Généralités sur les systèmes mécatroniques

de nombreux capteurs et actionneurs, utilisation d’intelligence embarquée …), de nouveaux systèmes, dits systèmes mécatroniques, sont apparus. Ces systèmes, par essence pluridisciplinaires, font apparaître de nouveaux besoins en termes de modélisation que nous allons détailler dans la section qui suit.

Les liaisons intelligentes sont des sous-systèmes mécatroniques complexes qui sont eux-mêmes souvent intégrés à des systèmes mécatroniques complexes. Les projets de développement de la liaison BTP-fuselage visent à incorporer un système de contrôle- commande et un système électronique de récupération d’énergie des vibrations afin de la rendre à la fois intelligente et autonome. Cette liaison BTP-fuselage constitue donc un bon exemple de liaisons intelligentes.

Les questions préliminaires auxquelles nous devons répondre sont donc les suivantes. Qu’est-ce qu’un système mécatronique complexe ? Quelle est la démarche classique de conception de tels systèmes ? Quelles sont les différentes approches de modélisation possibles ?

L’objectif de ce chapitre est, tout d’abord, de définir la notion de systèmes mécatroniques et de systèmes complexes puis de présenter le cycle de conception de tels systèmes. Ensuite, les modèles de simulation, sur lesquels ces travaux sont centrés, seront définis et les principaux types de modèles de simulation seront présentés. Enfin, ce chapitre permettra également de préciser les spécificités des outils permettant une modélisation pertinente des systèmes mécatroniques complexes. Ces précisions faciliteront alors la compréhension du chapitre suivant dont un des objectifs est de montrer que les outils structurels comme le multi-bond graph peuvent être adaptés à l’étude de tels systèmes.

2.1.GENERALITES SUR LES SYSTEMES MECATRONIQUES

2.1.1. Définition

Commençons par définir les systèmes mécatroniques.

Le terme « mécatronique » (ou mechatronic en anglais issu de l’assemblage des mots mechanics et eletronics) est apparu en 1969 au Japon dans la société Yaskawa Electric pour caractériser un système intégrant étroitement des mécanismes et une électronique programmable. Au fil des années, la mécatronique a été étendue et ne se limite plus à l’association seule de la mécanique et de l’électronique. Un historique des progrès effectués en mécatronique ces quarante dernières années est réalisé dans [ISE08].

Les besoins des outils de modélisation des systèmes mécatroniques complexes Les systèmes mécatroniques, aujourd’hui, se définissent comme des systèmes dont la conception fait appel principalement à quatre champs disciplinaires (Figure 2.1) comme il est mentionné dans [CHO06] :

− la mécanique, sous la forme de mécanismes et de matériaux (statique, dynamique, RDM, etc.), mais également d'hydraulique, de pneumatique,... − l'électronique de commande et de puissance (microcontrôleur, ponts de

puissance, convertisseurs A/N et N/A, etc.),

− l'informatique (temps réel, réseaux, traitement du signal, etc.),

− _{l'automatique (contrôles linéaires et non-linéaires, stratégies de contrôle-} commande, etc.).

Figure 2.1 – Disciplines concernées par la mécatronique [CHO06].

De nombreuses définitions précisent le périmètre de la mécatronique. Elles sont rappelées dans l’état de l’art réalisé dans [JAR10]. Une norme relativement récente (en 2008) a été créée en France par un groupe de travail de l’UNM1 _{composé d’industriels}

et précise la terminologie utilisée dans un projet de mécatronique [AFN08]. Aussi, une recherche plus détaillée liée à la terminologie des systèmes mécatroniques n’apporterait guère d’éléments de compréhension supplémentaire. Dans le cadre de nos travaux, la mécatronique sera alors définie conformément à la définition donnée dans cette norme [AFN08] comme : « une démarche visant l’intégration en synergie de la mécanique, l’électronique, l’automatique et l’informatique dans la conception et la fabrication d’un produit en vue d’augmenter ou d’optimiser sa fonctionnalité ».

