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Chaîne d'information et chaîne d'énergie

Première · Sciences de l'ingénieur · Analyser les produits existants

Analyser les produits existants

La chaîne d'énergie : du réseau à l'action

Tout système automatisé se décrit avec deux chaînes qui travaillent ensemble. La chaîne d'énergie fournit la puissance nécessaire pour agir sur la matière d'œuvre. La chaîne d'information observe, décide et commande. Savoir découper un produit selon ces deux chaînes, c'est comprendre en quelques minutes n'importe quel système, du portail automatique au bras robotisé.

Les six fonctions et leurs constituants

FonctionRôleConstituants typiques
AlimenterFournir l'énergie et l'adapter à la forme utilisable par le systèmePrise secteur, transformateur, alimentation à découpage, panneau photovoltaïque
StockerConserver l'énergie pour la restituer plus tardBatterie lithium-ion, accumulateur, ressort, réservoir d'air comprimé, volant d'inertie
DistribuerLaisser passer ou non l'énergie, et en régler le débit, sur ordre de la commandeRelais, contacteur, variateur, hacheur, distributeur pneumatique, transistor de puissance
ConvertirChanger la nature de l'énergie (électrique vers mécanique, par exemple)Moteur électrique, vérin, résistance chauffante, électro-aimant, pompe
TransmettreAdapter la forme du mouvement ou de l'effort, sans changer la nature de l'énergieRéducteur, poulie-courroie, engrenage, système pignon-crémaillère, vis-écrou, arbre
AgirProduire l'effet attendu sur la matière d'œuvreRoue, pince, tapis, bras, hélice, buse

Grandeurs d'effort et grandeurs de flux

Dans chaque domaine physique, la puissance instantanée se calcule comme le produit d'une grandeur d'effort par une grandeur de flux. Cette lecture unifiée est très pratique pour suivre l'énergie d'un bout à l'autre de la chaîne.

DomaineEffortFluxPuissance
ÉlectriqueTension U (V)Intensité I (A)P = U x I
Mécanique en translationForce F (N)Vitesse v (m/s)P = F x v
Mécanique en rotationCouple C (N.m)Vitesse angulaire oméga (rad/s)P = C x oméga
HydrauliquePression p (Pa)Débit volumique q (m3/s)P = p x q

Analyser les produits existants

La chaîne d'information et le couplage des deux chaînes

Acquérir : les capteurs

Un capteur prélève une grandeur physique du milieu (position, température, luminosité, pression) et la convertit en signal exploitable par la partie commande. On distingue trois familles selon la nature du signal fourni.

  • Capteur logique (ou TOR, tout ou rien) : deux états seulement, 0 ou 1. Exemples : interrupteur de fin de course, détecteur de présence, capteur à effet Hall en détection.
  • Capteur analogique : tension continûment variable, image de la grandeur mesurée. Exemples : thermistance, potentiomètre, photorésistance, capteur de pression.
  • Capteur numérique : information codée sur plusieurs bits, transmise directement sous forme binaire. Exemples : codeur incrémental, codeur absolu, capteur communiquant en liaison I2C.

Traiter et communiquer

La fonction traiter est assurée par un microcontrôleur, un automate programmable ou une carte à logique câblée. Elle compare les informations reçues à des consignes, applique un algorithme et élabore les ordres envoyés au préactionneur. La fonction communiquer transmet ensuite les informations vers l'utilisateur (afficheur, voyant, application mobile) ou vers d'autres systèmes (bus de terrain, liaison sans fil).

Boucle ouverte, boucle fermée

Le point de couplage des deux chaînes se situe à deux endroits. En sortie, le bloc traiter commande le bloc distribuer : c'est l'ordre. En entrée, un capteur observe l'effecteur et renvoie l'information vers le bloc traiter : c'est le retour. Si ce retour existe, le système est en boucle fermée ; sinon, il fonctionne en boucle ouverte.

