Schématisation des systèmes | Sciences de l'ingénieur - Introduction à la modélisation

Introduction à la schématisation des systèmes

SCHÉMATISATION DES SYSTÈMES
Sciences de l'ingénieur - 1ère

Découvrez comment représenter graphiquement les systèmes techniques

Entrées
Système
Sorties

Définition de la schématisation

Qu'est-ce que la schématisation ?

DÉFINITION FONDAMENTALE
Définition

La schématisation d'un système est la représentation graphique simplifiée qui met en évidence les relations entre les différentes grandeurs du système : les entrées, les sorties, les variables d'état et les paramètres. Elle permet de visualiser les flux d'énergie, d'information ou de matière entre les composants du système.

Objectif : représenter un système de manière claire et synthétique
Types de schémas
  • 1 Schéma fonctionnel : relations entre fonctions
  • 2 Schéma structurel : organisation des composants
  • 3 Schéma énergétique : flux d'énergie
  • 4 Schéma d'information : flux d'information

Entrées, sorties et variables d'état

Classification des grandeurs

ENTRÉES DU SYSTÈME
Grandeur qui influence le système

Les entrées sont les grandeurs extérieures qui influencent le comportement du système. Elles peuvent être des forces, des couples, des tensions, des courants, des températures, ou des signaux de commande. Elles sont souvent contrôlées ou mesurées.

\( \vec{E} = \{e_1, e_2, ..., e_n\} \)
SORTIES DU SYSTÈME
Grandeur résultante

Les sorties sont les grandeurs résultantes du système en réponse aux entrées. Elles représentent les réponses du système. Elles peuvent être des déplacements, des vitesses, des tensions, des températures, ou des signaux de sortie.

\( \vec{S} = \{s_1, s_2, ..., s_m\} \)
VARIABLES D'ÉTAT
Grandeur interne

Les variables d'état sont des grandeurs internes qui décrivent l'état du système à un instant donné. Elles sont nécessaires pour prédire l'évolution future du système. Elles peuvent inclure les positions, vitesses, charges, ou températures internes.

Schéma blocs

Représentation par blocs

PRINCIPE DES SCHEMAS BLOCS
Représentation graphique

Le schéma blocs est une représentation graphique qui utilise des rectangles (blocs) pour représenter les composants ou les sous-systèmes, et des flèches pour montrer les flux entre les blocs. Chaque bloc peut représenter une fonction, une transformation, ou un élément du système.

ÉLÉMENTS D'UN SCHEMA BLOC
Composants du schéma
  • Bloc fonctionnel : rectangle avec nom de la fonction
  • Flèches : représentent les flux (énergie, information, matière)
  • Jonction : point de convergence ou de divergence
  • Flux entrant : vers le bloc
  • Flux sortant : du bloc vers un autre élément

Schémas énergétiques

Représentation des flux énergétiques

FLUX D'ÉNERGIE
Types de flux énergétiques

Les schémas énergétiques montrent les flux d'énergie entre les composants d'un système. Ils utilisent des symboles spécifiques pour représenter les différentes formes d'énergie : électrique, mécanique, thermique, chimique, etc. Les flèches indiquent la direction et le type de flux énergétique.

SYMBOLES USUELS
Symboles pour les flux
  • Flèche pleine : flux énergétique principal
  • Flèche pointillée : pertes énergétiques
  • Symbole spécifique pour chaque type d'énergie (électrique, mécanique, thermique)
  • Barrière énergétique : conversion d'une forme à une autre

Diagrammes de flux

Représentation des échanges

TYPES DE FLUX
Classification des flux
  • Flux d'énergie : transfert d'énergie entre composants (puissance, chaleur, travail)
  • Flux d'information : transfert de données ou de signaux de contrôle
  • Flux de matière : transfert de substances (liquides, gaz, solides)
DIAGRAMMES DE FLUX
Représentation visuelle

Les diagrammes de flux montrent comment les différentes grandeurs circulent dans le système. Ils utilisent des flèches orientées pour indiquer la direction des flux et des symboles pour indiquer le type de grandeur transférée. Ces diagrammes sont essentiels pour comprendre le fonctionnement global du système.

