SI_TSI.pdf

LLeess SScciieenncceess IInndduussttrriieelllleess ppoouurr ll''IInnggnniieeuurr eenn CCPPGGEE TTSSII PPaaggee 11 ssuurr 2255

Les Sciences Industrielles pour lIngnieur

en CPGE TSI

(Technologies et Sciences pour lIngnieur) I - Finalits

Les Sciences Industrielles pour lIngnieur permettent danalyser, de concevoir et de raliser des produits et systmes rpondant des performances explicites et matrises. Llaboration des rponses ces besoins exprims conduit une approche complexe : conomique, technique et scientifique. Cette dmarche doit intgrer les volutions permanentes des matriaux, des procds et des composants.

Lenseignement correspondant prend appui sur des systmes pluritechniques issus des grands secteurs technologiques : transports, production, btiment, sant, environnement

Les finalits de la formation visent le dveloppement des capacits analyser des cas concrets, imaginer et justifier des solutions. Il sagit de sexprimer et de communiquer des rsultats en sappuyant sur la matrise doutils fondamentaux de lautomatique, de llectronique, de llectrotechnique, de linformatique industrielle et de la mcanique ainsi que sur les connaissances de base des technologies associes. II - Objectifs gnraux

A partir de supports industriels placs dans leur environnement technico-conomique, les tudiants devront tre capables de :

- analyser larchitecture des systmes actuels en terme de fonctions techniques ;

- analyser, mettre en uvre, comparer, justifier ou laborer des solutions technologiques rpondant un cahier des charges donn ;

- vrifier des performances globales dun systme, dterminer tout ou partie du comportement

dun constituant par association du rel technologique, de modles de traitement issus dhypothses prciser, et des lois et principes scientifiques ;

- proposer des solutions technologiques rpondant un besoin exprim en utilisant les langages

et les reprsentations adapts ;

- utiliser loutil informatique pour divers calculs, communications, reprsentations et simulations.


III - Organisation de lenseignement

Dans ce cadre, les divers domaines technologiques seront abords en rfrence aux fonctions techniques rsolues dans la logique dune rponse aux trois questions :

- Fonction

- Structure, Matriau et Procd dobtention - Comportement dans le contexte industriel

Compte tenu de la diversit des domaines abords dans cet enseignement de sciences industrielles

pour lingnieur (automatique, lectrotechnique, lectronique, informatique industrielle et mcanique), la formation sera confie une quipe pdagogique constitue de deux professeurs.

Toutefois, lapproche de la formation gagnera tre identique, dans la logique Fonction Structure Comportement dans le contexte industriel , en appui sur des produits et systmes pluritechniques significatifs des solutions actuelles. Ces supports permettront ainsi aux tudiants de comprendre la cohrence des divers savoirs et savoir-faire quils doivent acqurir.

Dans la mme logique, lorganisation des locaux et de lemploi du temps de la classe doivent

permettre aux enseignants de mettre en uvre des travaux pratiques dtudes des produits et systmes dans une zone dactivits commune.

Ltude des systmes mettra en vidence les chanes fonctionnelles fondamentales qui les composent : chanes dnergie(s) et dinformation(s), ainsi que leurs relations. Lenseignement se fera donc toujours en rfrence ce modle fonctionnel afin de donner du sens aux enseignements qui seront abords.

La construction des savoirs et savoir-faire est organise autour de modules comprenant des activits lies de TP, cours et TD, issus dun projet pdagogique commun entre les deux enseignants. Cette organisation est identique au cours des TIPE qui se rpartissent sur les horaires des enseignements de sciences industrielles pour lingnieur.

Lorganisation pdagogique autour de centres dintrts, pour une priode donne, constitue une

dmarche facilitant la coordination entre les domaines technologiques enseigns.

Dans ce but, les systmes seront choisis en fonction de leur pertinence intgrer ces deux chanes fonctionnelles : nergie et information. On svertuera donc tudier, entre autres, des systmes industriels replacs dans leur contexte, pouvant tre instruments sans modification des solutions constructives, communicants , intgrant des capteurs intelligents et diffrents rseaux


IV - Programme IV.1 - Prsentation

La logique dtude des produits et systmes a prvalu dans la rdaction du programme de Sciences Industrielles pour lIngnieur.

Lapproche conjointe fonctionnelle et structurelle vise dvelopper la culture des solutions technologiques. Elle permet, en outre, un passage progressif dactivits danalyse, qui dveloppent le sens critique, aux activits de synthse dans lesquelles sexprime la crativit, en utilisant diverses reprsentations.

Lapproche comportementale sattache dispenser une culture de modles : de quels modles a-t-on besoin ? Quelles sont leurs limites ?

On constate que lutilisation de modles polymorphes est indispensable mais la simulation nest

pas suffisante, il faut renseigner les paramtres du modle par des exprimentations. La reprsentation des changes, au sein du modle, ne se limite pas aux relations fonctionnelles

mais concerne galement les flux nergtiques. Cette approche est nouvelle, elle utilise des outils de conception graphique et constitue un point important de lenseignement des Sciences Industrielles pour lIngnieur en classe prparatoire.

Compte tenu des origines multiples des tudiants de la filire TSI, la structuration du programme et sa mise en uvre doivent aider homogniser les acquis. IV.2 - Architecture du programme S1 Analyse fonctionnelle

Cet enseignement conduit les tudiants connatre, utiliser les outils de lanalyse fonctionnelle et aborder de manire structure et mthodique les solutions constructives des produits.

Pour lanalyse fonctionnelle externe, les outils et dfinitions sont relatifs lexploitation de lexpression du besoin pour comprendre un cahier des charges fonctionnel.

