Étude des Systèmes. 1) Durée et compétences de la séquence CPGE

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1 CPGE Étude des Systèmes Elève Réussir le concours Physique, Technologie et Sciences de l'ingénieur - Sciences industrielles de l'ingénieur - Cours 1 et 2 : étude des systèmes 1) Durée et compétences de la séquence 3/2 5/2 Cette séquence a pour but de décrire les systèmes. Elle dure 9h hors soutien, composition DS et hors colles. Il y a 2h de cours, 2h de TD, 5h de TP, une correction de DS. La synthèse est incluse dans les TP, à la fin des exposés. Voici le descriptif des compétences C1, C2, C3, C4a et C59a à acquérir en fin de séquence. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 1/17

2 C4a : l étude comportementale sera vue au 2 e semestre. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 2/17

3 2) Définitions Un système est un ensemble d'éléments interagissant entre eux selon certains principes ou règles. Un système est déterminé par : La nature de ses éléments constitutifs ; Les interactions entre ces derniers ; Sa frontière (ou frontière d'étude ou frontière d'isolement), c'est-àdire le critère d'appartenance au système. Il détermine si une entité appartient au système ou fait au contraire partie de son environnement, appelé milieu extérieur. Un sous-système est un système participant à un système de rang supérieur. Un système peut être ouvert, fermé, ou isolé selon son degré d interaction avec son environnement. Un système complexe est un système constitué d'un grand nombre d'entités en interaction qui empêchent l'observateur de prévoir sa rétroaction, son comportement ou évolution par le calcul. Pour approcher sa connaissance, on utilise un modèle de connaissance approché. Une simulation du comportement du système permet alors de valider (ou pas) ce modèle et de l améliorer éventuellement. L'ingénierie des systèmes est une approche scientifique interdisciplinaire de formation récente, dont le but est de formaliser et d'appréhender la conception de systèmes complexes avec succès. Un système de système ou système intégré, rassemble dans un même système plusieurs fonctions variées, ou plusieurs domaines (économique, industriel,..), ou appartenant à des disciplines différentes comme les systèmes multi-physiques (mécanique, électronique appelé système mécatronique, ). La frontière d un système est un choix : il n est pas unique mais doit être bien définit et connu avant de définir les autres caractéristiques du système. Le Human Brain Project (en français «Projet du cerveau humain») est un projet scientifique européen de 1 milliard d euros qui vise d'ici environ 2024 à simuler le fonctionnement du cerveau humain grâce à un superordinateur. Un système technique est un système artificiel, permettant de répondre à : un (ou des) besoin ; une (ou des) fonction ; de répondre à des exigences ; de rendre un (ou plusieurs) service attendu (non défini dans ce cours) ; d apporter une valeur ajoutée. Nota : voir dans un objet technique un système est une démarche appartenant à la systémique. Une étude systémique accorde beaucoup d'importance aux relations, aux échanges entre les différents "composants" du système étudié, sans forcément se soucier du fonctionnement interne de chacun des composants. Le but est plus de voir le fonctionnement global de l'objet étudié que d'en connaître tous les détails. Un besoin est une nécessité ou un désir éprouvé par un utilisateur. On remarque que le notion de besoin disparaît si l on met l utilisateur à l intérieur de la frontière du système. Une fonction est l action d un produit exprimé uniquement en terme de but. Il s exprime à l aide d un verbe à l infinitif. Les exigences sont l'expression d'un besoin documenté sur ce qu'un système devrait faire (exigences fonctionnelles), être (exigences non fonctionnelles, ou de performance ou encore de qualité de service, par exemple les exigences techniques) et ses limites que l on appelle les contraintes. Les projets sont soumis à trois sortes d'exigences : Les exigences métier qui décrivent le quoi dans les termes du métier. Elles décrivent ce qui doit être fourni ou réalisé pour produire de la valeur. Les exigences produit qui décrivent le produit ou le système à un haut niveau. Elles répondent aux exigences métier et sont couramment formulées comme les fonctionnalités que le système doit réaliser. On les appelle également exigences fonctionnelles ou spécifications fonctionnelles. Les exigences de processus qui décrivent le comment. Ces exigences prescrivent les processus que l'on doit suivre et les contraintes auxquelles on doit se conformer pour la réalisation du système. Dans ce cas, on trouve par exemple des exigences de sécurité ou de management. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 3/17

