Transcript Cours DJ analyse des systèmes 2014

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Cours : ingénierie des systèmes complexes
SII
1. QU’EST-CE-QU’UN SYSTEME ? SYSTEME COMPLEXE ?
Définition d’un système : un système est un ensemble de composants qui interagissent de
manière organisée pour accomplir une finalité commune.
L’organisation structurelle du système associée à son interaction avec l’environnement lui
donne sa signification et permet d’atteindre sa finalité.
Deux exemples de systèmes :
Une « simple » machine à laver le linge est l’association de composants divers : moteur
électrique, poulie/courroie, électronique de gestion/programmation, tambour en tôle percé,
électrovannes, capteur de niveau d’eau/température… Ces composants agissent ensemble de
manière structurée pour laver un volume de linge, qui est la finalité. Cette finalité n’est visible
que si la machine à laver est placée dans son environnement : arrivée d’eau, arrivée électrique,
linge… et utilisateur. La machine à laver est un système qui n’a sa signification que lorsque
ces éléments extérieurs sont réunis.
=
Un téléphone portable est l’association de composants
exclusivement électroniques. Ce système prend toute sa
signification quand il est placé dans l’environnement :
{utilisateur, ondes électromagnétiques reçues}. Sa finalité est de
convertir le signal audio émis par l’utilisateur (émission) en Radio
Fréquences, et de convertir les RF reçues en signal audio
(réception).
Définition d’un système complexe : au sens des sciences de l’ingénieur, un système
complexe est un système intégrant des composants issus de domaines technologiques
différents : électronique, mécanique, hydraulique, RF, optique, etc. Le comportement global
du système émerge donc des interactions simples entre ses constituants, MAIS il est beaucoup
plus riche que la somme des comportements individuels.
Retour aux deux exemples précédents : ainsi, la machine à laver est un système complexe au
sens des SI alors qu’un téléphone portable ne l’est pas.
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Une automobile, système mécanique au départ, est devenue complexe avec la présence de
l’électronique de plus en plus soutenue.
Une des caractéristiques d’un système complexe est qu’il est difficile de prévoir son
comportement, donc de le concevoir, grâce à des méthodes réductionnistes : en gros, il ne
suffit pas de résoudre les équations de comportement de chaque sous système pour connaître
le comportement du système global.
L’objectif de l’ingénierie système est de proposer un ensemble de
démarches méthodiques, associée à des outils permettant de maîtriser la
compréhension, le développement et l’exploitation des systèmes
complexes. La simulation informatique grâce à des logiciels spécifiques
est un des outils permettant de « prévoir » les systèmes complexes. On
parle maintenant de modélisation multiphysique permettant de simuler
un système complet selon les différents domaines (mécanique du solide
indéformable, mécanique des fluides, thermique, électronique,
automatique…). Vous utiliserez des logiciels de simulation en CPGE, et
plus encore en école d’ingénieur.
Remarque sur l’étymologie du mot complexe.
Le mot est issu du latin "complexus": "com" (ensemble, avec) et "plexus" (tisser, lacer)…
Complexe désigne étymologiquement un ensemble d’éléments entrelacés de manière subtile.
Par extension… combinés de manière pas appréhendable par l’esprit de manière immédiate.
En ce qui concerne l’approche des SII en classes préparatoires et les concours (eh oui,
déjà !) : les systèmes abordés en CPGE, et ceux proposés lors des épreuves de concours
(oraux, TP, écrits) seront complexes. Les disciplines dominantes étant la mécanique et
l’automatique, l’électrotechnique et l’électronique.
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Quelques systèmes étudiés lors des épreuves écrites de concours :
Robot nettoyeur de la pyramide du Louvre (Mines AADN 2009)
Pompe turbo moléculaire (Centrale 2009)
Pousseur de tablier du pont de Millau (Banque PT 2008)
Robot Spirit, exploration de Mars (X-ENS 2005)
Dispositif de levage de tramway (CCP 2011)
Les systèmes des épreuves de travaux pratiques des concours : les systèmes que vous
étudierez en séances de travaux pratiques dans le laboratoire de SII sont utilisés pour les
épreuves de concours. En voici un…
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2. LA DESCRIPTION D’UN SYSTEME : Différents points de vue.