Lanalyse fonctionnelle interne privilgie le point de vue du concepteur. Loutil FAST, en

complment dune dmarche SADT, est recommand pour conduire, partir du CdCF (Cahier des Charges Fonctionnel), une mthodologie de recherche et de dfinition des solutions constructives. S2 Fonctions du produit

Ce chapitre dcrit les grandes familles de solutions rpondant une fonction technique donne. On y aborde leurs conditions dimplantation, de bon fonctionnement et leurs interfaces avec les autres fonctions du produit dans une architecture donne. Il sagit galement de dgager, le cas chant, les principales rgles de construction, de configuration, de ralisation ou dagencement. Dans ce cadre, on sattachera en particulier mettre en vidence ladquation entre le produit, le matriau et le ou les procds de fabrication, en se limitant aux matriaux et procds les plus utiliss.

La prsentation propose sappuie sur les fonctions gnriques de la chane dnergie et de la

chane dinformation afin de renforcer le lien entre lapproche fonctionnelle et lapproche structurelle.


S3 Comportement des systmes : outils et modles

En parallle ltude des solutions constructives, ce chapitre doit permettre dapprhender le fonctionnement des produits et systmes. Pour cela, lapproche consiste :

- justifier ou proposer des modles de traitement issus du rel technologique ;

- apprendre et appliquer les lois et principes ;

- interprter les rsultats et / ou les vrifier exprimentalement.

S4 Reprsentation des produits pluritechniques et dmarche de conception

La communication technologique, quel que soit le domaine abord, ne peut se faire sans une matrise de la lecture et de la production de documents techniques sous diverses formes normalises.

Les schmas sont associs une modlisation durant les phases dtude des comportements ou de dfinition du produit. Une approche moderne utilise des outils informatiques, elle peut aussi se prsenter sous forme de croquis ou dessin main leve en phase de recherche de solutions.

La reprsentation sous formes graphiques ou par diagrammes fonctionnels permet de modliser les

systmes complexes et notamment les systmes asservis. Pour la reprsentation 3D, les modeleurs volumiques constituent la base de travail pour :

- la reprsentation du rel, - la communication technique, - les calculs, - la simulation de comportement, - la simulation de procd dobtention, - la ralisation des pices constituant le produit ou le systme.

Leur facilit de prise en main et leur accessibilit justifient leur utilisation systmatique. Il faut donc amener les tudiants utiliser les modeleurs volumiques pour en comprendre leurs concepts et en matriser leurs fonctionnalits. La dmarche de conception conduisant la validation ou lexpression de solutions constructives prend appui sur quelques principes simples abords dans le programme. Les tudiants devront donc connatre quelques lments de la comptitivit des produits prenant en compte les contraintes environnementales et possder des connaissances de base sur les matriaux et les procds de transformation et dagencement. En particulier, la sensibilisation au comportement citoyen pourra tre utilement complte par des tudes relatives lutilisation et au recyclage des matriaux mis en uvre.


Plan des savoirs

Architecture du programme

S1 Analyse fonctionnelle S11 Le point de vue externe S12 Le point de vue interne

S2 Fonctions du produit

S21 Alimenter en nergie S22 Convertir l'nergie

S221 Les convertisseurs statiques d'nergie S222 Les actionneurs et practionneurs associs incluant leurs commandes

S23 Transmettre l'nergie S231 Les liaisons mcaniques S232 Les composants mcaniques de transmission

S24 Acqurir et traiter l'information S241 Les capteurs S242 Les capteurs intelligents S243 Le traitement de linformation capte S244 Les systmes programmables S245 Le transport de l'information

S25 Communiquer l'information S251 La transmission de l'information

S2511 Les principaux supports de transmission et lments caractristiques S2512 Les diffrents modes de transmission

S252 Les rseaux

S3 Comportement des systmes : outils et modles S31 La chane d'nergie

S311 Les sources dnergie lectrique S312 La conversion statique d'nergie S313 La conversion lectromcanique d'nergie S314 La dtermination des lois de mouvement S315 La dtermination des actions mcaniques S316 Le dimensionnement des lments dun systme

S32 La chane d'information S321 Le conditionnement du signal S322 La transmission de l'information S323 Les rseaux S324 Le comportement des systmes logiques combinatoires S325 Le comportement des systmes logiques squentiels S326 Le comportement des systmes asservis

S3261 La modlisation dun systme asservi S3262 Le contrle et la commande dun systme asservi


S4 Reprsentation des produits et dmarche de conception S41 La reprsentation des produits

S411 La reprsentations des signaux S412 La schmatisation S413 La reprsentation gomtrique du rel

S42 La dmarche de conception S421 Les composantes de la comptitivit des produits S422 Ladquation Produit -Matriau -Procd S423 La dfinition du produit (dessin de dfinition du produit fini)

S43 La dmarche de ralisation et de qualification S431 Les principes de ralisation intgrs dans la chane numrique S432 La qualification du produit

IV.3 - Contenus

Le programme est crit en termes de comptences atteindre auxquelles sont associs les savoirs et savoir-faire correspondants. Les niveaux de matrise des savoirs et savoir-faire sont spcifis suivant la taxonomie dcrite page suivante.


Spcification des niveaux dacquisition et de matrise des savoirs

Niveaux

Indicateur de niveau d'acquisition et de matrise des savoirs

1 2 3 4

Niveau dINFORMATION

Le savoir est relatif l'apprhension dune vue densemble dun sujet : les ralits sont montres sous certains aspects de manire partielle ou globale.

Cest la capacit identifier, citer, voquer un phnomne sans ncessairement le placer dans son contexte.

Ce niveau nest pas valuable

Niveau DEXPRESSION

Le savoir est relatif lacquisition de moyens dexpression et de communication : dfinir, utiliser les termes composant la discipline. Il sagit de matriser un savoir.

