Analyse fonctionnelle et structurelle

L'intuition

Imagine que tu dois concevoir un système d'irrigation automatique pour un champ d'oliviers. Avant de penser aux pompes, aux capteurs ou aux programmateurs électroniques, tu dois d'abord comprendre pourquoi ce système existe. À quoi sert-il ? Pour qui ? Qu'est-ce qu'il transforme ? C'est ça, l'analyse fonctionnelle : comprendre le "quoi" avant le "comment".

C'est comme si tu voulais construire une maison. Tu ne vas pas commencer par choisir la couleur des tuiles. Tu vas d'abord définir : qui va y habiter ? Combien de pièces ? Quel budget ? Quel terrain ? C'est l'expression du besoin. Ensuite, tu vas penser aux fonctions : dormir, manger, se laver. Puis aux solutions techniques : des murs en béton, un toit en pente. Et enfin, aux détails constructifs : une fenêtre ici, une porte là.

L'analyse fonctionnelle, c'est cette démarche logique et structurée pour passer de l'idée générale d'un produit à sa conception détaillée, en s'assurant qu'il répond bien à son but. L'analyse structurelle, quant à elle, te permettra de comprendre comment les différents composants du système sont organisés et interagissent pour réaliser ces fonctions.

Le cours

L'analyse fonctionnelle et structurelle est une étape fondamentale dans la conception et l'étude des systèmes techniques. Elle permet de comprendre le rôle d'un produit, ses interactions avec son environnement et les solutions techniques mises en œuvre pour réaliser ses fonctions.

1. Analyse fonctionnelle externe : Description du besoin et interactions

Cette phase vise à définir précisément ce que le produit doit faire, sans se soucier de comment il le fera.

1.1. Expression du besoin : La Bête à cornes

La Bête à cornes est un outil graphique simple qui permet de formaliser le besoin auquel un produit doit répondre. Elle se présente sous la forme de trois questions fondamentales :

• À qui rend-il service ? (L'utilisateur principal ou le bénéficiaire)
• Sur quoi agit-il ? (La matière d'œuvre sur laquelle le produit intervient)
• Dans quel but ? (La finalité, la raison d'être du produit, sa fonction principale)

Le besoin est exprimé sous la forme : "Le produit P rend service à U pour agir sur M dans le but de F."

Exemple : Chariot de golf

• À qui rend-il service ? Au joueur de golf
• Sur quoi agit-il ? Sur le sac du joueur de golf
• Dans quel but ? Transporter le sac du joueur de golf

1.2. Identification des fonctions de service : Le diagramme Pieuvre (ou Diagramme des interactions)

Le diagramme Pieuvre identifie toutes les fonctions de service (FS) du produit, c'est-à-dire les services qu'il rend à son utilisateur et les interactions qu'il a avec son environnement.

• Fonction Principale (FP) : C'est la raison d'être du produit, celle qui répond directement au besoin exprimé par la Bête à cornes. Elle relie au moins deux éléments du milieu extérieur.
• Fonctions de Contrainte (FC) : Ce sont les fonctions qui expriment les limites ou les exigences imposées au produit (sécurité, esthétique, coût, environnement, etc.). Elles relient le produit à un seul élément du milieu extérieur.

Méthode de construction :

1. Placer le produit au centre du diagramme.
2. Identifier les éléments du milieu extérieur (utilisateur, environnement physique, énergie, informations, etc.).
3. Tracer des liens entre le produit et les éléments extérieurs.
4. Qualifier chaque lien par une fonction de service (FP ou FC).

Exemple : Chariot de golf

• FP1 : Transporter le sac du joueur de golf (relie le joueur de golf et le sac de golf)
• FC1 : S'adapter au terrain (relie le chariot et le terrain)
• FC2 : Être alimenté en énergie électrique (relie le chariot et l'énergie électrique)
• FC3 : Être facile à utiliser (relie le chariot et le joueur de golf)
• FC4 : Résister aux intempéries (relie le chariot et l'environnement)
• FC5 : Être esthétique (relie le chariot et le joueur de golf)
• FC6 : Respecter les normes de sécurité (relie le chariot et les normes de sécurité)

2. Analyse fonctionnelle interne : Le SADT (Structured Analysis and Design Technique)

Le SADT est un outil graphique qui permet de modéliser le fonctionnement d'un système. Il décompose un système complexe en sous-systèmes plus simples, en montrant les flux de matière, d'énergie et d'information.

