CPGE - Sciences de l Ingénieur - Chapitre 1. Étude des systèmes

Transcription

1 CPGE - Sciences de l Ingénieur - Chapitre 1 PCSI Étude des systèmes Cours Compétences visées: A1-01, A1-02, A1-03, A1-04, A1-05, A1-06, A1-07, A1-08, A3-08, F1-07 v1.0 Lycée Michelet 5 Rue Jullien Vanves - Académie de Versailles Compétences visées : A1-01 Décrire le besoin A1-02 Traduire un besoin fonctionnel en exigences A1-03 Présenter la fonction globale A1-04 Définir les domaines d application, les critères technico-économiques A1-05 Identifier les contraintes A1-06 Identifier et caractériser les fonctions A1-07 Qualifier et quantifier les exigences (critère, niveau) A1-08 Évaluer l impact environnemental (matériaux, énergies, nuisances) A3-08 Identifier et décrire la chaîne d information et la chaine d énergie du système F1-07 Lire et décoder un diagramme Lycée Michelet - Vanves Page 1 / 10

2 Sommaire 1 Système industriel Notion de système Classification Domaine d application Critères technico-économiques Ingénierie système Introduction Cycle de vie Frontière d étude Cas d utilisation Éxigences d un système Cahier des Charges Fonctionnel Triptyque des Sciences de l Ingénieur 8 Lycée Michelet - Vanves Page 2 / 10

3 L objectif des Sciences de l Ingénieur est de mettre en place les outils permettant d analyser et de comprendre le fonctionnement des systèmes complexes industriels afin de valider leurs performances. 1 Système industriel 1.1 Notion de système Définition Notion de système En Sciences de l Ingénieur, un système sera considéré comme une association structurée d éléments en relation entre eux, de façon à former une entité remplissant une ou plusieurs fonctions, conçu ou à concevoir, répondant à un besoin des Hommes. Exemple : système d équations : plusieurs équations liées entre elles par des inconnues communes ; système nerveux : neurones et synapses qui assurent les connexions entre neurones. Ensemble de pièces Robot humanoïde Solveur de Rubixcube Figure 1 Ce sont les pièces et les relations entre les pièces qui font un système 1.2 Classification On distingue deux grandes catégories de systèmes : les systèmes naturels (système solaire) ; et les systèmes artificiels, créés par l Homme pour remplir une fonction précise. Ces derniers sont appelés systèmes techniques ou industriels. Les systèmes industriels peuvent être de natures différentes mais sont tous caractérisés par une complexité forte et une interdisciplinarité. La conception d un système industriel ne doit pas être faite au hasard, au risque d aboutir à un produit qui n intéressera ou ne satisfera pas aux exigences des clients. Pour faciliter l étude d un système complexe, il sera possible de le décomposer en soussystèmes plus simples. Chaque sous-système pourra alors être considéré comme un système composé d autres sous-systèmes en relation. Cette décomposition peut être effectuée jusqu à aboutir aux composants simples (Figure 2). Lycée Michelet - Vanves Page 3 / 10

4 CPGE PCSI - S2I Étude des systèmes Boîte de vitesses Véhicule BdV, moteur, carrosserie... Cours Roulement à billes carter, fourchettes, engrenages, bague intérieure, bague extéroulements à billes... rieure, billes, cages à billes, billes Figure 2 Exemple de sous-systèmes appliqué à un véhicule automobile 1.3 Domaine d application Le domaine d application est le milieu physico-économique dans lequel évolue le système et pour lequel il a été conçu. Dans ce milieu, le système est dit système industriel (Figure 3) ; dans le laboratoire, pour une utilisation dans un cadre pédagogique, il sera appelé système d étude. La majorité des domaines d applications seront rencontrés lors de l étude des systèmes en TD et en TP au cours de l année : aéronautique, robotique, domotique, médical, recherche, énergie, transport... IRM, médical Voiture électrique, transport Robot, conditionnement Figure 3 Systèmes associés à leur domaine d application 1.4 Critères technico-économiques Des critères technico-économiques sont pris en compte dès la phase de conception du système industriel. On utilise par exemple les critères, de durée de vie, de coût, de fiabilité, de quantité, de faisabilité, d impact environnemental... À titre d exemple, les solutions techniques qui permettent de satisfaire le besoin «se raser» sont très variées : le rasoir jetable une lame (peu cher et peu robuste), au rasoir électrique sans fil à 3 têtes rotatives, diffuseur de crème hydratante, écran intégré (très cher et le client attend qu il soit robuste). Lycée Michelet - Vanves Page 4 / 10