Cest la capacit dcrire, expliquer, faire un schma, exprimer la comprhension dun phnomne dans le contexte demand. Ce niveau englobe le prcdent.

Niveau de la MAITRISE DOUTILS

Le savoir est relatif la matrise de procds et doutils dtude ou daction : utiliser, manipuler des rgles ou des ensembles de rgles (algorithme), des principes, en vue dun rsultat atteindre. Il sagit de matriser un savoir-faire.

Cest la capacit matriser un savoir-faire associ un savoir pour utiliser un modle, mettre en uvre une dmarche de dimensionnement, reprsenter et simuler un fonctionnement, conduire un quipement, effectuer une mesure Ce niveau englobe les deux niveaux prcdents.

Niveau de la MAITRISE

METHODOLOGIQUE

Le savoir est relatif la matrise dune mthodologie de pose et de rsolution de problmes : assembler, organiser les lments dun sujet, identifier les relations, raisonner partir de ces relations, dcider en vue dun but atteindre. Il sagit de matriser une dmarche : induire, dduire, exprimenter, se documenter. Cest la capacit choisir par la mise en uvre, en autonomie, dune dmarche danalyse puis de synthse. Il sagit de matriser la rsolution dun problme sans indication sur la dmarche suivre. Ce niveau englobe les trois niveaux prcdents.


S1 Analyse fonctionnelle Enseignement abord en 1re anne

Comptences attendues Savoirs et savoir-faire associs

Niveaux dacquisition

1 2 3 4

S11 Le point de vue externe (1) Besoin satisfaire. Cycle de vie du produit. Expression fonctionnelle du besoin. Frontire dune tude, diagramme des

interacteurs.

Fonctions de service (usage, estime), contraintes.

Cahier des charges fonctionnel : caractristiques des fonctions de service (critres, niveaux et flexibilit).

S12 Le point de vue interne (1) Dclinaison des fonctions de service en

fonctions techniques : outil FAST.

Autres outils de reprsentation fonctionnelle des systmes et produits : diagramme dactivit, synoptique, schma bloc.

Architecture fonctionnelle des produits et systmes : chane dnergie, chane dinformation. Relations entre chane dnergie et chane dinformation.

Fonctions lmentaires dune chane dnergie : alimenter, distribuer, convertir, transmettre, agir.

Fonctions lmentaires dune chane dinformation : acqurir, traiter, communiquer.

Nature, caractristiques et flux des lments transforms par le produit : matire, nergie, information. Homognit des chanes fonctionnelles et compatibilit des paramtres dinterface entre les diffrentes fonctions dune chane.

Un produit ou un systme tant fourni et/ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis. Le cahier des charges du produit ou du systme tant fourni. Les comptences acquises doivent permettre de : - dcrire la frontire de ltude, - noncer les fonctions de service

du produit et les mettre en relation avec le besoin et des contraintes satisfaire,

- identifier, pour une fonction

donne : critres, niveaux, flexibilit,

- dcoder un schma bloc

dcrivant larchitecture fonctionnelle dun systme,

- identifier et caractriser les

lments transforms et dcrire les diffrents flux (physique, nergtique, informationnel).

Commentaires et limitations : (1) Lanalyse fonctionnelle, outil indispensable la conception et la ralisation de produits comptitifs, constitue un moyen de situer une problmatique technique et fournit un cadre structurant des connaissances vises par le programme, quel que soit le champ technologique abord. Son enseignement sera abord au travers de quelques exemples pertinents et par la mise en situation systmatique des fonctions techniques, objets dtudes lors des TD ou des TP.


S2 Fonctions du produit S21 - Alimenter en nergie Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

Les sources dnergies : Grandeurs physiques disponibles. Interfaces de connexion. Constituants de distribution.

Pour les solutions constructives lectriques : - rseaux de distribution monophas et

triphas quilibr,

- rseaux embarqus : piles, panneaux solaires et accumulateurs (diffrentes technologies et leurs principales applications).

Pour les solutions constructives hydrauliques relatives au groupe de gnration hydraulique.

Pour les solutions constructives pneumatiques relatives au rseau dair comprim rgul.

Un produit ou un systme tant fourni et / ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis et son cahier des charges tant fourni.

La source dnergie, les actionneurs et le schma de puissance tant dfinis, les caractristiques de fonctionnement tant prcises pour une application donne. Les comptences acquises doivent permettre d' : - identifier les constituants du

rseau d'alimentation, - exprimer leurs caractristiques.

S2 Fonctions du produit S22 - Convertir l'nergie Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

S221 Les convertisseurs statiques d'nergie Nature et caractristiques des grandeurs

physiques dentre et de sortie (continu, alternatif, courant, tension).

Conditions dimplantation, de mise en uvre et de compatibilit pour une application donne.

Pour les solutions lectriques relatives la variation de vitesse des machines tournantes.

Pour les solutions hydrauliques relatives aux pompes.


La source dnergie, les actionneurs et le schma de puissance tant dfinis, les caractristiques de fonctionnement tant prcises pour une application donne. Les comptences acquises doivent permettre d' : - identifier les convertisseurs, - identifier et rgler les

paramtres de commande lis la conversion dnergie.


S222 Les actionneurs et practionneurs associs incluant leurs commandes (1)

Caractristiques d'entre et de sortie. Espaces de fonctionnement, rversibilit. Domaines d'application (gamme de vitesse,

prcision) et volutions.

Pour les solutions constructives lectriques :

- machine courant continu excitation spare ou aimant permanent,

- machine synchrone (moteur brushless), - machine asynchrone triphase cage.

Pour les solutions constructives hydrauliques et pneumatiques :

- distributeurs, - moteurs et vrins hydrauliques.