2.1. Actigramme A-0 (Niveau le plus haut)

L'actigramme A-0 représente la fonction globale du système. Il met en évidence :

• Matière d'œuvre (MO) entrante : Ce que le système reçoit pour être transformé.
• Matière d'œuvre (MO) sortante : Le résultat de la transformation.
• Valeur ajoutée : La transformation effectuée par le système.
• Données de contrôle (flèches du haut et du bas) :
  • C (Control) : Commandes et réglages (informations de commande).
  • R (Read) : Données d'information (informations de retour, capteurs, consignes).
  • W (Work) : Énergie nécessaire au fonctionnement.
  • E (Enabling) : Moyens matériels ou humains, éléments de réglage (ressources).

Structure de l'actigramme A-0 :

+-------------------------------------------------------------------+
|                                                                   |
|  C (Commandes/Consignes) ---------------------------------------> |
|                                                                   |
|  R (Données/Informations) --------------------------------------> |
|                                                                   |
|  MO Entrée ---------------------> [ Fonction Globale ] ---------> MO Sortie |
|                                                                   |
|  W (Énergie) ---------------------------------------------------> |
|                                                                   |
|  E (Moyens/Ressources) -----------------------------------------> |
|                                                                   |
+-------------------------------------------------------------------+

Exemple : Système de fabrication et de conditionnement du savon

• MO Entrée : Huile, soude, eau, colorant
• MO Sortie : Savonnettes emballées
• Fonction Globale : Fabriquer et conditionner le savon
• C : Compte rendu
• R : Température (information de capteur)
• W : Énergie électrique
• E : (Non spécifié dans l'exemple, mais pourrait être "Personnel", "Machines", etc.)

2.2. Décomposition fonctionnelle : Le FAST (Function Analysis System Technique)

Le FAST est un outil graphique qui permet de décomposer une fonction de service (généralement une FP) en fonctions techniques (FT) puis en solutions constructives. Il répond à la question "Comment ?" pour chaque fonction.

• Fonction de Service (FS) : Ce que le produit doit faire pour satisfaire le besoin de l'utilisateur.
• Fonction Technique (FT) : Ce que le produit doit faire pour réaliser une fonction de service, en utilisant des principes physiques ou technologiques.
• Solutions constructives : Les composants ou les technologies spécifiques qui mettent en œuvre les fonctions techniques.

Méthode de construction :

1. Partir d'une Fonction de Service (FP).
2. Poser la question "Comment ?" pour trouver les Fonctions Techniques (FT) qui la réalisent.
3. Poser la question "Pourquoi ?" pour vérifier la cohérence (la FT doit servir à la FS supérieure).
4. Poser la question "Quand ?" ou "Avec quoi ?" pour identifier les fonctions simultanées ou les solutions constructives.

Exemple : FAST partiel pour un système de fabrication de savon

• FP : Fabriquer et conditionner le savon
  • FT1 : Alimenter en énergie électrique
    • Solution constructive : Réseau électrique triphasé
  • FT2 : Convertir l'énergie électrique en énergie mécanique
    • Solution constructive : Moteur asynchrone
  • FT3 : Capter la température de la pâte
    • Solution constructive : Capteur de température PT 1000
  • FT4 : Évacuer les savonnettes
  • FT5 : Comprimer et ... (fonction technique à compléter)

3. Analyse structurelle : Chaînes d'énergie et d'information

L'analyse structurelle décrit l'organisation physique et logique des composants du système.

3.1. Chaîne d'énergie

La chaîne d'énergie représente l'ensemble des constituants qui permettent de distribuer, convertir, transmettre et agir sur la matière d'œuvre à partir d'une source d'énergie.

Elle est généralement composée des blocs fonctionnels suivants :

• Alimenter : Fournir l'énergie nécessaire au système (ex: batterie, réseau électrique).
• Distribuer : Acheminer l'énergie vers les actionneurs (ex: contacteurs, distributeurs hydrauliques).
• Convertir : Transformer l'énergie d'une forme à une autre (ex: moteur électrique, vérin).
• Transmettre : Adapter et transférer l'énergie mécanique (ex: réducteur, engrenages, courroies).
• Agir : Réaliser l'action physique sur la matière d'œuvre (ex: roue, tapis roulant, outil).

Exemple : Chaîne fonctionnelle d'un chariot de golf

• Alimenter : Batterie
• Distribuer : Hacheur
• Convertir : Moteur
• Transmettre : Réducteur
• Agir : Roue

3.2. Chaîne d'information

La chaîne d'information représente l'ensemble des constituants qui permettent d'acquérir, traiter, communiquer et distribuer les informations nécessaires au fonctionnement du système.

Elle est généralement composée des blocs fonctionnels suivants :

• Acquérir : Capter des informations de l'environnement ou du système (ex: capteurs, interrupteurs).
• Traiter : Interpréter les informations et prendre des décisions (ex: microcontrôleur, automate programmable).
• Communiquer : Échanger des informations entre les différentes parties du système ou avec l'utilisateur (ex: bus de communication, afficheur).
• Distribuer : Transmettre les ordres aux actionneurs (ex: préactionneurs, relais).

