AF-Approche Fonctionnelle Cours AF 2 Analyse structurelle

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Analyse structurelle des systèmes industriels

Introduction : Qu'est-ce qu'un système ?

Un système est un ensemble d'éléments, en interaction dynamique, organisés en fonction d'un but.

Exemples de systèmes : le système solaire, le système nerveux, un système automatisé,...

Le dernier exemple est un système physique créé par les hommes dans un but précis : c'est un système

technologique. Les systèmes technologiques sont en relation avec leur environnement.

Dans le cadre de l'enseignement des Sciences Industrielles pour l’Ingénieur (S.I.I.), nous ne nous intéresserons qu'aux

systèmes industriels. Dans un système, il ne suffit pas de connaître tous les éléments du système pour connaître le

système. Il faut aussi appréhender les relations entre les composants afin de déterminer le fonctionnement global.

Il est souvent nécessaire de décomposer un système en sous-systèmes élémentaires afin d’appréhender la

complexité du système global.

Exemple : Un véhicule (Figure 1) est un système complexe, constitué de sous-systèmes comme le système de

direction, de freinage, la transmission…La compréhension globale de ce système passe par la description détaillée de

tous les sous-systèmes le constituant.

Figure 1 : décomposition d’une voiture en sous-systèmes

1- Ingénierie système et cycle de conception :

L’ingénierie des systèmes permet de maitriser le cycle de vie d’un produit en respectant le besoin du client et

l’ensemble des contraintes liés au contexte de conception, de commercialisation et de maintenance d’un produit.

Cette démarche implique de nombreux acteurs dans tous les domaines de la science et de la technologie (sciences

de l’ingénieur, sciences humaines, génie logiciel, économie, design…)

Cette démarche est communément représentée par le cycle en V de la Figure 2 qui s’est imposé comme un standard

de description du cycle de vie d’un produit.

Compétences attendues:

o Définir les frontières de l'analyse,

o Appréhender les analyses fonctionnelle et structurelle,

o identifier et caractériser les éléments transformés et décrire les différents flux (physique, énergétique, informationnel).

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Figure 2 : cycle en V

La formation des étudiants en Sciences Industrielles pour l’Ingénieur doit donner les connaissances de base pour

évoluer au sein des différentes étapes qui constituent le cycle de vie d’un produit. L’enseignement aura pour

objectifs de construire une culture de l’ingénieur en s’appuyant sur les compétences suivantes :

• analyser les systèmes pluri-technologiques complexes

• modéliser ces systèmes

• résoudre pour déterminer les performances de ces systèmes

• expérimenter ces systèmes

• concevoir ces systèmes

• communiquer en utilisant les outils et les moyens adaptés

La complexité des systèmes augmente avec l’évolution des technologies et impose des méthodes de décomposition

et de description rigoureuse des systèmes complexes.

2- Description des systèmes par diagrammes structurels : le langage SysML

Définition : Le langage SysML a pour objectif de formaliser, de manière graphique et indépendante de l’outil

logiciel, les spécifications associées à un système technique complexe. Il permet, entre autres, de spécifier,

concevoir, définir et analyser la structure d’un système, identifier les performances, les limites, l’environnement et

les relations avec l’extérieur.

Ce langage graphique basé sur des diagrammes permet d’aborder l’étude d’un système sous trois aspects :

• Fonctionnel (définition des exigences du client, des fonctions à remplir par le système, de l’environnement)

• Structurelle (analyse de la structure du système, décomposition en sous-systèmes, gestion des échanges

entre les sous-systèmes)

• Comportemental (analyse de l’évolution temporelle des échanges au sein du système)

L’intérêt est de pouvoir lier dynamiquement, à l’aide de logiciels spécifiques, les différents diagrammes afin d’être en

mesure d’évaluer l’impact d’une modification ou d’une évolution de la conception sur l’ensemble des

comportements du système.

