cursus

SMS01 : Plans d'expérience, analyse de variance et optimisation (UE mutualisée au niveau de la mention SIMS)

Au cours du processus de conception des méthodes mathématiques sont utilisées pour spécifier le besoin, maîtriser les performances d’un produit ou d’un système et aider au choix entre différentes alternatives.

Dans le cadre de cet UE, les méthodes de planifications d’expériences numériques ou réelles seront développées. Les outils de traitement statistiques et les différentes méthodes d’optimisation associées seront abordés : Analyse de variance, surfaces de réponse, algorithmes de minimisation de fonctions d’une ou plusieurs variables sans et avec limitations, algorithmes évolutionnaires. Les problèmes liés à l'optimisation de forme et de topologie seront introduits. Des études de cas, portant sur des systèmes mécatroniques ou des systèmes ou structures mécaniques seront proposées.

A l'issue de ce module, l'étudiant doit savoir choisir et utiliser une méthode permettant l'optimisation de la qualité des produits en phase de conception.

During the process of product design, mathematical methods are used to specify the need, to foresee the performances of a product or a system and to help in the choice between various alternatives. Within the framework of this EU, the methods of design of (numerical or real) experiments will be developed. The statistical tools of treatment and the various associated methods of optimization will be approached: analysis of variance, responses surfaces, algorithms of minimization of functions of one or several variables without and with limitations, evolutionary algorithms. Problems connected to the optimization of shape and topology will be introduced. Case studies, concerning mechatronic systems or mechanic systems or structure will be proposed. At the end, the student must know how to choose and use a method allowing the optimization of the quality of products in design phase.

SMS02: Outils de calcul scientifique (UE mutualisée au niveau de la mention SIMS)

Le calcul scientifique appliqué aux sciences de l'ingénieur repose sur une forte compétence en mathématiques appliquées associée à une maîtrise avancée de l'outil informatique. Dans la plupart des disciplines, le calcul scientifique est un outil indispensable pour résoudre, contrôler, optimiser des phénomènes complexes avec une grande rapidité de mise en œuvre. La formation est centrée autour de la maitrise d’outils numériques (du type matlab, scilab), de calcul formel (Mapple, Mathematica) et graphique (outils d’animation et de rendu 3D) dédiés à la résolution de problèmes mathématiques pluridisciplinaires. L’utilisation de ces outils sera illustrée par des applications variées. Les aspects relatifs au génie logiciel (algorithme, structure de données, réseaux, calcul intensif, calcul parallèle, calcul distribué) seront aussi abordés.

SMS03 : Mécanique des solides et des fluides : fondements et aspects numériques

Ce cours a pour objectif de présenter les équations gouvernant l’équilibre des systèmes solides ou fluides, des solutions analytiques à des problèmes de base ainsi que la construction et l’utilisation de modèles numériques par éléments finis pour la résolution approchée de ces systèmes. L’élasticité des solides déformables tridimensionnels et des structures minces et la dynamique des fluides compressibles ou incompressibles seront abordées. Des logiciels dédiés utilisant les procédures de MATLAB seront utilisés.

SYM01 : Automatique : bases pour la commande des systèmes mécatroniques
Control : Basis for mechatronics systems control

Cette UE fournit les bases nécessaires à la représentation du comportement des systèmes mécatroniques (fonctions de transfert, représentation d'état) et les techniques de réglage pour leur commande (correcteurs PID, retour d'état…). Le logiciel Matlab/Simulink sera utilisé pour mettre en pratique les notions vues en cours.

This course provides the necessary basis for the representation of the behaviour of mechatronic systems (transfer functions, states) and techniques for setting their command (PID correction, return to state…). The software Matlab / Simulink will be used to put into practice the concepts.

L'objectif de cette UE est de présenter les possibilités offertes par les fonctions électroniques intégrées dans un contexte mécatronique. Les différentes applications traitées seront les amplificateurs opérationnels, le filtrage, les fonctions de puissance et les alimentations, la modulation/démodulation, les fonctions de conversion, et l'optoélectronique. En fin d'UE, les étudiants seront capables d'analyser des fonctions électroniques et même d'en concevoir de nouvelles.

The objective of this course is to present the possibilities offered by electronic functions in a mechatronics context. Different applications will be handled: operational amplifiers, filtering functions and power supplies, modulation / demodulation, the conversion functions, and optoelectronics. At the end of the course, students will be able to analyze electronic functions and even to design new ones.

SMS04 : CAO : Applications à la mécanique et à l’électronique (UE mutualisée au niveau de la mention SIMS)

L'objectif de l'UE est de former aux outils CAO permettant la représentation géométrique des systèmes et structures ainsi que d'initier à la simulation de leur comportement au travers de modules métiers spécialisés.

