Systèmes Mécatroniques : Contexte et Problématique

Systèmes Mécatroniques : Contexte et Problématique

L’association de différentes technologies, (mécanique, électronique, logiciel) sur un même système a donné naissance à la mécatronique. L’apparition des systèmes mécatroniques est une révolution pour le monde industriel, qui affecte de plus en plus le monde du transport et en particulier le secteur automobile. L’utilisation de ces systèmes se généralise rapidement et influence maintenant tous les secteurs de l’industrie. Ainsi, ce chapitre est dédié à l’état de l’art des systèmes mécatroniques et à la présentation des différents domaines d’application.

Les systèmes mécatroniques 

Contexte historique

Avant de donner les nombreuses définitions et de résumer certaines notions, il est bon de rappeler l’historique des évolutions industrielles ou autres qui ont amené à préciser ces notions. Avant les années 1950, les machines sont des ensembles électromécaniques. Dans les années 50, on assiste à l’apparition des semi-conducteurs, l’électronique est née. Dans les années 60-70, l’apparition de calculateurs fiables permet le contrôle des machines par logiciel. Une étude concernant les innovations technologique publiée en 2002, déclare que sur 100 projets innovants en mécanique, la majorité sont à l’interface de la mécanique et de l’électronique [2]. La mécatronique se définit alors comme la combinaison synergique et systémique de la mécanique, de l’électronique et de l’informatique. L’intérêt de ce domaine d’ingénierie multidisciplinaire est de concevoir des systèmes complexes et de permettre leur contrôle. Le terme mechatronics a été introduit pour la première fois par un ingénieur de la compagnie japonaise «YASKAWA» en 1969, pour désigner le contrôle des moteurs électriques par ordinateur [3]. Ce terme a par la suite évolué, pour apparaitre officiellement dans le Larousse en 2005. Plusieurs définitions sont données pour définir les systèmes mécatroniques. Isermann [4] résume les définitions données à la mécatronique dont « La mécatronique est l’intégration synergique de l’ingénierie mécanique avec l’électronique et le contrôle intelligent de calculateurs dans la conception et la fabrication de produits et processus industriels ». Il estime que toutes les définitions sont d’accord pour dire que la mécatronique est un domaine interdisciplinaire dans lequel les disciplines suivantes agissent ensemble :

● Systèmes mécaniques (éléments mécaniques, machines, mécanique de précision).
● Systèmes électroniques (micro-électronique, électronique de puissance, capteurs et actionneurs).
● Technologie de l’information (théorie des systèmes, automatisation, génie logiciel, intelligence artificielle).

La norme NF E 01-010 [5], définit la mécatronique 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 et/ou d’optimiser sa fonctionnalité ». La mécatronique n’est pas intrinsèquement une science ou une technologie, elle doit être considérée comme une attitude, une manière fondamentale de regarder et de faire des choses et exige, par sa nature une approche unifiée [6].

Le Système Mécatronique (SM) intègre de la mécanique, de l’électronique et du logiciel, mais également des systèmes hydrauliques, pneumatiques et des systèmes thermiques. Cet exemple montre qu’il est important que le système soit conçu comme un ensemble autant que possible. La synergie induite par les systèmes mécatroniques conduit à une combinaison intelligente de technologies [7], [8], [9]. Elle mène alors à des solutions et à des performances supérieures, qui ne pourraient pas être obtenues par des applications séparées [10].

L’avènement des systèmes mécatroniques dans l’industrie, en particulier dans l’industrie automobile, a entraîné de nouvelles contraintes [11], telles que :
– l’assimilation de plusieurs technologies;
– les interactions entre les différentes entités fonctionnelles;
– la prise en compte de la dynamique du système (le fonctionnement en temps réel, événementiel et l’intégration des nombreux états possibles);
– l’impossibilité de réaliser des tests exhaustifs.

