Sciences de l'ingénieur1ère

Schémas fonctionnels
Exercices corrigés

Maîtrisez la schématisation des systèmes : blocs fonctionnels, flèches de liaison, organigrammes et modèles graphiques grâce à ces 5 exercices détaillés avec méthodes, symboles et exemples.

Éléments de Schématisation
Blocs Fonctionnels
\(S = f(E_1, E_2, ..., E_n)\)
Fonction de Transfert
S
Sortie
E_i
Entrées
f
Fonction
Blocs
Modules
E₁
Bloc
S
Fonction
Flèches de Liaison
\(E_i \rightarrow Bloc_j \rightarrow S_k\)
Flux de Données
→
Relation
E
Entrée
S
Sortie
Liaison
Connexion
E₁
E₂
Σ
S
Organigramme
\(Système = \sum_{i=1}^{n} Bloc_i\)
Composition
Σ
Somme
i
Index
n
Nombre
Système
Global
Exercice 1
Schéma d'un système de régulation thermique
Exercice 2
Organigramme d'un système de freinage antiblocage (ABS)
Exercice 3
Diagramme d'un système photovoltaïque avec stockage
Exercice 4
Modèle graphique d'un robot mobile autonome
Exercice 5
Représentation d'une unité de production chimique
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Régulation thermique
Définitions :

Système de régulation : Boucle de commande avec rétroaction

Bloc fonctionnel : Élément réalisant une fonction spécifique

Flux de données : Informations circulant entre les blocs

Méthode de schématisation :
  1. Identifier les fonctions principales
  2. Représenter chaque fonction par un bloc
  3. Connecter les blocs avec des flèches
  4. Indiquer les grandeurs échangées
  5. Hiérarchiser les éléments selon leur importance
Étape 1 : Fonctions du système

• Consigne : Température de consigne T_consigne

• Capteur : Mesure la température T_mesurée

• Comparateur : Calcule l'erreur e = T_consigne - T_mesurée

• Correcteur : Génère la commande u(t) à partir de l'erreur

• Actionneur : Convertit la commande en puissance chauffante

• Processus : Pièce à chauffer

Étape 2 : Diagramme fonctionnel
T_c
Consigne
-
e
Correcteur
u
Actionneur
Processus
T
Capteur
Étape 3 : Équations du système

Équation du processus (approximation premier ordre) :

\( \tau \frac{dT}{dt} + T = K \cdot P \)

Où τ est la constante de temps, K le gain statique, P la puissance de chauffage

Correcteur PI : \( u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t) dt \)

Étape 4 : Analyse du schéma

• Boucle fermée : La mesure de température est comparée à la consigne

• Rétroaction : Permet de corriger les erreurs

• Stabilité : Dépend des paramètres du correcteur

• Précision : Améliorée par l'action intégrale

T_consigne → Correcteur PI → Puissance → Température → Capteur
Réponse finale :

Le schéma fonctionnel montre une boucle de régulation avec les blocs : consigne, comparateur, correcteur PI, actionneur, processus thermique et capteur. La rétroaction permet d'ajuster la puissance de chauffage pour atteindre la température de consigne avec précision.

Règles appliquées :

• Séparation : Distinguer les fonctions de commande et de mesure

• Flux : Indiquer clairement les grandeurs échangées

• Rétroaction : Représenter le chemin de retour

2 Système ABS
Définition :

ABS (Anti-lock Braking System) : Système empêchant le blocage des roues

Organigramme : Représentation séquentielle des opérations

Étape 1 : Fonctionnalités du système

• Capteurs de vitesse : Mesurent la vitesse des roues

• Unité de commande : Analyse les données et contrôle les actionneurs

• Électrovannes : Contrôlent la pression dans les circuits de frein

• Capteur de pression : Surveillance de la pression de frein

Étape 2 : Organigramme du fonctionnement
Démarrage
Lecture capteurs
Analyse vitesse
Contrôle pression
Étape 3 : Algorithme de détection

Pour chaque roue i :

1. Calcul du taux de glissement : \( \lambda_i = \frac{v_{roue,i} - v_{vehicule}}{v_{vehicule}} \)

2. Si |λ_i| > λ_seuil alors activation de la correction

3. Contrôle de la pression : réduction, maintien ou augmentation

Étape 4 : Modèle fonctionnel

Le système peut être décomposé en 4 sous-systèmes :

Capteur → Traitement → Commande → Actionneur

• Capteur : Mesure de la vitesse de rotation

• Traitement : Calcul du taux de glissement

• Commande : Logique de contrôle (pression)

• Actionneur : Électrovannes de frein

Étape 5 : Validation du schéma

Le schéma doit représenter :

  • La boucle de détection du blocage
  • La réaction du système
  • Le retour d'information
  • La sécurité du fonctionnement
Capteurs → Traitement → Contrôle → Actionneurs
Réponse finale :

Le schéma ABS montre une boucle de contrôle avec détection de glissement, calcul de la commande et action sur les électrovannes. Le système surveille en permanence la vitesse des roues et ajuste la pression de frein pour éviter le blocage.

