Architectures fonctionnelle et structurelle

Chapitre
2
Architectures
fonctionnelle
et structurelle
Le 18 décembre 2013, le premier cœur artificiel Carmat
est implanté chez un patient. La conception est le fruit de
quinze années de recherche collaborative entre des équipes
médico-chirurgicales et des ingénieurs de Matra. Il met en
œuvre les technologies les plus récentes. Sa forme
anatomique, son poids de 900 g et son volume de 0,75 l lui
autorisent une implantation compatible avec au moins 65 %
des patients. À l'aide des capteurs de pression et de position,
l'électronique de contrôle, totalement embarquée, permet une
régulation automatique en débit et en fréquence. Les
matériaux sont biocompatibles pour toutes les surfaces en
contact avec le sang. Ses tests fonctionnels et d’endurance
drastiques garantissent une durabilité de 5 ans.
Objectifs
Ce qu’il faut connaître
La décomposition structurelle d’un système en chaîne d’information et chaîne d’énergie
La fonction des différents constituants
Le diagramme de définition de blocs
Le diagramme de bloc interne
Le diagramme paramétrique.
Ce qu’il faut savoir faire
Analyser un système d’un point de vue fonctionnel et structurel
Identifier les données entrantes et sortantes d’une chaîne d’information
Identifier les matières et énergies entrantes et sortantes d’une chaîne d’énergie
Définir la fonction des différents constituants
Décrire la structure interne du système en termes de parties, ports et connecteurs.
Résumé de cours
Architecture d’un système pluritechnique
Chaîne d’information / chaîne d’énergie
Au sein des systèmes pluri techniques, on peut distinguer :
– la chaîne d’information agissant sur les flux de données,
– la chaîne d’énergie agissant sur les flux de matières et d’énergies.
Données entrantes
Chaîne d’information
Données sortantes
Interface
Energies entrantes
Chaîne d’énergie
Matières entrantes
Energies sortantes
Matières sortantes
Méthode 2.1. Détermination des données, des énergies et des matières entrantes et
sortantes associées à un système
Fonctions génériques / schéma topo fonctionnel
À la chaîne d’information et à la chaîne d’énergie, on peut en général associer les fonctions
élémentaires suivantes :
Grandeurs physiques à acquérir
Informations
destinées à
d’autres systèmes
et interfaces
Homme /
Machine
Chaîne d’information
Informations
issues d’autres
systèmes et
interfaces
Homme /
Machine
Energies entrantes
ACQUERIR
CODER
TRAITER
MEMORISER
RESTITUER
COMMUNIQUER
Matières d’œuvre
Ordres
CHARGER
STOCKER
ALIMENTER
MODULER
DISTRIBUER
CONVERTIR
TRANSMETTRE
Pertes
énergétiques
AGIR
Chaîne d’énergie
Matières d’œuvre
+ Valeur ajoutée
La chaîne d’énergie
La chaîne d’énergie contribue à la réalisation de la fonction de service globale, en agissant sur la
(ou les) matière(s) d’œuvre.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
37
Elle est souvent la partie du système qui utilise une très grande quantité de l’énergie totale
consommée.
Energie électrique,
pneumatique,
hydraulique
Energies
entrantes
CHARGER
STOCKER
ALIMENTER
Prise réseau EDF,
alimentation
stabilisée, batterie,
etc.
Energie mécanique,
pneumatique,
hydraulique
Energie distribuée
Ordres
MODULER
DISTRIBUER
Préactionneurs :
Contacteur, relais,
variateur,
distributeur, etc.
CONVERTIR
Actionneurs :
Moteurs électriques,
vérins linéaires et
rotatifs, etc.
TRANSMETTRE
Energies
disponibles
pour l’action
à effectuer
Transmetteurs :
Embrayage, poulies / courroies,
pignon / roue / chaîne, train
d’engrenages, systèmes visécrou, transformateurs plans,
etc.
L'énergie issue de la chaîne d’information est faible. Elle n'est pas suffisante pour être utilisable
directement par les actionneurs.
La fonction d’un préactionneur est de distribuer une énergie importante en la modulant le cas
échéant, sous l'action d'une énergie de commande (ordre) plus faible.
Le transmetteur adapte l’énergie en provenance de l’actionneur pour la donner l’effecteur.
L’effecteur est le dernier élément de la chaîne d’énergie, il agit directement sur la matière
d’œuvre (pince, convoyeur, ventouse, etc.).
Méthode 2.2. Définition de la chaîne d’énergie d’un système
La chaîne d’information
La chaîne d’information permet notamment :
– d’acquérir des informations :
- sur l’état d’un produit ou de l’un des constituants de la chaîne d’énergie,
- issues d’interfaces Homme/Machine,
- élaborées par d’autres chaînes d’information ;
– de les coder si nécessaire ;
– de traiter ces informations ;
– de communiquer :
- les ordres à la chaîne d’énergie,
- les messages destinés aux interfaces Homme/Machine,
- les messages à d’autres chaînes d’information.
