Chaîne d'information et chaîne de puissance : cours et exercices corrigés de SI

Q: Quelle est la différence entre chaîne d'information et chaîne de puissance ?

La chaîne d'information traite de l'information : elle acquiert (capteurs, boutons, interfaces), traite (carte à microcontrôleur, automate) et communique (voyant, écran, bus). La chaîne de puissance transforme l'énergie : elle alimente, module, convertit, transmet et agit sur la matière d'œuvre. Elles sont reliées par les ordres, qui vont de « traiter » vers « moduler », et par les grandeurs physiques acquises.

MPSI
PCSI
MP2I
PTSI
TSI 1
Offert à l'essai

Partie commande et partie opérative, chaîne d'information (acquérir, traiter, communiquer) et chaîne de puissance (alimenter, moduler, convertir, transmettre, agir), constituants usuels (capteurs, préactionneurs, actionneurs, transmetteurs, effecteurs), nature des flux, grandeurs effort et flux ; pour les classes marocaines, réversibilité, rendement et énergie d'une chaîne, choix d'un constituant, lecture des schémas électriques, pneumatiques et hydrauliques, caractéristiques des grandeurs et des capteurs.

20méthodes
40exercices corrigés
6problèmes
18pièges
202figures

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

La chaîne d'information acquiert les grandeurs utiles, les traite et communique ; la chaîne de puissance alimente, module, convertit et transmet l'énergie, puis agit sur la matière d'œuvre. Ensemble, elles décrivent l'architecture fonctionnelle et structurelle d'un système automatisé, de la partie commande à la partie opérative. Le chapitre est au programme de sciences industrielles de MPSI et PCSI au Maroc, au premier trimestre, et de MPSI, PCSI, MP2I, PTSI et TSI en France, en première année pour l'essentiel ; les sujets du CNC et de la Banque PT demandent dès les premières questions de compléter ces chaînes sur un document réponse. On y travaille aussi les constituants (capteur, préactionneur, actionneur, transmetteur), les grandeurs effort et flux et la puissance sur chaque lien.

Ce que tu sauras faire

Un portail qui s'ouvre, un robot qui cueille des oranges, une presse hydraulique : dans chacun, une partie décide et une autre agit. La première traite de l'information, la seconde transforme de l'énergie. Les sujets de sciences industrielles demandent presque toujours, dès les premières questions, de reconnaître ces deux organisations et de compléter les chaînes d'un système réel sur un document réponse. À la fin du chapitre, tu dois savoir :

distinguer partie commande, partie opérative et opérateur, et nommer ce qu'ils échangent ;
identifier et décrire la chaîne d'information (acquérir, traiter, communiquer) et la chaîne de puissance (alimenter, moduler, convertir, transmettre, agir) d'un système, et les liens entre elles ;
associer à chaque constituant sa fonction et sa famille (capteur, unité de traitement, préactionneur, actionneur, transmetteur, effecteur) ;
caractériser un capteur par ses grandeurs d'entrée et de sortie et la nature de son signal ;
écrire, sur chaque lien de la chaîne de puissance, la nature de l'énergie, la grandeur effort, la grandeur flux et la puissance transportée ;
compléter une chaîne fonctionnelle sur un document réponse.

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

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

À retenir Partie commande, partie opérative

Partie opérative : agit sur la matière d'œuvre avec l'énergie de puissance.
Partie commande : reçoit les consignes de l'opérateur et les comptes rendus, élabore les ordres.
Opérateur : dans le milieu extérieur ; donne des consignes, reçoit des informations.

À retenir Les deux chaînes

Chaîne	Fonction	Constituant	Exemples
information	acquérir	capteur, détecteur, interface	fin de course, codeur, potentiomètre, bouton, récepteur radio
information	traiter	unité de traitement	carte à microcontrôleur, automate
information	communiquer	interface, liaison	voyant, écran, bus, réseau, radio
puissance	alimenter	source	réseau, batterie, compresseur, centrale hydraulique
puissance	moduler (ou distribuer)	préactionneur	relais, contacteur, variateur, hacheur, distributeur
puissance	convertir	actionneur	moteur, vérin, résistance chauffante
puissance	transmettre	transmetteur	réducteur, poulies-courroie, vis-écrou, pignon-crémaillère
puissance	agir	effecteur	pince, roue, bras, outil

Liens : ordres (de traiter vers moduler), grandeurs physiques acquises (vers acquérir), consignes, informations restituées.
Une chaîne de puissance par actionneur ; la chaîne d'information est souvent commune.
« Chaîne d'énergie » est un synonyme de chaîne de puissance.