Règles appliquées :

• Séquentialité : Respecter l'ordre des opérations

• Sécurité : Présence de capteurs de surveillance

• Rapidité : Temps de réponse critique pour la sécurité

3 Système photovoltaïque
Définitions :

Système PV : Conversion de l'énergie solaire en électricité

Stockage : Accumulation d'énergie pour utilisation différée

Étape 1 : Composants du système

• Panneaux solaires : Conversion rayonnement → électricité

• Contrôleur de charge : Gestion de la charge de la batterie

• Batterie : Stockage d'énergie électrique

• Convertisseur DC/AC : Transformation courant continu → alternatif

• Charge : Consommation électrique (éclairage, appareils)

Étape 2 : Diagramme fonctionnel
Rayonnement
I_sol
Panneaux
P_DC
Contrôleur
Batterie
I_bat
Convertisseur
P_AC
Charge
Étape 3 : Équations de fonctionnement

Puissance produite : \( P_{PV} = \eta_{PV} \cdot I_{sol} \cdot S_{panneaux} \)

Où η_PV ≈ 15-20% pour les panneaux commerciaux

Équation de la batterie : \( \frac{dSOC}{dt} = \frac{I_{charge} - I_{decharge}}{C_{nominale}} \)

Où SOC est le State of Charge (0-100%)

Étape 4 : Gestion de l'énergie

Le contrôleur de charge gère :

  • La charge de la batterie (mode MPPT)
  • La protection contre les surcharges
  • La décharge excessive
  • L'équilibrage des cellules
Étape 5 : Optimisation du rendement

Pour maximiser l'énergie collectée :

• MPPT : Maximum Power Point Tracking

• Orientation : Suivi solaire ou orientation fixe optimale

• Dimensionnement : Adaptation à la charge

η_global = η_PV × η_contrôleur × η_batterie × η_onduleur
Réponse finale :

Le schéma montre la chaîne de conversion d'énergie solaire en électricité avec stockage. Le rendement global dépend des rendements de chaque composant. Le système assure la continuité de l'approvisionnement électrique même en l'absence de soleil.

Règles appliquées :

• Flux d'énergie : Suivre la conversion et le stockage

• Équilibre : Production = Consommation + Stockage + Pertes

• Protection : Sécurité des composants et de la batterie

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Robot mobile autonome
Définitions :

Robot mobile : Système mécatronique capable de se déplacer

Autonomie : Capacité à fonctionner sans intervention humaine

Étape 1 : Architecture du robot

Le robot mobile comprend plusieurs sous-systèmes :

  • Capteurs : Caméra, lidar, ultrasons, IMU, encodeurs
  • Calculateur : Unité de traitement (microcontrôleur ou ordinateur)
  • Communication : Interface utilisateur, transmission de données
  • Navigation : Localisation, cartographie, planification de trajectoire
  • Asservissement : Contrôle des moteurs et des déplacements
Étape 2 : Diagramme fonctionnel
Capteurs
Données
Traitement
Traité
Décision
Navigation
Contrôle
Commande
Actionneurs
Mouvement
Feedback
Étape 3 : Algorithmes de navigation

Localisation (SLAM) : \( x_{t+1} = f(x_t, u_t, z_t) \)

Où x_t est l'état, u_t la commande, z_t les mesures

Planification de trajectoire : Minimisation d'un coût J = ∫(x(t), u(t))dt

Contrôle : Loi de commande u = K(x_desiré - x_actuel)

Étape 4 : Communication et supervision

Le robot peut transmettre des données via :

  • WiFi : Transmission de vidéos, positions, diagnostics
  • Bluetooth : Commandes manuelles
  • Radio : Communication à longue distance
Étape 5 : Analyse des performances

Mesures de performance :

  • Temps de réponse
  • Précision de navigation
  • Autonomie énergétique
  • Fiabilité des déplacements
Capteurs → Intelligence → Navigation → Action
Conclusion :

Le schéma montre une architecture modulaire avec des flux d'information clairs. La boucle de rétroaction permet une navigation autonome précise. La modularité permet de remplacer ou améliorer des composants sans affecter l'ensemble du système.