Grandeurs
physiques,
consignes
Images informationnelles
ACQUERIR
CODER
Détecteurs TOR, capteurs
analogiques, claviers,
codeurs incrémentaux, etc.
38
TRAITER
MEMORISER
RESTITUER
Automates programmables,
cartes électroniques,
ordinateurs, logiciels, etc.
Informations traitées
COMMUNIQUER
Ordres,
messages
Commandes TOR, écrans,
liaisons « série », WIFI, Bus
CAN, etc.
CHAPITRE 2
Pour acquérir une grandeur physique (force, température, etc.) ou une consigne, les constituants
utilisés sont des capteurs. Ils restituent une image de la grandeur physique mesurée sous une
sous forme logique, numérique ou analogique exploitable par l’unité de traitement.
Méthode 2.3. Définition de la chaîne d’information d’un système
Chaîne fonctionnelle d’un système technique
Une chaîne fonctionnelle (ou axe) est un sous-ensemble d’un système technique.
Elle permet de réaliser une des fonctions élémentaires (transférer, réguler, positionner, maintenir, transformer, etc.) participant à la réalisation de la fonction globale du système.
On lui associe un couple unique préactionneur / actionneur.
Chaîne d’action / chaîne d’acquisition
Une chaîne fonctionnelle comporte en général :
– la chaîne d’action, du traitement à son effet ;
– la (ou les) chaîne(s) d’acquisition :
- d’information(s) sur le produit ou le processus,
- d’information(s) extérieure(s) (consigne(s) de l’opérateur, etc.) ;
– la partie traitement qui traite les informations pour élaborer les ordres à destination de la
chaîne d’action.
Energie en attente
Chaîne d’action
Ordres
Traitement
Module de
sortie(s)
Energie distribuée
Préactionneur
Energie mécanique
Transmetteur et
effecteur
Actionneur
Energie mécanique
adaptée à la réalisation
d’une fonction
élémentaire
Unité de traitement
Module de
dialogue(s)
Module
d’entrée(s)
Capteur(s)
Grandeur(s)
physique(s)
Grandeur(s) image(s) de la (ou des)
grandeur(s) physique(s) à mesurer
Chaîne d’acquisition
Consignes
Informations d’état
du système
Méthode 2.4. Identification des différents constituants associés à une chaîne fonctionnelle
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
39
Les outils de modélisation structurelle SysML
L’élément de type bloc
La notion de bloc (block) est essentielle dans l’analyse des systèmes. C’est une entité qui peut
être de nature matérielle (constituant, être humain, etc.) ou conceptuelle (algorithme, logiciel,
etc.).
Avec le formalisme SysML, on peut associer à un bloc des propriétés (properties) structurelles
et comportementales :
– valeurs (values) : caractéristiques avec valeur, dimension, etc. ;
– parties (parts) : sous-ensembles inclus obligatoirement ;
– fonctions (operations) : fonctionnalités disponibles. Les requêtes peuvent alors être
synchrones (l’émetteur attend un retour pour poursuivre), ou asynchrone (pas d’attente de
retour) ;
– ports (ports) : ils permettent de montrer des interactions bidirectionnelles ou
unidirectionnelles, services (interfaces) ou flux (flow) physiques.
40
CHAPITRE 2
Le diagramme de définition de blocs
Le diagramme de définition de blocs (blocks definition diagram ou bdd) est un diagramme
normalisé SysML.
Il permet de décrire :
– les caractéristiques structurelles grâce aux propriétés structurelles ;
– les caractéristiques comportementales par le biais des fonctions ;
– les relations entre blocs, avec notamment :
– l’association (trait plein simple) : indique une relation d’égal à égal entre blocs. Leur
présence est simultanée ;
– la composition (trait plein et losange plein) : représentation graphique équivalente aux
propriétés de type « parts », c’est une relation d’inclusion obligatoire. Elle est très utilisée
pour montrer la structure hiérarchique d’un système ;
– l’agrégation (trait plein et losange évidé) : c’est une relation d’inclusion non obligatoire ;
– la généralisation / spécialisation (trait plein et triangle évidé) : selon le sens de lecture,
un bloc se généralise ou se spécialise en un autre. Dans ce dernier cas, il hérite alors des
propriétés du bloc généralisé, il en a souvent des supplémentaires ;
– la dépendance (trait en pointillés et flèche) : un bloc a un comportement qui dépend d’un
autre.
Méthode 2.5. Construction et lecture d’un diagramme de définition de blocs
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
41
Le diagramme de bloc interne
Le diagramme de bloc interne (internal bloc diagram ou ibd) est un diagramme normalisé
SysML.
