Introduction : La structure des systemes
L'approche structurelle decrit de quoi est compose un systeme : ses constituants physiques (composants, sous-systemes) et les liens qui les unissent. Elle repond a la question : De quoi est fait le systeme ?
C'est le complement naturel des approches fonctionnelle (Que fait-il ?) et comportementale (Comment evolue-t-il ?). Un vehicule electrique est structurellement compose d'une batterie, d'un BMS, d'un onduleur, d'un moteur, de roues, etc.
Les trois niveaux de description
Niveau de description structurelle +------------------------------------------------------------------+ | | | NIVEAU 1 : SYSTEME GLOBAL | | +----------------------------------------------------------+ | | | Systeme complet (ex: Vehicule electrique) | | | +----------------------------------------------------------+ | | | | | v | | NIVEAU 2 : SOUS-SYSTEMES | | +-------------+ +-------------+ +-------------+ | | | Propulsion | | Commande | | Energie | | | +-------------+ +-------------+ +-------------+ | | | | | | | v v v | | NIVEAU 3 : COMPOSANTS | | +------+ +------+ +------+ +------+ +------+ +------+ | | |Moteur| |Reduc.| |Micro | |Capt. | |Batt. | |BMS | | | +------+ +------+ +------+ +------+ +------+ +------+ | | | +------------------------------------------------------------------+
1. Diagramme de Definition de Blocs (bdd)
Le bdd (Block Definition Diagram) est le diagramme principal pour representer l'architecture d'un systeme. Il montre les blocs (composants) et leurs relations de composition ou d'association.
1.1 Anatomie d'un bloc SysML
Structure complete d'un bloc SysML
+---------------------------------------------+
| <<block>> | <-- Stereotype
| NomDuBloc | <-- Nom du bloc
+---------------------------------------------+
| values | <-- Proprietes
| puissance : Watt = 500 |
| tension : Volt = 12 |
| rendement : % = 85 |
+---------------------------------------------+
| parts | <-- Sous-blocs par composition
| capteur : CapteurVitesse [1] |
| moteur : MoteurDC [2] |
+---------------------------------------------+
| references | <-- Liens par association
| controleur : Microcontroleur |
+---------------------------------------------+
| operations | <-- Comportements
| demarrer() |
| arreter() |
| reguler(consigne: Vitesse) |
+---------------------------------------------+
| constraints | <-- Contraintes
| { puissance <= 250 W } |
| { tension IN [24, 48] V } |
+---------------------------------------------+1.2 Relations entre blocs
Composition (losange plein)
Le bloc parent possede le bloc enfant. Si le parent est detruit, l'enfant aussi.
Voiture [+]-------- Moteur
(Le moteur n'existe pas sans la voiture)
(Le moteur n'existe pas sans la voiture)
Agregation (losange vide)
Le bloc parent utilise le bloc enfant, qui peut exister independamment.
Voiture [o]-------- Passager
(Le passager existe hors de la voiture)
(Le passager existe hors de la voiture)
Generalisation (triangle)
Relation d'heritage : le bloc enfant herite des proprietes du parent.
Vehicule [^]
|-- Voiture
|-- Moto
|-- Voiture
|-- Moto
Association (ligne simple)
Relation simple entre deux blocs independants.
Pilote ----------- Avion
(Le pilote peut piloter plusieurs avions)
(Le pilote peut piloter plusieurs avions)
1.3 Multiplicites
| Notation | Signification | Exemple |
|---|---|---|
| 1 | Exactement un | Un velo a 1 cadre |
| 0..1 | Zero ou un (optionnel) | Remorque optionnelle |
| * | Zero ou plus | Passagers d'un bus |
| 1..* | Un ou plus | Au moins une roue |
| 2..4 | Entre 2 et 4 | Roues d'un vehicule |
1.4 Exemple complet : Velo electrique
bdd [Velo electrique]
+-------------------+
| <<block>> |
| VeloElectrique |
| ----------------- |
| values |
| masse: 22 kg |
| vitMax: 25 km/h |
+--------+----------+
|
+----------------------+----------------------+
| | |
[+] [+] [+]
| | |
+---------+----------+ +---------+--------+ +-----------+-------+
| <<block>> | | <<block>> | | <<block>> |
| ChainePropulsion | | ChaineInfo | | Structure |
| ------------------ | | ---------------- | | ----------------- |
| values | | parts | | parts |
| puissance: 250W | | capteur[3] | | cadre: Alu6061 |
| couple: 40 Nm | | afficheur[1] | | fourche[1] |
| parts | | controleur[1] | | roues[2] |
| batterie[1] | +------------------+ | freins[2] |
| moteur[1] | +-------------------+
| transmission[1] |
+--------------------+
Legende:
[+] = Composition (le sous-bloc appartient au bloc parent)
[o] = Agregation (le sous-bloc peut exister independamment)
[^] = Generalisation (heritage)2. Diagramme de Bloc Interne (ibd)
L'ibd (Internal Block Diagram) montre l'organisation interne d'un bloc : les parties qui le composent et les flux (energie, matiere, information) qui circulent entre elles via des ports et des connecteurs.
