Ingénierie système : diagrammes SysML d'états, de séquence et de blocs internes : cours, méthodes et exercices corrigés

TSI 1
Offert à l'essai

Lire et construire les diagrammes SysML d'états, de séquence et de blocs internes d'un système électrique : comportement, échanges entre blocs, flux d'énergie et d'information.

19méthodes
32exercices corrigés
3problèmes
18pièges
141figures

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Ce que tu sauras faire

Un portail qui s'ouvre sur un ordre radio, un feu qui change de couleur, une turbine qui démarre, un micro-réseau qui choisit entre stocker et injecter son énergie : avant de calculer un courant ou une vitesse, l'ingénieur doit savoir ce qui circule entre les constituants et comment le système réagit à ce qui lui arrive. En génie électrique, trois diagrammes SysML le disent : le diagramme de blocs internes (ibd), le diagramme d'états (stm) et le diagramme de séquence (sd), complétés par le chronogramme. À la fin du chapitre, tu dois savoir :

délimiter un système de commande, nommer ses entrées et ses sorties, et donner la nature de chaque flux qu'il échange ;
dire si une information est logique, analogique ou numérique, et décrire son codage : nombre de bits, résolution, trame série, rapport cyclique ;
lire, compléter et créer un diagramme de blocs internes ;
lire, compléter et créer un diagramme d'états, en tracer le chronogramme et calculer une durée de cycle ;
vérifier qu'un diagramme d'états est complet et déterministe, et le traduire en programme Python ;
lire un diagramme de séquence et relier les trois diagrammes d'un même système.

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Ce que dit chaque diagramme

Diagramme	Question	En génie électrique
ibd (blocs internes)	Quels flux circulent entre les parties, dans quel sens ?	lire, compléter, créer
stm (états)	Dans quels états, qu'est-ce qui fait changer d'état ?	lire, compléter, créer
sd (séquence)	Dans quel ordre se font les échanges ?	lire seulement
req, uc, bdd	exigences, services rendus, composition	génie mécanique ; lus dans la présentation

La syntaxe est toujours fournie par le sujet ; le chronogramme représente l'évolution des états et des variables d'un stm.

À retenir Flux et grandeurs

Trois natures : matière, énergie, information. On nomme un flux d'après son rôle : un fil de capteur porte une information.
Variable potentielle et variable de flux : tension $u$ et courant $i$ ; vitesse $v$ et force $F$ ; vitesse angulaire $\omega$ et couple $C$ ; pression $p$ et débit $Q$ .
Leur produit est une puissance en watts : $u\,i$ , $F\,v$ , $C\,\omega$ , $p\,Q$ .
La partie qui décide reçoit des informations et émet des ordres ; elle ne fournit pas l'énergie de puissance.

À retenir Information et codage

Logique (0 ou 1), analogique (continue), numérique (nombre codé).
Sur $n$ bits : $2^n$ valeurs, de $0$ à $2^n - 1$ ; résolution $\frac{E}{2^n}$ (ou $\frac{E}{2^n - 1}$ selon l'énoncé).
Trame asynchrone : départ à 0, données poids faible d'abord, parité éventuelle, arrêt à 1 ; un bit dure $\frac{1}{D}$ à $D$ bauds.
Parité paire : nombre total de 1 (données et parité) pair.
Signal MLI : rapport cyclique $\alpha$ , valeur moyenne $\alpha\,U$ ; l'information est dans $\alpha$ .

À retenir Diagramme de blocs internes

Parties, ports, connecteurs étiquetés ; énergie puis information.
Port de flux : flèche, sens du flux. Port standard : sans flèche, service rendu ou demandé.
Chaque connecteur : nature, forme, sens. Ne pas oublier l'alimentation de la partie qui décide.

À retenir Diagramme d'états

Un seul état actif à chaque instant ; la transition initiale ne porte ni événement ni garde.
Transition : événement [garde] / effet.
Événements : signal (fco), temporel (after(30 s) depuis l'entrée dans l'état, at(...) pour une date), de changement (when(condition), à l'instant où elle devient vraie), aucun (transition d'achèvement, évaluée une seule fois à la fin des activités de l'état, aussitôt s'il n'a pas de do ; une garde seule [c] fausse à ce moment n'est pas réévaluée : pour attendre $c$ , écrire when(c)).
Événement ponctuel et non mémorisé ; garde persistante, évaluée à l'instant de l'événement.
entry, exit, effet : actions instantanées ; do : activité qui dure et s'interrompt.
Franchissement : do interrompu, exit, source inactive, effet, cible active, entry puis do.
Transition réflexive : exit puis entry, les after repartent.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Méthode Lire la présentation d'un sujet de génie électrique

Quand l’utiliser

Au début de l'épreuve et de chaque partie : le sujet présente un système avec un diagramme de définition de blocs (bdd), un diagramme des exigences (req) ou un tableau de cahier des charges, et des documents réponses.

