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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
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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
FEU X D E SIGNA LISA TION
36 - 04 - 507 / -- c
CAHIER DES CHARGES
FEU X D E SIGNA LISA TION
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
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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.