PCSI I ETUDE DES SYSTEMES ANALYSE DES SYSTEMES

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1 PCSI I ETUDE DES SYSTEMES ANALYSE DES SYSTEMES

2 1. Présentation générale des systèmes - Approche globale 1.1. Définitions Système technique C est un ensemble d éléments matériels et/ou humains (opérateur, pilote, conducteur, équipe, ), en interaction dynamique, organisés en fonction d un but à atteindre. Un système technique permet d apporter une valeur ajoutée à des matières d œuvre en les faisant passer d un état initial donné à un état final souhaité, pour satisfaire un certain besoin dans un environnement donné. Matière d œuvre C est une matière, une énergie (électrique, mécanique, hydraulique, ) ou une information (signal) qui traverse le système pour en sortir avec une valeur ajoutée. Valeur ajoutée C est la différence entre l état final et l état initial de la matière d œuvre ayant traversé le système. Fonction globale C est l ensemble des opérations exécutées par un système et qui permet de faire passer la matière d œuvre d un état initial à un état final. Environnement C est l ensemble des éléments extérieurs dans lequel évolue le système et qui influent sur celuici : milieu humain (but à atteindre, sécurité, etc.) ; milieu physique (bruits, chocs, pollutions, etc.) ; milieu économique (prix, service après-vente, etc.) ; milieu technique (source d énergie, etc.). Performance C est l ensemble des qualités mesurables qui caractérisent les prestations dont un système est capable (puissance, rapidité, économie d énergie, confort, productivité, protection de l environnement, ). Domaine d'application ou domaine d'activité C'est le milieu physico économique dans lequel évolue le système et pour lequel il a été conçu. Les systèmes du laboratoire de SI peuvent être rangés dans les domaines d'application suivants : la navigation de plaisance et de compétition : domaine des techniques de la conduite des bateaux pour le plaisir ou pour la compétition ; l'aéronautique : domaine des sciences et des techniques de la navigation aérienne et de la construction d'aéronefs ; l'agriculture et la robotique agricole : domaine des techniques d'utilisation de robots servant à la production d'animaux et de végétaux ; la production manufacturière et la robotique industrielle : domaine des techniques d'utilisation de robots servant à la transformation de matières premières dans les processus industriels ; la production manufacturière : domaine des techniques d'utilisation de machines servant au déplacement de produits dans les processus industriels ; la domotique : domaine de l'informatique appliquée à l'ensemble des systèmes de régulation, de gestion, de communication et de sécurité concernant l'habitat et les tâches de la vie quotidienne ; 2

3 le conditionnement des produits : domaine des techniques de préparation et de présentation des marchandises sous une forme appropriée pour la vente ; le transport routier par motocycle : domaine des techniques liées à l'action et à la manière de transporter des personnes au moyen d'un véhicule terrestre à deux roues mû par un moteur ; l'équipement technique et le traitement des eaux : domaine des techniques d'épuration et de mise en mouvement de l'eau ; l'automobile et les véhicules industriels : domaine des techniques liées à l'action et à la manière de transporter des personnes et des biens au moyen d'un véhicule terrestre, généralement à quatre roues, mû par un moteur ; l'équipement technique du bâtiment : domaine des techniques de fonctionnement des édifices publics ou privés ; les biens d'équipement : domaine des techniques liées à l'activité ou au fonctionnement d'un produit nécessaire à quelque chose ou à quelqu'un. Cahier des charges fonctionnelles Ensemble de documents qui permettent de détailler la fonction globale, de recueillir le besoin d un système ; les exigences ; les cas d utilisation ; de décrire les contraintes, caractériser les fonctions, leurs critères et leurs niveaux Différentes descriptions d un système L étude des systèmes peut se faire soit sur un système existant, soit sur un système non existant à concevoir. Dans le cas d un système existant, les opérations à réaliser seront analyse, modéliser, comprendre, résoudre, expérimenter, concevoir, communiquer. Dans le cas d un système non existant, les opérations à réaliser seront, par exemple, définir, modéliser, dimensionner, résoudre, exploiter. Dans tous les cas, la première approche est d analyser : la structure du système, qui décrit le système tel qu il est physiquement comme une association de composants : il s agit de l analyse structurelle ; les fonctions remplies par le système compte tenu du but à atteindre : il s agit de l analyse fonctionnelle ; le comportement du système dans son environnement : il s agit de l analyse dynamique ; le comportement du système dans le temps du point de vue du fonctionnement : il s agit de l analyse temporelle. On se propose, dans cette partie de cours, de n aborder que l aspect structurel et fonctionnel des systèmes. Les autres aspects seront développés ultérieurement dans d autres parties Structure générale et type d un système La transformation de la matière d œuvre est confiée à des effecteurs mus par des actionneurs (four, moteur, vérin, automobile, éléments de circuit électrique, ) qui consomment une quantité importante d énergie, et dont l ensemble constitue la partie opérative. L activation et la désactivation organisées de ces effecteurs sont confiées à la partie commande du système (opérateur, automate, programme, ), elle-même consommatrice d énergie en quantité moindre. 3

