MATLAB/Simulink pour l Enseignement des Sciences Industrielles de l Ingénieur

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1 MATLAB/Simulink pour l Enseignement des Sciences Industrielles de l Ingénieur Ivan LIEBGOTT Professeur de Chaire Supérieure Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles Lycée des Eucalyptus de Nice Formateur Académique Modélisation Multi-Physique avec MATLAB/Simulink 1

2 Le lycée des Eucalyptus de NICE Un pôle majeur de l enseignement scientifique et technologique en région PACA 1500 élèves, dont 400 étudiants Lycée général et technologique: CPGE (PTSI-PT/PT*, PCSI-PSI), BTS, Filière 2 nde, S-SI, STI 2D Lycée Professionnel: Domotique, Automobile, Automatique, fabrication 2

3 Plan Les enjeux de la formation des ingénieurs Intégrer MATLAB/Simulink dans le processus de formation Applications pédagogiques et retours d expériences en Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles (CPGE) avec MATLAB/Simulink Système élémentaire: moteur à courant continu LEGO NXT Système complexe: pilote hydraulique de bateau asservi Se former pour utiliser MATLAB/Simulink 3

4 La formation des ingénieurs Lycée S-SI, S-SVT STI 2D 2 ans Cycle préparatoire CPGE Universités, IUT 2 ans Ecoles d ingénieurs avec cycle préparatoire intégré Ecole d ingénieurs 5 ans 3 ans Créer des vocations Introduire les compétences de l ingénieur dès le lycée 4

5 Cycle en V: 6 grandes compétences Communiquer Analyser Expression Spécification du besoin Recette Validation Concevoir COMPETENCES Modéliser Conception Intégration Vérification Expérimenter Résoudre Codage Implémentation La formation s articule autour de 6 grandes compétences La démarche industrielle est intégrée 5

6 La démarche d évaluation des écarts Cahier des charges Cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 6

7 Cycle en V et démarche d évaluation des écarts Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Cahier des charges Cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 7

8 Cycle en V et démarche d évaluation des écarts Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Cahier des charges Cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 8

9 Cycle en V et démarche d évaluation des écarts Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Cahier des charges Cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 9

10 MATLAB/Simulink Fonctionnalités de modélisation Fonctionnalités de pilotage, d acquisition et d implémentation LEGO NXT/EV3 Arduino Raspberry PI 10

11 La démarche de l ingénieur: Moteur LEGO NXT Les étudiants ont à leur disposition: Brique LEGO NXT, 1 moteur à courant continu, équipé d un capteur de position angulaire Ordinateur équipé de MATLAB/Simulink 11

12 Les objectifs de la séquence Analyser le cahier des charges Prendre connaissance des exigences et des performances attendues de l asservissement de position Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Cahier des charges Ecart cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel entre les performances mesurées et les performances simulées Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 12

13 Extrait du cahier des charges Requirement Diagram (Langage SysML) Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification «requirement» Modélisation Codage Implémentation «requirement» Coût Id=1.4 Text=Le prix de la carte de commande ne doit pas excéder 300 euros «requirement» Asservir en position le moteur Mindstorms Id=1 Text=La position du moteur doit être contrôlable et résister aux perturbations manuelles Id=1.3 Text=La modélisation de l asservissement sera réalisée avec MATLAB/Simulink «requirement» Pilotage Id=1.2 Text=L asservissement sera piloté par le logiciel MATLAB/Simulink Utilisation de la connexion Bluetooth entre la carte et le PC «requirement» Stabilité «requirement» Performances «requirement» Précision Id=1.1.1 Text=L asservissement doit être stable «refine» Id=1.1 Text=L asservissement doit respecter les performances spécifiées «refine» Id=1.1.3 Text=L erreur de précision doit rester inférieure à 5% de la consigne «refine» «requirement» Rapidité «satisfy» Id=1.1.2 Text=Le temps de réponse à 5% pour une consigne de 800 doit rester inférieure à 1.5 s «satisfy» «block» Moteur Mindstorms 13

14 Les objectifs de la séquence Confronter un modèle de connaissance et un modèle de comportement du moteur en boucle ouverte Choisir la modélisation la plus pertinente pour l étude menée Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Cahier des charges Ecart cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel entre les performances mesurées et les performances simulées Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 14

15 Confronter un modèle de connaissance avec le réel Dans le même fichier, il est possible d obtenir la réponse du modèle et du système réel réel Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Intégration Vérification de comportement Recette Validation Modèle de connaissance Réel Modèle de connaissance Vitesse de rotation du moteur 15

16 Confronter un modèle de connaissance avec le réel Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Un écart entre le modèle de connaissance et le comportement réel est mis en évidence Problème: les valeurs des différentes grandeurs physiques du modèle de connaissance ne sont pas connues avec précision de comportement Solution: Etablir un modèle de comportement Réel Modèle de connaissance

17 Confronter un modèle de comportement avec le réel Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification réel Modèle de comportement du premier ordre H iden = Réel Modèle de comportement 1, ,08 p 17

18 Les objectifs de la séquence Evaluer et analyser les écarts entre le modèle et le réel pour l asservissement en position du moteur Améliorer et valider le modèle de l asservissement par analyse des écarts entre le réel et le modèle Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Cahier des charges Ecart cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel Réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 18

19 Construire un modèle d asservissement et un asservissement réel Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Asservissement de position réel Modèle de l asservissement de position 19

20 Evaluer et analyser les écarts entre le modèle et le réel pour l asservissement en position du moteur de précision de rapidité Réel Modèle Réel Modèle Consigne de position de 400 Consigne de position de 1500 Cause de l écart de précision: Cause de l écart de rapidité: Tension de seuil du moteur Limite de la tension d alimentation du moteur 20

