Cours Etude Systemes

7/21/2019 Cours Etude Systemes

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Ingénierie système

Objectifs du cours :Après avoir étudié l’ensemble de la séquence cours-TD-TP, vous devez être capable de :

– Situer le système industriel dans son domaine d’activité et donner ses caractéristiquesgénérales,– Identier les matières d’oeuvre entrante et sortante,– Préciser les caractéristiques de la valeur ajoutée par le système,– Dénir la nature des énergies ou informations d’entrée et sortie,– Décrire le fonctionnement pour présenter un système (vocabulaire adéquat, outils de

la communication technique),– Relever les performances et les comparer aux caractéristiques du CdCF,– Identier et caractériser les éléments de structure,– Identier les actionneurs et pré-actionneurs,– Identier les capteurs,– Identier les transmetteurs,– Identier une commande programmable et ses interfaces,– Analyser tout ou partie d’un système selon un point de vue donné (structurel ou fonc-

tionnel),– Compléter une description fonctionnelle ou un diagramme SysML– Analyser ou interpréter un diagramme SysML– Prendre des initiatives et travailler en équipes.

Table des matières1 Notion de système 31.1 Dénitions et exemples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Complexité des systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Cycle de vie et (éco-)conception d’un produit industriel . . . . . . . . . . . . . 71.4 L’ingénierie système & nécessité de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Caractéristiques globales d’un système 9

3 Outils et démarches d’analyse d’un système 133.1 Quelques mots sur le langage SysML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Description fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2.1 Diagramme des exigences ( Req – SysML Requirement Diagram) . . . . . 153.2.2 Diagramme de cas d’utilisation ( UC – SysML Use case Diagram) . . . . 163.2.3 Diagramme de contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Description structurelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3.1 Diagramme de dénition de blocs ( BDD – SysML Block Denition Dia-

gram) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3.2 Diagramme de blocs internes ( IBD – SysML Internal Block Diagram) . . 193.3.3 Diagramme paramétrique ( PAR – SysML Parametric Diagram) . . . . . 19

3.3.4 Architecture d’un système automatisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.4 Description comportementale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.4.1 Le diagramme de séquences ( SD – SysML Sequence Diagram) . . . . . . 23



Étude des systèmes

3.4.2 Le diagramme d’états / transitions ( STM – SysML StateMachine Diagram) 243.4.3 Le diagramme d’activité ( ACT – SysML Activity Diagram) . . . . . . . . 253.4.4 Schéma blocs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.5 Outils de description technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.6 La démarche ingénieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4 Bilan : enseignements de SI 28

2




1 Notion de système1.1 Dénitions et exemples

Système1

:On appelle système un assemblage, une collection organisée (possédant une struc-ture) d’objets reliés ou branchés (en interrelation) les uns aux autres, de façon àformer une entité ou un tout remplissant une ou plusieurs fonctions.Un système est un produit articiel de l’esprit des hommes.

Exemples de systèmes :– Système nerveux : combinaison d’éléments qui se coordonnent pour concourir à un

résultat.– Système linguistique : ensemble de termes dénis par les relations qu’ils entretiennent

entre eux.– Système capitaliste, système de parenté : modes d’organisation.– Système d’équations : ensemble de plusieurs équations liant simultanément plusieurs

variables.– Système industriel : ensemble articiel de pièces destiné à répondre à un besoin (du

grand public, des entreprises, . . .).

Théorie des systèmes2 :Théorie générale et interdisciplinaire qui étudie les systèmes en tant qu’ ensemblesd’éléments, matériels ou non, en relation les uns avec les autres et formant un tout.

Remarques :Un système n’est pas un ensemble. Il suft de connaître tous les éléments d’un ensemblepour connaître l’ensemble. Mais il ne suft pas de connaître tous les composants d’un sys-tème pour connaître le système, il faut aussi connaître les relations entre les composants (voirFigure 1).

RouesMoyeu

Chaîne

Guidon

Plateau

Pédales

Manivelles

Cadre Potence

Fourche

Selle

Tige deselle

Système Vélo

FIGURE 1 – Connaître tous les éléments du système vélo ne suft pas pour comprendrele fonctionnement du système (G. Chapey, Analyse des systèmes industriels, ENS Cachan2002).

1. J.L. Lemoigne — Théorie du système général — Ed. PUF.2. Larousse.

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Un système n’est jamais isolé de l’extérieur, mais au contraire il interagit avec lui. Pourmodéliser un système, il faut donc non seulement modéliser ses constituants, les liaisonsentre ces constituants, mais aussi les relations avec les éléments du milieu extérieur (EME)qui dénit les limites du système (trait en pointillés sur la Figure 3).

Ex (Figure 2) : le vélo est en relation avec l’homme, le sol et l’air qui sont des éléments du

milieu extérieur pour le système vélo.

Homme

FIGURE 2 – Un système dans son environne-ment.

liaison

composant

FIGURE 3 – Composants, liaisons, relationsavec l’extérieur et frontière d’un système.

