2 Analyse Fonctionnelle

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COMMUNICATION TECHNIQUE Description fonctionnelle des systèmes

I. Les modèles de représentation La conception d’un nouveau système ou l’analyse d’un système existant peut être abordée suivant trois axes distincts :

o Par les fonctions que le système assure. Elles sont exprimées vis-à-vis des matières d’oeuvre et de l’environnement. Ces fonctions sont l’expression du besoin et répondent au pourquoi du système.

o Par la structure même du système, c’est à dire comment sont organisés et reliés les différents constituants matériels et logiciels.

o Par le comportement ou les tâches effectuées pour assurer les fonctions. Ces tâches se manifestent lors du fonctionnement du système par une succession chronologique d’actions relatives à des informations.

Pour représenter un système, on utilisera un modèle adapté au point de vue retenu (fonctions, structure, comportement) La figure ci-dessous présente différents modèles de représentation suivant les point de vue et établis en fonction de critères particuliers. La connaissance des fonctions découlant d’un besoin aide à mieux définir le produit qui satisfera ce besoin. L’analyse fonctionnelle est une démarche qui consiste à recenser, caractériser, hiérarchiser et valoriser les fonctions du produit (système). Suivant le cas, cette analyse peut être au service de :

STRUCTURE

STRUCTURE

FONCTIONS

FONCTIONS

COMPORTEMENT

COMPORTEMENT

Pourquoi Comment

Schématisation fonctionnelle : o Schéma cinématique o Schéma bloc o Schéma de puissance o Schéma de commande

Représentation détaillée :

o Perspective, dessin de projet

o Plan d’implantation des composants

o Diagramme des interacteurs

(Diagramme pieuvre) o Modèle SADT o Modèle FAST

Représentation temporelle : o Littérale : équation, fonction du

temps o Graphique : Chronogramme,

Gantt, réponse Représentation logique fonctionnelle :

o Littérale : langage algorithmique, équation booléenne

o Graphique : GRAFCET, logigramme, GEMMA

Représentation technologique : - Littérale : langage de programmation - Graphique : GRAFCET, Ladder

Modèles de description des comportements

Modèles de représentation structurelle

Modèles d’identification ou de représentation des fonctions


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o L’expression fonctionnelle du besoin au moyen d’un système à concevoir : c’est l’analyse fonctionnelle externe ;

o L’étude et la compréhension d’un système existant associé à un besoin : • l’analyse fonctionnelle interne permet la matérialisation des concepts de solutions

techniques. • l’analyse fonctionnelle descendante permet la décomposition structurelle d’un système en

sous-ensembles fonctionnels. II. Définitions normalisées L’analyse fonctionnelle fait appel à un vocabulaire normalisé qu’il faut maîtriser pour éviter toute confusion (se reporter aux normes AFNOR NF EN 1325 et NF X 50-150 � 153).

BESOIN Nécessité ou désir éprouvé par un utilisateur.

PRODUIT Correspond à ce qui est ou sera fourni à un utilisateur pour répondre à son besoin.

CONTRAINTES Limitation à la liberté de choix du concepteur/réalisateur d’un produit. Les contraintes viennent de l’environnement, de la technologie, du marché, de la situation et des choix de l’entreprise. Elles dépendent du lieu, et évoluent au cours du temps.

FONCTIONS Actions d’un produit ou l’un de ses constituants exprimées exclusivement en terme de finalité. On distinguera divers types de fonctions :

o Fonction de service : action attendue d’un produit (ou réalisée par lui) pour répondre à un élément du besoin d’un utilisateur donné.

o Fonction technique : Action interne au produit (entre ses constituants) choisie par le concepteur/réalisateur, dans le cadre d’une solution pour assurer des fonctions de service.

Une fonction technique répond à un besoin technique du concepteur/réalisateur et peut être ignorée de l’utilisateur final du produit.

