôlé en réseau, ont un fonctionnement différent, deux approches de diagnostic à base de modèle ont été élaborées et appliquées à un système de robotique.La première utilise le principe des observateurs stochastiques par rapport à la nature du système de communication, permettant de distinguer un défaut physique d’un retard induit, en estimant les états non mesurés. La seconde utilise le principe de redondance analytique, appliquée au système à contrôler, permettant de détecter et d’isoler des défauts capteurs et actionneurs, en comparant les mesures avec le modèle mathématique du système étudié. Les résultats expérimentaux réalisés sur un robot mobile miniature, contrôlé à distance ont permis de valider notre approche de diagnostic dans le cas d’un système de communication filaire en série (RS232).Une seconde contribution sur le diagnostic des systèmes contrôlés en réseau a été développée sur un robot manipulateur. Cette dernière consiste à détecter et localiser des défauts actionneur en utilisant le principe de redondance analytique, par contre, en lançant la procédure de diagnostic non pas sur le système réel, mais sur son simulateur virtuel connecté à lui à travers un réseau industriel. / In this thesis, we investigate the problem of diagnosis of Networked Control Systems (NCS). The main considered components of the NCS namely the network system and controlled system are completely decoupled according to their operation characteristics. The diagnosis proposed approach is based on the dynamical models of the controlled system and the network system.Two model based fault diagnosis approach are proposed and applied to telerobotics system. The first concerns a discrete and stochastic observer applied to the network system in order to detect and isolate system faults from delay fault on the network channel by estimating the non measured states. The second is based on the Analytical Redundancy Relations (ARR) allowing detecting and isolating the input and output system’ faults. Experimental results applied on a mobile robot system, show the performance and the validity of the proposed hybrid fault diagnosis approach.A second contribution on the fault diagnosis of Networked Control Systems are developed and applied to a manipulator 6 DOF robot. It consists to detect and isolate system faults by using the Analytical Redundancy Relations approach on a robot model based real-time simulator connected to the system through an industrial network.

L’étude des systèmes en réseau supports d’applications collaboratives, distribuées et interconnectées par un réseau repose sur l’identification des exigences de fonctionnement de l’application appelées Qualité de Contrôle (QdC), et sur l’évaluation des performances du réseau pour obtenir son niveau de Qualité de Service (QdS). « Cette thématique comporte d’importants verrous de nature fondamentale relevant du domaine de l'automatique, de la robotique, des capteurs, de la théorie de l’information, des réseaux. Par souci de simplification, les travaux sur les systèmes en réseau se repartissent selon deux approches: la première compense les perturbations générées par les communications au niveau de l’application (« control over network »). La seconde adapte les performances du réseau en fonction des besoins applicatifs (« control of network »). L’objectif de nos travaux de thèse est donc de proposer un environnement de modélisation intégré permettant de représenter le comportement des SCRs. Nous avons choisi les Réseaux de Petri de haut niveau qui possède un fort pouvoir d’expression, de formalisation et dont la modularité permet d’ajouter et/ou de faire évoluer les modèles qui sont développés dans ce travail. Dans un premier temps, nous avons proposé unmodèle Ethernet Commuté gérant des mécanismes d’ordonnancement. Le choix de ce réseau a été guidé par le fait qu’il est de plus en plus utilisé dans les SCRs. Ensuite, le modèle d’un SCR a été proposé, et modélisé par des Réseaux de Petri de haut de niveau, en intégrant au modèle Ethernet Commuté, l’environnement applicatif : Contrôleur, Process,.. Enfin, des stratégies pour commander le réseau de façon à adapter sa Qualité de Service en regard de la Qualité de Contrôle requise par l’application, ont été mises en oeuvre. Pour cela, des ordonnanceurs à priorité stricte et de type WRR sont utilisés. Les résultats de simulation montrent clairement que des dispositifs de compensation du réseau pour améliorer les performances du système de communication, permettent aussi d’améliorer les performances du système à commander. / The Networked Control Systems (NCS) used in collaborative, and distributed applications are based both on identification of application requirements named Quality of Control (QoC), and on performance evaluation of network to obtain the required Quality of Service (QoS). The pluridisciplinary aspect of NCS needs the knowledge of many domains such as information theory, robotics, sensors and networks. In general, two approaches are investigated in NCS: the first one deals with the compensation of the network perturbations by using control theory (control over network). The second one adapts the network performances according to the application needs (control of network). The objective of this thesis is to propose an integrated modelling environment to represent globally the NCS behaviour by using the High Level Petri Nets (HLPN) formalism. This work considers NCS based on switched Ethernet architectures. Such communication architecture is modelled with HLPN and is evaluated according to different scheduling mechanisms and traffic load. After that, NCS model based on HLPN is proposed. This model integrates the Ethernet switch model and applicative environment of NCS: controller, process… Finally, the strategies to control the network in order to adapt the QoS according to the QoC required by the application are proposed. These strategies are achieved using priority static and Weighted Round Robin policies. The obtained results show that the scheduling mechanisms enable to improve the performance of communication system and then to improve the application performances.

