Diagnostic et tolérance aux défauts sont des enjeux importants pour les systèmes de contrôle, particulièrement dans les systèmes de sécurité fondamentaux. La théorie et l'application des approches classiques de diagnostic et tolérance aux défauts doivent être revisités lorsqu'il s'agit de SCR. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles approches de diagnostic pour les systèmes contrôlés en réseau en considérant la perte de paquets et la contrainte de communication. De plus, les algorithmes de l'ordonnancement et de diagnostic proposés sont implémentés dans un mini hélicoptère / Fault diagnosis and fault-tolerant control are important issues for practical control systems, especially in safety-critical systems. The theory and application of classical approaches of fault diagnosis and fault tolerant control should be revised when dealing with NCSs. Objective of this thesis is proposing new approaches to design a fault detection and isolation (FDI) system with considering network-induced effects such as packet dropout and medium access constraints. In addition, proposed algorithms of scheduling and fault diagnosis are implemented in a mini helicopter

Les systèmes contrôlés en réseau (SCR) ont fait l'objet de nombreux travaux de recherche au cours des dernières années, principalement pour ce qui concerne la synthèse de lois de commande. Les systèmes contrôlés en réseau présentent de nombreux avantages, notamment en terme de flexibilité, mais différent problèmes se posent quand une boucle de contrôle est fermée par un réseau de communication. (ex. retards et des pertes, contraintes de communication). Diagnostic et tolérance aux défauts sont des enjeux importants pour les systèmes de contrôle, particulièrement dans les systèmes de sécurité fondamentaux. La théorie et l'application des approches classiques de diagnostic et tolérance aux défauts doivent être re-visités lorsqu'il s'agit de SCR. L'objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles approches de diagnostic pour les systèmes contrôlés en réseau en considérant la perte de paquets et la contrainte de communication. De plus, les algorithmes de l'ordonnancement et de diagnostic proposés sont implémentés dans un mini hélicoptère. Nous considérons d'abord les problèmes de perte de paquets et de contrainte de communication pour ensuite adapter un modèle où la détection des défauts et l'allocation des ressources de communication sont fortement liés. En interprétant ce modèle comme un modèle périodique, nous formalisons et résolvons le problème de détection et localisation de défauts avec un ordonnancement périodique et hors-ligne. L'approche proposée garantit la robustesse des résidus aux perturbations ainsi que perte de paquets sur la commande du système. Il est parfois nécessaire de fournir une séquence de communication prédéfinie avant de concevoir le système de détection de défauts. IL spécifie l'ordre de l'accès des capteurs et des actionneurs au réseau. Cependant, le choix d'une séquence de communication dépend forcément à la structure du système. Un algorithme graphique proposé dans cette thèse garantit la génération de séquences de communication permettant de préserver certaines propriétés structurelles du système. En outre, cet algorithme peut être utilisé sur les systèmes incertains et assez grands. Traditionnellement, allocation des ressources et l'ordonnancement sont basés sur les stratégies hors ligne. Mais la performance du système de diagnostic ne peut pas être garantie sous l'ordonnancement hors-ligne, si le système est objet à des perturbations imprévisibles. En plus, L'ordonnancement en ligne nécessite une grande charge de calcul qui ne peut être toujours possible en cas de système embarqué. Par conséquent, un ordonnancement semi-en ligne qui permet de préserver les avantages de l'ordonnancement en ligne et évite certaines limitations d'ordonnancement hors ligne peut être considéré comme une solution de compromis. Les drones ou UAVs pour Unmanned Aerial Vehicules font actuellement l'objet de beaucoup de recherches en raison de leurs utilités dans des situations qui nécessitent des opérations autonomes ou autopiloté. Ils peuvent être classés comme des systèmes dynamiques rapides. Par conséquent, ils peuvent être banc d'essai idéal pour étudier les effets du réseau sur les performances de contrôle/diagnostique en boucle fermée. Le dernier chapitre de cette thèse est dédié à implémentation d'une stratégie de commande tolérante aux défauts et les approches de détection et localisation des défauts proposées dans les chapitres précédents sur le drone.

