Les chaînes d'énergie et d'information

Un système pluri-technique est un ensemble organisé de composants de différentes natures (mécaniques, électroniques, informatiques, optiques, etc.) qui interagissent pour réaliser une fonction globale spécifique. Ces systèmes sont omniprésents dans notre quotidien et sont conçus pour répondre à un besoin humain.

• Système technique : C'est toute réalisation humaine qui transforme des éléments d'entrée en éléments de sortie dans le but de satisfaire un besoin. Un vélo, un smartphone, une machine à laver sont des systèmes techniques.
• Fonction globale : C'est le service principal que le système rend à l'utilisateur. Par exemple, la fonction globale d'un lave-linge est de laver le linge.
• Interaction homme-machine : La plupart des systèmes pluri-techniques sont conçus pour être utilisés par des humains. L'interface entre l'homme et la machine doit être intuitive et efficace pour garantir une bonne utilisation du système. Pensons aux boutons, écrans tactiles, ou commandes vocales.
• Exemples concrets :
  • Un =robot aspirateur= : Il combine mécanique (roues, brosses), électronique (capteurs, carte mère), et informatique (programme de navigation, intelligence artificielle). Sa fonction globale est de nettoyer les sols de manière autonome.
  • Un =portail automatique= : Il intègre des moteurs (mécanique), un boîtier de commande (électronique), des capteurs de présence (électronique) et un programme (informatique) pour ouvrir et fermer le portail sur commande.

Pour comprendre un système, il est essentiel d'identifier les rôles qu'il remplit. On distingue généralement deux grandes catégories de fonctions : les fonctions de service et les fonctions techniques.

• Fonction d'usage (ou fonction de service principale) : C'est la raison d'être du produit pour l'utilisateur. Elle exprime ce que le produit fait pour l'utilisateur. Par exemple, pour un téléphone portable, la fonction d'usage est de "permettre de communiquer à distance".
• Fonction d'estime : Elle est liée aux aspects subjectifs du produit, à son apparence, à son design, à sa marque. Elle procure du plaisir ou de la satisfaction à l'utilisateur au-delà de l'aspect purement fonctionnel. Par exemple, le design élégant d'un smartphone ou la couleur d'une voiture.
• Fonctions techniques : Ce sont les actions internes que le système doit réaliser pour assurer ses fonctions de service. Elles décrivent comment le produit fonctionne. Pour un téléphone, "gérer l'énergie", "afficher des images", "traiter le son" sont des fonctions techniques.
• Diagramme pieuvre : C'est un outil graphique qui permet d'identifier et de visualiser les différentes fonctions de service d'un produit en le plaçant au centre et en identifiant ses interactions avec son environnement et ses utilisateurs.
  • Il met en évidence la Fonction Principale (FP) : la raison d'être du produit.
  • Et les Fonctions Complémentaires (FC) : les services supplémentaires ou contraintes que le produit doit respecter (esthétique, sécurité, coût, etc.).

Le diagramme FAST (Function Analysis System Technique) est un outil de modélisation qui permet de décomposer une fonction en sous-fonctions, puis en solutions technologiques. Il répond aux questions "Comment ?" et "Pourquoi ?".

• Fonction principale : C'est la fonction la plus générale du système, celle qui répond au besoin global.
• Fonctions secondaires : Pour réaliser la fonction principale, le système doit accomplir plusieurs fonctions intermédiaires. Ces fonctions sont décomposées en sous-fonctions de plus en plus détaillées.
• Solutions technologiques : Au niveau le plus détaillé, chaque sous-fonction est associée à une ou plusieurs solutions techniques concrètes (composants, mécanismes, logiciels) qui permettent de la réaliser.
• Décomposition fonctionnelle : Le FAST part d'une fonction (Pourquoi ?) et cherche les fonctions qui la réalisent (Comment ?). Il se lit de gauche à droite. Inversement, en partant d'une solution technique, on peut remonter aux fonctions qu'elle permet de réaliser (Pourquoi ?).

Exemple simplifié pour une lampe de bureau :

• FP : Éclairer un plan de travail
  • Comment ? : Produire de la lumière
    • Comment ? : Convertir l'énergie électrique en énergie lumineuse → =Ampoule LED=
  • Comment ? : Diriger la lumière
    • Comment ? : Orienter la source lumineuse → =Bras articulé, réflecteur=
  • Comment ? : Être stable
    • Comment ? : Fixer la lampe sur une surface → =Pied lesté, serre-joint=

L'acquisition de l'information est la première étape. Elle consiste à prélever des données du monde réel pour les transformer en signaux exploitables par le système.

