Bond graph pour la conception de systèmes mécatroniques : Conclusion

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RÉSUMÉ

Pour chaque problématique de conception de systèmes mécatroniques, peut être proposée une solution méthodologique basée sur le langage bond graph et la modélisation inverse. L'exemple d'un moteur à courant continu actionnant une charge inertielle en rotation permet d'illustrer l'idée principale de l'inversion. L'utilisation du bond graph dans le contexte de la modélisation directe et inverse autorise une méthodologie s'inscrivant dans le cycle en V, entre la phase de définition fonctionnelle du produit (concepts) et celle géométrique des composants du produit à réaliser (prototypes). Les concepts clés utilisés, en particulier la notion d'analyse structurelle, permettent au concepteur de tester si son problème de conception est bien posé. Il peut ainsi utiliser directement les données de son cahier des charges pour déterminer les inconnues de son problème de conception (dimensions des composants répondant aux critères dynamiques et énergétiques spécifiés).

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Auteur(s)

Wilfrid MARQUIS-FAVRE : Maître de conférences, HDR - Enseignant/chercheur
Audrey JARDIN : Docteur en électronique, électrotechnique et automatique - Ingénieur/chercheur

INTRODUCTION

A travers l'utilisation du langage bond graph couplé à une approche par modèle inverse pour la conception de systèmes mécatroniques sur des critères dynamiques et énergétiques, la méthodologie développée propose une démarche de conception s'inscrivant dans le cycle en V entre la phase de définition fonctionnelle du produit (concepts) et celle géométrique des composants du produit à réaliser (prototypes). Elle doit permettre au concepteur d'utiliser directement les données de son cahier des charges (spécifications) pour déterminer les inconnues de son problème de conception (dimensions des composants répondant aux critères dynamiques et énergétiques spécifiés).

Un exemple sur l'utilisation du bond graph dans le contexte de la modélisation directe et inverse permet de faire brièvement un certain nombre de rappels sur le langage et de montrer son exploitation pour reconstruire une entrée d'un modèle à partir d'une spécification donnée en sortie.

Les concepts clés utilisés par l'approche proposée, en particulier la notion d'analyse structurelle, permettent au concepteur de tester si son problème de conception est bien posé. Cette analyse ouvre sur différents autres niveaux d'analyse précisant à quel niveau de la structure physique (architecture, phénomènes, paramètres), la (re)conception peut avoir lieu. Pour cela, les notions de ligne de puissance, de chemin causal et de bicausalité sont introduites.

Pour chaque problématique de conception proposée, une solution méthodologique est basée sur le langage bond graph et la modélisation inverse suivant les étapes :

de validité du modèle de conception ;
de validité du cahier des charges ;
de spécification et sélection de composant ;
de validation de composant sélectionné ;
de détermination de loi de commande en boucle ouverte.

Ce dossier n'a pas pour but de présenter les concepts de base du langage bond graph et le lecteur est invité à se reporter aux dossiers suivants :

« Les bond graphs et leur application en mécatronique » [S 7 222] ;
« Utilisation des graphes de lien en électronique de puissance » [D 3 064] ;
« Modélisation par bond graph – Éléments de base pour l'énergétique» [BE8280];
« Modélisation par bond graph – Applications aux systèmes énergétiques [BE 8 281] ;
« Graphes de liens causaux pour systèmes à énergie renouvelable » [D 3 970] et [D 3 971]

ou à d'autres ouvrages dédiés au langage .

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

Version courante de déc. 2024 par Wilfrid MARQUIS-FAVRE, Audrey JARDIN

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3065

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Exemple introductif

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4. Conclusion

Le matériel présenté dans ce dossier s'est attaché à montrer comment utiliser et l'intérêt à utiliser une approche par modèle inverse s'appuyant sur le langage bond graph. Dans un processus de conception, l'approche par modèle inverse se conçoit naturellement puisque généralement, les données du problème de conception sont exprimées sur les sorties qui, pour l'occasion, doivent jouer le rôle d'entrées dans la résolution du problème. Cette approche amène, entre autres, à un gain de temps et de pertinence dans le processus de conception (marges de dimensionnement, dimensionnement dynamique, origine du sous-dimensionnement…).

Dans ce contexte, le langage bond graph se montre intéressant dans la modélisation pour la conception puisque tout en étant un outil graphique pour l'analyse et la synthèse, il est proche de la physique et permet de représenter les aspects pluridisciplinaire et multitechnologique des systèmes. Il est donc bien adapté pour représenter la complexité des systèmes mécatroniques, intégrant partie puissance et partie commande. En outre, il propose différents niveaux de description et d'information sur un modèle et différents niveaux d'analyse permettant de guider le concepteur dans son processus de (re)conception. Par exemple, la mise en œuvre des critères d'inversibilité structurelle et l'inversion s'effectuent au niveau graphique et de manière relativement simple. Le caractère acausal du langage permet également de mettre en place un modèle de connaissance qui peut être manipulé de différentes manières du point de vue des équations (directe ou inverse) suivant la problématique et sans nécessiter de reprendre tout le travail de modélisation.

Pour mettre en œuvre une approche par modèle inverse à travers le langage bond graph, un certain nombre de concepts clés ont été détaillés comme ceux de la ligne de puissance, du chemin causal ou de la bicausalité. Ces concepts participent à l'analyse structurelle permettant d'appréhender des propriétés de modèle de systèmes physiques indépendamment des valeurs numériques des paramètres. Cela offre l'avantage de pouvoir qualifier le problème de conception avant toute simulation numérique, d'accéder à une connaissance élargie du problème de conception et également de guider le concepteur sur ses choix de conception.

Sur la base de ces outils, un certain nombre de problématiques a été...

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