Fiche de révision : Ingénierie des systèmes automatisés

📋 Plan du Cours

1. Sciences industrielles et ingénierie
2. Systèmes automatisés et applications
3. Régulation et asservissement
4. Ingénierie des systèmes et SysML
5. Analyse fonctionnelle SysML
6. Modélisation structurelle SysML
7. Chaînes d'information et d'énergie
8. Puissance et rendement énergétique
9. Actionneurs et vérins
10. Moteurs et modulateurs d'énergie
11. Effecteurs et transmissions mécaniques
12. Mesure et chaîne d'information
13. Signaux et conversions numériques
14. Capteurs de position et vitesse
15. Accélération, force et présence

📖 1. Sciences industrielles et ingénierie

🔑 Notions clés & Définitions

• Ingénieur : Conçoit un produit industriel répondant à un besoin ainsi que ses moyens de production, et intervient sur tout son cycle de vie.
• Industrie : Produit des biens ou des services selon une approche scientifique afin de répondre aux besoins d’un utilisateur, en transformant matière, énergie et information.

📖 2. Systèmes automatisés et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : Ensemble d’éléments en interaction, délimité par une frontière qui distingue ses éléments de son environnement.
• Système industriel : Système artificiel créé pour répondre à un besoin et fabriqué en quantités importantes.
• Système automatisé : Exécute des tâches sans intervention humaine et intègre un savoir-faire conféré par son concepteur.

📖 3. Régulation et asservissement

🔑 Notions clés & Définitions

• Système asservi : Maintient un état souhaité malgré les perturbations en mesurant et comparant en permanence son état à la consigne, puis en calculant une réaction pour réduire l’écart.

📝 Points essentiels

📌 Une régulation maintient un état souhaité constant malgré les perturbations, tandis qu’un asservissement suit un état souhaité variable au cours du temps.

• Dans un système asservi, la chaîne de retour mesure la sortie, le comparateur la confronte à la consigne et la chaîne directe reçoit l’écart pour commander le système.

📐 Formule - L’écart d’un système asservi est défini par $\varepsilon(t)=e(t)-s(t)$, où e(t) est la consigne et s(t) la sortie mesurée.

💡 Astuce mémo

Régulation : consigne constante ; asservissement : consigne variable.

📖 4. Ingénierie des systèmes et SysML

🔑 Notions clés & Définitions

• Ingénierie des systèmes : Modélise et conçoit les systèmes complexes, puis les valide en vérifiant qu’ils répondent au besoin du client tout en respectant les contraintes de leur environnement.
• SysML : (System Modeling Language) est un langage normalisé de modélisation des systèmes, extension d’UML et outil de l’ingénierie des systèmes.

📖 5. Analyse fonctionnelle SysML

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse fonctionnelle : Décrit les fonctions qu’un système doit assurer afin de répondre au besoin.
• Exigence : Demande ou contrainte à satisfaire, exprimant une fonction à réaliser ou une condition de performance, de fiabilité ou de sécurité.
• Cas d’utilisation : Action réalisée en utilisant le système et associée aux acteurs extérieurs qui la réalisent ou la subissent.

📖 6. Modélisation structurelle SysML

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme de définition des blocs : (bdd) recense les blocs et sous-systèmes qui composent un système et les relie par des liens de composition.
• Diagramme interne de bloc : (ibd) décrit les interactions entre les instances de blocs qui composent le bloc ou sous-système étudié, par des flux d’information, d’énergie ou de matière.

📝 Points essentiels

📌 Les ports standards représentent des échanges de commande ou des services, tandis que les ports de flux représentent des échanges de matière, d’énergie ou d’information entre blocs de même niveau.

💡 Astuce mémo

BDD : composition des blocs ; IBD : interactions entre leurs instances.

📖 7. Chaînes d'information et d'énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaîne d'information : Collecte, code et traite les informations, puis coordonne les actions de la chaîne d’énergie en lui envoyant des ordres de commande.
• Capteur : Transforme une grandeur physique observée en une grandeur codée et lisible par l’utilisateur ou le calculateur afin d’acquérir l’état du système ou de son environnement.
• Chaîne d'énergie : Reçoit les ordres de la chaîne d’information et transforme une énergie entrante en énergie mécanique afin d’agir sur le système ou son environnement.

📖 8. Puissance et rendement énergétique

📝 Points essentiels

📐 Formule - La puissance physique est l’énergie transférée par unité de temps : $P=\frac{\Delta W}{\Delta t}$, et $1\,\mathrm{W}=1\,\mathrm{J\,s^{-1}}$.