La complexité des systèmes croissant, autant du point de vue du nombre de fonctions que des domaines physiques impliqués (ex : systèmes mécatroniques, systèmes thermomécaniques…), différents types de modélisation dédiés ont été développés. Ce module présente les approches existantes :

- Méthodes classiques de modélisation, basées sur la représentation par fonctions de transfert ou par les équations d'état

- Méthodes basées sur les transferts d'énergie entre les composants d'un système (bond graph, analyse fonctionnelle)

Ce cours s'appuiera sur des projets utilisant des logiciels de simulation multiphysique (AmeSim, Comsol, Matlab/Simulink).

The complexity of systems is increasing due to functions integration and development that imply multidisciplinary behaviour. Different kinds of models have been developed to address multidisciplinary simulation and system assessment. Several approaches are presented:

· Global approaches

- Based on transfer functions and equation of state

- Based on energy transfer between components (Bond graphs, functional analysis)

· Local approach

o Multidisciplinary finite element modelling

Some projects on mechatronics systems using multidisciplinary simulation software will be part of the teaching program.

SYM05 : Applications mécatroniques de l’électronique numérique (processeurs spécialisés, commande temps réel,…)

Mechatronics applications of digital electronic (dedicated processors, real time control,…)

L'objectif de cette UE est de présenter les processeurs spécialisés en vue d’applications mécatroniques. L’enseignement qui débutera par une présentation de l’offre technologique (microprocesseur, microcontroleur, DSP, FPGA) et leurs applications dédiées. Les aspects temps réel et la gestion des interruptions, l’échantillonnage des données et l’environnement de développement (langage C, Matlab/Simulink, VHDL) seront présentés. Outre les contraintes liées à la numérisation, l’accent sera porté sur les périphériques associés aux cartes de développement permettant la connexion de capteurs, actionneurs et électronique de puissance. L’enseignement s’appuiera sur des applications technologiques concrètes. La mise en œuvre de ces applications sera réalisée par les étudiants autour des DSP, cartes Dspace de prototypage rapide ou FPGA en travaux pratiques (mini projet).

The objective of this UE is to present specialized processors for mechatronic applications. The course will begin with a presentation of technological solutions (microprocessor, microcontrolor, DSP, FPGA) and their dedicated applications. The real time point of view and interruptions management, the sampling of the data and the environment of development (language C, Matlab/Simulink, VHDL) will be presented. In addition to the constraints related to digitalization, the accent will be brought to the peripherals associated with development cards allowing the connection of sensors, actuators and power electronics. Course will be based on real technological applications. The students will implement these applications with help of DSP, (rapid prototyping) Dspace cards or FPGA in practice.

L'objectif de l'UE est de former aux outils CAO permettant la représentation de systèmes multiphysiques.

L'échange de données entre les différents outils de conception et simulation est évoqué par la présentation des formats d'échange sur les données géométriques des structures, sur les données spécifiques aux applications métiers et sur les nomenclatures des systèmes conçus.

Le partage de données pour la co-conception à distance est abordé par l'utilisation de maquettes numériques partagées au sein d'un système de gestion de données techniques (PDM).

The aim is to train to MCAD, ECAD and PDM systems. Data exchange standards for geometric data, between different activities (design, manufacture, structural analysis, experimentation), and for mechatronic systems Bill of Materials (BOM) are presented. The data sharing for co-development is addressed using digital mock-up in PDM systems.

(Intervenants : Erwan Dupont, Vincent Lanfranchi, Christophe Forgez, Khadija El-Kadri)

Tout mécatronicien doit être capable d'effectuer des acquisitions de données pertinentes sur des systèmes expérimentaux. Cette unité d'enseignement détaille les différents éléments d'une chaîne d'acquisition (Capteurs, Multiplexeurs, Echantillonneur/Bloqueur, Convertisseurs Analogique/Numérique, Filtre…) ainsi que les différentes propriétés à prendre en compte pour la définition d'un système d'acquisition (bande passante, résolution, bruit, fréquence d'échantillonnage…). De nombreux exemples sont traités dans le cadre de cet atelier-projet où les étudiants pourront se former sur des logiciels tels que Labview et une ouverture sera faite vers le choix d'un système d'acquisition dans le cadre d'un asservissement.