Malgré ces contraintes, la mécatronique apporte des avantages indéniables comme la baisse des coûts, la satisfaction client par les solutions innovantes proposées, la réponse positive à des exigences sociétales de plus en plus importantes – pollution, consommation, sécurité des passagers et piétons [12]. En conclusion, Un système mécatronique est un système complexe pluridisciplinaire à dominante mécanique et électronique avec contraintes temps réel [2]. Il est complexe car il est composé d’un grand nombre d’entités en interaction locale et simultanée où il y a des boucles de rétroaction. L’état d’une entité a une influence sur son état futur via l’état d’autres entités. De plus, c’est un système ouvert et soumis à un extérieur, par le biais des flux d’énergie et d’information sur la frontière. Il est pluridisciplinaire car plusieurs domaines technologiques sont mis en œuvre pour les parties commande et opérative.

Il est à contraintes temps réel car il est le plus souvent immergé dans son environnement et doit permettre une automatisation d’un ensemble de tâches. Le respect des contraintes temporelles dans l’exécution des tâches est aussi important que le résultat de ces tâches pour permettre aux clients de ces derniers de les exploiter correctement [13], [14].

Ingénierie concourante

Dans un environnement industriel concurrentiel, la méthode traditionnelle qui consistait à enchaîner séquentiellement les métiers disciplinaires (mécanique, électronique, …), de la conception, de la fabrication, de l’assemblage, de la distribution n’est plus adaptée. En effet, ce processus séquentiel est trop coûteux du fait de la définition sectorielle et séquentielle des paramètres inhérents à chaque métier et entraîne, de plus, des délais importants dans la réalisation. La séquentialité des activités programmées et correctrices entraîne également une mauvaise localisation temporelle de certaines décisions. Face aux enjeux économiques actuels, il devient essentiel de développer des passerelles visant à rendre interopérables les outils et les métiers, propres à chaque discipline, de manière à réduire les temps de développement, donc les coûts, et de rendre l’entreprise plus réactive dans un contexte concurrentiel [19]. D’une manière générale, la nouvelle stratégie de décision nécessite une parallélisation d’un certain nombre d’activités de conception appelé ingénierie concourante. L’ingénierie concourante est une approche globale multi-métiers, qui consiste à engager en parallèle les activités et les tâches, les services et les métiers nécessaires au développement du système [18], [19]. Elle permet d’optimiser la démarche de conception de projets collaboratifs, et d’assurer la meilleure coordination entre les parties prenantes du projet, ce qui représente un gain de qualité et de temps. Ainsi, l’enchaînement optimal des tâches assure le suivi du cheminement le plus court et permet d’anticiper les problèmes du fait du partage général de l’information entre les membres de l’équipe [20]. L’ingénierie concourante fait intervenir des éléments similaires à ceux des systèmes mécatroniques, tels que:
● le caractère temporel du processus de développement – cycle de développement (décomposition en phases: spécification, conception, fabrication, vérification, validation);
● l’aspect métier – différents corps de métiers interviennent dans le développement : les mécaniciens, les électroniciens, les automaticiens,… ;
● l’aspect multidisciplinaire – mécanique, électronique, logiciel,… ;
● le caractère systémique – système .