INTERACTEURS Les fonctions de service d’un produit sont les relations de ce dernier avec les éléments de son environnement extérieur. Ces éléments sont appelés « interacteurs ». les interacteurs peuvent être des matières d’œuvre, des personnes, des objets techniques, des réseaux d’énergie ou d’information, le milieu ambiant, …

CYCLE D’UTILISATION

Lorsque dans les situations successives de son cycle d’utilisation, un produit est situé dans des environnements différents et (ou) doit assurer des services différents, l’énoncé du besoin sera facilité par des analyses distinctes à ces différentes phases, correspondant en fait à des « utilisations » ou des utilisateurs différents. Exemple : Dans le cas d’un verre, on peut distinguer 3 phases, à savoir l’utilisation pour boire, son lavage et son rangement.

CRITERE D’APPRECIATION

Caractère retenu pour apprécier la manière dont une fonction est remplie, ou une contrainte respectée. Dans la mesure du possible, le critère d’appréciation doit être accompagné d’une échelle permettant de situer son niveau. Pour une même fonction, il y a souvent plusieurs critères d’appréciation de natures différentes. Exemple : pour la fonction climatiser une pièce, on peut relever deux critères, l’un lié à la température, l’autre au taux d’humidité.

NIVEAU Grandeur repérée dans l’échelle adoptée pour un critère d’appréciation d’une fonction. Cette grandeur peut être celle recherchée en tant qu’objectif, ou celle atteinte pour une solution proposée. Suivant le cas, la satisfaction du besoin de l’utilisateur croît ou décroît avec le niveau ou encore présente un optimum.

FLEXIBILITE D’UN NIVEAU

Ensemble d’indications exprimées par le demandeur sur les possibilités de moduler le niveau recherché pour un critère d’appréciation. La prise en compte de la flexibilité des niveaux est une des caractéristiques fondamentales du cahier des charges fonctionnel. Elle permet d’organiser le dialogue entre partenaires dans la recherche d’une véritable optimisation.


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Tout niveau de critère d’appréciation est assorti d’une indication de flexibilité qui peut s’exprimer : o Qualitativement par des classes de flexibilité. o Quantitativement sous forme de limites d’acceptation.

La tolérance liée à la valeur nominale du niveau fait partie intégrante de ce niveau. Il ne faut pas la confondre avec la flexibilité.

CLASSE DE FLEXIBILITE

Indication littérale, placée auprès d’un critère d’appréciation permettant de préciser son degré de négociabilité ou d’impérativité. On peut par exemple définir quatre classes de flexibilité :

o Flexibilité nulle (F0) : Niveau impératif o Flexibilité faible (F1) : Niveau peu négociable. o Flexibilité moyenne (F2) : Niveau négociable. o Flexibilité forte (F3) : Niveau très négociable.

LIMITE

D’ACCEPTATION Niveau de critère d’appréciation au delà duquel, ou en deçà suivant le cas, le besoin est jugé non satisfaisant. Toute solution ne respectant pas ou plus une limite d’acceptation est inacceptable. De ce fait, le demandeur doit être extrêmement conscient des conséquences du choix des limites.

SOLUTION TECHNIQUE

La solution technique est ce qui est proposé par le concepteur pour réaliser une fonction.

III. Analyse fonctionnelle externe III.1. Contraintes imposées au concepteur Un système technique répond toujours à un besoin exprimé. Il sera en permanence soumis aux conditions et contraintes imposées par quatre milieux ambiants qui constituent son environnement : - Le milieu humain (but, sécurité,....) - Le milieu physique (bruit, chocs, chaleur,...) - Le milieu économique (prix de revient, SAV, ....) - Le milieu technique (énergies disponibles,...) Exemple : le fer à repasser Les contraintes avec le milieu humain sont : facilité d’emploi, différentes possibilité d’utilisation (température, vapeur, …), sécurité (brûlures et risque électriques). Le milieu physique impose une bonne résistance aux chocs (chute de l’appareil) et à l’humidité (corrosion). Les contraintes économiques sont évidentes pour ce genre d’appareil de grande distribution : coût d’achat, d’utilisation et d’entretien, service après vente. Le milieu technique quant à lui impose l’alimentation en énergie électrique. III.2. Cycle de vie Les principales phases du cycle de vie d’un système sont les suivantes :