À retenir Capteurs

Grandeur d'entrée : grandeur physique mesurée ; grandeur de sortie : tension, courant, impulsions, nombre.
Signal logique (deux états), analogique (variation continue), numérique (nombres codés).
Détecteur : capteur tout ou rien. Un capteur ne reçoit jamais de flux d'énergie de puissance.

À retenir Énergie le long d'une chaîne

Énergie	Effort	Flux	Puissance
électrique	$u$ (V)	$i$ (A)	$u\,i$
rotation	$C$ (N·m)	$\omega$ (rad/s)	$C\,\omega$
translation	$F$ (N)	$v$ (m/s)	$F\,v$
hydraulique, pneumatique	$p$ (Pa)	$Q$ (m³/s)	$p\,Q$

$\omega = \frac{2\pi N}{60}$ ; 1 bar $= 10^5$ Pa ; 1 L/min $\approx 1{,}667\times10^{-5}$ m³/s.
Transmetteur de rapport $k$ : $\omega_s = k\,\omega_e$ ; vis-écrou : $v = \frac{p_v}{2\pi}\,\omega$ ; pignon-crémaillère : $v = R\,\omega$ .
Vérin : $Q = S\,v$ , $F = p\,S$ ; en rentrée, section annulaire $\frac{\pi(D^2 - d^2)}{4}$ .

À retenir Ce que le sujet fournit

La syntaxe des chaînes et des diagrammes, les normes des schémas, les catalogues. On apprend à lire et à compléter, pas à réciter des symboles. On écrit sur le document réponse le vocabulaire du document (moduler ou distribuer), et on le rend toujours.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Méthode Construire les deux chaînes à partir d'une description du système

Quand l’utiliser

Le sujet décrit le fonctionnement en texte (« un moteur alimenté par ... entraîne ... ») et demande les chaînes.

Rappel de cours

Chaîne de puissance dans l'ordre alimenter, moduler, convertir, transmettre, agir ; chaîne d'information dans l'ordre acquérir, traiter, communiquer ; liens : ordres et grandeurs acquises.

Démarche

Souligner dans le texte chaque constituant, et le verbe qui dit son rôle.
Écrire la chaîne de puissance en partant de la source et en suivant l'énergie jusqu'à la matière d'œuvre.
Écrire la chaîne d'information : capteurs et interface, unité de traitement, moyens de communication.
Tracer les ordres et les grandeurs acquises.
Relire : chaque constituant du texte est placé une fois.

Rédaction type

« Chaîne de puissance : alimenter (...), moduler (...), convertir (...), transmettre (...), agir (...). Chaîne d'information : acquérir (...), traiter (...), communiquer (...). »

Exemple traité

Description du bras asservi du laboratoire : « Un moteur alimenté en 24 V par un variateur entraîne en rotation une vis dont l'écrou transforme le mouvement de rotation en translation ; ce mouvement est traduit en rotation du bras ; un capteur potentiométrique informe la carte de commande de la position angulaire du bras. » Puissance : alimentation 24 V, variateur, moteur, vis-écrou (et liaison bras-écrou), bras. Information : capteur potentiométrique (et génératrice tachymétrique), carte de commande ; ordre de la carte vers le variateur.

Erreurs fréquentes

Oublier un transmetteur cité dans le texte (accouplement, réducteur, courroie).
Inventer un constituant que le texte ne cite pas (un codeur « classique »).

Pour s’entraîner

Exercices 3 et 5.

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Exercice Les deux chaînes d'un robot de stimulation magnétique ★☆☆

Une sonde de stimulation magnétique en double anneau : c'est cet outil que le bras du robot déplace et pose contre la tête du patient.

