Fiche de révision : Analyse structurelle des systèmes

📋 Plan du Cours

1. Organisation structurelle et fonctionnelle
2. Puissance, flux et effort
3. Constituants de la chaîne d’énergie
4. Actionneurs et conversions d’énergie
5. Préactionneurs électriques et protections
6. Distributeurs hydrauliques et pneumatiques
7. Transmetteurs et capteurs
8. Nature des signaux de capteurs
9. Caractéristiques des capteurs
10. Types et fonctionnement des capteurs
11. Symboles hydrauliques et pneumatiques
12. Codage en binaire naturel
13. Code binaire réfléchi Gray
14. Code P parmi N

📖 1. Organisation structurelle et fonctionnelle

📝 Points essentiels

📌 La partie commande (PC) assure la décision et le déroulement des opérations selon les informations de la partie opérative et des interfaces homme-machine, tandis que la partie opérative (PO) effectue le travail prévu.

📌 La chaîne d’information traite les flux de données associés à la PC, tandis que la chaîne d’énergie agit sur les flux de matière et d’énergie associés à la PO.

• La chaîne d’information acquiert, code, traite, mémorise, restitue et communique les informations.

• La chaîne d’énergie stocke et alimente l’énergie, la module en vue de sa conversion, la convertit en l’adaptant pour la transmettre, puis agit sur la matière d’œuvre entrante.

💡 Astuce mémo

La commande décide ; l’opérative agit.

📖 2. Puissance, flux et effort

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance : Grandeur scalaire égale au produit d’un flux et d’un effort dépendant du temps.

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance s’écrit $P(t)=f(t)e(t)$ pour des grandeurs scalaires ou $P(t)=\vec{f}(t)\cdot\vec{e}(t)$ pour des grandeurs vectorielles.

Compléments

• En électricité, l’effort est la tension U en volts et le flux est le courant I en ampères.

• En mécanique de translation, l’effort est la force F en newtons et le flux est la vitesse V en mètres par seconde.

• En mécanique de rotation, l’effort est le couple C en newtons-mètres et le flux est la vitesse de rotation Ω en radians par seconde.

• En hydraulique ou en pneumatique, l’effort est la pression P en pascals et le flux est le débit volumique Qᵥ en mètres cubes par seconde.

• En thermique, l’effort est la température T en kelvins et le flux est le flux d’entropie Qₛ en watts par degré Celsius.

📖 3. Constituants de la chaîne d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Actionneur : Convertit l’énergie de puissance provenant du préactionneur en une énergie adaptée à l’exécution de la tâche.
• Transmetteur : Adapte l’énergie issue de l’actionneur à l’effecteur, qui agit directement sur la matière d’œuvre pour lui apporter une valeur ajoutée.

★ À maîtriser

• Le préactionneur distribue tout ou partie d’une énergie de puissance importante à l’actionneur à partir d’un signal de commande de faible énergie, tout ou rien ou variable.

Compléments

• L’unité de stockage conserve l’énergie nécessaire à son utilisation dans la chaîne d’énergie, par exemple dans une batterie ou un accumulateur.

• L’unité d’alimentation fournit à la chaîne l’énergie nécessaire au fonctionnement des actionneurs, par exemple depuis une prise de réseau électrique ou un disjoncteur.

💡 Astuce mémo

Stocker → alimenter → moduler → convertir → transmettre → agir.

📖 4. Actionneurs et conversions d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Actionneur : Organe de la PO qui convertit une énergie d’entrée disponible sous une certaine forme en une énergie de sortie utilisable pour obtenir un effet donné, en développant notamment une force mécanique ou un mouvement de rotation ou de translation.

★ À maîtriser

• Un moteur électrique transforme l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation, ou de translation pour certains moteurs, et comprend un stator fixe et un rotor tournant.

📌 Un vérin simple effet est monostable, produit un effort significatif dans un seul sens et utilise un ressort pour le rappel de la tige, tandis qu’un vérin double effet est bistable et produit un effort significatif dans les deux sens grâce à l’inversion de l’alimentation de ses deux chambres.

Compléments

• Le rotor d’un moteur pas à pas tourne par pas plutôt que de manière continue, et le nombre de pas par tour varie de 48 à 200.

• Un moteur à courant alternatif alimenté en courant monophasé ou triphasé permet d’obtenir des couples élevés.

• Un moteur à courant continu tourne à des vitesses nominales allant de 100 tr/min à 10 000 tr/min.

• Un moteur hydraulique ou pneumatique transforme l’énergie hydraulique ou pneumatique en énergie mécanique de rotation ; ses avantages incluent une puissance massique élevée, la résistance aux variations brusques du couple résistant et le changement aisé du sens et de la vitesse de rotation.

