Co-conception et Diagnostic des Systèmes Contrôlés en Réseau

Cette section introduit la notion de systèmes de contrôle/commande, où des parties géographiquement séparées communiquent via un réseau. Elle souligne que, contrairement à l'automatique classique, l'impact du réseau de communication ne peut être négligé. Le texte met en avant que la simplification de ce facteur peut dégrader la qualité de commande et potentiellement déstabiliser le système. Les retards induits sont présentés comme résultant de deux facteurs principaux: la distance de transmission et la congestion du trafic. L'impact de la distance est directement proportionnel au retard, tandis que la congestion, même sur de courtes distances, peut engendrer des retards importants et incertains, notamment lorsque le réseau est partagé. Cette introduction pose le contexte crucial de l'étude des contraintes de communication inhérentes aux systèmes contrôlés en réseau et introduit la nécessité d'une analyse rigoureuse de ces contraintes pour assurer un fonctionnement optimal et robuste des systèmes.

Le retard de transmission est décomposé en trois composantes : le retard de calcul (généralement négligeable), le retard capteurs-calculateur (τk sc), et le retard calculateur-actionneurs (τk ca). La somme de ces deux derniers retards (τk = τk ca + τk sc) est utilisée pour simplifier l'analyse. Le texte explique que, tandis que certains protocoles comme le CAN visent un retard constant grâce à des tampons, beaucoup de réseaux modernes (Ethernet) présentent des retards variables. Ces retards variables sont classés en retards déterministes (variation inconnue a priori, mais valeur instantanée disponible) et stochastiques (variation décrite par des statistiques, comme une distribution gaussienne ou une chaîne de Markov). Cette distinction est essentielle pour choisir les modèles et les méthodes d'analyse appropriés pour gérer les incertitudes liées au retard de transmission dans les SCR. L'analyse précise des différents types de retards est cruciale pour la conception d'algorithmes de contrôle et de diagnostic robustes.

La section aborde la contrainte de la perte de paquets, soulignant son importance, non seulement pour les protocoles sans acquittement comme l'UDP, mais aussi pour les protocoles fiables comme le TCP. Le phénomène du désordre des paquets, où l'ordre des paquets reçus diffère de l'ordre d'émission, est présenté comme une conséquence de retards de transmission importants. La solution classique consiste à ignorer les paquets anciens si le dernier paquet est arrivé. L'analyse précise de ces phénomènes et de leurs conséquences sur le fonctionnement des systèmes est un point clé, car ils peuvent mener à une dégradation significative des performances de contrôle et de diagnostic. Cette section souligne l’importance de prendre en compte la perte et le désordre des paquets, même dans des protocoles supposés fiables, pour construire des systèmes robustes.

L'erreur de quantification, liée à la conversion de signaux physiques en données numériques pour la transmission, est identifiée comme une contrainte induite par la bande passante limitée. L'utilisation d'algorithmes de codage/décodage est mentionnée pour mitiger l'impact du bruit et des erreurs sur la transmission. La section soulève aussi la contrainte énergétique dans les applications où les capteurs fonctionnent sur batterie. La consommation importante d'énergie par l'unité radio (50 à 80% de la puissance totale) justifie l'optimisation de la communication radio pour améliorer l'utilisation de l'énergie. Ceci est présenté comme un facteur important à considérer dans la conception des systèmes, car elle impacte directement la fréquence et la quantité d’information pouvant être transmise par les capteurs. Des stratégies efficaces de gestion de l'énergie et de la bande passante sont cruciales pour le bon fonctionnement des systèmes.

Plusieurs protocoles de communication sont présentés, notamment le TDMA (Time Division Multiple Access) avec ses architectures centralisées et distribuées, et le CSMA (Carrier Sense Multiple Access) avec ses variantes CSMA/CD (Collision Detection) et CSMA/CA (Collision Avoidance). Le TDMA, un multiplexage temporel, alloue des intervalles de temps fixes à chaque nœud pour transmettre sur un seul canal, nécessitant une synchronisation des horloges. Le CSMA et ses variantes gèrent l'accès au canal en détectant ou évitant les collisions entre les transmissions de plusieurs nœuds. L'analyse de ces protocoles est essentielle pour comprendre les mécanismes de gestion des ressources et de prévention des collisions dans les réseaux, et pour choisir le protocole le plus adapté aux besoins spécifiques du système contrôlé en réseau.