Un robot médical place une sonde de stimulation magnétique sur la tête d'un patient. Son premier axe est mû par un moteur à courant continu, qui entraîne par un réducteur une vis à billes ; l'écrou de la vis est lié à un coulisseau, qui fait tourner le bras par un système bielle-manivelle. Le diagramme de blocs internes de cet axe est donné ci-dessous, tel que le sujet le dessine.

Diagramme de blocs internes de l'axe 1 du robot : en haut, moteur, réducteur, vis-écrou et bielle-manivelle ; en bas, interface homme-machine, carte de commande et variateur ; un codeur relève la position du moteur.

Données : rapport de réduction du réducteur $k = \frac{1}{4{,}3}$ ; pas de la vis à billes $p = 5$ mm ; fréquence de rotation nominale du moteur $N_{mot} = 6\,930$ tr/min.

Citer, dans l'ordre, les constituants de la chaîne de puissance de l'axe 1, puis ceux de la chaîne d'information.
Associer à chaque constituant sa fonction générique.
Le diagramme fait entrer l'énergie électrique dans le moteur à la fois directement et par le variateur. Est-ce possible ? Que faut-il corriger ?
Calculer la vitesse du coulisseau quand le moteur tourne à sa fréquence nominale.

Indications

Méthodes 2, 3, 5 et 10. Suivre les liens qui portent de la puissance jusqu'au bras ; le variateur reçoit des ordres mais transmet de la puissance. Pour la question 4, une vis de pas $p$ fait avancer l'écrou de $p$ à chaque tour.

Correction détaillée

1. Chaîne de puissance : variateur, moteur à courant continu, réducteur, système vis-écrou à billes, système bielle-manivelle, puis le bras. Chaîne d'information : interface homme-machine, codeur incrémental, carte de commande.

Constituant	Fonction
source électrique (hors du diagramme)	alimenter
variateur	moduler
moteur à courant continu	convertir
réducteur	transmettre (adapter couple et vitesse)
vis-écrou, bielle-manivelle	transmettre (transformer le mouvement)
bras	agir sur la sonde
interface homme-machine, codeur	acquérir
carte de commande	traiter

Le variateur est le préactionneur : il reçoit l'ordre de la carte et dose l'énergie électrique envoyée au moteur. Il appartient à la chaîne de puissance, même s'il reçoit une information.

3. Non. Si le moteur recevait l'énergie directement, le variateur ne pourrait plus doser ce qu'il reçoit : la commande perdrait son effet. Toute l'énergie du moteur passe par le préactionneur. On supprime l'entrée directe d'énergie électrique dans le moteur ; seuls la carte, l'interface et le variateur sont reliés à la source.

4. Vitesse angulaire de la vis :

\omega_{vis} = k\,\omega_{mot} = \frac{1}{4{,}3} \times 6\,930 \times \frac{\pi}{30} \approx 168{,}8\ \text{rad/s}.

L'écrou avance de $p$ par tour, soit $\frac{p}{2\pi}$ par radian :

v = \frac{p}{2\pi}\,\omega_{vis} = \frac{5}{2\pi} \times 168{,}8 \approx 134{,}3\ \text{mm/s}.

C'est la valeur que le sujet donne pour la suite : le coulisseau parcourt un peu plus de 13 cm par seconde, ce qui fait tourner le bras assez vite pour qu'on ait besoin d'une commande précise près du patient.

Méthodes à retenir

Le préactionneur se place dans la chaîne de puissance : c'est par lui que passe l'énergie de l'actionneur. Un diagramme de sujet peut contenir une maladresse ; on la signale en une phrase et on répond avec la structure juste.