Il permet de décrire :
– la structure interne d’un système : il montre les parties de même niveau hiérarchique. Les
sous-ensembles liés au système par une relation de composition sont en trait plein, les autres en
pointillés. Chaque boîte représente une ou plusieurs instances de bloc par le biais des
multiplicités. Elles possèdent les mêmes propriétés structurelles et fonctionnelles ;
– l’utilisation des sous-systèmes dans un contexte donné : on montre leurs connections par le
biais des connecteurs joignant les ports : les flux physiques pour les ports de flux, et les
services fournis ou requis pour les ports standards.
Méthode 2.6. Construction et lecture d’un diagramme de bloc interne
Le diagramme paramétrique
Le diagramme paramétrique (parametric diagram ou par) est un diagramme normalisé SysML.
Par le biais de relations ou contraintes (constraints) paramétriques, il permet de montrer des
lois de comportement entre certaines propriétés d’un bloc.
Couplé à des fonctionnalités de simulation de certains logiciels comme « Cameo » avec
« MagicDraw », le diagramme paramétrique est un préalable à la validation de certains aspects
du comportement d’un système, de certaines exigences.
42
CHAPITRE 2
On définit les contraintes dans un diagramme de définition de blocs :
Les paramètres sont représentés par des ports dans le diagramme paramétrique d’un bloc.
On les relie aux valeurs indiquées dans les propriétés (values).
On donne le cas du sous-ensemble « bloc » défini ci-dessus :
La modélisation n’est pas causale, les liens ne sont pas orientés. La contrainte 1 aurait pu être
écrite de la manière équivalente : paramètre 1 = paramètre 2 – K.
On notera aussi que le diagramme paramétrique est en fait une spécialisation du diagramme de
bloc interne. C’est pour cela qu’il est classé dans les diagrammes de structure, même s’il
contribue à définir le comportement d’un système.
Les valeurs déterminées par les relations mentionnées pourront ensuite être utilisées dans des
diagrammes SysML de type comportementaux.
Méthode 2.7. Construction et lecture d’un diagramme paramétrique
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
43
Méthodes
Comment définir l’architecture d’un système
pluritechnique ?
Méthode 2.1. Détermination des données, des énergies
et des matières entrantes et sortantes associées à un système
Il faut commencer par délimiter une frontière d’étude entre le système et le milieu
extérieur, puis :
– Recenser toutes les informations échangées entre le système le milieu extérieur.
– Définir les matières d’œuvre et la valeur ajoutée.
– Identifier les énergies entrantes nécessaires aux constituants de la chaîne d’énergie. Les énergies sortantes sont différentes (notamment des pertes).
Exercice 2.1, Exercice 2.2, Exercice 2.3, Exercice 2.4
Exemple : système « régulateur de vitesse » d’une automobile
A : Touche « reprendre »
B : Touche « suspendre »
C : Touche « + »
D : Touche « – »
Consigne de vitesse, mise en
marche/arrêt, appui sur la
pédale de frein,
d’accélérateur, vitesse réelle
Informations visuelles
Chaîne d’information
Interface
Energie électrique 12 V
Automobile
44
Chaîne d’énergie
Pertes énergétiques
Automobile avec vitesse régulée
automatiquement
CHAPITRE 2
Méthode 2.2. Définition de la chaîne d’énergie d’un système
Il est possible de partir des différents actionneurs associés aux différentes chaînes
fonctionnelles. On poursuit ensuite la chaîne d’action avec les transmetteurs.
À chacun des actionneurs est associé en amont un préactionneur que l’on
reconnaîtra.
Les constituants permettant d’alimenter seront alors facilement identifiables.
Pour chacun des constituants, il faut définir le type d’énergie entrante et sortante en
fonction de la technologie qu’il utilise. Les pertes sont globalement regroupées en
énergies sortantes pour le système étudié.
Exercice 2.2, Exercice 2.4
Exemple : scooter électrique Peugeot
Engrenage
pignon / Roue
Roue
arrière
Poulie
motrice
Courroie
crantée
Poulie
réceptrice
Frein à tambour
Energie électrique
Energie
électrique
EDF
CHARGER
STOCKER
ALIMENTER
Chargeur
Batterie
Ordres
MODULER
DISTRIBUER
Variateur de vitesse
électronique
(hacheur)
Energie électrique
distribuée
CONVERTIR
Moteur électrique à
courant continu
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
Energie mécanique
de rotation
Energie
mécanique de
rotation
adaptée
TRANSMETTRE
Réducteur à engrenages,
système poulies / courroie,
frein à tambour.
45
Méthodes
Moteur
électrique
Méthode 2.3. Définition de la chaîne d’information d’un système
À chaque grandeur acquise ou communiquée, il faut rechercher un constituant.
