Par : Pr. Zakaria Khaouch Chapitre 01 Introduction sur la mécatroniques Introduction L’apparition des systèmes mécatroniques depuis une vingtaine d’années peut être considérée comme une révolution pour le monde industriel. En effet, l’utilisation de ces systèmes s’est rapidement généralisée et influence actuellement la quasi-totalité des secteurs de l’industrie. Ces systèmes mécatroniques sont apparus afin de répondre aux nouvelles exigences en termes de performance, confort, sécurité et consommation d'énergie. Introduction En parallèle, la conception de ces systèmes est devenue de plus en plus complexe du fait de leur caractère pluridisciplinaire. En effet, la pluridisciplinarité de ces systèmes conduit à envisager des solutions innovatrices exige une synergie entre les différentes disciplines pour optimiser les fonctions du système. Introduction Dans ce contexte, ce cours a pour objectif d’introduire la discipline d’ingénierie mécatronique et présenté les différentes définitions et applications des systèmes mécatroniques, ainsi les techniques et les outils de modélisation et de simulation qui peuvent être employés pour la conception mécatronique et de développer chez l’étudiant ingénieur l’aptitude : • D’analyser un système afin de développer en cohérence chacune des composantes du produit, en faisant des choix pertinents au fil du projet, • De maîtriser les interactions de disciplines telles que électronique, informatique, automatique, thermique, optique, matériaux,… • De résoudre, grâce à une solide culture d’ingénieur généraliste, les problématiques industrielles les plus diverses, tant en matière de produits que de procédés, Introduction Dans ce contexte, ce cours a pour objectif d’introduire la discipline d’ingénierie mécatronique et présenté les différentes définitions et applications des systèmes mécatroniques, ainsi les techniques et les outils de modélisation et de simulation qui peuvent être employés pour la conception mécatronique et de développer chez l’étudiant ingénieur l’aptitude : • Maîtriser les principaux paramètres caractéristiques d’un système mécatronique échanges d’énergie, interactions électromagnétiques, contrôle-commande (capteurs, actionneurs, calculateur embarqué, lois de commande, ...), • Savoir analyser, modéliser et optimiser un système mécatronique complexe, dans une logique de miniaturisation croissante, • Être capable d’intégrer différentes technologies au sein d’un même système mécatronique, en vue de l’amélioration de ses performances. Historique de la mécatronique Avant les années cinquante, les systèmes complexes sont essentiellement considérés comme des ensembles électromécaniques. En 1950, les semi-conducteurs sont apparus avec le développement de l’électronique de commande et de puissance. Pendant les années 60-70, les calculateurs fiables sont apparus permettant la conception de systèmes de contrôle-commande. Ces systèmes sont plus performants, plus flexibles et plus fiables puisqu’ils sont programmables. Les problèmes liés à l’intégration des systèmes contrôle-commande avec les ensembles électromécaniques a donné naissance à la discipline de la mécatronique. Historique de la mécatronique Avant les années cinquante, les systèmes complexes sont essentiellement considérés comme des ensembles électromécaniques. En 1950, les semi-conducteurs sont apparus avec le développement de l’électronique de commande et de puissance. Pendant les années 60-70, les calculateurs fiables sont apparus permettant la conception de systèmes de contrôle-commande. Exemple : Vérin Vérin hydraulique Vérin mécatronique Vérin électromécanique Historique de la mécatronique Avant les années cinquante, les systèmes complexes sont essentiellement considérés comme des ensembles électromécaniques. En 1950, les semi-conducteurs sont apparus avec le développement de l’électronique de commande et de puissance. Pendant les années 60-70, les calculateurs fiables sont apparus permettant la conception de systèmes de contrôle-commande. Exemple : Lève vitre Historique de la mécatronique Avant les années cinquante, les systèmes complexes sont essentiellement considérés comme des ensembles électromécaniques. En 1950, les semi-conducteurs sont apparus avec le développement de l’électronique de commande et de puissance. Pendant les années 60-70, les calculateurs fiables sont apparus permettant la conception de systèmes de contrôle-commande. Exemple : Système de direction Hydraulique Mécanique Mécatronique Historique de la mécatronique Le terme mécatronique (mechatronics en anglais) a été proposé la première fois par un ingénieur de Yaskawa Electric du Japon en 1969 pour désigner le contrôle des moteurs électriques par ordinateur. Il définit la Mécatronique comme une discipline transverse de l'électronique et de la mécanique (mécanique au sens large incluant l’hydraulique, la thermique, etc.). Depuis, sa signification a encore évolué. La mécatronique n'est plus simplement à l'interface de ces deux domaines et inclut bien d'autres disciplines comme celles issues des technologies de l'information (acquisition de données, commande, intelligence artificielle, ou encore l'hybridation...). Historique de la mécatronique La mécatronique devrait être considérée comme une combinaison intelligente entre les domaines de l'ingénierie existants, c'est une façon de voir les choses et les problèmes. La mécatronique est une philosophie