Un Système Contrôlé en Réseau (SCR en français, NCS (Networked Control System) en anglais) est un système de contrôle/commande distribué dans lequel les informations sont échangées en temps réel via un réseau reliant capteurs, actionneurs, contrôleurs, …) Ces SCR sont présents dans de nombreuses applications industrielles tels que les systèmes de production, les systèmes contrôlés à distance, les véhicules autonomes, la téléopération, …. Les principaux avantages de ces systèmes sont la flexibilité de leur architecture et la réduction des coûts d'installation et de maintenance, le principal inconvénient est les effets dus au réseau tels que les retards de transmission, qui influencent les performances et la stabilité de la boucle de régulation, ces systèmes sont également vulnérables aux cyber – attaques.Cette thèse apporte quelques contributions sur la détection des cyber attaques ainsi que le développement d'un contrôleur capable de traiter les effets des retards temporels.Pour atteindre cet objectif, la méthode proposée est d'adapter une commande sans modèle et d'améliorer son utilisation dans les Systèmes Contrôlés en Réseau. L'idée principale est basée sur le bénéfice mutuel d'un prédicteur de Smith et du modèle de base de la commande sans modèle. Ensuite, la structure intelligente de la commande sans modèle est appliquée avec une commande prédictive généralisée (GPC Generalized Predictive Control) de manière à obtenir une commande prédictive généralisée intelligente, qui est une amélioration du contrôleur généralisé standard. Ce contrôleur est conçu selon deux méthodes différentes pour détecter les cyber attaques.Parallèlement, un nouveau mécanisme de sécurité basé sur une réponse trompeuse pour les cyber attaques dans les Systèmes Contrôlés en Réseau est proposé. Le mécanisme proposé peut permettre d'arrêter une cyber-attaque en apportant une dernière ligne de défense lorsque l'attaquant a un accès à l'installation distante.Enfin, deux détecteurs d'attaque de piratage de commande sont introduits. L'objectif est de pouvoir détecter une attaque tel que le cas Stuxnet où le contrôleur a été détourné par reprogrammation. L'avantage des détecteurs proposés est qu'il ne nécessite pas d'avoir a priori un modèle mathématique du contrôleur. / A networked control system (NCS) is a control system in which the control loop is closed over a real-time network. NCSs are used in many industrial applications, and also in applications such as remote control, unmanned aerial vehicles or surgical teleoperation, ... The major advantages of NCS are a flexible architecture and a reduction of installation and maintenance costs, the main disadvantage of NCS is the network effects, such as time-delays, that influence the performance and stability of the control loop. These systems are also vulnerable to cyber attacks.This thesis makes some contributions regarding the detection of cyber-physical attacks as well as the development of a controller which capable of dealing with the other the bad effects of the network like time-delays.To achieve this goal, the proposed approach is to adapt model-free controller and to improve its use in NCS. The main idea is based on mutual benefit between Smith predictor and the basic model-free controller. Then, the intelligent structure of model-free control is applied along with Generalized Predictive Controller (GPC) to achieve the Intelligent Generalized Predictive Controller (IGPC) as an enhancement for the standard GPC. The IGPC is designed along with two different methods for cyber-attack detection.Moreover, a new security mechanism based on the deception for the cyber-physical attacks in NCS is proposed, this mechanism can allow to stop the cyber-attacks by providing the last line of defense when the attacker has an access to the remote plant.Finally, two detectors for controller hijacking attack are introduced. The objective is to be able to detect an attack such as the Stuxnet case where the controller has been reprogrammed and hijacked. The advantage of these proposed detectors is that there is not necessary to have a priori mathematical model of the controller.