Certains d’entre eux peuvent intervenir plusieurs fois selon le niveau de la
décomposition structurelle. Pour définir l’unité de traitement, il faut rechercher
dans le système qui est le « cerveau ».
Dans les systèmes modernes, la nature des informations est électrique.
Celles délivrées par les capteurs, sont toujours l’image de quelque chose.
Exercice 2.3, Exercice 2.4
Exemple : scooter électrique Peugeot
Courant moteur,
tension batterie,
Vitesse de rotation
roue motrice
Consignes conducteur
Position béquille,
Selle verrouillée,
Données diagnostic
Images informationnelles
ACQUERIR
CODER
Carte électronique,
détecteurs inductifs,
potentiomètre rotatif, clavier,
détecteurs TOR
TRAITER
MEMORISER
RESTITUER
Carte électronique de
traitement
Informations traitées
COMMUNIQUER
Signalisation routière
visuelle et sonore,
informations conducteur
Ordres de
commande moteur
Commandes TOR, tableau
de bord, bruiteur, carte
électronique, feux, voyants.
Méthode 2.4. Identification des différents constituants associés
à une chaîne fonctionnelle
Définir la fonction élémentaire correspondant à la chaîne fonctionnelle étudiée.
Rechercher alors l’actionneur employé, puis l’ensemble des transmetteurs associés,
ainsi que le préactionneur. Pour la recherche des capteurs, il peut y avoir plusieurs
chaînes d’acquisition selon le degré de complexité.
La partie commande s’identifie en se demandant qui est le « cerveau » du système.
On notera toutefois que pour certains systèmes complexes, il peut y avoir plusieurs
unités de traitement et des niveaux de commandes hiérarchisés.
Exercice 2.5
46
CHAPITRE 2
Exemple : station de peinture
La station de peinture présentée fait partie d’une chaîne de fabrication de camions.
La fonction globale du système est de peindre des cabines.
Les matières d’œuvre sont l’ensemble « luge + cabine » et la peinture.
Plusieurs robots sont utilisés : deux latéraux et un de toit.
Pulvérisateurs de
peinture
Déplacement
de la luge
Robot latéral
Z
Y
Détecteur
gauche EG
X
Robot de toit
Cabine
Méthodes
Robot latéral
Détecteur
droit ED
Luge
ENTREE DE ZONE
Z
Moto-réducteur altitude (Z)
1,5 kW
Courroie de transmission
STATION DE PEINTURE
Bol de
pulvérisation
Amortisseur hydraulique
X
Pulvérisateur
α
X
Moto-réducteur horizontal (X)
0,25 kW
Z
Moto-réducteur angulaire (α)
0,25 kW
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
47
L’étude la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral » peut
conduire à la décomposition structurelle donnée ci-dessous :
Energie électrique
en attente
Chaîne d’action
Ordres
Energie électrique
distribuée
Traitement
Variateur
électronique
Energie mécanique de
rotation
Moteur électrique
asynchrone
Réducteur
Réducteuret
etsystème
système
poulies
poulies
/ courroie
/ courroie
Energie
mécanique de
translation
Carte d’axe
et modules E/S
Angle rotation
arbre moteur
Codeur incrémental
Informations électriques images
Détecteurs TOR
Position bol de
pulvérisation
Chaîne d’acquisition
Consignes
Informations d’état
du système
(Vers système de niveau
hiérarchique supérieur)
Comment utiliser les outils de modélisation structurelle
SysML ?
Méthode 2.5. Construction et lecture d’un diagramme de définition de
blocs
Pour aller du général au particulier, on utilise des relations de composition et
d’agrégation. Les niveaux de décomposition ne doivent pas être trop nombreux
pour faciliter la lecture. Il est possible de décomposer des blocs « constituant »
dans d’autres diagrammes de définition de blocs.
Les relations d’association, de dépendance et de généralisation / spécialisation
montrent des liens de niveau hiérarchique en général identique.
Exercice 2.5, Exercice 2.6
48
CHAPITRE 2
Méthode 2.6. Construction et lecture d’un diagramme de bloc interne
Les différents blocs à l’intérieur du diagramme montrent la constitution du système
décrit. Il s’agit des parties qui sont de même niveau hiérarchique.
Par le biais des ports et connecteurs, on indique alors les flux de grandeurs
physiques ainsi que les services requis ou fournis.
Exercice 2.5, Exercice 2.6
Exemple : Station de peinture
En reprenant la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral », on peut
aboutir au diagramme de bloc interne suivant :
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
49
Méthodes
Exemple : Station de peinture
Méthode 2.7. Construction et lecture d’un diagramme paramétrique
Les blocs avec le stéréotype « constraint » décrivent les lois de comportement liant
les paramètres. Dans un diagramme paramétrique, ils ont les coins arrondis.