La source dnergie, les actionneurs et le schma de puissance tant dfinis, les caractristiques de fonctionnement tant prcises pour une application donne. Les comptences acquises doivent permettre d' : - identifier les actionneurs et

practionneurs, incluant leurs commandes, utiliss dans la chane d'nergie du systme,

- identifier et rgler les

paramtres de commande lis la variation de vitesse,

- extraire de la documentation

fournie les valeurs numriques caractristiques (puissance, couple...) des solutions techniques retenues,

- justifier les choix au regard du

cahier des charges.

Commentaires et limitations : (1) Ltude des actionneurs, de leur commande et de la distribution dnergie correspondante ne doit tre aborde que dans le contexte dtudes de cas pertinents o le cahier de charges spcifie les performances attendues et le contexte de fonctionnement du systme.


S2 Fonctions du produit S23 - Transmettre l'nergie Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

S231 Les liaisons mcaniques Nature des liaisons obtenues. Conditions et surfaces fonctionnelles (mise en

position, maintien en position, prcision, tenue aux efforts, rigidit).

Lubrification et tanchit ventuelles. Adquation pice-matriau-procd. Pour les solutions constructives :

- assemblages dmontables et permanents, - guidages en rotation par glissement et par

lments roulants,

- guidages en translation par glissement et par lments roulants.

S232 Les composants mcaniques de transmission

Caractrisation cinmatique de la transmission : mobilit, loi dentre-sortie, rversibilit.

Puissances dentre et de sortie, rendement. Conditions dinstallation et de bon

fonctionnement.

Pour les solutions constructives suivantes : . transmissions sans transformation de mouvement :

sans modification de la frquence de rotation : - accouplements darbres, - embrayages, - coupleurs et limiteurs de couple, - freins.

avec modification de la vitesse angulaire : - poulies, courroie, - chanes, - engrenages (trains simples et picyclodaux,

appliqus aux rducteurs et botes de vitesses).

. transmissions avec transformation de mouvement :

- systmes vis crou (avec frottement et avec roulement),

- cames, systmes articuls plans.

Un produit ou un systme tant fourni et / ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis et son cahier des charges tant fourni. Tout ou partie du produit tant disponible et les documents techniques tant donns sous forme de plans, schmas, croquis, modles virtuels. Les comptences acquises doivent permettre de : - identifier les solutions

constructives correspondant une fonction technique,

- noncer les caractristiques

fonctionnelles dune solution constructive (jeux, prcision, transmission defforts, pertes nergtiques),

- justifier un choix constructif au

regard du cahier des charges et des exigences techniques et conomiques de ralisation,

- comparer deux solutions

constructives rpondant la mme fonction technique pour une application donne.


S2 Fonctions du produit S24 - Acqurir et traiter l'information Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

S241 Les capteurs

Place du capteur dans la chane dinformation. Fonctions de base et structure fonctionnelle de

la chane d'acquisition de linformation.

Typologie des informations d'entre et de sortie. Caractristiques mtrologiques : tendue de

mesure, sensibilit, rsolution et fidlit, temps de rponse.

Contraintes de montage et de rglage.

Pour des solutions constructives telles que capteurs de position, vitesse, effort, acclration

S242 Les capteurs intelligents

Typologie des informations d'entre et de sortie. Caractristiques mtrologiques et intrinsques

(capacit de calcul, possibilit de communication).

Pour des solutions constructives telles que capteurs de position, vitesse, effort, acclration

Un produit ou un systme tant fourni et /ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis, les lments du cahier des charges relatifs lacquisition de la grandeur physique et les documents techniques relatifs aux composants de la chane dacquisition tant fournis. Les comptences acquises doivent permettre de : - identifier les capteurs utiliss

dans la chane d'information du systme,

- dfinir la nature des informations

d'entre et de sortie du capteur, - justifier leur choix au regard du

cahier des charges, - extraire de la documentation

fournie les valeurs numriques caractristiques des solutions techniques retenues.

S243 Le traitement de l'information capte

Filtrage analogique et numrique. Amplification. Mise en forme seuils. Transposition de signaux en frquence. Conversions A/N (CAN / CNA). Pour les solutions constructives relatives aux mesures de position, vitesse, effort, acclration

Les comptences acquises doivent permettre de : - identifier les diffrents

constituants matriels de la chane d'information et les fonctions techniques ralises,

- dcrire et reprsenter les

volutions temporelles et frquentielles des signaux le long de la chane d'information.


S244 Les systmes programmables

Structure fonctionnelle et architecture matrielle (unit centrale, entre - sortie, mmoires, FPGA, bus d'adresses, de donnes).

Structure logicielle et mise en uvre de la chane de dveloppement (1).

Pour les solutions constructives :

- systmes base de microcontrleur, - automate programmable industriel.

Sur un quipement rel donn, une proposition de modification du fonctionnement d'une partie du systme tant formule, le modle de commande et les frontires de l'tude tant dfinis. Les comptences acquises doivent permettre de : - modifier la spcification

comportementale l'aide d'un diteur (interface de dveloppement rapide),

- implanter le programme

modifi dans le composant cible et tester le fonctionnement.

S245 Le transport de l'information

Caractristiques principales (bande passante, attnuation, immunit aux bruits).

Mise en uvre. Pour les solutions lectriques :

- cbles coaxiaux et plats, - paires torsades.

Pour les solutions optiques relatives aux fibres monomode et multimode.

Les comptences acquises doivent permettre de : - justifier le choix d'un support

au regard du cahier des charges de la transmission.

Commentaires et limitations : (1) Le dveloppement se fait l'aide d'outils graphiques uniquement.


