Les chaînes d'énergie et d'information

Un système technique est un ensemble organisé de composants qui interagissent pour réaliser une fonction globale donnée. Un système pluritechnique est un système technique qui intègre plusieurs domaines technologiques, comme l'électronique, la mécanique, l'informatique, l'automatisme, etc. Pensez à une voiture moderne : elle combine des systèmes mécaniques (moteur, transmission), électroniques (calculateur moteur, ABS), informatiques (GPS, système d'infodivertissement) et automatisés (régulateur de vitesse).

La fonction globale d'un système pluritechnique est le service principal qu'il rend à l'utilisateur. Par exemple, la fonction globale d'un lave-linge est de laver le linge. Pour réaliser cette fonction, le système effectue une série d'actions coordonnées.

L'interaction homme-machine (IHM) est cruciale. C'est l'interface qui permet à l'utilisateur de communiquer avec le système et d'en recevoir des informations. Cela peut être des boutons, un écran tactile, des voyants lumineux, ou même des commandes vocales. Une bonne IHM rend le système plus facile et plus agréable à utiliser.

Pour comprendre un système, on utilise souvent une approche fonctionnelle. Au lieu de se concentrer immédiatement sur les composants, on s'intéresse d'abord à ce que le système fait.

La fonction d'usage (ou fonction principale) est la raison d'être du produit du point de vue de l'utilisateur. Elle répond à la question : "À quoi ça sert ?". Par exemple, la fonction d'usage d'un vélo est de permettre à une personne de se déplacer.

La fonction d'estime concerne l'aspect subjectif du produit, ce qui crée une valeur émotionnelle ou esthétique pour l'utilisateur. Elle est liée au design, à la marque, à la couleur, aux matériaux. Un smartphone peut avoir la même fonction d'usage qu'un autre (communiquer), mais sa fonction d'estime sera différente en fonction de son design et de sa marque.

Le diagramme pieuvre est un outil graphique utilisé pour identifier les fonctions de service d'un produit. Il représente le produit au centre et les milieux extérieurs (utilisateur, environnement, autres produits) autour. Les liens entre le produit et ces milieux sont les fonctions de service :

• Fonctions Principales (FP) : celles qui satisfont le besoin essentiel de l'utilisateur.
• Fonctions Contraintes (FC) : celles qui décrivent les adaptations du produit aux éléments extérieurs (esthétique, ergonomie, sécurité, coût, etc.).

Exemple de diagramme pieuvre pour un vélo :

• FP1 : Permettre à l'utilisateur de se déplacer.
• FC1 : Être maniable.
• FC2 : Être confortable pour l'utilisateur.
• FC3 : Être sécurisé.
• FC4 : Respecter l'environnement (matériaux recyclables).
• FC5 : Avoir un coût de fabrication raisonnable.
• FC6 : Avoir une esthétique agréable.

La modélisation consiste à créer une représentation simplifiée d'un système pour mieux le comprendre, l'analyser ou le concevoir.

Un modèle boîte noire est une description du système qui ne montre que ses entrées et ses sorties, sans détailler son fonctionnement interne. On sait ce qui entre et ce qui sort, mais pas comment la transformation se fait à l'intérieur. C'est utile pour comprendre le comportement global d'un système sans se perdre dans les détails.

Un modèle boîte blanche (ou boîte transparente) est une description qui détaille le fonctionnement interne du système, expliquant comment les entrées sont transformées en sorties. On connaît tous les composants et leurs interactions. C'est essentiel pour la conception, le diagnostic ou la maintenance.

Les systèmes pluritechniques sont souvent décomposés en deux grands types de flux :

• Flux d'énergie : C'est le cheminement de l'énergie (électrique, mécanique, pneumatique, hydraulique...) à travers le système. Il s'agit de la puissance nécessaire pour réaliser les actions physiques.
• Flux d'information : C'est le cheminement des données (signaux de capteurs, commandes, états...) à travers le système. Il s'agit de la "décision" et du "contrôle" du système.

Ces deux flux sont interdépendants : l'information commande l'énergie, et l'énergie permet de réaliser les actions qui génèrent de nouvelles informations.

L'acquisition de l'information consiste à capter des données sur l'environnement ou l'état interne du système.

Les capteurs sont les "sens" du système. Ils transforment une grandeur physique (température, pression, lumière, position, vitesse, force...) en un signal électrique exploitable.

• Capteurs physiques : mesurent des propriétés physiques (ex: thermistance pour la température, pressostat pour la pression, capteur de proximité pour la présence).
• Capteurs chimiques : mesurent des propriétés chimiques (ex: capteur de pH, capteur de gaz).