Les connecteurs lient soit deux ports, soit un port avec un bloc « valeur ».
La lecture est identique à un diagramme de bloc interne.
Exercice 2.5
Exemple : Station de peinture
En reprenant la chaîne fonctionnelle « Déplacer verticalement un pulvérisateur latéral », on peut
s’intéresser au bloc « réducteur et système poulies / courroie ».
Le réducteur transforme un mouvement de rotation de vitesse angulaire « we » en un
mouvement de rotation à la vitesse angulaire « ws ». La loi de comportement est ws = k × we.
Le bol pulvérisateur est solidaire de la courroie (encastré). Il se déplace donc à la même vitesse
linéaire Vs que celle-ci. La relation liant les paramètres est alors Vs = R × ws où R est le rayon
de la poulie. On définit ces contraintes à l’aide d’un diagramme de blocs :
Le diagramme paramétrique peut alors être le suivant :
ou plutôt :
50
CHAPITRE 2
Vrai/Faux
Vrai
Faux
1. La chaîne d’information n’a pas besoin d’énergie pour fonctionner.
2. Tous les systèmes techniques ont une chaîne d’information.
3. L’énergie est la matière d’œuvre d’un actionneur.
4. Un codeur incrémental est un capteur.
5. Un distributeur pneumatique est un transmetteur.
6. Un système technique est toujours mécanisé.
7. Un système pignon / roue / chaîne est un transmetteur.
8. Le contacteur électrique est un préactionneur du moteur électrique.
9. Un système technique peut être composé de plusieurs chaînes
fonctionnelles.
10. Une chaîne fonctionnelle ne contient qu’une chaîne d’action.
11. Une chaîne fonctionnelle a toujours une ou plusieurs chaînes d’acquisition.
12. Un potentiomètre rotatif est un actionneur.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
51
Énoncé des exercices
Architecture d’un système pluritechnique
Exercice 2.1
Le distributeur automatique de café « DISPENSER D10 » est utilisé dans les cafétérias,
brasseries et centres de restauration rapide. Il permet de distribuer la boisson à partir de grains
de café et d’eau.
Le client a le choix entre deux options : café « court » ou café « long ».
On distingue trois tâches élémentaires indépendantes :
– Élaboration de la mouture (y compris le dosage),
– Préparation de l’eau (chauffage et dosage),
– Élaboration de la boisson (café chaud).
Le doseur d’eau, la pompe et l’électrovanne ne sont pas visibles sur la photo ci-dessus.
Pour le système « DISPENSER D10 » : définir les données entrantes et sortantes de la chaîne
d’information ; définir les énergies et matières entrantes et sortantes de la chaîne d’énergie.
52
CHAPITRE 2
Exercice 2.2*
Le système objet de l’étude est un fauteuil roulant électrique
« POSITELEC 90 ». Afin de répondre au besoin d’autonomie des
utilisateurs, les fauteuils roulants sont électriquement motorisés.
La motricité est assurée par deux moteurs électriques à courant
continu commandant séparément une des deux roues arrière afin de
diriger le fauteuil. Les roues avant sont montées « folles » (libres
dans leurs mouvements).
L’asservissement de la vitesse et la commande de puissance des
motoréducteurs sont effectués par une carte électronique appelée
variateur. Les motoréducteurs sont
équipés de freins électromécaniques à
Boîtier de
Figure 1
commande
manque de courant, commandés en tout
Moteur
+
réducteur
ou rien.
roue gauche
Le boîtier de commande supporte cinq
éléments nécessaires à la conduite :
– un bouton Marche-Arrêt,
– un joystick qui permet de se diriger,
– un potentiomètre qui sert à moduler
Console de
configuration et
Batterie
la vitesse,
de visualisation
Coffret :
– un afficheur lumineux de type
+ réducteur
- variateur
MoteurMoteur
+
Coffret :
roueroue
droite
- carte de-commande
réducteur
« bargraph » qui indique l’autonomie
variateur
- carte de commande droite
de la batterie,
Moteur électrique
– un afficheur de panne.
Frein à manque de
courant
La carte de commande à
microcontrôleur est chargée de
la commande du variateur, de la
gestion des pannes, de la
configuration et de l’aide au
Pignon intermédiaire
arbré
dépannage. Elle est disposée
Pignon moteur
dans un coffret qui renferme
aussi la partie puissance, près
Roue arbre
intermédiaire
des moteurs, à l’arrière du
fauteuil.
Arbre de sortie lié
à la roue arrière
La configuration et l’aide au
Roue de sortie
dépannage sont assurées par une
mini console de visualisation.
L’utilisateur doit venir le
connecter à l’arrière du coffret
variateur.