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3- Approche fonctionnelle :

3-1 Le diagramme des exigences : Requirement diagram (req)

Définition : Une exigence permet de spécifier une capacité ou une contrainte qui doit être satisfaite par un

système. Elle peut spécifier une fonction que le système devra réaliser ou une condition de performance, de fiabilité,

de sécurité, etc. Les exigences servent à établir un contrat entre le client et les réalisateurs du futur système.

De nombreux domaines peuvent être couverts, les plus classiques étant les exigences environnementales,

économiques, fonctionnelles ou techniques.

La Figure 3 donne un exemple de diagramme des exigences pour un drone de cinéma.

Figure 3 : diagramme des exigences d’un drone de cinéma

Les éléments graphiques de ce diagramme sont :

• des rectangles (Figure 4) représentant les exigences

• des liens dont la syntaxe est indiquée sur la Figure 3.

Figure 4 : syntaxe d’un rectangle du diagramme des exigences

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3-2 Diagramme des cas d’utilisation : Use Case (uc)

L’objectif de ce diagramme est d’identifier la fonction globale d’un système et de répondre à la question « Pourquoi

ce système existe-t-il ? » « Quels services rend-il à l’utilisateur ? ». Ce diagramme met en scène des acteurs

(utilisateurs) et fait apparaître les cas d’utilisation qui doivent être énoncés en termes de service sans tenir compte

de la technologie.

Figure 5 : diagramme des cas d’utilisation d’un drone de cinéma

Les éléments graphiques de ce diagramme sont :

• les acteurs qui sont reliés à un ou plusieurs cas d’utilisation par une ligne simple appelée association ;

• les cas d’utilisation représentés sous forme d’ovales ;

• la frontière représentée par un simple rectangle et qui représente les limites du modèle.

3-3 Le cahier des charges fonctionnel : C.d.C.F

Le Cahier des Charges Fonctionnel est un document qui permet de faire le lien entre le besoin exprimé par un client

et le concepteur du produit. Le besoin est exprimé en termes de fonctions de service (verbe à l’infinitif suivi d’un

complément).

Le C.d.C.F. est utilisé par différents acteurs du cycle en V :

• le donneur d’ordres qui utilise (ou commercialise) le système.

• les ingénieurs des bureaux d’études qui établissent les plans et effectuent les calculs (mécanique, résistance

des matériaux, …)

L’objectif de la mise en place du C.d.C.F. permet:

• avant la conception du système, de fixer les objectifs à atteindre (performances, fiabilité, esthétique …) en

rapport avec l’utilisation prévue.

• après la conception, de vérifier à partir de critères concrets que le système conçu par le bureau d’études

correspond aux besoins exprimés.

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Exemple : Fonction FS1 pour le drone de cinéma

Fonction de service Critère Niveau Flexibilité FS1 : Permettre de survoler un

site et d’embarquer une caméra

pour réaliser des vidéos

• masse embarquée

• durée de vol

• vol stationnaire possible

3 kg

20 mn

+/- 0.5 kg

+/- 5 mn

aucune

Critères d’appréciation des fonctions de service

Les critères sont retenus pour apprécier la manière dont une fonction est remplie ou une contrainte respectée.

Niveau d’un critère d’appréciation

Les niveaux sont directement associés aux critères et permettent de les quantifier numériquement.

Flexibil ité d'un niveau associé à un critère

Le niveau pourra être modulé par des indications de flexibilité qualifiant la plage de variation autorisée du niveau

associé au critère.

4- Approche structurelle :

Deux diagrammes utilisés conjointement :

� diagramme de définition de blocs : pour définir les (classes de) modèles de composants

� diagramme interne d’un bloc : pour représenter l’intérieur d’un bloc (ses composants et leurs liens

structurels)

Diagramme de définition des blocs Diagramme interne du bloc véhicule

4-1 Diagramme de définition de blocs (bdd) :

Rôle :

Montre le système d'un point de vue composé/composant, il répond à la question "qui contient quoi ?".

