ETUDE DES SYSTEMES - PCSI-PSI AUX ULISpcsipsiauxulis.com/IMG/pdf/AnalyseSysteme.pdf · de sécurité passive de l'Audi TT version Coupé . ... - Formaliser ce que souhaite le client

Analyser CI1- Présentation de l’Ingénierie Système

Sciences Industrielles de l’Ingénieur – PCSI MPSI Page 1 sur 12

COURS

ETUDE DES SYSTEMES

Table des matières 1. Contexte ............................................................................................................................................ 2

1.1 Historique des systèmes industriels ................................................................................................ 2

1.2 Conception d’un système innovant (actuel) ..................................................................................... 3

1.2.1L’entreprise ................................................................................................................................ 3

1.2.2 Cycle de conception ................................................................................................................. 3

1.2.3 La validation du Cahier des Charges Fonctionnel ............................................................... 3

2. Présentation générale des systèmes ................................................................................................. 4

2.1 Définitions ....................................................................................................................................... 5

2.1.1 Système ................................................................................................................................... 5

2.1.2 Composant et organisation ....................................................................................................... 5

2.1.3 Frontière ................................................................................................................................... 5

2.2 Matière d’œuvre et valeur ajoutée (notions programme précédent) ................................................ 6

2.2.1 Fonction Globale ...................................................................................................................... 6

2.2.2 Matière d’œuvre ....................................................................................................................... 6

2.2.3 Valeur ajoutée .......................................................................................................................... 6

2.3 Classification des systèmes ............................................................................................................ 6

2.3.1 Contexte ou domaine d’application ........................................................................................... 6

2.3.2 Critères Technico-économiques ............................................................................................... 7

2.4 Points de vue de l’Analyse Système ............................................................................................... 7

3. L’Ingénierie Système ............................................................................................................................ 7

3.1 Définition de l’Ingénierie Système ................................................................................................... 7

3.2 Les systèmes complexes ................................................................................................................ 7

3.2.1 Notion de complexité ................................................................................................................ 7

3.2.2 Représentation des systèmes complexes ................................................................................. 7

3.2.3 Démarche d’analyse des systèmes complexes ........................................................................ 8

3.3 Processus de conception des systèmes complexes ........................................................................ 8

4. Architecture d’une chaîne fonctionnelle ................................................................................................ 9

4.1 Décomposition partie commande partie opérative ........................................................................... 9

4.2 Architecture topo-fonctionnelle d’un système et Chaînes fonctionnelles ....................................... 10

4.2.1 Schéma d’architecture topo-fonctionnelle ............................................................................... 10

4.2.2 fonctions techniques - composants ......................................................................................... 12

SYNTHESE ............................................................................................................................................ 12



COURS

1. Contexte

1.1 Historique des systèmes industriels L’être humain ne cesse de créer et optimiser des outils et techniques pour améliorer son quotidien et sa

productivité. Historiquement, cette progression peut se résumer en 3 grandes étapes :

- Jusqu’à la fin du XVIIième siècle : travail essentiellement manuel

- XVIIIième et XIXième siècles : mécanisation forte, utilisation de nouvelles sources d’énergies

- XXièmesiècle : développement de l’automatisation, de l’informatisation et de l’organisation

scientifique du travail.

Les systèmes créés sont devenus très complexes. Prenons par exemple le cas d'un véhicule moderne

dans lequel cohabitent un grand nombre de sous-ensembles en liaisons les uns les autres : la chaîne de

transmission de puissance (elle-même dissociable en plusieurs sous-ensembles : moteur, boite de

vitesse, embrayage, différentiel…), les différents circuits électriques et hydrauliques (direction assistée,

freinage, anti-patinage, contrôle actif de trajectoire), le système d'aération (avec la climatisation), le

système de suspension (éventuellement hydraulique), les zones de renforts et les systèmes de sécurité

passive etc. La conception d’un tel système nécessite des outils performants.

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….

Robot cueilleur de fruit Citrus de la société Pellenc

Montage de la garniture du toit : opération réalisée

par un robot

implantation mécanique du coupé Z3

disposition des systèmes

de sécurité passive de l'Audi TT version Coupé



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1.2 Conception d’un système innovant (actuel)

1.2.1L’entreprise

Entreprise

MarchéUtilisateurs

(besoins)

Produit

industriel

Le produit industriel constitue la réponse d’une

entreprise aux besoins des utilisateurs.

Le produit industriel permet à l’entreprise de

vivre, de se développer au sein d’un marché

concurrentiel.

Pour cela, elle doit donc satisfaire le client, c’est à dire répondre au mieux à son besoin.