2.1 Types de ports
| Type de port | Symbole | Usage | Exemple |
|---|---|---|---|
| Port de flux entrant | [>] | Reception d'energie/matiere/info | Entree courant moteur |
| Port de flux sortant | [<] | Emission d'energie/matiere/info | Sortie couple moteur |
| Port standard fourni | [O] | Service offert | Interface API capteur |
| Port standard requis | [C] | Service demande | Connexion au controleur |
2.2 Types de flux
Flux d'energie
Electrique, mecanique, thermique, hydraulique, pneumatique
====[E]====>
36V DC, 10A
36V DC, 10A
Flux d'information
Signaux, donnees, commandes, retours d'etat
----[I]---->
PWM 20kHz
PWM 20kHz
Flux de matiere
Fluides, solides, produits en transformation
~~~~[M]~~~~>
Air 2 bar
Air 2 bar
2.3 Exemple complet : Propulsion velo electrique
ibd [ChainePropulsion] +----------------------------------------------------------------------+ | | | Entree +------------+ Energie +------------+ | | secteur | | electrique | | Couple| | 230V AC [>]==| Batterie |====[E 36V DC]===>| Moteur |===[>] | | | Li-ion | | Brushless | 40 Nm | | | 10 Ah | | 250W | | | +-----+------+ +------+-----+ | | | | | | | Tension, SoC | Position | | | | rotor | | v v | | +-----+------+ +------+-----+ | | | BMS |<----[I]----------| Capteurs | | | | Protection | Etat batterie | Hall | | | | equilibrage| | 3 phases | | | +-----+------+ +------+-----+ | | | ^ | | | Autorisation | PWM | | v | | | +-----+------+ +------+-----+ | | Consigne [>]--| |----[I]---------->| | | | utilisateur | Controleur | Commande | Onduleur | | | (pedalier) | MCU | MLI 20kHz | triphasé | | | +------------+ +------------+ | | | +----------------------------------------------------------------------+ Legende flux: ====[E]===> Flux energie (electrique) ----[I]---> Flux information (signal) ~~~~[M]~~~> Flux matiere (non present ici)
2.4 Bilan de puissance
Pour chaque element de la chaine, on peut etablir un bilan de puissance :
Bilan de puissance du systeme de propulsion
Puissance electrique absorbee par le moteur :
P_elec = U x I = 36V x 7A = 252 W
Puissance mecanique fournie :
P_meca = C x omega = 40 Nm x (25 km/h / 0.35m) x (2 x pi / 60)
P_meca = 40 x 19.8 / 9.55 = 83 W (a 25 km/h)
Rendement du moteur :
eta_moteur = P_meca / P_elec = 83 / 252 = 0.33 = 33%
Note: Le rendement reel d'un moteur BLDC est de 85-90%
a son point de fonctionnement optimal.
A faible charge, le rendement chute.
Rendement global de la chaine :
eta_global = eta_batterie x eta_onduleur x eta_moteur x eta_transmission
eta_global = 0.95 x 0.98 x 0.88 x 0.97 = 0.79 = 79%3. Chaine d'Energie et d'Information
Tout systeme technique peut etre analyse selon deux chaines fonctionnelles complementaires : la chaine d'energie et la chaine d'information.
3.1 Chaine d'Energie
La chaine d'energie transforme l'energie d'entree en action sur la matiere d'oeuvre.
Chaine d'energie - 4 fonctions generiques +----------+ +-----------+ +-----------+ +------------+ | | | | | | | | | ALIMENTER|--->| DISTRIBUER|--->| CONVERTIR |--->| TRANSMETTRE|---> Action | | | | | | | | sur MOE +----------+ +-----------+ +-----------+ +------------+ Fonction | Role | Composants typiques -------------|---------------------------|--------------------------- ALIMENTER | Stocker, fournir energie | Batterie, reseau, reservoir DISTRIBUER | Gerer flux, commuter | Relais, variateur, vanne CONVERTIR | Transformer forme energie | Moteur, verin, resistor TRANSMETTRE | Adapter, transporter | Reducteur, courroie, bras Exemple velo electrique : Batterie --> Onduleur --> Moteur BLDC --> Courroie --> Roue arriere 36V Li MLI 20kHz elec->meca i=1:4 mouvement
3.2 Chaine d'Information
La chaine d'information acquiert, traite et communique les donnees pour piloter la chaine d'energie.
