Utilisation de la simulation en Sciences de l’Ingénieur Jean-Loup PRENSIER jean-loup.prensier@u-psud.fr

Objectifs de la présentation: - fournir des éléments permettant la construction de modèles multi-physique de systèmes - identifier dans le programme de sciences de l’ingénieur des compétences pour lesquelles l’utilisation d’outils de simulation est pertinente (aide à l’acquisition de compétences) - proposer sur l’exemple du sujet de juin 2013 (Métropole) des idées de séances basées sur l’utilisation d’un outil de simulation multi-physique - proposer des exemples d’activités de simulation sur des systèmes du laboratoire de SI

Contexte de la simulation dans le programme Introduction Contexte de la simulation dans le programme Démarche de l’ingénieur: représentation des différents écarts

Exemple d’outils de simulation utilisables Introduction Exemple d’outils de simulation utilisables Logiciels de simulation multi-physique: - Matlab (Simulink – Simscape) - Scilab (Xcos-Coselica) Référence aux documents d’accompagnement (livret Scilab et livret Matlab) qui précisent les espaces de téléchargement et les solveurs à installer Attention au package installé, attention à la présence de tous les éléments nécessaires à la simulation sous votre système d’exploitation (exemple d’installation fourni dans le document d’accompagnement).

Objectifs de la modélisation: Construire un modèle Objectifs de la modélisation: La démarche de conception d’un système technique passe par l’élaboration de modèles pour: Réaliser des calculs Réaliser des simulations Réaliser des expérimentations L’objectif est de: Prévoir le comportement du système réel Valider ses performances. Cette démarche itérative à pour objectif de réduire des écarts entre le système souhaité (défini dans le cahier des charges fonctionnel), le système modélisé (virtuel) et le système réel. Anecdote sur un étudiant en stage chez Valeo: cahier des charges fourni sous la forme d’un modèle Matlab. Le réel est validé par rapport à sa conformité au virtuel.

Construire un modèle Exemple type:

Modèle du moteur à courant continu utilisé: Construire un modèle Modèle du moteur à courant continu utilisé: u(t) = e(t) + R.i(t)+ e(t) = ke.ωm(t) = Cm(t) – f.ωm(t) Cm(t) = km.i(t)

Traduction du modèle à l’aide du logiciel: Construire un modèle Traduction du modèle à l’aide du logiciel: En fonction du besoin et de l’application, il est possible d’utiliser des blocs standards pour le moteur DC

Tracé des résultats souhaités: Construire un modèle Tracé des résultats souhaités: Courbe de réponse en vitesse obtenue avec le modèle complet Courbe de réponse en vitesse obtenue avec un bloc moteur courant continu standard Au fur et à mesure de la création des modèles, il est possible de valider la modélisation et de sauvegarder des blocs standards utiles pour nos applications.

Améliorations du modèle de base: Construire un modèle Améliorations du modèle de base: - Rajout d’un mécanisme de transformation de mouvement en sortie - Rajout d’un pré-actionneur, d’une commande - Mise en place d’un asservissement

Amélioration du modèle de base: Construire un modèle Amélioration du modèle de base: - Rajout d’un mécanisme de transformation de mouvement en sortie (ballon captif): Modèle de base

Amélioration du modèle de base: Construire un modèle Amélioration du modèle de base: - Rajout d’une commande (Vigipark) Modèle de base

Amélioration du modèle de base: Construire un modèle Amélioration du modèle de base: - Asservissement du système (maxpid): Modèle de base

Amélioration du modèle de base: Construire un modèle Amélioration du modèle de base: - Asservissement du système (cordeuse de raquettes): Modèle de base

Ecarts à étudier: Ecart 3: Activités de TD Ecart 2: Activités de TP Compétences visées Ecarts à étudier: Ecart 3: Activités de TD Ecart 2: Activités de TP

Compétences du programme: Compétences visées Compétences du programme: ANALYSER (A3): - comparer les résultats simulés avec les critères du cahier des charges et interpréter les écarts MODELISER (B3, résoudre et simuler): - simuler le fonctionnement de tout ou partie d’un système à l’aide d’un modèle fourni MODELISER (B4, valider un modèle): - modifier les paramètres du modèle pour répondre au cahier des charges ou aux résultats expérimentaux - valider un modèle optimisé fourni

Autres compétences? (exemples): Compétences visées Autres compétences? (exemples): ANALYSER (A2): - identifier et ordonner les fonctions techniques… - identifier les éléments transformés et les flux…… MODELISER (B1): - choisir les grandeurs et les paramètres influants en vue de les modéliser EXPERIMENTER(C1): - justifier le choix d’un protocole expérimental La démarche de simulation peut contribuer à l’acquisition de multiples compétences .