S3 Comportement des systmes : outils et modles S31 - La chane d'nergie Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

S311 Les sources d'nergie lectrique Les sources alternatives distribues :

- tension, frquence, puissance de court-circuit, - stabilit, disponibilit, qualit de l'nergie. Ladaptation des niveaux de tension et

l'isolation galvanique par transformateur monophas (suppos parfait).

Les sources continues : tension, courant de

court-circuit, capacit.

Un produit ou un systme tant fourni et / ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis, son cahier des charges tant fourni. Les comptences acquises doivent permettre d :

- effectuer des calculs et des mesures de courants, tensions, puissances, facteur de puissance, contenu harmonique et taux de distorsion.

S312 La conversion statique d'nergie Les principes de la conversion statique :

Rgles de base : association de sources (tension ou courant), mode de commutation des interrupteurs (interrupteurs 2 ou 3 segments), conversion directe ou indirecte.

La commutation de puissance dans les semi-

conducteurs (1) :

Caractristiques statiques et dynamiques, critres de choix.

Les convertisseurs (2) :

De l'alternatif au continu : redresseur non command sur charge inductive (conduction continue) en :

- monophas (PD2 uniquement), - triphas (PD3 seulement). redresseur MLI monophas.

Du continu au continu (conduction continue sur charge RLE) (3) :

hacheur srie, hacheurs parallle, rversible en tension, en courant et quatre quadrants.

Du continu l'alternatif : onduleurs autonomes de tensions triphases (MLI).

La dissipation de puissance dans les redresseurs

diodes (4) : pertes en conduction, refroidissement.

Le filtrage de la tension et lissage du courant

par composants passifs (5).

Les comptences acquises doivent permettre de : - choisir un convertisseur selon

les transferts nergtiques de l'application,

- dterminer les grandeurs

nergtiques des lments fonctionnels de la chane d'nergie (puissances d'entre et de sortie, rendement, facteur de puissance),

- analyser le fonctionnement d'un

convertisseur (formes d'ondes des tensions et des courants),

- justifier le choix des semi-

conducteurs utiliss en s'appuyant sur les caractristiques principales (rversibilit, limites en courant et tension) issues de documents techniques,

- exploiter les modles proposs

pour la dtermination des pertes dans les redresseurs diodes et choisir un refroidisseur.


S313 La conversion lectromcanique d'nergie Les actionneurs :

- principes de conversion lectromcanique utiliss dans les actionneurs lectriques,

- schma quivalent lectrique simplifi, - caractristiques mcaniques des actionneurs, - pertes et rendements, - principes de contrle des convertisseurs

associs pour la commande en couple ou en vitesse des actionneurs (6).

Pour les solutions constructives :

- machine courant continu aimant permanent ou excitation spare,

- machine synchrone (moteur brushless), - machine asynchrone triphase cage.

Les comptences acquises doivent permettre de : - dterminer la nature de

lactionneur (MCC, MS ou MAS), - identifier les rgimes de

fonctionnement mcanique (fonctionnement dans 1, 2 ou 4 quadrants),

- choisir le convertisseur et sa

commande (couple, vitesse, mixte) adapts aux spcifications de lapplication,

- tablir les flux dnergie mis en

jeu selon les diffrents modes de fonctionnement,

- dterminer les grandeurs

nergtiques des lments fonctionnels de la chane d'nergie (puissances d'entre et de sortie, rendement).

S314 La dtermination des lois de mouvement Notion de solide. Notion de mouvement. Repre, coordonnes, paramtrage. Trajectoire dun point dun solide. Caractrisation du mouvement dun solide par

rapport un repre.

Vecteur position, vitesse, acclration. Composition des vecteurs vitesse. Champ des vecteurs vitesse pour un solide. Caractrisation des chanes cinmatiques. Torseur cinmatique associ une liaison. Liaison quivalente une association de 2

liaisons en srie ou en parallle.

Loi dentre-sortie dun mcanisme. S315 La dtermination des actions mcaniques Modlisation des actions mcaniques. Nature : de contact, distance (gravit,

magntique).

Modle local du contact (notion de densit surfacique de charge, modles de rpartition sur une surface de contact, valeur seuil de pression de matage, critre nergtique pV, sans frottement, avec frottement (glissement et adhrence), lois de Coulomb.

Modle global des actions transmissibles par une liaison parfaite ou non (torseur associ).

Un produit ou un systme tant fourni et/ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis. Le cahier des charges du produit ou du systme tant fourni. Une documentation si ncessaire tant donne.

Les comptences acquises doivent permettre de : - dfinir les frontires de ltude

et les donnes dentre, - faire les hypothses

simplificatrices ncessaires et proposer un modle dtude adapt,

- justifier un modle dtude

propos pour une situation donne,

- laborer un paramtrage dans

des cas simples, - identifier les sollicitations

appliques, - choisir une mthode dtude ou Association des pices et de liaisons.


Liaison quivalente une association de 2 liaisons en srie ou en parallle.

Comportement des mcanismes (degr de mobilit, degr dhyperstatisme, isostaticit).

Approche statique dun problme :

condition dquilibre, conditions dutilisation et application du

Principe Fondamental de la Statique,

thorme des actions mutuelles, mthodologie : isolement, bilan des actions

mcaniques extrieures, application du PFS.

Approche dynamique dun problme : grandeurs inertielles (centre dinertie, oprateur

dinertie et matrice associe, thorme de Huygens),

grandeurs cintiques (torseur cintique, torseur dynamique, nergie cintique),

conditions dutilisation et application du Principe Fondamental de la Dynamique par rapport un repre galilen,

mthodologie : isolement, bilan des actions mcaniques extrieures, application du PFD.

