Fiche de révision : Chaînes fonctionnelles des systèmes

📋 Plan du Cours

1. Enjeux scientifiques et technologiques
2. Cœur artificiel et démarche SII
3. Systèmes et frontière d’étude
4. Cycle de vie et modélisation système
5. Outils SysML en CPGE
6. Analyse du besoin et fonctions
7. Exigences et cahier des charges
8. Design et écoconception
9. Analyse structurelle et diagrammes structurels SysML
10. Énergie et puissance
11. Fonctions de la chaîne de puissance
12. Transmetteur et effecteur
13. Types de signaux informationnels
14. Composants de la chaîne d’information
15. Chaînes fonctionnelles et cœur artificiel

📖 1. Enjeux scientifiques et technologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ingénierie système : Étude de la conception et de la validation des systèmes.

★ À maîtriser

📌 Les sciences physiques relèvent du « génie de la nature » et cherchent à comprendre et maîtriser les phénomènes environnants, tandis que les sciences industrielles de l’ingénieur relèvent du « génie de l’homme » et portent sur les réalisations humaines.

Compléments

• Les grands enjeux industriels du siècle sont :

  • l’accès à la santé
  • l’accès à l’énergie
  • l’accès à la communication
  • l’accès à l’eau et à la nourriture
  • l’accès aux transports

• Pour une même énergie exprimée en tonne équivalent pétrole, les masses indiquées sont de 3,1 tonnes de bois, 1,4 tonne de charbon, 955 kg de pétrole, 240 mg de combustible nucléaire de fission et 24 mg de combustible nucléaire de fusion.

📖 2. Cœur artificiel et démarche SII

🔑 Notions clés & Définitions

• Cœur artificiel Carmat : Conçu pour remplacer le cœur de patients atteints d’insuffisance cardiaque en phase terminale, dans l’attente d’une greffe ou de façon définitive.

★ À maîtriser

• Les compétences développées sont :
  • analyser
  • modéliser
  • résoudre
  • expérimenter
  • concevoir
  • communiquer

Compléments

• Le cœur artificiel Carmat a été implanté pour la première fois en 2013.

• Claude Wartelle est à l’origine du cœur bio-artificiel Carmat, inventé en collaboration avec le chirurgien Alain Carpentier.

• La conception de la prothèse doit notamment tenir compte : de l’hémocompatibilité des composants, de l’espace disponible dans la cage thoracique, de l’activité du corps

📖 3. Systèmes et frontière d’étude

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Association structurée d’éléments, sous-systèmes ou constituants, qui interagissent de manière organisée pour accomplir une fonction globale.
• Système complexe pluri-technologique : Système dont les éléments sont nombreux et dont les interactions impliquent des échanges de matière, d’énergie ou d’information de formes différentes.
• Frontière d’étude : Limite qui définit le système étudié et distingue ses constituants ou sous-systèmes internes de l’environnement extérieur.

📝 Points essentiels

• Un système n’est jamais isolé de l’extérieur : il interagit avec son environnement et doit s’adapter à ses contraintes.

📖 4. Cycle de vie et modélisation système

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle de vie : Ensemble des étapes d’un système, depuis l’identification du besoin à l’origine de sa conception jusqu’au recyclage de ses constituants lorsqu’il n’est plus utilisé.

★ À maîtriser

• Les outils communs de définition du produit comprennent : un jumeau numérique partagé, un langage commun compréhensible par les différents métiers, des modélisations fondées sur la maquette numérique et le langage commun

• SysML est un langage de description de l’ingénierie système qui propose des diagrammes pour modéliser un système aux différentes phases de son cycle de vie.

Compléments

• Les phases de vie comprennent notamment :

  • la conception
  • la fabrication
  • le transport
  • la distribution
  • l’utilisation
  • la maintenance
  • la fin de vie

• Les acteurs du cycle de vie collaborent souvent depuis plusieurs sites et doivent être informés des évolutions apportées par les autres acteurs.

• Les diagrammes SysML interagissent par l’intermédiaire de logiciels dédiés, ce qui permet de répercuter les modifications aux acteurs concernés par le projet.

• Les maquettes numériques et les diagrammes peuvent être complétés par des logiciels de simulation afin d’anticiper le comportement d’un système avant la réalisation d’un premier prototype.