Étude de cas - Système électrique

Schématisation d'un circuit

CIRCUIT ÉLECTRIQUE SIMPLE
Exemple : circuit RC
Tension d'entrée
→
Résistance
→
Condensateur
→
Tension de sortie

Un circuit RC est composé d'une résistance R et d'un condensateur C. L'entrée est une tension E, la sortie est la tension aux bornes du condensateur Uc. Le schéma montre le flux énergétique de la source vers le condensateur.

ANALYSE DES GRANDEURS
Classification des variables
  • Entrée : tension E(t), courant I(t)
  • Sortie : tension Uc(t), courant dans le circuit
  • Variables d'état : charge q(t) du condensateur
  • Paramètres : résistance R, capacité C

Étude de cas - Système mécanique

Schématisation d'un système mécanique

SYSTÈME MÉCANIQUE SIMPLE
Exemple : masse-ressort-amortisseur
Force F(t)
→
Masse
→
Ressort
→
Position x(t)

Un système masse-ressort-amortisseur est composé d'une masse m, d'un ressort de raideur k, et d'un amortisseur de coefficient c. La force F(t) est l'entrée, la position x(t) est la sortie. Le schéma montre le flux d'énergie mécanique.

ÉQUATION DIFFÉRENTIELLE
Représentation mathématique

Le système est régi par l'équation différentielle : mx'' + cx' + kx = F(t). Les variables d'état sont la position x(t) et la vitesse x'(t). La schématisation permet de comprendre la relation entre les forces appliquées et les déplacements.

Exercice d'application

Schématisation d'un moteur électrique

ÉNONCÉ
Exercice

Un moteur électrique à courant continu est alimenté par une tension U(t) et fournit un couple C(t) à une charge mécanique. Le moteur a une résistance R, une inductance L, une constante de couple Kt, et une constante de tension Ke. La charge mécanique a un moment d'inertie J et un coefficient de frottement f.

1. Identifier les grandeurs d'entrée du système.

2. Identifier les grandeurs de sortie du système.

3. Identifier les variables d'état du système.

4. Proposer un schéma blocs du système.

Solution de l'exercice

Correction détaillée

SOLUTION QUESTION 1
Grandeurs d'entrée

Les grandeurs d'entrée du système sont :

  • Tension d'alimentation U(t)
  • Couple de charge (si variable)
  • Température ambiante (facteur de perturbation)

La tension U(t) est la principale grandeur de commande du système.

SOLUTION QUESTION 2
Grandeurs de sortie

Les grandeurs de sortie du système sont :

  • Vitesse de rotation ω(t)
  • Courant dans le moteur I(t)
  • Position angulaire θ(t)
  • Couple mécanique fourni C(t)

La vitesse de rotation est la grandeur principale de sortie.

SOLUTIONS QUESTIONS 3 ET 4
Variables d'état et schéma blocs

Les variables d'état sont : le courant dans le moteur I(t), la vitesse de rotation ω(t), et la position angulaire θ(t).

Le schéma blocs comprend : une entrée U(t) → bloc électrique (R, L, Ke) → courant I(t) → bloc mécanique (Kt, J, f) → vitesse ω(t) → intégrateur → position θ(t).

Résumé

Points clés

DÉFINITIONS ESSENTIELLES
Entrées, sorties, états
  • Entrées : grandeurs extérieures influençant le système
  • Sorties : grandeurs résultantes du système
  • Variables d'état : grandeurs internes décrivant l'état du système
  • Paramètres : grandeurs fixes caractérisant le système
Types de schémas
  • Schéma fonctionnel : relations entre fonctions
  • Schéma structurel : organisation des composants
  • Schéma énergétique : flux d'énergie
  • Schéma d'information : flux de données
Représentations graphiques
  • Schémas blocs : rectangles et flèches
  • Diagrammes de flux : directions des grandeurs
  • Schémas énergétiques : conversions d'énergie
  • Schémas d'information : traitement des signaux
Maîtrisez la schématisation pour comprendre les systèmes techniques !

Conclusion

Félicitations !

FÉLICITATIONS !
MAÎTRISE DE LA SCHÉMATISATION DES SYSTÈMES
Vous comprenez maintenant comment représenter les systèmes techniques !

Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en ingénierie

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