L’homme a rapidement été confronté à sa faible capacité physique et a appris à maîtriserd’autres sources d’énergies pour accomplir des tâches à sa demande. Un grand nombre desystèmes techniques sont apparus, pour lesquels l’homme commande, en fournissant une faible énergie, un système mettant en œuvre de grandes énergies. Par exemple les charrues,les systèmes d’irrigation, les engins de chantier, les voitures, etc... L’homme commande lesystème technique qui est la partie opérative réalisant la tâche que l’homme ne peut faire deses propres forces.

Système technique :La norme NFE 90-001 dénit un système technique comme "un ensemble d’élé-ments interconnectés de façon logique, qui se coordonnent pour réaliser unetâche précise".

Récemment, l’homme a aussi cherché à rendre les systèmes automatiques, en intégrantau système une partie commandequi pilote la partie opérative de manière autonome. La partiecommande tient compte d’informations provenant de l’extérieur pour commander la partieopérative. L’homme n’a plus besoin d’agir sur le système pour qu’il réalise seul la tâche, sauf pour éventuellement donner des consignes ou des réglages. Par exemple on trouve des ma-chines à café automatiques remplaçant des machines à café et le garçon de café. Les avionsde ligne peuvent se comporter comme un système technique (avion commandé par le pilote)ou en système automatique (avion sur pilotage automatique). Les centrales nucléaires sontaussi des systèmes automatiques (l’homme donne seulement les consignes de production).

Système automatisé (ou automatique) :Un système est dit automatisé s’il réalise la fonction seul, sans intervention hu-

maine.L’automatisation est aujourd’hui indispensable dans le milieu industriel et présente dif-

férents avantages :

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Equations différentiellesdu second ordre àcoefficients constants Résolution

polynômecaractéristique

Racines Solutionéquation sans

second membre

Solutiontransitoire Variation de

la constanteConditions

initiales

Formede la

solution

Solutiongénérale

FIGURE 6 – Démarche déductive permettant de résoudre une équation différentielle.

Les systèmes simples sont traités en sciences fondamentales et font appel à l’esprit delogique. Les problèmes sont bien posés et il y a souvent une solution unique. Leur com-portement se place dans le cadre des modèles de connaissances (le comportement de chaquecomposant est géré par un phénomène physique élémentaire, et le comportement du sys-tème entier est la somme des comportements élémentaires).

L’analyse des systèmes complexes est réalisée en Sciences Industrielles pour l’Ingénieur.Elle nécessite de modéliser le comportement des composants du système et de leurs inter-actions. Cette approche sollicite l’esprit de synthèse et d’initiative.

FIGURE 7 – Implantation mécanique ducoupé BMW Z3.

FIGURE 8 – Motorisation hybride de laToyota Prius.

Ex (Figure 7) : un véhicule moderne dans lequel cohabite un grand nombre de sous-ensembles en liaisons les uns les autres : la chaîne de transmission de puissance (elle-mêmedissociable en plusieurs sous-ensembles : moteur, boite de vitesse, embrayage, différen-tiel. . .), les éléments de traitement de "dépollution" des gaz brûlés, les différents circuitsélectriques et hydrauliques (direction assistée, freinage, anti-patinage, contrôle actif de trajectoire), le système d’aération (avec la climatisation), le système de suspension (éventuelle-ment hydraulique), les zones de renforts et les systèmes de sécurité passive etc. La concep-tion d’un tel système nécessite des outils performants.

Nécessité d’interdisciplinarité :La conception d’un système industriel exige de mettre en commun le savoir faire et les

outils de multiples disciplines.Ex (Figure 8) : Quelles sont les disciplines nécessaires à l’élaboration d’une motorisation

hybride thermique/électrique ?

L’analyse des systèmes complexes est au cœur de l’enseignement de Sciences Indus-trielles pour l’Ingénieur. Il s’agira de proposer des modélisations simpliées du compor-

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tement du système en faisant preuve d’esprit de synthèse et d’initiative.

1.3 Cycle de vie et (éco-)conception d’un produit industrielLe cycle de vie d’un produitLa notion de cycle de vie (gure 9) est indissociable d’un système. Elle exprime les diffé-rentes étapes qui vont de l’analyse du besoin jusqu’à l’élimination et/ou le recyclage de ses

constituants.

FIGURE 9 – Les différentes étapes du cycle de vie d’un produit.

Le marché d’un produitAn de satisfaire le besoin exprimé ou impli-

FIGURE 10 – Schématisation des différentsacteurs du marché.

cite des clients, dans un contexte économiquede forte concurrence, des entreprises mettentsur le marché des produits d’une qualité maxi-male à moindre coût, an de dégager le plusgrand bénéce.

L’entreprise a pour objectifs de survivre, sedévelopper, et satisfaire le client. Dans les années80, le produit mis sur le marché se devait d’êtrele meilleur en qualité. Aujourd’hui, il faut quele client soit satisfait de l’utilisation du pro-duit, pour qu’il reste dèle.

Les stratégies des entreprises sont articulées autour de 3 notions clés : Qualité , Coût, Dé-lais. De nos jours, l’essentiel des efforts porte sur la nécessité de tenir les délais.

