Caractéristiques des outils de modélisation de simulation

nombre croissant de fonctionnalités et d'exigences.

La mécatronique conduit donc à de nouvelles approches et méthodologies de conception et de production qui s'appuient sur une approche système, à savoir la prise en compte initiale des interactions entre sous-systèmes.

Comme il est défini dans [BOU03], l’approche système étudie les éléments d’un système, non pas comme des éléments isolés, mais comme des éléments en interactions formant un système plus global. En d’autres termes, comme nous l’avons évoqué précédemment pour définir les caractéristiques « multi-interactions » d’un système, celui-ci ne se réduit pas à la somme des propriétés de ses éléments. Il est aussi constitué des propriétés qui découlent des interactions synergiques entre des éléments constituants. De plus, toujours d’après [BOU03], un système est également en interaction avec le milieu extérieur. Pour modéliser un système, il faut donc non seulement modéliser ses éléments, les relations entre ces éléments mais aussi les relations avec les éléments du milieu extérieur qui définit les limites du système.

L’approche cartésienne (encore appelée analytique) dont les premières prémices se trouvent dans le « Discours de la méthode » de René Descartes « diviser pour mieux régner » n’est pas pour autant antagoniste de l’approche système, mais complémentaire. En effet, l’étude des éléments constitutifs les plus simples d’un système constitue souvent l’étape obligatoire permettant la caractérisation des éléments du système par des fonctions. En d’autres termes, la compréhension locale proposée par l’approche cartésienne est une condition nécessaire mais pas suffisante à la détermination d’une compréhension globale proposée par l’approche système.

2.6.2. Les besoins au niveau des outils de modélisation

Compte tenu des aspects de complexité des systèmes mécatroniques que nous avons précisés dans les paragraphes précédents, les outils de modélisation doivent présenter un certain nombre de caractéristiques afin de permettre une modélisation efficace de ces systèmes. Ces principales caractéristiques, en partie exposées dans [JAR10], liées au langage de modélisation et à son logiciel d’utilisation vont maintenant être décrites. Par ailleurs, il sera précisé, pour chacune des caractéristiques du système énoncées dans au paragraphe 2.2 (« multi-physique », « multi-phases», « multi-échelles », « multi-interactions », « de comportements difficiles à appréhender ») les caractéristiques de l’outil qui permettent d’y répondre.

2.6.2.1. Caractéristiques recherchées au niveau du langage

Les besoins des outils de modélisation des systèmes mécatroniques complexes La caractéristique essentielle pour la modélisation de tels systèmes est sa modularité. En effet, la décomposition d’un système complexe en modules facilite l’approche système précédemment définie dans la mesure où à la fois les éléments ainsi que leurs interactions sont représentés. Les modules devront être hiérarchisés, évolutifs et réutilisables. Le présent paragraphe a pour objectif de préciser les propriétés recherchées par cette modularité.

Tout d’abord, l’outil de modélisation doit permettre une approche hiérarchisée (encore appelée multi-niveau) tel un langage orienté objet. Une approche orientée objet permet de décomposer facilement un système en sous-systèmes grâce à la propriété d’encapsulation. Ces possibilités de l’approche orientée objet qui viennent d’être énoncées sont détaillées dans [FIC13]. Cette approche hiérarchisée permet alors une meilleure gestion notamment de deux caractéristiques des systèmes complexes étudiés. Premièrement, elle permet une simplification de la présentation des systèmes comportant des « multi-interactions » quasiment indispensables pour leurs analyses. En effet, la décomposition du système en sous-systèmes permet de cacher les interactions internes à un sous-système et par conséquent, de bien distinguer les interactions entre les principaux sous-systèmes des interactions internes à ces sous- systèmes. Deuxièmement, elle facilite la prise en compte de l’aspect « multi-échelle » du système car elle peut permettre d’encapsuler des modèles à paramètres répartis et les faire interagir avec le modèle à paramètres localisés de niveau supérieur. Ce dernier point exposé dans [LEB03] reste cependant en phase d’étude dans de nombreux laboratoires de recherche et n’a pas été validé dans ce mémoire.

Ensuite, l’outil de modélisation doit être suffisamment évolutif (ou flexible) au niveau du modèle du système comme l’énonce [JAR10]. En effet, le modèle doit pouvoir évoluer pour satisfaire aux degrés de complexité requis par chaque problème de conception par le changement de paramètres, par l’ajout ou la modification de nouveaux composants et sous-systèmes, ou encore par le remplacement de lois de comportement. Ceci doit permettre de gérer les aspects « multi-interactions » et les comportements difficiles à appréhender d’un système mécatronique.