• Nature de l'information : L'information peut être de différentes natures : physique (température, pression, lumière, distance), chimique (pH, présence de gaz), mécanique (position, vitesse, force), etc.
• Types de capteurs : Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur électrique (généralement une tension ou un courant).
  • Capteur de température : Thermistance (résistance varie avec la T°), thermocouple (produit une tension en fonction de la T°).
  • Capteur de distance : Ultrasons (mesure le temps de vol d'une onde), infrarouge (détecte la réflexion d'un faisceau), laser (précision élevée).
  • Capteur de lumière : Photodiode, photorésistance (LDR), phototransistor.
  • Autres : Capteur de pression, capteur de vitesse (tachymètre), capteur de position (codeur, potentiomètre).
• Principe de fonctionnement : Un capteur est souvent constitué d'un élément sensible (qui réagit à la grandeur physique) et d'un transducteur (qui convertit cette réaction en signal électrique).
• Signal électrique : Le signal de sortie d'un capteur peut être analogique (variation continue, ex: tension entre 0 et 5V) ou numérique (valeurs discrètes, ex: 0 ou 1, ou une série de bits). Pour être traité par un microcontrôleur, un signal analogique doit souvent être converti en numérique par un =Convertisseur Analogique-Numérique (CAN)=.

Une fois l'information acquise, elle doit être traitée pour prendre des décisions. C'est le rôle du microcontrôleur.

• Microcontrôleur vs microprocesseur :
  • Un microprocesseur est le "cerveau" d'un ordinateur, il gère les calculs et la logique. Il nécessite des composants externes (mémoire vive, mémoire morte, périphériques d'entrée/sortie) pour fonctionner.
  • Un microcontrôleur est un système "tout-en-un" : il intègre sur une seule puce un microprocesseur, de la mémoire (RAM, ROM/Flash) et des périphériques d'entrée/sortie (ports GPIO, CAN, PWM, etc.). Il est conçu pour des tâches spécifiques et embarquées. Exemples : Arduino, STM32, PIC.
• Algorithme : C'est une suite finie et non ambiguë d'opérations ou d'instructions permettant de résoudre un problème ou d'obtenir un résultat. Il décrit la logique de traitement.
• Programme : C'est la traduction d'un algorithme dans un langage de programmation compréhensible par la machine (C, Python, assembleur, etc.). Ce programme est ensuite compilé et chargé dans la mémoire du microcontrôleur.
• Logique combinatoire et séquentielle :
  • Logique combinatoire : La sortie dépend uniquement de l'état actuel des entrées. Ex: une porte logique ET, OU.
  • Logique séquentielle : La sortie dépend de l'état actuel des entrées ET de l'état précédent du système (elle a une "mémoire"). Ex: une bascule, un compteur. Les microcontrôleurs utilisent les deux.

Une fois traitée, l'information doit être communiquée, soit à l'utilisateur, soit à d'autres parties du système, soit à d'autres systèmes.

• Affichage :
  • LED (Diode Électroluminescente) : Simple voyant lumineux pour indiquer un état (marche/arrêt, erreur).
  • Écran LCD (Liquid Crystal Display) : Permet d'afficher du texte, des chiffres, voire des graphiques simples pour donner des informations plus détaillées à l'utilisateur.
  • Autres : Afficheur 7 segments, écran OLED.
• Transmission filaire : Les données sont envoyées via des câbles.
  • USB (Universal Serial Bus) : Pour connecter des périphériques à un ordinateur (clavier, souris, imprimante, mais aussi microcontrôleurs).
  • Ethernet : Pour les réseaux locaux (LAN), permet une communication rapide sur de plus longues distances.
  • Autres : RS232, SPI, I2C (pour les communications entre composants sur une carte électronique).
• Transmission sans fil : Les données sont envoyées par ondes électromagnétiques.
  • Bluetooth : Courte portée, faible consommation, pour connecter des appareils proches (casque audio, montre connectée, objets connectés).
  • Wi-Fi : Portée moyenne, débit élevé, pour les réseaux locaux sans fil et l'accès à internet.
  • Autres : LoRa, Zigbee, NFC, 4G/5G.
• Bus de communication : C'est un ensemble de fils partagés qui permet à plusieurs composants ou systèmes de communiquer entre eux de manière organisée. Il existe des bus parallèles (plusieurs bits transmis en même temps) et série (les bits sont transmis les uns après les autres).

Cette étape consiste à fournir l'énergie nécessaire au système et à la diriger vers les différents composants.