4 Chacune de ces parties est en communication avec le milieu extérieur (utilisateur, autre système). La représentation schématique de la structure d un système repose sur un modèle unique (fig. 1). Toutefois, en fonction du degré d implication de l homme dans le fonctionnement du système, on distingue trois types de systèmes : le système élémentaire ou système manuel (fig. 2) au sein duquel l homme est seul à effectuer les tâches. Ses membres (mains et/ou pieds) constituent la partie opérative, son cerveau forme la partie commande et ses sens associés au système nerveux assurent les échanges entre les deux parties ; le système mécanisé (fig. 3) au sein duquel des actionneurs alimentés en énergie se substituent aux muscles. L homme continue à constituer la partie commande ; 4

5 le système automatisé (fig. 4) au sein duquel un système de commande se substitue à l homme Diagramme des exigences Définition : Diagramme qui regroupe les exigences d un système dans la norme SysML. Chaque exigence détaille les performances du Cdcf Diagramme des cas d utilisation Définition : Suivant les cas d utilisation, le système a des fonctionnements différents et des interactions avec l utilisation qui doivent être séparées. Un diagramme qui regroupe les exigences d un système dans la norme SysML permet de regrouper ces différents cas. C est un diagramme comportemental. 5

6 2. CLASSIFICATION Définition des frontières d analyse Etude des systèmes techniques Les systèmes peuvent être classés suivant différents critères tels que : le domaine d application ; la nature de la matière d œuvre ; la nature des flux ; les critères technico-économiques. Classification suivant le domaine d application Production continue (raffineries, centrales, industries papetières, ) ; Production discontinue (cuisson d aliments, lavage de vaisselle, fabrication de pièces, ) ; Traitement de l information (chaîne haute fidélité, ordinateur, ). Classification suivant la nature de la matière d œuvre Matière : aliment, passager, pièce,... ; Energie : électrique, pneumatique, hydraulique, ; Information : signal électrique, signal optique. Classification suivant la nature des flux Il s agit des échanges entre le système et le milieu extérieur (fig. 5) : flux des matières d œuvre ; flux des énergies ; flux des informations ; flux des déchets et nuisances. Classification suivant les critères technico-économiques Valeur ajoutée : Résultat de l évaluation de la différence entre l état initial et l état final de la matière d œuvre. Durée de vie : Durée pendant laquelle le système a accompli la fonction qui lui a été assignée. Maintenabilité : Dans des conditions données d utilisation pour lesquelles il a été conçu, aptitude du système à être maintenu ou rétabli dans un état dans lequel il peut accomplir une fonction requise, lorsque la maintenance est accomplie dans des conditions données, avec des procédures et des moyens prescrits. Coût : Divers coûts peuvent être considérés, tels que : coût d achat, coût d utilisation, Fiabilité : Aptitude du système à accomplir une fonction requise dans des conditions données pendant un temps donné. Quantité : Système unique, ou en quelques exemplaires, ou de diffusion moyenne, grande ou très grande. Dans ce qui suit, seuls seront considérés les systèmes automatisés. 3. Analyse fonctionnelle et structurelle 3.1. Analyse du besoin Un besoin est une nécessité ou un désir éprouvé par un utilisateur. Le besoin ainsi défini concerne la nature des attentes de l utilisateur et non le volume du marché. Par l utilisateur, on entend un individu, une collectivité, une entreprise, une administration, un service d une entreprise ou d une administration. Un besoin peut être exprimé, latent ou potentiel. Dans tous les cas, il constitue le besoin fondamental à satisfaire. Fig. 6 : Diagramme bête à cornes pour la mise en évidence du besoin fondamental Un produit est ce qui est ou sera fourni à l utilisateur pour répondre à un besoin. 6