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 20 méthodes, 18 pièges corrigés, la carte mentale, 40 exercices corrigés, 6 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. Partie commande, partie opérative et chaînes fonctionnelles
- 1.1 Partie commande, partie opérative, opérateur
- 1.2 Chaîne d'information et chaîne de puissance
2. La chaîne d'information
- 2.1 Acquérir : capteurs, détecteurs, interface homme-machine
- 2.2 Traiter
- 2.3 Communiquer
- 2.4 Exemple : la chaîne d'information de l'ouvre-portail
3. La chaîne de puissance
- 3.1 Alimenter
- 3.2 Moduler : le préactionneur
- 3.3 Convertir : l'actionneur
- 3.4 Transmettre : le transmetteur
- 3.5 Agir : l'effecteur
- 3.6 Exemple : la chaîne de puissance de l'ouvre-portail
4. Les deux chaînes ensemble
- 4.1 Les liens entre les chaînes
- 4.2 Lire une chaîne dans un diagramme de blocs internes
- 4.3 Du système réel à la chaîne
5. Énergie, effort et flux le long d'une chaîne
- 5.1 Effort, flux et puissance sur chaque lien
- 5.2 Relations entre l'entrée et la sortie de quelques constituants
6. Répondre sur un document réponse
7. Caractériser les constituants de la chaîne de puissance
- 7.1 Préactionneur tout ou rien ou modulant
- 7.2 Réversibilité et quadrants
- 7.3 Bilan de puissance et rendement
- 7.4 Transmettre l'effort : couples à l'entrée et à la sortie d'un transmetteur
- 7.5 Puissance et énergie : batterie et autonomie
- 7.6 Justifier le choix d'un constituant
8. Lire un schéma avec la norme fournie
- 8.1 Produire et préparer l'énergie pneumatique ou hydraulique
- 8.2 Distributeurs et vérins
- 8.3 Schéma électrique de commande et de puissance
9. Caractériser les grandeurs et les capteurs
- 9.1 Grandeurs continues, alternatives, périodiques
- 9.2 Qualités d'un capteur
7. La chaîne à onze fonctions

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.

Distinguer partie commande, partie opérative et opérateur
Classer chaque constituant dans la chaîne d'information ou dans la chaîne de puissance
Associer à chaque constituant sa fonction générique et sa famille
Construire les deux chaînes à partir d'une description du système
Tirer les chaînes d'un diagramme de définition de blocs ou de blocs internes
Compléter une chaîne fonctionnelle sur un document réponse
Placer les liens entre les deux chaînes
Caractériser un capteur
Écrire la nature de l'énergie, l'effort et le flux sur chaque lien
Relier les vitesses et les débits à l'entrée et à la sortie d'un transmetteur ou d'un vérin
Identifier les constituants sur le système réel ou sa photo
Choisir un préactionneur et analyser la réversibilité
Faire le bilan de puissance d'une chaîne
Calculer une énergie stockée et une autonomie
Justifier le choix d'un constituant sur catalogue
Lire un schéma pneumatique ou hydraulique
Lire un schéma électrique de commande et de puissance
Caractériser une grandeur périodique
Caractériser un capteur par ses qualités
Construire la chaîne à onze fonctions

Les exercices corrigés

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

Application directe (16)

Les deux chaînes d'un robot de stimulation magnétique
Compléter la chaîne d'un orienteur de miroirs
Le store à capteurs de vent et de soleil
Capteur ou détecteur ?
La porte d'un train à grande vitesse
La direction découplée d'une automobile
La pince brucelles : huit repères
Les constituants d'une voiture radiocommandée
Le capsulage de bouteilles
Le hacheur d'un karting électrique
Le rendement d'un réducteur à six éléments
Cinq distributeurs à désigner
Démarrer un moteur triphasé
Valeur moyenne d'une tension découpée
La résolution d'un codeur
Un agitateur de poches de sang

Entraînement (18)

Les deux chaînes d'un déambulateur robotisé
L'axe d'un centre d'usinage
Le robot de la vigne
La chaîne de puissance d'un scooter
Le télésiège
La motorisation d'une base mobile
Le vélo à assistance électrique
Effort et flux autour d'un lève-vitre
Les portes d'un tramway
Le treuil sur batteries
Le circuit hydraulique du fouloir
Le circuit d'un transpalette
Le distributeur d'un centre d'usinage
Choisir le moteur d'un robot enjambeur
Les batteries d'un robot pompier
Inverser le sens d'un moteur
Les quadrants d'une laveuse de sol
La chaîne à quinze cases du robot de la vigne

Approfondissement (6)

Le scanner 3D
Le goniomètre à actionneurs piézoélectriques
Trouver l'erreur : effort et flux d'une table de radiologie
La chaîne de traction d'un train à grande vitesse
L'énergie à bord d'un voilier de course
Commander un moteur en linéaire ou par découpage