multidisciplinaire, c'est une discipline intégratrice. Contrairement à la plupart des autres domaines d'ingénierie, génie mécatronique se caractérise par une approche généraliste plutôt qu'une attitude spécialisée. Définitions de la mécatronique À ce titre, de nombreuses définitions peuvent être trouvées dans la littérature. Parmi elles, nous pouvons citer : La definition du journal international Mechatronics, parue pour la première fois en 1991 : «Mechatronics in its fundamental form can be regarded as the fusion of mechanical and electrical disciplines in modern engineering process. It is a relatively new concept to the design of systems, devices and products aimed at achieving an optimal balance between basic mechanical structures and its overall control» Définitions de la mécatronique Celle du journal international IEEE Transactions on Mechatronics, crée en 1996 est : «Mechatronics is the synergetic combination of mechanical engineering with electronics and intelligent computer control in the design and manufacturing of industrial products and processes» Définitions de la mécatronique la définition choisie par le "TCMS Technical Committee on Mechatronic Systems", fondée en 2000 : «Beaucoup de procédés techniques et de produits dans le domaine de la mécanique et électrique montrent une intégration croissante de la mécanique avec l'électronique et de traitement de l'information. Cette intégration se situe entre les composants (matériel) et la fonction axée sur l'information (logiciel), ce qui entraîne des systèmes intégrés, appelés systèmes mécatroniques» Définitions de la mécatronique Selon le Comité Consultatif de Recherche Industrielle et de Développement de la Communauté Européenne (Industrial Research and Development Advistory Comittee of the European Communoty). «La mécatronique est la combinaison synergique de l’ingénierie mécanique de précision, de la commande électronique et du système informatique dans la conception des produits et des processus de fabrication» Définitions de la mécatronique La première norme spécifiquement mécatronique « NF E01-010 » a été élaborée en 2008. La mécatronique est notamment définie comme : «Une démarche visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter et/ou d’optimiser sa fonctionnalité» Définitions de la mécatronique D’une façon générale, les définitions liées au terme mécatronique mettent en évidence les aspects suivants : • La multidisciplinarité : la mécatronique est la "science" qui englobe la mécanique, l’électronique, l’informatique, etc. • La compacité : la mécatronique combine un ensemble des disciplines nécessaires à la conception et la fabrication de produits industriels plus compacts. • La simultanéité : la mécatronique caractérise l’utilisation simultanée et en étroite symbiose des techniques du génie mécanique, de l’automatique, de l’électronique et de l’informatique pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits plus flexibles. • La fiabilité et la performance : la combinaison des aspects mécaniques et des aspects électronique garantit l’évolution vers des produits plus fiables et plus performants. Définitions des systèmes mécatroniques complexes De nombreuses définitions des systèmes complexes existent. Nous retenons les caractéristiques suivantes pour définir la notion de complexité du système : • Un système multi-physique est un système composé d'éléments dont les comportements sont régis par différents domaines de la physique : mécanique, électronique, hydraulique, pneumatique, etc. • Un système multi-phases est caractérisé par différentes phases de fonctionnement au cours de son cycle de vie. • Un système multi-échelles est caractérisé par des lois physiques de différentes échelles : réparties/ localisées, microscopiques/ macroscopiques. • Un système multi-interactions comporte un grand nombre d’éléments en relation les uns avec les autres et dont les interactions peuvent faire émerger de nouvelles propriétés. Cette caractéristique des systèmes complexes souligne leur caractère holistique reposant sur le principe que « le tout est plus grand que la somme des parties ». Types des systèmes mécatroniques Un système mécatronique se compose d'un squelette mécanique, d’actionneurs, de capteurs, d'un conditionneur de signaux, du matériel informatique (acquisition, processeur…) et logiciels numériques, de dispositifs d’interface, et de sources d’énergie. Généralement, les systèmes mécatroniques caractéristiques comportementales en trois classes : • Système automatisé • Système mécatronique intelligent • Système mécatronique en réseau. sont classifiés selon leurs Types des systèmes mécatroniques Un système est dit automatisé s'il exécute le même cycle de travail pour lequel il a été programmé. Un système automatisé est caractérisé par un système de régulation qui lui permet de s’adapter aux changements prévisibles de son environnement de façon préprogrammée. Types des systèmes mécatroniques Un système mécatronique intelligent se diffère d’un système automatisé par sa capacité d’atteindre des objectifs donnés dans des conditions d’incertitude de manière imprévisible. Il est doué d’une flexibilité de régulation qui le rend capable de répondre à des fréquents changements dans son environnement sans être reprogrammé. Types des systèmes mécatroniques Un système mécatronique en réseau est un système formé des composants intelligents concurrents en vue de la réalisation