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1 Université de Laghouat Département d’électrotechnique 3eme année Lic/ELT Cour

1 Université de Laghouat Département d’électrotechnique 3eme année Lic/ELT Cours : Logiciels de simulation Programme Chapitre 1 : Généralités sur les logiciels de simulation - Introduction - Les étapes de simulation - Les logiciels de simulation utilisés en génie électrique - Notions sur la programmation et la simulation sous Matlab Chapitre 2 : Modélisation et Simulation des circuits électrique - Simulation des équations différentielles - Simulation de circuits RC, RL, RLC Chapitre 3 : Modélisation et Simulation des circuits d’électronique de puissance - Modélisation et simulation des circuits non commandés - Modélisation et simulation des circuits commandés Chapitre 4 : Simulation des machines électriques - Modélisation et simulation des machines à courant continu - Modélisation et simulation des machines à courant alternatif 2 Chapitre I : Généralités sur les logiciels de simulation I.1 Introduction La simulation est l’un des outils d’aide à la décision les plus efficaces à la disposition des concepteurs et des gestionnaires des systèmes complexes. Elle consiste à construire un modèle d’un système réel , conduire des expériences sur ce modèle et interpréter les observations fournies par le déroulement du modèle afin de comprendre le comportement de ce système, formuler des décisions et d’en améliorer les performances du système. . Le but c’est de comprendre le comportement dynamique du système, de comparer des configurations, d’évaluer différentes stratégies de pilotage, d’évaluer et d’optimiser des performances. Les logiciels de simulation permettent de simuler le comportement dynamique d'un système qui est représenté par un modèle mathématique. À chaque étape de la simulation du modèle, l'état de chaque partie du système est calculé à l'aide de solveurs basés sur le temps ou sur événement. En règle générale, les logiciels de simulation intègrent également des outils de visualisation, tels que des systèmes d'affichage des données, qui permettent de surveiller la simulation pendant son exécution. Le système Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3 Bloc 4 Implémentation de modèle simulation Simulation 3 Les ingénieurs et les scientifiques utilisent les logiciels de simulation pour de nombreuses raisons :  Il est souvent moins coûteux et plus simple de créer et simuler un modèle que de créer et tester un prototype matériel.  Si le prototype matériel n'est pas disponible suffisamment tôt au cours du processus de développement, les logiciels de simulation permettent d’explorer l'espace de conception et tester différents scénarios. I.2 Les étapes de la simulation I.2.1 Analyse du problème Elle permet de préciser le contexte de l'étude. Elle se décompose en:  Identification du problème; spécification des objectifs.  Réalisation d'une première ébauche du modèle qui a pour but d'en délimiter les frontières et de spécifier les données dont on a besoin.  Validation auprès de l'utilisateur (celui qui est à l'origine de l'étude). Le but à atteindre dans cette étape est de construire un modèle valide qui soit le plus simple possible, tout en restant cohérent avec les objectifs de l'étude. Il faut donc tout d’abord formuler explicitement ces objectifs, et les divers scénarios à étudier. Le compromis difficile à trouver; en effet, le concepteur du modèle cherche toujours la simplification, alors que l'utilisateur souhaite que soient finement représentés les constituants du système, la condition indispensable pour que l'utilisateur accepte les résultats de la simulation est qu'il soit convaincu que le modèle construit est fidèle à la réalité. Par exemple, s'il s'agit de modéliser une machine, l’utilisateur imposerait à modéliser tous les processus physiques générateurs de délais (changements d'outils, bridage, réglage, usinage, ...). Cette dernière approche, si elle a l'inconvénient d'alourdir le modèle, présente cependant un avantage important: I.2.2 Construction du modèle Elle comprend la modélisation logico-mathématique, ou il est important de construire un programme facilement modifiable. Cette étape se termine par une validation qui consiste à comparer le comportement du modèle avec celui du système physique qu'il est censé représenter. I.2.3 Exploitation du modèle Quand le modèle est validé, il peut servir à l'évaluation du comportement du système. Cette phase nécessite une définition précise de la campagne d'exploitation (quelles hypothèses veut-on vérifier, dans quel contexte), la production de mesures par la simulation, la mise en forme et la comparaison des résultats obtenus aux objectifs poursuivis. S'ils n'ont pas été atteints, de nouveaux scénarios sont proposés et testés jusqu'à satisfaction. Cette étape nécessite que soient déterminés avec rigueur la durée de la simulation et le nombre de réplications (exécutions du modèle de simulation). I.3 Les logiciels de simulation utilisés en Génie électrique Plusieurs logiciels sont disponibles dans le domaine génie électrique, nous allons citer quelques