Les problèmes de concours

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

Le mélangeur bi-axial
CNC 2019, filière MP, Sciences industrielles, partie I « Partie préliminaire », questions Q1 et Q11
L'exosquelette d'assistance du poignet
Banque PT 2026, filière PT, Sciences industrielles A, partie D « Étude de l'asservissement des mouvements de déviation radio-ulnaire », sous-partie D.1 « Chaîne fonctionnelle de l'asservissement d'effort », questions Q29 et Q30
Le fouloir hydraulique
CNC 2020, filière TSI, Génie mécanique, partie I « Modélisation dynamique du fouloir », sous-partie 1.2 « Caractérisation du circuit hydraulique du fouloir », questions Q7 à Q10, Q12 et Q13
L'installation photovoltaïque d'une exploitation agricole isolée
CNC 2010, filière TSI, Génie électrique, « Étude d'une installation photovoltaïque », partie A « Dimensionnement de la batterie de stockage », questions A.1 à A.7, et partie B « Étude des panneaux solaires », questions B.1 à B.4
Le robot de la vigne
Banque PT 2022, filière PT, Sciences industrielles C, partie I « Analyse du robot », question Q1, et partie III « Étude énergétique du robot », questions Q22 à Q24 et Q29 à Q31
La machine-outil à commande numérique
CNC 2017, filière TSI, Génie électrique, partie A « Dimensionnement des moteurs des axes X et Y », sous-parties A-2 « Dimensionnement du moteur de l'axe X » et A-3 « Étude thermique du moteur de l'axe X », questions A-2-1 à A-2-6 et A-3-1 à A-3-6

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre chaîne d'information et chaîne de puissance ?

La chaîne d'information traite de l'information : elle acquiert (capteurs, boutons, interfaces), traite (carte à microcontrôleur, automate) et communique (voyant, écran, bus). La chaîne de puissance transforme l'énergie : elle alimente, module, convertit, transmet et agit sur la matière d'œuvre. Elles sont reliées par les ordres, qui vont de « traiter » vers « moduler », et par les grandeurs physiques acquises.

Quels sont les constituants de la chaîne de puissance ?

Dans l'ordre : la source alimente (réseau, batterie, compresseur), le préactionneur module ou distribue (relais, contacteur, variateur, hacheur, distributeur), l'actionneur convertit (moteur, vérin, résistance chauffante), le transmetteur transmet (réducteur, poulies-courroie, vis-écrou, pignon-crémaillère) et l'effecteur agit (pince, roue, outil). Il y a une chaîne de puissance par actionneur, alors que la chaîne d'information est souvent commune.

Le préactionneur fait-il partie de la chaîne de puissance ?

Oui. Le préactionneur reçoit un ordre de l'unité de traitement, mais c'est par lui que passe l'énergie de l'actionneur : il la dose, d'où la fonction « moduler ». Il se place donc dans la chaîne de puissance, entre la source et l'actionneur. Si un diagramme fait entrer l'énergie dans le moteur sans passer par le variateur, la commande perd son effet : on le signale et on corrige.

Quelle différence entre un capteur et un détecteur ?

Un capteur transforme une grandeur physique mesurée en une grandeur de sortie exploitable : tension, courant, impulsions ou nombre. Son signal peut être logique (deux états), analogique (variation continue) ou numérique (nombres codés). Un détecteur est un capteur tout ou rien, comme un fin de course. Dans les deux cas, un capteur ne reçoit jamais de flux d'énergie de puissance.

Quelles sont les grandeurs effort et flux en SI ?

Sur chaque lien de la chaîne de puissance, la puissance est le produit d'un effort par un flux. Électrique : tension $u$ et intensité $i$ , $P = u\,i$ . Rotation : couple $C$ et vitesse angulaire $\omega$ , $P = C\,\omega$ . Translation : force $F$ et vitesse $v$ , $P = F\,v$ . Hydraulique ou pneumatique : pression $p$ et débit $Q$ , $P = p\,Q$ . On calcule en unités du système international, avec $\omega = 2\pi N / 60$ .

Comment y accéder

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