Integrated approach based on high level Petri nets to simulate and evaluate the 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 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