Besoin :

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nécessité ou désir éprouvé par l’utilisateur (l’acheteur) potentiel. Il concerne lanature de ces attentes et non le volume du marché. Il peut être exprimé ou impli-cite (besoin non exprimé actuel ou futur).

Produit :ce qui est ou sera fourni à un utilisateur pour répondre à un besoin. Un produitest un compromis entre le besoin du client et les contraintes industrielles.

La conception d’un produitLe but d’une conception de produit est de passer du rêve du client au produit nal (voir

gures 9 et 11).

FIGURE 11 – Démarche de conception d’un produit (source Renault).

Actuellement, l’accent est (ou devrait être...) mis sur la minimisation de l’impact envi-ronnemental à chaque étape du cycle de vie. Il s’agit pour cela d’optimiser la consommationd’énergies et de matières premières tout au long du cycle de vie, minimiser les émissions(gaz, molécules, ...) qui peuvent être nocives pour l’Homme ou notre environnement, etaméliorer la recyclabilité du produit.

Dans l’industrie, à chaque phase de conception, des outils sont utilisés pour :– Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges,– Décrire le système en cours de réalisation et/ou ceux des concurrents,– Valider et optimiser au fur et à mesure la solution produite par rapport au cahier des

charges.La recherche de la solution se fait de manière itérative car les systèmes sont complexes.

L’objectif est d’évaluer, puis de minimiser l’écart entre la solution produite et l’attente duclient (voir Figure 12), pour minimiser les défaillances potentielles et générer la satisfactiondu client utilisateur.

1.4 L’ingénierie système & nécessité de modélisationL’Ingénierie Système (IS, ou ingénierie de systèmes) est une démarche méthodologique

coopérative et interdisciplinaire qui englobe l’ensemble des activités adéquates pour conce-voir, faire évoluer et vérier un système apportant une solution économique et performanteaux besoins des parties prenantes et acceptable par tous.

Les métiers mis en oeuvre en IS ont, de tous temps, utilisé des modèles allant de re-présentations des plus concrètes, tels que les plans ou modèles réduits, aux plus abstraites,telles que les systèmes d’équations.

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FIGURE 12 – Schématisation d’une recherche de solution répondant à un besoin exprimé.

En effet, il est nécessaire de s’appuyer sur des représentations, tant du problème que deses solutions possibles, à différents niveaux d’abstraction pour appréhender, conceptualiser,concevoir, estimer, simuler, prouver formellement, valider, justier des choix, communiquer.C’est le rôle de la modélisation.

Aujourd’hui, de par la complexité croissante des systèmes et de par leur aspect pluri-technologique, le formalisme SysML permet à des acteurs de corps de métiers différents decollaborer autour d’un modèle commun dans le processus d’IS.

2 Caractéristiques globales d’un système

Nous allons introduire dans ce paragraphe

SystèmeEntrées Sorties

FIGURE 13 – Point de vue global du sys-tème.

les principales caractéristiques attendues d’unsystème automatisé, en le considérant commeune boîte noire : on ne s’intéresse pas pour lemoment à son contenu (voir Figure 13).

Pour caractériser un système complexe, ilfaut préalablement dénir ses principales caractéristiques :

Contexte :le contexte du système représente l’environnement dans lequel il s’insère, d’unpoint de vue très général. Il s’agit de dénir :– le type de milieu environnant (milieu marin, milieu domestique...),– le domaine d’application (transport, mécanique agricole, sports nautique...),– le type de publique utilisateur (professionnel du bâtiment, particulier,

jeunes...),– le niveau de qualité par rapport aux systèmes concurrents,– etc...

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Frontière :La frontière d’un système est une limite réelle ou ctive, partageant l’ensembledes composants considérés comme appartenant au système du reste, appelé mi-lieu extérieur.

Impact environnemental :Dans chaque étape du cycle de vie d’un produit, il est nécessaire de maîtriser etminimiser l’utilisation de matériaux non renouvelables ou nocifs, l’ énergie consom-mée ainsi que les diverses nuisances (sonores, olfactives, visuelles...).

Besoin :Le besoin correspond à la nécessité ou au désir éprouvé par l’utilisateur potentiel.Il peut être exprimé ou implicite.

Les systèmes industriels ont été créés pour satisfaire un besoin en réalisant une pres-tation. L’outil privilégié pour traduire le besoin satisfait par un système est le diagrammeappelé « Bête à Corne » développé par la Société APTE (APplication des Techniques d’En-treprises). Il faut répondre aux trois question :

– à qui le système rend-il service ?– sur quoi (sur qui) le produit agit-il ?– dans quel but est-il utilisé?

Le besoin ainsi schématisé (voir Figure 14) doit être verbalisé par une phrase du type :"Le produit rend service au client en agissant sur la matière d’œuvre pour satisfaire le besoin."

Chaîne Hi-fi

amateurde musique

ambiancedu salon

Écouter de la musique

FIGURE 14 – La chaîne HiFi rend service à l’amateur de musique en agissant sur l’ambiancedu salon pour écouter de la musique.