Plusieurs points de vue sont possibles et nécessaires pour décrire et analyser un système :
-
environnemental (fonctionnement, cas d’utilisation)
exigences
architecture/constituants
flux d’énergie
causal/grandeurs physique
temporel
Le langage de description SysML™ assure la cohérence de ces points de vue.
Prenons un exemple : le laboratoire de
SII du lycée Jules Garnier est équipé
d’une cordeuse de raquette de tennis.
Ce système (complexe J !) que vous
étudierez en TP est susceptible de tomber
aux épreuves de TP des concours
(finalement les concours Grandes Ecoles
c’est pas si loin !).
Raquette
Chariot
Bouton poussoir
Berceau
Clavier :
programmation de
la tension
2.1. Fonctionnement
L’utilisateur fixe la raquette sur le berceau de la cordeuse. Il saisi et valide la tension de corde
désirée (autour de 250 N) grâce au clavier. Il pince ensuite le bout de corde libre dans le
chariot. Il enfonce le bouton poussoir : le chariot se déplace vers la droite pour appliquer la
tension de 250N désirée à la corde. Pour libérer la corde, l’utilisateur enfonce à nouveau le
bouton poussoir : le chariot se déplace vers la gauche.
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2.2. Besoin, exigences, cahier des charges
Une mauvaise question : « Quel produit dois-je concevoir ? »
Une bonne question : « Quel besoin dois-je concevoir ? »
Le produit n’est que la conséquence d’un besoin à assurer auprès d’un client.
Définition du besoin : service rendu par le produit à l’utilisateur.
Besoin assuré par la cordeuse : Corder une raquette.
On peut représenter le besoin avec un diagramme des cas d’utilisation SysML :
Le cas d’utilisation de la cordeuse représenté grâce à
un diagramme des cas d’utilisation de SysML
(diagramme uc)
Phase de vie de la cordeuse : « habituelle » (= cordage
d’une raquette sans dysfonctionnement par utilisateur
habituel)
Lien d’association
Définition d’un cas d’utilisation : le diagramme des cas d’utilisation (= use case diagram)
permet de modéliser le ou les services rendus par un système, à un ou plusieurs acteurs.
L’UC répond à la question « quels services rend le système ».
Il se définit pour une phase de vie du système. Ici la phase de vie « courante ».
On pourrait définir une phase de vie « Maintenance de la cordeuse » : le cas d’utilisation
serait différent… l’acteur aussi.
Il manque bien des étapes entre le besoin et la réalisation finale ! Il en manque déjà beaucoup
entre le besoin et la conception.
Il faut d’abord décliner le besoin en éxigences.
Besoin ⇒ exigences ⇒ Produit
Définition d’une exigence : action attendue d’un produit nécessaire pour répondre au besoin
exprimé.
Il existe plusieurs types d’exigence :
- Service attendu : exigences fonctionnelles (conséquence directe du besoin)
- Mode de fonctionnement : exigences opérationnelles
- Exigences de performance
- Interface (ergonomie, énergie, transmission des données)
- Contrainte (normes, homologation, règlementation, coût, délai)
Une exigence peut se libeller de manière synthétique avec un substantif d’action ou un verbe
à l’infinitif. L’exigence peut être accompagnée d’une phrase descriptive. Le diagramme
d’exigences SysML (Requirement Diagram) représente ces exigences de manière ordonnée.
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Relation de contenance
Diagramme d’exigence de SysML (Requirement diagram)
L’ensemble constitué de tout ou partie de ces exigences va permettre de constituer le cahier
des charges du produit. Voici un cahier des charges possible de la cordeuse. Notez la
cohérence avec le diagramme d’exigences ci-dessus.