7 Outil de recherche du besoin fondamental (hors programme) L outil appelé diagramme bête à cornes est utilisé pour définir le besoin fondamental auquel répond un produit. Il utilise une disposition graphique (fig. 6) permettant de formaliser ce besoin à partir d une approche interrogative. Il pose 3 questions essentielles concernant les liaisons entre : les intervenants économiques : à qui rend-il service? les éléments concernés du milieu extérieur constituant la matière d œuvre : sur quoi agit-il? le service à rendre : dans quel but? Les réponses à ces questions sont inscrites dans les formes grisées de la figure 1. Cet outil n est pas au programme Description fonctionnelle globale Diagramme Bloc de description (bdd) Définition : La description fonctionnelle globale définit les inter-acteurs et les fonctions attendues par le système. Le système doit remplir des fonctions de service avec les acteurs ou d autres systèmes qui interagit avec lui Analyse structurelle D une manière générale, un système technique automatisé, quelque soit ça complexité, est composé d une partie opérative et d une partie commande en inter-relations ; l ensemble étant luimême en communication avec le milieu extérieur (fig. 6) ; toujours dans le l objectif du but à atteindre. 7

8 Définition Etude des systèmes techniques Partie commande (PC) C est l ensemble des moyens de traitement de l information qui assurent le pilotage et la coordination des tâches du processus de transformation de la matière d œuvre. Partie opérative (PO) C est l ensemble des moyens techniques qui permettent d apporter la valeur ajoutée aux matières d œuvre en effectuant directement le processus de leur transformation. Inter-relations C est l ensemble des échanges d informations entre les deux parties du système. Chaîne fonctionnelle Une chaîne fonctionnelle est une partie du système assurant la réalisation d une tâche ou fonction opérative (action directe sur la matière d œuvre : transporter, remplir, usiner, lever, ). Elle se caractérise par : un agencement fonctionnel de constituants sous forme de chaîne (fraction de PC, fraction de PO, inter-relations) (fig. 7) ; un comportement autonome. Elle participe à un découpage de type «fonctionnel» du système (fig. 8). REMARQUE Étudier la structure d un système complexe revient donc à étudier la structure (plus simple) de chacune de ses chaînes fonctionnelles Chaîne d information, chaîne d énergie, Une chaîne fonctionnelle (et par extension un système) est organisée en sous-ensembles euxmêmes constitués de composants. Un composant est un élément ou un ensemble de composants destiné à remplir une fonction particulière dans une chaîne fonctionnelle. L ensemble et l organisation des composants qui réalisent le même genre de fonction s appelle une chaîne. Dans une chaîne fonctionnelle, on distingue les 2 chaînes suivantes : la chaîne d information ; la chaîne d énergie ; Chaîne d information C est l ensemble et l organisation des composants qui permettent d acquérir, de traiter et de communiquer les informations. Elle est constituée par les capteurs et les commandes programmables. Chaîne d énergie C est l ensemble et l organisation des composants qui, d un point de vue des énergies d entrée (énergies de puissance) permettent d alimenter, de distribuer, de convertir et de transmettre ces énergies. Elle est constituée par les interfaces de commande et de puissance et est limitée, dans ce programme, aux cartes E/S industrielles (TOR et analogique), contacteurs et relais, 8

9 variateurs électroniques de vitesse, distributeurs pneumatiques et hydrauliques, régulateurs de débit et de pression. Fig 9 : Modélisation de la structure d une chaîne fonctionnelle d un système technique complexe Une décomposition structurelle plus précise pourrait être envisagée de cette manière. Pour la chaîne d information, on voit apparaître des fonctions comme coder, mémoriser et restituer, qui ajoute du détail aux fonctions. Pour la chaîne d énergie, certain sujet pourrait donner comme fonction au préactionneur de moduler (et non plus distribuer) ; voir apparaître Stocker pour les systèmes autonomes. 4. Identification et description des constituants 4.1. Description fonctionnelle interne Diagramme bloc interne (ibd) Ce diagramme permet de décrire de façon globale les flux de matière, d information et d énergie. C est à dire les matières d œuvre entrante et sortante. Il permet aussi de faire le bilan de tous les constituants qui compose le Block : Radio-réveil ; en choisissant la fonction assurée. 9