1.2.2 Cycle de conception

But : Passer du rêve du client au produit final

Figure 2 : Conception d’un produit (source Renault)

Dans l’industrie, à chaque phase de conception (Figure 2), des outils sont nécessaires pour :

- Formaliser ce que souhaite le client dans un cahier des charges (document contractuel)

- Décrire le système en cours de réalisation ou ceux des concurrents

- Vérifier et optimiser au fur et à mesure la solution produite par rapport au cahier des charges

L’entreprise veille à maîtriser Qualité, Coûts, Délais afin de réaliser des profits suffisants pour son

développement.

1.2.3 La validation du Cahier des Charges Fonctionnel

Le processus de conception du produit industriel est nécessairement itératif, à l’image du diagramme

simplifié de la figure

Figure 3 : Processus de conception partant du CdCF

Production en série

Mise en œuvre en

usine

Réalisation des outillages

Définition du produit et

des moyens de production

Phase

préparatoire

Le besoin est

exprimé

Le véhicule

est défini

La commercialisation est

lancée

CAHIER DES CHARGES

FEU X D E SIGNA LISA TION

36 - 04 - 507 / -- c

CdC

CAHIER DES CHARGES


36 - 04 - 507 / -- c

CAHIER DES CHARGES


36 - 04 - 507 / -- c

CdC



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- Une fois le cahier des charges décidé, une solution technique est imaginée et ses performances

sont estimées par un ensemble de calculs afin d’établir les écarts entre les spécifications du

cahier des charges et les performances atteintes. La première solution proposée est souvent

dans les grandes industries (automobile, électroménager) une reconduction de la solution

précédente.

- Cette première solution sera une base pour les solutions suivantes, dans lesquelles les défauts

sont corrigés jusqu’à converger vers une solution optimale.

- Cette solution impose souvent des compromis sur les critères peu stratégiques du CdCF qui ne

sont pas toujours validés.

A retenir : tous les travaux mis en œuvre se justifient par un ou plusieurs critères du CdCF et tous les

critères du CdCF font l’objet d’une ou plusieurs validations sur le produit réalisé.

Exemple de critères principaux dans le cas d’un véhicule automobile :

Figure 4 : Critères de performance du système

2. Présentation générale des systèmes Nous allons introduire dans ce paragraphe les principales caractéristiques d’un système industriel, en le

considérant comme une boîte noire : dans un premier temps, on ne s’intéresse pas à son contenu

SYSTEME

ENTREES SORTIE

S



COURS

2.1 Définitions

2.1.1 Système

Un système est l’association de composants constituant un tout organique complexe destiné à remplir

une fonction générale. (NF E 90.001)

Un système industriel, ou produit industriel, est une construction humaine qui a pour but la satisfaction

d’un besoin de l’utilisateur. Il est destiné à la consommation ou à l’équipement de clients.

2.1.2 Composant et organisation

Un composant est un élément destiné à remplir une fonction particulière au sein d’un système ou d’un

sous-système.

Figure 5 : Vélo de course et ses composants

Un système ne constitue pas un ensemble (au sens mathématique). Il ne suffit pas de connaître tous les

éléments du système pour connaître le système (Figure ). Il faut aussi appréhender les relations entre

les composants afin de déterminer le fonctionnement global du tout.

2.1.3 Frontière

La frontière d’un système est une limite fictive qui permet d'isoler le système considéré et ses

composants de son environnement (milieu extérieur). La mise en place de cette frontière est primordiale

pour la modélisation du système. Dès lors, on peut définir précisément :

- la, ou les fonctions du système,

- les propriétés internes (constituants, réseaux d'énergie et d'information,…)

- les entrées/sorties.



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2.2 Matière d’œuvre et valeur ajoutée (notions programme précédent)

2.2.1 Fonction Globale

La fonction globale de tout système conçu par l’homme est d’ajouter une Valeur Ajoutée à une

Matière d’Oeuvre dans un environnement ou contexte donné.

La fonction globale est la formulation du besoin à travers le système : elle est toujours exprimée par un

verbe à l’infinitif suivi d’un complément.

2.2.2 Matière d’œuvre

La matière d’œuvre est l’élément sur lequel le système agit, pour la faire passer d’un état initial à un état

final. Il peut s’agir :

- d’un produit, c'est à dire constitué de matière

- d’énergie sous forme électrique, thermique, hydraulique ... (que le système va produire, stocker,

transporter, convertir ...)

- d'information (que le système va produire, transmettre, communiquer, décoder ...)

- d’êtres humains (qu'il faut former, informer, soigner, transporter, servir ...)

2.2.3 Valeur ajoutée

C’est la différence entre la Matière d’œuvre sortante et la Matière d’œuvre entrante. Elle justifie par

conséquent l’existence même du système.