De plus, il doit être qualié et quantié par des critères.Remarque : en phase d’analyse du besoin, le produit n’existe pas : on ne doit avoir aucune idé

sa matérialisation.Validation du besoin : Pour valider le besoin, il faut répondre aux questions suivantes,

an de pouvoir cerner l’espérance de vie commerciale du produit :– Pourquoi ce besoin existe-t-il ?– Qu’est-ce qui pourrait le faire évoluer?

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– Existe-t-il un risque de le voir évoluer ?– Qu’est-ce qui pourrait le faire disparaître ?– Existe-t-il un risque de le voir disparaître ?

Fonction principale (ou fonction globale) :Tout système étant destiné à accomplir une tâche, il peut être déni globale-ment par la fonction qu’il remplit. La fonction globale de tout système conçu parl’homme est d’apporter une valeur ajoutée à une matière d’œuvre dans un contextedonné. Si elle n’est pas remplie, le système perd sa raison d’être.

D’un point de vue global, un système est vu comme générateur de prestations, pourrendre l’utilisateur content. Si votre vélo vous sert à aller au lycée le matin, il est unique-ment vu comme un moyen de se déplacer et non pas comme un ensemble de pièces. Vous jugez de ses performances par son prix, l’effort à fournir pour le trajet, la rapidité, l’estimede la marque, etc... Autant de caractéristiques de la fonction globale du système.

La représentation classique d’un système global est constitué d’un rectangle symbolisantla frontière, contenant la fonction. Les entrées sont données à gauche et les sorties à droite(voir Figure 15).

Agir sur lamatière d'oeuvre

Matière d'oeuvreentrante

Matière d'oeuvresortante

Informations de sortie

Déchets

Informations entrée

Energie

Perturbations

Système

FIGURE 15 – Représentation globale du système.

Nota :– Le terme « fonction » correspond aux actions d’un produit ou de l’un de ses consti-

tuants, exprimées exclusivement en terme de nalité et non de solutions.– Les fonctions sont indépendantes des solutions.– La fonction doit être décrite par un verbe à l’innitif suivi de compléments.– Des critères de performance, chiffrés, sont associés à la fonction.

Matière d’œuvre :Un système agit sur de la matière d’œuvre (MO). La matière d’œuvre est l’élémentsur lequel le système agit pour le faire passer d’un état initial (matière d’œuvreentrante) à un état nal (matière d’œuvre sortante). Elle ne change pas de natureau passage dans le système. Il en existe quatre types :– un produit ou une matière,– une énergie,– une information,– un être humain.

Valeur ajoutée :

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FIGURE 18 – Performances d’une chaîne HiFi.

– plages d’entrées ou sorties admissibles,– précision d’une grandeur de sortie,– rapidité de la partie opérative pour des variations de consigne,– abilité du système à réaliser la tâche,– coût du système à l’achat initial,– consomation du système,– grandeurs mécaniques, électrique, optiques, sonores, ...– recyclabilité.

Application : critères de performances du système fusée Ariane.

3 Outils et démarches d’analyse d’un systèmeLes systèmes industriels étant par nature complexes, un certain nombre d’outils gra-

phiques permettent de donner une représentation simpliée du système selon un point de vueparticulier. Les différentes représentations seront adaptées à différentes analyses du sys-tème. Quatre points de vues seront développés dans ce paragraphe :

– les descriptions fonctionnelles des systèmes,– les descriptions structurelles des systèmes,– les descriptions comportementales des systèmes,

– les descriptions techniques des systèmes.Le choix de l’outil de représentation dépend de l’usage que l’on souhaite en faire :• Dans le cadre de la conception d’un produit, des approches fonctionnelles seront privilé-giées, la structure n’étant pas connue.• Ensuite, dans des étapes d’optimisation et d’analyse, des approches structurelles et com-portementales sont nécessaires.

Lors de la conception d’un produit, ces descriptions sont regroupées dans le Cahierdes Charges Fonctionnel. Cela permet de préciser les performances attendues associées auxfonctions à satisfaire par le système.

Illustration : nous nous attacherons à illustrer les outils de descriptions détaillés sur unsystème du quotidien, la balance pour aliments Terraillon Halo (voir gure 19) permettantla pesée d’articles jusqu’à 3 kg au gramme près.

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FIGURE 19 – Balance culinaire Terraillon Halo.

3.1 Quelques mots sur le langage SysML

Comme présenté en partie 1.4, nous utiliserons le langage de modélisation SysML 4, parl’intermédiaire de ses différents diagrammes, pour décrire et modéliser les systèmes.

SysML (pour « System Modeling Language » ) est un langage de modélisation graphiquedérivé d’UML (utilisé en informatique essentiellement). Comme UML, SysML n’est pas uneméthode mais un outil de description et de modélisation d’un système. Sa première versionnalisée établie par l’OMG ( « Object Management Group » ) date d’avril 2007, résultat d’ungroupe de travail lancé en 2001 par l’INCOSE (groupe de travail sur la modélisation dessystèmes pilotés par les modèles) an d’adapter UML à l’IS.

