Introduction aux Sciences Industrielles pour l'ingénieur

Introduction aux Sciences Industrielles pour l'ingénieur Objectifs : - définir la notion de système, - présenter le programme des S2I (Sciences Industrielles pour l Ingénieur) en CPGE. 1 Les Sciences Industrielles pour l'ingénieur en CPGE Le point central des Concours en S2I est l'étude des systèmes. Vous serez jugés sur vos capacités à : - appréhender ou présenter le système réel dans son contexte et dans sa globalité. Le contexte comprend le domaine d'application (transport, sport, agricole ), le type de milieu environnant (marin, aérien, domestique ), le type d'utilisateur (tout public, expert ), - mobiliser les connaissances et les outils acquis pour étudier le comportement du système ou d'une partie du système (sous-système) afin de vérifier ses performances, - proposer des solutions technologiques afin de répondre à des problèmes techniques ou en vue d'améliorer les performances du système. 2 Notion de système Un système est un assemblage structuré d'objets en interrelation les uns aux autres, de façon à former une entité remplissant une (ou plusieurs) fonction(s). Exemples de système : système solaire, système nerveux, système d'équations (ensemble de plusieurs équations liant plusieurs variables) Les systèmes qui nous intéressent en S2I sont les systèmes dits techniques ou industriels. Un système industriel est un système créé par l'homme en vue de réaliser une ou plusieurs tâches pour répondre à un besoin. Exemples de système technique : besoin = se déplacer besoin = déplacer une charge Rem : plusieurs systèmes peuvent répondre au même besoin, ils se distinguent les uns des autres par leurs performances définies par le Cahier des charges fonctionnel (Cdcf). Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 1 / 22

Remarques : - un système complexe peut être considéré comme un assemblage structuré de sous-systèmes en interrelation. Système de direction Carrosserie Système de transmission Moteur Système de freinage Système de suspension Une voiture est constituée d'un moteur, d'un système de suspension, d'un système de transmission, d'un système de freinage - comprendre le fonctionnement de chaque composant ou sous-système du système ne suffit pas pour comprendre ou connaître le système. Il est nécessaire de connaître également les relations entre les composants ou sous-systèmes. Connaître tous les éléments du système voiture ne suffit pas pour comprendre son fonctionnement. 2.1 Frontière d'isolement Avant toute étude, il est nécessaire de définir clairement le système que l'on étudie, c'est à dire : - préciser quels sont les composants ou sous-systèmes qui appartiennent au système étudié, - préciser ceux qui sont extérieurs au système étudié. C est la notion de frontière d'isolement. On peut, par exemple, faire l'étude du système moteur, dans ce cas tous les autres sous-systèmes du système voiture sont extérieurs à l'étude. Une frontière d'isolement est une limite physique ou virtuelle entre le système étudié et son milieu extérieur. Système étudié : voiture Système étudié : moteur Frontière d isolement Remarque : un système est toujours en interaction avec son milieu extérieur. Dans une voiture, le système moteur interagit avec le système de pilotage, avec le système de transmission, avec le système de contrôle Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 2 / 22

2.2 Cycle de vie d un système Le cycle de vie d un système exprime les différentes étapes qui vont de l analyse du besoin jusqu à l élimination ou le recyclage de ses composants. 2.3 Système automatisé De nombreux systèmes techniques, commandés par l'homme qui fournit une faible énergie, mettent en oeuvre de grandes énergies. Par exemple les engins de chantier, les moyens de transport Dans ces cas, l'homme commande et le système technique exécute. Le système est restreint à une Partie Opérative (PO) réalisant la tâche que l'homme ne peut pas faire de ses propres forces. Un système automatisé est un système technique qui intègre une Partie Commande (PC) qui pilote la PO de manière autonome. L'homme n'a plus besoin d'agir sur le système pour que la tâche soit réalisée, sauf éventuellement pour donner des consignes ou réaliser des réglages. Un système est dit automatisé s'il réalise la fonction seul, sans intervention humaine. Exemples de système automatisés : les chaînes de montage de voiture, les avions de ligne qui peuvent se comporter comme un système technique non automatisé (avion commandé par le pilote) ou comme un système automatisé (avion sur pilotage automatique) L'automatisation est fréquente dans le milieu industriel et présente différents avantages : - quantité : un système automatisé permet des cadences élevées (24h/24), - qualité, répétitivité : un système automatisé est fiable sur les opérations répétitives, - pénibilité : un système automatisé évite à l'homme des tâches pénibles, dangereuses ou en environnement hostile (sonde spatiale, manipulation de pièces lourdes dans les chaînes de montage, nettoyage des zones radioactives des centrales nucléaires ). Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 3 / 22

