Etude des systèmes - présentation 1 Présentation des systèmes... 1 1.1 Définition d un système... 1 1.2 Définitition d une frontière... 3 1.3 Fonction globale d un système... 4 1.4 Systèmes complexes... 4 1.4.1 Systèmes techniques... 5 1.4.2 Systèmes automatisés... 6 2 Caractérisation d un système... 6 2.1 Le contexte... 6 2.2 La matière d oeuvre... 6 2.3 La valeur ajoutée... 7 2.4 Les performances d un système... 8 1 Présentation des systèmes L objectif de ce chapitre est de comprendre et d assimiler la notion de système, notion fondamentale en sciences de l ingénieur. C est une vision de l esprit, un outil de représentation et de formalisation du réel qui vous permettra d appréhender et de comprendre des systèmes industriels complexes. 1.1 Définition d un système Un système est une association structurée d éléments en relation entre eux de façon à former une entité cohérente et remplissant une ou plusieurs fonctions. Le système sanguin Les systèmes d équations df(x) + = + dx x 2 i e f (x) sin (x) g(x) 2 d g(x) 1 dx 2 + f(x) = g(x) + i f(x) 1
Un exemple de système industriel: Airbus A380 Un exemple de système industriel didactisé: toit ouvrant de la 206 cc Ces systèmes n ont de commun que la possibilité de rentrer dans le cadre de notre définition. Nous voyons qu il va falloir approfondir le degré de formalisation de notre description pour être capable d en tirer un outil pertinent et efficace. Par la suite, nous n étudierons bien sûr que les systèmes industriels. Remarque importante: le système n est pas un ensemble d éléments (au sens mathématique). Le système ne peut se définir que si l on connaît les éléments qui le constituent et les relations qu ils ont entre eux. Exemple: il ne suffit pas de connaître les éléments constituant un vélo, il faut connaître leurs relations pour le définir correctement: 2
!? 1.2 Définition d une frontière Avant d aborder la description du système il faut en définir la frontière: c est décider ce qui fait partie du système étudié et ce qui n en fait pas partie. Les éléments extérieurs à la frontière sont appelés éléments du milieu extérieur (EME). Attention, isoler le système de son milieu extérieur ne signifie pas qu il n y a pas de relations entre le système et les EME, bien au contraire, les EME qui nous intéressent sont justement ceux qui ont une relation avec le système. Représentation de la frontière d un système et des relations entre les composants du système et les EME. 3
Exemple d une souris d ordinateur. On peut définir comme éléments du milieu extérieur: L utilisateur (sa main) La surface de travail (bureau, tapis...) L ordinateur auquel elle doit se connecter La source d énergie On pourra choisir comme frontière la frontière physique du constituant par exemple. 1.3 Fonction globale d un système D un point de vue global, le système est vu comme un générateur de prestation. C est-à-dire que le système a pour raison d être la satisfaction d un besoin, il rend service à quelqu un ou à quelque chose. On peut le voir globalement comme une boîte noire qui génère des prestations ou sorties à partir des entrées fournies. On parle de fonction globale ou principale. De manière générale la fonction principale du système agit sur les entrées pour générer les sorties dans le but de satisfaire un besoin. Les outils et concepts que nous allons aborder dans ce chapitre vont nous permettre de détailler et de caractériser les entrées et sorties du système ainsi que ses fonctions. 1.4 Systèmes complexes Un système est dit complexe lorsque ses sorties ne peuvent pas être déduites en fonction de la seule connaissance des entrées. Une équation linéaire est par exemple un système simple, la connaissance des entrées permet de déterminer la solution par une analyse déductive. C est le cas des systèmes que vous étudierez en mathématiques ou sciences physiques. 4