Conception

Fabrication

Utilisation

Destruction

Spécification

Chaque étape est caractérisée par des objectifs, des contraintes et des risques propres. Leur expression et leur caractérisation, lors de l’étape initiale de spécification, sont des points clés pour la réussite et le bon devenir du système. Dans certains types de produits ou systèmes, on peut aussi mettre en évidence les phases d’étude de marché, de commercialisation, d’entretien, de recyclage, …


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III.3. Enoncé du besoin - Méthode « APTE » (Application des techniq ues d’entreprises) a. Diagramme « bête à cornes » C’est un diagramme pour lequel on est amené à se poser trois questions :

� Imagerie médicale :

Si on limite la frontière d’étude au mécanisme de positionnement, le diagramme « bête à cornes » est :

Mécanisme de positionnement

L’équipe médicale Position de la caméra lors de la prise de vue

SUR QUOI AGIT-IL ? A QUI REND-IL SERVICE ?

DANS QUEL BUT ?

Diagnostiquer des anomalies pathologiques

� Dameuse pour pistes de ski

Dameuse

Responsable de l’entretien Neige des pistes


DANS QUEL BUT ?

Assurer le plaisir de glisse des usagers des pistes

PRODUIT


DANS QUEL BUT ?


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b. Diagramme des interacteurs ou diagramme « pieuvre » Il faut généralement plusieurs fonctions de service pour répondre au besoin qui s’exprime sous forme d’une fonction globale. Le diagramme "pieuvre" , permet d'identifier les fonctions de service FSi d'un produit. On essaye de traduire les relations entre le produit et le milieu extérieur (interacteurs). On peut noter les fonctions principales FPi (elles relient plusieurs interacteurs) et les fonctions contraintes FCi.

SYSTEME

M2

M1

M3

M5 M4

FC1

FP1

FP2 FC2

Frontière

� Pince pneumatique de bras manipulateur

PINCE de préhension

UNITE LINEAIRE

ENVIRONNEMENT ENERGIE

PIECE A SAISIR FP1

FC1

FC2

FC3

FP1 : saisir une pièce ; FC1 : être encastrable sur le bras manipulateur ; FC2 : être raccordable au circuit d'alimentation en air comprimé ; FC3 : résister au milieu ambiant.

� Mécanisme de positionnement - imagerie médicale

FS1 : positionner la caméra par rapport au patient pour la prise de vue ; FS2 : ne pas blesser le patient ; FS3 : s’adapter à l’énergie disponible ; FS4 : être piloté par l’utilisateur ; FS5 : informer l’utilisateur et acquérir des ordres de l’utilisateur ; FS6 : respecter le milieu environnant ; FS7 : être rigide et stable par rapport au sol.

La démarche primitive sera définie de la manière suivante: - Identification des interacteurs (M1, M2,.....). - Mises en relations entre système et interacteurs. - Détermination de la ou des fonctions de service issues de chaque relation. (FP1, FC1,......)


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III.4. Cahier des charges fonctionnel CdCF Le cahier des charges fonctionnel doit permettre d’apporter une réponse sous forme d’un produit à un problème évoqué en terme de besoin, l’objectif étant d’obtenir la proposition la plus apte à rendre le service attendu. Il doit ainsi permettre :

o D’orienter la recherche de la solution optimale du produit d’un point de vue technico-économique ;

o De favoriser le dialogue entre partenaire ; o D’utiliser les techniques et technologies ; o De renforcer l’innovation.

« Document par lequel le demandeur exprime son besoin (ou celui qu’il est chargé de traduire) en terme de fonctions de services et de contraintes. Pour chacune d’elles sont définis des critères d’appréciation et leurs niveaux. Chacun de ces niveaux doit être assorti d’une flexibilité » (AFNOR X 50-150). Un cahier des charges fonctionnel doit selon la norme X 50-151, comprendre :

o A rédiger par le demandeur : (qui connaît le besoin) - Une présentation générale du problème - Le produit et son marché ;

- Le contexte du projet, les objectifs ; - L’énoncé du besoin ; - L’environnement du produit recherché ;

- L’expression fonctionnelle du besoin - Les fonctions assurées par le produit ; - Les différentes contraintes et leurs critères d’appréciation.

o A rédiger par le concepteur/réalisateur : (qui connaît technologies, coûts et délais et qui dispose des moyens)

- Un appel à variantes - Il peut être demandé plusieurs autres solutions pour favoriser l’innovation ;

- Un cadre de réponses - Evaluation objective de chaque fonction ; - Evaluation objective de l’ensemble du produit demandé.

