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Ch01 Mécatronique-I

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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
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