10 4.2. Constituants de la chaîne d information Le capteur Le capteur est un élément de prélèvement et de codage d informations sur un processus ou sur l environnement du système. Il convertit une grandeur physique (position, vitesse, température, ) en une information, appelée compte-rendu, compréhensible par la partie commande (en général, signal électrique basse tension). Exemples de capteurs : voir figures 10 et 11. Fig. 10 Capteur inductif Etude des systèmes techniques Fig. 11 Capteur intégré d humidité La commande programmable Sa constitution dépend du type de fonctionnement du système : type séquentiel : les opérations de transformation de la matière d œuvre s enchaînent en une succession de séquences ; les informations véhiculées par la chaîne d information sont de nature logique (variation en tout ou rien de leur état). La partie commande est alors constituée de composants logiques qui, regroupés, forment un système logique de commande (Automate programmable ou non, figure 12). Fig. 12 Automate programmable type continu : les informations véhiculées par la chaîne d information sont de nature analogique (variation continue de leur état). La partie commande est alors constituée d un système asservi de commande (asservissement, régulation, figure 13). Fig. 13 Carte programmable Les interfaces Homme/Machine, les BUS Ces constituants communiquent l information. Soit par des bus d information série ou parallèle dans un protocole machine <-> machine, soit par des écrans ou voyant Constituants de la chaîne d énergie L interface de puissance L interface de puissance est un composant qui adapte l énergie de puissance dans la chaîne d action (figure 15) Fig. 15 Interface de puissance Fig. 16 Relais Fig. 17 Distributeur pneumatique Le pré-actionneur Un pré-actionneur est un élément dont le rôle est de distribuer l énergie utile aux actionneurs sur ordre de la partie commande. Pré actionneurs usuels : contacteurs ou relais (pour les moteurs électriques, figure 16), distributeurs (pour les vérins, figure 17). L actionneur Un actionneur est un objet technique qui convertit une énergie d entrée non directement utilisable par les mécanismes agissant sur la matière d œuvre en une énergie de sortie (très souvent mécanique) utilisable par ces mécanismes pour obtenir une action définie. Fig. 19 Vérin pneumatique Fig. 18 moteur électrique 10

11 Les actionneurs les plus courants sont les moteurs électriques (fig.18) et les vérins pneumatiques (fig. 19) ou hydrauliques. Le transmetteur de puissance Un transmetteur de puissance est un composant qui adapte l'énergie produite par l'actionneur à l'énergie nécessaire aux effecteurs. En effet, lorsque l on veut que l énergie mécanique produite par l actionneur ait des caractéristiques bien précises (vitesse, couple, ), on insère entre l actionneur et l'effecteur un transmetteur (fig. 21 et 22). Fig. 21 Réducteur à engranges Fig. 22 Renvoi d angle Fig. 23 Lame du sécateur Pellenc Fig. 24 Pince L effecteur Un effecteur est un constituant qui convertit l énergie reçue de l actionneur ou du transmetteur en un travail nécessaire à la transformation de la matière d'œuvre. Il est l élément terminal de la chaîne d action (figures 23 et 24). 5. La norme SysML Dans une phase de conception ou d optimisation d un système technique, il est courant d aborder le problème selon les trois composantes suivantes : les exigences auxquelles doit répondre le système pour fonctionner selon les attentes des parties prenantes 2 ; le comportement attendu du système ou d un de ses éléments au cours du temps ; la structure du système qui, selon les besoins de conception et les participants, peut être analysée de manière globale ou locale. Le langage SysML propose, pour chacune de ces trois composantes, des outils spécifiques graphiques présentés dans la suite : le langage est ainsi développé autour de neuf diagrammes permettant de représenter divers points de vues, chacun étant une partie du modèle complet : cette multiplicité permet le développement de modèles à la fois complets et pertinents. Au niveau de la formation en CPGE, les diagrammes sont proposés uniquement à la lecture : la maîtrise de l écriture des différents diagrammes n est donc pas attendue par le programme. 11