Les grandeurs physiques mesurées peuvent être très variées :

• Température (thermistors, thermocouples)
• Pression (capteurs piézorésistifs)
• Lumière (photodiodes, photorésistances)
• Distance (capteurs ultrasons, infrarouges)
• Vitesse (codeurs rotatifs)
• Accélération (accéléromètres)
• Position (capteurs de fin de course)

Le conditionnement du signal est une étape cruciale. Le signal brut d'un capteur est souvent faible, bruité ou non adapté au traitement direct par un microcontrôleur. Cette étape consiste à :

• Amplifier le signal (augmenter son amplitude).
• Filtrer le signal (éliminer le bruit).
• Mettre en forme le signal (le rendre compatible avec l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique si nécessaire).
• Convertir le signal (par exemple, d'analogique à numérique avec un CAN ou ADC).

Le traitement de l'information est l'étape où les données acquises sont analysées et transformées en décisions ou en ordres d'action.

Le microcontrôleur (ou microprocesseur, ou automate programmable industriel - API) est le "cerveau" du système. C'est un circuit intégré qui exécute un programme pour traiter les informations des capteurs et générer des commandes pour les actionneurs. Il contient une unité centrale de traitement (CPU), de la mémoire (RAM, ROM) et des périphériques d'entrée/sortie.

Un algorithme est une séquence logique et finie d'instructions permettant de résoudre un problème ou d'exécuter une tâche. Il décrit étape par étape ce que le microcontrôleur doit faire avec les données reçues. Il est la "recette" du fonctionnement du système.

La programmation est l'écriture de cet algorithme dans un langage que le microcontrôleur peut comprendre.

• Logigramme : Représentation graphique de l'algorithme, utilisant des symboles standards pour les actions, les décisions, les entrées/sorties. C'est un outil visuel très utile pour concevoir la logique avant de coder.
• Grafcet (Graphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) : Langage graphique normalisé pour la description du comportement séquentiel d'un système automatisé. Il est particulièrement adapté pour les systèmes qui passent par différentes étapes.
  • Étapes : représentent des états stables du système (ex: "Moteur à l'arrêt", "Bras en position haute").
  • Transitions : représentent les conditions de passage d'une étape à une autre (ex: "Détection pièce", "Appui sur bouton").
  • Actions associées : ce qui est réalisé pendant une étape (ex: "Allumer moteur", "Ouvrir vanne").

La communication de l'information est le transfert des données traitées vers d'autres parties du système ou vers l'utilisateur.

Un bus de communication est un ensemble de conducteurs électriques (ou de liaisons optiques/radio) qui permettent le transfert de données entre différents composants d'un système. Il spécifie comment les données sont transmises.

Les protocoles de communication définissent les règles et les formats pour l'échange de données.

• Série : Les bits de données sont transmis l'un après l'autre sur une seule ligne (ex: UART, SPI, I²C, USB, Ethernet). C'est plus lent mais nécessite moins de fils.
• Parallèle : Plusieurs bits sont transmis simultanément sur plusieurs lignes (ex: port parallèle d'imprimante). C'est plus rapide mais nécessite plus de fils.

L'interface homme-machine (IHM), déjà évoquée, est un élément clé de la communication. Elle permet à l'utilisateur de :

• Donner des ordres au système (boutons, écran tactile, clavier).
• Recevoir des informations sur l'état du système (écrans, voyants, alarmes sonores). C'est la fenêtre du système sur le monde extérieur et l'utilisateur.

Les actionneurs sont les éléments qui convertissent l'énergie (souvent électrique) en une action physique (mouvement, chaleur, lumière, son). Ce sont les "muscles" du système.

• Moteur : convertit l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation (ex: moteur électrique pour faire tourner une roue).
• Vérin : convertit l'énergie pneumatique ou hydraulique en énergie mécanique de translation (ex: vérin pour pousser ou tirer une charge).
• Autres : lampes (lumière), résistances chauffantes (chaleur), haut-parleurs (son), électrovannes (ouverture/fermeture de fluides).

Les pré-actionneurs sont des interfaces entre la partie commande (microcontrôleur) et les actionneurs. Ils adaptent le signal de commande (faible puissance) pour qu'il puisse piloter l'actionneur (qui demande souvent une puissance plus élevée).

• Relais : Interrupteur électromécanique qui permet à un petit courant de commander un circuit de puissance plus important.
• Contacteur : Similaire au relais mais conçu pour des puissances encore plus grandes, souvent utilisé en milieu industriel pour piloter des moteurs.
• Variateur de vitesse : Module électronique permettant de contrôler la vitesse d'un moteur.
• Distributeur : Pour les vérins pneumatiques ou hydrauliques, il dirige le fluide vers une chambre ou l'autre du vérin pour contrôler son mouvement.