21 Améliorer le modèle de l asservissement par analyse des écarts entre le réel et le modèle Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Asservissement de position réel Modèle de l asservissement de position Amélioration du modèle 21

22 Valider le modèle de l asservissement par analyse des écarts entre le réel et le modèle Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Réel Modèle La réduction des écarts permet la validation du modèle 22

23 Les objectifs de la séquence Régler des performances spécifiées par le cahier des charges à l aide du modèle validé Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Cahier des charges Ecart cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel Réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 23

24 Régler des performances spécifiées par le cahier des charges à l aide du modèle validé Expression Spécification du besoin Conception Recette Validation Intégration Vérification Codage Implémentation Réglage du PID Sur le modèle validé Ecart statique spécifié Réglage du PID sur le modèle pour obtenir les performances spécifiées par le cahier des charges Utilisation des outils de contrôle commande de MATLAB/Simulink: - PID Tuner - Compensator Design - Linear Analysis - Sisotool Temps de réponse à 5% spécifié Le modèle valide les exigences spécifiées 24

25 Les objectifs de la séquence Implanter les paramètres du correcteur dans l asservissement réel Valider les performances de l asservissement en position du moteur en fonction du cahier charges Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Cahier des charges Ecart cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel Réel/modèle Modèle de connaissance ou Modèle de comportement 25

26 Implanter les paramètres du correcteur dans l asservissement réel et valider les performances du réel en fonction du cahier charges Expression Spécification du besoin Conception Codage Implémentation Recette Validation Intégration Vérification Ecart statique spécifié L asservissement réel valide les exigences spécifiées Implantation des réglages du PID dans l asservissement de position réel Temps de réponse à 5% spécifié Validation des performances de l asservissement réel 26

27 Approche systémique : Pilote hydraulique de bateau asservi Modéliser et simuler des systèmes complexes: une spécificité des Sciences Industrielles de l Ingénieur Exemple de modélisation multi-domaines avec MATLAB/Simulink Modélisation 27

28 Les besoins en modélisation multi-physique Modélisation Disposer d un logiciel permettant de modéliser le système dans sa globalité Partie électrique, mécanique, hydraulique, gestion des interactions Intégrer tout type de logique de commande Commande continue Commande à évènements discrets (graphes d état) Intégrer des maquettes numériques 3D 28

29 Présentation du modèle multi-physique 29

30 30

31 31

32 32

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34 34

35 Simulation du modèle multi-physique Permet de voir l influence de la modification d un paramètre sur la performance globale Permet de visualiser les mouvements des solides durant la simulation Accroît la pertinence des résultats 35

36 Exploitation du modèle Cahier des charges Cahier des charges/modèle Modèle cahier des charges/réel Système réel réel/modèle Le modèle multi-physique et le système réel sont équipés des mêmes points de mesure L étudiant reproduit sur un système complexe la démarche de l évaluation des écarts Courant moteur Tension moteur Couple moteur Déplacement tige Effort tige Pression et débit dans les chambres Rotation de la barre 36

37 Retour d expérience: utiliser MATLAB/Simulink pour enseigner les Sciences Industrielles de l Ingénieur L étudiant inscrit son activité dans une démarche industriel: le cycle en V L étudiant développe des compétences de haut niveau en modélisation avec MATLAB/Simulink L étudiant réinvestit ses compétences en modélisation dans des démarches de projet (TIPE) L étudiant prend confiance dans ses compétences de modélisation en se confrontant au réel Expression Spécification du besoin Recette Validation Les écoles d ingénieurs évaluent cette démarche dans les concours de recrutement (Concours CCP, Centrale-Supelec, X-ENS ) Conception Codage Implémentation Intégration Vérification 37

38 Se former pour utiliser MATLAB/Simulink La démarche de modélisation devient plus complexe La prise en main des outils demande un travail de formation important

39 Les supports de formation disponibles Modélisation et Simulation des systèmes multi-physiques avec MATLAB /Simulink Auteur: Ivan LIEBGOTT Professeur en Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles Contenu: 245 pages Prise en main de : MATLAB Simulink Simscape SimMechanics SimHydraulics SimElectronics Outils de contrôle commande Stateflow A destination des enseignants, élèves ingénieurs, lycéens Téléchargement libre du livre et des modèles sur MATLAB Central 39

40 Les supports de formation disponibles Plan Académique de Formation (PAF) Académie de NICE Auteur: Ivan LIEBGOTT Professeur en Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles Contenu: 450 Slides Modules de formation progressifs sur Simscape Applications pédagogiques Séquences pédagogiques A destination des enseignants de STI 2D et de Classes préparatoires Téléchargement libre sur MATLAB Central 40

41 Conclusion L utilisation de la simulation numérique s inscrit pleinement dans le cycle de formation des ingénieurs MATLAB/Simulink: facilite la mise en œuvre de la démarche de l ingénieur répond aux besoins en modélisation multi-physique du cycle de formation augmente la performance et l efficacité des séquences d enseignement La prise en main de l outil par les enseignants demande un travail important Il faut proposer des outils de formation adaptés 41

42 MATLAB/Simulink pour l Enseignement des Sciences Industrielles de l Ingénieur Merci pour votre attention Ivan LIEBGOTT Professeur de Chaire Supérieure Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles Lycée des Eucalyptus de Nice Formateur Académique Modélisation Multi-Physique avec MATLAB/Simulink 42

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