3 Compétences attendues en CPGE pour l étude des systèmes L enseignement des Sciences Industrielles de l Ingénieur a pour objectif de développer les compétences présentées ci-dessous : Pour acquérir toutes ces compétences, un système sera appréhendé selon différents contextes : Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 4 / 22

Ch. 1 : Introduction à l étude des Systèmes- Langage SysML L objectif de ce chapitre est de : Procéder à une analyse de systèmes en abordant différents points de vue Interpréter différents diagrammes SysML Faire le lien entre performances et solutions techniques 1. Introduction : La conception de système technique donne souvent lieu à une accumulation de documentations qui doivent toutes être croisées et mises à jour pour maintenir la cohérence et respecter les spécifications du système. Le langage SysML - Systems Modeling Language - est un modèle numérique, commun à tous les corps de métiers, qui regroupe les spécifications, les exigences et les paramètres de l ensemble du système technique. Il permet ainsi une mise à jour efficace des modifications en phase de conception et évite tout problème de communication cause de retard dans l élaboration du système. 2. Différentes approches Lorsqu on s intéresse à un système, différentes questions viennent à l esprit : On peut les classer suivant 3 catégories, suivant les 3 approches possibles : approche fonctionnelle approche comportementale approche structurelle Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 5 / 22

3. Le langage SysML Pour répondre à ces différentes questions, et de manière universelle, un langage graphique a été mis en place : le SysML - Systems Modeling Language - C est un langage de modélisation graphique et textuel destiné à comprendre et décrire des besoins, spécifier et documenter des systèmes, esquisser des architectures logicielles, concevoir des solutions et communiquer des points de vue. Il s articule autour de différents diagrammes répondant à des points de vue différents, mais cohérents entre eux. DIAGRAMMES FONCTIONNELS Diagramme de contexte Diagramme d exigences Diagramme des cas d utilisation Diagramme de définition des blocs Diagramme de séquence Diagramme d états/transitions Diagramme de bloc interne DIAGRAMMES STRUCTURELS Diagramme d activités Diagramme paramétrique DIAGRAMMES COMPORTEMENTAUX Chaque diagramme comporte un «cartouche» présenté ci-dessous, positionné sur la partie supérieure gauche du cadre. Les diagrammes utilisés dans l étude d un système sont regroupés dans un diagramme de type pkg (package), appelé diagramme de contenu, qui joue un peu le rôle de sommaire. Exemple : balance de cuisine Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 6 / 22

4. Approche fonctionnelle 41. Diagramme de contexte Objectifs : situer le système dans son environnement définir la frontière d étude nommer les différents éléments qui vont interagir ou avoir une influence sur le système étudié. Type : bdd (diagramme de définition de blocs). Le système est considéré comme un bloc (une boite noire), relié à différents éléments du milieu environnant interagissant avec lui. Chaque lien fera l objet de précisions et d exigences (voir diagrammes des cas d utilisation et des exigences). Différents formalismes peuvent être acceptés. Exemple : balance de cuisine Il existe un autre formalisme : 0..1 Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 7 / 22

42. Diagramme des cas d utilisation Objectif : - montrer la(les) fonction(s) réalisées par le système du point de vue utilisateur. Ce diagramme répond à la question : «à quoi sert le système? quel(s) service(s) rend-t-il à(aux) l acteur(s)?» Type : uc (Use Cas : cas d utilisation) On peut envisager pour un même système des diagrammes plus ou moins complets, en fonction des informations qu on souhaite transmettre. Néanmoins, on a intérêt en 1 ère approche à le faire le plus simple possible, en ne mentionnant que les acteurs principaux et en énonçant les fonctions de manière très générale (verbe à l infinitif suivi de compléments, adjectifs). Exemple : Balance HALO Acteur Lien de type extension : le cas d utilisation «Peser les aliments» inclut de manière optionnel le cas d utilisation «convertir la pesée en volume» Fonction principale du système = verbes à l infinitif + complément, l acteur veut pouvoir.. Lien de type inclusion : le cas d utilisation «Peser les aliments» comprend obligatoirement le cas d utilisation «tarer» Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 8 / 22