• La puissance physique s’exprime comme le produit d’une grandeur d’effort par une grandeur de flux.

📐 Formule - Le rendement énergétique vaut $\eta=\frac{W_s}{W_e}=\frac{P_s}{P_e}\leq 1$, car une partie de l’énergie entrante est perdue ou devient inutilisable pour la fonction souhaitée.

📖 9. Actionneurs et vérins

🔑 Notions clés & Définitions

• Actionneur : Transforme une énergie source électrique, pneumatique ou hydraulique en énergie mécanique afin de produire un mouvement.

📝 Points essentiels

📌 Un vérin simple effet reçoit le fluide dans la chambre arrière pour sortir la tige et utilise un ressort pour la rentrer, tandis qu’un vérin double effet reçoit le fluide dans l’une ou l’autre chambre pour sortir ou rentrer la tige.

• En usage courant, un vérin pneumatique fonctionne avec de l’air comprimé entre 2 et 10 bars, tandis qu’un vérin hydraulique utilise de l’huile pouvant atteindre 350 bars.

💡 Astuce mémo

Simple effet : le fluide pousse ; double effet : le fluide pousse et tire.

📖 10. Moteurs et modulateurs d'énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Modulateur : Ou interface de puissance, reçoit les ordres de la chaîne d’information et module ou distribue l’énergie disponible à un actionneur.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La puissance mécanique d’un actionneur rotatif vaut $P_s=C\omega$, où C est le couple et ω la vitesse angulaire.

📐 Formule - La puissance mécanique d’un actionneur linéaire vaut $P_s=Fv$, où F est l’effort et v la vitesse linéaire.

💡 Astuce mémo

Le modulateur est un robinet qui dose l’énergie envoyée à l’actionneur.

📖 11. Effecteurs et transmissions mécaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Effecteur : Reçoit l’énergie mécanique de l’actionneur et l’adapte pour agir efficacement sur le système ou son environnement.

📝 Points essentiels

📌 Une transmission par contact frottant empêche le glissement par pression entre solides lisses, tandis qu’une transmission par obstacles utilise des dents ou des crans.

• Pour un engrenage cylindrique à contact extérieur, les roues tournent en sens opposés ; à contact intérieur, elles tournent dans le même sens.

💡 Astuce mémo

Le frottement entraîne par contact ; les dents ou crans entraînent par obstacles.

📖 12. Mesure et chaîne d'information

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesure physique : Estimation d’une valeur vraie, habituellement rapportée à un étalon ou à une unité, et son résultat est une grandeur physique entachée d’incertitude.
• Chaîne de mesure : Ou chaîne d’acquisition regroupe un capteur, des dispositifs de traitement du signal et, si nécessaire, un convertisseur analogique-numérique afin de mesurer et analyser les variations d’une grandeur physique.

📖 13. Signaux et conversions numériques

📝 Points essentiels

📌 Un signal analogique peut prendre une infinité de valeurs continues, un signal logique prend la valeur 0 ou 1 et un signal numérique code une valeur parmi un nombre fini de valeurs discrètes.

📐 Formule - Avec b bits, le nombre d’états numériques possibles vaut $N=2^b$.

📐 Formule - Pour une conversion analogique-numérique, le nombre N de tranches est lié à l’étendue Δx et à la résolution p par $N=\frac{\Delta x}{p}$, avec $\Delta x=x_{max}-x_{min}$.

💡 Astuce mémo

Analogique → CAN → code numérique → CNA → valeur analogique approchée.

📖 14. Capteurs de position et vitesse

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiomètre : Résistance variable à trois bornes dont le curseur délivre une tension dépendant de sa position et de la tension appliquée à la piste résistante.
• Codeur absolu : Détermine la position angulaire au moyen d’un disque portant plusieurs pistes de secteurs opaques et transparents, chacune lue par un émetteur et un récepteur optiques.

📖 15. Accélération, force et présence

🔑 Notions clés & Définitions

• Accéléromètre : Mesure une accélération linéaire, éventuellement selon trois axes orthogonaux, par une mesure indirecte de la force nécessaire pour communiquer cette accélération à une masse donnée.
• Capteur TOR : De présence fournit un signal logique binaire et peut détecter un objet par contact mécanique ou sans contact.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La mesure indirecte d’une force à partir de la déformation d’un corps d’épreuve étalonné vérifie $F=k\Delta l$, où k est sa raideur.

📊 Tableaux de synthèse

Diagrammes structurels SysML