Synthèse Compositionnelle et Efficace de Contrôleurs pour les Systèmes Cyber-Physiques

Compositional and Efficient Controller Synthesis for Cyber-Physical Systems

• Auteur / Autrice : Adnane Saoud
• Direction : Antoine Girard, Laurent Fribourg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 07/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Sorin Olaru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Girard, Laurent Fribourg, Sorin Olaru, Nacim Ramdani, Murat Arcak, Sophie Tarbouriech, Necmiye Ozay, Jana Tumova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nacim Ramdani, Murat Arcak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande numérique

Mots clés libres

Systèmes cyber-physiques

Contrat d’assume-guarantee

Contrôle symbolique

Abstraction compositionnelle

Synthèse compositionelle de contrôleurs

Cyber-physical systems

Assume-guarantee contracts

Symbolic control

Compositional abstraction

Compositional controller synthesis

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d'approches compositionnelles et efficaces de synthèse de contrôleurs pour les systèmes cyber-physiques (CPS). En effet, alors que les techniques de conception des CPS basées sur des modèles ont fait l'objet de nombreuses études au cours de la dernière décennie, leur scalabilité reste problématique. Dans cette thèse, nous contribuons à rendre de telles approches plus évolutives.La première partie est axée sur les approches compositionnelles. Un cadre général pour le raisonnement compositionnel en utilisant des contrats d’hypothèse-garantie est proposé. Ce cadre est ensuite combiné avec des techniques de contrôle symbolique et appliqué à un problème de synthèse de contrôleur pour des systèmes échantillonnés, distribués et multipériodiques, où l'approche symbolique est utilisé pour synthétiser un contrôleur imposant un contrat donné. Ensuite, une nouvelle approche de calcul compositionnel des abstractions symboliques est proposée, basée sur la notion de composition approchée et permettant de traiter des abstractions hétérogènes.La deuxième partie de la thèse porte sur des techniques efficaces d'abstraction et de synthèse de contrôleurs. Deux nouvelles techniques de calcul d’abstractions sont proposées pour les systèmes à commutation incrémentalement stables. La première approche est basée sur l'échantillonnage multi-niveaux où nous avons établi l'existence d'un paramètre optimal d'échantillonnage qui aboutit à un modèle symbolique avec un nombre minimal de transitions. La deuxième approche est basée sur un échantillonnage événementiel, où la durée des transitions dans le modèle symbolique est déterminée par un mécanisme déclencheur, ce qui permet de réduire le conservatisme par rapport au cas périodique. La combinaison avec des techniques de synthèse de contrôleurs paresseux est proposée permettant la synthèse à un coût de calcul réduit. Enfin, une nouvelle approche de synthèse paresseuse a été développée pour les systèmes de transition monotones et les spécifications de sécurité dirigées. Plusieurs études de cas sont considérées dans cette thèse, telles que la régulation de la température dans les bâtiments, le contrôle des convertisseurs de puissance, le pilotage des véhicules et le contrôle de la tension dans les micro-réseaux DC.

This thesis focus on the development of compositional and efficient controller synthesis approaches for cyber-physical systems (CPS). Indeed, while model-based techniques for CPS design have been the subject of a large amount of research in the last decade, scalability of these techniques remains an issue. In his thesis, we contribute to make such approaches more scalable.The focus of the first part is on compositional approaches. A general framework for compositional reasoning using assume-guarantee contracts is proposed. This framework is then combined with symbolic control techniques and applied to a controller synthesis problem for multiperiodic distributed sampled-data systems, where symbolic approaches have been used to synthesize controllers enforcing a given assume-guarantee contract. Then, a new approach to the compositional computation of symbolic abstractions is proposed based on the notion of approximate composition, allowing to deal with heterogeneous abstractions and arbitrary interconnections.The second part is about efficient abstraction and controller synthesis techniques. Two new abstractions schemes have been developed for incrementally stable switched systems. The first approach is based on multirate sampling where we established the existence of an optimal multirate sampling parameter that results in a symbolic model with a minimal number of transitions. The second approach is based on event-based sampling, where the duration of transitions in the symbolic model is determined by some triggering mechanism, which makes it possible to reduce the conservatism with respect to the periodic case. Combination with lazy controller synthesis techniques has been proposed allowing the synthesis at a reduced computational cost. Finally, a new lazy approach has been develop for monotone transition systems and directed safety specifications. Several case studies have been considered in this thesis such as temperature regulation in buildings, control of power converters, vehicle platooning and voltage control in DC micro-grids.