📖 5. Préactionneurs électriques et protections

🔑 Notions clés & Définitions

• Préactionneur : Met en relation l’actionneur avec une source d’énergie de puissance élevée à partir d’un signal de commande de faible énergie.
• Contacteur : Appareil mécanique de connexion non commandé manuellement qui permet d’établir ou d’interrompre un fort courant électrique et de commander des circuits.
• Relais électromagnétique : Préactionneur de faible puissance qui commute un circuit en fonction d’un signal extérieur ; le circuit commuté peut être un circuit de commande ou un circuit de puissance alimentant un actionneur électrique.
• Convertisseur statique : Transforme une énergie électrique alternative en énergie électrique continue, ou inversement, en modifiant les paramètres de tension et de courant.

★ À maîtriser

• Les protections électriques présentées ont les fonctions suivantes :
  • Le disjoncteur interrompt le courant en cas d’incident sur un circuit électrique
  • Le relais thermique protège un récepteur contre les surcharges faibles et prolongées
  • Le fusible interrompt le courant en fondant en cas de défaut

Compléments

• Le type de préactionneur dépend du type d’actionneur utilisé.

• Un sectionneur permet de mettre hors tension une installation électrique ou une partie de celle-ci.

• Le redresseur commandé convertit l’alternatif en continu et s’emploie pour les récepteurs en continu et la variation de vitesse.

• L’onduleur convertit le continu en alternatif et sert notamment à faire varier la vitesse ou à alimenter en alternatif un site isolé équipé de panneaux solaires ou de batteries.

• Le hacheur convertit le continu en continu et permet de faire varier la vitesse des moteurs à courant continu.

💡 Astuce mémo

Le disjoncteur coupe en cas d’incident ; le relais thermique protège des surcharges faibles et prolongées.

📖 6. Distributeurs hydrauliques et pneumatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Distributeur : Dirige l’énergie de puissance vers les actionneurs à partir d’un ordre de la partie commande.

📝 Points essentiels

• Un distributeur contrôle le mouvement de la tige d’un vérin ou la rotation d’un moteur hydraulique ou pneumatique.

• Un distributeur permet de choisir le sens de circulation d’un fluide et de démarrer ou d’arrêter cette circulation.

• Les configurations de distributeurs présentées comprennent les pneumatiques 2/2, 3/2, 4/2 et 5/2, ainsi que les hydrauliques 2/2, 4/3 à centre fermé et 5/3 à centre ouvert.

📖 7. Transmetteurs et capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Prélève une grandeur physique et en produit une image exploitable par la partie commande ; il participe aux fonctions d’acquisition et de codage de la chaîne d’information.

★ À maîtriser

• Un système vis-écrou transforme une énergie mécanique de rotation en énergie mécanique de translation.

Compléments

• Un réducteur modifie mécaniquement la vitesse d’un moteur électrique en adaptant les caractéristiques de ses axes d’entrée et de sortie.

• Un système poulie-courroie transmet un mouvement de rotation entre deux ou plusieurs poulies éloignées les unes des autres.

• Une transmission par chaîne transmet un mouvement de rotation entre deux ou plusieurs roues dentées éloignées les unes des autres.

📐 Formule - Pour un système vis-écrou, la vitesse de translation vérifie $V=\frac{p\omega}{2\pi}$ et $V=pN$.

📐 Formule - Dans le système vis-écrou, la puissance d’entrée est $P_e=C\omega$ et la puissance de sortie est $P_s=FV$.

📖 8. Nature des signaux de capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal analogique : Peut prendre toutes les valeurs comprises entre deux valeurs limites.
• Signal numérique : Permet à la partie commande de déduire un nombre binaire sur n bits.

📝 Points essentiels

📌 Un signal logique ne peut prendre que les valeurs 0 ou 1 ; le capteur correspondant est un capteur tout ou rien (TOR).

📖 9. Caractéristiques des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Étendue de mesure : Intervalle entre les valeurs extrêmes qu’un capteur peut mesurer.
• Résolution : Plus petite variation de grandeur qu’un capteur peut mesurer.

★ À maîtriser

📐 Formule - La sensibilité d’un capteur est le rapport entre la variation ΔV du signal électrique de sortie et la variation Δφ de la grandeur physique d’entrée : $S = \frac{\Delta V}{\Delta \varphi}$.

Compléments

• Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10 mV/°C.

📌 Un capteur est fidèle si, pour une même valeur d’entrée mesurée plusieurs fois, son signal de sortie ne varie pas dans le temps ; il est précis si sa mesure est proche de la valeur vraie.

📖 10. Types et fonctionnement des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur TOR : Fournit une information logique, généralement au moyen d’un contact électrique qui s’ouvre ou se ferme selon l’état du capteur.
• Capteur de proximité : Détecte à distance et sans contact la position d’un objet ; son contact électrique s’ouvre ou se ferme selon la présence de l’objet dans sa zone sensible.
• Capteur avec contact : Aussi appelé interrupteur de position, est un commutateur actionné par le déplacement d’un organe de commande et qui ouvre ou ferme un ou plusieurs circuits électriques ou pneumatiques.
• Détecteur magnétique : Aussi appelé interrupteur à lame souple (ILS), est fixé sur le corps d’un vérin dont le piston comporte un aimant.
• Codeur numérique : Dans un codeur numérique de position, chaque position du disque correspond à une valeur numérique différente, identifiable par la partie commande.