La conversion d'énergie est le rôle principal de l'actionneur. Par exemple, un moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Cette conversion n'est jamais parfaite et s'accompagne de pertes.

L'alimentation en énergie consiste à fournir l'énergie sous une forme utilisable par le système.

Les sources d'énergie sont variées :

• Électrique : Batterie, secteur (230V AC), panneau solaire. C'est la source la plus courante.
• Pneumatique : Air comprimé, généré par un compresseur.
• Hydraulique : Fluide sous pression, généré par une pompe.
• Mécanique : Ressorts, poids.
• Chimique : Carburants (essence, diesel).

Les convertisseurs d'énergie transforment une forme d'énergie en une autre, souvent pour l'adapter aux besoins du système.

• Redresseur : AC en DC.
• Onduleur : DC en AC.
• Transformateur : Change la tension AC.
• Pompe : Énergie électrique en énergie hydraulique.
• Compresseur : Énergie électrique en énergie pneumatique.

Le rendement énergétique ($\eta$) est le rapport entre l'énergie utile fournie et l'énergie totale consommée. C'est un indicateur clé de l'efficacité d'un composant ou d'un système. $\eta = \frac{E_{utile}}{E_{consommée}}$ ou $\eta = \frac{P_{utile}}{P_{consommée}}$ Un rendement de 1 (ou 100%) signifie qu'il n'y a aucune perte, ce qui n'existe pas en pratique. Plus le rendement est élevé, moins il y a de pertes d'énergie (généralement sous forme de chaleur).

La distribution de l'énergie est le transport de l'énergie de la source vers les différents actionneurs.

Le câblage électrique est l'ensemble des conducteurs (fils) qui acheminent l'énergie électrique. Il doit être dimensionné en fonction du courant et de la tension pour éviter les surchauffes et les chutes de tension.

Les canalisations pneumatiques (tuyaux) et hydrauliques (flexibles, tubes) transportent les fluides sous pression. Elles doivent être étanches et résistantes à la pression.

La protection des circuits est essentielle pour la sécurité des personnes et du matériel.

• Fusibles et disjoncteurs : Protègent contre les surintensités (surcharges, courts-circuits).
• Interrupteurs différentiels : Protègent les personnes contre les chocs électriques en détectant les fuites de courant.
• Soupapes de sécurité : Pour les systèmes pneumatiques/hydrauliques, elles libèrent la pression en cas de surpression.

La conversion de l'énergie au sein de la chaîne d'énergie est réalisée par les actionneurs, qui transforment l'énergie d'une forme à une autre pour produire l'action finale.

• Moteurs électriques :
  • Moteurs à courant continu (CC) : Faciles à contrôler en vitesse et en couple, souvent utilisés pour des applications de précision.
  • Moteurs à courant alternatif (CA) : Plus robustes, moins chers et nécessitent moins de maintenance, souvent utilisés pour des applications de forte puissance (moteurs asynchrones).
• Vérins :
  • Pneumatiques : Utilisent l'air comprimé, rapides, propres, mais moins précis et puissants que les hydrauliques.
  • Hydrauliques : Utilisent un fluide incompressible sous pression, très puissants et précis, mais plus lents et nécessitent plus d'entretien.
• Engrenages et courroies : Ce sont des éléments de transmission mécanique qui permettent d'adapter la vitesse et le couple entre un moteur et une charge, ou de transférer le mouvement.

La transmission de l'énergie est le mécanisme par lequel l'énergie mécanique ou fluidique est transférée de l'actionneur à la partie opérative.

• Transmission mécanique : Engrenages, courroies, chaînes, arbres de transmission. Elles modifient souvent le couple et la vitesse de rotation.
• Transmission fluidique : Tuyaux, flexibles, distributeurs, pour acheminer l'air ou l'huile sous pression vers les vérins ou moteurs fluidiques.

Les pertes énergétiques se produisent à chaque étape de la chaîne d'énergie. Elles sont principalement dues aux frottements, à la résistance électrique, et à la dissipation thermique. Minimiser ces pertes est un enjeu majeur pour l'efficacité des systèmes.

La chaîne d'information commande la chaîne d'énergie, et la chaîne d'énergie rend compte de son état à la chaîne d'information.

Les ordres de commande sont des signaux ou des instructions générés par la chaîne d'information (le microcontrôleur) et envoyés aux pré-actionneurs, qui à leur tour activent les actionneurs de la chaîne d'énergie. Par exemple, un microcontrôleur envoie un signal pour "allumer le moteur".