1 _{UNM : Union de Normalisation de la Mécanique}

2.1 Généralités sur les systèmes mécatroniques Les exemples de systèmes mécatroniques sont très nombreux. Quelques principaux domaines d’application peuvent être cités et sont plus largement répertoriés dans [DEV10] [BAR10]:

- les transports (automobile : voiture, climatisation, ABS, direction assistée, suspension active, etc. ; et ferroviaire : train pendulaire) ;

- l’aéronautique : avion, système de navigation, système d’armes, etc. ;

- les applications grand public : téléviseur, téléphone portable, lecteur DVD, etc. ; - les appareils de domotique : stores automatisés, ouvre-portail, alarme, etc. ; - service : distributeur de billets, horodateur, station de lavage, ascenseur, etc. ; - médical : respirateurs, pompes, cœur artificiel, etc.

Dans le cadre de ces travaux, les applications dans le secteur des transports ont été particulièrement suivies car elles peuvent constituer une source d’apports scientifiques et technologiques dans l’étude des liaisons intelligentes que l’on souhaite concevoir pour des applications aéronautiques. En effet, des similitudes en terme d’échelle et d’énergies échangées rendent possibles, les transferts de technologies du domaine des transports (automobile, trains,…) vers l’aéronautique et plus particulièrement vers le domaine de l’hélicoptère.

2.1.2. Architecture générale

Afin d’étudier en détail la structure d’un système mécatronique particulier, il est important de rappeler les différents éléments canoniques constitutifs d’un système mécatronique en général.

Dans un système mécatronique, l’agencement de ces éléments suit une architecture que l’on retrouve dans la plupart des systèmes automatisés constitués de trois grandes parties comme il est précisé dans [JAR10] : une chaîne d’action (aussi appelée partie opérative (PO)), une chaîne d’information (aussi appelée la partie commande (PC) et une chaîne d’acquisition.

S’il n’y a pas de chaîne d’acquisition, le système est dit en chaîne ouverte. Il n’y a aucun moyen de contrôler ce qui est fait. Lorsque cette architecture comprend une chaîne d’acquisition, le système est dit en boucle fermée. Il y a un retour d’information qui donne au système une possibilité de correction.

Les besoins des outils de modélisation des systèmes mécatroniques complexes

Figure 2.2 – Architecture générale d'un système mécatronique.

Les principaux éléments que l’on retrouve dans cette architecture (Figure 2.2) sont les suivants.

La partie commande constituée d’une interface homme-machine et d’un système de commande permet de comparer les signaux des capteurs avec les consignes pour commander la chaîne d’action.

Cette chaîne d’action constituée d’un pré-actionneur, un actionneur, un effecteur et du système physique est un système piloté ou commandé.

Le pré-actionneur transmet aux actionneurs l’énergie (fortes puissances) dont les formes temporelles sont consignées selon les ordres de la partie commande (faible puissance). Il est généralement constitué de distributeurs et de contacteurs.

L’actionneur convertit l’énergie disponible (par exemple mécanique) en une énergie utilisable par l’effecteur (par exemple électrique). Il est généralement constitué de vérins, moteurs électriques, etc.

L’effecteur agit directement sur le système physique. Il peut s’agir, par exemple d’outils de manipulation comme une pince ou d’outils de coupe comme un foret.

Dans la liaison BTP-fuselage équipée du système SARIB réglable qui sera détaillée dans le Chapitre 4, on peut retrouver ces différents éléments. Suivant les efforts captés dans les paliers au niveau des liaisons pivots, les masses battantes sont déplacées par des actionneurs électromagnétiques afin d’éventuellement les réduire.

2.2.DEFINITION DE SYSTEMES MECATRONIQUES COMPLEXES

De nombreuses définitions des systèmes complexes existent. En s’inspirant des travaux de [MOI99], [CHO06], [NOY07] nous avons retenu les caractéristiques

2.2 Définition de systèmes mécatroniques complexes