Du fait de sa complexité, un système mécatronique ne peut pas être créé par une personne; par contre, il peut être conçu par un grand nombre de personnes avec différentes spécialisations à condition que ces personnes constituent une équipe [21], [22]. Nous observons donc une grande analogie entre l’ingénierie concourante et la conception des systèmes mécatroniques. L’ingénierie concourante permet de faire face plus facilement et plus rapidement aux modifications dans le processus de développement du système. Ce processus fait intervenir des étapes qui s’enchaînent logiquement selon un cycle et qui sont bien adaptées au développement des systèmes mécatroniques.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 Systèmes Mécatroniques : Contexte et Problématique
1.1 Introduction
1.2 Les systèmes mécatroniques
1.2.1 Contexte historique
1.2.2 Exemple des systèmes mécatroniques
1.2.3 Ingénierie concourante
1.2.4 Cycle de développement
1.2.4.1 Analyse/Spécification
1.2.4.2 Conception
1.2.4.3 Réalisation
1.2.4.4 Vérification
1.2.4.5 Validation
1.3 La mécatronique au centre des préoccupations
1.4 Les systèmes mécatroniques et systèmes hybrides
1.5 Conclusion
Chapitre 2 La Sûreté de Fonctionnement : historique et analyse
2.1 Introduction
2.2 Historique de la sûreté de fonctionnement
2.3 Concepts et définitions
2.3.1 Fiabilité
2.3.2 Disponibilité
2.3.3 Maintenabilité
2.3.4 Sécurité
2.4 Quelques indicateurs
2.5 Moyens pour la sûreté de fonctionnement
2.6 Enjeu de la sûreté de fonctionnement
2.7 Les études de sûreté de fonctionnement
2.7.1 Étape par étape
2.7.2 Études périphériques
2.7.3 En pratique
2.8 Les outils utilisés
2.9 Origines des problèmes de sûreté de fonctionnement
2.10 Les données de fiabilité
2.10.1 Les recueils
2.10.2 Le retour d’expérience
2.11 La normalisation
2.11.1 ARP-4754
2.11.2 ARP-4761
2.11.3 CEI-61508 et ses dérivées
2.12 Conclusion
Chapitre 3 Approche de modélisation
3.1 Introduction
3.2 Définition des systèmes dynamiques hybrides
3.3 Principales classes de phénomènes hybrides
3.3.1 Systèmes dynamiques hybrides à commutation autonome « Switching »
3.3.2 Systèmes dynamiques hybrides à commutation contrôlée
3.5 Modélisation des systèmes hybrides
3.5.1 L’approche continue
3.5.2 L’approche évènementielle
3.5.3 L’approche mixte
3.6 Les automates à états fini
3.7 Les automates hybrides
3.7.1 Définition informelle
3.7.2 Définition formelle
3.8 Simulation d’un système hybride
3.9 Les réseaux de Petri
3.9.1 Rappel sur les réseaux de Petri
3.9.2 Réseaux de Petri t-temporels
3.9.3 Réseaux de Petri de haut niveau
3.9.4 Les Réseaux de Petri Prédicats-Tansitions Différentiels
3.9.5 Les Réseaux de Petri Predicats-Transitions Différentiels et Stochastiques
3.10 Relation entre les réseaux de Petri et l’Arbre de défaillance
3.11 Conclusion
Chapitre 4 Définition de scénario minimal par la notion de coupe minimale
4.1 Introduction
4.2 Réseau de Petri et logique linéaire
4.2.1 Traductions dans le fragment MILL
4.2.1.1 Traduction des marquages
4.2.1.2 Traduction des transitions
4.2.2 Traduction de l’accessibilité
4.3 Preuve d’un séquent
4.3.1 Introduction des règles du fragment MILL
4.3.2 Calcul des séquents
4.3.3 Arbre de preuve canonique
4.3.3.1 Étape initiale
4.3.3.2 Étape itérative
4.3.3.3 Étape finale
4.4 Raisonnement avant
4.5 Raisonnement arrière
4.6 Notion de scénario
4.6.1 Evénements et ensembles d’événements
4.6.2 Définition d’un scénario
4.6.2.1 Cas des réseaux de Petri ordinaires
4.6.2.2 Cas des réseaux de Petri temporels
4.7 Conditions suffisantes
4.7.1 Ensemble suffisant
4.7.2 Ensemble suffisant et équation caractéristique
4.7.3 Scénario suffisant
4.7.3.1 Cas des réseaux de Petri ordinaires
4.7.3.2 Cas des réseaux de Petri temporels
4.7.4 Ensemble nécessaire
4.8 Minimalité des scénarios
4.8.1 Propositions et idées fondamentales
4.8.1.1 Rappel sur la méthode des Arbres de Défaillances
4.8.1.2 Analyse qualitative de la méthode des arbres de défaillances
4.8.2 Raisonnement dans un contexte inconnu
4.8.3 Notion de scénario minimal sur les arbres de preuve de la logique linéaire
4.8.4 Un algorithme pour déterminé les scénarios redoutés minimaux
4.9 Méthode de recherche des scénarios redoutés minimaux
4.10 Conclusion
Conclusion générale

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