« Dans le cas de produits complexes et (ou) de nouvelles créations, il est souvent nécessaire de procéder à des éditions successives du CdCF avant d’arriver à son expression définitive » (AFNOR X 50-151).

� Imagerie médicale / mécanisme de positionnement

Fonctions Critères d’appréciation Niveau Flexibilité FS1 - volume de travail tubulaire

- vitesse de translation de la caméra selon u - amplitude de la rotation de la caméra autour de t - amplitude de la rotation de l’axe principal 1 autour de x - vitesse de rotation en travail de la caméra ; - vitesse de rotation rapide de replacement de la caméra ;

10 à 40 cm 0,02 m/s ± 10 °

( ) [ ]°∈= 180;0,uyrrθ

1 tr/min 5 tr/min

F0 F0 F0 F0 F0 F1


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- précision en rotation de la caméra autour de t ; - précision en rotation de l’axe principal 1 autour de x ; - écart angulaire admissible entre l’axe u et l’axe de la caméra (du à la flexion du bras 5) ; - durée de vie.

0,1 ° 0,1 ° 0,015° 15000 heures

F0 F0 F0 F1

FS2 - arrêt instantané de tout mouvement ; - dégagement manuel possible.

FS3 - tout type d’énergie FS4 et FS5 - commande manuelle, pas à pas et automatique de tout mouvement ;

- information de position ; - information de mode de fonctionnement.

FS6 - isolation électromagnétique ; - pollution.

Normes de certification européennes

F0

FS7 - rigidité et stabilité de la fixation au sol.

� Dameuse / Treuil

Caractérisation partielle de la Fonction de Service FSI du treuil

Fonction Critère Niveau

Permettre à la dameuse Vitesse de la dameuse 5 km.h-1

FS1 de se déplacer sur une Variation de la vitesse ± 10%

piste à forte pente A-coup aucun


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IV. Analyse fonctionnelle interne – Méthode FAST FAST : Function Analysis System Technic. Pour une solution technologique donnée, ce type de diagramme permet de représenter de façon synthétique un enchaînement hiérarchisé de fonctions techniques. Le modèle FAST se présente sous forme d’un arbre de fonctions partant de la fonction globale ou d’une fonction de service du système. Cette représentation permet de décrire la décomposition des fonctions et peut déboucher sur des solutions techniques détaillées. A partir d’une fonction donnée, il s’établit en répondant aux questions : Pourquoi ? Quand ? Comment ?

Quand ?

Pourquoi ? Comment ?FONCTION

Quand ?

La solution technique est décrite succinctement, le but est de se repérer par un sous-ensemble fonctionnel sur le système. On peut retrouver plusieurs fois la même solution technique en regard de fonctions élémentaires différentes.

� Bras manipulateur

� Baladeur CD

FP1 : Transformer les informations du CD en son

FP1 FT11 : décoder les informations

FT111 : Lire les informations

FT1111 : mettre en rotation

Moteur électrique

FT112 : Interpréter les informations

FT1112 : émettre un laser

Laser classe 1

Décodeur

FT12 : Transmettre le signal

FT13 : Transformer le signal en son

Fil

Ecouteurs

Fonction de service Fonctions Techniques Solutions constructives

Pourquoi ? Cette question concerne la fonction précédente, la réponse commence par « pour ». Quand ? Cette question s’applique à une ou des fonctions situées au même niveau. La réponse commence par « si simultanément ». Comment ? Cette fonction s’adresse à la fonction suivante, la réponse commence par « en ».

Fonction Fonctions techniques Solutions techniques Principale élémentaires SAISIR une TRANSLATER Unité Linéaire pièce FP1 FT1 PIVOTER Base Rotative FT2 PRENDRE la pièce Pince FT3


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� Toyota Prius

À partir de la position de la pédale d'accélérateur et de la vitesse du véhicule, le calculateur détermine la vitesse de rotation optimale du moteur thermique et la consigne d'ouverture du papillon des gaz. La puissance en sortie du moteur thermique est transmise, grâce à un train épicycloïdal, à la chaîne silencieuse et à la génératrice. Un asservissement en vitesse de la génératrice permet de contrôler la vitesse de rotation du moteur thermique. Le répartiteur de puissance gère les échanges de puissance électrique entre la génératrice, le moteur électrique et la batterie.