Cahier des charges fonctionnel de la cordeuse représenté sous forme de tableau SysML
Réf exigence Libellé exigence Détail Niveau 6.1.1 Tension de la corde On doit pouvoir tendre la corde entre 4 et 40 daN 4 à 40 daN / 2 Précision du paramétrage tension On doit pouvoir choisir la tension par pas de 1 daN 1 daN / 6.1.2 Dimension cadre raquette Dimension des raquettes de tennis et badmington actuelles 395 mm mini 6.1.4 Rigidité de la cordeuse La déformation de la cordeuse doit être faible 1 mm en longueur (à la tension maxi) maxi 6.2.1 Pivotement de la raquette La raquette doit pouvoir pivoter à 360° 360° / 6.3.1 Alimentation électrique Secteur monophasé 230V -­‐ 50Hz 230V 50Hz / Flexibilité Cahier des charges fonctionnel de la cordeuse avec niveau et flexibilité détaillés
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Définition du cahier des charges (norme NF X 50-151) : Document par lequel le demandeur
exprime son besoin en termes d’exigences. Pour chacune de ces exigences sont définis des
critères d’appréciations. On quantifie chaque critère en lui attribuant un niveau. Chaque
niveau doit être assorti d’une flexibilité.
Quelques remarques sur le cahier des charges fonctionnel :
Le CDCF doit être rédigé indépendamment des solutions envisageables afin de laisser le
plus grand éventail de solutions possibles au concepteur.
Situation dans la vie du produit : le CDCF est un document contractuel remis au bureau
d’études pour la conception du produit. Le CDCF instaure une relation de type
client/fournisseur entre l’étude de marché et le bureau d’étude chargé de la conception.
Le niveau peut être un nombre (chiffre, nombre sans dimension, grandeur physique,
coefficient, échelle d’importance…), un qualificatif binaire (oui/non, possible/impossible…),
une appréciation qualitative (outillage usuel, aspect robuste…).
La flexibilité est une tolérance, une marge encadrant le niveau.
Le cahier des charges peut prendre diverses formes : diagramme d’exigence SysML, tableau,
texte, une simple phrase…
Cahier des charges fonctionnel de la 2CV Citroën… c’est très sérieux mais ça fait sourire.
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2.3. Composition d’un système : arborescence architecturale
La description du besoin effectuée précédemment était externe au produit. Aucune solution
technologique constructive n’a été imaginée ni décrite car le produit était observé du point de
vue du besoin à assurer.
Nous entrons maintenant dans une description interne : « Comment est réalisé le produit ? ».
On peut décomposer la cordeuse en sous ensembles et composants de manière
ordonnée et hiérarchisée grâce au diagramme de définition de blocs SysML (Block
Definition Diagram – BDD) :
Relation de
composition
Sous ensembles de la cordeuse représentés grâce à un
diagramme de définition de bloc de SysML (diagramme BDD)
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Quelques illustrations des composants de la cordeuse :
Rotor du moteur
électrique
Roue
dentée
Pignon
intermédiaire
Chariot (bec
pinceur dessus)
Transmission par
pignon/chaîne
Réducteur de
vitesse à engrenage
(divise la vitesse de
rotation par 50)
Moteur
électrique
Le motoréducteur de la cordeuse
Détail des pinces à griffes de la cordeuse
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2.4. Analyse structurelle : Chaîne d’énergie/Chaîne d’information - Matière
d’œuvre - Valeur Ajoutée
Tout système automatisé comporte :
• Une chaîne d’énergie : c’est la chaîne de composants qui apporte la valeur
ajoutée à la matière d’œuvre. On parle alors de Partie Opérative. La PO est
animée grâce à de l’énergie forte (énergies mécanique, électrique, fluidique
de forte puissance).