Règles appliquées :

• Modularité : Chaque fonction est encapsulée

• Flux : Information circule selon un sens logique

• Feedback : Boucles de contrôle pour correction continue

5 Unité de production chimique
Définitions :

Procédé chimique : Ensemble d'opérations pour transformer des matières premières

Automatisation : Contrôle des opérations par des systèmes automatisés

Étape 1 : Processus chimique

Unité de production d'acétone à partir de l'isopropanol :

CH₃CHOHCH₃ → CH₃COCH₃ + H₂

Opérations unitaires :

  • Alimentation en réactif
  • Chauffage et réaction catalytique
  • Séparation des produits
  • Purification finale
  • Conditionnement
Étape 2 : Instrumentation

Capteurs nécessaires :

  • Température (thermocouples, RTDs)
  • Pression (manomètres)
  • Débit (débitmètres)
  • Niveau (capteurs de niveau)
  • Concentration (analyseurs chimiques)
Étape 3 : Système de commande
Capteurs
Mesures
PLC
Logique
Actionneurs
Réacteur
Séparateurs
Produits
Pompes
Étape 4 : Contrôle de la température

Contrôleur PID pour la température du réacteur :

\( u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t) dt + K_d \frac{de(t)}{dt} \)

Où e(t) = T_consigne - T_mesurée

La commande u(t) ajuste le débit de fluide caloporteur

Étape 5 : Sécurité et supervision

Le système inclut :

  • Alarmes pour dépassement de seuils
  • Systèmes de sécurité (arrêt d'urgence)
  • Supervision HMI (Human Machine Interface)
  • Archivage des données
  • Contrôle qualité en ligne
MP → Réaction → Séparation → Produit
Réponse finale :

Le schéma montre une unité chimique avec instrumentation et automatisation. Les capteurs fournissent des données au PLC qui commande les actionneurs pour maintenir les conditions de réaction. La sécurité et la supervision sont intégrées pour une exploitation fiable.

Règles appliquées :

• Sécurité : Prioritaire dans les procédés chimiques

• Automatisation : Contrôle précis des conditions de réaction

• Supervision : Surveillance continue des paramètres critiques

Cours bien détaillé
Variables d'Entrée
\(u(t) = [u_1(t), u_2(t), ..., u_m(t)]\)
Vecteur d'Entrée
🎯
Définition : Variables indépendantes qui influencent le système.
📊
Exemples : Température, force, tension, débit, couple.
🔍
Identification : Ce que l'on peut commander ou mesurer à l'extérieur.
⚙️
Rôle : Paramètres de contrôle et perturbations.
Variables d'État
\(x(t) = [x_1(t), x_2(t), ..., x_n(t)]\)
Vecteur d'État
🎯
Définition : Variables internes décrivant l'état du système.
📊
Exemples : Position, vitesse, température interne, charge.
🔍
Identification : Ce qui détermine l'évolution future du système.
⚙️
Rôle : État interne du système dynamique.
Variables de Sortie
\(y(t) = [y_1(t), y_2(t), ..., y_p(t)]\)
Vecteur de Sortie
🎯
Définition : Variables mesurables issues du système.
📊
Exemples : Tension, pression, position, vitesse mesurée.
🔍
Identification : Ce que l'on peut observer ou mesurer.
⚙️
Rôle : Interface entre le système et l'utilisateur.
Paramètres
\(\theta = [\theta_1, \theta_2, ..., \theta_q]\)
Vecteur de Paramètres
🎯
Définition : Constantes qui définissent le comportement du système.
📊
Exemples : Masse, résistance, inductance, gain.
🔍
Identification : Ce qui ne varie pas ou lentement.
⚙️
Rôle : Influencer les relations entre les variables.
💡
Conseil : Identifier les variables selon leur rôle fonctionnel dans le système
🔍
Attention : Ne pas confondre les variables d'entrée, d'état et de sortie
⚡
Astuce : Utiliser les équations physiques pour valider les choix
📋
Méthode : Hiérarchiser selon l'impact sur le comportement
✅
Vérification : Vérifier la cohérence dimensionnelle des variables
Méthodologie de sélection :
  • Identification physique : Lister les grandeurs mesurables/contrôlables
  • Classification : Répartir selon les catégories (entrée, état, sortie)
  • Hiérarchisation : Classer selon l'importance et l'impact
  • Validation : Vérifier la complétude et la minimalité
  • Optimisation : Réduire au minimum nécessaire sans perte d'information
Règles importantes :
  • Une variable est pertinente si elle influence ou est influencée par le système
  • Le nombre de variables doit être suffisant pour décrire le système mais minimal
  • Les variables doivent être mesurables ou commandables dans la pratique
  • La pertinence dépend de l'objectif de la modélisation
  • Les variables doivent être indépendantes pour éviter les redondances
Schématisation d’un système Introduction à la modélisation