Les comptes rendus d'état sont des informations (température, position, vitesse, pression...) que les capteurs de la chaîne d'information mesurent sur la partie opérative (actionneurs, environnement). Ces informations sont ensuite traitées par la chaîne d'information pour prendre de nouvelles décisions. Par exemple, un capteur de position indique que le moteur a atteint la position désirée.

Ce dialogue entre chaînes est fondamental pour le fonctionnement autonome et adaptatif des systèmes.

La manière dont ce dialogue est organisé détermine si un système est en boucle ouverte ou en boucle fermée.

Un système en boucle ouverte est un système où la commande n'est pas influencée par la sortie du système. Le système exécute une séquence d'actions prédéfinie sans vérifier si l'objectif est atteint.

• Avantages : Simple, moins cher.
• Inconvénients : Pas de correction des erreurs, sensible aux perturbations, manque de précision.
• Exemple : Un grille-pain avec un simple minuteur. Il chauffe pendant un temps donné, quelle que soit la couleur du pain.

Un système en boucle fermée (ou asservi) est un système où la grandeur de sortie est mesurée et comparée à une consigne. L'écart (erreur) est utilisé pour ajuster la commande afin de réduire cet écart. C'est le principe de la rétroaction (ou feedback).

• Avantages : Précis, stable, insensible aux perturbations, permet l'asservissement (maintenir une grandeur à une valeur donnée) et la régulation (maintenir une grandeur dans une plage de valeurs).
• Inconvénients : Plus complexe, plus cher, risque d'instabilité si mal conçu.
• Exemple : Un régulateur de vitesse de voiture. Il mesure la vitesse réelle et l'ajuste pour qu'elle corresponde à la vitesse de consigne.

L'asservissement vise à faire en sorte qu'une grandeur de sortie suive une grandeur d'entrée (consigne) avec une grande précision. La régulation vise à maintenir une grandeur de sortie à une valeur constante ou dans une plage de valeurs, malgré les perturbations.

• Régulateur de vitesse (voiture) : La consigne est la vitesse désirée. Un capteur mesure la vitesse réelle. Le calculateur (chaîne d'information) compare les deux et ajuste l'accélérateur (chaîne d'énergie) pour maintenir la vitesse.
• Système de chauffage : La consigne est la température souhaitée. Une sonde de température (capteur) mesure la température ambiante. Le thermostat (chaîne d'information) compare et active/désactive le chauffage (chaîne d'énergie) pour maintenir la température.
• Robotique : Les robots utilisent de nombreux systèmes asservis pour contrôler la position, la vitesse et la force de leurs articulations, leur permettant d'effectuer des tâches complexes avec précision.

Plusieurs critères permettent d'évaluer la qualité d'un système, en particulier des systèmes asservis :

• Rapidité : Le temps que met le système pour atteindre la consigne ou répondre à un changement.
• Précision : La capacité du système à maintenir la grandeur de sortie proche de la consigne (faible erreur statique).
• Stabilité : La capacité du système à revenir à un état d'équilibre après une perturbation, sans oscillations excessives ou instabilité.
• Consommation : La quantité d'énergie nécessaire au fonctionnement du système. Un système performant est souvent un système économe en énergie.

L'optimisation énergétique est devenue un enjeu majeur, tant pour des raisons économiques qu'écologiques.

• Efficacité énergétique : Concevoir des systèmes qui réalisent la même tâche avec moins d'énergie. Cela passe par le choix de composants à haut rendement, la minimisation des pertes, et une gestion intelligente de l'énergie.
• Récupération d'énergie : Capturer et réutiliser l'énergie qui serait normalement perdue (ex: récupération d'énergie au freinage dans les véhicules hybrides, récupération de chaleur).
• Dimensionnement des composants : Choisir des composants (moteurs, vérins, alimentations) dont la puissance est adaptée aux besoins réels, sans surdimensionnement qui entraînerait des pertes inutiles.

La fiabilité d'un système est sa capacité à fonctionner sans défaillance pendant une période donnée et dans des conditions spécifiées. La durée de vie est le temps pendant lequel un système est supposé fonctionner correctement.

La maintenance est l'ensemble des actions visant à maintenir ou à rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d'assurer un service déterminé.

• Maintenance préventive : Effectuée à intervalles réguliers ou selon des critères prédéfinis pour éviter les pannes (ex: vidange d'huile, remplacement de pièces d'usure).
• Maintenance corrective : Effectuée après qu'une panne soit survenue pour remettre le système en état de marche.

Une bonne conception intègre dès le départ la facilité de maintenance et la robustesse pour assurer une longue durée de vie et une haute fiabilité du système.