Evaluation analytique du temps de réponse des systèmes de commande en réseau en utilisant l’algèbre (max,+)

Networked automation systems response time evaluation using (Max,+) algebra

• Auteur / Autrice : Boussad Addad
• Direction : Jean-Jacques Lesage, Saïd Amari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique Électrotechnique Automatique
• Date : Soutenance le 01/07/2011
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Christian Fraboul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Komenda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Divoux, Jean-Louis Boimond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ethernet (système de réseau local)

Communication -- Analyse de réseau

Modèles mathématiques

Commande automatique

Mots clés libres

Systèmes de commande

Temps de réponse

Réseau de communication

Évaluation analytique

Algèbre (Max,+)

Graphe d’événements temporisés

Ressource partagée

Ethernet

Automation systems

Response time

Communication networks

Analytic evaluation

(max,+) Algebra

Timed Event Graphs

Shared resource

Ethernet

Résumé

Les systèmes de commande en réseau (SCR) sont de plus en plus répandus dans le milieu industriel. Ils procurent en effet de nombreux avantages en termes de coût, de flexibilité, de maintenance, etc. Cependant,l’introduction d’un réseau, qui par nature est composé de ressources partagées, impacte considérablement les performances temporelles des systèmes de commande. Un signal de commande par exemple n’arrive à destination qu’après un certain délai. Pour s’assurer que ce délai soit inférieur à un certain seuil de sécurité ou du respect d’autres contraintes temps réels de ces systèmes, une évaluation au préalable, avant la mise en service d’un SCR, s’avère donc nécessaire. Dans nos travaux de recherche, nous nous intéressons à la réactivité des SCR client/serveur et évaluons leur temps de réponse.Notre contribution dans ces travaux est d’adopter une approche analytique à base de l’algèbre (Max,+) et remédier aux problèmes des méthodes existantes comme l’explosion combinatoire de la vérification formelle ou de la non exhaustivité des approches par simulation. Après modélisation des SCR client/serveur à l’aide de Graphe d’Evénements Temporisés puis représentation de leurs dynamiques à l’aides d’équations (Max,+) linéaires, nous obtenons des formules de calcul direct du temps de réponse. Plus précisément, nous adoptons une analyse déterministe pour calculer les bornes, minimale et maximale, du temps de réponse puis une analyse stochastique pour calculer la fonction de sa distribution. De plus, nous prenons en compte dans nos travaux tous les délais élémentaires qui composent le temps de réponse, y compris les délais de bout-en-bout, dus à la traversée du seul réseau de communication. Ce dernier étant naturellement composé de ressources partagées, rendant l’utilisation des modèles (Max,+) classiques impossibles, nous introduisons une nouvelle approche de modélisation à base du formalisme (Max,+) mais prenant en compte le concept de conflit ou ressource partagée.L’exemple d’un réseau de type Ethernet est considéré pour évaluer ces délais de bout-en-bout. Par ailleurs, cette nouvelle méthode (Max,+) est assez générique et reste applicable à de nombreux systèmes impliquant des ressources partagées, au delà des seuls réseaux de communication. Enfin, pour vérifier la validité des résultats obtenus dans nos travaux, notamment la formule de la borne maximale du temps de réponse, une compagne de mesures expérimentales sont menées sur une plateforme dédiée. Différentes configurations et conditions de trafic dans un réseau Ethernet sont considérées.

Networked automation systems (NAS) are more and more used in industry, given the several advantages they provide like flexibility, low cost, ease of maintenance, etc. However, the use of a communication network in SCR means in essence sharing some resources and therefore strikingly impacts their time performances. For instance, a control signal does get to its destination (actuator) only after a non zero delay. So, to guarantee that such a delay is shorter than a given threshold or other time constraints well respected, an a priori evaluation is necessary before operating the SCR. In our research activities, we are interested in client/server SCR reactivity and the evaluation of their response time.Our contribution in this investigation is the introduction of a (Max,+) Algebra-based analytic approach to solve some problems, faced in the existing methods like state explosion of model checking or the non exhaustivity of simulation. So, after getting Timed Event Graphs based models of the SCR and their linear state (Max,+) representation, we obtain formulae that enables to calculate straightforwardly the SCR response times. More precisely, we obtain formulae of the bounds of response time by adopting a deterministic analysis and other formulae to calculate the probability density of response time by considering a stochastic analysis. Moreover, in our investigation we take into account every single elementary delay involved in the response time, including the end-to-end delays, due exclusively to crossing the communication network. This latter being however constituted of shared resources, making by the way the use of TEG and (Max,+) Algebra impossible, we introduce a novel approach to model the communication network. This approach brings to life a new class of Petri nets, called Conflicting Timed Event Graphs (CTEG), which enables us to solve the problem of the shared resources. We also manage to represent the CTEG dynamics using recurrent (Max,+) equations and therefore calculate the end to-end delays. An Ethernet-based network is studied as an example to apply this novel approach. Note by the way that the field of application of this approach borders largely communication networks and is quite possible when dealing with other systems.Finally, to validate the different results of our research activities and the related hypotheses, especially the maximal bound of response time formula, we carry out lots of experimental measurements on a lab facility. We compare the measures to the formula predictions and check their agreement under different conditions.