• Sources d'énergie : L'énergie peut provenir de différentes sources.
  • Électrique : La plus courante (secteur, batterie, panneau solaire).
  • Pneumatique : Air comprimé (pour vérins, moteurs pneumatiques).
  • Hydraulique : Liquide sous pression (pour vérins, moteurs hydrauliques, systèmes de freinage).
  • Autres : Énergie thermique, chimique (combustibles).
• Transformateur : Composant électrique qui modifie le niveau de tension alternative (sans changer la fréquence). Il peut abaisser (pour alimenter des circuits électroniques) ou élever la tension.
• Redresseur : Circuit électronique qui convertit le courant alternatif (AC) en courant continu (DC). Souvent composé de diodes.
• Contacteur : Dispositif électromécanique qui permet de commuter (ouvrir ou fermer) un circuit de puissance à distance, souvent utilisé pour les moteurs de forte puissance.
• Disjoncteur : Appareil de protection qui coupe automatiquement le circuit en cas de surcharge ou de court-circuit, protégeant ainsi les équipements et les personnes.

Les actionneurs sont les éléments qui transforment l'énergie d'une forme donnée (électrique, pneumatique, hydraulique) en une autre forme d'énergie, souvent mécanique, pour produire un mouvement ou une force.

• Moteur électrique : Convertit l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation.
  • Moteur à courant continu (CC) : Facile à contrôler en vitesse et en sens, utilisé dans de nombreux petits appareils.
  • Moteur à courant alternatif (CA) : Plus robuste, utilisé pour des applications industrielles (moteurs asynchrones).
  • Autres : Moteur pas à pas (contrôle précis de la position), servomoteur (contrôle précis de la position et de la vitesse).
• Vérin : Convertit l'énergie pneumatique ou hydraulique en énergie mécanique de translation (mouvement linéaire).
  • Vérin pneumatique : Utilise l'air comprimé. Rapide, propre, mais moins précis et puissant que l'hydraulique.
  • Vérin hydraulique : Utilise un liquide sous pression. Très puissant, précis, mais plus complexe et potentiellement salissant.
• Transducteur : Terme général désignant un dispositif qui convertit une forme d'énergie en une autre. Un capteur est un transducteur, mais un actionneur en est également un.
• Rendement énergétique : C'est le rapport entre l'énergie utile obtenue et l'énergie fournie. Il est toujours inférieur à 1 (ou 100%) car une partie de l'énergie est toujours perdue (chaleur, frottements). Un bon rendement est essentiel pour l'efficacité énergétique du système. $\eta = \frac{E_{utile}}{E_{fournie}}$

Les effecteurs sont les dernières pièces de la chaîne d'énergie. Ce sont eux qui =exécutent l'action physique finale= sur l'environnement du système. Ils sont directement couplés aux actionneurs.

• Pince : Souvent associée à un bras robotique ou un vérin, elle permet de saisir, tenir ou relâcher des objets.
• Bras manipulateur : Un ensemble articulé qui permet de déplacer, positionner ou orienter un objet dans l'espace.
• Élément chauffant : Un actionneur qui convertit l'énergie électrique en énergie thermique (résistance électrique).
• Fonction d'action : C'est l'action physique concrète réalisée par le système sur son environnement (déplacer un objet, visser, chauffer, couper, presser, etc.). L'effecteur est le composant qui permet de réaliser cette fonction.

L'interface de puissance est le maillon essentiel qui fait le lien entre la chaîne d'information (faible puissance, signaux logiques) et la chaîne d'énergie (forte puissance, commande d'actionneurs).

• Amplification de signal : Les signaux de sortie d'un microcontrôleur sont généralement de faible puissance (quelques milliampères, quelques volts). Pour commander un moteur, un vérin ou un élément chauffant qui demandent beaucoup plus de puissance, il faut amplifier ces signaux.
• Adaptation d'impédance : L'interface de puissance permet d'adapter les caractéristiques électriques entre les deux chaînes pour un transfert d'énergie optimal.
• Relais : Un interrupteur commandé électriquement. Un faible courant dans la bobine du relais permet de commander un circuit de puissance beaucoup plus important, tout en isolant électriquement les deux circuits.
• Pont en H : Un circuit électronique qui permet de commander le sens de rotation d'un moteur à courant continu en inversant la polarité de la tension à ses bornes. Il est constitué de quatre interrupteurs (transistor ou MOSFET) et est très utilisé en robotique.

Un système asservi est un système qui maintient une grandeur de sortie à une valeur désirée (la consigne) en comparant cette grandeur à la consigne et en agissant en conséquence. C'est le principe de la rétroaction (feedback).