• Une chaîne d’information : c’est la chaîne de composants qui permet
d’élaborer les ordres commandant la partie opérative, en fonction des informations qu’elle
reçoit sur la situation de la PO et du milieu extérieur. Généralement, c’est de l’énergie
électrique qui transporte les informations gérées par la Partie Commande (PC). Cette
énergie électrique est de très faible puissance, sans aucune comparaison avec celle utilisée
par la PO (ordre de grandeur : courants de quelques mA, parfois en 24V, alors que pour la
PO, on utilise souvent du 400 V, avec des courants de plusieurs centaines d’A, et puissance
en kW, MW !)
…la tête et les jambes quoi !
La représentation suivante permet de décrire la structure de la cordeuse.
Il est fondamental de bien distinguer la chaîne d’énergie, et la chaîne d’information.
Grandeur physiques
à acquérir
(Information prélevée sur
le chariot : force corde)
Consigne : tension
voulue
Chaîne d’information
Acquérir
Capteur de force
Ressort (mesure ΔL)
Informations
sur afficheur
Traiter
Communiquer
P.C. : Carte de commande
Ordres
Pilotage moteur : variation
fréquence impulsions
Matière d’œuvre
entrante :
Corde pas tendue
Chaîne d’énergie
Effecteur
Energie électrique
(secteur 230V,
50Hz)
Alimenter
(Transformateur
électrique 230V/12V)
Distribuer
Convertir
Energie
électrique
Préactionneur
(hacheur)
Transmettre
Chariot/bec
pinceur
Énergie
mécanique
Actionneur
Adaptateur (ou
(Moteur électrique)
transmetteur)
Engrenage, et,
pignon chaîne
Représentation structurelle de la cordeuse : chaîne d’Energie / chaîne d’Information
Matière d’œuvre
sortante :
Corde tendue à la
tension consigne
Cette représentation est ancienne mais vous la croiserez encore.
NOTEZ BIEN : l’exigence technique assurée par le composant est inscrite dans la case, et le
composant indiqué sous chaque case.
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Les transferts d’énergie et d’information à travers les différents composants peuvent être
visualisés grâce au diagramme de blocs internes SysML (Internal Block Diagram - IBD).
Port de flux
Flux
Chaîne d’énergie de la cordeuse représentée grâce à un diagramme de bloc interne de SysML (diagramme IBD)
Remarque : pour la chaîne d’information, l’énergie n’est pas une finalité, mais juste un moyen de
transport de l’information.
Remarque : la différence est similaire entre électronique et électrotechnique. L’électrotechnique
s’attache à la maîtrise de l’énergie transportée par l’électricité, alors que l’électronique s’intéresse au
signal transporté par l’électricité… pas pareil !
Remarque : si le système n’est pas automatisé, on dit alors qu’il est mécanisé. L’énergie nécessaire à
la production de la VA n’est pas fournie par l’Homme, mais le système est géré par l’Homme.
Souvent les systèmes mécanisés ne comportent pas de PC.
Si l’Homme gère le système et fourni l’énergie, on parle alors de système manuel.
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Définition : la matière d’œuvre
Entité du milieu extérieur au système, sur laquelle le système agit. La matière d’œuvre peut
être de trois types :
- Energie
- Matière
- Information
La matière d’œuvre entre dans le produit (MO entrante=MOE), et sort du produit dans un
état modifié (MO sortante=MOS). Le système modifie donc la MOE qui est transformée
en MOS. La « modification » apportée à la MOE est appelée Valeur Ajoutée (VA).
MOS = MOE + VA
Définition : la valeur ajoutée
La valeur ajoutée est la finalité du produit c'est-à-dire ce qui est apportée à la matière
d’œuvre entrante pour la convertir en matière d’œuvre sortante : MOS=MOE+VA
Pour vous entraîner, quelles sont les MOE, MOS, VA, type VA des produits suivants :
Paire de ciseau, voiture, bâton de colle, four, ordinateur, téléphone…
Représentation (ancienne) du flux de MO grâce à un actigramme
Le flux de matière d’œuvre peut se représenter grâce à la représentation suivante appelée
actigramme :
Matière(s) d’œuvre(s)
entrante(s)
Agir sur la matière
d’œuvre pour
produire la valeur
ajoutée
Matière(s) d’œuvre(s)
sortantes(s)
Pertes, informations
(Pas toujours !)