SysML étant un langage de modélisation graphique, chaque élément de description dusystème se fait au moyen de diagrammes (gure 20).

FIGURE 20 – Présentation générale des diagrammes SysML.

4. OMG, "SysML Specication v 1.3", juin 2012, www.sysml.org/specs/

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3.2 Description fonctionnelle3.2.1 Diagramme des exigences (Req – SysML Requirement Diagram)

FIGURE 21 – Diagramme des exigences de pesée de la balance Halo.

Ce diagramme (voir gure 21) modélise les exigences devant être vériées par le systèmeen liant les solutions mises en oeuvre sur le système avec les besoins dénis dans le cahierdes charges. Il traduit, par des fonctionnalités ou des contraintes, ce qui doit être satisfaitpar le système.

Il est possible d’effectuer divers regroupements d’exigences, comme celles fonctionnelles,environnementales, marketting, design, technique, économique, . . .

Il est alors préférable de réaliser plusieurs diagrammes si nécessaire pour ne pas alourdirla présentation : par exemple, un diagramme pour les exigences techniques, puis les autres

groupes d’exigences sur d’autres diagrammes.An de présenter plus lisiblement les critères et niveaux associés à chaque exigence, il

est possible de les détailler dans un tableau.

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FIGURE 23 – Diagramme de cas d’utilisation plus détaillé de la balance Halo.

FIGURE 24 – Diagramme de contexte en phase d’utilisation de la balance Halo.

C’est normalement le diagramme préalable à tout autre car il permet d’exprimer l’envi-ronnement du système dans une situation donnée, dans une phase donnée. Il permet ainside manière graphique de faire émerger l’expression du besoin et certaines contraintes, qui

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se retrouveront dans le diagramme d’exigences.Ce diagramme est non normalisé, et l’on utilise le plus souvent un diagramme de déni-

tion de blocs.Illustration : on propose en gure 24 un diagramme de contexte de la balance Halo en

phase d’utilisation. On trouvera en Annexe un diagramme de contexte étendu.

Application : proposer un diagramme de contexte du système de suivi de trajectoire.

3.3 Description structurelleUne description structurelle met en avant l’agencement des différents composants ainsi

que leurs relations. En cours d’année, différents outils supplémentaires seront développésan de modéliser l’organisation cinématique d’un système ou bien l’architecture interned’une partie commande.

3.3.1 Diagramme de dénition de blocs (BDD – SysML Block Denition Diagram)

FIGURE 25 – Diagramme de dénition de blocs de la balance Halo.

Le diagramme de dénition de blocs modélise l’architecture structurelle (composé, com-posant) du système en répondant à la question "qui contient quoi ?".

Il permet de visualiser en un clin d’oeil la structure du système en représentant les liensentre les blocs de même niveau par une association (simple trait entre 2 blocs), ou de niveaudifférent par une composition (trait comportant un losange du côté du contenant).

Il peut aussi montrer les caractéristiques principales de chaque bloc en faisant apparaitreles opérations et les propriétés.

Illustration : on propose en gure 25 un diagramme de dénition de blocs de la balanceHalo.

Application : proposer un diagramme BDD du système de suivi de trajectoire.

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FIGURE 26 – Diagramme de blocs internes de la balance Halo.

3.3.2 Diagramme de blocs internes (IBD – SysML Internal Block Diagram)

Le diagramme de blocs internes représente la manière dont interagissent les blocs, parleurs connections et leurs ux d’échanges : matière, énergie, information.

Il introduit la notion fondamentale de port qui correspond à un point d’interaction avecl’extérieur du bloc. On distingue principalement 2 types de ports :

– un port standard (carré simple) correspond à une interface d’entrée ou sortie de com-mande, contrôle, réglage...

– un port de ux (carré avec èche) correspond à un élément par lequel transite de lamatière, de l’énergie ou de l’information.

Les connecteurs (traits) entre les ports indiquent soit les associations soit les ux de ma-tière, d’énergie et d’information entre les différents blocs.

Un diagramme de blocs internes représente l’intérieur d’un bloc issu du diagramme de blocs, voire le système complet.

Illustration : on propose en gure 26 un diagramme de blocs internes de la balance Halo,avec alimentation par pile.

Application : proposer un diagramme IBD du système de suivi de trajectoire.

3.3.3 Diagramme paramétrique (PAR – SysML Parametric Diagram)

Le diagramme paramétrique est utilisé pour exprimer les contraintes physiques entre les blocs avec des équations et des paramètres qui permettent de simuler le fonctionnement du

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système. Il peut ensuite être utilisé pour faire des simulations qui vérieront si le systèmerépond ou non aux spécications.

On propose en gure 27 un diagramme paramétrique d’un système de freinage ABSpermettant de relier force et distance de freinage.

FIGURE 27 – Exemple de diagramme paramétrique (source : tutoriel de l’OMG).

3.3.4 Architecture d’un système automatisé

Un système automatisé peut dans la plupart des cas être décomposé en deux parties : la partie commande et la partie opérative (voir Figure 28).