logiciels les plus utilisés. I.3.1 Simulation des circuits avec Excel : Excel est un outil de gestion de données et peut aussi faire la simulation, en effet, le classeur Excel comprend un grand nombre de formule dépendante des unes et des autres plus a des outils d'analyse de simulation qui permettent de connaître les situations possibles grâce au modèle déjà en place et donc en émettant des hypothèses et connaître les résultats de ces 4 hypothèses. Il existe plusieurs outils sous Excel, mais les deux plus importants sont la valeur cible (qui permet de déterminer le résultat voulu et Excel va trouver une combinaison possible et réelle) et le solveur (permettant de faire les calcul ). I.3.2 Le logiciel PSPICE PSPICE est un programme de simulation et des logiciels utiles qui permet de créer, analyser et simuler les performances des circuits électriques ou électroniques dans un laboratoire virtuel puissant. I.3.3 COMSOL Multiphysics Le COMSOL Multiphysics (ancien nom : Femlab), est un logiciel de simulation numérique qui prend comme méthode de calcul les éléments finis. Ce logiciel permet de simuler de nombreuses physiques et applications en ingénierie, il contient plusieurs modules parmi les quelles nous citons ; - Le Semiconductor Module qui permet une analyse détaillée du fonctionnement de composants semi-conducteurs. - L'AC/DC Module qui permet de simuler des champs électriques, magnétiques et électromagnétiques dans des applications statiques et à basses fréquences. Les applications type concernées sont les condensateurs, les inducteurs, les isolateurs, les bobines, les moteurs, les actionneurs et les capteurs 5 - Le Wave Optics Module qui propose des outils dédiés à la simulation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux optiques linéaires et non linéaires, afin de permettre une simulation précise des composants optiques et une optimisation de leurs designs. A l’aide de ce module, vous pourrez simuler des ondes électromagnétiques à haute fréquence dans les domaines temporel ou fréquentiel au sein de structures optiques. - Heat Transfer Module, il est possible d'étudier les effets du chauffage et du refroidissement dans les dispositifs, les composants ou les procédés I.3.4 les logiciels ANSYS ANSYS développe des logiciel de simulation en 2 et 3D, parmi les quels on trouve ANSYS Maxwell qui est le logiciel de simulation de champs électromagnétiques pour la conception et l'analyse des moteurs électriques, actionneurs, capteurs, transformateurs et autres dispositifs électromagnétiques et électromécaniques. il comprend des interfaces de conception spécialisées pour les machines électriques et les convertisseurs de puissance. 6 I.3.5 Logiciel Psim Le logiciel Psim est un logiciel de simulation pour l’électricité, l’électronique et l’électrotechnique. Le module Psim permet de :  de réaliser le schéma du montage, à partir des éléments de la bibliothèque (composants, machines, transformateurs, interrupteurs électroniques et leurs éléments de commande, appareils de mesures…).  de configurer et de lancer la simulation des grandeurs (électriques, mécaniques). Le module Simview.exe permet de visualiser les courbes de variation des grandeurs définies par les appareils de mesure. 7 I.3.6 Simulink sous Matlab Simulink est un logiciel de modélisation système multi-physique, il peut modéliser un système, simuler son comportement, décomposer le design avant son implémentation. Avec Simulink, il est possible de créer des diagrammes hiérarchiques de blocs pour la modélisation haut niveau d’un système, La simulation permet de s'assurer que le système correspond aux spécifications. La simulation est paramétrée de manière à optimiser les performances. Simulink peut modéliser des données simples ou multicanaux, des composants linéaires ou non. Simulink peut simuler des composants numériques, analogiques ou mixtes. Il peut modéliser des sources de signaux et les visualiser. . 8 9 I.4 Les applications de la simulation Les applications de la simulation sont illimitées. Parmi les domaines dans lesquels elle est le plus utilisée, on peut citer :  L’informatique : recherche de configurations, réseaux, architecture de bases de données, ...  La production : gestion des ressources de fabrication, machines, stocks, moyens de manutention, ...  La gestion : marketing, tarification, prévisions, gestion du personnel, ...l’administration : gestion du trafic, du système hospitalier, de la démographie, ...  L’environnement : pollution et assainissement, météorologie, catastrophes naturelles, ...  etc ... 10 I.5. Notions sur la programmation à l’aide de Matlab I.5.1) Définition MATLAB (matrix laboratory) est un langage de programmation émulé par un environnement de développement du même nom ; il est utilisé dans des domaines très différents comme l’ingénierie, les sciences et l’économie dans un contexte aussi bien industriel que pour la recherche à des fins de calcul numérique. Développé par la société The MathWorks, MATLAB permet de manipuler des matrices, d'afficher des courbes et des données, de mettre en uploads/Management/ cours-logiciels-de-simulation.pdf