Rappel de cours

Dans un req, chaque exigence a un Id, un critère et un niveau chiffré avec son sens (« au plus », « au moins ») ; «satisfy» relie le bloc qui tient l'exigence à l'exigence. Dans un bdd, le losange plein se lit « est composé de », la multiplicité donne le nombre d'exemplaires.

Démarche

Lire la présentation (un quart d'heure pour tout le sujet) : à quoi sert le système, qui l'utilise, d'où vient son énergie.
Dans le bdd, repérer les constituants électriques (source, convertisseur, moteur, carte, capteurs) et leurs multiplicités.
Dans le req ou le tableau, surligner chaque niveau chiffré et noter son Id.
Pour chaque partie du sujet, noter au brouillon l'exigence qu'elle vérifie et les documents réponses à rendre.

Rédaction type

« La partie D vérifie l'exigence 1.3.2 : ouverture et fermeture en 40 s au plus. Documents à rendre : DR3 et DR4. »

Exemple traité

Ouvre-portail du cours (section 1.2, figures du req et du bdd) : le bdd montre deux motoréducteurs, deux bras articulés et deux cellules (multiplicité 2), une carte de commande qui contient le récepteur radio, une alimentation et un feu ; l'exigence 1.3.2 impose une ouverture et une fermeture en 40 s au plus. Quand une partie trace le chronogramme du portail, on sait d'avance qu'il faudra y lire la durée d'ouverture et la comparer à 40 s.

Erreurs fréquentes

Commencer les calculs sans avoir relevé les niveaux : on ne sait plus à quoi comparer.
Ignorer une multiplicité : deux moteurs à commander, pas un.
Oublier un document réponse dans les pages du sujet.

Pour s’entraîner

Exercice 23.

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Exercice Les flux d'un système d'orientation de miroirs ★☆☆

Un système oriente un miroir : une carte de commande pilote un hacheur qui alimente un moteur à courant continu ; un réducteur et un système vis-écrou transforment la rotation du moteur en translation, qui fait tourner la structure du miroir. Un codeur mesure la position du moteur.

Le vidéoprojecteur d'une salle immersive, objectif tourné vers le haut, dans son châssis ; le cadre incliné qui le surmonte porte le miroir de renvoi, vu ici par la tranche, qui replie le faisceau vers l'écran. C'est l'orientation d'un tel miroir que règle le système de l'exercice.

Diagramme de blocs internes du système d'orientation de miroirs ; les connecteurs sont numérotés de 1 à 12.

Pour chaque connecteur numéroté, donner la nature du flux : matière, énergie (préciser laquelle) ou information.
Pour les connecteurs 4, 5 et 6, donner la variable potentielle et la variable de flux, avec leurs unités, puis l'expression de la puissance transmise.
Le hacheur et la carte de commande reçoivent tous deux de l'énergie électrique. Lequel la transmet au moteur ? Que fait l'autre de la sienne ?

Indications

Méthodes 2 et 5. Une puissance est toujours le produit de la variable potentielle par la variable de flux : $u\,i$ , $C\,\omega$ , $F\,v$ .

Correction détaillée

N°	De vers	Nature
1	extérieur vers carte de commande	information (consigne de position)
2	carte de commande vers hacheur	information (ordre de commande)
3	hacheur vers moteur	énergie électrique
4	moteur vers réducteur	énergie mécanique de rotation
5	réducteur vers vis-écrou	énergie mécanique de rotation
6	vis-écrou vers structure	énergie mécanique de translation
7	moteur vers codeur	information (position du moteur)
8	codeur vers carte	information (image de la position)
9	extérieur vers carte de commande	énergie électrique (alimentation de l'électronique)
10	extérieur vers hacheur	énergie électrique (de puissance)
11	extérieur vers codeur	énergie électrique (alimentation du capteur)
12	structure vers extérieur	énergie mécanique de rotation (le miroir tourne)

2. Connecteurs 4 et 5 : variable potentielle, la vitesse angulaire $\omega$ en rad·s⁻¹ ; variable de flux, le couple $C$ en N·m ; puissance $P = C\,\omega$ . Connecteur 6 : variable potentielle, la vitesse $v$ en m·s⁻¹ ; variable de flux, la force $F$ en N ; puissance $P = F\,v$ . Dans les deux cas, le produit s'exprime en watts, ce qui contrôle le choix des grandeurs.

3. Le hacheur reçoit l'énergie électrique de puissance (10), la module et la transmet au moteur (3). La carte de commande (9) ne consomme qu'une faible énergie, pour faire fonctionner son électronique : elle n'en transmet pas, elle envoie des ordres.

Diagramme de blocs internes corrigé : énergie en trait plein, information en tirets.

Méthodes à retenir

Sur un même câble électrique, la nature du flux dépend de son rôle : une puissance qui fait tourner un moteur est une énergie, un signal qui commande ou mesure est une information (méthodes 2 et 5).

