Analyse fonctionnelle et structurelle

Ce chapitre est fondamental en Sciences de l'Ingénieur. Il représente environ 25% de l'examen national et te demande de maîtriser l'analyse et la modélisation de systèmes pluritechnologiques. L'objectif est de comprendre comment un système fonctionne, pourquoi il a été conçu ainsi, et comment ses différentes parties interagissent.

L'intuition

Imagine une machine à café. Pour qu'elle fonctionne, il faut d'abord savoir à quoi elle sert : préparer du café pour le boire. C'est le besoin. Ensuite, tu peux te demander comment elle fait ça : elle chauffe l'eau, elle moud le grain, elle filtre. Ce sont les fonctions. Et enfin, tu regardes comment elle est faite : une résistance chauffante, un moulin, un porte-filtre. Ce sont les solutions techniques. L'analyse fonctionnelle, c'est exactement ça, mais pour des systèmes industriels. On part du besoin de l'utilisateur, on décompose les fonctions, et on arrive aux solutions concrètes.

Le cours

L'analyse fonctionnelle et structurelle est une démarche qui permet de comprendre, de concevoir ou d'améliorer un système technique. Elle se déroule en plusieurs étapes clés.

I. Expression du besoin

La première étape est de définir clairement le besoin auquel le système doit répondre.

1. Diagramme "Bête à cornes"

Le diagramme "bête à cornes" est un outil simple et efficace pour formaliser le besoin. Il répond à trois questions fondamentales :

• À qui rend-il service ? (L'utilisateur principal du système)
• Sur quoi agit-il ? (La matière d'œuvre transformée par le système)
• Dans quel but ? (La finalité, la valeur ajoutée du système)

Exemple : Pour un téléphérique (extrait d'annale 2023)

• À qui rend service ? Aux passagers
• Sur quoi agit ? Sur les passagers
• Dans quel but ? Transporter des passagers dans des cabines à des altitudes importantes.

II. Analyse fonctionnelle externe (Fonctions de service)

Une fois le besoin défini, on identifie les fonctions que le système doit assurer vis-à-vis de son environnement et de ses utilisateurs.

1. Diagramme Pieuvre (ou Diagramme des interacteurs)

Le diagramme Pieuvre permet de recenser toutes les interactions entre le système et son environnement. Chaque interaction correspond à une fonction de service.

• Fonction Principale (FP) : C'est la raison d'être du système, celle qui satisfait le besoin de l'utilisateur. Elle relie deux éléments externes (généralement l'utilisateur et la matière d'œuvre).
• Fonctions Contraintes (FC) : Ce sont les fonctions qui expriment les adaptations du système à son environnement (esthétique, sécurité, énergie, coût, etc.). Elles relient le système à un seul élément externe.

Méthode de construction :

1. Placer le système au centre.
2. Identifier les éléments de l'environnement (interacteurs) avec lesquels le système est en relation.
3. Tracer des liens entre le système et chaque interacteur.
4. Qualifier chaque lien par une fonction de service (FP ou FC).

Exemple : Pour un téléphérique (extrait d'annale 2023)

• FP1 : Transporter des passagers dans des cabines à des altitudes importantes (relie Passagers et Altitudes importantes).
• FC1 : Assurer la sécurité des passagers (relie Téléphérique et Passagers).
• FC2 : Maintenir la stabilité des cabines (relie Téléphérique et Cabines).
• FC3 : Alterner entre deux sources d'énergie différentes en cas de besoin (relie Téléphérique et Énergie).
• FC4 : Respecter l'environnement (relie Téléphérique et Environnement).
• FC5 : Supporter les agressions extérieures (relie Téléphérique et Agressions extérieures).

III. Analyse fonctionnelle interne (Fonctions techniques)

L'analyse fonctionnelle interne décompose les fonctions de service en fonctions techniques, puis en solutions constructives.