En fonctionnement normal, un moteur transmet par l’intermédiaire de deux étages de réduction
la puissance à chacune des roues. Lorsque les moteurs ne sont pas alimentés, le fauteuil est par
sécurité automatiquement freiné par le frein à manque de courant.
Pour le système fauteuil « POSITELEC 90 », construire le schéma topo fonctionnel montrant
l’architecture de la chaîne d’énergie.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
53
Exercice 2.3
Le système étudié permet l’ouverture et la fermeture d’une
porte de TGV.
La figure suivante montre l'interface assurant, à partir des
informations délivrées par l'unité centrale de commande, la
fermeture hermétique et le verrouillage de la porte. L'ordre de
fermeture de la porte est donné soit par un appui sur le
bouton situé sur la porte, soit par un ordre fourni par le
conducteur depuis son pupitre. L'information est traitée par
l'unité centrale qui pilote un moteur électrique permettant,
dans un premier temps, de fermer la porte grâce à un
mécanisme pignon / crémaillère et un mécanisme de manœuvre puis, dans un deuxième temps,
lorsque la position de fermeture est détectée, de verrouiller la porte. La détection de la position
fermée enclenche également le gonflage des joints assurant une fermeture hermétique.
L'information de fin d'opération est transmise sur le pupitre du conducteur.
Pour le système « Porte de TGV », construire le schéma topo fonctionnel montrant l’architecture de la chaîne d’information.
D'après concours Centrale-Supélec
54
CHAPITRE 2
Exercice 2.4**
Le système étudié est la Direction Assistée Électrique de la voiture TWINGO de RENAULT.
En plus du système mécanique classique, l'ensemble d'assistance est constitué notamment d’un
calculateur et d’un motoréducteur accouplé à la colonne de direction.
Le calculateur permet, à partir de paramètres mesurés par des capteurs sur l evéhicule, de mettre
en service le motoréducteur pour assister le conducteur dans ses manœuvres de parking ou à
basse vitesse.
Motoréducteur
Volant
Double cardan
Réducteur
roue / vis sans fin
Moteur électrique
Embrayage
électromagnétique
Barre de torsion
Capteur de couple
Le système doit assister le conducteur dès la mise en rotation du volant. Un capteur de couple
informe le calculateur de l’intensité du couple exercé sur le volant. Le motoréducteur est alors
commandé en fonction du couple exercé par l’utilisateur sur le volant mais aussi en fonction de
la vitesse du véhicule.
En effet, une assistance élevée offre un confort de manœuvre à l’arrêt ou à faible vitesse. Elle
n’est plus nécessaire à haute vitesse car les braquages sont réduits et l’effort au volant ne doit
pas être trop assisté pour des raisons de sécurité de conduite. D’ailleurs, à partir du seuil de
vitesse (environ 74 km/h) où le confort de la direction traditionnelle est suffisant, le moteur
électrique n’est plus alimenté. En cas de surintensité dans le circuit de puissance, le calculateur
coupe l’alimentation du moteur.
Pour le système « Direction
Assistée Électrique TWINGO »,
construire le schéma topo
fonctionnel
montrant
l’architecture de la chaîne
d’information, de la chaîne
d’énergie et de leurs échanges.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
55
Exercice 2.5*
Le système étudié est un poste de tests et d’assemblage de disjoncteurs.
Le disjoncteur est fabriqué et assemblé sur une chaîne de transfert libre qui dessert des modules
indépendants :
Au cours de son assemblage, le disjoncteur est toujours transporté par la même palette.
Chaque palette est constituée d'un support matériel permettant de maintenir le disjoncteur au
cours de son évolution et d'un espace mémoire destiné à tenir à jour les opérations déjà
réalisées.
Chaque module est constitué de postes de travail qui accomplissent des opérations élémentaires
de fabrication, d'assemblage, ou de tests.
Chaque module est géré par un automate programmable, qui synchronise toutes les opérations à
réaliser.
Le poste d'aiguillage d'entrée prélève une palette avec son disjoncteur si les opérations
précédentes ont été réalisées et si les postes du module sont
Carré de
vides. Sinon, la palette reste sur la chaîne en passant par le poste
manœuvre
d'aiguillage de sortie et continue à circuler (transfert libre).
Le module de finition est constitué de deux postes :
– le poste de tests électriques,
– le poste d'assemblage du bouton.
Les deux postes sont alimentés en énergie électrique et
pneumatique, une source de courant particulière est nécessaire
pour les tests électriques. Le module de finition reçoit des
consignes de tests selon les différents calibres.
Corps du disjoncteur avant les tests
Disjoncteur équipé d’un bouton
56
CHAPITRE 2
Le diagramme de définition de blocs du système « module de finition » avec ses deux postes est
proposé ci-dessous :
La structure du poste de tests est décrite ci-dessous et sur la page suivante. La partie commande
intègre le traitement des informations et la distribution de l’énergie vers les actionneurs.