Boucle ouverteBoucle fermée (asservie)
Retour d'informationAucun capteur ne mesure la sortieUn capteur mesure la sortie et la renvoie à la commande
Réaction aux perturbationsNulle : le système ne sait pas qu'il dévieCorrection automatique de l'écart consigne-mesure
PrécisionDépend entièrement de la qualité du réglage initialBonne, même si les conditions changent
Coût et complexitéFaiblesPlus élevés : capteur, correcteur, réglage
ExempleGrille-pain à minuterie, ventilateur à trois vitessesRégulateur de vitesse d'une voiture, thermostat d'ambiance

Exercices corrigés

  1. Quelles sont les trois fonctions de la chaîne d'information ?

    • A.Alimenter, distribuer, convertir
    • B.Acquérir, traiter, communiquerBonne réponse
    • C.Mesurer, calculer, afficher
    • D.Détecter, amplifier, transmettre

    Réponse : B — Acquérir, traiter, communiquer

    La chaîne d'information se découpe en trois fonctions : acquérir (les capteurs prélèvent les grandeurs physiques), traiter (le microcontrôleur applique l'algorithme) et communiquer (les informations partent vers l'utilisateur ou d'autres systèmes). Alimenter, distribuer et convertir appartiennent, elles, à la chaîne d'énergie.

  2. À quelle fonction de la chaîne d'énergie appartient un moteur à courant continu ?

    • A.Distribuer
    • B.Transmettre
    • C.ConvertirBonne réponse
    • D.Alimenter

    Réponse : C — Convertir

    Le moteur reçoit de l'énergie électrique et restitue de l'énergie mécanique : la nature de l'énergie change, donc il convertit. Le composant qui autorise le passage de l'énergie vers lui (variateur, relais) assure la fonction distribuer, et le réducteur placé en aval assure la fonction transmettre.

  3. Quelle relation donne la puissance mécanique d'un mouvement de rotation ?

    • A.P = F x v
    • B.P = U x I
    • C.P = p x q
    • D.P = C x omégaBonne réponse

    Réponse : D — P = C x oméga

    En rotation, l'effort est le couple C en N.m et le flux la vitesse angulaire oméga en rad/s : P = C x oméga, en watts. P = F x v est la version translation, P = U x I la version électrique et P = p x q la version hydraulique. Toutes suivent le même schéma : puissance = effort x flux.

  4. Dans un système, quel constituant reçoit l'ordre issu du bloc « traiter » ?

    • A.Le préactionneur, qui assure la fonction distribuerBonne réponse
    • B.L'effecteur, qui assure la fonction agir
    • C.Le capteur, qui assure la fonction acquérir
    • D.Le réducteur, qui assure la fonction transmettre

    Réponse : A — Le préactionneur, qui assure la fonction distribuer

    Le microcontrôleur ne peut pas alimenter directement un moteur : il délivre un signal de faible puissance. Ce signal va au préactionneur (relais, variateur, hacheur, distributeur pneumatique), qui laisse alors passer la forte puissance vers l'actionneur. C'est exactement la fonction distribuer, et c'est là que les deux chaînes se rejoignent.

  5. Un système pignon-crémaillère transforme la rotation d'un arbre en translation d'un chariot. À quelle fonction appartient-il ?

    • A.Convertir, car le mouvement change de nature
    • B.Transmettre, car l'énergie reste mécaniqueBonne réponse
    • C.Distribuer, car il oriente l'énergie
    • D.Agir, car il déplace le chariot

    Réponse : B — Transmettre, car l'énergie reste mécanique

    Piège classique. Le mouvement change (rotation vers translation), mais l'énergie reste mécanique des deux côtés. Or c'est bien la nature de l'énergie qui distingue convertir de transmettre. Le pignon-crémaillère adapte donc simplement la forme du mouvement : il transmet, comme un réducteur ou une poulie-courroie.

  6. Un thermostat d'ambiance mesure en continu la température de la pièce et coupe la chaudière lorsque la consigne est atteinte. Ce système fonctionne :

    • A.En boucle ouverte, car la chaudière n'est pas modifiée
    • B.En boucle ouverte, car le capteur n'agit pas directement
    • C.En boucle fermée, car la sortie est mesurée et renvoyée à la commandeBonne réponse
    • D.Sans chaîne d'information, car il n'y a pas de microcontrôleur

    Réponse : C — En boucle fermée, car la sortie est mesurée et renvoyée à la commande

    Le capteur de température observe la sortie du système (la température obtenue) et renvoie cette mesure à la commande, qui la compare à la consigne. Ce retour d'information définit la boucle fermée. Conséquence pratique : si une fenêtre s'ouvre et refroidit la pièce, le système s'en aperçoit et relance la chauffe, ce qu'une boucle ouverte serait incapable de faire.

  7. Un vérin pneumatique développe une force de 400 N et sa tige sort à 0,15 m/s. Quelle est la puissance mécanique développée ?

