Sciences de l'ingénieur - du cahier des charges à la validation du système
L'épreuve de spécialité Sciences de l'ingénieur évalue l'analyse d'un système pluritechnique réel (robot, portail automatique, banc de test) décrit par son cahier des charges, puis la vérification de ses performances par le calcul, la simulation ou la mesure. Les questions portent sur la modélisation SysML, les chaînes d'énergie et d'information, la mécanique, l'électronique et la programmation embarquée.
Du besoin au cahier des charges
Le besoin se formalise par la bête à cornes (à qui, sur quoi, dans quel but), puis par le diagramme des interacteurs (pieuvre) qui sépare fonctions principales et fonctions de contrainte. Chaque fonction devient une exigence du CdCF avec un critère, un niveau et une tolérance. En SysML, le diagramme d'exigences relie un requirement à un bloc par « satisfy » et à un cas de test par « verify » ; le BDD donne l'architecture, l'IBD les flux internes. La validation compare la valeur mesurée ou simulée au niveau du critère : au-delà de la tolérance, l'exigence n'est pas satisfaite.
Chaînes d'énergie et d'information
La chaîne d'information acquiert (capteur, codeur), traite (microcontrôleur, automate) et communique. La chaîne d'énergie alimente, distribue (relais, hacheur, variateur), convertit (moteur) et transmet (réducteur, courroie, vis-écrou). Pour un moteur à courant continu : E = k·ω et C = k·I ; un hacheur série impose Umoy = α·U avec α ∈ [0 ; 1]. Puissance P = C·ω, énergie W = P·t, rendement η = Pu/Pa. Un capteur se caractérise par son étendue de mesure, sa sensibilité et sa résolution.
Liaisons et transmission
Une liaison se définit par ses degrés de liberté : pivot = 1 rotation, glissière = 1 translation, rotule = 3 rotations. Le rapport de transmission r = ωs/ωe = Ze/Zs = de/ds : il divise la vitesse et multiplie le couple (aux pertes près). Pour une vis de pas p, la vitesse de translation vaut v = p·N (N en tr/s) ou v = p·ω/(2π).
Programmation embarquée
Savoir lire une boucle while/for, une condition if, une lecture de capteur et le calcul d'erreur e = consigne − mesure d'un asservissement.
Exemple. Moteur à 300 rad/s, réducteur r = 1/30, tambour de rayon 5 cm, charge 50 kg, η = 0,9. ωtambour = 10 rad/s ; v = 10 × 0,05 = 0,5 m/s ; couple au tambour = 50 × 9,81 × 0,05 = 24,5 N·m ; couple moteur = 24,5/(30 × 0,9) ≈ 0,91 N·m ; P = 24,5 × 10 = 245 W.
Pièges qui coûtent des points
Convertir les tr/min en rad/s (ω = 2πN/60) ; appliquer le rendement dans le mauvais sens ; oublier que le couple augmente quand la vitesse diminue ; confondre « satisfy » et « verify » ; rendre un résultat sans unité ou sans confrontation à la tolérance ; mélanger fonction principale et fonction de contrainte.