5 2 Ingénierie système 2.1 Introduction Définition L Ingénierie Système - IS est une approche scientifique interdisciplinaire récente, dont le but est de formaliser et d appréhender la conception de systèmes complexes. La conception d un système donne souvent lieu à une accumulation de documentations pluridisciplinaires qui doivent toutes être croisées et mises à jour pour maintenir la cohérence et respecter les spécifications du système. Il existe des outils permettant de regrouper, dans un modèle commun à tous les corps de métiers, les spécifications, les contraintes, et les paramètres de l ensemble du système. Ceci permet d éviter tout problème de communication qui engendrerait du retard dans l élaboration du système. Le langage utilisé en CPGE est le SysML (Systems Modeling Language). C est un langage de modélisation permettant de décrire tout ou partie d un système technique, d un point de vue exigences, comportemental ou structurel. Il s articule autour de neuf types de diagrammes que nous aborderons et utiliserons pour présenter et/ou étudier les systèmes. Remarque Le programme de PCSI-PSI précise que vous devez être capable de lire et comprendre la plupart de ces diagrammes. Il n est pas nécessaire de connaitre toutes les subtilités d écriture. Remarque Le langage SysML a été élaboré par un organisme à l origine du langage UML utilisé en informatique. On retrouve de nombreux points communs à ces deux langages. 2.2 Cycle de vie La notion de «cycle de vie» est indissociable d un système. Elle exprime les différentes étapes qui vont de l analyse du besoin jusqu à l élimination et/ou le recyclage de ses constituants. 1 Analyser le besoin Établir le Cahier des Charges Éliminer/Recycler 2 Utiliser le produit Concevoir 8 Commercialiser 7 Transporter Homologuer 6 5 Industrialiser 4 Matières premières Figure 4 Quelques phases du cycle de vie d un produit Lycée Michelet - Vanves Page 5 / 10

6 2.3 Frontière d étude Un système est toujours en interaction avec son environnement. L étude d un système ne se limite donc pas à l étude de ses composants et des interactions entre eux mais aussi à l étude des relations avec les éléments du milieu extérieur. Ces derniers définissent alors les limites (frontière) du système. Définition Le diagramme de contexte SysML permet de définir les frontières de l étude, et en particulier de préciser la phase du cycle de vie dans laquelle on situe l étude (généralement la phase d utilisation) (Figure 5). Figure 5 Exemple de diagramme de contexte de l ipod Il répond à la question : «Quels sont les acteurs et éléments environnants du système?». Il n y a pas de syntaxe spécifique à utiliser). 2.4 Cas d utilisation Définition Le diagramme des cas d utilisation SysML présente les différentes fonctionnalités proposées par le système (Figure 6). Ces fonctionnalités peuvent varier selon la phase de vie considérée (utilisation normale du produit, maintenance, recyclage... ) Il répond à la question «Quels services rend le système aux différents acteurs». Figure 6 Exemple de diagramme de cas d utilisation de l ipod Lycée Michelet - Vanves Page 6 / 10