PartieCommande

PartieOpérative

Chaîne d'action

Chaîne d'acquisition

Matière d'oeuvreentrante

Matière d'oeuvresortante

FIGURE 28 – Décomposition en partie commande et partie opérative.

Un système automatisé est constitué de :• la partie opérative (PO), qui agit directement sur la matière d’œuvre pour lui apporter

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la valeur ajoutée. Au plan informationnel, elle émet des comptes rendus vers la partie com-mande et reçoit des ordres an de moduler ou arrêter son action sur la matière d’œuvre.Elle représente en quelque sorte la "main" du système. Les énergies manipulées sont sou-vent élevées (380V en électricité, 250 bars en hydraulique, . . .). Les principales techniquesrencontrées dans les parties opératives sont :

– électrique,– hydraulique,– pneumatique,

– thermique,– mécanique.

Une partie opérative utilise souvent plusieurs types de technologies.

• la partie commande (PC), qui assure la coordination des tâches nécessaires pour ef-fectuer le processus souhaité (modèle construit), le pilotage (ordres envoyés) de la PO etl’échange d’informations vers l’utilisateur ou d’autres systèmes automatisés. Elle représenteen quelque sorte le " cerveau" du système. Les énergies manipulées sont faibles (5V en élec-trique, 15 bars en hydraulique,. . .). Les principales techniques rencontrées dans les partiescommandes sont :

→ Technologies cablées :– électrique,– pneumatique,– électro-pneumatique.

→ Technologies programmées :– électronique,– logiciel.

Une partie commande peut utiliser plusieurs types de technologies.

Représentation sous forme de chaîne fonctionnelleUne chaîne fonctionnelle est décrite sous forme de blocs et de liens caractérisant les gran-deurs échangées d’un bloc à un autre. Chaque bloc contient le nom du composant considéré,ainsi que sa fonction (voir Figures 29 & 30).

FIGURE 29 – Vue détaillée de la structure d’un système automatisé (en boucle fermée).

3 grandes parties peuvent être dégagées :• Une chaîne d’acquisition (ou de retour), qui permet l’enregistrement de signaux prove-

nant de différents capteurs ;• Une unité de traitement des informations (ou PC) : les signaux des capteurs sont com-parés avec les consignes. Suivant l’écart, un ordre est envoyé à la chaîne d’action ;

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FIGURE 30 – Système automatisé en boucle ouverte.

• Une chaîne d’action (distribution d’énergie, génération de mouvements).

Lorsqu’une chaîne fonctionnelle comporte les 3 parties citées ci-dessus, on dit que c’estun système fermé (boucle fermée). Il y a un retour d’information sur ce qui est fait et unepossibilité de correction suivant l’écart par rapport à la consigne de départ (voir Figure 29).

Si la chaîne d’acquisition est absente, on a alors une chaîne ouverte (Figure 30). Il n’y aaucun moyen de contrôler ce que l’on fait.

Représentation sous forme de chaîne d’information et chaîne d’énergie

FIGURE 31 – Représentation formelled’un système sous forme de chaîne d’information etchaîne d’énergie.

Dans la chaîne d’énergie(voir gure 31) d’un système complexe, on retrouve généralementdifférents types de composants, soit un ou plusieurs :

– effecteur [verbes clés : AGIR, OPÉRER] : Situé à l’extrémité de la chaîne fonctionnellede la partie opérative, il agit directement sur la matière d’œuvre (ex : pelle d’une pel-leteuse, doigt d’un robot de préhension, roue d’un véhicule, etc...) ;

– adapteur [verbes clés : MODULER, ADAPTER, TRANSMETTRE] : Sans changer letype d’énergie, il l’adapte pour qu’elle soit utilisable par l’effecteur. (ex : réducteur

[diminue la vitesse et augmente le couple], transformateur de mouvement [transformel’énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation], transformateurélectrique, etc..) ;

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– actionneur [verbes clés : CONVERTIR] : il convertit l’énergie disponible en une énergieutilisable par l’effecteur (ex : moteur électrique, vérin pneumatique, etc...) ;

– préactionneur [verbesclés : ALIMENTER, TRANSMETTRE,STOCKER] : il a pour rôlede transmettre de l’énergie aux actionneurs (fortes puissances) selon les ordres de lapartie commande (faible puissance) (ex : relais électriques, contacteurs, distributeurs,

un carburateur, etc...) ;Dans la chaîne d’information (voir gure 31) d’un système complexe, on retrouve généra-lement différents types de composants, soit un ou plusieurs :

– interface avec l’utilisateur (pupitre, IHM : interface Homme Machine) [ verbes clés : ACQUÉRIR, COMMUNIQUER, RESTITUER] : chargée d’échanger de l’informationavec l’opérateur aussi bien en entrée qu’en sortie (clavier, écran, HP, ...) ;

– capteur [verbes clés : MESURER, CODER] : mesure l’état d’une grandeur physiqueet renvoie une information destinée à la partie commande (ex : capteur de présence,tachymètre, thermomètre, ...) ;