Le cadre de cette thèse est l'étude des systèmes contrôlés en réseau sans fil (SCRSF) qui utilise la technologie IEEE 802.15.4. Le premier objectif est d'étudier la pertinence de l'utilisation du réseau de type IEEE 802.15.4 pour les SCRSF puis de proposer et d'évaluer des mécanismes pour garantir la Qualité de Service (QdS) offerte par le réseau au système contrôlé. Nous analysons l'utilisation des slots temporels réservés (GTS) dans le cadre des SCRSF et les contraintes qui en découlent. De plus, nous proposons des mécanismes de gestion de la QdS avec priorité aussi bien pour le mode avec balise que pour le mode sans balise du protocole IEEE 802.15.4. Ces propositions ont été validées par des simulations et une partie de manière analytique. Notre deuxième objectif est de concevoir, d'une manière conjointe, les SCRSF pour pouvoir régler en ligne la QdS offerte par le réseau en fonction de la Qualité de Contrôle (QdC) du système contrôlé. Nous proposons des protocoles d'adaptation en ligne de la QdS du réseau qui prennent en compte la QdC du système contrôlé. Ces protocoles ont été validés par simulations et une implémentation réelle de chacun d'eux est proposée / In this thesis, we study wireless networked control systems (WNCS) which use the IEEE 802.15.4 technology. The first objective is to study the pertinence of the use of the IEEE 802.15.4 for the WNCS, then to propose and evaluate QoS management mechanisms which guarantee the Quality of Service (QoS) offered by network to the controlled system. We analyse the use of the guaranteed temporel slots (GTS) for WNCS and in which conditions it is possible. We propose QoS management mechanisms with priority for both the beacon enabled mode and the non-beacon enabled mode of the IEEE 802.15.4 protocol. These proposals are validated through simulations and partially with analytical approach. The second objective is to design the WNCS so that the QoS offered by the network is adated online depending on the Quality of Control (QoC) on the controlled system. We propose QoS online adaptation protocols which take as parameter the QoC of the system. These protocols are validated through simulations and a realistic implementation of them is proposed

Aujourd'hui, les réseaux de communications sont largement utilisés pour relier les points de ressources, qui permettent la transmission de données à distance, de réduire la complexité dans le cadre de câblage et les coûts de support et de fournir l'aise dans la maintenance. En raison de ces avantages, les réseaux ont été introduits dans les systèmes automatiques au cours de ces dernières décennies et de nouveaux protocoles de réseau industriel ont été également développés pour assurer le contrôle à distance. Les systèmes contrôlés en réseau SCR (Networked Control System NCS) sont des systèmes automatiques traditionnels où les actionneurs, les capteurs, les contrôleurs et des autres composants sont distribués autour d'un réseau de communication, qui peut être partagé ou non avec d'autres applications. Les données de commande et de diagnostic sont échangées entre les composants du système (capteur, contrôleur, actionneur) via ce réseau partagé. Cette nouvelle architecture de système de contrôle introduit des problèmes originaux, en termes de retard variable affectant la transmission, des pertes de paquets, etc. Dans l'objectif de maintenir de bonnes performances du module de diagnostic face à des éventuelles variations introduites par le réseau, il est intéressant d'introduire des nouvelles approches. Nous avons rapporté les résultats relatifs aux techniques d'estimation optimale à base de filtre de Kalman, de façon à constituer un document aussi complet que possible traitant la génération de résidus et l'isolation des défauts dans SCR. Notre contribution consiste, dans un premier temps, à développer un modèle d'état d'un système contrôlé via un réseau. En deuxième temps, nous proposons un générateur de résidus en se basant sur les hypothèses simulant le retard induit par le réseau. Finalement, nous développons un filtre isolateur pour identifier directement les défauts affectant les actionneurs dans un SCR.