📖 5. Outils SysML en CPGE

📝 Points essentiels

• En CPGE, les étudiants utilisent des maquettes numériques dans SolidWorks, certains diagrammes SysML pour décrire les fonctions et la structure matérielle, ainsi que des simulations numériques pour évaluer les performances des systèmes étudiés.

📖 6. Analyse du besoin et fonctions

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse du besoin : Caractérise le besoin exprimé en le qualifiant et en le quantifiant à l’aide de grandeurs mesurables.
• Fonction globale : La fonction globale d’un système est sa raison d’être du point de vue de l’utilisateur et ne doit pas induire de solutions technologiques.
• Diagramme de cas d’utilisation : Le diagramme de cas d’utilisation (Use Case Diagram, uc) formalise le besoin du point de vue utilisateur en représentant les acteurs et les fonctions attendues, uniquement visibles de l’extérieur.
• Acteur : Élément humain ou non qui interagit avec le système et peut être principal ou secondaire.

★ À maîtriser

• Le besoin des clients potentiels évolue constamment sous l’effet des changements économiques, sociaux et environnementaux ainsi que des innovations.

Compléments

• La validation de l’expression du besoin examine :
  • pourquoi le produit existe
  • à qui il rend service
  • quel est son but
  • ce qui pourrait faire évoluer le besoin
  • ce qui pourrait le faire disparaître

📖 7. Exigences et cahier des charges

🔑 Notions clés & Définitions

• Exigence : Exprime une fonction, une règle, une contrainte ou une performance que le système doit satisfaire.

• Diagramme des exigences : Le diagramme des exigences (Requirement Diagram, req) regroupe hiérarchiquement les exigences à satisfaire par le système.
• Cahier des charges fonctionnel : Un Cahier des Charges Fonctionnel (CdCF) expose l’ensemble des exigences que le système doit satisfaire et leurs caractéristiques : critère, niveau et flexibilité.

★ À maîtriser

• Une exigence est caractérisée par : un critère mesurable, un niveau correspondant à une valeur maximale ou minimale chiffrée, une flexibilité correspondant à l’écart acceptable sur le niveau attendu

Compléments

• Pour la prothèse de cœur artificiel, les exigences citées comprennent le respect total de la norme NF EN ISO 14708 sans flexibilité, une masse maximale de 900 g, et une autonomie de 10 h avec une flexibilité de 10 %.

📌 Un diagramme des exigences doit être établi pour chacun des modes et chacune des phases de vie du système.

• En entreprise, le CdCF sert de contrat entre le client et le fournisseur : chaque ligne permet au client de contrôler la prestation et indique au fournisseur un niveau d’exigence de conception.

📖 8. Design et écoconception

🔑 Notions clés & Définitions

• Développement durable : Le développement durable répond aux besoins des générations présentes sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs.
• Analyse de Cycle de Vie : L’Analyse de Cycle de Vie (ACV), définie par la norme ISO 14040, vise à réduire les impacts environnementaux d’un système à toutes les étapes de son cycle de vie, de l’extraction des matières premières au traitement en fin de vie.
• Design : Le design est une activité de création à vocation industrielle ou commerciale, située au croisement de l’art, de la technique et de la société.

📝 Points essentiels

• Les impacts environnementaux cités comprennent :

  • l’eutrophisation de l’eau
  • l’épuisement des ressources naturelles
  • la production de déchets dangereux
  • l’acidification de l’air
  • la destruction de la couche d’ozone
  • l’effet de serre

• La fabrication d’une éolienne mobilise notamment de l’acier pour sa structure et 16 tonnes de cuivre pour son raccordement au réseau électrique.

📌 Remplacer une source d’énergie par une autre déplace les prélèvements de ressources et les impacts environnementaux plutôt que de supprimer toute distinction entre énergie propre et énergie sale.

📖 9. Analyse structurelle et diagrammes structurels SysML

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse structurelle : Définit les constituants internes d’un système et la manière dont ils interagissent.
• Diagramme de définition de blocs : Diagramme structurel qui inventorie les constituants d’un système en le décomposant en sous-systèmes puis en constituants élémentaires selon une analyse descendante.
• Diagramme de blocs internes : Diagramme structurel qui identifie les échanges de matière, d’énergie et d’information entre les constituants d’un système.