– un ou des constituant(s) chargé(s) de gérer le système : en général ce constituant estconstruit autour d’un microprocesseur ou d’un microcontroleur (PC, automate pro-grammable, carte micro programmable, ...) mais peut aussi être des constituants élé-mentaires à base d’amplicateurs opérationnels et de composants logiques ou séquen-tiels [verbes clés : TRAITER, CALCULER, EXECUTER, TRANSMETTRE] ;

– codeur ou convertisseur [verbes clés : TRAITER, RESTITUER] chargé de traiter lessignaux issus de capteurs (CAN Convertisseur Analogique Numérique, CNA Conver-tisseur Numérique Analogique, ltre, ...) ;

Remarque : Tous ces composants ne sont pas toujours présents dans certaines architec-tures, qui peuvent parfois employer un type de composant différent ou des ux différents.C’est à vous d’observer le réel pour synthétiser son architecture sous forme de schéma fonc-tionnel.

Application : proposer une décomposition en PC et PO du système de suivi de trajectoire d’Ariane

3.4 Description comportementaleUne description comportementale d’un système vise à caractériser le comportement du

système plus que sa structure ou sa fonction.Nous présenterons ci-dessous deux outils : les schéma blocs, bien adaptés au systèmes

analogiques, et les diagrammes SysML de séquences, d’états et d’activité , destinés aux systèmes

logiques séquentiels.Les descriptions comportementales feront l’objet de séquences de cours détaillées et dé-diées au cours de l’année.

3.4.1 Le diagramme de séquences (SD – SysML Sequence Diagram)

Le diagramme de séquences (voir gure 32) permet de décrire le(s) scénario(s) d’un casd’utilisation.

Il répond à la question : "Comment est réalisé ce cas d’utilisation ?".Il représente les différentes interactions du système (ou de sous-systèmes le cas échéant)

avec les différents acteurs (ou système ou sous-systèmes) au moyen de messages, dans lecontexte d’un scénario donné. Il ne montre donc que l’enchaînement séquentiel des diffé-rentes interactions.

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FIGURE 32 – Diagramme de séquences de la balance Halo correspondant au scénario « peserun aliment de masse quelconque » .

Dans une démarche de conception, il permet de distinguer les différents éléments struc-turels à travers les échanges de manière granulaire : à partir d’un niveau de type « boîtenoire » , les interactions entre le système et les acteurs permettent de faire apparaitre lesinterfaces d’échanges (interface homme/machine – IHM –, capteurs, actionneurs) pour -nalement en déduire leurs liens avec l’organe de contrôle central (automate programmableou microprocesseur de la partie commande).

Remarque : Comme dans tout diagramme SysML, le niveau de détail est laissé au choix, et p

être réduit dans un premier temps, pour être détaillé plus précisément ultérieurement.Illustration : on propose en gure 32 un diagramme de séquences de la balance Halo

correspondant au scénario « peser un aliment de masse quelconque » .

3.4.2 Le diagramme d’états / transitions (STM – SysML State Machine Diagram)

Le diagramme d’états/transitions (gure 33) permet de décrire les différents états prispar un bloc (le système, un sous-système ou un composant) en fonction des événements quilui arrivent.

Un état représente une situation d’une durée nie durant laquelle un système exécuteune activité (une ou plusieurs actions), satisfait à une certaine condition ou bien est en at-tente d’un événement. Le passage d’un état à un autre se fait en franchissant une transition.

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FIGURE 33 – Diagramme d’états de la balance Halo correspondant à une séquence de pesée.

Il est possible de rajouter des événements internes an de montrer la réponse à un évé-nement sans changer d’état. Les événements entry, do et exit indiquent ce qu’il se passe àl’entrée dans l’état (mot clé entry), pendant l’état ( do) et à la sortie de l’état ( exit).

Les variables d’entrée/sortie intervenant sont celles dénies dans le diagramme de blocsinternes.

Un tel diagramme permet l’implémentation logicielle générant les différents diagrammesde séquence. Il nous servira essentiellement à décrire le fonctionnement d’un programme.

Remarque : étant postérieur aux diagrammes de séquences et de blocs internes, il estnaturellement rédigé en dernier.

Illustration : on propose en gure 33 un diagramme d’états de la balance Halo corres-pondant à une séquence de pesée.

3.4.3 Le diagramme d’activité ( ACT – SysML Activity Diagram)

Le diagramme d’activité décrit l’enchaînement des actions pour une activité du système.Il permet de représenter le déroulement d’un processus sous la forme d’une activité cor-

respondant à une décomposition séquentielle d’actions, appelées tâches.Il est par exemple fort utile pour détailler ce qu’il se passe dans un état d’un diagramme

d’états.Dans sa forme la plus restreinte, ce diagramme représente un algorigramme, c’est-à-dire

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un ux de contrôle (ce ux n’a rien à voir avec ceux présents dans le diagramme de blocsinternes : il ne faut donc pas les confondre).

Contrairement au diagramme d’états,– il n’existe aucun évènement associé aux transitions entre actions (la n d’une action

implique automatiquement le passage à la suivante),

– il n’est pas rattaché à un seul bloc de l’ibd.Non explicitement au programme, il sera rencontré postérieurement.