43. Diagramme des exigences Objectif : - Préciser pour chaque fonction ou lien mis en évidence précédemment les exigences Ce diagramme répond à la question : «qu est-ce qu on attend du système?» Type : req (requirement : exigences) Une exigence exprime une capacité ou une contrainte à satisfaire par un système. Elle peut exprimer une fonction que devra réaliser le système ou une condition de performance technique, physique, de sécurité, de fiabilité, d ergonomie, économique Ces exigences peuvent être de différents types : exigences fonctionnelles, techniques, économiques, environnementales, etc On représentera autant de diagrammes d exigences que nécessaire. Ces exigences peuvent être : décomposées en plusieurs exigences ( ), précisées par certaines valeurs («refine»), satisfaites par certains composants ou blocks («satisfy»), reliées à d autres exigences d une autre catégorie («derivereqt»). Exemple : Balance de cuisine Ces diagrammes peuvent être complétés par des tableaux reprenant certaines exigences afin de les quantifier : Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 9 / 22

5. Approche structurelle 51. Diagramme de définition des blocs Objectif : définir la constitution matérielle du système Type : bdd (Bloc Définition Diagram). Le système est décomposé en différents blocs réalisant des fonctions différentes. Chaque bloc peut être de nouveau décomposé en d autres blocs, etc Un bloc peut contenir toute une série d informations (voir ci-contre). Il existe différents types de lien entre les blocs : - A B : A est composé de B - A B : A peut contenir B ( option ) - A B : A est un cas particulier de B Exemple : Balance de cuisine Exemple : ouvre barrière Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 10 / 22

52. Diagramme de bloc interne Objectifs : Définir la structure interne de chaque bloc. Représenter les échanges de matière/information/énergie entre blocs de même niveau. Type : ibd (Intern Bloc Diagram). Chaque bloc précédemment définie peut faire l objet d un IBD pour préciser sa constitution. Les constituants sont représentés par des blocs possédants des ports d entrée et de sortie. Entre les constituants circulent des flux d énergie (mécanique, hydraulique ), de matière (pièces ayant subies des transformations ), d information (grandeurs physiques, codes ) Il existe deux types d échanges de ports : - les ports de flux : canal d'entrée/sortie par lequel transite de la matière, de l'énergie ou de l'information (MEI). - les ports standards : désigne une interface permettant d'invoquer un service/une opération Exemple : Balance de cuisine Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 11 / 22

6. Approche comportementale 61. Diagramme de séquence Objectif : décrire le scénario correspondant au cas d utilisation considéré en montrant les échanges au cours du temps entre les acteurs et le système. Type : sd (Sequence Diagram ). Chaque cas d utilisation peut être précisé par un diagramme de séquence. Les acteurs sont représentés par des barres verticales, la chronologie des échanges est visible par une lecture de haut en bas. Les échanges entre le système et les différents acteurs sont représentés de façon chronologique. Ils sont de plusieurs types : - le message asynchrone, pour lequel aucun retour n est attendu, - le message synchrone, pour lequel la situation de l envoyeur ne peut évoluer qu à partir de la réception d une réponse, - le message réflexif, qui correspond à une opération effectuée par l élément de manière autonome. Des séquences peuvent se dérouler en même temps, ou être conditionnées par un évènement, etc Elles sont alors représentées dans un cadre avec un type mentionné. Ces types sont : - Opt, pour optionnel, ce qui est contenu dans le bloc est exécuté si la condition est vérifiée, - Alt, pour alternatif, le 1 er bloc est exécuté si la condition est vérifiée, sinon c est le second bloc, - Loop, pour boucle, répète la séquence tant que la condition est vérifiée, - Par, pour parallèle, permet d exécuter deux blocs de séquences en parallèle, - Ref, pour référence, pour intégrer un diagramme de séquence dans un autre diagramme de séquence. Exemple : Balance de cuisine Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 12 / 22