Il peut aussi montrer les caractéristiques principales de chaque bloc en faisant apparaitre les opérations (rôles) et les

propriétés (caractéristiques).

Permet de représenter les liens entre les blocs de même

niveau par une association (simple trait entre 2 blocs).

Bloc : classe de modèles de composants

� du produit ou de son environnement

� matériels, logiciels, acteurs, abstractions...

Un bloc est caractérisé par :

� ses paramètres (values)

� les blocs qui lui appartiennent (parts)

� ses ports (définis plus loin)

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... représentés :

� soit graphiquement (sauf paramètres)

� soit dans des compartiments

Exemple d’un diagramme de définition de blocs du point de vue externe appliqué à un véhicule :

Définition des relations dans le diagramme :

Association : relation d’égal à égal entre 2 éléments. A utilise B

Dépendance : l’un des deux éléments dépend de l’autre. A dépend de B

Composition : Un élément est une composante obligatoire de l’autre. A entre dans la composition

de B et lui est indispensable à son fonctionnement.

Généralisation : Dépendance de type filiation entre 2 éléments. A est une sorte de B.

Le diagramme exprimé cette fois ci du point de vue interne :

A B

Stéréotype : bloc

particulier (ici, pour

identifier le système)

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Limites et préconisation :

La question du zoom est importante. Même si on peut descendre assez bas dans les détails, il ne sera pas pertinent

en général de le faire. Ce diagramme est utile pour montrer les grosses briques du système.

Il n'est pas obligatoire de faire apparaître les propriétés et les opérations dans chaque bloc.

Dans ce cas le diagramme est relativement pauvre en informations, mais il offre d’un coup d'œil la structure du

système. 4-2 Diagramme de blocs internes (ibd) :

Rôle :

Permet de représenter les échanges de matière/information/énergie entre blocs de même niveau grâce aux ports de

flux (petit carré avec une flèche).

Permet de représenter les services invoqués par un autre bloc grâce aux ports standards (petit carré sans flèche), et

par extension toute entrée/sortie de contrôle/commande.

Permet de représenter les liens entre les blocs de même niveau. En accord avec le bloc de définition de blocs. Définition des blocs Vue du bloc Anti-Lock Controller

Exemple de diagramme de blocs interne appliqué au véhicule :

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Limites et préconisation :

Il faut bien retenir que les liens se représentent entre blocs de même niveau, ils ne se contiennent pas.

Chaque bloc du BDD contenant d'autres blocs peut être représenté par un IBD. Attention à bien faire la différence

entre port de commande et port de flux.

Port standard : désigne une interface permettant d'invoquer un service/une opération

Port de flux : canal d'Entrée/Sortie par lequel transite de la matière, de l'énergie ou de l'information. 5- Organisation fonctionnelle des systèmes industriels pluritechniques :

La fonction principale des systèmes industriels pluritechniques complexes étudiés en SII, est d’apporter une valeur

ajoutée à un flux de matière, de données ou d’énergie.

Pour chacun de ces trois types de flux, un ensemble de procédés élémentaires de stockage, de transport ou

traitement est mis en œuvre pour apporter la valeur ajoutée aux flux entrants.

On peut distinguer au sein de ces systèmes 2 parties, l’une agissant sur les flux de données appelée chaîne

d’information, l’autre agissant sur les flux de matière appelée chaîne d’énergie (fig 1).

� La chaîne d’information ou partie commande élabore les ordres, transfère, stocke, transforme les

informations puis pilote le fonctionnement du système.

� La chaîne d’énergie ou partie opérative transforme et adapte l’énergie, transmet les efforts et agit sur la

matière d’œuvre.

Chacune des deux chaînes peut-être décomposée en un nombre limité de fonctions techniques principales (fig 2).