3.4.4 Schéma blocs

Les schémas blocs, encore appelés schémas fonctionnels (où le terme fonctionnel désigne icile comportement) utilisent trois objets :

– les blocs caractérisent une relation de comportement entrée/sortie. Ces blocs peuventcontenir soit le nom d’un sous-ensemble dont le comportement n’est pas encore expli-cité, soit une fonction de transfert dont la formule explicite l’équation d’entrée/sortie.Les fonctions de transfert H ( p) sont généralement écrites avec le formalisme de La-place que nous verrons très prochainement.

– Les liens représentent une grandeur identiée comme la grandeur de sortie d’un blocet/ou la grandeur de sortie d’un autre bloc. Ces liens peuvent représenter une gran-deur physique ou non.

– Les comparateurs (ou sommateurs) additionnent ou retranchent les grandeurs quidoivent bien entendu être du même type.

+-

+

+

SommateurLienBloc

FIGURE 34 – Description du système par un schéma bloc.

Les schémas bloc sont adaptés à l’étude des systèmes continus (ou analogiques) où lesgrandeurs étudiées sont des fonctions du temps continues par morceaux. Les relations decomportement sont généralement décrites par des équations différentielles liant la fonctionde sortie à la fonction d’entrée.

Application : proposer un schéma bloc du système d’orientation de la tuyère.

3.5 Outils de description technique[→ cours à venir...]

Cette partie comprend la représentation normalisée des systèmes sous forme de dessin in-dustriel. La production d’un plan est l’aboutissement du processus de conception. Sur leplan, toute la géométrie, les côtes dimensionnelles, les spécications particulières concer-nant les matériaux, les traitements thermiques y sont reportées. Le plan constitue le princi-

pal élément des documents contractuels A notre niveau, il s’agira simplement de connaîtreles règles élémentaires an d’être capable de lire un dossier technique de concours.

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3.6 La démarche ingénieurDénition de l’ingénieur par la Commision des Titres d’Ingénieur :Le métier de l’ingénieur consiste à poser et résoudre de manière performante et innovante d

problèmes complexes, de création, de conception, de réalisation, de mise en oeuvre, au sein d’un ganisation compétitive, de produits, de systèmes ou de services, éventuellement de leur nancemet de leur commercialisation. À ce titre, l’ingénieur doit posséder un ensemble de savoirs techniqéconomiques, sociaux et humains, reposant sur une solide culture scientique.

La démarche ingénieur peut s’illustrer par les gures 35 et 36.

FIGURE 35 – La maîtrise des modèles.

Un ingénieur doit ainsi être capable de :

– Vérierles performances attendues d’un système complexe (évaluer et maîtriser l’écart1),

– Valider une modélisation à partir d’expérimentations (évaluer et maîtriser l’écart 2),– Prévoir les performances d’un système à partir d’une modélisation (évaluer et maîtri-

ser l’écart 3).

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4 Bilan : enseignements de SIContenuLes éléments de la partie opérative (pré-actionneur, et surtout actionneur et effecteur)

sont souvent des organes mécaniques. L’étude du comportement de tout ou partie de la par-tie opérative nécessitera donc de connaître les outils de la mécanique du solide (cinématique,statique, dynamique). L’étude de la partie commande, si les signaux transmis et reçus sontdes variables binaires (valeurs 0 ou 1) fait appel aux théories des automatismes (logiquescombinatoire et séquentielle). Enn, lorsque les signaux transmis et reçus sont des variablescontinues, l’étude du comportement de la chaîne fonctionnelle nécessite la connaissance dela théorie des asservissements. C’est pourquoi le cours de S.I. portera pour une bonne partiesur ces sujets (cinématique, statique et dynamique du solide, logiques combinatoire et sé-quentielle, asservissements).

Compétences attenduesL’analyse des systèmes est un point central en Sciences de l’Ingénieur aux concours. On

ne vous demandera pas de restituer des connaissances apprises au cours de l’année. Vousserez jugés sur vos capacités à :

– présenter un système réel dans son contexte et dans sa globalité,– mobiliser vos connaissances pour analyser le comportement du système complexe,– proposer des solutions vis-à-vis de problèmes techniques.Concrètement, il s’agit pour vous d’adopter une démarche ingénieur, c’est à dire de faire

preuve d’esprit de synthèse lorsque vous présentez le système ou vos résultats et d’espritd’initiative et de créativité lorsque vous manipulez le système, lorsque vous proposez desmodèles simples et lorsque vous êtes face à une difculté.

FIGURE 36 – Triptique représentant le dialogue entre les domaines de travail de l’ingénieur.

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ANNEXE : associations et relations dans les diagramme SysML.

FIGURE 37 – Détail des différents types d’associations dans les diagrammes SysML.

FIGURE 38 – Détail des différents types de relations dans les diagrammes SysML.

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ANNEXE : différents types de composants intervenant dans les parties opératives.

Documents

Cours Etude Systemes