62. Diagramme d états / transitions Objectif : montrer les différents états que peut prendre le système (ou un de ses blocs) en fonction des événements. Type : stm (State Machine Diagram ). Chaque bloc peut faire l objet d un diagramme d états en fonction des besoins de description. Un état est représenté par un rectangle, les passages entre états (transitions) sont représentés par des flèches avec la condition d évolution marquée au dessus : evt[cond]/activité Un état peut correspondre à l exécution d une activité, ou à l attente d un événement. Il est en général constitué d une action d entrée, d une série d activités, et d une action de sortie. Etat initial : Etat final : Une transition peut être un message (une opération terminée par exemple), un évènement qui intervient à un moment donné (when n=5), une condition sur le temps (after 10s) Exemple : Balance de cuisine Un état peut être décrit de manière très générale, puis être décomposé dans un 2 ème temps en une série d états intermédiaires. On appelle cet état un état composite. Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 13 / 22

63. Diagramme d activité Objectif : Décrire l enchaînement des activités au sein d un rectangle état ou d un bloc, décrire les flux transformés. Type : act (Activity Diagram ). Chaque rectangle représente une activité, décrite par un verbe à l infinitif complété par des noms ou adjectifs. Le passage d une activité à une autre est conditionné par la fin de l activité en cours. On peut avoir plusieurs activités en même temps ou 2 activités qui convergent vers une seule On peut avoir un choix des activités à suivre ou effectuer une activité après la fin de l une ou l autre des activités Etat initial : Etat final : Exemple : Balance de cuisine Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 14 / 22

Ch. 2 : Structure des systèmes mécaniques automatisés Les objectifs de l étude structurelle des systèmes sont de : Analyser la constitution d un système mécanique - automatique Définir la fonction de chaque constituant Définir les liens et transferts de données ou d énergie entre ces constituants Acquérir une culture technique de base des principaux constituants 1. Organisation structurelle des systèmes automatises Un système technique agit sur un ou plusieurs éléments afin d en modifier certaines caractéristiques. Il agit sur de la matière d œuvre, afin de lui apporter de la valeur ajoutée. Définitions : Matière d œuvre (MO): C est ce sur quoi agit le système. Elle est de 3 types : Matière, Energie, Information Valeur ajoutée (VA): C est la transformation apportée à la matière d œuvre par le système. C est l écart entre la M.O. initiale et la M.O. finale. Exemples : MO VA Distributeur de billets : Moteur : Capteur de température : D une manière générale, un système technique peut être décomposé en une Partie Opérative (P.O.) et une Partie Commande (P.C.) échangeant des informations. Partie Opérative (P.O.) : assure les transformations des matières d œuvre, permettant d élaborer le produit (M.O. + V.A.). est le siège des conversions énergétiques, énergies pouvant être importantes reçoit des ordres de la partie commande. émet des comptes rendus vers la partie commande Partie Commande (P.C.) : reproduit un modèle de fonctionnement exprimant le savoir-faire humain. commande la partie opérative à partir des informations reçues de l extérieur ou du système lui-même émet des messages vers l extérieur consomme une petite partie d énergie, généralement faible. Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 15 / 22

2. Décomposition d une chaîne fonctionnelle Pour répondre à un besoin, un système doit souvent réaliser, successivement ou simultanément, plusieurs fonctions techniques. Celles-ci sont réalisées par un ou plusieurs constituants que nous modéliserons par des blocs, possédant des entrées et des sorties. Définition : Une chaîne fonctionnelle est un ensemble de constituants organisés en vue de l obtention d une tâche opérative (apport de la VA). Une chaîne fonctionnelle comporte généralement : Une chaîne d énergie (chaîne d action) Une chaîne d information (chaîne d acquisition et traitement). Les fonctions de base peuvent être définies et agencées entre elles par le diagramme suivant : Voir également le diagramme ibd récapitulatif en dernière page. 3. La chaîne d énergie (chaîne d action) : Elle agit directement sur la matière d œuvre Les puissances mises en jeu peuvent être très importantes Les puissances sont principalement de type mécanique, électrique, ou hydraulique 31. Les différents types de puissance Puissance transmise Variable de flux Mécanique Mouv. de translation Mécanique Mouv. de rotation Electrique Hydraulique Variable d effort Expression de la puissance Pour un composant, on définit le rendement énergétique comme le rapport de la puissance sortante du composant sur la puissance entrante. Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 16 / 22