Cette section présente un état de l'art des techniques de diagnostic, en mettant l'accent sur les méthodes analytiques basées sur des modèles. Elle souligne l'importance de considérer les différentes contraintes de communication lors de la conception d'algorithmes de diagnostic. Le texte mentionne une organisation des travaux selon les contraintes de communication, plutôt que selon les techniques utilisées, ce qui suggère une approche originale et centrée sur les défis pratiques posés par les réseaux. L'amélioration des performances de diagnostic par une meilleure gestion des ressources du réseau est explicitement mentionnée, anticipant les développements ultérieurs concernant les algorithmes d'ordonnancement. La section sert d'introduction aux approches spécifiques qui seront détaillées par la suite, en établissant le contexte et en soulignant l'importance de l'adaptation des méthodes aux contraintes du réseau.

Cette partie explore les méthodes de diagnostic basées sur les filtres de Kalman, notamment le filtre de Kalman étendu pour les systèmes non-linéaires. L'utilisation d'un banc de filtres de Kalman pour la localisation de défauts est mentionnée. L'importance de la conception de filtres robustes aux perturbations est soulignée. Les observateurs à entrée inconnue sont présentés comme des filtres de détection largement utilisés, introduits dans les années 80 par Wünnenberg et Frank, et améliorés par la suite. L'approche du "faisceau de matrices" est mentionnée comme une solution pour assouplir les conditions d'existence restrictives des observateurs à entrée inconnue. L'objectif est de rendre le résidu insensible aux entrées inconnues pour une détection de défaut plus fiable. Cette section détaille des méthodes spécifiques pour la détection et la localisation de défauts, en soulignant les avancées et les défis liés à la robustesse des algorithmes.

Cette section introduit l'approche d'estimation paramétrique pour la mise à jour des paramètres du système en temps réel, utile pour la reconfiguration du contrôleur et le diagnostic. Le diagnostic est effectué en comparant les paramètres estimés aux paramètres nominaux. Cependant, un inconvénient majeur est la nécessité d'un signal d'excitation pour l'estimation, ce qui peut poser problème pour les processus en régime permanent. Cette approche offre une alternative aux techniques précédentes, mais souligne la limitation liée à la nécessité d'un signal d’excitation. Le texte suggère que l'approche est utile mais limitée, ce qui ouvre des perspectives pour de futures recherches visant à pallier cet inconvénient.

Cette section aborde le diagnostic des systèmes contrôlés en réseau (SCR) comme un domaine multidisciplinaire, impliquant le réseau informatique, le traitement du signal, la robotique, etc. Elle rappelle les différentes contraintes de communication (bande passante limitée, perte de paquets, retard) et leur impact sur la performance des systèmes de diagnostic. L’objectif est de concevoir des algorithmes de diagnostic plus robustes. La présentation des méthodes est organisée selon la contrainte de communication considérée, allant d'une contrainte unique à des scénarios multi-contraintes. Cette approche systématique est fondamentale pour le développement de solutions de diagnostic adaptées aux réalités des systèmes embarqués et des réseaux de communication.

Cette partie explore les méthodes de diagnostic pour les systèmes à retard et à commutation, applicables aux SCR. Elle mentionne le découplage de l'entrée inconnue pour les systèmes à état retardé, la formulation H∞ pour minimiser l'erreur résidu-défaut dans les systèmes à retards variables, et l'optimisation à double objectif pour améliorer la sensibilité au défaut tout en réduisant l'impact des entrées inconnues et des erreurs de modélisation. Des observateurs adaptatifs pour les systèmes linéaires et non linéaires avec retards multiples sont également présentés, ainsi que des observateurs à apprentissage itératif. Ces techniques visent à améliorer la robustesse des algorithmes de diagnostic face aux retards, aux incertitudes et aux perturbations présents dans les systèmes contrôlés en réseau.

Ce chapitre traite de la détection et de la localisation de défauts multiples dans un contexte de contraintes de communication, notamment la contrainte d'accès au média où un réseau partagé limite le nombre de communications simultanées. La conception d'un module de détection et de localisation de défauts est abordée en conjonction avec une politique de communication qui définit l'accès des capteurs au média. La séquence de communication précise quels capteurs peuvent transmettre leurs mesures à chaque instant. Ceci conduit à une problématique de co-conception (co-design) hors ligne, c'est-à-dire la conception simultanée d'un filtre de détection-localisation et de la séquence d'ordonnancement des mesures. L'objectif est d'assurer l'isolabilité des défauts et de minimiser l'effet du bruit sur le résidu, en tenant compte de la contrainte d'accès au média et des pertes d'information. La robustesse du système de détection face aux contraintes est primordiale.