• Consigne : C'est la valeur désirée pour la grandeur de sortie du système (ex: une température de 20°C, une vitesse de 100 tr/min).
• Mesure : La valeur réelle de la grandeur de sortie est mesurée en continu par un capteur.
• Comparateur : Il calcule l'écart (l'erreur) entre la consigne et la mesure. $Erreur = Consigne - Mesure$.
• Correcteur : C'est la partie "intelligente" de la chaîne d'information qui, en fonction de l'erreur, calcule la commande à appliquer à l'actionneur pour réduire cette erreur. Un algorithme PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé) est souvent utilisé.
• La boucle de régulation est le cheminement de l'information : Consigne → Comparateur → Correcteur → Actionneur → Système → Mesure → Comparateur.

Ces systèmes illustrent parfaitement l'interaction entre les chaînes d'information et d'énergie.

• Portail automatique :
  • Info : Capteur de présence (sécurité), télécommande (consigne), fin de course (position).
  • Énergie : Moteur électrique, interface de puissance.
  • Action : Ouverture/fermeture du portail.
• Robot industriel :
  • Info : Capteurs de position (codeurs sur les axes), vision (reconnaissance d'objets), programme de tâche.
  • Énergie : Servomoteurs sur chaque articulation, interfaces de puissance complexes.
  • Action : Saisir, déplacer, assembler des pièces avec grande précision.
• Système de chauffage intelligent :
  • Info : Capteur de température ambiante, thermostat (consigne), capteur de présence.
  • Énergie : Chaudière/radiateurs, vannes motorisées, pompe de circulation.
  • Action : Ajuster la température des pièces.
• Véhicule autonome :
  • Info : Radars, Lidars, caméras (perception de l'environnement), GPS (position), capteurs de vitesse/accélération.
  • Énergie : Moteur électrique/thermique, direction assistée, freins ABS.
  • Action : Conduire, freiner, accélérer, tourner.

Le SADT (Structured Analysis and Design Technique) est une méthode de modélisation graphique qui permet de représenter les fonctions d'un système et leurs interactions avec l'environnement. L'Actigramme A-0 est le niveau le plus élevé du SADT.

• Actigramme A-0 : Représente le système dans sa globalité sous forme d'un unique bloc.
  • Entrées (flèches à gauche) : Matières, énergies, informations qui entrent dans le système.
  • Sorties (flèches à droite) : Matières, énergies, informations produites par le système.
  • Mécanisme (flèches en bas) : Ressources (humaines, matérielles, énergétiques) nécessaires au fonctionnement du système.
  • Support (flèches en haut) : Contraintes, données de contrôle, commandes qui influencent le fonctionnement du système.
  • Le bloc central représente la Fonction du système.

Exemple pour un portail automatique :

• Entrées : Énergie électrique, Consignes (ouvrir/fermer), Présence d'obstacle.
• Sorties : Portail ouvert/fermé, Bruit.
• Mécanisme : Moteur, Crémaillère, Bras.
• Support : Normes de sécurité, Environnement.
• Fonction : Gérer l'accès au site.

Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) est un outil graphique pour décrire la partie commande d'un automatisme, c'est-à-dire l'enchaînement séquentiel des actions.

• Étape : Représente un état stable du système (ex: "Portail fermé", "Moteur en marche"). Elle est numérotée et peut contenir des actions.
• Transition : Représente la condition (réceptivité) nécessaire pour passer d'une étape à la suivante. Elle est située entre deux étapes et est franchie si la condition est vraie et si l'étape précédente est active.
• Action : Opération à effectuer lorsqu'une étape est active (ex: "Allumer le voyant rouge", "Mettre le moteur en marche"). Une action est associée à une étape.
• Séquence : L'enchaînement des étapes et des transitions. Le GRAFCET permet de représenter des séquences linéaires, des sélections de séquences, et des séquences simultanées. L'étape initiale est représentée par un double carré.

Les schémas blocs fonctionnels sont une manière simple et visuelle de représenter les différentes fonctions d'un système et les flux d'information et d'énergie entre elles.

• Bloc fonctionnel : Représente une fonction ou un composant du système (ex: "Capteur de température", "Microcontrôleur", "Moteur"). Chaque bloc a des entrées et des sorties.
• Liaisons : Des flèches relient les blocs pour indiquer le sens des flux.
• Flux d'information : Représenté par des flèches fines. Il s'agit des données, des signaux de commande, des mesures.
• Flux d'énergie : Représenté par des flèches plus épaisses ou doubles. Il s'agit de l'énergie (électrique, mécanique, etc.) qui transite entre les blocs.

Ces schémas permettent de visualiser clairement la structure et le fonctionnement d'un système en mettant en évidence les chaînes d'information et d'énergie. Par exemple, on peut représenter la chaîne d'information (Acquérir → Traiter → Communiquer) et la chaîne d'énergie (Alimenter → Distribuer → Convertir → Agir) comme des blocs interconnectés.