Didactique des Sciences de l`Ingénieur

Sciences de l'Ingénieur
Approche « concepteur »
Du pourquoi au comment
Les chaînes d’énergie et d’information
Solutions associées aux fonctions
Principes et comportement
La chaîne numérique
L’ingénierie concourante
La démarche de projet
Analyses fonctionnelles
- Analyse fonctionnelle externe :
 Expression du besoin
(Bête à cornes),
 Identification des fonctions de service
(Diagramme Pieuvre).
- Analyse fonctionnelle interne :
 Ordonnancement des fonctions techniques associées aux
fonctions d’usage
(Diagramme du « pourquoi » au « comment », FAST),
 Architecture d’une chaîne fonctionnelle
(Schéma-blocs de la chaîne d’énergie et de la chaîne
d’information).
Approches d’une chaîne fonctionnelle
- Approche externe :
• Natures et formes des flux d’énergie et d’information, relation
« sortie = f(entrée) »,
conservation de l’énergie, pertes, distorsions, compatibilité
entre constituants, contraintes d’implantation.
- Approche interne :
• Analyse des techniques et principes physiques mis en jeu,
modélisation des comportements.
Un système n'existe que pour
apporter une réponse à un besoin
●
L'outil « bête à corne » est utilisé pour mettre le système
en perspective du besoin auquel il apporte une réponse
À qui rend-il service ?
On ne peut rendre service qu’à
un être ou à un groupe d ’êtres
et non à une chose
Sur quoi agit-il ?
Système
Pourquoi ? Dans quel but ?
Principe d ’action ou de
fonctionnement, en faisant
abstraction de la solution retenue
Expression du besoin
ou but unique
Les fonctions définies doivent être
indépendantes des solutions
●
L'outil « diagramme pieuvre » place l’objet dans son
milieu extérieur d’utilisation dans différents contextes
Elément 6
Elément 1
Elément 2
Fonctions principales
Objet
Elément 3
Fonctions Contraintes
Elément 5
Elément 4
Au delà du diagramme pieuvre
●
Les fonctions de service sont d’usage ou d’estime
 certaines de ces fonctions de service sont des fonctions d’usage
 d’autres parmi ces fonctions de service sont des fonctions d’estime
L’une des fonctions principales est nommée « fonction de base »
Fonction de base
Fonctions
de service
d’usage
d’estime
principales
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
contraintes
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
fonction
La compétitivité
se joue souvent ici
Pour chacune des fonctions de
service : du pourquoi au comment
●
L'outil « FAST » substitue à une logique de flux et de
structure une logique de relation de « cause à effet »
Fonction de
service
Pourquoi
Fonction
technique
Solution
Fonction
technique
Solution
Fonction
technique
Solution
Comment
Utilisation du « diagramme FAST »
●
Utilisation de « petits » FAST :
 Pour faire apparaître les fonctions sur les chaînes
 Pour analyser la relation fonction technique solution constructive
●
Les solutions participent à plusieurs fonctions
Fonction
Solutions
Solution1
Fonction 1
Solution 1
Solution 2
Foncti
on1
Fonction 2
Solution 3
Solution 4
Foncti
on2
Fonction 3
Solution 5
Solution 6
Foncti
on3
Solution2
X
Solution3
Solution4
X
X
X
X
La chaîne d’énergie dans la structure
générale d ’un système pluritechnique
But de la chaîne d’énergie : Apporter la bonne quantité d'énergie, sous
la forme adaptée, au bon endroit, au bon moment, avec le meilleur
rendement, pour obtenir l’action voulue.
Approche externe de la chaîne d’énergie
Spécification des solutions constructives,
Natures et formes des flux d’énergie,
Relation empirique « sortie = f(entrée) »,
Conservation de l’énergie, pertes, rendement (en
puissance ou en énergie), distorsions,
Compatibilité entre constituants,
Conditions d’implantation, de fonctionnement
et de mise en œuvre.
Approche externe de la chaîne d’énergie
Fonctions génériques, solutions constructives
et flux d’énergie
Approche externe de la chaîne d’énergie
Exemple de modélisation empirique
Energie électrique :
tension et courant de
charge de la batterie
Energie électrique :
Tension continue
constante : Ue
Courant : Ie
Batterie
modélisation :
Ue = Uo - (R x Ie)
Q : fonction des
conditions de décharge
Energie électrique :
Tension unidirectionnelle à
valeur moyenne réglable : Um
Courant : Im
Hacheur
modélisation :
Um =  x Ue
Moteur à
courant
continu
modélisation :
N1 = (a x Um) - (b x C1)
C1 = k x Im - Co
Energie mécanique
Vitesse : N1
Moment du couple : C1
Réducteur de
vitesse
modélisation :
N2 = N1 x K-1
C2 = C1 x x K
Cette modélisation est limitée ‘au premier ordre’.
Energie mécanique
Vitesse : N2
Moment du couple : C2
La chaîne d’information dans la structure générale
d ’un système pluritechnique
But de la chaîne d’information : Piloter avec le maximum
d’efficacité la chaîne d’énergie, à partir de grandeurs physiques
acquises sur celle-ci, et de consignes extérieures.
Rendre compte du fonctionnement de l’ensemble.
