La conception en génie électrique

A partir d’une définition de conception, nous montrons que tout processus de conception nécessite deux étapes. Nous décrivons ces deux étapes en recherchant comment améliorer l’efficacité de chacune d’elle.

2.1. Définition de la conception.

On peut proposer la définition très générale suivante. La conception correspond à la définition d’un objet ou d’un système (ensemble d’objets) répondant à un besoin défini dans un cahier des

charges.

Nous retiendrons l’importance du cahier des charges qui doit nécessairement être clairement posé. Dans le cadre du génie électrique, le cahier des charges doit contenir la ou les fonctions à réaliser (conversion d’énergie électromécanique, conversion d’énergie électrique, traitement de signaux, etc.) et les contraintes qui reposent sur ces fonctions (caractéristiques techniques, performances, encombrement, mais aussi caractéristiques économiques ou écologiques, etc.).

Par exemple un entraînement à vitesse variable sera défini par :

− sa fonction : entraîner une charge (un véhicule, un ascenseur, un ventilateur, une pompe,..) à vitesse variable ;

− les contraintes sur cette fonction : la plage de vitesse à couvrir, le couple ou la puissance devant être fourni par le système sur cette plage de vitesse, les cycles de fonctionnement, les limites thermiques, la consommation d’énergie, la source d’énergie disponible, le prix objectif, les limites de pollution auditive, etc.

2.2. Les deux étapes de la conception.

Nous proposons le schéma de la figure 19 comme méthodologie générale de conception. Nous y distinguons deux grandes étapes que nous allons maintenant détailler.

2.2.1. Choix de la structure du système à concevoir.

La première étape consiste en la définition de la structure répondant à la fonction décrite dans le cahier des charges. Il s’agit de choisir, parmi des éléments existants, celui ou l’ensemble de ceux qui permet de réaliser la fonction. Dans cette étape, il s’agit de rassembler des connaissances pour construire plusieurs solutions possibles existantes ou nouvelles et ensuite de faire un choix parmi elles. Cette étape repose aussi sur des notions plus abstraites et plus difficiles à formaliser telles que la créativité ou l’expérience. Le plus souvent, on fait appel à son expérience et à son savoir-faire ou on agit par similitude avec d’autres applications (plus ou moins proches) déjà traitées. En pratique, une revue de toutes les solutions possibles doit être réalisée et un premier choix doit être fait, a priori, en fonction de la satisfaction plus ou moins complète du cahier des charges. Le choix définitif ne peut être fait qu’après la fin de la deuxième étape.

Pour reprendre l’exemple de l’entraînement à vitesse variable, il faut choisir un actionneur électromécanique, un convertisseur électronique et une stratégie de commande de l’ensemble pour satisfaire la fonction désirée.

Connaissance Créativité Expérience Modèles mathématiques Méthodologie de dimensionnement

Solution au cahier des charges Elaboration de différentes structures possibles

C A H I E R D E S C H A R G E S

Analyse qualitative des différentes structures et premier tri

Analyse quantitative des solutions retenues et choix final

Choix de structure

Dimensionnement de la structure

figure 19 : organigramme général de conception.

2.2.2. Dimensionnement de la structure choisie.

Une fois le choix de la structure fait, il faut déterminer les grandeurs géométriques, physiques et de commande du système en respectant les contraintes décrites dans le cahier des charges. Ces contraintes sont issues des impératifs liés au coût et aux performances imposées au système.

Dans cette étape, le concepteur manipule des équations mathématiques liant des paramètres. Il existe deux types de paramètres : les paramètres Pe descriptifs d’un système (grandeurs géométriques par

exemple) et les paramètres Ps caractérisant le fonctionnement du système (par exemple le rendement d’un moteur). Il faut donc pouvoir évaluer quantitativement l’expression de toutes les variables qui caractérisent le fonctionnement et les qualités du système, et en particulier celles qui apparaissent dans le cahier des charges, en fonction des grandeurs descriptives du système. Ceci est l’opération de

modélisation : étant donné un système décrit par ses grandeurs géométriques, physiques et de

commande (paramètres Pe), on est capable de donner son fonctionnement par un modèle mathématique. Le dimensionnement correspond en fait à l’opération inverse : le cahier des charges définit un fonctionnement à réaliser et le concepteur doit déterminer les grandeurs descriptives du système. On parle ainsi de problème direct pour la modélisation et de problème inverse pour le dimensionnement [20].

Nous pouvons développer un peu plus cette idée. Le modèle de la structure à dimensionner (modèle structural) correspond en fait à un système (S) de Ne équations mathématiques liant les Np paramètres descriptifs et fonctionnels du système. Le cahier des charges impose Nc contraintes qui peuvent être traduites mathématiquement par Nce contraintes d’égalité et Nci contraintes d’inégalité (Nce+Nci=Nc). Ainsi on doit résoudre un système (S’) de Nce+Ne équations et de Nci inéquations à Np inconnues. Deux cas sont à envisager.

Premièrement, le système mathématique (S’) n’a pas de solutions, cela correspond à un cahier des charges trop contraignant ou irréaliste. Deuxièmement, le système (S’) a une ou plusieurs solutions (voire une infinité), ce qui correspond à un cahier des charges réalisable. Alors il faut au moins trouver une solution, au mieux trouver la meilleure solution au regard d’un ou plusieurs critères que l’on se fixe arbitrairement ou qui découle naturellement du cahier des charges. Par exemple, on cherchera plutôt à minimiser le coût d’un moto-ventilateur de voiture alors que l’on cherchera à minimiser la consommation d’énergie d’un moteur installé sur un satellite.

On retiendra donc que, s’il est nécessaire de disposer d’un modèle de la structure, l’opération de dimensionnement nécessite de mettre au point une méthodologie et une stratégie pour réaliser l’inversion du modèle et disposer ainsi d’une méthode de dimensionnement. En cela, on notera que la plupart des outils de Conception Assisté par Ordinateur en génie électrique (par exemple Flux2d, Flux3d, Saber, Spice) sont plutôt des outils de « Modélisation Assisté par Ordinateur ». Cela a déjà été plusieurs fois souligné et il existe maintenant des outils offrant de réelles possibilités d’aide à la conception, surtout dans la phase de dimensionnement [20], [21].

A la fin de cette deuxième étape, un choix définitif pourra être réalisé à partir des résultats de dimensionnement des différentes structures.

2.3. Efficacité de la conception.

L’organigramme de la figure 19 montre clairement l’importance du travail à réaliser pour concevoir un objet. Il faut manipuler des connaissances, des équations mathématiques, faire des choix, élaborer des stratégies,… On comprend donc aisément qu’il faille chercher des outils aidant le concepteur (qui est souvent un ingénieur de bureau d’études) dans les deux étapes en automatisant la plus grande partie possible du travail. En même temps que cet objectif de gain de temps, on recherche constamment une amélioration des solutions proposées (augmentation du rendement, diminution des masses, diminution du coût, etc.). Ainsi on cherche très exactement à augmenter l’efficacité [22] de la conception.

Il est indéniable que les ordinateurs, à travers les outils mathématiques et de traitement de la connaissance contribuent à augmenter l’efficacité de la conception sur les deux plans : ils peuvent aboutir à de meilleures solutions en mettant en œuvre divers algorithmes de recherche des solutions

que l’on ne peut pas gérer « manuellement » et ils permettent d’effectuer des manipulations de données (mathématiques entre autres) avec une rapidité indiscutable.

Nous allons maintenant voir quels sont les outils qui peuvent améliorer l’efficacité de la conception dans ces deux étapes : le choix de la structure et le dimensionnement de la structure.