Chaine d'information - 3 fonctions generiques
+-----------+ +-----------+ +-------------+
| | | | | |
| ACQUERIR |--->| TRAITER |--->| COMMUNIQUER |---> Ordres
| | | | | | vers chaine
+-----------+ +-----------+ +-------------+ energie
^
|
Grandeur physique
(vitesse, temperature, position...)
Fonction | Role | Composants typiques
-------------|---------------------------|---------------------------
ACQUERIR | Capter grandeur physique | Capteurs, CAN, codeurs
TRAITER | Calculer, decider | Microcontroleur, API, PC
COMMUNIQUER | Afficher, transmettre | Ecran LCD, LED, WiFi, CAN
Exemple velo electrique :
Capteur Hall --> STM32 --> Ecran LCD
vitesse PID km/h, %bat
|
v
PWM --> Onduleur (ordres vers chaine energie)3.3 Interaction des deux chaines
Architecture complete d'un systeme automatise
CHAINE D'INFORMATION
+--------------------------------------------------+
| |
| +-----------+ +-----------+ +-------------+ |
Consigne | | | | | | | | IHM
-------->| | ACQUERIR |-->| TRAITER |-->| COMMUNIQUER |-|-----> Affichage
| | | | | | | |
| +-----+-----+ +-----+-----+ +------+------+ |
| ^ | | |
+--------|---------------|----------------|--------+
| Mesures | Ordres | Affichage
| v v
+--------|---------------|----------------|--------+
| | | | |
| +-----+-----+ +-----+-----+ +------+------+ |
| | | | | | | |
Energie | | ALIMENTER |-->| DISTRIBUER|-->| CONVERTIR |-|---> Action
-------->| | | | | | TRANSMETTRE | | sur MOE
| +-----------+ +-----------+ +-------------+ |
| |
| CHAINE D'ENERGIE |
+--------------------------------------------------+
Flux:
----> Information (ordres, mesures)
===> Energie (electrique, mecanique)
~~~> Matiere (si applicable)3.4 Formules de conversion d'energie
Formules de puissance selon le domaine ELECTRIQUE: P = U x I (Watts, Volts, Amperes) P = R x I^2 (effet Joule) P = U^2 / R MECANIQUE ROTATION: P = C x omega (Watts, N.m, rad/s) omega = 2 x pi x N / 60 (N en tr/min) C = F x r (couple, force, rayon) MECANIQUE TRANSLATION: P = F x v (Watts, Newtons, m/s) HYDRAULIQUE: P = p x Q (Watts, Pascals, m3/s) P = Delta_p x Q (pression differentielle) THERMIQUE: P = m x Cp x (dT/dt) (puissance de chauffe) Phi = lambda x S x (T2-T1)/e (flux conductif) RENDEMENT: eta = P_sortie / P_entree eta_global = eta_1 x eta_2 x ... x eta_n
4. Exemples Industriels
4.1 Bras robotise industriel (KUKA)
bdd [Robot KUKA KR6]
+--------------------+
| <<block>> |
| RobotKR6 |
| ------------------ |
| values |
| charge: 6 kg |
| portee: 900 mm |
| repeatabilite: |
| +/- 0.03 mm |
+----------+---------+
|
+--------------+-----------+----------+--------------+
| | | |
[+] [+] [+] [+]
| | | |
+-----+-----+ +-----+-----+ +------+-----+ +-----+-----+
| Bras | | Poignet | | Controleur | | Armoire |
| 6 axes | | 3 axes | | KRC4 | | electrique|
+-----------+ +-----------+ +------------+ +-----------+
| parts | | parts | | parts | | parts |
| axe1:J1 | | axe4:J4 | | CPU | | variateurs|
| axe2:J2 | | axe5:J5 | | memoire | | [6] |
| axe3:J3 | | axe6:J6 | | IHM | | alim 400V |
| reducteurs| | reducteur | | E/S | | securite |
| [3] | | | +------------+ +-----------+
+-----------+ +-----------+
Chaines fonctionnelles:
- Energie: Armoire --> Variateurs --> Moteurs --> Reducteurs --> Axes
- Info: Codeurs --> Controleur --> Commande moteurs + IHM4.2 Borne de recharge VE (50 kW)