★ À maîtriser

• Un détecteur photoélectrique délivre une information lorsque le faisceau lumineux de son émetteur est interrompu par un obstacle opaque, coupure détectée par le récepteur.

• 🔄 Le codeur incrémental détecte une variation de position en suivant ces étapes :

  1. Le disque présente des fentes régulièrement réparties sur sa périphérie.
  2. Un faisceau lumineux traverse les fentes vers une diode photosensible.
  3. Chaque interruption du faisceau produit un signal indiquant une variation de position.

• Un thermocouple mesure la température par effet Seebeck : lorsque l’extrémité réunissant deux fils métalliques de natures différentes est chauffée, une tension eAB apparaît à leurs extrémités libres et permet de déterminer la température.

Compléments

• Les capteurs de proximité présentés comprennent les capteurs capacitifs et inductifs.

• Un détecteur photoélectrique associe généralement une diode électroluminescente comme émetteur à un phototransistor comme récepteur.

📐 Formule - Pour le potentiomètre décrit, la tension de sortie est proportionnelle à la position relative du curseur : $U = xE$, avec $0 < x < 1$.

• Une génératrice tachymétrique produit, par rotation de son rotor, une tension continue proportionnelle à la vitesse de rotation.

📌 Un capteur de force à jauge de contrainte transforme une force — poids, tension, compression ou pression — en un signal électrique proportionnel à la force appliquée.

📐 Formule - La résistance d’une piste résistive vérifie $R = \frac{\rho l}{S}$, où ρ est la résistivité, l la longueur et S la surface.

📖 11. Symboles hydrauliques et pneumatiques

📝 Points essentiels

• Les symboles de conduites distinguent les conduites d’alimentation, de travail et de retour des conduites de pilotage.

• Les symboles de pompes et compresseurs comprennent :

  • les pompes hydrauliques à un sens de flux
  • les pompes hydrauliques à deux sens de flux
  • le compresseur
  • la pompe-moteur à deux sens de flux

• Les symboles de moteurs comprennent :

  • les moteurs hydrauliques à un sens de flux
  • les moteurs hydrauliques à deux sens de flux
  • les moteurs pneumatiques à un sens de flux
  • les moteurs pneumatiques à deux sens de flux

• Les autres catégories de symboles présentées sont :

  • les appareils électriques
  • les sources de pression
  • les clapets de non-retour
  • les régulateurs de pression
  • les régulateurs de débit
  • les réservoirs et accumulateurs
  • les appareils auxiliaires
  • les robinets

• L’exemple d’installation hydraulique identifie :

  • la pompe en 1
  • le réservoir en 2
  • le limiteur de pression en 3
  • le vérin double effet en 4
  • le distributeur 4/3 en 5

📖 12. Codage en binaire naturel

🔑 Notions clés & Définitions

• Binaire naturel : Système de numération en base 2 utilisant les symboles 0 et 1 pour représenter les nombres entiers naturels.

★ À maîtriser

• En binaire naturel, un bit peut prendre la valeur 0 ou 1, et n bits permettent de représenter les entiers décimaux de 0 à $2^n-1$.

• Le binaire naturel est un code pondéré dont les poids des bits sont les puissances successives de 2.

Compléments

• Pour écrire un entier naturel en binaire naturel, on le décompose en somme finie de puissances de 2, puis on inscrit les bits correspondant aux puissances présentes ou absentes.

• L’entier décimal 41 s’écrit 101001 en binaire naturel.

• Un mot binaire de 4 bits peut coder $2^4=16$ valeurs différentes.

📖 13. Code binaire réfléchi Gray

🔑 Notions clés & Définitions

• Code Gray : Ou binaire réfléchi, est un code dans lequel le passage d’un mot-code au suivant change un seul bit, ce qui évite les ambiguïtés de transition et les risques d’aléas.

★ À maîtriser

📌 Le code Gray n’est pas pondéré et n’est donc pas adapté au calcul numérique, contrairement au binaire naturel qui est pondéré.

Compléments

• Le code Gray peut représenter n’importe quel nombre entier naturel et sert notamment aux capteurs numériques de position pour éviter les confusions entre positions adjacentes.

💡 Astuce mémo

Le binaire naturel est pondéré pour calculer ; le Gray change un seul bit pour fiabiliser les transitions.

📖 14. Code P parmi N

🔑 Notions clés & Définitions

• Code P parmi N : Représente des chiffres décimaux avec des mots binaires comportant tous le même nombre P de bits à 1 parmi N bits ; la position de ces bits détermine la valeur codée.

★ À maîtriser

• Le code postal présenté utilise un code 3 parmi 5 : chaque chiffre est représenté par 3 barres parmi 5, ce qui permet 10 combinaisons pour coder les 10 chiffres décimaux.

Compléments

• À La Poste, les codes-barres sont lus de droite à gauche tandis que les enveloppes se déplacent de gauche à droite dans les trieuses.