On distingue trois chaînes fonctionnelles mécanisées :
– Monter / Descendre pour établir les contacts d’avant tests ;
– Tourner le carré de manœuvre du disjoncteur ;
– Escamoter la butée pour tourner le carré de manœuvre dans une troisième position de test.
Toutes les chaînes fonctionnelles sont munies de détecteurs TOR magnétiques (voir page
suivante).
1. Proposer une modification du diagramme de définition de blocs du système « module de
finition » pour faire apparaître les chaînes fonctionnelles.
2. Pour chacune des chaînes fonctionnelles du poste de tests, définir : l’actionneur, les
transmetteurs, les capteurs.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
57
3. On s’intéresse à la chaîne fonctionnelle « Tourner le carré de manœuvre du disjoncteur ».
Compléter le diagramme de bloc interne ci-dessous. On indiquera les parties, ports et
connecteurs manquants. On complètera avec la nature des flux physiques.
58
CHAPITRE 2
4. On définit les contraintes suivantes pour le bloc « système pignon crémaillère » :
Que représente le paramètre « R » ?
Compléter le diagramme paramétrique du système « pignon crémaillère » ci-dessous :
Exercice 2.6
On s’intéresse au système automatisé FAAC décrit dans les méthodes du chapitre 1.
1 : Actionneur FAAC 402
2 : Lampe clignotante
3 : Bouton poussoir à clé
4 : Armoire de commande
5 : Antenne H.F.
6 : Cellules photoélectriques
7 : Serrure électrique
La platine électronique 455 D située dans l’armoire de
commande peut être utilisée pour tous les actionneurs
électromécaniques et oléodynamiques de la société FAAC.
Platine FAAC 455 D
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
59
Elle intègre l’interface de puissance qui est chargée de distribuer l’énergie à l’actionneur.
L’actionneur FAAC 402 est électro-hydraulique.
Le microcontrôleur de la carte électronique commande par l'intermédiaire d'une interface de
puissance un moteur asynchrone qui met en mouvement une pompe hydraulique, fournissant
l’énergie nécessaire à un vérin hydraulique, entraînant l'ouverture ou la fermeture du battant.
1. Construire un diagramme de définition de blocs montrant la constitution d’un actionneur
FAAC 402.
2. Compléter le diagramme de bloc interne d’un actionneur FAAC 402 :
60
CHAPITRE 2
On donne pour le vérin hydraulique une description des contraintes entre certains paramètres :
3. Compléter le diagramme paramétrique du vérin hydraulique :
Pour vous aider à démarrer
Exercice 2.1. Les données entrantes émanent ici du choix de l’utilisateur (café
court ou long), ainsi que de la présence de pièces ou de jetons.
La matière d’œuvre est ici matérielle : eau et grains de café.
Exercice 2.2. La carte variateur est le préactionneur des moteurs. C’est donc elle
qui module et distribue l’énergie électrique.
Exercice 2.4. On retrouve l’ensemble « calculateur DAE » dans toutes les fonctions
de la chaîne d’information, ainsi que pour les fonctions moduler et distribuer.
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
61
Corrigé des vrai/faux
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
faux
faux
vrai
vrai
faux
faux
vrai
vrai
vrai
vrai
faux
faux
1. La chaîne d’information est généralement constituée d’un ou plusieurs éléments alimentés en
énergie. Pourtant ceci n’apparaît pas sur la représentation topo fonctionnelle.
2. Certains systèmes n’ont pas de chaîne d’information. Il n’y a pas d’acquisition d’information
et c’est l’homme qui gère le fonctionnement.
3. La matière d’œuvre d’un actionneur est l’énergie puisque sa fonction est de la convertir.
4. Le codeur incrémental est un capteur qui permet d’avoir l’image d’un déplacement le plus
souvent angulaire, sous forme d’un signal électrique en créneaux.
5. Le distributeur pneumatique est le préactionneur du vérin pneumatique. À partir d’un signal
de commande (électrique, mécanique, etc.), il oriente un flux d’air comprimé pour provoquer la
rentrée ou la sortie de la tige du vérin.
6. Un système technique n’est pas forcément mécanisé. Par exemple, le processeur d’un
ordinateur est bien un ensemble technique conçu pour répondre à un besoin mais il ne contient
pas de partie mécanique.
7. Le système pignon / roue / chaîne est bien un transmetteur puisqu’il ne modifie pas le type
d’énergie, elle est toujours de type mécanique en entrée et en sortie.
8. Le contacteur électrique est bien un préactionneur du moteur électrique. Il libère ou non une
énergie électrique en attente sous l’action d’un ordre électrique ou mécanique le plus souvent.
