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The works described in this thesis deal with the integrity and availability of networked control systems information. The importance of this has been highlighted by the growing number of cyber-attacks. A finite memory observer is proposed as a tool to answer this problem. This tool provides an answer to the problems of packet loss on the network as well as to static and dynamic cyber-attacks using bias injection. Combined with a detection-decision-correction strategy, the reliability of system information during cyber-attacks is ensured. The uncertainties of the models of some systems are also taken into account in the development of the finite memory observer. More specifically, two categories of uncertainties are addressed (uncertain systems and correlated noise systems). All case studies are illustrated by numerical simulations confirming the qualities of this tool. Finally, we will apply this tool to teleoperated systems subjected to new types of attacks called “smart attacks”.; Les travaux décrits dans cette thèse concernent l’intégrité et la disponibilité des informations de systèmes commandés en réseau. L’importance de celles-ci a été mise en exergue face au nombre de plus en plus important de cyber-attaques. Nous proposons comme outil pour répondre à cette problématique un observateur à mémoire finie. Cet outil apporte une réponse aux problèmes de pertes de paquets sur le réseau ainsi qu’aux cyber-attaques statiques et dynamiques par injection de biais. Associé à une stratégie de détection-décision-correction, la fiabilité des informations de systèmes lors de cyber-attaques est assurée. Les incertitudes du modèle pour certains systèmes sont également prises en compte dans le développement de l’observateur à mémoire finie. Plus particulièrement, deux catégories d’incertitudes sont traitées (systèmes incertains et systèmes à bruits corrélés). Tous les cas d’études sont illustrés par des simulations numériques confirmant les qualités de cet outil. Enfin, nous appliquerons cet outil aux systèmes télé-opérés soumis à de nouveaux types d’attaques appelés attaques intelligentes".

The works described in this thesis deal with the integrity and availability of networked control systems information. The importance of this has been highlighted by the growing number of cyber-attacks. A finite memory observer is proposed as a tool to answer this problem. This tool provides an answer to the problems of packet loss on the network as well as to static and dynamic cyber-attacks using bias injection. Combined with a detection-decision-correction strategy, the reliability of system information during cyber-attacks is ensured. The uncertainties of the models of some systems are also taken into account in the development of the finite memory observer. More specifically, two categories of uncertainties are addressed (uncertain systems and correlated noise systems). All case studies are illustrated by numerical simulations confirming the qualities of this tool. Finally, we will apply this tool to teleoperated systems subjected to new types of attacks called “smart attacks”., Les travaux décrits dans cette thèse concernent l’intégrité et la disponibilité des informations de systèmes commandés en réseau. L’importance de celles-ci a été mise en exergue face au nombre de plus en plus important de cyber-attaques. Nous proposons comme outil pour répondre à cette problématique un observateur à mémoire finie. Cet outil apporte une réponse aux problèmes de pertes de paquets sur le réseau ainsi qu’aux cyber-attaques statiques et dynamiques par injection de biais. Associé à une stratégie de détection-décision-correction, la fiabilité des informations de systèmes lors de cyber-attaques est assurée. Les incertitudes du modèle pour certains systèmes sont également prises en compte dans le développement de l’observateur à mémoire finie. Plus particulièrement, deux catégories d’incertitudes sont traitées (systèmes incertains et systèmes à bruits corrélés). Tous les cas d’études sont illustrés par des simulations numériques confirmant les qualités de cet outil. Enfin, nous appliquerons cet outil aux systèmes télé-opérés soumis à de nouveaux types d’attaques appelés attaques intelligentes".