Pour un système complexe, une modélisation complète du comportement des constituants du système et de leurs relations est donc nécessaire. Ces phases de modélisation feront également appel aux modèles simples de physique et de mathématique. Exemple de système complexe pas très industriel: rupture d un spaghetti. Brisez un spaghetti en le tenant par ses deux extrémités, vous déduisez logiquement qu il se brisera en 2. Il n en est rien, il se brise toujours en 3. Seule une modélisation mécanique complexe permet de retrouver ce résultat. Cet exemple anodin illustre bien le comportement des systèmes complexes, une analyse déductive ne suffit pas. 1.4.1 Systèmes techniques A l instar du spaghetti, les systèmes complexes que nous allons étudier sont des réalisations industrielles, c est-à-dire des systèmes techniques conçus par l homme. La norme NF 90-001 définit un système technique comme un ensemble d éléments interconnectés de façon logique, qui se coordonnent pour réaliser une tâche précise. En d autres termes, le système technique permet de réaliser ce que l homme ne peut faire lui-même. Le système technique utilise en général une énergie bien supérieure à celle que peut développer l homme qui ne fait donc que commander le système technique. Le système technique réalise ce que l on appelle la partie opérative. Exemples de système technique: Engin de chantier Automobile 5
1.4.2 Systèmes automatisés Le système automatisé peut être vu comme une évolution naturelle du système technique. Un système automatisé est un système technique auquel est ajouté une partie commande qui peut commander de manière autonome, sans intervention extérieure, la partie opérative. L homme peut tout de même donner des instructions à la partie commande sous forme de consignes ou de réglages. Exemples de systèmes automatisés: Une machine à café Une boîte automatique automobile La ligne 14 du métro parisien 2 Caractérisation d un système 2.1 Le contexte Pour pouvoir étudier de manière pertinente un système industriel il faut le situer dans son contexte, c est-à-dire dans son milieu physiquo-économique. Cela revient à déterminer son environnement extérieur (milieu marin, milieu domestique, milieu industriel etc...), son domaine d application (transport, équipement, conditionnement, agroalimentaire, sport etc...), le type d utilisateurs (professionnels, amateurs). Au sein d un milieu physico-économique on peut alors définir des critères technicoéconomiques: durée de vie, coût, faisabilité, quantité, fiabilité etc... 2.2 La matière d oeuvre Nous avons vu que le système génère des prestations ou sorties, à partir d entrées. Il agit sur ce que l on appelle la matière d oeuvre. On a donc en entrée la matière d oeuvre initiale (ou matière d oeuvre entrante), et en sortie la matière d oeuvre finale (ou matière d oeuvre sortante). La définition de cette matière d oeuvre est préalable à toute étude fonctionnelle du système est doit être faite de manière cohérente. Exemple: pour une chaîne hi-fi, on ne prendra pas comme matière d oeuvre entrante un disque et pour matière d oeuvre sortante de la musique. Une meilleure définition serait de la musique codée sur un support d enregistrement comme matière d oeuvre 6
entrante, et de la musique diffusée sous forme sonore en matière d oeuvre sortante. Ceci est juste si on s intéresse au lecteur de disque. Pour un simple utilisateur, la matière d oeuvre entrante pourrait être une salle sans ambiance musicale et une salle avec ambiance musicale pour matière d oeuvre sortante. On voit ici qu il convient donc de bien définir à quel niveau d étude du système on se place (cela dépend bien évidemment de la frontière que l on s est donnée). On peut alors distinguer les systèmes par le type de matière d oeuvre sur laquelle ils agissent: Un produit Une énergie Des personnes Une information Ce ne sont que des exemples... 2.3 La valeur ajoutée Le système est donc un générateur de prestation, il rend un service en agissant sur la matière d oeuvre. On peut caractériser ce service par la valeur ajoutée qu il apporte à la matière d oeuvre entrante pour donner la matière d oeuvre sortante. On peut écrire de manière schématique: Matière d oeuvre sortante = Matière d oeuvre entrante + Valeur ajoutée Cette valeur ajoutée peut bien évidemment prendre des formes très variées, en voici quelques exemples: MO VA constance dans le déplacement dans modification de temps l espace forme matière frigidaire grue usine d assemblage énergie accumulateur ligne électrique éolienne information imprimerie satellite de télécoms capteur En résumé, la fonction globale ou principale du système consiste à apporter une valeur ajoutée à la matière d oeuvre dans un environnement ou contexte donné. 7
2.4 Les performances d un système Il est nécessaire de préciser la fonction principale d un système afin de définir ses performances attendues. Ces performances sont précisées par les critères de performances accompagnés de niveaux chiffrés. Ces critères apportent les informations les plus utiles sur la fonction que doit réaliser le système. Exemple de la chaîne hi-fi: Critère Valeur Puissance Max 40 W Fréquence... Max Fréquence Min... Taux... restitution 8