9. Un système technique peut être composé d’une ou plusieurs chaînes fonctionnelles qui
participent chacune à leur façon à la réalisation de la fonction globale.
10. Une chaîne fonctionnelle ne peut contenir qu’une chaîne d’action car elle n’utilise qu’un
seul actionneur.
11. Une chaîne fonctionnelle peut ne pas avoir de chaîne d’acquisition si elle n’utilise aucune
information issue d’un capteur pour commander le préactionneur.
12. Le potentiomètre rotatif est un capteur permettant de mesurer un déplacement angulaire et
restituer son image sous la forme d’un signal analogique.
Les erreurs classiques
La décomposition structurelle de la chaîne d’information et de la chaîne d’énergie
n’est pas forcément identique pour tous les systèmes. Il faut donc être capable de
raisonner correctement sur la fonction des différents constituants et d’adapter le
formalisme présenté à un cas particulier d’étude.
La culture des solutions techniques est donc nécessaire dans ce domaine.
62
CHAPITRE 2
Corrigé des exercices
_________ Exercice 2.1_______________________________
Pièces ou jetons
Consignes utilisateur
(court, long)
Informations visuelles
Chaîne d’information
Interface
Pertes énergétiques
Energie électrique réseau EDF
Chaîne d’énergie
Eau
Grains de café
Boisson chaude
Méthode 2.1
Energie électrique
Energie
électrique
EDF
STOCKER
ALIMENTER
Batterie
Ordres émanant de
la carte de
Energie électrique
commande
distribuée
MODULER
DISTRIBUER
Carte variateur
CONVERTIR
2 Moteurs électriques
Fauteuil en
position initiale
Energie mécanique
de rotation
TRANSMETTRE
Energie
mécanique de
Déplacer
rotation
Pertes
énergétiques
le fauteuil
2 trains d’engrenages à deux
étages de réduction
2 freins à manque de courant
2 roues motrices
Fauteuil en
position finale
Méthode 2.1, Méthode 2.2
_________ Exercice 2.3_______________________________
Pression de contact
Position de la porte
Demande normale
d’ouverture / fermeture
(passager ou conducteur)
Demande d’ouverture en
urgence
Images informationnelles
ACQUERIR
CODER
Capteur de pression
Détecteur TOR
Bouton poussoir
Pupitre conducteur
Bouton d’urgence
Informations traitées
TRAITER
MEMORISER
RESTITUER
Unité centrale
Informations conducteur
COMMUNIQUER
Ordres de
commande moteur
Unité centrale
Pupitre conducteur
Méthode 2.1, Méthode 2.3
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
63
Corrigé
_________ Exercice 2.2_______________________________
_________ Exercice 2.4_______________________________
Capteur de vitesse véhicule
Capteur de couple au volant
Calculateur DAE
Calculateur DAE
Calculateur DAE
Intensité moteur
Chaîne d’information
Consigne volant
Image vitesse véhicule
ACQUERIR
CODER
TRAITER
MEMORISER
RESTITUER
COMMUNIQUER
Roues en position
initiale
Commande
embrayage
Commande moteur
Energie électrique
Energie électrique
STOCKER
ALIMENTER
MODULER
DISTRIBUER
CONVERTIR
Energie électrique
TRANSMETTRE
Manœuvrer
les roues
Pertes
énergétiques
Energie mécanique
Chaîne d’énergie
Batterie
Calculateur
D.A.E.
Moteur
Réducteur, Embrayage,
Cardans, Pignon
/crémaillère, biellettes
de direction, fusées de
roues.
Roues manœuvrées
avec assistance
Méthode 2.1, Méthode 2.2, Méthode 2.3
_________ Exercice 2.5_______________________________
1. On peut proposer le diagramme de définition de blocs suivant :
Il est aussi possible de faire comme sur la page suivante.
64
CHAPITRE 2
Méthode 2.5
MONTER / DESCENDRE
TOURNER le carré de manœuvre
ESCAMOTER la butée
Actionneur
Vérin A
Vérin B
Vérin C
Transmetteur
Aucun
Système pignon / crémaillère
Aucun
Capteurs
S 1, S 2
S 3, S 4, S 5
S6
Méthode 2.4
3.
Méthode 2.6
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
65
Corrigé
2.
4. Le paramètre « R » modélise le rayon primitif du pignon.
Le diagramme paramétrique du système « pignon crémaillère » est le suivant :
Méthode 2.7
_________ Exercice 2.6_______________________________
1. Diagramme de définition de blocs de l’actionneur FAAC 402
:
Méthode 2.5
66
CHAPITRE 2
:
Méthode 2.6
3. Diagramme paramétrique du vérin hydraulique :
Méthode 2.7
ARCHITECTURES FONCTIONNELLE ET STRUCTURELLE
67
Corrigé
2. Diagramme de bloc interne de l’actionneur FAAC 402