32. Les composants de la chaine d énergie Fonction : a. Les préactionneurs : Un préactionneur est un élément dont le rôle est de distribuer ou moduler l énergie utile aux actionneurs sur ordre de la partie commande. Exemples : Energie de puissance électrique : contacteur ou relais, commande Tout Ou Rien Energie de puissance électrique : carte d axe, commande proportionnelle Elle permet de délivrer par exemple une tension variable, en fonction d un signal de commande numérique Energie de puissance hydraulique ou pneumatique : les distributeurs Ils permettent, à partir d une commande le plus souvent électrique, d envoyer un fluide sous pression dans un orifice ou au autre orifice. Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 17 / 22

Fonction : b. Les actionneurs : Un actionneur est un élément dont le rôle est de convertir une énergie d entrée (transmise par le préactionneur) en une énergie de sortie adaptée à l exécution de la tâche opérative par l effecteur. Les différents types d actionneurs sont : Exemples : Moteur électrique : pour générer un mouvement de rotation Vérin : pour générer un mouvement de translation Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 18 / 22

Fonction globale : c. Les transmetteurs de puissance : Les transmetteurs de puissance permettent de rendre exploitable, par l effecteur, l énergie de sortie de l actionneur. Les fonctions de service assurées consisteront à : Guider (roulements, ). Adapter certaines caractéristiques comme la vitesse ou le couple lors de mouvements (réducteur, système pouliescourroie, ) On peut alors les appeler des adaptateurs de mouvement.. Transformer un mouvement (système vis-écrou, ). Exemples : Transformer une rotation en rotation réduite : engrenages transmission par chaîne Transformer une rotation en translation : système pignon-crémaillère système vis-écrou système bielle-manivelle cames Fonction globale : d. Les effecteurs : Apporter une valeur ajoutée à la matière d œuvre en utilisant les mobilités et les énergies qui lui sont communiquées par les transmetteurs de puissance. Les fonctions de service assurées consisteront à : Prendre (pince de robot, ventouse, ). Déplacer (tapis roulant, ). Usiner (outil de coupe, ). Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 19 / 22

4. La chaîne d information (chaîne d acquisition et traitement) : 41. Définition de l information : Une information est un élément de connaissance susceptible d'être codé (représenté à l'aide de convention) pour être conservé, traité ou communiqué. Une fois codée, l information est supportée par une énergie (en général, faible). Une information qui évolue dans le temps est appelé un signal. Il existe trois familles d informations ou de signaux LOGIQUE - Etats 0 ou 1, OUI [1] ou NON [0], TOUT ou RIEN (TOR). - Supportée par une énergie qui varie, par hypothèse, de manière instantanée. ANALOGIQUE Le signal est une grandeur physique proportionnelle à l information (le coefficient de proportionnalité est défini par la convention) NUMERIQUE Le signal est défini par un nombre entier à des intervalles de temps réguliers, facilement exploitable par un calculateur (CD-Rom, DVD, Télévision numérique). Remarque : un signal analogique peut être transformé en signal numérique par un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN), et inversement par un Convertisseur Numérique-Analogique (CNA) 42. Composants de la chaîne d information Fonction : 421. Les capteurs : Un capteur est un élément de prélèvement et de codage d informations sur un processus ou sur l environnement d un système. Il convertit une grandeur physique (position, vitesse, température, pression, force, ) en une information exploitable par un composant de traitement. On distingue 2 grandes familles de capteurs : Les détecteurs ex. détecteur mécanique de fin de course Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 20 / 22

Les capteurs «continus» capteurs analogiques capteurs numériques ex. potentiomètre ex. codeur Fonction : 422. L unité de commande (P.C.) : Une unité de commande transforme et traite l ensemble des informations nécessaires à la réalisation de la fonction du système automatisé. Exemples : ordinateurs automates programmables cartes électroniques Fonction : 423. Les interfaces de communication: Une interface de communication transforme la convention utilisée pour coder une information, sans modifier le contenu de l information. Exemples : convertisseur analogique numérique convertisseur pneumatique électrique amplificateur 0,5 V 6 V Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 21 / 22

Diagramme ibd de la structure générale d un système mécanique automatisé Lycée Vauvenargues PTSI Etude des systèmes page 22 / 22