4 Quelques types de fonctions : Besoin La fonction d usage C est l utilité du point de vue de l utilisateur. Elle satisfait un besoin. Exprimées indépendamment des moyens matériels mis en œuvre (Norme). Les fonctions de service (FS) Les fonctions d estime Appréciations favorables exprimées par l utilisateur, impacts psychologiques ou affectifs. La fonction globale ou de base Les fonctions principales (FP) Les fonctions contraintes ou contraintes (FC) Elles justifient la création du produit. Composantes de la fonction globale Elles limitent la liberté du concepteur. Représentent des solutions techniques pour assurer une fonction de service (ou une ou plusieurs parties d une FS). Peuvent être ignorées de l utilisateur. Les fonctions techniques (FT) On remarque que les exigences incluent les fonctions. Les définir pour un système complexe peut demander le travail de spécialistes qui recherches les qualités suivantes pour les exigences (et les fonctions) : elles doivent être nécessaires, non ambigües, concises, cohérentes, complètes, réalistes (réalisables dans les contraintes du projet), vérifiables. La valeur ajoutée (VA) est un jugement porté par rapport aux attentes et motivations de l utilisateur. C est aussi ce que l on apporte à la matière d œuvre du système. On la classe généralement dans trois catégories. La matière d'œuvre est l'élément sur lequel le système agit pour le faire passer d'un état initial (matière d'œuvre entrante MOE) à un état final (matière d'œuvre sortante MOS). La matière d œuvre est donc à l extérieur du système. Exemples de systèmes donnant de la valeur ajoutée à une matière d'œuvre : Valeur ajoutée VA Matière d'œuvre Constance dans le temps Déplacement dans l'espace Modification de forme, de nature Matière Réfrigérateur Grue Presse Energie Accumulateur Ligne électrique Centrale nucléaire Information Imprimerie Satellite Capteur Etre humain Pace-maker Voiture Haltères Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 4/17

5 L'analyse du cycle de vie (ACV) d un système fournit un moyen efficace et systémique pour évaluer les impacts environnementaux d'un produit, d'un service, d'une entreprise ou d'un procédé. Il est nécessaire de considérer tout le cycle de vie du système étudié : de la conception jusqu à la fin de vie afin et d inventorier à chaque phase ce qui rentre (énergie, matière) et ce qui sort (polluants, déchets). L ACV fait l objet de normes et des logiciels permettent d aider à l évaluation de l impact. L'écoconception est une approche qui prend en compte les impacts environnementaux dans la conception et le développement du produit et intègre les aspects environnementaux tout au long de son cycle de vie. On peut compléter la fonction principale d un système par des critères de performances. Ils apportent souvent l information la plus utile qui caractérise le système avec le maximum de valeurs chiffrées. ACV d un pneu Liste non exhaustive des critères de performances souvent rencontrés est proposée : plages d'entrées ou de sorties admissibles, consommation du système, précision d'une grandeur de sortie, stabilité du système, rapidité du système pour des modifications de grandeurs mécaniques, électriques, optiques, consigne, sonores... (puissance, masse, effort, tension, fiabilité du système à réaliser la tâche, intensité, décibel...), coût du système à l'achat initial, recyclabilité... 3) Les outils de description des systèmes Lors de l étude d un système, plusieurs points de vue et outils associés peuvent être choisis : point de vue fonctionnel : les fonctions réalisées par le système sont étudiées indépendamment des technologies employées ; point de vue structurel : la structure du système (= sa décomposition sous forme de composants simples) est étudiée ; point de vue comportemental : le comportement du système est étudié en fonction de différentes sollicitations extérieures ; point de vue géométrique : la géométrie du système est décrite sous forme de dessins 2D ou 3D (cf. cours de communication technique) Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 5/17