📝 Points essentiels

• Dans un IBD, les ports modélisent les flux de matière, d’énergie et d’information hors informations logiques, tandis que d’autres ports modélisent les services correspondant aux informations logiques.

📌 Pour représenter un système complexe sans rendre un IBD illisible, on répartit sa structure sur plusieurs diagrammes à différents niveaux de précision et de raffinement, reliés entre eux par des logiciels SysML.

💡 Astuce mémo

BDD : inventorie les blocs ; IBD : montre leurs échanges.

📖 10. Énergie et puissance

★ À maîtriser

📌 L’énergie fournie ou le travail représente la quantité globale fournie pour faire passer un système d’un état initial à un état final, indépendamment du temps nécessaire, mais peut dépendre du chemin suivi, tandis que la puissance caractérise le débit d’énergie à chaque instant.

• Dans le système international, l’énergie se mesure en joules (J) et la puissance en watts (W), avec $1\,\mathrm{W}=1\,\mathrm{J\,s^{-1}}$.

📐 Formule - La puissance instantanée est le produit de la grandeur d’effort et de la grandeur de flux, scalaires ou vectorielles : $P(t)=e(t)f(t)$ ou $P(t)=\vec{e}(t)\cdot\vec{f}(t)$.

Compléments

• Les couples effort-flux usuels sont : la tension u et l’intensité i en électricité, la force F et la vitesse linéaire V en translation, le couple C et la vitesse angulaire ω en rotation, la pression Δp et le débit volumique q en hydraulique ou pneumatique

• La vitesse angulaire ω(t) est la dérivée de la position angulaire θ(t).

• La puissance nominale d’un moteur est celle qu’il peut fournir en permanence sans surchauffer ; une puissance supérieure peut être fournie temporairement, à condition de réduire ensuite la puissance pour permettre son refroidissement.

💡 Astuce mémo

L’énergie est le total fourni ; la puissance est le débit instantané.

📖 11. Fonctions de la chaîne de puissance

🔑 Notions clés & Définitions

• Actionneur : Convertit la puissance délivrée en une puissance d’un autre type, souvent mécanique de translation ou de rotation.

★ À maîtriser

• L’unité d’alimentation fournit à la chaîne de puissance la puissance nécessaire aux besoins de l’actionneur.

• Le pré-actionneur délivre et/ou module, sur ordre de l’unité de commande, la puissance utile aux actionneurs.

📌 Les pré-actionneurs tout ou rien, tels que les relais, contacteurs et distributeurs, laissent passer ou coupent la puissance, tandis que les variateurs et cartes de puissance en modulent la quantité délivrée.

Compléments

• L’unité de stockage stocke l’énergie afin de rendre temporairement le système autonome.

• Un hacheur délivre au moteur une tension en créneau appelée PWM ou MLI, que le moteur perçoit comme une tension continue de valeur moyenne grâce à son temps de réponse beaucoup plus grand.

• Pour convertir une tension alternative de 230 V à 50 Hz en tension continue de 24 V, l’alimentation abaisse d’abord la tension avec un transformateur, redresse ensuite le signal, puis le lisse avec un filtre.

• Exemples de conversion par un actionneur : un moteur électrique convertit une puissance électrique en puissance mécanique de rotation, une pompe hydraulique convertit une puissance mécanique de rotation en puissance hydraulique, un vérin hydraulique convertit une puissance hydraulique en puissance mécanique de translation

📌 Un vérin a une course limitée, tandis qu’un moteur a une course non limitée.

💡 Astuce mémo

Alimenter → stocker → moduler et délivrer → convertir.

📖 12. Transmetteur et effecteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Transmetteur : Adapte et transmet la puissance convertie par l’actionneur afin de la rendre utilisable par l’effecteur.
• Effecteur : Agit sur la matière d’œuvre afin de lui apporter une valeur ajoutée, de la déplacer ou de la transformer.

📝 Points essentiels

📌 Adapter la puissance en change les caractéristiques, tandis que transmettre désigne la propagation de la puissance mécanique.