Exemple Sujet 2013 Rappel du sujet:

Récupération des données: Exemple Sujet 2013 Récupération des données: https://eduscol.education.fr/sti/concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-bac-s-si-metropole-juin-2013

Thématiques abordées par le sujet: Exemple Sujet 2013 Thématiques abordées par le sujet: 1. Analyse du besoin à l’origine des prises de vues thermographiques et comparaison de la solution retenue avec les autres solutions possibles 2. Choix de matériels permettant de répondre au besoin et aux contraintes particulières de la prise de vue thermographique dans une station de ski. 3. Analyse des écarts entre la traction du ballon attendue et les résultats obtenus avec le modèle de calcul en altitude 4. Comparaison, en termes d’autonomie, des résultats de l’expérimentation réalisée en plaine avec les résultats obtenus avec un modèle multiphysique 5. Décodage des informations issues de la carte GPS en vue de leur exploitation 6. Conclusion sur la réponse apportée à la problématique initiale

Exemple Sujet 2013 Modèle Simscape:

Exemple Sujet 2013 Modèle Simscape:

Exemple Sujet 2013 Modèle Simscape:

Exemple Sujet 2013 Modèle Scilab-Xcos:

Exemple Sujet 2013 Modèle Scilab-Xcos:

Activités envisageables Liées à 2(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 2(*): Pour les différents matériels proposés Identifier les paramètres de la simulation à modifier afin de respecter les caractéristiques du matériel (masse embarquée, rapport de réduction, volume du ballon….) Analyser l’influence des différents paramètres sur la réponse du système (*) Choix de matériels permettant de répondre au besoin et aux contraintes particulières de la prise de vue thermographique dans une station de ski.

Activités envisageables Liées à 2(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 2(*): Pour les différents matériels proposés Compétences visées Identifier les fonctions techniques qui réalisent les fonctions de service et respectent les contraintes. Identifier les éléments transformés et les flux

Activités envisageables Liées à 2(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 2(*): Pour une solution donnée Déterminer les différentes masses embarquées et l’action du ballon sur le câble Compléter la simulation et valider le respect du cahier des charges au niveau de la masse embarquée (*) Choix de matériels permettant de répondre au besoin et aux contraintes particulières de la prise de vue thermographique dans une station de ski.

Activités envisageables Liées à 2(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 2(*): Pour une solution donnée Déterminer les différentes masses embarquées et l’action du ballon sur le câble Compléter la simulation et valider le respect du cahier des charges au niveau de la masse embarquée

Activités envisageables Liées à 3(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 3(*): Compléter le schéma de simulation. Une partie de l’algorithme de calcul est fournie et est à légender, la partie correspondant au calcul de la traction du câble (poussée d’Archimède) est à compléter. Le paramétrage de la simulation est incomplet (temps) et nécessite un calcul de justification Les « Scopes » sont à placer sur le schéma afin de permettre la validation des critères du cahier des charges explicités (*) 3. Analyse des écarts entre la traction du ballon attendue et les résultats obtenus avec le modèle de calcul en altitude

Activités envisageables Liées à 4(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 4(*): Réaliser la simulation et mesurer l’écart entre la simulation et le cas réel Paramétrer la simulation afin de représenter le cas descente Effectuer le calcul d’autonomie (nombre de cycles de montée et descente par la simulation) (*) (4) Comparaison, en termes d’autonomie, des résultats de l’expérimentation réalisée en plaine avec les résultats obtenus avec un modèle multiphysique

Activités envisageables Liées à 4(*): Exemple Sujet 2013 Activités envisageables Liées à 4(*): Réaliser la simulation simplifiée (altitude de la mer) et mesurer l’écart entre la simulation et le cas réel Proposer des explications à l’écart entre le résultat de simulation et le résultat mesuré Réduire l’écart (piste envisageable, agir sur les paramètres de la transformation de mouvement au niveau du treuil) Réaliser une simulation (optimisée) pour les valeurs d’altitude du sujet (*) (4) Comparaison, en termes d’autonomie, des résultats de l’expérimentation réalisée en plaine avec les résultats obtenus avec un modèle multiphysique

Cordeuse de raquettes de tennis Exemple Labo SI Cordeuse de raquettes de tennis

Cordeuse de raquettes de tennis Exemple Labo SI Cordeuse de raquettes de tennis

Cordeuse de raquettes de tennis Exemple Labo SI Cordeuse de raquettes de tennis

Système Maxpid

Conclusion: Partage des tâches indispensable pour développer les modèles De nombreux modèles existent, ils sont à exploiter pour commencer! Des modèles simples donnent des résultats très corrects, ils demandent moins de temps à construire et ils seront souvent plus utiles pour l’élève!