6 Nota : le point de vue peut aussi concerner les étapes du projet associé à la vie du système et les métiers associés (point de vue du client, du concepteur, de la fabrication, de la maintenance, ) mais aussi les domaines concernés (point de vue économique, industrielle, juridique, ). Le diagramme d'analyse du besoin ou "bête à cornes" permet de définir le besoin et l'existence du système à partir des réponses à trois questions : A qui le système rend-il service? Sur quoi (sur qui) le système agit-il? Pourquoi le système est-il réalisé? Il se traduit alors par la phrase générique suivante : Le système rend service au client en agissant sur la matière d'œuvre pour satisfaire son besoin. L actigramme (ou boîte fonctionnelle ou datagramme pour les données) est un outil d analyse fonctionnelle qui définit les matières d œuvre (à gauche les MOE et à droite les MOS), la valeur ajoutée et la fonction globale du système. Il peut présenter les données de contrôle (en haut) qui agissent sur le comportement du système (les énergies hors matière d œuvre, les configurations, les réglages ou les données d exploitation (les consignes de fonctionnement). L actigramme provient de méthode SADT (Structure Analysis and Design Technique = méthode de conception et d analyse structurée, USA fin 1970). Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 6/17

7 Le graphe des interactions (ou «pieuvre» ou graphe fonctionnel) permet de représenter les interactions avec le milieu extérieur : il permet donc de bien identifier la frontière du système. Elément extérieur 3 Elément extérieur 1 FP2 FP1 Système (produit, système automatisé) Elément extérieur 2 FC1 FC2 Elément extérieur n Interacteurs : Ils relient le système avec les éléments du milieu extérieur (2 au minimum), réels (par exemple l utilisateur) ou virtuels (par exemple son sens esthétique). FP : fonction principale FP1, FP2, FC : fonction contrainte C1, C2, Le Cahier des Charges Fonctionnel (CdCF) est un document par lequel un demandeur exprime son besoin en termes de fonctions de service. Il est nécessaire de préciser pour chaque fonction de service des critères d appréciation et les niveaux correspondants, caractérisant la manière dont une fonction doit être remplie. Les critères comprennent les caractéristiques de la fonction ainsi que celles des éléments du milieu extérieur concerné. Les niveaux apportent une précision quantitative des critères définis. On peut leur adjoindre une certaine flexibilité (± x %). Exemple partiel pour un baladeur MP3 : Repère Fonction de service Critère Niveau Flexibilité FP1 Capacité 1 Go à 2 Go F1 Convertir des données numériques en données sonores adaptées à Réponse en fréquence 20 à Hz F0 l'oreille de l'utilisateur Erreur Sans saut F0 FC1 Permettre de lire tout type de données Format MP3, WAV, AAC F0 FC2 Etre contrôlé par l'utilisateur Commandes standard Play, pause, avancer F0 Mode de lecture Shuffle, séquent., off F0 Hauteur 27,3 mm F1 Largeur 41,2 mm F1 FC3 Tenir dans la main de l'utilisateur Epaisseur totale 10,5 mm F1 Formes arrondies Rayons > 2 mm F1 Poids 15,6 g F2 Niveau sonore 0 à 60 db Maxi La démarche d'analyse permettant de passer du besoin exprimé par l'homme au cahier des charges fonctionnel, peut se résumer de la façon suivante : 1. Expression du besoin ; 2. Détermination des phases de vie ; 3. Identification des éléments du milieu extérieur pour chaque phase de vie ; 4. Expression des fonctions de service pour chaque phase de vie ; 5. Caractérisation des fonctions de services (critères + valeurs + flexibilité) ; 6. Rédaction du Cahier des Charges Fonctionnel. Le diagramme SADT (Structured Analysis for Design and Technic) est un outil de description du fonctionnement d un système complexe permettant d'identifier les flux à travers les fonctions du système. Il propose une analyse descendante par des actigrammes caractérisés par différents niveaux hiérarchiques. La fonction globale du système est exprimée sur le diagramme SADT de niveau A-0 (lire "A moins zéro"). Voir exemples dans le manuel. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 7/17