Exemple : Chaîne d'information pour la régulation de température d'un four

• Acquérir : Sonde de température
• Traiter : Régulateur PID
• Communiquer : Afficheur, bus CAN
• Distribuer : Relais de puissance pour le chauffage

4. Frontière et milieux extérieurs

Il est crucial d'identifier la frontière du système, qui délimite ce qui appartient au système étudié de ce qui lui est extérieur. Les éléments situés en dehors de cette frontière constituent les milieux extérieurs. Ces milieux interagissent avec le système via les fonctions de service (diagramme Pieuvre) et les flux de matière, énergie et information (actigramme A-0).

Exemple résolu

Reprenons un extrait d'annale :

SEV 1 : ANALYSE FONCTIONNELLE ET ÉTUDE DE LA TRANSMISSION DE PUISSANCE 1- ANALYSE FONCTIONNELLE Tâche : Application de quelques outils de l'analyse fonctionnelle Dans le but d'appréhender le système, on se propose de lui appliquer quelques outils de l'analyse fonctionnelle.

Q1. Compléter l'actigramme A-0.

Q2. Compléter le FAST partiel.

Système étudié : Escalier mécanique

Résolution :

Q1. Compléter l'actigramme A-0.

• Analyse du système : Un escalier mécanique transporte des personnes.
• Matière d'œuvre entrante : Personnes non transportées.
• Matière d'œuvre sortante : Personnes transportées.
• Fonction globale : Transporter les personnes.
• Données de contrôle :
  • C (Commandes/Consignes) : Ordres de marche/arrêt, sens de déplacement.
  • R (Données/Informations) : Présence de personnes (détecteurs), vitesse.
  • W (Énergie) : Énergie électrique (pour faire fonctionner les moteurs).
  • E (Moyens/Ressources) : Normes de sécurité, environnement (température, humidité).

En se basant sur l'exemple de l'annale (qui est un corrigé), on peut compléter l'actigramme A-0 comme suit :

• MO Entrée : Personnes non transportées
• MO Sortie : Personnes transportées
• Fonction Globale : Transporter les personnes
• C : Ordres de marche/arrêt, sens de déplacement
• R : Présence de personnes, vitesse
• W : Énergie électrique
• E : Normes de sécurité, environnement

Q2. Compléter le FAST partiel.

• Analyse du FAST donné : On a une Fonction Principale (FP) "Transporter les personnes" et des fonctions techniques (FT) qui en découlent. Il faut trouver les solutions constructives ou les FT manquantes.

En se basant sur l'exemple de l'annale (qui est un corrigé), on peut compléter le FAST partiel comme suit :

• FP : Transporter les personnes
  • FT1 : Déplacer les marches
    • Solution constructive : Moteur électrique
    • Solution constructive : Réducteur
    • Solution constructive : Chaîne de transmission
  • FT2 : Assurer la sécurité des utilisateurs
    • Solution constructive : Détecteurs de présence
    • Solution constructive : Arrêts d'urgence
  • FT3 : Guider les marches
    • Solution constructive : Rails de guidage
  • FT4 : Alimenter en énergie
    • Solution constructive : Réseau électrique

La méthode

Pour réussir l'analyse fonctionnelle et structurelle à l'examen, suis ces étapes rigoureuses :

1. Décrire le besoin (Bête à cornes) :

   • Lis attentivement la présentation du système.
   • Identifie l'utilisateur principal (À qui rend-il service ?).
   • Identifie la matière d'œuvre transformée (Sur quoi agit-il ?).
   • Formule l'objectif principal du système (Dans quel but ?).
   • Rédige la phrase complète : "Le produit P rend service à U pour agir sur M dans le but de F."

2. Identifier les fonctions de service (Diagramme Pieuvre) :

   • Place le système au centre.
   • Liste tous les éléments du milieu extérieur qui interagissent avec le système (utilisateur, environnement physique, énergie, informations, autres systèmes...).
   • Trace les liens entre le système et chaque élément extérieur.
   • Qualifie chaque lien :
     • Si le lien est entre le système et au moins deux éléments extérieurs, c'est une Fonction Principale (FP).
     • Si le lien est entre le système et un seul élément extérieur, c'est une Fonction de Contrainte (FC).
   • Utilise des verbes à l'infinitif pour décrire les fonctions (ex: Transporter, S'adapter, Être alimenté).