Ce peut être :

- un changement d’état, un changement de caractéristiques( mécaniques, électriques, de

température, couleur……), un changement de forme( par déformation, moulage, usinage…, un

changement de position (espace)

2.3 Classification des systèmes

2.3.1 Contexte ou domaine d’application

Le domaine d’application est le milieu physico-économique dans lequel évolue le système et pour

lequel il a été conçu .

Faire sur la matière d’œuvre

A-0

Entrée M.O. Sortie M.O. + V.A.

Sorties annexes

Données de contrôle : Energie, Configuration, Réglage, Exploitation

Elément qui réalise la fonction



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On parle alors de système industriel par opposition au système d'étude utilisé dans les laboratoires

dans un but pédagogique. On distingue par exemple les domaines d’application suivants :

-L'aéronautique, l'agriculture , la production manufacturière et la robotique industrielle, la domotique,

l'automobile et les véhicules industriels , les biens d'équipement, les transports, la production

d’énergie…

2.3.2 Critères Technico-économiques

Ces critères sont pris en compte lors de conception du système industriel : ainsi, nous pouvons citer :

- La durée de vie, le coût, la fiabilité, la quantité

Par exemple, il existe différents types de Roller, avec des prix très différents ; certains sont montés sur

roulements, d’autres non. En conséquence, le prix des seconds est plus faible mais leur durée de vie est

bien plus courte, et leur fiabilité peu élevée….

2.4 Points de vue de l’Analyse Système

Un système industriel peut être appréhendé selon différents aspects que l’on appelle points de vue. On

en utilise essentiellement quatre.

- Le point de vue fonctionnel ( fonction, sous fonction, sous-sous fonction,...) .

- Le point de vue structurel ( structure des moyens opératifs pour réaliser la fonction ) .

- Le point de vue temporel ou comportemental ( ordre des tâches, flux de produits et d’informations ) .

- Le point de vue technique ( dessin industriel des composants ou d’ensembles de composants ) .

3. L’Ingénierie Système

3.1 Définition de l’Ingénierie Système

Ingénierie système : L’ingénierie système est une approche scientifique interdisciplinaire dont le but est

de formaliser et d’appréhender la conception de systèmes complexes avec succès.

L’ingénierie système se fonde donc sur une analyse des échecs antérieurs afin d’apporter des solutions

et d’éviter qu’ils ne se reproduisent.

3.2 Les systèmes complexes

3.2.1 Notion de complexité

Un système est dit complexe lorsque les inter-relations liant les composants sont multiples,

interdépendantes et bouclées.

Le comportement global n’est donc pas directement prévisible à partir des comportements élémentaires

des composants

3.2.2 Représentation des systèmes complexes

Dans un système complexe, les flux de matière, d’énergie ou d’information échangés entre les

composants, les relations orientées ou non et les bouclages ne permettent pas de décrire un système

simplement sous la forme d’un texte ou d’un discours et l’utilisation d’un support graphique devient

rapidement indispensable.



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Dans un système complexe, la présence de niveaux hiérarchiques nécessite souvent un assemblage de

représentations graphiques organisées par niveaux et par points de vue : le langage SysML développé

dans la suite est un des outils adaptés à cette étude.

3.2.3 Démarche d’analyse des systèmes complexes

Une approche classique dite « académique » s’attachera à isoler les composants élémentaires d’un

système, poser les propriétés ou le modèle de ces composants, puis assembler progressivement ces

propriétés ou modèles pour en déduire le comportement global.

Ce type d’analyse appelé « ascendante » ou « bottom-up » ne peut raisonnablement se faire que si la

complexité du système reste limitée ou maîtrisée.

L’analyse d’un système complexe s’adpate mieux à une approche « descendante » ou « top-down » : à

partir de la description globale du système sous forme d’une boîte noire liant les entrées et les sorties,

l’architecture est progressivement détaillée par niveaux hiérarchiques jusqu’à aller aux détails de

conception. Souvent, cette analyse s’arrête au niveau du composant.

3.3 Processus de conception des systèmes complexes

L’Ingénierie Système est la démarche de conception des systèmes complexes en entreprise. L’aspect

pluri-technique de tels systèmes implique :

- la participation de spécialistes de cultures différentes : des outils de communication et de modélisation

communs tels SysML (cours N°2) sont nécessaires

- les délais réduits nécessitent un travail en parallèle des équipes

- la complexité des systèmes et les inter-relations entre les composants nécessitent une adaptation

permanente des paramètres.

La conception des systèmes ne peut pas être linéaire. Une méthode répandue en industrie est le « cycle

en V », qui décline la conception en deux phases :

- la phase descendante permet de morceler le problème global en sous-problèmes jusqu’à aboutir à une

définition des composants.