7 CPGE PCSI - S2I Étude des systèmes Cours uc : Use Case (cas d utilisation). acteur : c est un utilisateur (stickman) ou bien un élément extérieur (bloc). 2.5 Éxigences d un système D un point de vue le plus général, un système industriel est vu comme générateur de prestations, c est-à-dire qu il est conçu pour satisfaire les besoins de l utilisateur. De nombreux systèmes ou produits permettent de répondre à un même besoin, mais n ont pas les mêmes exigences (Figure 7). Figure 7 Systèmes répondant à un même besoin avec des exigences différentes Définition Le diagramme des exigences SysML liste l ensemble des capacités ou des contraintes qui doivent être satisfaites par le système (Figure 8). Ces exigences sont ensuite traduites par les ingénieurs en fonctions. Il est alors nécessaire de définir des niveaux de performances, des conditions de fiabilité, de traçabilité... Les exigences servent donc à établir le contrat entre le client et les concepteurs du système. Les fonctions doivent toujours être décrites à l aide d un verbe à l infinif. Dans un premier temps, pour simplifier la lecture des diagrammes, on ne considère que deux types de liaisons entre les blocs (d autres types de relations seront présentées ultérieurement dans l année) : indique que l exigence est incluse dans une autre exigence (contenance) ; indique que l exigence dépend d une autre exigence (dépendance). req : requirements (Éxigences). Lycée Michelet - Vanves Page 7 / 10

8 Figure 8 Exemple de diagramme d exigences de l ipod 2.6 Cahier des Charges Fonctionnel L identification de la frontière, des cas d utilisation et des exigences permet ainsi de définir le cahier des charges fonctionnel (CdCF) d un système. Définition Le cahier des charges fonctionnel regroupe l ensemble des fonctions que le système doit (devra) réaliser, et découle de l analyse des exigences. À chaque fonction seront associés des critères de validation et leurs niveaux associés, ainsi qu une éventuelle flexibilité (0 = aucune, 2 = accepté sans condition). 3 Triptyque des Sciences de l Ingénieur Le métier de l ingénieur consiste à poser et à résoudre de manière performante et innovante des problèmes complexes de création, de conception, de réalisation ou de mise en œuvre de produits, de systèmes ou de services au sein d une organisation compétitive. Il peut aussi éventuellement organiser leur financement ou leur commercialisation. Lycée Michelet - Vanves Page 8 / 10

9 Fonctions Critères Niveaux Flexibilité Permettre d écouter de la musique numérisée Capacité de stockage 1 à 2 Go 0 Erreur de lecture Aucune 0 Coloris RAL 7035 RAL 5015 RAL 3013 RAL 5007 RAL Plaire à l utilisateur Résister au milieu ambiant Permettre de lire tout type de données Être contrôlé par l utilisateur Être adapté à l oreille de l utilisateur Formes arrondies Rayons > 2 mm 2 Présence de voyants Oui 1 Dimensions : Hauteur 27,3 cm 1 Largeur 41,2 cm 1 Épaisseur totale 10,5 cm 1 Esthétique 90% le trouve beau 0 Masse < 20 g 1 Humidité relative 5 à 95 % 1 Température de stockage -20 à 45 1 Format MP3, WAV, AAC... 0 Commandes disponibles Volume, lecture, arrêt, avance et retour rapides, lecture aléatoire... Volume sonore Entre 0 et 60 db 0 0 Figure 9 Extrait du Cahier des Charges Fonctionnel de l ipod Les Sciences de l Ingénieur apportent des méthodes et concepts permettant de répondre à ce besoin. En s appuyant sur trois domaines d étude décrits sur la Figure 10, les compétences développées durant ces deux années de CPGE seront de : vérifier les performances attendues d un système complexe réel ; prévoir les performances d un système à partir d une modélisation ; valider une modélisation à partir d expérimentations. Lycée Michelet - Vanves Page 9 / 10

10 Système souhaité Domaine du commanditaire Performances attendues Système réel Système modélisé Domaine du laboratoire Domaine de la simulation Performances mesurées Performances simulées Écart 1 Écart 2 Écart 3 Figure 10 Démarche de l ingénieur (dans l industrie, domaine du laboratoire = domaine réel) Lycée Michelet - Vanves Page 10 / 10 D après: A. CAIGNOT - J-M. CHATEAU - N. MALESYS - S. GERGADIER - D. VIOLEAU