Synthèse et filtrage robuste de la commande pour des système manufacturiers sûrs de fonctionnement - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Synthesis and robust filtering of control for dependable manufacturing systems

Synthèse et filtrage robuste de la commande pour des système manufacturiers sûrs de fonctionnement

Résumé

The regional council of Champagne-Ardenne has a particular interest for the professional higher education in science and technology. In this context, it was proposed to allow the use of automated production systems (APS) by learners. The work presented in this thesis, focuses on the control design by automatic control engineers who can have different levels of competence, ranging from novice to expert. The use of real plant, especially remotely through the web, can involve control design errors. This raises two original problems; the validation and verification of the control, and the requirement to take into the designer. These problems, which are also found in industry, require an approach taking into account the human part (expert - trainer, designer - learner) from the Human-Machine System. The contributions developed in this thesis focuse on adapting the system to designer knowledge and on the system safety. On the first point, it highlights the educational importance to work on the global system rather than a part. A methodological approach is proposed. It is based on the functional decomposition of the plant to adapt the specifications to the designer. This approach helps maintain the global vision of the manufacturing system. On the second point, two approaches are envisaged to ensure the plant safety. The first, offline, is based on previous work performed by the team "Discrete Event System and Supervision from CReSTIC", in the field of Wonham and Ramadge synthesis. Supervisory control allows to obtain a sure, robust and without deadlock controller. This approach has been adapted to ensure that the plant models and specifications are fair, and that the proposed controller respects the maximum permissible behaviour of the system. The second approach, online, uses a filter. This approach allows sending to the plant only validated Programmable Logic Controller (PLC) outputs. The main difficulties of designing the filter lie firstly in its specifications and implementation, and secondly in its explanatory capabilities for the designer. A filter structure with two levels is proposed. The first one called "system validation filter", assuring the plant safety, is based on logical constraints. The second one called "functional validation filter" enables to verify if specifications are conformed. This filter has not been developed in this thesis. An error in the definition of security specifications leads to a wrong validation of the control and can put the system in a dangerous mode. The proposed approach to ensure that the constraints are properly defined is to formally verify, before the implementation in the PLC, using the model-checker UPPAAL. The verification procedure determines the necessary and sufficient constraints set to avoid system deterioration situations (plant elements and parts), by considering the most possible permissive control. The system validation filter acts as a robust filter of PLC outputs. Two applications of control robust filter are presented and allow to show, on the one hand, a benefit of the concepts, methods and tools and on the other hand, the applicability. The first application deals with a real system of drugs packaging. The approach to secure the plant and to adapt the system to the designer is implemented. It has been tested and its interest has been shown through experiments conducted with novice and more experienced control engineers. The second application is based on a simulated automatic warehouse. The filter is used in this case, not to avoid plant elements and parts collisions, but to provide explanations. These examples also highlight the limits and the perspectives for this work.
Le Conseil Régional de Champagne-Ardenne porte un intérêt particulier aux formations supérieures professionnalisantes en sciences et techniques. Dans ce cadre, il a été proposé de permettre l'utilisation de Systèmes Automatisés de Production (SAP) par des apprenants. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception de la commande de systèmes manufacturiers par des automaticiens au niveau de compétence variable, pouvant aller du novice jusqu'à l'expert. L'utilisation de Parties Opératives (PO) réelles, en particulier de façon distante à travers le web, par des automaticiens, qui sont tous susceptibles de commettre des erreurs de conception, soulève des problèmes originaux à la fois théoriques de validation et de vérification de la commande mais aussi de prise en compte du concepteur. Ces problèmes, que l'on retrouve dans l'industrie, nécessitent une approche de l'automatisation prenant en compte la composante humaine (expert - formateur, concepteur - apprenant) du Système Homme-Machine. Les contributions développées dans cette thèse portent sur l'adaptation du système aux savoirs du concepteur et la sécurisation de l'installation. Concernant le premier point, il est mis en évidence l'importance pédagogique de travailler sur toute l'installation plutôt que sur une partie. Une approche méthodologique est proposée, et consiste à décomposer fonctionnellement la PO en vue de pouvoir adapter le cahier des charges au concepteur, tout en conservant la vision globale du système manufacturier. Concernant le second point, deux approches sont envisagées pour assurer la sécurité de la Partie Opérative. La première, hors ligne, repose sur des travaux antérieurs de l'équipe « SED et Supervision du CReSTIC » dans le domaine de la synthèse par Ramadge et Wonham pour l'obtention d'une commande sûre, robuste et sans blocage. Celle-ci a été adaptée pour assurer d'une part que les modèles de PO et de spécifications sont justes, et d'autre part que la commande proposée respecte le comportement maximum admissible par le système, compte tenu des spécifications du cahier des charges. La seconde approche, en ligne, utilise un filtre, qui consiste à n'envoyer vers la PO que des commandes validées. La principale difficulté de ce type d'approche réside dans les spécifications du filtre, et dans son implémentation. Une structure de filtre à 2 niveaux, ayant des capacités explicatives pour le concepteur, est proposée. Le premier appelé « filtre de validation système » permet de sécuriser la PO et repose sur la spécification de contraintes logiques. Le second appelé « filtre de validation fonctionnel » permet de vérifier le respect du cahier des charges et n'a pas été développé dans cette thèse. Une erreur au niveau de la définition des spécifications de sécurité entraîne une validation de la commande erronée et met ainsi le système en danger. L'approche proposée pour s'assurer que les contraintes sont correctement définies, consiste à vérifier formellement, avant l'implémentation dans l'Automate Programmable Industriel (API), au moyen du model-checker UPPAAL, qu'elles sont nécessaires et suffisantes pour éviter toutes situations de détérioration de l'installation (éléments de PO et produit), et cela en considérant la commande la plus permissive possible. Le filtre de validation système revient à garantir un filtrage « robuste » sécuritaire des commandes. Deux applications du filtre « robuste » de commande sont présentées et permettent de montrer d'une part l'intérêt des concepts, méthodes et outils proposés et d'autre part leur applicabilité. La première concerne un système réel de conditionnement de médicaments. L'approche de sécurisation de la PO et d'adaptation au concepteur est mise en ?uvre. Celle-ci a été testée et son intérêt montré au moyen d'expérimentations menées avec des automaticiens novices et plus expérimentés. La seconde application concerne une simulation de magasin automatisé. Le filtre est utilisé dans ce cas, non pas pour éviter les détériorations, mais pour apporter des explications. Ces exemples mettent aussi en évidence les limites et les perspectives de ces travaux.
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Dates et versions

tel-00353654 , version 1 (16-01-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00353654 , version 1

Citer

Pascale Marangé. Synthèse et filtrage robuste de la commande pour des système manufacturiers sûrs de fonctionnement. Automatique / Robotique. Université de Reims - Champagne Ardenne, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00353654⟩
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