Approche nergtique dun problme : puissance dveloppe par les actions

mcaniques extrieures au systme isol dans son mouvement par rapport un rfrentiel,

puissance change entre les pices lintrieur du systme isol,

utilisation du Thorme de lEnergie Cintique Galilenne,

notion de pertes de puissance, rendement global, mthodologie : isolement, bilan des puissances,

application du TECG.

S316 Le dimensionnement des pices mcaniques dun systme

Hypothses de la Rsistance des Matriaux : modle poutre , sur les matriaux, de Navier-Bernoulli et de Barr de Saint Venant.

Contraintes, dformations, lois de comportement.

Torseur de cohsion. Vecteur contrainte pour une facette de normale

la ligne moyenne de la poutre, composante normale et tangentielle.

Lois de Hooke. Sollicitations simples : traction Compression, torsion (cas des poutres section droite

circulaire),

un outil de calculs et appliquer un principe ou une loi pour dterminer les grandeurs physiques utiles,

- comparer les rsultats obtenus

au comportement rel et, ventuellement, interprter les carts,

- dimensionner une pice et/ou

modifier sa gomtrie, - interprter les rsultats obtenus

dans le cas de sollicitations simples telles que : traction, torsion et flexion plane simples.

flexion simple,


conditions de rsistance (rsistance pratique llongation et au glissement, coefficient de scurit, concentration de contrainte,

notions dlasticit plane (maillage, conditions aux limites, chargement, courbes isovaleurs, contraintes de Tresca et de Von Mises).

Commentaires et limitations : (1) Les tudes se limitent la diode, au transistor MOS et l'IGBT. (2) Les alimentations dcoupage ne sont pas au programme. (3) On supposera que la constante de temps de la charge est trs suprieure la priode du hacheur, le courant sera donc linaris. (4) On voquera les pertes dans les autres convertisseurs mais leur dtermination dpasse le cadre de ce programme. (5) Le redresseur capacit en tte est exclu. (6) La commande vectorielle et la transforme de Park sont hors programme.


S3 Comportement des systmes : outils et modles S32 - La chane d'information Enseignement abord en 1re anne



1 2 3 4

S321 Le conditionnement du signal Amplification : gains en tension, en courant, en

puissance, impdances d'entre et de sortie, bande passante, linarit.

Mise en forme seuils : comparateurs simple et

hystrsis.

Fonctions linaires base damplificateurs

linaires intgrs : sommation, soustraction, intgration, drivation.

Filtrage analogique (1) : gabarit des filtres

idaux, ralisation de filtres passifs type passe bas (source parfaite) et de filtres actifs.

Conversion analogique / numrique :

- caractristiques et ralisation de la fonction "chantillonneur - bloqueur",

- convertisseurs rampes multiples, - convertisseurs de structure Flash.

Filtrage numrique (2) :

- structures des filtres rcursifs, - transposition du filtre analogique en filtre

numrique par discrtisation de lquation diffrentielle.

Un produit ou un systme tant fourni et / ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis, les lments du cahier des charges relatifs la chane d'information et les documents techniques relatifs ses composants tant fournis. Les comptences acquises doivent permettre de : - analyser et de mettre en uvre

partir du cahier des charges des associations de fonctions de l'lectronique ralisant un conditionnement du signal issu d'un capteur, un dispositif de mesures ou une conversion de grandeurs,

- donner l'algorithme (relation de

rcurrence) d'un filtre numrique quivalent un filtre analogique dfini par sa fonction de transfert et valider son comportement (utilisation d'un logiciel de traitement numrique).

S322 La transmission de l'information

Modes de transmission : srie, parallle. Modulation et dmodulation d'amplitude

analogique. Modulation en largeur d'impulsion (PWM).

- valider le type de modulation au regard du cahier des charges de la transmission en terme de bande passante, de dbit ou de rapport signal sur bruit.

S323 Les rseaux

Elments de base des rseaux numriques : environnement matriel et logiciel.

Envoi des donnes sur le rseau : dcoupage des messages en paquets et en trames.

Structure d'un paquet ou d'une trame type : dcoupage en champs (champ de dbut de trame, champ d'identification, champ de donnes, champ de contrle).

Un systme de communication tant donn et / ou dfini par un dossier, la documentation technique associe tant fournie. Les comptences acquises doivent permettre d : - identifier dans une trame ou un

paquet les diffrents champs, - identifier dans les champs d'une

Les diffrents rseaux : notions de protocole (TCP/IP, CAN, Modbus, ).


trame ou d'un paquet l'metteur de l'information,

- dcoder une information

contenue dans le champ des donnes afin d'en donner sa valeur dans le systme international de mesure,

- vrifier, dans le champ de

contrle, si la transmission est excute sans erreur.

S324 Le comportement des systmes logiques combinatoires (3)

Notion de systme combinatoire. Oprateurs logiques de base. Synthse d'une fonction logique : ralisation

matrielle l'aide de composants intgrs ou programmables.

S325 Le comportement des systmes logiques squentiels (3)

Notion de systme squentiel (notions dtat et de variable dtat).

Oprateurs squentiels de base : o Compteur synchrone. o Registres dcalage, mmoires.

Reprsentation comportementale dun systme automatique (GRAFCET, logigramme).

Un produit ou un systme tant fourni et / ou dfini par un dossier ou un fichier, son environnement dutilisation tant prcis. Le cahier des charges du produit du systme ou dune partie combinatoire tant fourni. ventuellement, un systme combinatoire dont le fonctionnement est observable ou dcrit par une reprsentation fonctionnelle et la liste des entres-sorties tant dfinies. Les comptences acquises doivent permettre partir : - exprimer le fonctionnement

par un graphe dtat, - analyser et dcrire le

fonctionnement attendu, - raliser les fonctions logiques

ou coder le programme, - tester la ralisation, - valider le fonctionnement, en

conformit avec le cahier des charges.