1. Actigramme SADT (Structured Analysis and Design Technique)

L'Actigramme est un outil de modélisation graphique qui décrit les fonctions d'un système.

• Actigramme A-0 (niveau 0) : Représente la fonction globale du système.
  • Matière d'œuvre entrante (M.O.E) : Ce que le système reçoit pour être transformé.
  • Matière d'œuvre sortante (M.O.S) : Ce que le système produit après transformation.
  • Valeur ajoutée : La transformation apportée à la M.O.E.
  • Données de contrôle (W, C, R, E) :
    • W (Work/Énergie) : Énergie nécessaire au fonctionnement.
    • C (Configuration) : Réglages ou paramètres de fonctionnement.
    • R (Ressources) : Moyens humains ou matériels.
    • E (Exploitation/Consignes) : Ordres de l'opérateur, modes de fonctionnement.
  • Mécanisme : Les moyens techniques qui réalisent la fonction (souvent implicite au niveau A-0).

Exemple : Pour un Dépileur de palettes (extrait d'annale 2024)

• M.O.E : Pile empilée
• M.O.S : Pile dépilée
• Valeur ajoutée : Dépiler automatiquement une pile de palettes de produits.
• W : Énergie électrique
• C : Configurations et réglages
• E : Mise en marche, Exploitation
• Sorties secondaires : Chaleur, bruits

2. Diagramme FAST (Function Analysis System Technique)

Le diagramme FAST (Arbre des fonctions) permet de décomposer une fonction de service (FP) en fonctions techniques (FT) et de relier ces dernières aux solutions constructives. Il répond aux questions "Comment ?" (pour passer d'une fonction à ses sous-fonctions) et "Pourquoi ?" (pour remonter).

• Fonction de Service (FP) : Répond au "À quoi sert le système ?"
• Fonction Technique (FT) : Répond au "Comment le système assure-t-il cette fonction ?"
• Solution Constructive (SC) : Répond au "Par quel composant ou ensemble de composants cette fonction technique est-elle réalisée ?"

Exemple : FAST partiel d'un téléphérique (extrait d'annale 2023)

• FP1 : Transporter des passagers dans des cabines à des altitudes importantes.
  • Comment ? FT1 : Assurer le mouvement unidirectionnel du câble.
    • Par quoi ? Dispositif d'entraînement du câble tracteur.
  • Comment ? FT2 : Assurer le mouvement des cabines dans les stations.
    • Par quoi ? Dispositif d'entraînement dans les stations.
  • Comment ? FT3 : Assurer la régulation de la tension du câble.
    • Par quoi ? Dispositif de tension.
  • Comment ? FT4 : Assurer le freinage du système en cas de besoin.
    • Par quoi ? Dispositif de freinage.
  • Comment ? FT5 : Assurer la gestion globale du système.
    • Par quoi ? Dispositif de gestion et de contrôle.

IV. Chaînes fonctionnelles (Énergie et Information)

Les chaînes fonctionnelles décrivent le cheminement de l'énergie et de l'information au sein du système.

1. Chaîne d'information

Elle décrit comment le système perçoit son environnement, prend des décisions et communique.

• Acquérir : Capteurs (détectent les grandeurs physiques).
• Traiter : Microcontrôleur, API (analyse les données et prend des décisions).
• Communiquer : Afficheurs, voyants, pupitres (transmettent les informations à l'opérateur ou à d'autres systèmes).

Exemple : Chaîne d'information d'un robot lanceur de balles (extrait d'annale 2022)

• Acquérir : Capteurs (Co et Cp), boutons pupitre.
• Traiter : Microcontrôleur.
• Communiquer : Pupitre de dialogue, câble, afficheurs.

2. Chaîne d'énergie

Elle décrit comment l'énergie est acheminée et transformée pour réaliser l'action.