    • A.26,7 W
    • B.2667 W
    • C.60 WBonne réponse
    • D.600 W

    Réponse : C — 60 W

    En translation, P = F x v = 400 x 0,15 = 60 W. Refais le calcul : 400 x 0,15 = 400 x 15/100 = 6000/100 = 60. Le distracteur 26,7 W vient d'une division (400/15) et 600 W d'une virgule oubliée.

  8. Sur un robot suiveur de ligne, la carte Arduino lit deux capteurs infrarouges et pilote deux moteurs via un pont en H. Où se situe le pont en H ?

    • A.Dans la fonction acquérir de la chaîne d'information
    • B.Dans la fonction distribuer de la chaîne d'énergieBonne réponse
    • C.Dans la fonction convertir de la chaîne d'énergie
    • D.Dans la fonction communiquer de la chaîne d'information

    Réponse : B — Dans la fonction distribuer de la chaîne d'énergie

    Le pont en H reçoit des ordres logiques de faible puissance venus de la carte et laisse passer le courant de la batterie vers les moteurs, dans un sens ou dans l'autre : c'est un préactionneur, donc la fonction distribuer. Ce sont les moteurs, en aval, qui assurent la conversion électrique vers mécanique.

  9. Un motoréducteur absorbe 90 W en électrique et délivre un couple de 15 N.m à 4,8 rad/s. Quel est son rendement global ?

    • A.80 %Bonne réponse
    • B.72 %
    • C.60 %
    • D.125 %

    Réponse : A — 80 %

    Puissance mécanique utile : P = C x oméga = 15 x 4,8 = 72 W. Rendement : 72 / 90 = 0,8 soit 80 %. Vérification : 0,8 x 90 = 72, cohérent. Le distracteur 72 % confond la puissance utile en watts avec un pourcentage, et 125 % vient de la division inversée (90/72), impossible physiquement puisqu'un rendement ne dépasse jamais 1.

  10. Sur un ascenseur, dans quel ordre l'énergie traverse-t-elle les constituants suivants : câble et poulie, variateur de fréquence, moteur asynchrone, réseau triphasé ?

    • A.Réseau, moteur, variateur, câble et poulie
    • B.Variateur, réseau, moteur, câble et poulie
    • C.Réseau, variateur, moteur, câble et poulieBonne réponse
    • D.Réseau, câble et poulie, variateur, moteur

    Réponse : C — Réseau, variateur, moteur, câble et poulie

    On suit l'ordre des fonctions : alimenter (le réseau triphasé), distribuer (le variateur, qui règle la fréquence donc la vitesse), convertir (le moteur asynchrone, électrique vers mécanique), transmettre (câble et poulie, qui mènent l'effort à la cabine). Le variateur est toujours avant le moteur : il ne servirait à rien de régler l'énergie après qu'elle a été convertie.

  11. Sur une chaîne d'énergie, à quel endroit précis a lieu le couplage avec la chaîne d'information dans le sens commande ?

    • A.Entre alimenter et stocker
    • B.Entre convertir et transmettre
    • C.Entre transmettre et agir
    • D.Entre traiter et distribuerBonne réponse

    Réponse : D — Entre traiter et distribuer

    Le bloc traiter élabore l'ordre et l'envoie au bloc distribuer : c'est le point de couplage dans le sens commande. Dans le sens retour, le couplage se fait de l'effecteur (ou de la grandeur de sortie) vers le bloc acquérir. Ces deux flèches croisées sont la signature d'un système asservi sur un schéma de structure.

  12. Un cahier des charges exige qu'un treuil lève une charge de 1200 N à la vitesse de 0,25 m/s. Le rendement global de la chaîne d'énergie vaut 0,75. Quelle puissance électrique le moteur doit-il absorber au minimum ?

    • A.225 W
    • B.300 W
    • C.400 WBonne réponse
    • D.480 W

    Réponse : C — 400 W

    Deux étapes, dans le bon ordre. D'abord la puissance utile à fournir à la charge : P = F x v = 1200 x 0,25 = 300 W. Ensuite, comme rendement = utile / absorbée, on remonte : absorbée = 300 / 0,75 = 400 W. Vérification : 400 x 0,75 = 300 W, cohérent. Le piège est de multiplier par le rendement (300 x 0,75 = 225 W) : cela donnerait une puissance absorbée inférieure à la puissance utile, ce qui est physiquement impossible.

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Ce chapitre compte 35 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.

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