Système
Exemple pour la cordeuse :
Corde non
tendue
Tension de la
corde à la valeur
désirée
Corde tendue à la
valeur désirée
Cordeuse
Cette représentation est ancienne mais vous la croiserez encore.
MOE = MO entrante = corde non tendue
MOS = MO sortante = corde tendue à la valeur désirée
VA = Valeur Ajoutée = Tension de la corde
Type de MO : matière
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2.5. Point de vue causal/ grandeurs physiques/blocs : schéma bloc
Un schéma bloc permet de visualiser dans un système complexe la conversion des
différentes grandeurs physiques (force, intensité, tension, couple, vitesse…) à travers les
composants assurant chaque conversion. Chaque composant est représenté par une boîte
appelée bloc. Chaque bloc est caractérisé par :
- la grandeur d’entrée du composant (grandeur physique entrante, cause)
- une grandeur de sortie (grandeur physique sortante, conséquence)
- une fonction appelée fonction de transfert et exprimant la loi de conversion entre la
grandeur d’entrée et de sortie du bloc. Cette fonction est une fraction rationnelle
(rapport de deux polynômes).
Dans certains cas le composant peut être une opération mathématique telle qu’intégration ou
dérivation, mais qui a une réalité technologique.
Schéma bloc de la cordeuse
L’exemple ci-dessus montre le schéma bloc de la cordeuse.
L’entrée est la tension consigne voulue par l’utilisateur, la sortie est la tension réelle dans la
corde.
Exemples de fonctions de transfert :
- Résistance et inductance moteur : H ( p) = Im( p) = 1
-
ε ( p) L. p + R
Um
(
p
)
Exemple de l’amplificateur : H ( p) =
= Ka
ε 1 ( p)
Exemple du capteur de force : H ( p) = Umes ( p) = Kc
T ( p)
Le schéma bloc est bien plus qu’une représentation. C’est un outil de calcul. Mais… pas de
panique, tout ceci est l’objet d’un cours de SII traitant des systèmes linéaires que nous
aborderons en cours d’année. Patience, patience…
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2.6. Point de vue temporel (ou séquentiel)
On peut observer le système du point de vue de la chronologie des actions. On appelle cela
l’analyse séquentielle du système.
On peut représenter la séquence des actions de la cordeuse avec le graphe suivant :
Le diagramme d’état SysML ci-dessus (SMD : State Machine Diagram) permet de
représenter la succession des différents états de la cordeuse et les actions qui déclenchent le
passage d’un état à un autre.
Le diagramme d’état et le diagramme de séquence (ce dernier non présenté ici) feront l’objet
d’un cours à part entière.
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2.7.
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On assemble tout ça : SysML
Une vision globale pertinente du système peut
émerger de ces différents points de vue grâce
au métalangage SysML. SysML est garant de
la cohérence de ces différents points de vue.
SysML : Système Modeling Language
(Langage de Modélisation des Systèmes),
apparu en 2007.
Comme nous l’avons vu selon les différents
points de vue, SysML est un langageutilisant
plusieurs outils graphiques offrant au
concepteur un modèle global cohérent. Il
permet de spécifier les systèmes, de concevoir,
définir et analyser leur structure et leur
fonctionnement dynamique, de simuler leur
comportement afin de valider leur faisabilité
avant la réalisation et même le cahier des
charges.
Quels sont les fonctionnalités de l’outil de représentation SysML ?
• Il facilite la collaboration transdisciplinaire des différents corps de métiers intégrés
au système
• Il permet la mise à jour, le stockage et, surtout, le partage ainsi que l’interprétation
facile de toutes les informations nécessaires à la connaissance du système (exemple :
le développement de l’A380 d’Airbus a duré 15 ans. Il peut-être intéressant d’archiver
la description totale du système en continu et ainsi connaître l’historique globale de
son développement. Pour une automobile, le développement dure entre 1 et 2 ans).