S326 Le comportement des systmes asservis (4) S3261 La modlisation dun systme asservi Introduction - aspect gnraux :

- buts et motivations, exemples, - dfinition et structure d'un systme asservi

(chane directe, de retour, ),

- consigne et perturbations, - rgulation et poursuite, - dfinition des performances (rapidit,

prcision et stabilit).

A partir d'un systme linaire continu et invariant dfini par un schma de structure ou par une ralisation industrielle.

Les comptences acquises doivent permettre de : - justifier un modle simple de

comportement en reliant les coefficients de la fonction de


Modlisation et comportement des systmes linaires, continus et invariants :

- notions de systmes linaires, continus et invariants,

- modlisation par quations diffrentielles, - reprsentations par fonction de transfert

(forme canonique, gain, ordre et classe),

- systmes du 1eret du 2nd ordre : rponses temporelle (chelon, rampe et signal sinusodal) et frquentielle (diagramme de Bode).

S3262 Le contrle et la commande dun systme asservi

Systmes linaires, continus et invariants : - reprsentation par schmas blocs, - fonctions de transfert en boucle ouverte et en

boucle ferme,

- influence des perturbations. Identification des systmes linaires continus et

invariants : modlisation et identification laide dune rponse indicielle et/ou dune rponse harmonique pour les systmes du 1er et du 2nd ordre.

Analyse des performances d'un systme asservi :

- stabilit : en BO (marges de phase et de gain dans le plan de Bode, et dans le plan de Nyquist), en BF (tude des ples),

- prcision : cart statique permanent, - effet d'une action intgrale dans la chane

directe,

- rapidit : temps de rponse 5 %. Correction des systmes asservis (5) :

- effets sur les performances, - rgulateurs P, PI et PID.

transfert certains paramtres physiques du systme (notion de modlisation linaire autour dun point de fonctionnement),

- vrifier la cohrence du modle

choisi avec des rsultats d'exprimentation,

- dterminer les fonctions de

transfert en boucle ouverte et en boucle ferme d'un systme partir de la connaissance des diverses fonctions de transfert le constituant,

- tracer dans le plan de Bode les

fonctions de transfert, - identifier un systme partir

d'une courbe de rponse indicielle et donner un modle de reprsentation,

- analyser la stabilit d'un

systme, - dterminer la prcision en

rgime permanent,

- analyser l'influence d'un correcteur P, PI et PID sur un systme sous l'aspect temporel et frquentiel (influence sur le diagramme de Bode uniquement).

Commentaires et limitations : (1) On limite ltude aux filtres du premier et du second ordre. (2) La transforme en z n'est pas au programme. On limite l'tude aux filtres passe - bas du 1er et du 2nd ordre. (3) La rduction des quations logiques nest plus au programme. Le langage VHDL n'est pas au programme. On choisira des outils de dveloppement et de simulation disposant d'une bibliothque de composants trs tendue permettant de concevoir graphiquement le logigramme de la fonction raliser. Ce dernier sera compil pour crer le fichier de programmation JEDEC en fonction du PLD. (4) L'outil mathmatique utilis est la transforme de LAPLACE. Sa prsentation se limite son nonc et aux proprits du calcul symbolique strictement ncessaire ce cours. Les thormes des valeurs finale et initiale seront donns sans dmonstration. La transforme de Laplace inverse est hors programme. (5) La synthse des correcteurs est hors programme. Les outils de simulation permettent le passage rapide entre ltude temporelle et ltude frquentielle.


S4 Reprsentation des produits et dmarche de conception S41 La reprsentation des produits Enseignement abord en 1re anne



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S411 La reprsentation des signaux

Reprsentation logique (positive, ngative, binaire, hexadcimale).

Reprsentations temporelle et frquentielle, reprsentation dans le plan complexe.

Dualit temps / frquence des signaux dterministes (signaux priodiques et signaux transitoires).

Reprsentation dans le domaine frquentiel dun bruit blanc .

Tout ou partie dun produit ou dun systme tant fourni avec son cahier des charges et les documents techniques utiles. Les moyens de mesure lectriques tant disponibles.

Les comptences acquises doivent permettre de : - interprter le spectre des

amplitudes fourni par un module FFT associ un oscilloscope numrique et justifier le choix de la dure d'observation,

- mettre en place le mesurage

des signaux (choix des appareils en fonctions des grandeurs caractristiques relever).

S412 La schmatisation Schma cinmatique. Schma technologique. Schmas pneumatique et hydraulique. Schma lectrique. Schma lectronique. Schma informatique (description graphique). Graphe fonctionnel tats et transitions.

Tout ou partie dun produit ou dun systme tant fourni et/ou dfini par un dossier ou un fichier, sous forme de schma, de dessin, les normes tant disposition.

Les comptences acquises doivent permettre de :

- dcoder les documents fournis

et identifier les constituants reprsents.

S413 La reprsentation gomtrique du rel Dessin et croquis main leve dune solution. Reprsentation dune solution constructive en

3D par un modeleur volumique paramtr variationnel.

Modes de cration de pices. Relations entre paramtres gomtriques et

conditions fonctionnelles.

Assemblage sous contrainte.

Tout ou partie du cahier des charges dun produit ou dun systme tant fourni, la frontire de ltude tant dfinie.

Les comptences acquises doivent permettre de :

- reprsenter tout ou partie du

produit sous forme de croquis ou de schma et exprimer les Utilisation de bibliothques dlments

standard.


fonctionnalits attendues (mise en position, contraintes dassemblage),

- laborer la maquette

numrique de la partie tudie du produit en intgrant les contraintes fonctionnelles dassemblage.