8 Le diagramme FAST (Function Analysis System Technic = Technique d Analyse Fonctionnelle Systématique) ou de décomposition fonctionnelle est un outil de description qui part des fonctions de service (FS) pour les décomposer en fonctions techniques (FT), aboutissant à des solutions constructives. Pour chacun des blocs, les questions "Pourquoi?", "Comment?" et "Quand?" permettent de donner une cohérence entre les blocs adjacents. Voir exemples dans le manuel. Certains outils de description structurelle ou géométrique seront vus dans d autres séquences (dessins, modèle volumique, schéma cinématique, schéma bloc) mais il convient de connaître les termes suivant : La partie commande (PC) d un système : elle traite les informations reçues (de l'opérateur via le pupitre ou de la partie opérative via des capteurs) et élabore des ordres pour la partie opérative ; La partie opérative (PO) : elle exécute les ordres de la partie commande et agit sur la matière d œuvre pour lui apporter la valeur ajoutée ; L interface homme/machine : il permet à l opérateur (l utilisateur du système) de dialoguer avec le système et plus précisément la partie commande. Le pupitre est l organe associé à l interface. La PO comprend : des actionneurs (moteurs, vérins,..) électriques, pneumatiques ou hydrauliques pour convertir l'énergie. des transmetteurs de puissance ou chaîne cinématique (réducteurs, variateurs, mécanismes visécrou...) pour adapter la puissance au mécanisme. des effecteurs pour opérer sur le produit (pince de robot). des préactionneurs qui transforment les ordres à basse énergie provenant de la PC en haute énergie pour les actionneurs de la PO (distributeurs, électrovannes, contacteurs...). des capteurs qui transforment une grandeur physique (force, vitesse, débit, intensité...) en signal logique ou analogique compréhensible par la PC. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 8/17

9 Pour aller plus loin dans l'analyse structurelle des systèmes automatisés, on peut découper un système par chaines fonctionnelles. Chaque chaîne réalise une fonction particulière, par exemple la traction ou le l'essuyage du pare-brise pour une voiture. On distingue la chaîne d énergie qui concerne la PO : elle transforme l'énergie disponible pour le système en valeur ajoutée pour la matière d'œuvre. Deux pré-actionneurs Effecteurs : une pince et une bande transporteuse La chaîne d'information maîtrise l'énergie envoyée à l'actionneur en envoyant des ordres au préactionneur. Elle élabore ces ordres à partir de grandeurs physiques mesurées sur la partie opérative du système et des consignes venues de l'extérieure. Elle traite ces données pour en déduire les ordres à donner. Elle restitue également des informations à l'opérateur ou vers d'autres systèmes. Finalement, on peut représenter une chaine fonctionnelle de la façon suivante : Certains outils de description comportementale seront vus dans d autres séquences ou dans le manuel (dynamique, cinématique, schéma bloc, Grafcet). Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 9/17

10 La description des comportements : - S attache à connaitre et comprendre les lois physiques liées aux composants et/ou sous systèmes, constituant ainsi un modèle de connaissance ; - S attache à définir les équations de ces lois mises en œuvre pour prédire un comportement du système ; - S attache à choisir l outil de simulation le mieux adapté pour simuler le comportement. La Description comportementale est donc une présentation détaillée des comportements des éléments structurants un système. Elle n a absolument pas pour but d analyser le système. 4) Le langage SysML Systems Modeling Language - SysML en abrégé - est un langage de modélisation spécifique au domaine de l'ingénierie système. Il permet la spécification, l'analyse, la conception, la vérification et la validation des systèmes. SysML est une extension d'un autre langage d'uml (Unified Modeling Language) utilisé en développement logiciel, et en conception orientée objet. SysML est un standard de l association américaine Object Management Group (OMG) à but non lucratif créée en 1989 dont l objectif est de standardiser et promouvoir le modèle objet sous toutes ses formes. La version 1.3 (8 juin 2012) actuelle s appelle OMG SysML. Ce langage permet de représenter un système selon tous les points de vue possible à l aide de 9 diagrammes, et également à l aide de logiciels qui pourront dans le futur s interfacer avec d autres outils existants (simulateur, DAO, ). Expliqué dans ce document + Diagramme de contexte ou sd Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 10/17

