Ingénierie système

Le besoin est une nécessité exprimée par un utilisateur (client). Les sciences industrielles de l’ingénieur ont pour but de développer des produits (ou systèmes) dans le but de répondre à ces besoins : il peut s’agir de concevoir un produit nouveau ou d’améliorer un produit existant (re-conception).

L’équipe chargée de la conception du produit doit s’assurer que celui-ci répondra au besoin qui en est à l’origine. Pour ce faire, un document, le Cahier des Charges fonctionnel (C.d.C.f) est rédigé afin de recenser les exigences (fonctions) que le produit devra remplir : il s’agit de capacités attendues ou de contraintes à respecter. Ces exigences sont caractérisées par des critères quantifiés par des niveaux, pour lesquels une flexibilité (tolérance) est indiquée.

Le diagramme d’exigences (noté req pour « requirements ») répertorie les exigences issues du cahier des charges du produit.

Le diagramme des cas d’utilisation (noté uc pour « use cases ») présente les fonctionnalités (cas d’utilisation) que le produit doit posséder. Ce diagramme met également en relation ces cas d’utilisation avec des éléments appartenant à l’environnement du produit, appelés acteurs, qui peuvent être des personnes, des objets, des éléments géographiques, des phénomènes climatiques… les acteurs principaux, placés à gauche, sont ceux auxquels des cas d’utilisation du système rendent service.

Le cycle de vie d’un produit est constitué d’un ensemble d’étapes appelées phases de vie. Le cahier des charges doit prendre en compte le comportement du futur produit au cours de la totalité de ces phases, notamment en termes d’impact environnemental.

Source d’inspiration : ciraig.org – Analyse du cycle de vie

Quelques erreurs « classiques » lors de l’étude du cycle de vie des produits :

• Prise en compte du comportement du produit sur sa seule phase d’utilisation. Exemple : négliger l’impact environnemental d’un panneau solaire photovoltaïque, alors que celui-ci peut être assemblé dans un pays éloigné de son lieu d’utilisation, et que ses composants semi-conducteurs nécessitent des ressources naturelles non renouvelables (les terres rares).
  
  
• Faire « débuter » le cycle de vie d’un produit à sa phase de fabrication, en sachant que l’extraction des matières premières constitutives du matériau (et ressources énergétiques lorsque celles-ci ne sont pas issues d’une source renouvelable) est une phase présentant généralement un impact économique, social et surtout environnemental considérable.
  Les principaux indicateurs d’impact environnemental sont recensés ci-dessous, et regroupés en trois familles : Les consommations (épuisement) de ressources naturelles non renouvelables, les pollutions de l’environnement, ainsi que les nuisances vis-à-vis de l’être humain.

Le diagramme de bloc interne ci-dessous représente les chaînes d’information et de puissance associées à l’exigence principale d’un pilote automatique (électrique) de voilier, exigence consistant à barrer automatiquement le voilier de manière à maintenir un cap spécifié.

1. Identification des constituants et des fonctions réalisées par ces derniers :

Plusieurs points de repère existent : la fonction « Convertir » est généralement réalisée par un moteur ou un vérin (parfois une pompe), tandis que la fonction « Distribuer / Moduler » possède un lien de commande avec la chaîne d’information.

2. Caractérisation de l’énergie au niveau des différents liens de puissance de la chaîne :

La nature de l’énergie disponible à son entrée et celle de l’énergie utile à sa sortie sont généralement connues, tandis que la nature de l’énergie est modifiée au niveau de la fonction « Convertir ».

1 : Énergie électrique (continue)
2 : Énergie électrique (continue) distribuée

3 : Énergie mécanique (rotation)
4 : Énergie mécanique (rotation) adaptée

5 : Énergie mécanique (translation)
6 : Énergie mécanique (translation)

3. Détermination de la puissance à fournir au système en vue de réaliser l’exigence :

Rendement d’un composant : $\rm \displaystyle \eta = \frac{P_{sortie}}{P_{entrée}}$.