• Le terme mécanisme est synonyme de transmetteur.

📖 13. Types de signaux informationnels

📝 Points essentiels

📌 Un signal analogique peut prendre une infinité de valeurs parce qu’il varie en continu, un signal numérique prend des valeurs discrètes codées en bits, et un signal logique n’admet que deux valeurs distinctes, 0 ou 1.

💡 Astuce mémo

Analogique : infinité de valeurs ; numérique : valeurs discrètes ; logique : seulement 0 ou 1.

📖 14. Composants de la chaîne d’information

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Acquiert une grandeur physique et en produit une image exploitable par l’unité de commande.
• Unité de commande : L’unité de commande traite, à l’aide d’un programme en mémoire, les informations des capteurs et de l’interface homme-machine pour commander le pré-actionneur et les signalisations de l’interface machine-homme.
• Codeur : Un codeur convertit en signal numérique un signal analogique issu d’un capteur ou d’une interface homme-machine lorsque l’unité de commande ne peut pas l’utiliser directement.
• Interface homme-machine : Acquiert la consigne d’un utilisateur et la transforme en une image exploitable par l’unité de commande.
• Interface machine-homme : Restitue des informations à l’utilisateur.
• Interface de communication : Permet au système d’échanger des informations avec d’autres systèmes.

★ À maîtriser

📌 Dans la famille des capteurs, les détecteurs délivrent un signal logique, les codeurs un signal numérique et les capteurs un signal analogique.

Compléments

• Une unité de commande peut généralement commander simultanément plusieurs chaînes de puissance.

• La communication entre systèmes permet notamment :

  • la prise de commande à distance
  • les mises à jour automatiques
  • le diagnostic
  • la maintenance à distance

📖 15. Chaînes fonctionnelles et cœur artificiel

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaîne fonctionnelle : Une chaîne fonctionnelle représente les relations entre les constituants internes et leurs fonctions dans la réalisation d’une activité particulière, et elle met en œuvre une activité unique.
• Chaîne de puissance : Une chaîne de puissance est un ensemble organisé de composants qui convertit un ordre émis par la partie commande en effet sur la matière d’œuvre.
• Chaîne d’information : Une chaîne d’information est un ensemble organisé de composants qui prélève des grandeurs physiques sur la partie opérative ou l’environnement et les convertit en signaux interprétables par la partie commande.
• Activité : Pour répondre aux exigences du cahier des charges, un système réalise une ou plusieurs activités de manière successive ou simultanée.
• Matière d’œuvre : Ce sur quoi le système agit.
• Valeur ajoutée : La différence entre la matière d’œuvre sortante et la matière d’œuvre entrante.

📝 Points essentiels

• Les chaînes comportent cinq flux :
  • matière d’œuvre
  • puissance
  • information
  • mesure
  • commande

📌 Pour adapter le squelette d’une chaîne fonctionnelle à un système et à une activité, on remplace les familles de constituants par leurs noms, on précise le type de puissance et les grandeurs physiques acquises par les capteurs, et on ne conserve que les fonctions présentes, certaines pouvant apparaître plusieurs fois.

📌 La chaîne d’information transporte une basse puissance, tandis que la chaîne de puissance transporte une haute puissance.

• Dans le cœur artificiel, l’activité étudiée consiste à pomper alternativement le sang.

• Dans le cœur artificiel, l’huile de silicone exerce une pression sur les membranes sous les ventricules, et la fluctuation de cette pression permet de remplir et de vider alternativement les ventricules.

• Dans chaque ventricule du cœur artificiel, une pompe volumétrique aspire et rejette alternativement le fluide hydraulique selon le sens de rotation de l’engrenage intérieur, entraîné par un moteur à courant continu et un réducteur.

• Sept capteurs, notamment des débitmètres et des pressostats, assurent l’asservissement en pression et en débit des motopompes volumétriques alternatives via un microprocesseur.

• Deux batteries lithium-ion externes, d’une autonomie totale de 12 h, alimentent le cœur artificiel en puissance électrique.

• Dans le cœur artificiel, la carte électronique commande un hacheur qui alimente la motopompe à engrenage.

💡 Astuce mémo

Alimenter → moduler et délivrer → convertir → adapter et transmettre → agir.