Enfin, l’outil doit être le plus réutilisable possible. D’une part, les langages orientés objet facilitent aussi cette caractéristique. En effet, ils favorisent la création de bibliothèques d’éléments. D’autre part, la propriété d’acausalité des modèles facilite également la réutilisation des modèles. Comme son nom l’indique, un modèle acausal ne présente pas un lien de cause à effet entre une entrée et une sortie potentielles du modèle. La réutilisabilité des modèles acausaux provient donc du fait que ce sont des modèles indépendants de ce qui a été défini comme entrées ou sorties. Dans un modèle acausal, les connexions possibles d’un élément avec d’autres éléments environnants sont d’ailleurs appelées « ports » et non entrées/sorties. La modélisation acausale utilise des

2.6 Caractéristiques des outils de modélisation de simulation équations implicites sans ordre entre les variables et donc de spécifications d’entrées et de sorties. Dans la mesure où cette notion de causalité sera également évoquée lors de la présentation du bond graph, il est important de préciser, dès à présent, que la causalité (ou acausalité) dont on parle est une causalité dite de calcul. La terminologie causalité de calcul renvoie à la manière dont une équation est exploitée pour assigner à une variable (la grandeur supposée inconnue) le résultat d’une fonction d’autres variables (les grandeurs considérées comme connues). Comme il est mentionné dans [MAR12], cette causalité de calcul est à distinguer de la causalité physique. En effet, dans la causalité physique, un schéma de calcul a été choisi et de plus, ce schéma renvoie à l’orientation du sens des équations des lois physiques qui repose sur le principe bien connu que l’effet d’un phénomène physique ne peut précéder sa cause.

Langage unifié

Enfin, il est intéressant que le modèle soit basé sur un langage unique pour les différents domaines de la physique afin de permettre une modélisation commune dès le début de la phase de conception des systèmes « multi-physiques ».

Tableau 2.1 – Caractéristiques nécessaires à l'outil de conception pour répondre à la problématique des systèmes mécatroniques complexes

Caractéristiques de l’outil de modélisation Caractéristiques d’un _{système complexe}

Modulaire

Hiérarchisée Multi-échelles, Multi-interactions

Evolutif Comportements difficiles à appréhender,

Multi-interactions Réutilisable Multi-phases

Langage unifié Multi-physique

De plus, ces caractéristiques énoncées de l’outil de modélisation (modularité et langage unique) facilitent la capitalisation des connaissances grâce à la création de bibliothèques de modèles réutilisables.

2.6.2.2. Caractéristiques recherchées au niveau du logiciel

Les logiciels doivent tout d’abord supporter les caractéristiques en termes de langages précédemment définis à des fins de modélisation, de simulation mais aussi d’analyse [DAU14].

Ensuite, une interface intuitive facilite ces activités. A titre d’exemple, la propriété d’encapsulation de sous-modèles dans un modèle supérieur permet de

Les besoins des outils de modélisation des systèmes mécatroniques complexes reproduire, dans un même modèle, les différents niveaux issus de la décomposition d’un système complexe et facilite donc la lecture la lisibilité du modèle global.

Enfin, il est important que les logiciels permettent d’assurer un échange des données de modélisation. Cela est généralement réalisé à partir de fonctions de co- simulation et/ou d’import/ export de modèles. Quelques considérations pratiques sur ces fonctions de co-simulation et d’import/ export de modèles proposées par des logiciels dédiés à la conception de systèmes mécatroniques sont données dans [DAU14, LEB03].

2.7.CONCLUSION

Après avoir défini et caractérisé les systèmes mécatroniques complexes, la démarche de conception de tels systèmes été définie. Les principaux types de modèles de simulation ont été ensuite définis et une classification a été proposée. Le périmètre étudié dans cette thèse a alors pu être précisé. Il s’agit de la phase de pré- dimensionnement de ces systèmes. Enfin, les caractéristiques des outils favorisant une approche système et pluridisciplinaire nécessaires à la modélisation de tels systèmes ont été décrites. Une forte modularité et un langage unique de modélisation pour les différents domaines de la physique rencontrés sont les deux points qui nous sont apparus prioritaires pour une modélisation efficace des systèmes mécatroniques complexes.