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� Système de liaison satellite pour navire

FS1 ASSURER la liaison Navire Satellite

FT 1 CHOISIR un satellite

FT 1.1 STOCKER les longitudes de stationnement des satellites

Fichier satellites

FT 1.2 DETERMINER le satellite

Logiciel calculateur : procédure « choix du satellite »

FT 2 ORIENTER l’axe radioélectrique de l’antenne

FT 2.1 CALCULER les consignes pour chaque axe du positionneur

Chaînes fonctionnelles des deux axes

FT 2.2 COMMANDER les axes du positionneur

FT 2.3 DEPLACER l’antenne Chaînes cinématiques du

positionneur

FT 2.4 FONCTIONNER sans « point mort »

Dispositif de recopie d’angle

FT 3 OPTIMISER la qualité de la liaison

FT 3.1 GENERER un signal d’écart

Récepteur de balise

FT 3.2 CALCULER les corrections de position ∆α et ∆β.

Logiciel calculateur : procédure « correction écartométrie »


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FT 2.1

CALCULER les consignes pour chaque axe du positionneur

FT 2.1.1 CALCULER la position du satellite / repère local

FT 2.1.1.1 CONNAITRE la position du navire

G.P.S.

FT 2.1.1.2 CONNAITRE la longitude de stationnement du satellite

Fichier satellites

FT 2.1.2 CALCULER la positions instantanée du navire / repère local

FT 2.1.1.3 CALCULER

Gyrocompas FT 2.1.2.1 CONNAITRE le cap du navire

FT 2.1.2.2 MESURER les mouvements de lacet, roulis, tangage du navire

Gyromètres et inclinomètres

FT 2.1.2.3 CALCULER Logiciel calculateur : procédure

« correction navire »

FT 2.1.3 CALCULER la position instantanée du satellite / repère positionneur

FT 2.1.3.1 CONNAITRE la position relative rep. positionneur / rep. navire

Fichier calage positionneur

FT 2.1.3.2 CALCULER les consignes articulaires α et β.

Logiciel calculateur : procédure « Modèle géométrique positionneur »

« Formules de localisation »

V. Analyse fonctionnelle descendante - Méthode SADT SADT : Structured Analysis for Design and Technic. Le modèle SADT est un diagramme à "boîtes descendantes", il part du général pour aller au particulier. La description du système s'effectue alors sous la forme d'une suite cohérente d'actigrammes. A partir d’une première analyse qui définit la fonction globale du système ainsi que la frontière avec les interacteurs (voir diagramme pieuvre), cette fonction globale est décomposée par niveaux successifs. A chaque niveau et pour chaque fonction on devra répondre aux questions : Que faire ? Définition de la fonction Sur quoi ? Définition de la matière d’œuvre Pourquoi ? Définition de la valeur ajoutée Avec quoi ? Définition du moyen ou support d’activité

Pour un même système, plusieurs représentations suivant le modèle SADT sont possibles suivant des points de vue différents : point de vue du concepteur, point de vue de l’utilisateur, point de vue de la maintenance, etc. La représentation des activités est modélisée par des boites ou actigrammes. Au delà du premier niveau d’analyse, les actigrammes sont reliés entre eux par des flèches qui visualisent les différents flux de données. La fonction globale du système est représentée par le niveau A-0 (un seul actigramme).


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Le niveau inférieur à A-0 noté A0 met en évidence les fonctions principales du système selon le point de vue retenu. Chaque fonction F1, F2,... du niveau A0 permet à son tour une représentation de niveau A1, A2, ..... D’une manière générale, le degré retenu pour limiter l’analyse dépend essentiellement de la complexité du système et du niveau de détail souhaité.

FONCTION GLOBALE

A-0

Frontière d’isolement

Système (ou moyen)

W C R E

Matière d’œuvre (M.O.) Matière d’œuvre (M.O.)