- la phase ascendante permet de valider à l’aide de calculs ou d’essais chaque composants puis sous-

système jusqu’au produit final.

A chaque étape, un échec (test négatif) entraîne des modifications sur la solution technique.



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Figure 6 : Vélo de course et ses composants

4. Architecture d’une chaîne fonctionnelle

4.1 Décomposition partie commande partie opérative

Un système automatisé est un système industriel capable de générer certaines commandes sans

intervention humaine.

L’homme ne fait donc plus partie intégrante du système, il y est remplacé par la partie commande.



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On appelle partie opérative l’entité fonctionnelle qui agit sur la matière d’œuvre afin d’élaborer la valeur

ajoutée désirée (la « main », les énergies manipulées sont élevées)

On appelle partie commande l’entité fonctionnelle qui élabore les ordres vers les préactionneurs (le’

cerveau’, les énergies manipulées sont faibles) à partir :

-des informations issues de la PO via les capteurs

-des informations provenant de l’extérieurs (homme ou autres PC).

Cette partie commande supplante donc l’homme dans toutes ou parties de ses tâches habituelles de

coordination. Un système complètement automatisé est capable réaliser trois actions à la place d’un

opérateur (ouvrier, artisan) : observation, réflexion, action

4.2 Architecture topo-fonctionnelle d’un système et Chaînes fonctionnelles

4.2.1 Schéma d’architecture topo-fonctionnelle

Un système industriel peut être décomposé en composants, ou sous-systèmes. On peut alors le

représenter sous la forme d’un schéma d’architecture topo-fonctionnelle (ou de structure) car faisant

apparaître clairement aussi bien l’arrangement topographique des constituants que l’organisation des

relations entre les fonctions du système automatisés :

- chaque bloc représente un composant de la chaîne : on peut y faire figurer le nom du

composant et sa fonction, en terme d’automatisme .

- chaque liaison entre deux blocs représente le lien entre les deux composants : on y fait figurer la

nature de l’information échangée.

PARTIE OPERATIVE

PARTIE COMMANDE

Pré

actio

nn

eu

r

s

ca

pte

urs

Matière d’Oeuvre Matière d’œuvre +

Valeur Ajoutée

Energie

Homme Autres PC



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Dans cette structure, vous constatez que chaque bloc présente deux significations :

- Une signification GENERALISTE en terme de fonction d’automatisme (Acquérir, traiter, Communiquer, Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre,

Agir)

- Une signification particulière en terme de constituant (Capteur, Préactionneur, Actionneur, Transmetteur ou adaptateurs et Effecteurs)



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4.2.2 fonctions techniques - composants

La Chaîne d’Energie d’un système automatisé est la suivante :

Fonctions techniques Composants

Chaîn

e d

’éne

rgie

STOCKER -

ALIMENTER

énergie électrique du réseau EDF, prise réseau,

raccord réseau pneumatique, piles, accumulateurs

MODULER contacteur, relais d’alimentation d’un moteur, de

variateur ou encore distributeurs pneumatique ou

hydrauliques

CONVERTIR Moteur électrique, moteurs thermique, vérins

hydraulique, pneumatique,

TRANSMETTRE Transformer la nature du mouvement par exemple les

mécanismes poulies-courroies, vis-écrou ou de

transformation de mouvement plus généralement (bielle

manivelle, etc,…)

Adapter l’énergie sans en changer sa nature : il s’agit

par exemples des engrenages, des embrayages, des

mécanismes poulies courroies, des variateurs de

vitesse, etc, …

AGIR effecteur

ACQUERIR/CODER capteurs analogiques, numérique mais aussi des

interfaces homme/machine et de systèmes numériques

d’acquisition de données.

TRAITER Il peut s’agir d’ordinateurs, d’automates

programmables, de microcontrôleurs, de circuits de

logiques câblés, voire d’ateliers logiciels (éditeur de

modèle de commande , …)

COMMUNIQUER liaisons informatiques simples entre les deux chaînes

(liaison série de l’ordinateur, liaison parallèle, réseau

Ethernet), mais aussi de bus plus complexes

SYNTHESE Le cours de SI des CPGE permet d'aborder avec méthode et rigueur l'analyse de réalisations industrielles. Il développe des aptitudes à modéliser des systèmes manufacturés, à déterminer leurs grandeurs caractéristiques, à communiquer et à interpréter les résultats obtenus en vue de faire évoluer le système réel…. L'approche système permet d'appréhender la complexité des situations industrielles et économiques. Les systèmes industriels sont le plus souvent constitués d'ensembles mécaniques automatisés. C'est pourquoi l'enseignement des SI s'appuie sur la mécanique et l'automatique.

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