Les systèmes à commutation constituent un cas particulier des systèmes dynamiques hybrides. Ils sont composés d'une famille de systèmes et d'une loi de commutation qui détermine quel mode est activé à chaque instant. Ces systèmes représentent une large gamme de systèmes concrets. L'étude de la stabilité de ceux-ci a déjà été longuement abordée. Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse de performance des systèmes à commutation linéaires en temps discret et sur la synthèse de différentes lois de commande pour ces systèmes en tenant compte de contraintes de performances. L'analyse de stabilité de ces systèmes a été étendue pour tenir compte de l'aspect performance qui a été modélisée par un critère quadratique. La valeur du critère dépendant des commutations, l'analyse porte sur le coût garanti des performances. Grâce à la résolution d'un problème d'optimisation sous des contraintes sous la forme d'inégalités matricielles linéaires, un majorant du coût garanti est déterminé. Une approche est proposée pour évaluer la qualité du majorant trouvé. Un deuxième point abordé est la conception de contrôleurs qui tient compte de l'aspect performance. Des méthodes de synthèse de différents contrôleurs (retour d'état, retour d'état reconstruit par observateur et retour de sortie dynamique) sont proposées dans ce cadre. Enfin, nos résultats ont été appliqués au cas des systèmes contrôlés en réseau.

Les systèmes à commutations constituent un cas particulier des systèmes dynamiques hybrides. Ils sont composés d'une famille de systèmes et d'une loi de commutation qui détermine quel mode est activé à chaque instant. Ces systèmes représentent une large gamme de systèmes concrets. L'étude de la stabilité de ceux-ci a déjà été longuement abordée. Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse de performance des systèmes à commutations linéaires en temps discret et sur la synthèse de différentes lois de commande pour ces systèmes en tenant compte de contraintes de performances. L'analyse de stabilité de ces systèmes a été étendue pour tenir compte de l'aspect performance qui a été modélisée par un critère quadratique. La valeur du critère dépendant des commutations, l'analyse porte sur le coût garanti des performances. Grâce à la résolution d'un problème d'optimisation sous des contraintes sous la forme d'inégalités matricielles linéaires, un majorant du coût garanti est déterminé. Une approche est proposée pour évaluer la qualité du majorant trouvé. Un deuxième point abordé est la conception de contrôleurs qui tiennent compte de l'aspect performance. Des méthodes de synthèse de différents contrôleurs (retour d'état, retour d'état reconstruit par observateur et retour de sortie dynamique) sont proposées dans ce cadre. Enfin, nos résultats ont été appliqués au cas des systèmes contrôlés en réseau. / Switched systems are a specific case of dynamical hybrid systems. They are made up of a family of subsystems and of a switching law which defines the activated subsystem at each instant. These systems depict a wide range of real systems. Stability's study has been intensely studied. This Ph.D. thesis deals with performance analysis for discrete-time switched linear systems and synthesis of different control laws by taking into account performance constraints. Stability's analysis for these systems was spread in order to taking into account performance aspect, modeled by a quadratic criterion. As the value of the criterion depends on commutations, the analysis is done for the guaranteed cost of performances. By solving an optimization problem under constraints in the form of linear matrices inequalities, an upper bound of the guaranteed cost is found. An approach is proposed to certificate the upper bound. An other tackled point is the synthesis of controllers which take into account performance aspect. Methods of synthesis of different controllers (state feedback, state feedback based on observer and dynamic output feedback) are proposed. Last, our results are applied to networked controlled systems