+ Valeur ajoutée (V.A.)

Informations

Pertes énergétiques et rebuts

Contraintes d’activité

W : contrainte énergétique ;

C : contrainte de configuration ; R : contrainte de réglage ; E : contrainte d'exploitation.

� Exemples :

Energie électrique Transformer

A-0

Groupe motopompe

Energie hydraulique

Réglage débit

Capsuler

A-0

Capsuleuse

Capsules

Boîtes Boîtes capsulées

Energie électrique

Energie pneumatique

Consignes départ cycle, marche, arrêt, cadence, …

Pertes énergétiques

(Les différents éléments ne sont pas forcément tous indiqués selon l’utilité ou le niveau de détail souhaité)


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DEPLACER dans l’espace

A-0

Hélicoptère

Charge en position 1 Charge déplacée

en position 2

Consignes de vol

Charge déplacée en position 2

MONTER DESCENDRE

A1

Rotor principal + dispositif de déplacement vertical

Charge en position 1

Consignes d’altitude

Déplacement Tz

ORIENTER suivant z A2

Rotor de queue

Consignes d’orientation

Déplacement Rz

DEPLACER sans variation d’altitude A3

Rotor principal + dispositif de déplacement horizontal

Consignes de déplacement

Déplacement Tx, Ty, Rx, Ry

A0

Hélicoptère

Règles pour l’analyse descendante : Chaque diagramme d’activité ou actigramme nécessite au moins : une activité, un support d’activité, une matière d’oeuvre entrante, une matière d’oeuvre sortante. L’actigramme de niveau le plus élevé ne comporte qu’une fonction, la fonction globale du système (niveau A - 0). Chaque décomposition d’une activité peut être représentée par un nouvel actigramme limité à 6 fonctions. Le support technique qui conduit l’activité a besoin d’énergie pour modifier l’état de la matière d’oeuvre. Les données de contrôle ne sont normalement pas modifiées par l’activité mais la déclenche ou la module. Toutefois si une contrainte subit une transformation ou une dégradation cela ne constitue pas le but principal de l’activité. Si une donnée est à la fois entrée et donnée de contrôle, on la représente comme donnée de contrôle. Si l’énergie nécessaire au processeur est également matière d’oeuvre, on indique en donnée de contrôle la caractéristique de l’énergie qui influe ou déclenche la fonction. La sortie d’un module peut constituer l’entrée ou une donnée de contrôle pour un ou plusieurs nouveaux modules. Une fonction peut être supportée par plusieurs processeurs.

A - 0

1

2

3 A0

31

32

33 A3

Fonction globale du système

Degré d’analyse croissant


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� Distributeur automatique de café type « DISPENSER D10 »

Réserve de grains de café

Broyeur

Doseur de café moulu

Moto-réducteur

Chaudière

Piston d’éjection du marc de café

Groupe café (rotor non visible)

Tuyau d’arrivée d’eau chaude sous pression

Gouttière d’arrivée de la boisson (café chaud)

FAIRE DU CAFE

DISPENSER D10

Réglages

Pièce(s) ou jeton

Marc Boisson (Café chaud)

Eaux usées

Grains de café

Eau

A-0

Energie

Informations d’état

Pièces ou jetons

Café « court » ou « long »

GERER

A1

ELABORER la mouture

A2

PREPARER l’eau

A3

ELABORER la boisson

A4

Prix

Pièce(s) ou jeton

Energie

Ordres

Partie commande + pupitre de sélection

GRAINS DE CAFE

EAU

Réseau hydraulique (doseur + chaudière + pompe)

Groupe café

Broyeur + doseur

Eau chaude dosée

Café moulu et dosé

Ordre d’évacuation du marc

Tassement de la mouture

Marc

BOISSON (Café chaud)

Eaux usées

Température d’eau

Information de position du plateau tournant

A 0

Température d’eau Dose

d’eau

Finesse de la mouture

Dosage

Ordres

Informations d’état

VALIDER La somme

A5

Réglages

Pièces ou jetons

Monnayeur

Café « court » ou « long »

DISPENSER D10

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