• Il permet la modélisation du système à toutes les étapes de son cycle de vie selon tous
les points de vue : expression du besoin/contraintes, organisation structurée des
composants, définition précise de chaque composant, description attendu du
comportement.
• Il permet la mise en relation des différents composants techniques
(exemple cordeuse : commande → hacheur → moteur électrique → engrenage →
chaîne → chariot → corde).
• Il permet la validation de solutions technologique (choix) grâce à une simulation
basée sur des diagrammes paramétriques dans lesquels on peut saisir les équations de
comportement (exemple : choix d’un vérin électrique ou d’un moteur
électrique+chaine pour tirer le chariot de la cordeuse ?)
SysML et l’industrie ?
SysML est surtout utilisé par les grandes entreprises et, de plus en plus par leurs entreprises
sous traitante. Les grandes entreprises faisant office de locomotive et les sous traitants jouant
le rôle de relais pour ce nouvel outil. Quelques exemples :
EADS (European Aeronautic Defence and Space company, CA 50G€,
120 000 personnes) : Société européenne, spatial militaire et civil
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Peugeot (CA 50 G€, 200 000 personnes), Renault (CA 45G€, 120 000
personnes): construction automobile française
SKF (CA 5,5G€, 45 000 personnes): fabricant suédois de roulements
Bombardier (CA 18 G€, 65 400 personnes): société canadienne, matériel
de transport (terrestre, aérien, nautique)
En matière d’informatique ?
Le langage SysML peut nécessiter l’utilisation d’un
logiciel. Plusieurs logiciels sont disponibles. Vous
utiliserez magicdraw au laboratoire de SII (séances
d’activités pratiques). Les diagrammes SysML que
vous avez découverts dans le présent cours sont issus
de magicdraw.
3. Système : « genèse, ascendance, descendance » ?
Comment nait un produit, quel est son cycle de vie ? Quelques éléments de réponse…
Les grandes phases du cycle de vie d’un produit sont présentées ci-dessous.
La période du cycle de vie qui nous intéressera en CPGE s’étend de la définition du besoin
jusqu’à la fabrication. Les phases qui précèdent (étude de marché) et succèdent à cette période
(lancement, vente, SAV, recyclage…) seront abordées en école d’ingénieur.
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Lancement, vente, SAV,
retours client, recyclage,
destruction.
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Etude de
marché
Fabrication, gestion de la
production, métrologie
Bureau des
méthodes
Elaboration des dessins
de définitions cotés,
tolérancés.
« Marketers »,
Ingénieurs
d’études
Bureau d’Etudes
Conception, études, calculs,
dimensionnement
Définition
du besoin
Déclinaison
des exigences
Elaboration du Cahier
des charges
Jalon important du
cycle de vie : Cahier
des charges
Notion de valeur et qualité d’un produit (Attention : faux amis !)
Valeur d’un produit ? Dans l’industrie le mot valeur n’a pas le sens commun :
Qualité
Valeur =
Coût
Qu’est ce que la qualité d’un produit ? Il s’agit là encore d’un faux ami.
La qualité est l’ensemble des caractéristiques d’un produit qui lui confère l’aptitude à
satisfaire des besoins exprimés ou implicites. On dit aussi plus simplement que c’est
l’aptitude à satisfaire son cahier des charges.
Vous devinez donc que l’étude, le développement, la conception, la fabrication, bref, le cycle
de vie d’un produit doit se faire en visant un objectif constant : augmenter la valeur du
produit. Il faut donc satisfaire son cahier des charges le mieux possible, pour un coût le plus
faible possible.
Pour deux produits différents qui satisfont le même besoin, celui qui possède la valeur la
plus élevée est plus compétitif.
- Fin du cours sur l’analyse et la description des systèmes -
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