3. Décrire la fonction globale (Actigramme A-0) :

   • Identifie la matière d'œuvre (MO) entrante et sortante.
   • Formule la fonction globale (valeur ajoutée) du système.
   • Identifie les données de contrôle :
     • C (Commandes) : Les ordres, consignes de l'utilisateur ou d'un autre système.
     • R (Données) : Les informations de retour, les mesures, les paramètres.
     • W (Énergie) : La source d'énergie nécessaire au fonctionnement.
     • E (Moyens) : Les ressources matérielles ou humaines, les règles, les normes.
   • Complète l'actigramme A-0 en plaçant correctement les flèches.

4. Décomposer les fonctions (FAST) :

   • Choisis une Fonction de Service (généralement une FP) à décomposer.
   • Pose la question "Comment ?" pour trouver les Fonctions Techniques (FT) qui la réalisent.
   • Pour chaque FT, pose à nouveau "Comment ?" pour trouver les sous-FT ou les solutions constructives.
   • Vérifie la cohérence avec la question "Pourquoi ?" (ex: Pourquoi "Déplacer les marches" ? Pour "Transporter les personnes").
   • Identifie les solutions constructives concrètes (composants, technologies) pour chaque FT.

5. Identifier les chaînes d'énergie et d'information :

   • Pour la chaîne d'énergie : suis le chemin de l'énergie de sa source à l'action finale sur la matière d'œuvre (Alimenter → Distribuer → Convertir → Transmettre → Agir).
   • Pour la chaîne d'information : suis le chemin de l'information de sa capture à l'ordre donné à l'actionneur (Acquérir → Traiter → Communiquer → Distribuer).

Pièges classiques

• Confondre besoin et solution : Le besoin est indépendant de la solution technique. "Transporter le sac" est un besoin, "chariot à roulettes" est une solution.
• Mauvaise formulation des fonctions : Une fonction doit être exprimée par un verbe à l'infinitif suivi d'un complément. Évite les noms (ex: "transport" au lieu de "transporter").
• Inversion des flèches dans l'actigramme A-0 : Les flèches C, R, W, E sont des entrées de la fonction globale.
• Mélanger FP et FC dans le diagramme Pieuvre : Une FP relie au moins deux éléments extérieurs, une FC un seul.
• FAST incomplet ou illogique : Chaque niveau doit répondre au "Comment ?" du niveau précédent et au "Pourquoi ?" du niveau suivant. Les solutions constructives doivent être concrètes.
• Oublier les chaînes d'énergie/information : Ces chaînes sont fondamentales pour l'analyse structurelle et sont souvent demandées.

Ce qui tombe à l'examen

Ce chapitre est évalué à environ 25% de la note totale de l'épreuve de Sciences de l'Ingénieur. Les questions sont généralement directes et visent à vérifier ta capacité à appliquer les outils d'analyse fonctionnelle et structurelle.

Tu seras amené à :

• Compléter une Bête à cornes à partir d'une description de système.
• Compléter un diagramme Pieuvre en identifiant les FP et FC.
• Compléter un actigramme A-0 (matière d'œuvre, fonction globale, données de contrôle C, R, W, E).
• Compléter un diagramme FAST partiel en identifiant les fonctions techniques et/ou les solutions constructives.
• Identifier les éléments des chaînes d'énergie et d'information (souvent sous forme de blocs à compléter ou de listes à associer).
• Décrire la fonction d'un composant ou d'un sous-ensemble.

Les annales montrent que les questions sont souvent sous forme de tableaux ou de diagrammes à compléter. La lecture attentive du dossier technique est primordiale pour extraire les informations nécessaires. La justesse des termes techniques et la rigueur de la représentation graphique sont des attendus majeurs.

Exemples de questions types (tirés des annales) :

• "Q1. Compléter l'actigramme A-0." (Voir exemple résolu)
• "Q2. Compléter le FAST partiel." (Voir exemple résolu)
• "Q.1- L'actigramme A-0 de l'escalier mécanique." (Demande de compléter l'actigramme)
• "Q.2- Le diagramme FAST partiel du système." (Demande de compléter le FAST)
• "Q1. À qui le produit rend-il service ? Sur quoi agit-il ? Dans quel but ?" (Bête à cornes)
• "Q2. Deux types : fonctions principales et fonctions de contraintes" (Définition/identification)
• "Q3. [Diagramme Pieuvre à compléter]" (Identification des FP/FC)
• "Q4. Convertir l'énergie hydro-cinétique en énergie électrique" (Fonction globale)
• "Q3) Type d’énergie : Chaine fonctionnelle du chariot de golf [Schéma à compléter]" (Identification des blocs de la chaîne d'énergie)

Ces questions représentent une part significative de l'épreuve et sont souvent des points "faciles" si tu maîtrises bien la méthodologie. Entraîne-toi à appliquer ces outils sur différents systèmes techniques.