Aujourd'hui, les réseaux de communications sont largement utilisés pour relier les points de ressources, qui permettent la transmission de données à distance, de réduire la complexité dans le cadre de câblage et les coûts de support et de fournir l'aide dans la maintenance. En raison de ces avantages, les réseaux ont été introduits dans les systèmes automatiques au cours de ces dernières décennies et de nouveaux protocoles de réseau industriel ont été également développés pour assurer le contrôle à distance. Les systèmes contrôlés en réseau SCR (Networked Control System NCS) sont des systèmes automatiques traditionnels où les actionneurs, les capteurs, les contrôleurs et des autres composants sont distribués autour d'un réseau de communication, qui peut être partagé ou non avec d'autres applications. Les données de commande et de diagnostic sont échangées entre les composants du système (capteur, contrôleur, actionneur) via ce réseau partagé. Cette nouvelle architecture de système de contrôle introduit des problèmes originaux, en termes de retard variable affectant la transmission, des pertes de paquets, etc. Dans l'objectif de maintenir de bonnes performances du module de diagnostic face à des éventuelles variations introduites par le réseau, il est intéressant d'introduire des nouvelles approches. Nous avons rapporté les résultats relatifs aux techniques d'estimation optimale à base de filtre de Kalman, de façon à constituer un document aussi complet que possible traitant la génération de résidus et l'isolation des défauts dans SCR. Notre contribution consiste, dans un premier temps, à développer un modèle d'état d'un système contrôlé via un réseau. En deuxième temps, nous proposons un générateur de résidus en se basant sur les hypothèses simulant le retard induit par le réseau. Finalement, nous développons un filtre isolateur pour identifier directement les défauts affectant les actionneurs dans un SCR / Today's communications networks are widely used to connect the resources, enabling the remote data transmission, reducing the cabling complexity, minimizing costs and providing easy maintenance. Because of these advantages, the networks have been introduced in automatic systems during recent decades and new industrial network protocols were also developed for the remote control. The systems controlled by networks, the term "Networked Control Systems (NCS)" are automatic traditional systems where the actuators, the sensors, the controllers and other components are distributed around a communication network that can be shared or not with other applications. The data of both control and diagnostic are exchanged between system components (sensor, controller and actuator) via the shared network. This new architecture of control system introduces new problems in terms of variable delay affecting the transmission, the packet loss, etc. With the aim to maintain good performance of diagnostic module face of possible changes introduced by the network, it is interesting to introduce new approaches. We have reported results for the optimal estimation techniques based on Kalman filter, thus creating a report as complete as possible, treating the residual generation and fault isolation in NCS. Our contribution consists, firstly, to develop a state space model of a system controlled via a network. Secondly, we propose a residual generator based on the delay models induced by the network. Finally, we develop a isolation filter in order to directly identify in the actuators faults in a SCR

Les travaux développés dans cette thèse portent sur la "co-conception diagnostic / ordonnancement des mesures dans un système contrôlé en réseau" qui est un sujet multidisciplinaire nécessitant des compétences en théorie du contrôle et en théorie des réseaux. La thèse a pour but de développer, dans le contexte des systèmes contrôlés en réseau, une approche de co-conception qui intègre de façon coordonnée les caractéristiques qui expriment la performance du diagnostic des défauts et les paramètres de l'ordonnancement temps-réel des messages. L'intérêt de cette approche coordonnée réside essentiellement dans la minimisation des ressources nécessaires pour atteindre la performance du diagnostic requise, minimisation qui prend tout son sens dans le contexte des systèmes embarqués. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'étude des problèmes liés à l'élaboration d'algorithmes de diagnostic efficaces et adaptés aux caractéristiques de l'application de façon tout en prenant en compte différents types de contraintes liées au réseau. En conjonction avec ces algorithmes, deux ensembles de techniques d'ordonnancement des mesures ont été développés : - ordonnancement hors ligne - ordonnancement évènementiel en ligne Pour l'ordonnancement hors ligne, les séquences de communication sont conçues en amont, préalablement à la mise en oeuvre de l'algorithme de diagnostic (implémentation). D'autre part, nous proposons aussi des techniques d'ordonnancement en ligne basées sur l'échantillonnage évènementiel développé au cours de la dernière décennie. Au contraire de la plupart des recherches en automatique classique, considérant que l'échantillonnage des signaux continus est réalisé d'une manière périodique, les mesures dans cette approche sont transmises si et seulement si la condition de transmission (évènement) est vérifiée / The works developed in this thesis deal with 'fault diagnosis and sensor scheduling co-design' in networked control system. This multidisciplinary subject requires theoretical knowledge in both fault diagnosis and communication networks. Our contribution consists in developing a co-design approach that integrates in the same framework the characteristics of fault diagnosis performance and real time sensor scheduling. The main benefit of this approach is minimizing the required network resources for attending acceptable fault diagnosis performances. We are interested in the development of more efficient and more adapted for real time implementation fault diagnosis algorithms while taking into account different types of communication constraints. In conjunction with these algorithms, two sets of sensor scheduling techniques are used : - Off-line scheduling - On-line scheduling (event triggered sampling) For off-line scheduling, the communication sequences are designed before the implementation of the diagnostic algorithm. In this context, we proposed several techniques for scheduling with different spatial and temporal complexity and adapted to different operating condition for the detection and the isolation of faults based on the information provided by the selected communication sequences. Moreover, we deal also with on-line scheduling techniques based on the event triggered sampling developed during the last decade. In This approach measurement packets are transmitted if and only if the transmission condition (event) is verified. This saves resources provided by the network while maintaining acceptable performance of fault diagnosis. The objective of these algorithms is to minimize the number of transmitted information which means less energy consumption and has a major importance in wireless networked control systems

L'étude des systèmes en réseau supports d'applications collaboratives, distribuées et interconnectées par un réseau repose sur l'identification des exigences de fonctionnement de l'application appelées Qualité de Contrôle (QdC), et sur l'évaluation des performances du réseau pour obtenir son niveau de Qualité de Service (QdS). « Cette thématique comporte d'importants verrous de nature fondamentale relevant du domaine de l'automatique, de la robotique, des capteurs, de la théorie de l'information, des réseaux. Par souci de simplification, les travaux sur les systèmes en réseau se repartissent selon deux approches: la première compense les perturbations générées par les communications au niveau de l'application (« control over network »). La seconde adapte les performances du réseau en fonction des besoins applicatifs (« control of network »). L'objectif de nos travaux de thèse est donc de proposer un environnement de modélisation intégré permettant de représenter le comportement des SCRs. Nous avons choisi les Réseaux de Petri de haut niveau qui possède un fort pouvoir d'expression, de formalisation et dont la modularité permet d'ajouter et/ou de faire évoluer les modèles qui sont développés dans ce travail. Dans un premier temps, nous avons proposé un modèle Ethernet Commuté gérant des mécanismes d'ordonnancement. Le choix de ce réseau a été guidé par le fait qu'il est de plus en plus utilisé dans les SCRs. Ensuite, le modèle d'un SCR a été proposé, et modélisé par des Réseaux de Petri de haut de niveau, en intégrant au modèle Ethernet Commuté, l'environnement applicatif : Contrôleur, Process,.. Enfin, des stratégies pour commander le réseau de façon à adapter sa Qualité de Service en regard de la Qualité de Contrôle requise par l'application, ont été mises en oeuvre. Pour cela, des ordonnanceurs à priorité stricte et de type WRR sont utilisés. Les résultats de simulation montrent clairement que des dispositifs de compensation du réseau pour améliorer les performances du système de communication, permettent aussi d'améliorer les performances du système à commander.