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Cette représentation des systèmes peut se mettre sous la forme générique d’un diagramme de bloc interne comme

indiqué ci-dessous :

2-1 chaîne d’énergie :

La chaîne d’énergie, associée à sa commande, assure la réalisation d’une fonction de service dont les

caractéristiques sont spécifiées dans le cahier des charges.

Elle est constituée des fonctions génériques : alimenter, distribuer, convertir, transmettre et adapter qui

contribuent à la réalisation d’une action (Agir).

L’action à réaliser impose un flux d’énergie que le système doit transmettre et gérer par sa commande.

Les performances dépendent des caractéristiques des divers constituants de la chaîne d’énergie.

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Exemple d’application : Schéma électrique normalisé du démarrage de moteur asynchrone triphasé

Un schéma de puissance électrique représente, à l’aide de symboles graphiques, les fonctionnalités du circuit

électrique réel.

Commentaires :

- Réseau de distribution électrique :

� ALIMENTE le circuit électrique du produit

- Sectionneur porte fusibles :

� ISOLE le circuit amont du circuit aval

- Fusibles :

� PROTEGENT contre les courts-circuits

- Contacteur :

� DISTRIBUE l'énergie sur ordre de la chaîne d'information

- Relais thermique :

PROTEGE contre les surcharges du moteur (réglage de sensibilité possible)

2-2 Chaîne d’information : La chaîne d’information permet : - D’acquérir des informations

� sur l’état d’un produit ou de l’un de ses éléments (en particulier de la chaîne d’énergie) � issues d’interfaces homme/machine ou élaborées par d’autres chaînes d’information � sur un processus géré par d’autres systèmes (consultation de bases de données, partage de

ressources…)

- de traiter ces informations, - de communiquer les informations générées par le système de traitement pour réaliser l’assignation des ordres destinés à la chaîne d’énergie et/ou pour élaborer des messages destinés aux interfaces homme/machine (ou d’autres chaînes d’information).

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6- Modélisation multiphysique, variables conjuguées :

Derrière les logiciels de simulation utilisés qui permettent la création de modèles multiphysiques se trouvent ainsi

les équations de transfert d'énergie entre les composants des modèles représentant les systèmes réels.

Au-delà, se situe également un type d'analogie entre les divers domaines physiques étudiés : électricité, hydraulique,

mécanique, thermique, chimique, etc.

Analogie :

La puissance est toujours le produit de deux variables conjuguées ou duales. Parmi ces deux variables duales, l'une

d'entre elle caractérise le déplacement dans un milieu donné d'une certaine quantité représentative du domaine

physique concerné. Le tableau ci-dessous présente la quantité caractéristique et la variable flux pour les domaines

électrique, thermique et hydraulique.

La quantité caractéristique possède la propriété d'être une grandeur conservative. La variable flux possède quant à

elle la propriété d'additivité.

Elle se caractérise, entre autre, par la propriété qu'elle peut être mesurée en introduisant un capteur (appareil de

mesure) directement dans le circuit du système. Par exemple, dans le domaine électrique, on utilise un

ampèremètre, dans le domaine hydraulique, un débitmètre.

L'autre variable duale peut être nommée potentiel.

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La variable potentiel se manifeste par son côté relatif obligeant à la définition d'une référence. Par exemple, en

thermique, le zéro absolu, en hydraulique la pression atmosphérique ou la masse dans le domaine électrique. Afin

de « mesurer » la variable potentiel, il faut prendre deux points de mesure dans le circuit sans l'interrompre. On ne

peut mesurer qu'une différence de potentiel. Les composants qui stockent la quantité représentative du domaine

sont :

- domaine électrique, un condensateur ;

- domaine thermique, une enceinte thermique ;

- domaine hydraulique, un réservoir.

La définition de la puissance s’exprime donc par le produit des variables conjuguées potentiel et flux.

Cela permet d'avoir des éléments de stockage et de dissipation de l'énergie cohérents pour la modélisation

multiphysique des systèmes.

Quelques symboles électriques :