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 19 méthodes, 18 pièges corrigés, la carte mentale, 32 exercices corrigés, 3 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Ce chapitre est offert : il s’ouvre en entier avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

1. Ingénierie système et diagrammes SysML
- 1.1 Système, frontière, milieu extérieur
- 1.2 Les six diagrammes et ce que lit le génie électrique
2. Flux et frontière d'un système de commande
- 2.1 Nature d'un flux
- 2.2 Grandeurs d'un flux d'énergie
- 2.3 Entrées et sorties d'un système de commande
3. L'information et son codage
- 3.1 Information logique, analogique, numérique
- 3.2 Codage binaire
- 3.3 Transmission série asynchrone
- 3.4 Une consigne codée par un rapport cyclique
4. Le diagramme de blocs internes (ibd)
- 4.1 Parties, ports, connecteurs
- 4.2 Lire un ibd de chaîne électrique
- 4.3 Créer ou compléter un ibd
5. Systèmes séquentiels et diagramme d'états (stm)
- 5.1 Système séquentiel
- 5.2 États, transitions, état initial et état final
- 5.3 Événements et conditions de garde
- 5.4 Actions et activités
- 5.5 Interpréter l'évolution temporelle
- 5.6 États composites, régions, historique (lecture)
6. Le chronogramme
- 6.1 Définition
- 6.2 Du diagramme d'états au chronogramme
- 6.3 Une expérience sans rien acheter
7. Créer et vérifier un diagramme d'états
- 7.1 Créer un stm à partir d'une description
- 7.2 Vérifier un stm
- 7.3 Compléter un stm sur document réponse
8. Du diagramme d'états au programme
9. Le diagramme de séquence (lecture)
- 9.1 Lignes de vie et messages
- 9.2 Fragments combinés et cadre ref
10. Relier les diagrammes et conclure
- 10.1 Un seul système, trois vues
- 10.2 Conclure sur une exigence
- 10.3 Répondre sur un document réponse

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

Lire la présentation d'un sujet de génie électrique
Donner la nature d'un flux et ses grandeurs
Identifier les entrées et les sorties d'un système de commande
Donner la nature et le codage d'une information
Lire un diagramme de blocs internes
Compléter ou créer un diagramme de blocs internes
Lire un diagramme d'états
Décoder une transition et classer son événement
Distinguer action et activité, dérouler un franchissement
Tracer le chronogramme d'un diagramme d'états
Créer un diagramme d'états à partir d'une description
Compléter un diagramme d'états sur un document réponse
Vérifier un diagramme d'états
Calculer une durée de cycle et conclure sur l'exigence
Lire un diagramme de séquence
Lire les fragments combinés d'un diagramme de séquence
Relier diagramme de séquence, diagramme d'états et diagramme de blocs internes
Traduire un diagramme d'états en programme Python
Lire un état composite, des régions et un historique

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (13)

Les flux d'un système d'orientation de miroirs
Le télérupteur et la minuterie d'escalier
Trois informations d'une station de pompage solaire
La trame d'un caractère
La balance électronique
Le feu tricolore
Huit étiquettes de transitions
La station de lavage automatique
Le scénario d'ouverture d'un portail
Le distributeur de billets
La pédale lumineuse
Le valideur de titres
La consigne d'un ventilateur par rapport cyclique

Entraînement (15)

Le funitel
La station d'épuration
Le quadricycle électrique
Le programme d'un lave-linge
Le compteur d'un simulateur de moto
Un système sur batterie
Le drone de surveillance
La borne de recharge
Le portail à vérins hydrauliques
Le mélangeur de prélèvement sanguin
Le treuil de levage
Le ventilateur médical de transport
La commande d'un bras d'impression
L'avance du papier d'une imprimante
Le tourniquet compteur d'une salle de lecture

Approfondissement (4)

Le robot de chantier
Le chariot à deux modes
Le barrage hydroélectrique
Le robot d'exploration à six roues

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Le micro-réseau et son compteur communicant
CNC 2018, filière TSI, Génie électrique, partie D « Étude de la transmission de données et gestion du micro-réseau », questions D.1 à D.6
Le démarrage d'une turbine à gaz
CCINP 2022, filière TSI, Sciences industrielles de l'ingénieur, partie V « Démarrage de la turbine à gaz », sous-partie V.1 « Principe de fonctionnement », questions Q16 et Q17
La cabine de soudage ergonomique
CCINP 2020, filière TSI, Sciences industrielles de l'ingénieur, partie II, exigence « Brider le siège et les fils », sous-partie II.4 « Étude de la partie commande », questions Q16 et Q17

Comment y accéder

Ce chapitre fait partie des chapitres offerts : il s'ouvre en entier avec un compte d'essai gratuit. Créer un compte d'essai ou se connecter. Pour l'accès complet, les tarifs ou une question, écris-nous sur WhatsApp.