The works developed in this thesis deal with 'fault diagnosis and sensor scheduling co-design' in networked control system. This multidisciplinary subject requires theoretical knowledge in both fault diagnosis and communication networks. Our contribution consists in developing a co-design approach that integrates in the same framework the characteristics of fault diagnosis performance and real time sensor scheduling. The main benefit of this approach is minimizing the required network resources for attending acceptable fault diagnosis performances. We are interested in the development of more efficient and more adapted for real time implementation fault diagnosis algorithms while taking into account different types of communication constraints. In conjunction with these algorithms, two sets of sensor scheduling techniques are used : i) Off-line scheduling, ii) On-line scheduling (event triggered sampling). For off-line scheduling, the communication sequences are designed before the implementation of the diagnostic algorithm. In this context, we proposed several techniques for scheduling with different spatial and temporal complexity and adapted to different operating condition for the detection and the isolation of faults based on the information provided by the selected communication sequences. Moreover, we deal also with on-line scheduling techniques based on the event triggered sampling developed during the last decade. In This approach measurement packets are transmitted if and only if the transmission condition (event) is verified. This saves resources provided by the network while maintaining acceptable performance of fault diagnosis. The objective of these algorithms is to minimize the number of transmitted informations which means less energy consumption., Les travaux développés dans cette thèse portent sur la "co-conception diagnostic / ordonnancement des mesures dans un système contrôlé en réseau" qui est un sujet multidisciplinaire nécessitant des compétences en théorie du contrôle et en théorie des réseaux. La thèse a pour but de développer, dans le contexte des systèmes contrôlés en réseau, une approche de co-conception qui intègre de façon coordonnée les caractéristiques qui expriment la performance du diagnostic des défauts et les paramètres de l'ordonnancement temps-réel des messages. L'intérêt de cette approche coordonnée réside essentiellement dans la minimisation des ressources nécessaires pour atteindre la performance du diagnostic requise, minimisation qui prend tout son sens dans le contexte des systèmes embarqués. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'étude des problèmes liés à l'élaboration d'algorithmes de diagnostic efficaces et adaptés aux caractéristiques de l'application de façon tout en prenant en compte différents types de contraintes liées au réseau. En conjonction avec ces algorithmes, deux ensembles de techniques d'ordonnancement des mesures ont été développés : i) ordonnancement hors ligne, ii) ordonnancement évènementiel en ligne. Pour l'ordonnancement hors ligne, les séquences de communication sont conçues en amont, préalablement à la mise en oeuvre de l'algorithme de diagnostic (implémentation). D'autre part, nous proposons aussi des techniques d'ordonnancement en ligne basées sur l'échantillonnage évènementiel développé au cours de la dernière décennie. Au contraire de la plupart des recherches en automatique classique, considérant que l'échantillonnage des signaux continus est réalisé d'une manière périodique, les mesures dans cette approche sont transmises si et seulement si la condition de transmission (évènement) est vérifiée. Ceci permet d'économiser les ressources fournies par le réseau tout en gardant une performance du diagnostic acceptable. L'objectif de ces algorithmes est de minimiser le nombre de transmission d'informations ce qui signifie moins de consommation d'énergie.

The works developed in this thesis deal with 'fault diagnosis and sensor scheduling co-design' in networked control system. This multidisciplinary subject requires theoretical knowledge in both fault diagnosis and communication networks. Our contribution consists in developing a co-design approach that integrates in the same framework the characteristics of fault diagnosis performance and real time sensor scheduling. The main benefit of this approach is minimizing the required network resources for attending acceptable fault diagnosis performances. We are interested in the development of more efficient and more adapted for real time implementation fault diagnosis algorithms while taking into account different types of communication constraints. In conjunction with these algorithms, two sets of sensor scheduling techniques are used : - Off-line scheduling - On-line scheduling (event triggered sampling) For off-line scheduling, the communication sequences are designed before the implementation of the diagnostic algorithm. In this context, we proposed several techniques for scheduling with different spatial and temporal complexity and adapted to different operating condition for the detection and the isolation of faults based on the information provided by the selected communication sequences. Moreover, we deal also with on-line scheduling techniques based on the event triggered sampling developed during the last decade. In This approach measurement packets are transmitted if and only if the transmission condition (event) is verified. This saves resources provided by the network while maintaining acceptable performance of fault diagnosis. The objective of these algorithms is to minimize the number of transmitted information which means less energy consumption and has a major importance in wireless networked control systems; Les travaux développés dans cette thèse portent sur la "co-conception diagnostic / ordonnancement des mesures dans un système contrôlé en réseau" qui est un sujet multidisciplinaire nécessitant des compétences en théorie du contrôle et en théorie des réseaux. La thèse a pour but de développer, dans le contexte des systèmes contrôlés en réseau, une approche de co-conception qui intègre de façon coordonnée les caractéristiques qui expriment la performance du diagnostic des défauts et les paramètres de l'ordonnancement temps-réel des messages. L'intérêt de cette approche coordonnée réside essentiellement dans la minimisation des ressources nécessaires pour atteindre la performance du diagnostic requise, minimisation qui prend tout son sens dans le contexte des systèmes embarqués. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'étude des problèmes liés à l'élaboration d'algorithmes de diagnostic efficaces et adaptés aux caractéristiques de l'application de façon tout en prenant en compte différents types de contraintes liées au réseau. En conjonction avec ces algorithmes, deux ensembles de techniques d'ordonnancement des mesures ont été développés : - ordonnancement hors ligne - ordonnancement évènementiel en ligne Pour l'ordonnancement hors ligne, les séquences de communication sont conçues en amont, préalablement à la mise en oeuvre de l'algorithme de diagnostic (implémentation). D'autre part, nous proposons aussi des techniques d'ordonnancement en ligne basées sur l'échantillonnage évènementiel développé au cours de la dernière décennie. Au contraire de la plupart des recherches en automatique classique, considérant que l'échantillonnage des signaux continus est réalisé d'une manière périodique, les mesures dans cette approche sont transmises si et seulement si la condition de transmission (évènement) est vérifiée