Le rendement d’une chaîne de composants en série est égal au produit de leurs rendements. Pour la chaîne de puissance du pilote étudié : $\rm \displaystyle \eta_{global} = \eta_{carte} . \eta_{mot} . \eta_{red} . \eta_{vis} . \eta_{tige} $

Afin de respecter le cahier des charges du pilote, la tige doit fournir au safran un effort F = 200 N en se déplaçant à une vitesse v = 31 mm/s. La puissance fournie par la tige au safran (point n°6) vaut donc $\rm P_{6} = F . v$ $\rm (A.N : P = 6,2 ~W)$.

Les rendements des composants sont recensés dans le tableau ci-dessous :

$\rm \eta_{carte}$ $= 0,98 $

$\rm \eta_{mot}$ : Variable

$\rm \eta_{red}$ $= 0,95 $

$\rm \eta_{vis}$ $= 0,95 $

$\rm \eta_{tige}$ $= 0,88 $

Le rendement du moteur dépend de son point de fonctionnement ; dans la situation présente, nous considérerons qu’il prend la valeur $\rm \eta_{mot} = 0,59 $.

L’expression du rendement global de la chaîne de puissance fait apparaître les rendements de ces différents composants, la puissance utile en sortie $\rm P_6$, ainsi que la puissance absorbée en entrée (point n°1), notée $\rm P_1$ que nous souhaitons déterminer :

$\rm \displaystyle \eta_{global} = \frac{P_6}{P_1}= \eta_{carte} . \eta_{mot} . \eta_{red} . \eta_{vis} . \eta_{tige}$ $\Leftrightarrow\rm P_1 = \dfrac{P_6}{\eta_{carte} . \eta_{mot} . \eta_{red} . \eta_{vis} . \eta_{tige}} $

$\rm A.N : P_1 = \dfrac{6,2}{0,98 . 0,59 . 0,95 . 0,95 . 0,88}= 13,5 W $

La source d’énergie électrique devra donc fournir une puissance d’au moins 13,5 W pour permettre de barrer le voilier rapidement comme cela a été spécifié dans le cahier des charges.

L’étude énergétique d’un système fera souvent appel à la notion de puissance plutôt qu’à celle d’énergie, la première étant une grandeur instantanée plus propice aux études en régime permanent lors d’une phase de fonctionnement donnée. Toute puissance (en $\rm W$), quelle que soit sa nature, est égale au produit de deux grandeurs physiques : une grandeur de flux (associée à un déplacement, un mouvement au niveau macroscopique ou microscopique) et une grandeur d’effort (correspondant à un potentiel).

*Capacité calorifique massique ($\rm C_p$ en $\rm J.kg^{-1}.K^{-1}$) - Température ($\rm T$ en $\rm K$ ou en $\rm °C$)

Considérons un système asservi réalisant une régulation (entrée de consigne constante) ou une poursuite (entrée de consigne variable) vis-à-vis d’une de ses grandeurs physiques.

Un système asservi présente une boucle de rétroaction mise en évidence par la représentation du système sous forme de schéma-bloc. Cette représentation permet (ou facilite) l’étude de cet asservissement.

L’élaboration du schéma-bloc correspondant au système consiste à :

1. Identifier les grandeurs d’entrée (consigne) et de sortie du système, ainsi que la grandeur sur laquelle porte l’asservissement.
2. En partant de l’entrée de consigne, construire progressivement le schéma-bloc en associant à chaque bloc générique (capteur, correcteur...) le ou les composant(s) correspondant(s), et en faisant apparaître, au niveau des liens entre blocs, les grandeurs physiques correspondantes (angle, vitesse, tension…) :
   • Le convertisseur (ou adaptateur) élabore un signal électrique (généralement une tension) à l’image de la grandeur physique constituant la consigne,
   • Le capteur (pouvant consister en une chaîne d’acquisition complète) acquiert l’une des grandeurs physiques du système (souvent la grandeur de sortie) et élabore un signal électrique à son image,
   • Le régulateur élabore un signal d’écart $\epsilon (t)$ entre les signaux de consigne et de mesure par le biais du comparateur, puis élabore un signal de commande du système afin de minimiser cet écart au moyen du correcteur,
   • Le système asservi correspond en réalité à tout ou partie d’une chaîne de puissance du système étudié, généralement les composants réalisant les fonctions « Convertir » et « Transmettre ». Lorsque la grandeur asservie est la grandeur de sortie (cas couramment rencontré), le schéma-bloc ne comportera pas de bloc « Système (aval) ».