Les systèmes contrôlés en réseau

Les SCRs peuvent se décomposer en trois parties (figure 1) : le contrôleur, le réseau et le procédé. Les échanges de données entre le contrôleur et le procédé se font en connectant les capteurs et les actionneurs sur le réseau. Le cheminement pour contrôler le système est donc le suivant : le contrôleur digital lit les valeurs de mesures de sortie du système, les compare aux valeurs désirées, et calcule l’entrée de commande à chaque intervalle de temps suivant la loi de commande choisie. La commande est encapsulée dans une trame puis elle est envoyée vers l’actionneur à travers un réseau de communication. L’actionneur récupère la trame puis en extrait la consigne. Celle-ci est maintenue constante durant chaque intervalle d’échantillonnage par un bloqueur d’ordre Zéro (BOZ) et est appliquée à l’entrée de commande du système commandé. Les informations d’état du système générées par les capteurs sont elles aussi encapsulées pour être transmises sur le réseau jusqu’au contrôleur.
Les retards dans les SCR ne sont donc pas dus uniquement au support de transmission mais correspondent à une somme de retards provenant des temps de conversion (A/D et D/A), des temps de traitement de la commande, des temps d’encapsulation/désencapsulation des messages, du temps d’acheminement des messages à travers le réseau et des temps de mesure et de réalisation de l’action. La contrainte pour pouvoir contrôler un procédé est que la somme de ces temps doit être inférieure à la période d’échantillonnage du système. Si certains temps sont facilement maîtrisables comme le temps de traitement de la commande, ou considérés comme négligeable, il est plus difficile d’estimer les retards induits par le réseau. Ces retards peuvent varier considérablement en fonction de l’évolution de la charge du réseau (problème de congestion) et même être infinis dans le cas d’une perte de trames.Il faut donc pour étudier les Systèmes Contrôlés en Réseau :
– Réévaluer les théories de la commande basées sur des hypothèses telles que la synchronisation de la commande et de la sortie observée, et la capacité de réaction nonretardée du système etc… – Prendre en compte le délai induit par le réseau (délais d’acheminent du message du capteur à la commande et de la commande à l’actionneur). Ce délai, qu’il soit constant ou variable peut dégrader les performances d’un SCR, voire même le rendre instable. – Prendre en compte aussi les pertes, la duplication des paquets que peut induire le réseau de communication.

Structures des systèmes contrôlés en réseau

Dans les Systèmes Contrôlés en Réseau, on distingue deux types de structure : la structure directe et la structure hiérarchique [Tipsuwan and Chow 2003] qui doivent être étudiées différemment.

Structure directe

La structure directe est composée d’une commande et d’un système distant contenant le système physique à commander, les capteurs et les actionneurs. La commande et le système commandé sont physiquement distants et sont reliés par un réseau de communication dans le but de réaliser une commande en boucle fermée telle qu’elle est illustrée dans la figure 2. Un des exemples classiques rencontrés souvent dans la littérature est le système de commande d’un moteur [Tipsuwan and Chow 2001] et les systèmes d’apprentissage à distance [Overstreet and Tzes 1999].

Structure hiérarchique

La structure hiérarchique est constituée d’une commande principale et d’un système en boucle fermée distant (figure 3). La commande principale calcule et envoie périodiquement le signal de référence dans une trame via un réseau au système distant. Ce système distant traite le signal de référence pour exécuter la boucle de commande locale et envoie les mesures du capteur à la commande principale du système de commande en réseau. La boucle de contrôle en réseau a en général une période d’échantillonnage plus grande que la boucle de commande locale puisque la commande distante est supposée satisfaire le signal de référence avant de traiter les nouveaux signaux de références. Similaire à la structure directe, la commande principale peut être configurée pour commander de multiples boucles de commande en réseau de différents systèmes distants.
Cette structure est utilisée dans beaucoup d’applications, principalement, dans les robots mobiles [Tipsuwan and Chow, 2002] et la télé-opération [Tarn and Xi, 1998]. L’utilisation de l’une de ces deux structures dépend de l’application et de sa conception. Par exemple commander un robot, ou un bras en robotique exige l’utilisation de beaucoup de moteurs qui doivent fonctionner ensemble et simultanément. Donc, il est plus approprié d’utiliser une commande principale du robot et de formuler le système contrôlé en réseau en utilisant une structure hiérarchique.
Par opposition, lorsque le système est plus simple ou lorsque les temps de réponse exigés par le contrôleur principal doivent être plus rapide tel qu’un système de commande d’un DC moteur en réseau, la structure directe est préférable. Dans le contexte de nos travaux de recherche, nous nous focaliserons sur la structure directe.

Les réseaux dans les systèmes contrôlés en réseau

On distingue en général deux types de réseaux [Lian et al. 2001] : les réseaux de données et les réseaux de contrôle. La différence entre ces deux réseaux réside dans le type d’information échangé. En effet, les réseaux de données sont caractérisés par des paquets de données de grande taille et sporadiques. En général, ces réseaux n’ont pas de contraintes temps réel dures à respecter. Quant aux réseaux de contrôle, ils traitent traditionnellement des paquets de petites tailles, qui sont envoyés fréquemment et ils doivent respecter des contraintes temps réel.
Les réseaux utilisés dans les SCRs sont souvent les réseaux de terrain tels que DeviceNet [Dev, 1997, Tindell et al. 95], ControlNet [Repère 1997] et FIP [Bergé 1996]…Ces réseaux ont une caractéristique commune, celle de satisfaire les contraintes temporelles des applications industrielles. Cependant, le coût, le manque d’interopérabilité et de flexibilité de ces équipements constituent une barrière réelle dans l’étude et le développement des systèmes industriels [Ji et Kim 05]. Pour pallier ces manques, le réseau Ethernet (norme 802.3 [IEEE 802.3]) est de plus en plus adopté. Cependant, le réseau Ethernet est basé sur une méthode d’accès au médium non déterministe, appelée CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection). Aussi les architectures Ethernet évoluent et sont passées d’une organisation en bus à une organisation en étoile en se basant sur la norme 802.1 D [IEEE 802.1 D] , plus connue sous le terme d’Ethernet commuté. L’Ethernet commuté associé au mode full-duplex (norme IEEE 802.1x) peut sous certaines contraintes assurer le déterminisme dans l’acheminement des messages [Ruping et al. 1999, Jasperneite and Neuman 2001, Rondeau et Divoux 2001, Lee et Lee 02, Ji et Kim 05] et peut donc être viable pour le transport d’information temps réel.