In this thesis, we study wireless networked control systems (WNCS) which use the IEEE 802.15.4 technology. The first objective is to study the pertinence of the use of the IEEE 802.15.4 for the WNCS, then to propose and evaluate QoS management mechanisms which guarantee the Quality of Service (QoS) offered by network to the controlled system. We analyse the use of the guaranteed temporel slots (GTS) for WNCS and in which conditions it is possible. We propose QoS management mechanisms with priority for both the beacon enabled mode and the non-beacon enabled mode of the IEEE 802.15.4 protocol. These proposals are validated through simulations and partially with analytical approach. The second objective is to design the WNCS so that the QoS offered by the network is adated online depending on the Quality of Control (QoC) on the controlled system. We propose QoS online adaptation protocols which take as parameter the QoC of the system. These protocols are validated through simulations and a realistic implementation of them is proposed.; Le cadre de cette thèse est l'étude des systèmes contrôlés en réseau sans fil (SCRSF) qui utilise la technologie IEEE 802.15.4. Le premier objectif est d'étudier la pertinance de l'utilisation du réseau de type IEEE 802.15.4 pour les SCRSF puis de proposer et d'évaluer des mécanismes pour garantir la Qualité de Service (QdS) offerte par le réseau au système contrôlé. Nous analysons l'utilisation des slots temporels réservés (GTS) dans le cadre des SCRSF et les contraintes qui en découlent. De plus, nous proposons des mécanismes de gestion de la QdS avec priorité aussi bien pour le mode avec balise que pour le mode sans balise du protocole IEEE 802.15.4. Ces propositions ont été validées par des simulations et une partie de manière analytique. Notre deuxième objectif est de concevoir, d'une manière conjointe, les SCRSF pour pouvoir régler en ligne la QdS offerte par le réseau en fonction de la Qualité de Contrôle (QdC) du système contrôlé. Nous proposons des protocoles d'adaptation en ligne de la QdS du réseau qui prennent en compte la QdC du système contrôlé. Ces protocoles ont été validés par simulations et une implémentation réelle de chacun d'eux est proposée.

In this thesis, we study wireless networked control systems (WNCS) which use the IEEE 802.15.4 technology. The first objective is to study the pertinence of the use of the IEEE 802.15.4 for the WNCS, then to propose and evaluate QoS management mechanisms which guarantee the Quality of Service (QoS) offered by network to the controlled system. We analyse the use of the guaranteed temporel slots (GTS) for WNCS and in which conditions it is possible. We propose QoS management mechanisms with priority for both the beacon enabled mode and the non-beacon enabled mode of the IEEE 802.15.4 protocol. These proposals are validated through simulations and partially with analytical approach. The second objective is to design the WNCS so that the QoS offered by the network is adated online depending on the Quality of Control (QoC) on the controlled system. We propose QoS online adaptation protocols which take as parameter the QoC of the system. These protocols are validated through simulations and a realistic implementation of them is proposed.; Le cadre de cette thèse est l'étude des systèmes contrôlés en réseau sans fil (SCRSF) qui utilise la technologie IEEE 802.15.4. Le premier objectif est d'étudier la pertinance de l'utilisation du réseau de type IEEE 802.15.4 pour les SCRSF puis de proposer et d'évaluer des mécanismes pour garantir la Qualité de Service (QdS) offerte par le réseau au système contrôlé. Nous analysons l'utilisation des slots temporels réservés (GTS) dans le cadre des SCRSF et les contraintes qui en découlent. De plus, nous proposons des mécanismes de gestion de la QdS avec priorité aussi bien pour le mode avec balise que pour le mode sans balise du protocole IEEE 802.15.4. Ces propositions ont été validées par des simulations et une partie de manière analytique. Notre deuxième objectif est de concevoir, d'une manière conjointe, les SCRSF pour pouvoir régler en ligne la QdS offerte par le réseau en fonction de la Qualité de Contrôle (QdC) du système contrôlé. Nous proposons des protocoles d'adaptation en ligne de la QdS du réseau qui prennent en compte la QdC du système contrôlé. Ces protocoles ont été validés par simulations et une implémentation réelle de chacun d'eux est proposée.

