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LOGICIEL DE SIMULATION NUMERIQUE DES SYSTEMES PHYSIQUES PRESENTATION Présentati

LOGICIEL DE SIMULATION NUMERIQUE DES SYSTEMES PHYSIQUES PRESENTATION Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 SIMULATION NUMÉRIQUE DES SYSTÈMES PHYSIQUES Développé par la société Atemi, SiNuSPhy est un logiciel de simulation numérique destiné aux élèves de classes de lycées, 2nde, 1ère, terminale, de STS, de CPGE. Il a pour objectif de développer leurs savoirs et compétences dans le domaine de la modélisation, de l’analyse et de la simulation des systèmes physiques. Conçu dans le même esprit que Meca3D en ce qui concerne l’analyse dynamique des ensembles mécaniques, SiNuSPhy met tout particulièrement l’accent sur l’ergonomie de son interface visuelle, et sur la dimension pédagogique. Les fonctionnalités de SiNuSPhy : décrire / analyser la structure d’un système le représenter sous forme d’un graphe structurel, en identifiant ses constituants, et en exprimant ses lois de comportement temporelles Modéliser permettre la simulation du comportement de chaque constituant, mais aussi de l’ensemble faire varier les paramètres et proposer la consultation des résultats (courbes, tableaux,…) relatifs aux entrées/sorties des blocs Simuler Remarque: Il y a deux versions du logiciel: celle du professeur qui imagine et construit le scénario et celle de l’élève qui voit le "film" et agit sur lui Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 SiNuSPhy –Simulation Numérique des Systèmes Physiques- permet la simulation de systèmes requérant une modélisation dans différents champs de la physique et de la technologie : électricité, mécanique, thermodynamique, hydraulique. L’objectif est de libérer l’utilisateur de la résolution des équations et systèmes issue de cette modélisation, et de mettre à sa disposition des résultats facilement interprétables à partir de courbes, tableaux de valeurs ou animations. SiNuSPhy a été développé dans la perspective d’une utilisation par des élèves de lycée, de première et terminale, ou de classes post-bac de STS ou CPGE. Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 L’INTERFACE VISUELLE L’interface visuelle de SiNuSPhy a été volontairement simplifiée pour réduire au maximum le temps d’appropriation des différentes commandes. Elle comporte pour l’essentiel trois zones : Barre d’outils : Toutes les commandes sont regroupées dans une seule barre d’outils comportant une vingtaine de boutons : commande relatives à la gestion des fichiers, outils de créations des composants de base, simulation et accès aux paramètres de configuration. Bibliothèque de composants : SiNuSPhy offre la possibilité à l’utilisateur de créer ses propres composants, puis de les stocker dans une bibliothèque pour une réutilisation ultérieure. La partie droite de la fenêtre est constituée d’un explorateur et d’une fenêtre de prévisualisation de ces composants de bibliothèque. Schéma du système La partie centrale de la fenêtre est destinée à la visualisation du schéma au cours de sa construction Simulation, résultats Les paramètres de simulation et les résultats sont accessibles au moyen de fenêtres spécifiques. Toutes les entrées/sorties des blocs peuvent être consultées après simulation par un simple clic droit de la souris… Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 Barre d’outils Composants de bibliothèque Zone de création du schéma Fenêtre de simulation Courbe de résultats LIEN AVEC SYSML SysML - Systems Modeling Language - est un langage de modélisation qui permet la spécification, l'analyse, la conception, la vérification et la validation de nombreux systèmes. La représentation d’un système dans SiNuSPhy est voisine de l’un des deux types suivants de SysML : Diagramme de bloc interne (Internal block diagram) dans une utilisation de niveau supérieur, à partir de composants de bibliothèque. A ce niveau, le schéma représente les flux entre composants du système, correspondants aux transferts d’énergie ou au traitement des informations nécessaires à la commande. Son aspect est le suivant : Dans ce mode d’utilisation, aucune équation de comportement n’est visible par l’utilisateur. Diagramme paramétrique (Parametric diagram) lors de l’utilisation des composants fondamentaux, qui s’appuient sur l’écriture des équations de comportement issues des lois de la physique. Son aspect est le suivant : Dans ce mode d’utilisation, chaque bloc définit des variables d’entrée/sortie, des constantes et une ou plusieurs équations de comportement, accessibles dans une fenêtre spécifique. Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 LA MODÉLISATION Modéliser un système est une démarche purement intellectuelle. Elle repose en général sur deux phases successives : la première est une approche structurelle, conduisant en général à une représentation graphique du système et/ou des sous-systèmes : graphe de liaison, schéma bloc, schéma structurel… la seconde est physique et/ou mathématique, en associant à chaque composant du système une représentation abstraite, se prêtant à un traitement et à l’obtention de résultats numériques. Dans les différents champs de la physique – électricité, mécanique, thermique, hydraulique…- la modélisation repose sur la mise en place d’équations exprimant le comportement du composant : moteur, pompe, vérin, rotor… Remarque Il est à noter que la modélisation d’un système est généralement conditionnée par l’objectif que l’on se fixe. La phase de modélisation est fondamentale dans l’étude d’un système. Elle s’appuie sur la formulation d’hypothèses relatives au comportement réel. MODÈLE DE CONNAISSANCE, MODÈLE DE COMPORTEMENT Il existe deux façons de construire le modèle d’un système : modèle de connaissance : il est possible d’associer à chaque constituant une ou plusieurs lois de comportement entre ses paramètres physiques ; modèle de comportement : il est souvent difficile, voire impossible, de mettre en place des équations théoriques relatives aux éléments du système. Dans ce cas, on peut observer expérimentalement la réponse du système à certaines sollicitations extérieures, et en déduire une loi de comportement par analogie avec des systèmes classiques, connus : système du premier ou du second ordre, présence d’un retard, de saturation… Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 Système réel Modèle physique Modèle mathématiqu e Résolution, simulation Résultats Mesures Observation, hypothèses, lois de comportement Mise en équations Solveur Visualisation Capteur, conditionneur Comparaison Diagnostic Réponse Objectif Bilan Exemple SiNuSPhy L’illustration ci-dessous montre la modélisation par SiNuSPhy du portail automatisée FAAC, à chaîne d’énergie électro-hydro-mécanique. Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 Moteur Réducteur Pompe Vérin Alim Mécanisme Maquette Solidworks 3D du portail Modélisation dans SiNuSPhy LA SIMULATION Solveur Simuler le comportement d’un système consiste à traiter le système d’équations mis en place lors de la modélisation. Les systèmes sont généralement constitués d’équations algébriques linéaires (cinématique, statique en mécanique) ou d’équations différentielles linéaires, d’ordre 1 ou d’ordre 2 (dynamique, électricité, thermique…). Dans la grande majorité des cas, les systèmes à traiter n’admettent pas de solution explicite, et seules des méthodes numériques permettent d’obtenir une solution approchée. Le solveur est le module logiciel qui assure cette phase de traitement numérique. Il est un élément clé de la simulation : algorithmes utilisés, performance en terme de précision, de rapidité de traitement… Résultats L’illustration ci-dessus montre les courbes de résultats du système électro-hydro-mécanique du portail FAAC. La tension d’alimentation du moteur est de 7,8 V pendant 0,125 s environ, et passe à 15 V ensuite. On observe en réponse la loi d’effort du vérin sur le portail, et l’accélération de ce même vérin. Analyse Après résolution, une étape cruciale de la démarche consiste à effectuer une analyse critique de la solution obtenue, de façon à valider le modèle et la simulation. Idéalement, c’est la comparaison avec les valeurs de certains paramètres, relevées expérimentalement sur le système réel ou sur une partie de celui-ci, qui permet cette validation. Le diagnostic est binaire : l’écart observé entre les valeurs « réelles » et celles issues de la simulation est inférieur à un critère de qualité fixé à l’avance. On peut présumer dans ce cas que le modèle est satisfaisant, pour un domaine de valeurs voisin de celui de l’expérimentation. Il convient de renouveler la comparaison en faisant varier les valeurs des paramètres d’entrée-sortie, de façon à cerner le domaine de validité du modèle. l’écart entre les valeurs mesurées et simulées dépasse le critère de qualité fixé. Une phase d’analyse critique doit alors permettre d’identifier l’origine de cet écart, et de remettre en cause les deux chaines d’obtention de résultats, expérimentale et simulée. Cette phase ne peut être menée que par un expert, capable d‘identifier les causes de l’écart : frottement dans la partie mécanique, non linéarité du comportement, valeurs de constantes du modèle mal connues… Présentation SiNuSPhy – Copyright © Atemi 2011 EQUATIONS DANS SINUSPHY La saisie des équations dans SiNuSPhy répond à des règles strictes, décrites ci-dessous. Equations linéaires Qu’elles soient algébriques ou différentielles, les équations définissant le modèle doivent être linéaires. Rappel : soit f une application de Rn dans R : u = f(X). Elle est linéaire si f(λ X) = λ f(X) et si f(X + Y) = f(X) + f(Y). Equations différentielles d’ordre 1 SiNuSPhy accepte les équations différentielles d’ordre 1. La syntaxe doit être la suivante : a w’ = f(t, u, u’, v, v’, w) Le premier membre ne contient que la dérivée première du paramètre w, fonction du temps, éventuellement multiplié par une constante a. Le second membre est une fonction du paramètre w, du temps t, et d’autres paramètres et/ou de leurs dérivées par rapport au temps (u, u’, v, v’…). Nota bene : Si la constante multiplicative a figurant dans le premier membre est nulle, alors l’équation est algébrique… Equations différentielles d’ordre supérieur à 1 uploads/Management/ presentation-sinusphy.pdf