Plusieurs techniques d'ordonnancement sont présentées, classées selon leur horizon temporel. Une technique optimale à horizon fini, basée sur l'exploration intelligente de l'arbre de recherche des séquences de communication, est mentionnée, mais sa complexité élevée limite son utilisation à des horizons de temps courts. Pour les horizons infinis, deux techniques moins complexes sont proposées : l'ordonnancement périodique et l'ordonnancement stochastique. L'ordonnancement périodique génère une configuration de commutation périodique pour sélectionner un groupe de capteurs à chaque instant, optimisant les performances en régime permanent. L'ordonnancement stochastique, quant à lui, offre une robustesse accrue aux pertes de paquets, un point crucial dans les systèmes de communication incertains. Les performances de ces techniques sont analysées théoriquement et validées par simulation.

L'ordonnancement périodique est détaillé comme une stratégie pour les horizons de temps infinis, avec une configuration de commutation périodique (µp k+T = µp k). Ceci revient à choisir périodiquement un groupe de capteurs pour la transmission. L'objectif est d'optimiser les performances en régime permanent, notamment en minimisant l'erreur d'estimation de la covariance. L'équation de Riccati est réécrite pour prendre en compte l'ordonnancement périodique. Une comparaison avec un ordonnancement classique 'Round Robin' est proposée. Un ordonnancement sous-optimal à horizon fini et deux ordonnancements à horizon infini (périodique et stochastique) sont comparés pour illustrer les performances. Cette section fournit une approche pratique et une analyse concrète de la mise en œuvre de l'ordonnancement périodique.

Cette section étend le cadre stochastique pour gérer les pertes de paquets en plus de la contrainte d'accès au média. Les pertes de paquets sont modélisées par un processus de Bernoulli, où une variable aléatoire binaire indique si une mesure est correctement reçue. L'objectif est de rendre le système robuste face à des pertes de paquets aléatoires et consécutives qui peuvent dégrader les performances. L’utilisation d'une variable aléatoire binaire indépendante et identiquement distribuée (iid) permet de modéliser la probabilité de réception correcte de la mesure en provenance de chaque groupe de capteurs. Ce modèle stochastique permet de concevoir des algorithmes d'ordonnancement plus robustes et mieux adaptés à la réalité des systèmes de communication incertains. La robustesse du système face à des pertes de paquets consécutives est essentielle.

Cette section introduit le mécanisme déclenché par événement (ETM) comme une technique permettant d'optimiser la bande passante du réseau. L'ETM autorise la transmission de mesures uniquement si une condition de déclenchement est vérifiée. Les mesures sont traitées et les conditions de déclenchement sont vérifiées à des instants discrets. Pour chaque capteur, une condition de déclenchement est définie. L'efficacité de cette méthode pour l'amélioration de la bande passante est mise en avant. Bien que l'ETM améliore l'efficacité, le texte prévient qu'après un changement brutal, il peut devenir insensible aux petites variations de la sortie du système, conduisant potentiellement à de fausses alarmes. Ceci introduit une limitation qui sera adressée par les approches ultérieures.

Cette partie présente une nouvelle méthode basée sur l'adaptation du mécanisme de déclenchement par événement pour la détection de défauts. L'idée est inspirée des stratégies auto-déclenchées utilisées en commande, où le prochain instant d'échantillonnage est calculé en utilisant la dernière mesure d'état et le modèle du système. Dans ce contexte, le mécanisme de déclenchement par événement est mis à jour en fonction de son degré de couverture par rapport à un ensemble de valeurs sûres pour le fonctionnement sain du système. Une approche ensembliste est utilisée, avec des approximations appropriées, pour quantifier ce degré de couverture. L'incorporation d'un mécanisme auto-déclenché permet une adaptation dynamique de la fréquence de transmission des mesures selon l'état du système et permet d’améliorer la détection des défauts. L'intégration du mécanisme auto-déclenché dans l'ETM vise à améliorer la sensibilité du système de détection et à réduire les fausses alarmes.