• Alimenter : Source d'énergie (réseau électrique, batterie, etc.).
• Distribuer : Contacteurs, distributeurs (dirigent l'énergie).
• Convertir : Moteurs, vérins, résistances (transforment l'énergie d'une forme à une autre).
• Transmettre : Engrenages, courroies, arbres (acheminent l'énergie mécanique).

Exemple : Chaîne d'énergie d'un robot lanceur de balles (extrait d'annale 2022)

• Alimenter : Réseau électrique.
• Distribuer : Hacheur, transistor.
• Convertir : Moteur M1, M5, M4, M2/M3, électroaimant.
• Transmettre : Réducteur R1, engrenage E, système vis-écrou, articulations, pignon + secteur denté, transmission directe.

V. Frontière d'étude et milieux extérieurs

Il est crucial de bien définir la frontière du système étudié et d'identifier tous les éléments qui interagissent avec lui. Ces éléments constituent les milieux extérieurs.

Exemple résolu

Prenons un extrait d'annale sur le dépileur de palettes (2024).

Question 1.1 : Compléter sur D.Rep1 le diagramme bête à cornes. Question 1.2 : Compléter sur D.Rep1 le modèle fonctionnel du système (actigramme A-0) par les éléments qui conviennent. Question 1.3 : Compléter sur D.Rep1 le diagramme partiel des interacteurs (pieuvre).

Correction officielle :

Analyse pas à pas :

1.1. Diagramme Bête à cornes :

• À qui rend service ? Le dépileur de palettes rend service aux Postes de la ligne (de convoyage, d'emballage, etc.) qui ont besoin de palettes individuelles.
• Sur quoi agit-il ? Il agit sur une Pile de palettes de produits (la matière d'œuvre).
• Dans quel but ? Le but est de Dépiler automatiquement une pile de palettes de produits.

1.2. Actigramme A-0 :

• M.O.E : La matière d'œuvre entrante est la Pile empilée.
• M.O.S : La matière d'œuvre sortante est la Pile dépilée (ou palette individuelle).
• Valeur ajoutée : La fonction globale est Dépiler automatiquement une pile de palettes de produits.
• W (Énergie) : Le système a besoin d'Énergie électrique.
• C (Configuration) : Il faut des Configurations et réglages pour adapter le dépileur aux différents types de palettes.
• E (Exploitation) : L'opérateur donne des Consignes ou déclenche la Mise en marche.
• Sorties secondaires : Le fonctionnement génère de la Chaleur, des bruits.

1.3. Diagramme Pieuvre :

• Système central : Dépileur de palette.
• FP1 : Dépiler automatiquement une pile de palettes de produits sur des palettes (relie Pile de palettes de produits et Postes de la ligne).
• FC1 (Opérateur) : Être facile d'utilisation / S'adapter aux consignes de l'opérateur.
• FC2 (Énergie électrique) : Être alimenté en énergie électrique.
• FC3 (Sol) : Être stable et solidaire au sol.
• FC4 (Postes de la ligne) : S'intégrer aux postes de la ligne de convoyage.
• FC5 (Réglementation) : Être conforme à la réglementation spécifique aux équipements de levage.
• FC6 (Sécurité) : Respecter les normes de sécurité.
• FC7 (Dimensions des palettes) : S'adapter aux dimensions des palettes.
• FC8 (Charges requises) : Être adapté aux charges requises.

La méthode

Voici les étapes clés pour réussir l'analyse fonctionnelle et structurelle :