11 # Éléments graphiques Chaque diagramme SysML représente un élément particulier du modèle selon un certain point de vue : afin de le repérer, chaque diagramme comporte un «cartouche» présenté, positionné sur la partie supérieure gauche du cadre : Le type de diagramme, repéré par son identifiant (bdd, ibd, etc.), est obligatoirement indiqué dans ce cartouche. L ajout des autres éléments est optionnel selon la norme mais les logiciels dédiés à la modélisation par ce langage ajoutent par défaut le type d élément (bloc ou paquet par exemple) et proposent d indiquer le nom du modèle mis en place et le point de vue utilisé. Les diagrammes du langage SysML sont composés des mêmes types de formes géométriques : des rectangles à coins droits ou arrondis, des ellipses et des lignes. Selon les diagrammes, tout ou partie de ces formes géométriques seront utilisées. Les relations dans les diagrammes : Extend : le cas d'utilisation source est une extension possible du cas d'utilisation destination. Include : le cas d'utilisation source comprend obligatoirement le cas inclus. Derive : une ou plusieurs exigences sont dérivées d'une exigence. DeriveReqt : permet de relier une exigence d'un niveau général à une exigence d'un niveau plus spécialisée mais exprimant la même contrainte. Satisfy : un ou plusieurs éléments du modèle permettent de satisfaire une exigence. Verify : un ou plusieurs éléments du modèle permettent de vérifier et valider une exigence. Refine : un ou plusieurs éléments du modèle redéfinissent une exigence. On se limitera à un niveau de base en lecture simple des diagrammes avec parfois des diagrammes à compléter à partir d une description du système. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 11/17

12 # Le diagramme des exigences : requirement diagram (req) Il modélise les exigences devant être vérifiées par le système en liant les solutions mises en œuvre sur le système avec les besoins définis dans le cahier des charges. Ce diagramme traduit, par des fonctionnalités ou des contraintes, ce qui doit être satisfait par le système. De nombreux domaines peuvent être couverts, les plus classiques étant les exigences environnementales, économiques, fonctionnelles ou techniques. Les exigences (représentées par les rectangles) peuvent être reliées entre elles par des relations de contenance (ou inclusion), de raffinement («refine») ou de dérivation («derive» ou «derivereqt»). On peut mettre des exigences physiques («physicalrequirement»). On peut aussi placer des blocs du diagramme de définition de blocs (voir plus loin) qui lient les exigences avec les relations «verify», «satisfy». Exemple d un radio-réveil à projection : Obligatoire un identifiant unique et la description de l exigence. Conseillé Le risque est en cas de non respect de l exigence. Il existe aussi la méthode de vérification (verifymethod). Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 12/17

13 # Le diagramme des cas d utilisation : use case (uc) Il décrit les grandes fonctions sans savoir comment elles sont réalisées. Un cas d utilisation (représenté par une bulle ovale) est un service attendu du point de vue d un acteur. Il est exprimé par un verbe à l infinitif suivi d un complément. Un acteur est un rôle joué par un utilisateur humain (représenté par un stickman = bonhomme en bâtonnets) ou un acteur non humain (rectangle) par exemple un autre système qui interagit avec le système étudié. Les acteurs principaux se placent à gauche, les secondaires à droite. Relations standardisées Inclusion («include») : le cas d utilisation de base (début de la flèche) contient le comportement d un autre de façon obligatoire ; Extension («extend») : le cas d utilisation de base est une option qui augmente l autre. Héritage ou généralisation / spécialisation (flèche blanche) se lit "est un cas particulier". Possible aussi entre acteur. Autre exemple : Consulter le délai de livraison impose de choisir au préalable un fournisseur. Choisir un fournisseur permet optionnellement de consulter le délai de livraison de celui-ci. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 13/17