La recherche dans le domaine des systèmes contrôlés en réseau a considérablement évolué depuis qu'Ethernet est de plus en plus utilisé en remplacement des traditionnels réseaux locaux industriels. Si ce choix d'Ethernet se justifie par sa faculté intrinsèque à supporter toutes les communications de l'entreprise (du bureau à l'atelier), il s'accorde difficilement avec les contraintes temporelles des applications de contrôle / commande distribuées. Contrairement aux réseaux de terrain, l'indéterminisme de l'accès à la voie d'Ethernet ne permet pas de garantir le respect des contraintes temporelles strictes.<br />La contribution de cette thèse est la définition d'une approche analytique permettant de majorer les délais de communication de bout en bout dans les systèmes contrôlés en réseau lorsqu'ils reposent sur une architecture Ethernet commutée. Les travaux se sont focalisés sur l'adaptation de la théorie du calcul réseau à ce type d'environnement. Dans ce cadre, cette thèse développe la modélisation d'un commutateur IEEE 802.1D ainsi qu'une méthode de calcul des délais de bout en bout basée sur l'augmentation du volume des rafales. Plusieurs expérimentations réelles ont permis de valider l'efficacité des bornes obtenues par calcul.<br />Outre l'évaluation de performances, ces travaux s'intéressent également à la Classification de Service (IEEE 802.1D/p) et à l'optimisation de l'ordonnancement des trames sur Ethernet. Cette thèse montre enfin comment une méthode d'évaluation de performances peut être utilisée pour dimensionner et optimiser la conception d'architectures Ethernet commutées.

De nos jours, les systèmes de contrôle-commande temps-réel distribués à travers un réseau de communication sont de plus en plus utilisés dans les secteurs de l’automobile, de l’avionique, de la robotique mobile, de la télécommunication et plus généralement de la conduite de procédés industriels. En comparaison avec les systèmes de contrôle point-à-point conventionnel, un système contrôlé en réseau (SCR) permet non seulement de réduire le câblage et les coûts d’installation, mais offre aussi plus de flexibilité pour faire évoluer une installation existante et favorise les actions de diagnostic et de maintenance. Comme le réseau est partagé par plusieurs boucles de contrôle et par d’autres applications, la conséquence est que le trafic de communication est difficilement maîtrisable, ce qui peut conduire à des pertes de messages et engendre des délais aléatoires. Par ailleurs, le diagnostic et la tolérance aux défauts sont des enjeux importants pour les SCR, particulièrement dans le cas ou le domaine d’utilisation exige une grande sécurité. Il est évident que la théorie et l’application des approches classiques de diagnostic et de tolérance aux défauts doivent être révisées lorsqu’il s’agit de SCR.L’étude des SCR, reposant sur des compétences en automatique, en informatique et en réseau propose naturellement des solutions propres à chaque domaine. La problématique du diagnostic des SCR consiste non seulement à détecter et localiser des défauts affectant l’ensemble du système mais aussi à distinguer, les perturbations et défaillances affectant le réseau de communication de celles du système contrôle. L’objectif de nos travaux de thèse est de proposer des modèles intégrés permettant de représenter le comportement des SCR et de contribuer à leurs diagnostics. / Real-time control systems distributed across communication networks are increasingly used in automotive, avionics, mobile robotics, and telecommunications and more generally in the conduct of industrial processes. Compared with point- to-point conventional control systems, a networked control system (NCS) can not only reduce wiring and installation costs, but also offer more flexibility to expand an existing facility and promote actions of diagnosis and maintenance. As the network is shared by multiple control loops and other applications, the result is that the communication traffic is difficult to control, which can lead to loss of messages and generate random delays.Diagnosis and fault tolerance are important issues for NCS, especially in the case where the area of application requires security. It’s obvious that the theory and application of conventional approaches to diagnosis and fault tolerance need to be revised when it comes to NCS.The study of the NCS, based on automatic skills, computer science and network competences naturally provides adequate solutions to each area. The problem of NCS diagnosis is the one hand to detect and locate faults affecting the whole system and on the other hand to distinguish, disturbances and malfunctions affecting the communication network of the control system.Our work aims is to propose integrated models to represent the behavior of NCS and contribute to its diagnosis.