S4 Reprsentation des produits et dmarche de conception S42 La dmarche de conception Enseignement abord en 1re anne



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S421 Les composantes de la comptitivit des produits

Normalisation, standardisation. Traabilit des tudes. Notion de chane numrique. Relation conception - industrialisation -

production et contrle.

S422 Ladquation Produit - Matriau - Procd Matriaux des produits et systmes. Caractristiques : structure, proprits physico-

chimiques (conductibilit, masse volumique, rsistance la corrosion), proprits mcaniques (rsistance, duret, rsilience).

Classes de matriaux : dsignation, domaine dutilisation.

Pour les classes de matriaux suivantes :

- matriaux mtalliques, - matriaux polymres et lastomres, - matriaux composites.

Procds dobtention des produits. Principe du procd. Paramtres influents sur le procd : matriau,

brut capable, gomtrie, prcision.

Influences sur les proprits du matriau. Principes des outillages associs. Pour les procds suivants :

- moulage par gravit et sous pression, - dformation : forgeage, estampage,

emboutissage, pliage,

- enlvement de matire : usinage, UGV, - soudage, - dcoupage : poinonnage, oxycoupage, laser,

jet deau.

Le cahier des charges et tout ou partie du dossier de dfinition dun produit tant fournis. Les donnes et caractristiques sur les matriaux et procds tant disponibles. Les comptences acquises doivent permettre de : - justifier le choix dun matriau

pour une pice constitutive dun systme,

- valider ou modifier la

gomtrie dune pice en accord avec les contraintes techniques et conomiques du procd dobtention,

- rechercher, pour une condition

fonctionnelle exprime en clair sur un document densemble, la (ou les) spcification(s) relative(s) une pice influente,

- justifier et mentionner de

faon qualitative les spcifications (en dimension et en spcification de forme, dorientation et de position relative et dtat de surface) sur le document de dfinition de la pice en respectant les normes,


Dmarche de choix du couple matriau procd.

Caractrisation dun produit partir de son cahier des charges.

Contraintes techniques et conomiques du couple matriau-procd.

S423 La dfinition du produit Cotation et tolrancement normaliss

Dfauts gomtriques des pices. Conditions fonctionnelles des assemblages et

guidages.

Spcification du produit selon les normes en vigueur.

- proposer, partir du trac des groupes de surfaces fonctionnelles dune pice, un trac et un moyen dobtention du brut capable en justifiant les adaptations de trac.

S4 Reprsentation des produits et dmarche de conception S43 La dmarche de ralisation et de qualification Enseignement abord en 1re anne



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S431 Les principes de ralisation intgrs dans la chane numrique

Dfinition dun axe numrique. Reprage normalis des diffrents axes

numriss.

Architecture fonctionnelle dune machine commande numrique n axes.

Organisation dune opration lmentaire de production par moyen numrique (repres, origines, vecteur dplacement, ).

Un dessin de dfinition tant fourni. Les documents techniques des machines et appareillages additionnels tant donns sous forme de plans, schmas, croquis, notices, modles virtuels, animations. Les documents dindustria-lisation et le choix technique de production tant fournis.

Les comptences acquises doivent permettre de : - dcrire le principe dobtention

de la gomtrie de la pice considre laide dun procd numris.

S432 La qualification du produit (1) Matriels de contrle et de mesurage dits

conventionnels et leurs techniques demploi.

Structure fonctionnelle dune machine mesurer tridimensionnelle.

Mthodologie de mesurage pour des spcifications de forme, dorientation et de position.

Un dessin de dfinition tant fourni. Les documents techniques des appareils tant donns sous forme de plans, schmas, croquis, notices, modles virtuels tant donns. Des relevs ou feuilles de rsultat tant fournis. Les normes ISO ncessaires tant Etats de surface (rugosit).


fournies. Les comptences acquises doivent permettre d : - interprter une spcification du

dessin de dfinition du produit fini,

- proposer une mthode de

mesurage et lorganisation dune situation de contrle,

- interprter des rsultats, - noncer une dcision de

qualification du produit ou pice pour la spcification concerne.

Commentaires et limitations : (1) Les tudes de mthode de mesurage seront limites aux spcifications dimensionnelles, aux spcifications gomtriques (planit, circularit, perpendicularit, coaxialit, localisation, symtrie) avec un systme de rfrence rduit deux rfrences (primaire et secondaire) et lexclusion du battement, de la rfrence spcifie commune et du maxi-matire.


Lexique SADT : System Analysis Design Technic = description de systmes complexes par les fux de matires duvre, dnergies et dinformations FAST : Function Analys System Technic = description, sous forme dun diagramme, des fonctions de service et des fonctions techniques CdCF : Cahier des Charges Fonctionnel (NFX 50-151) = document dans lequel le client exprime son besoin PD2, PD3 : Pont Diodes 2 alternances, Pont Diodes Triphas MLI : Modulation de Largeur dImpulsions RLE : Rsistance (R), Inductance (L), Force contre-lectromotrice (E) MOS : Metal Oxyde Semi-conducteur IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor PWM : Pulse Width Modulation = MLI TCP/IP : Transmission Control Protocol / Internet Protocol CAN : 1 Convertisseur Analogique Numrique

2 Controler Area Network P, PI, PID : Proportionel, Intgral, Driv VHDL : VHSIC High-Level Description Language VHSIC : Very High Scale Integrated Circuit JEDEC : Joint Electronic Devices Engineering Council = Organisation de la normalisation en matire de circuits intgrs PLD : Programmable Logic Device FFT : Fast Fourier Transformer UGV : Usinage Grande Vitesse = dsignation donne aux machines dont la frquence de rotation de la broche est suprieure 10 000 tours/min eniron.

Documents

SI_TSI.pdf