ibd [Borne de recharge rapide 50kW] +------------------------------------------------------------------+ | | | Reseau +------------+ DC +------------+ Cable | | 400V AC [>]==| Redresseur |====[E]=======| Filtre |=====[>] | | triphasé | + PFC | 700V max | + connect. | CCS2 | | | eta=0.98 | | | | | +------+-----+ +------+-----+ | | | | | | v v | | +------+-----+ +------+-----+ | | | Controle |<----[I]------>| Interface | | | | puissance | CAN bus | vehicule | | | | IGBT | | protocole | | | +------+-----+ +------+-----+ | | ^ ^ | | | | | | +------+-----+ +------+-----+ | | | Controleur | | Ecran | | | Badge [>]--| SBC |----[I]------->| tactile | | | RFID | Linux | HDMI | + lecteur | | | +------+-----+ +------+-----+ | | | | | | Ethernet | | v | | +------+-----+ | | | Modem 4G |---> Cloud supervision | | | + GPS | | | +------------+ | | | +------------------------------------------------------------------+ Performances: Puissance max: 50 kW (100 kW bi-cable) Tension sortie: 200-700 V DC Courant max: 125 A Rendement global: 94% Temps de charge 20-80%: 25 min (batterie 60 kWh)
4.3 Pompe a chaleur air/eau
Structure PAC air/eau - Analyse energetique
Chaine d'energie:
+--------+ +------------+ +------------+ +-----------+ +--------+
| Reseau | | Compresseur| | Condenseur | | Detendeur | | Evapor.|
| 230V |==>| scroll |==>| echangeur |==>| capillaire|==>| ailette|
| 1 kW | | R32 | | eau 35-55C | | | | air ext|
+--------+ +------------+ +------------+ +-----------+ +--------+
| | |
| v v
| +------------+ +------------+
| | Plancher | | Ventilateur|
| | chauffant | | EC 200W |
| | 35C, 2L/s | | 1500 m3/h |
| +------------+ +------------+
v
Pcompresseur = 1 kW
Bilan energetique:
Puissance absorbee: P_elec = 1 kW
Puissance thermique: P_th = 4 kW (air 7C -> eau 35C)
COP (Coefficient de Performance):
COP = P_th / P_elec = 4 kW / 1 kW = 4
Interpretation: Pour 1 kWh electrique consomme,
la PAC fournit 4 kWh de chaleur.
3 kWh sont preleves gratuitement dans l'air.
COP selon temperature exterieure:
+10C: COP = 5.0
+7C: COP = 4.2 (point nominal)
0C: COP = 3.2
-7C: COP = 2.5 (appoint electrique possible)Resume
- 1L'approche structurelle decrit la constitution physique du systeme via bdd et ibd.
- 2Le bdd montre les blocs et leurs relations (composition, agregation, heritage, association).
- 3L'ibd detaille les flux internes (energie, information, matiere) via ports et connecteurs.
- 4La chaine d'energie : ALIMENTER - DISTRIBUER - CONVERTIR - TRANSMETTRE.
- 5La chaine d'information : ACQUERIR - TRAITER - COMMUNIQUER.
- 6Le rendement global est le produit des rendements de chaque element de la chaine.
Mini-Quiz
1. Quelle relation SysML signifie que le bloc enfant ne peut exister sans le parent ?
La composition (losange plein). Ex: un moteur fait partie integrante de la voiture.
2. Dans quel diagramme voit-on les flux entre parties d'un bloc ?
Le diagramme de bloc interne (ibd) avec ses ports et connecteurs.
3. Quelle fonction de la chaine d'energie transforme l'energie electrique en mouvement ?
La fonction CONVERTIR (moteur electrique, verin, etc.)
4. Calculez le rendement global si eta1=0.95, eta2=0.90, eta3=0.85.
eta_global = 0.95 x 0.90 x 0.85 = 0.73 soit 73%
5. Un moteur de 36V absorbe 8A et fournit un couple de 5 Nm a 200 rad/s. Quel est son rendement ?
P_elec = 36x8 = 288W, P_meca = 5x200 = 1000W... Erreur ! P_meca > P_elec impossible. Verification: omega=200 rad/s soit 1910 tr/min est eleve. Avec C=5 Nm: P_meca=1000W. Il faut P_elec >= 1000W donc I >= 28A. Donnees incoherentes !
6. Quelle est la difference entre un port de flux et un port standard ?
Le port de flux vehicule energie/matiere/info (directionnel). Le port standard definit une interface de services fournis/requis (comme une API).