14 # Le diagramme de définition de blocs : bloc definition diagram (bdd) Il constitue la brique de base pour la modélisation de la structure d un système. Il peut représenter un système complet, un sous-système ou un composant élémentaire. Un bloc peut représenter un élément concret (ex : moteur), abstrait (ex : des services), des compléments d une application (ex : boîte de dialogue) des éléments comportementaux (ex : des tâches). Définition : type + nom Attributs : les propriétés Opération : ce que l on peut demander au bloc Multiplicité : 1 ou 2 horloge dans le réveil Commentaire (possible pour tous les diagrammes) Diagramme de contexte Diagramme non standard, dérivé du bdd est faisant apparaître les acteurs. Il permet de définir la frontière du système et les éléments qui sont en lien avec lui. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 14/17

15 # Le diagramme de blocs internes : internal bloc diagram (idd) C est le zoom sur un ou plusieurs blocs du bdd montrant en plus les ports (petits carrés sur le contour du bloc) reliés par des connecteurs (traits) et exprimant un flux de matière, d énergie, d information ou un mélange des trois types (appelé flux composite) entre les différents blocs. Une flèche dans le port indique le sens (entrante, sortante ou bidirectionnelle) du flux. Une absence de flèche indique des services logiques entre les blocs, au moyen d interfaces regroupant des opérations. Une interface est un ensemble d opérations abstraites (ici, réglage radio, volume...) constituant une sorte de contrat qui devra être réalisé par un ou plusieurs blocs. Elle est représentée par le symbole d un cercle. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 15/17

16 # Le diagramme paramétrique : paramétrique diagram (par) Il présente la particularité de pouvoir connecter entre elles des contraintes ajoutées au diagramme de blocs par le biais d un bloc particulier, dit de contraintes («constraint block») qui contient des paramètres et une relation, en général mathématique, les reliant. L ensemble des grandeurs physiques sont alors contraintes dans leurs évolutions et nous pouvons en tenir compte dans l ensemble des diagrammes. Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 16/17

17 # Le diagramme de séquence : sequence diagram (seq ou sd) Il décrit des scénarios correspondant aux cas d'utilisation. Un cas d'utilisation est décrit par au moins un diagramme de séquence. Il répond à la question : "Comment est réalisé ce cas d'utilisation?". Il montre les interactions (appelées messages) entre différents éléments (acteurs ou bloc) ou interne à un élément. Le temps se lit verticalement de haut en bas. Chaque élément possède une ligne verticale pointillée, appelée ligne de vie, qui devient une barre dès que l élément est activé. Les messages à flèche pleine sont synchrones : l élément de départ de la flèche est bloqué en attente de la fin d'exécution du message et de l'éventuelle réponse de celui-ci. Un message de réponse est symbolisé par une flèche pointillée. Les messages à flèche ouverte sont asynchrones et ne bloquent donc pas l'exécution de l'objet de départ. Une croix en fin de ligne de vie (non représentée cidessous) symbolise la destruction de l'objet. Cinq opérateurs (ex : alt) sont expliqués ici (il en existe d autres) : ils permettent d envisager des fonctionnements particuliers. Ressources et emprunts utilisés pour cette séquence : Sciences industrielles pour l ingénieur classes préparatoires 1 re année Gérard Colombari et Jacques Giraud Foucher 2013 ; Cours de François Jouaux, de Stéphane Pugnetti et de Philippe Duthu ; Wikipédia ; Wikiméca ; ; Formation Cerpet Michelin et site internet Michelin ; Formation nationale STI2D Pairformance ET106 ; Formation UML SysML académique de Michel Marie et formation académique d avril 2012 (Bernard LEFOUR) ; Sciences industrielles pour l'ingénieur PTSI - Beynet Patrick (coord.) collection prépas sciences - Ellipses Cours 1 et 2 : Étude des systèmes page 17/17