12 Points de vue et objectifs des diagrammes du langage SysML Etude des systèmes techniques À la lecture d un diagramme, il est important de comprendre les points de vue (comportemental, structurel ou transversal) et les objectifs des différents diagrammes lors de la mise en oeuvre d un modèle d un système : Le diagramme d exigences (Requirement Diagram - req) est le seul diagramme transversal et il représente les exigences techniques, fonctionnelles, économiques, environnementales du système technique. Les diagrammes comportementaux : Le diagramme des cas d utilisation (Use Case Diagram - uc / ucd) représente les fonctionnalités offertes par le système dans le cadre de son utilisation normale. Le diagramme de séquence (Sequence Diagram - seq) représente des scénarios de fonctionnementen montrant l évolution séquentielle des interactions entre les différents éléments (acteurs ou blocs). Le diagramme d états (State Machine Diagram - stm) représente le comportement du système et ses changements d état en fonction des interactions. Le diagramme d activités (Activity Diagram - act, non spécifiquement au programme) représente les étapes d un processus, impliquant en général les entrées et sorties qui correspondent respectivement au type d élément requis en entrée d une activité ou action, et à celui généré en sortie. Les diagrammes structurels : Le diagramme de définition de blocs (Block Definition Diagram - bdd) représente l architecture du système en montrant ses composants et les liens entre eux. Le diagramme de blocs internes (Internal Block Diagram - ibd) représente les flux de matière, énergie ou information entre des blocs de même niveau. Le diagramme paramétrique (Parametric Diagram - par) permet de définir des contraintes sous forme d équations associées aux blocs afin d aller jusqu à une simulation de l évolution de la sortie. Le diagramme de paquetages (Package Diagram - pkg, non spécifiquement au programme) permet de réunir des informations de divers diagrammes sous la forme de paquets afin de permettre un traitement plus aisé des informations Norme 12

13 5.2. Diagramme des exigences Définition Le diagramme des exigences, appelé Requirement Diagram (req) dans le langage SysML, est le seul diagramme transversal du langage SysML. L objectif de ce diagramme est de modéliser les exigences devant être vérifiées par le système en liant les solutions mises en oeuvre 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. Exemple : Le DarWin-OP 5.3. Diagramme des cas d utilisation Définition Le diagramme des cas d utilisation est un diagramme comportemental, appelé Use Case Diagram (uc ou ucd) dans le langage SysML. L objectif de ce diagramme est de montrer les fonctionnalités offertes par un système en identifiant les services qu il rend : il permet donc de modéliser les exigences selon un point de vue complémentaire à celui exposé par le diagramme des exigences. L énoncé d un cas d utilisation doit se faire hors technologie, puisque il est défini en termes de résultats attendus. Exemple : Le DarWin-OP 5.4. Diagramme de définition de blocs Définition Le diagramme de définition de blocs est un diagramme structurel appelé Block Definition Diagram (bdd) dans le langage SysML. L objectif de ce diagramme est de décrire le système via des blocs (blocks dans le langage SysML) et représentant des éléments matériels (cas le plus fréquent) mais également des entités abstraites (regroupement logique d éléments) ou des logiciels. Ce diagramme représente les caractéristiques principales de chaque bloc ainsi que les liens entre eux : il permet donc une modélisation de l architecture du système. Exemple : Le DarWin-OP 13

14 5.5. Diagramme de blocs internes Etude des systèmes techniques Le diagramme de blocs internes est un diagramme structurel appelé Internal BlockDiagram (ibd) dans le langage SysML. Le diagramme de blocs internes est rattaché à un bloc issu du diagramme de définition de blocs, le cadre du diagramme représentant la frontière d un bloc. Le diagramme de définition de blocs introduit la notion fondamentale de «port» qui correspond à un point d interaction avec l extérieur du bloc. Les connecteurs (traits) entre les ports indiquent soit les associations soit les flux de matière, d énergie et d information entre les différents blocs. Exemple : Le DarWin-OP 14