Approche externe de la chaîne d’information
Spécification des solutions constructives,
Natures et supports des flux d’information,
Relation empirique « sortie = f(entrée) », outils de
description, configurations et réglages,
Intégrité et altération de l’information, bruit, distorsion,
temps de réponse,
Compatibilité entre constituants, conditions de
connexion,
Contraintes et conditions de montage.
Approche externe de la chaîne d’information Fonctions
génériques, solutions constructives et flux d’information
C
Approche externe des deux chaînes
La chaîne d’énergie
La chaîne d’information
Spécification des solutions
constructives,
Spécification des solutions
constructives,
Natures et formes des flux
d’énergie,
Natures et supports des flux
d’information,
Relation empirique « sortie =
f(entrée) »,
Relation empirique « sortie =
f(entrée) », outils de description,
configurations et réglages,
Conservation de l’énergie, pertes,
rendement (en puissance ou en
énergie), distorsions,
Intégrité et altération de
l’information, bruit, distorsion,
temps de réponse,
Compatibilité entre constituants,
Compatibilité entre constituants,
conditions de connexion,
Conditions d’implantation, de
fonctionnement et de mise en
œuvre.
Contraintes et conditions de
montage.
Approche interne de la chaîne d’énergie
(approche nécessaire pour maîtriser le fonctionnement
des systèmes au delà du premier ordre)
Spécification des phénomènes physiques qui régissent
les fonctions et justification si possible de la loi de
comportement par l'approche scientifique du phénomène,
définition des modèles,
Approche des solutions techniques et des modèles
correspondants, des performances, du dimensionnement,
des schémas structurels,
Justification des pertes, du rendement (en puissance ou
en énergie), des distorsions.
Approche interne de la chaîne d’énergie
Exemple de modélisation empirique
Energie électrique :
tension et courant de
charge de la batterie
Batterie
modélisation :
Ue = Uo - (Re x Ie)
Q : fonction des
Energie électrique :
Tension unidirectionnelle à
valeur moyenne réglable : Um
Courant : Im
Energie électrique :
Tension continue : Ue
Courant : Ie
Hacheur
Moteur à
courant
continu
modélisation :
Um =  x Ue
Im = Ie
modélisation :
1 = k-1 x (Um - Ri x Im)
C1 = k x Im - Cf
Uo : tension à vide
Re : résistance interne
Q : Capacité de la batterie
Um : tension carrée
 : rapport cyclique
réglable
1 = 2 x N1 / 60
k : constante de couple
Ri : résistance de l’induit
Cf : couple de frottement
loi électrique et
règles empiriques
lois électriques
du hacheur
lois physiques
du moteur
conditions de décharge
Energie mécanique
Vitesse : N1
Moment du couple : C1
Energie mécanique
Vitesse : N2
Moment du couple : C2
Réducteur de
vitesse
modélisation :
N2 = N1 x (Z1/Z2)
C2 = C1 x  x (Z2/Z1)
Z1, Z2, nombres de dents
des engrenages
 : rendement du réducteur
loi de la cinématique
loi de la conservation de l’énergie
Cette exemple de modélisation est limité au régime établi.
Approche interne de la chaîne d’énergie
Exemple 1 : Principes physiques de base utilisés
dans les actionneurs électriques,
Exemple 2 : Dimensionnement d’une transmission à
partir de l’étude des mouvement et des efforts (en
statique et en dynamique),
Exemple 3 : Justification des protections,
Exemple 4 : Explication de phénomènes parasites
(rebond d’un contact électrique, jeu mécanique…)
Approche interne de la chaîne d’information
(approche nécessaire pour maîtriser le fonctionnement
des systèmes au delà du premier ordre)
Spécification des phénomènes physiques qui
régissent les fonctions d’acquisition et spécification
des modèles correspondant,
Approche des solutions techniques et des modèles
correspondants, codages, numération, opérations,
structures algorithmiques, lecture de schémas, trame
sur un réseau…
approche interne des chaînes
d'énergie et d'information
Démontage - remontage
observation, mesure et
détermination des caractéristiques
des éléments constitutifs
Modèles donnés
Maquette numérique
schémas structurels - plans
documentations techniques des
éléments constitutifs
Paramétrage du modèle de comportement
Equations, calcul,
résolution analytique
Simulation ou calcul
assisté par ordinateur
Prévision de comportement
Comparaison avec le comportement réel
approche interne des chaînes
d'énergie et d'information
Cas d’application de la démarche générique
Seulement si solution câblée
ACQUERIR
TRAITER
COMMUNIQUER
Chaîne d'information
ALIMENTER
DISTRIBUER
CONVERTIR
Chaîne d'énergie
TRANSMETTRE
ACTION
Approche interne de la fonction ‘Traiter’
Algorithme
Modules logiciels réutilisables
Bibliothèque de composants
logiciels
Outils de programmation donnés
Caractéristiques et
raccordements des E/S (schéma)
Technologie des auxiliaires de
commande, des capteurs et des pré
actionneurs
Programmation de l’application
expressions logiques,
calculs algébriques,
résolution analytique
simulation par
ordinateur
Prévision de comportement
Comparaison avec le comportement réel
Laboratoire avec
systèmes et produits
(en état de fonctionnement, en
démontage, en essais, avec
maquette numérique,
documentations…)
Cycles de travaux pratiques autour
de Centres d’intérêt, suivis de
séquences de synthèse
Mini-projet ou Projet
pluritechnique encadré permettant
le réinvestissement