des objectifs du système. Une voiture moderne est un système mécatronique en réseau. En effet, les différentes unités mécatroniques constituant la voiture communiquent entre elles à travers un bus pour coordonner leurs tâches. Architecture générale d'un système mécatronique D’après les définitions précédentes, il est possible d’établir un schéma global de l’architecture d’un système mécatronique qui permet de décrire les différents flux d'interconnexion des différents composants tels que : Différentes applications de la mécatronique De nos jours, de nombreuses applications des systèmes mécatroniques sont développées aussi bien dans notre vie quotidienne (aspirateur, machine à café, machine à laver, etc) que dans le secteur industriel (machine-outil, chaîne d’assemblage, etc). Nous présentons ci-dessous quelques applications des systèmes mécatroniques : Différentes applications de la mécatronique La consommation grand public : appareil photo et vidéo, robot aspirateur, téléviseur, téléphone portable... Différentes applications de la mécatronique La production : machines-outils, robots industries,… Différentes applications de la mécatronique Le transport : véhicule hybride, transporteur personnel... Différentes applications de la mécatronique Le médical : respirateurs, pompes, cœur artificiel, aussi bien dans le matériel (robot de chirurgie par exemple) que dans l'assistance ou le remplacement d'organes humains (prothèse intelligente par exemple), on parle alors de bio mécatronique ; Différentes applications de la mécatronique L’aéronautique : avion, système de navigation, système d'armement... Différentes applications de la mécatronique La recherche spatiale : satellite, robot explorateur... La démarche de conception d'un système mécatronique La conception est un processus de développement selon lequel un ensemble de spécifications fonctionnelles est transformé à travers une série d’activités en une description complète d’un système (produit) physique satisfaisant les exigences du marché. Un système mécatronique est composé de différents types de composants et d’éléments relies entre eux. il aura donc une conversion d’énergie d'une forme à une autre. Cela permet d'utiliser l'énergie comme le concept unificateur pour l’analyse et la conception d'un système mécatronique. La démarche de conception d'un système mécatronique L'évolution des systèmes à concevoir (notamment l'apparition des systèmes mécatroniques) a entraîné l'évolution de la méthode de conception car l'ingénierie séquentielle ne répondait pas aux exigences de ces systèmes (le découplage lors de la conception fait que les différents sous-systèmes au final, n'interagissent pas de façon optimale). Cahier des charges Conception mécanique Conception électrique Conception commande Prototype global Lorsque les composants sont indépendamment conçus et reliés entre eux, plusieurs problèmes peuvent se présenter La démarche de conception d'un système mécatronique La nécessite d'une conception intégrée et simultanée (appelée encore ingénierie concourante, approche mécatronique ou approche système) pour les systèmes mécatroniques peut être identifiée comme une des principales motivations pour le développement du domaine de la mécatronique. Conception mécanique Conception … Cahier des charges Prototype global Conception électrique Conception commande Cette approche se base sur la communication et l'échange entre les concepteurs des sous-systèmes. La démarche de conception d'un système mécatronique Aujourd'hui, la conception d'un système mécatronique se base sur un cycle en V. Ce cycle est décomposé en huit étapes. Les quatre étapes pour la branche descendante (appelée aussi approche de conception top-down) du cycle en V ont pour objectif la conception du système. Les quatre étapes pour la branche ascendante (appelée aussi approche de conception bottom-up) du cycle en V ont pour objectif la partie intégration et validation du système. La démarche de conception d'un système mécatronique Besoin clients Production Analyse du besoin et spécifications Validation des performances Système Intégration système et tests Analyse fonctionnelle technique Sous-systèmes Conception préliminaire Intégration élémentaire et tests Composants Conception détaillée Validation composants Réalisation de prototype La modélisation et la simulation La modélisation est une traduction des phénomènes physiques présentés dans un système sous forme des équations mathématiques définies dans le cadre d'une théorie. Les éléments constitutifs du modèle reposent sur des hypothèses associées à un objectif d'étude. Les hypothèses de modélisation constituent le domaine de validité du modèle. La simulation calcule l'évolution (ou la réponse) théorique des grandeurs physiques d'un système sous l'effet des sollicitations extérieures. Son objectif est de prévoir le comportement d'un système à l'aide de modèles de simulation (aussi appelé « prototype virtuel »). La modélisation et la simulation Phénomènes naturels Modélisation Équations mathématiques Modèle Simulation Prédiction du comportement des systèmes La modélisation et la simulation La simulation peut être effectuée selon les étapes suivantes : Différents types de modèles de simulation Durant le processus de conception d’un système mécatronique, différents types de modèles de simulation sont utilisés : Modèles logiques Les modèles logiques sont des modèles dits à