Synthesis of correct-by-design schedulers for hybrid systems

par Romain Soulat

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Laurent Fribourg.

Le jury était composé de Etienne André, Antoine Girard, Luc Jaulin.

Les rapporteurs étaient Franck Cassez, Éric Goubault.

  • Titre traduit

    Synthèse d'ordonnanceurs corrects par conception pour les systèmes hybrides


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons au calcul d'ordonnanceurs pour les systèmes hybrides. En fait, nous considérons deux sous-classes des systèmes hybrides, les systèmes temps-réels où des tâches doivent se partager l'accès à une ressource commune, et les systèmes à commutations où un choix doit être fait sur les dynamiques à choisir en fonction d'objectifs à atteindre. Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d'ordonnancement et prenons comme étude de cas l'ordonnancement de tâches périodiques sur des architectures multiprocesseurs. Nous nous intéressons plus particulièrement à déterminer si l'on peut modifier certaines valeur des paramètres du système tout en respectant les contraintes temporelles sans changer d'ordonnanceur. La méthode inverse permet de prouver de manière formelle la robustesse des systèmes temporisés paramétriques. Nous introduisons une méthode de réduction du nombre d'états nécessaire à la vérification. Cette réduction nous permet de traîter des études de cas intéressantes telle que celle proposée par Astrium EADS pour le lanceur Ariane 6. Nous montrons également comment la Cartographie Comportementale, une extension de la méthode inverse, permet de trouver la zone de l'espace des paramètres où l'on a l'existence d'un ordonnancement satisfaisant les contraintes temporelles. Nous comparons cette approche avec une méthode analytique pour montrer l'intérêt de notre approche. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons au contrôle de systèmes affines à commutation. Ces systèmes sont gouvernés par une famille d'équations différentielles linéaires et le contrôleur peut choisir laquelle va gouverner le système pendant le prochain pas de temps. Dans ce cadre, le contrôle peut être vu comme l'ordonnancement des dynamiques que le système va prendre. Le choix de la dynamique peut se faire pour des objectifs de stabilité ou d'accessibilité. Nous proposons une nouvelle méthode qui calcule un contrôleur dont la stratégie est la même pour des ensembles denses de points. Notre méthode utilise le calcul en avant, souvent préférable au calcul à rebours pour les systèmes contractants. Nous montrons que, sous certaines conditions, le système contrôlé évolue vers un comportement limite. Nous appliquons notre méthode sur plusieurs études de cas issues de la littérature ainsi qu'un exemple réel, un prototype de convertisseur de tension multiniveaux. Enfin, nous montrons que notre méthode s'étend aux systèmes comportant des perturbations ainsi qu'aux systèmes non linéaires.


  • Résumé

    In this thesis, we are interested in designing schedulers for hybrid systems. We consider two specific subclasses of hybrid systems, real-time systems where tasks are competing for the access to common resources, and sampled switched systems where a choice has to be made on dynamics of the system to reach goals. Scheduling consists in defining the order in which the tasks will be run on the processors in order to complete all the tasks before a given deadline. In the first part of this thesis, we are interested in the scheduling of periodic tasks on multiprocessor architectures. We are especially interested in the robustness of schedulers, i.e., to prove that some values of the system parameters can be modified, and until what value they can be extended while preserving the scheduling order and meeting the deadlines. The Inverse Method can be used to prove the robustness of parametric timed systems. In this thesis, we introduce a state space reduction technique which allows us to treat challenging case studies such as one provided by Astrium EADS for the launcher Ariane 6. We also present how an extension of the Inverse Method, the Behavioral Cartography, can solve the problem of schedulability, i.e., finding the area in the parametric space in which there exists a scheduler that satisfies all the deadlines. We compare this approach to an analytic method to illustrate the interest of our approach In the second part of this thesis, we are interested in the control of affine switched systems. These systems are governed by a finite family of affine differential equations. At each time step, a controller can choose which dynamics will govern the system for the next time step. Controlling in this sense can be seen as a scheduling on the order of dynamics the system will have to use. The objective for the controller can be to make the system stay in a given area of the state space (stability) or to reach a given region of the state space (reachability). In this thesis, we propose a novel approach that computes a scheduler where the strategy is uniform for dense subsets of the state space. Moreover, our approach only uses forward computation, which is better suited than backward computation for contractive systems. We show that our designed controllers, systems evolve to a limit cyclic behavior. We apply our method to several case studies from the literature and on a real-life prototype of a multilevel voltage converter. Moreover, we show that our approach can be extended to systems with perturbations and non-linear dynamics.


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