In this thesis we investigate the problem of remote stabilization via communication networks involving some time-varying delays of known dynamics. This problem arises when the control law is remotely implemented and leads to the problem of stabilizing an open-loop unstable system with time-varying delay. We use a time-varying horizon predictor to design a stabilizing control law that sets the poles of the closed-loop system. The computation of the horizon of the predictor is detailed to establish a control law which explicitly uses the delay dynamics and is robust with respect to some uncertainties on the delay model. Thanks to this robustness analysis, we also consider the non-deterministic behaviour of the networks. We finally develop an observer-based control for the case when only the delayed system output is measurable and solve the trajectory tracking problem in this framework. Simulation and experimental results are also presented., Nous étudions dans cette thèse le problème de stabilisation de systèmes physiques par l'intermédiaire d'un réseau de communication induisant des retards de dynamique connue. Ce problème apparaît lorsque la loi de commande est mise en ouvre à distance et conduit au problème de la stabilisation d'un système instable en boucle ouverte avec un retard variant dans le temps. Nous utilisons un prédicteur d'état à horizon variable afin d'établir une loi de commande stabilisante qui place les pôles du système en boucle fermée. Le calcul de l'horizon de prédiction est détaillé afin d'établir un contrôleur qui utilise de manière explicite les dynamiques du retard et est robuste vis-à-vis d'erreurs d'estimation induites par le modèle de réseau utilisé.Cette analyse de robustesse permet de prendre en compte les caractéristiques non déterministes du réseau. Nous proposons finalement une loi de commande basée sur un observateur pour le cas où seule la sortie est mesurable et considérons aussi lecas de poursuite de trajectoire. Des simulations et résultats expérimentaux sont proposés.

In this thesis we investigate the problem of remote stabilization via communication networks involving some time-varying delays of known dynamics. This problem arises when the control law is remotely implemented and leads to the problem of stabilizing an open-loop unstable system with time-varying delay. We use a time-varying horizon predictor to design a stabilizing control law that sets the poles of the closed-loop system. The computation of the horizon of the predictor is detailed to establish a control law which explicitly uses the delay dynamics and is robust with respect to some uncertainties on the delay model. Thanks to this robustness analysis, we also consider the non-deterministic behaviour of the networks. We finally develop an observer-based control for the case when only the delayed system output is measurable and solve the trajectory tracking problem in this framework. Simulation and experimental results are also presented.; Nous étudions dans cette thèse le problème de stabilisation de systèmes physiques par l'intermédiaire d'un réseau de communication induisant des retards de dynamique connue. Ce problème apparaît lorsque la loi de commande est mise en ouvre à distance et conduit au problème de la stabilisation d'un système instable en boucle ouverte avec un retard variant dans le temps. Nous utilisons un prédicteur d'état à horizon variable afin d'établir une loi de commande stabilisante qui place les pôles du système en boucle fermée. Le calcul de l'horizon de prédiction est détaillé afin d'établir un contrôleur qui utilise de manière explicite les dynamiques du retard et est robuste vis-à-vis d'erreurs d'estimation induites par le modèle de réseau utilisé.Cette analyse de robustesse permet de prendre en compte les caractéristiques non déterministes du réseau. Nous proposons finalement une loi de commande basée sur un observateur pour le cas où seule la sortie est mesurable et considérons aussi lecas de poursuite de trajectoire. Des simulations et résultats expérimentaux sont proposés.