paramètres localisés. Ils sont construits à partir des éléments caractéristiques de la chaîne de puissance d'un système. La première formalisation de ces modèles se présente généralement sous la forme de schémas physiques : cinématiques, électriques, hydrauliques, etc. Les modèles associés sont discrets en espace et en temps. Ils sont définis mathématiquement par des équations différentielles ordinaires ou d'équations algébro-différentielles. Ces modèles peuvent être classés en deux catégories : les modèles fonctionnels et les modèles structurels. Différents types de modèles de simulation Les modèles fonctionnels : sont définis comme une association de sous-modèles. Ces derniers décrivent le comportement des sous-systèmes associés sous la forme de modèles entrés/ sortis. Ces modèles utilisent soit directement les équations analytiques ou numériques du système ou leurs mises en forme en schémas-blocs. Lorsque les schémas-blocs sont connectés, le modèle obtenu permet la simulation. Le schéma-bloc traduit plus le schéma de calcul du comportement du système que sa composition structurelle comme le souligné. L’objectif de ce type d’approche est l’évaluation et la validation de performances du système. Ce type de modèles peut être particulièrement adapté pour la commande, car, en mettant en évidence les entrées et les sorties du système, il prépare l’étape de détermination de la commande du système étudié. Ce type de modèles peut être réalisé à partir de différents logiciels comme : entre autres : Maple ou Mathematica pour les développements analytiques, Matlab pour les développements numériques, MATLAB-Simulink pour la modélisation par schémas-bloc, etc. Différents types de modèles de simulation Les modèles structurels : se définissent comme l'interconnexion d'éléments suivants la structure physique du système. La modélisation structurelle consiste à déterminer les éléments et la structure (les relations entre les éléments) du système permettant de réaliser les fonctions techniques du système. Les modèles structurels sont généralement destinés à l'analyse du système et à la conception, car leur réalisation nécessite seulement (si on schématise à l'extrême) l'assemblage de sous-systèmes en suivant la même architecture que le système réel sans analyse préalable à réaliser sur la façon de connecter les différents sous-systèmes. Le Bond Graph qui sera l'outil privilégié dans cette thèse et qui sera détaillé par la suite permet d'ailleurs d'avoir, en même temps, une approche structurelle et comportementale. Ce type de modèles peut être réalisé à partir de différents logiciels comme entre autres : des logiciels spécifiques multicorps comme LMS Virtual Lab, des logiciels comme openmodelica, LMS Imagine Lab, Dymola pour la modélisation à partir du langage Modelica, 20-sim pour les modèles Bond Graph, etc. Différents types de modèles de simulation Modèles géométriques Les modèles géométriques visent à la réalisation d'une « maquette numérique » globale et pluri-technologique intégrant la définition des formes géométriques, les lois de comportements des matériaux et parfois même des cartes électroniques. Ils permettent notamment de vérifier les composants choisis lors de la phase de dimensionnement. Ce type de modèles peut être réalisé à partir de différents logiciels comme, entre autres : CATIA V6, Abaqus et bien d’autres, etc. Il a essentiellement pour objectif le dimensionnement de chaque composant du système. Les outils de modélisation des systèmes mécatroniques Il existe fondamentalement deux approches de modélisation dans la phase de prédimensionnement des systèmes mécatroniques : approche de modélisation fonctionnelle et approche de modélisation structurelle L’approche de modélisation fonctionnelle se caractérise par le fait que les modèles sont constitués par une association de fonctions mathématiques. Avec ce type d’outils, l’architecture du système n’apparait plus de façon explicite. Ces modèles représentent la manière dont les étapes de calculs sont effectuées. Les principaux outils de modélisation fonctionnels sont décrits dans ce qui suit. Les outils de modélisation des systèmes mécatroniques L’approche de modélisation structurels se caractérise par le fait que ces outils permettent de produire des modèles structurels comme nous l’avons défini dans le chapitre précédent. Pour mémoire, les modèles structurels sont construits selon la structure physique du système ou encore la façon dont les éléments d’un système mécatronique réel sont assemblés. Pour appréhender cette notion, les modèles structurels peuvent en quelque sorte se superposer aux schémas physiques (schémas cinématiques, schémas électriques, etc.) utilisés en début de la modélisation pour représenter de manière simplifiée la topologie du système. Pour ce type de modèles, les liaisons entre les éléments définis sur un schéma cinématique permettent de guider leur construction. Les outils de modélisation des systèmes mécatroniques Outils de Simulation Outils de modélisation Approche de modélisation fonctionnelle Equations de Lagrange Equations de Hamilton Système d’équations différentielles hybrides Schéma Fonction de Représentation bloc transfert d’état Matlab/Simulink, 20-Sim, Algebra, Mathematica … Approche de modélisation structurelle Bond Graph Iconic Diagram Graphe Informationnel Causal 20-Sim Power Flow Diagram Power Oriented Graphs 20-Sim, Matlab/Simscap Dymola … 46