1. Décrire le besoin (Bête à cornes) :
   • Identifie l'utilisateur principal.
   • Identifie la matière d'œuvre (ce qui est transformé).
   • Formule la finalité du système (le verbe à l'infinitif + complément).
2. Identifier les fonctions de service (Diagramme Pieuvre) :
   • Place le système au centre.
   • Liste tous les éléments externes (interacteurs) avec lesquels le système est en contact ou interagit.
   • Trace un lien pour chaque interaction.
   • Qualifie chaque lien par une fonction de service (FP si elle relie deux interacteurs via le système, FC si elle relie un interacteur au système). Utilise des verbes à l'infinitif.
3. Exprimer la fonction globale (Actigramme A-0) :
   • Identifie la M.O.E (entrée) et la M.O.S (sortie).
   • Détermine la valeur ajoutée (la transformation).
   • Liste les données de contrôle : Énergie (W), Configurations/Réglages (C), Ressources (R), Consignes/Exploitation (E).
   • N'oublie pas les sorties secondaires (chaleur, bruit, déchets...).
4. Décomposer les fonctions (Diagramme FAST) :
   • Choisis une fonction de service (souvent la FP) à décomposer.
   • Pose la question "Comment ?" pour trouver les fonctions techniques (FT) qui la réalisent.
   • Pour chaque FT, pose la question "Comment ?" à nouveau si nécessaire, ou "Par quoi ?" pour trouver les solutions constructives (SC) qui la mettent en œuvre.
   • Vérifie la cohérence en remontant avec la question "Pourquoi ?".
5. Identifier les chaînes fonctionnelles (Énergie et Information) :
   • Pour la chaîne d'information : Repère les capteurs (Acquérir), les systèmes de traitement (Traiter) et les actionneurs/afficheurs (Communiquer).
   • Pour la chaîne d'énergie : Repère la source (Alimenter), les distributeurs (Distribuer), les convertisseurs (Convertir) et les transmetteurs (Transmettre).

Pièges classiques

• Confondre FP et FC : Une FP relie deux éléments externes (via le système), une FC relie le système à un seul élément externe. Relis bien la définition.
• Manque de précision dans la formulation des fonctions : Utilise toujours un verbe à l'infinitif suivi d'un complément d'objet. Par exemple, "Sécurité" n'est pas une fonction, "Assurer la sécurité" l'est.
• Oublier des éléments dans l'Actigramme A-0 : Les énergies (W), les consignes (E) ou les sorties secondaires sont souvent oubliées. Pense systématiquement aux 4 types de données de contrôle.
• Erreur de sens dans le FAST : Le "Comment ?" descend, le "Pourquoi ?" remonte. Si tu te trompes de sens, ton diagramme sera illogique.
• Ne pas identifier tous les interacteurs : Pense à l'environnement physique (sol, air, température), humain (opérateur, maintenance), énergétique, réglementaire, etc.
• Ne pas utiliser les symboles normalisés : Pour les chaînes fonctionnelles, utilise les blocs standardisés (Acquérir, Traiter, Communiquer, Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre).

Ce qui tombe à l'examen

L'analyse fonctionnelle et structurelle est évaluée de manière récurrente et représente une part significative de la note (environ 25%). Les questions sont souvent directes et demandent l'application des méthodes vues :

• Compléter un diagramme Bête à cornes : Tu auras un schéma partiel à remplir avec les éléments manquants (à qui, sur quoi, dans quel but). (Ex: Annales 2023, 2024).
• Compléter un diagramme Pieuvre : Il faudra identifier les interacteurs et formuler les FP et FC correspondantes. (Ex: Annales 2023, 2024).
• Compléter un Actigramme A-0 : Remplir les entrées/sorties de matière d'œuvre et les données de contrôle (W, C, R, E). (Ex: Annales 2022, 2024).
• Compléter un diagramme FAST : Décomposer une fonction de service en fonctions techniques, puis en solutions constructives. (Ex: Annales 2023, 2024).
• Identifier les éléments d'une chaîne fonctionnelle (information ou énergie) : On te demandera de nommer les blocs (Acquérir, Traiter, Communiquer, Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre) et de lister les composants associés. (Ex: Annales 2022, 2023, 2024).

Ces questions sont souvent notées entre 0.5 et 2 points chacune. La clarté, la précision et l'utilisation correcte des termes techniques sont essentielles pour obtenir tous les points. Entraîne-toi avec les annales pour bien maîtriser ces représentations graphiques.