Any specialist in mechatronics must be able to make acquisitions of relevant data on experimental systems. This course details the various elements involved in data acquisition systems (Sensors, Multiplexers, Sampler / Blocker unit, Analog / Digital converters, Filters…) and the various properties to take into account related to the data acquisition systems (bandwidth, transient response, resolution, noise, sampling frequency…). Many examples are treated as part of this workshop where students can train on software such as Labview. An opening to closed-loop control is made to understand the trade-off in the choice of a data acquisition system.

The half of the workshop consists in a project where students work on real data acquisition systems during 8 weeks (one day per week) in industrial or research laboratories.

Dans le cadre de ce cours sont abordés les différents outils permettant une conception robuste et sûre d’un produit.

Dans la première partie du cours sont abordés les principes de la conception robuste basée sur la démarche Taguchi. Nous présentons ensuite des méthodes de planification d’essais (plans d’expériences) permettant l’estimation des paramètres d'un modèle de structure donnée (polynômes, lolimot, splines, modèle de fiabilité...). La troisième partie est consacrée aux méthodes d’exploration de l’espace des solutions dans un contexte d’optimisation multicritère en intégrant des critères liés à la robustesse du produit, sa fiabilité mais également en tenant compte de la propagation des incertitudes dans les modèles. Les critères de robustesses sont présentés à la fois dans un contexte d’optimisation statique et dynamique des systèmes.

Different methods and tools that enable reliable and robust product design are presented. In a first part, the principles of robust design in Taguchi approach are described. Afterwards, design of experiments enable the estimation of the parameters of a mathematical model (polynoms, lolimot, splines, reliability models…). The last part is concerning the methods for design space exploration and multi-objectives optimisation, taking into account robustness and reliability criteria, and uncertainty propagation. The robustness criteria are presented in both static and dynamic optimisation.

Les actionneurs électriques prennent une part sans cesse grandissante dans les systèmes à énergie embarquée (automobile, aéronautique, …). Les performances demandées sont de plus en plus importantes, dans des environnements extrêmement contraints sur les plans électriques (batteries, …), magnétiques, mécaniques (efforts, vibrations, …) ou thermiques.

Ce module se propose d’introduire les principaux aspects dimensionnants d’un actionneur électrique relativement à un cahier des charges de conception donné.

Pour chaque domaine physique, les modélisations mathématiques les plus courantes seront présentées : méthode des éléments finis, modélisations par circuits (électriques, magnétiques, thermiques), relations analytiques exactes ou empiriques.

Le couplage (fort ou faible) entre ces divers aspects physiques sera également abordé.

Les modélisations, une fois établies, peuvent être utilisées à des fins d’analyse de sensibilité, de compréhension du fonctionnement par exploration, ou bien d’optimisation d’une ou plusieurs caractéristiques de l’actionneur.

Des exemples prenant en compte tout ou partie de ces aspects seront à étudier en projet.

Pour résumer, ce module requiert une approche scientifique et technologique multidisciplinaire, utilisant l’ingénierie électrique, l’électronique de puissance, des aspects de thermique et de mécanique, avec un recourt à des outils mathématiques pour l’analyse numérique et l’optimisation.

Electrical actuators are taking a growing part in embedded power systems (automotive, aerospace, …). Performances required are more and more important, in extremely constrained environments, at the electrical (batteries…), magnetic, mechanical (stress, vibration…) or heat levels.

This module aims to introduce the main sizing aspects of electrical actuators, with respect to specifications.
For each physical field, the most common mathematical modelling techniques will be presented: the finite element method, models using (electric, magnetic, thermal) circuits, exact or empirical physical equations.

The (strong or weak) coupling between these various physical aspects will also be discussed.
The models, once established, can be used for sensitivity analysis, understanding of the actuator functioning by exploration, or optimization of one or more characteristics of this actuator.
Examples taking into account all or part of these aspects are studying the project.

To sum up, this module requires a scientific and technological multi-field approach associating electrical engineering, power electronics, heat and mechanical aspects, as well as mathematical tools for the numerical analysis and optimization.

La conception de systèmes mécatroniques miniatures peut être abordée de deux façons différentes en répondant à un besoin, soit d'intégration dans un système de taille classique pour augmenter ses fonctionnalités, soit de miniaturisation.

Ce module multidisciplinaire présente, d'une part, les contraintes liées à l'échelle de travail en terme d'efforts (capillarité, electrostatique …) et de procédés de mise en forme spécifiques (usinage chimique ou physique du silicium, LIGA, micro-électroérosion…), selon les matériaux. D'autre part, l'accent sera donné sur la description et la modélisation des mini-actionneurs (magnétique, électrostatique, piézo-électrique, AMF …) et mini-capteurs (notamment dédiés à la mesure sans contact ; optique, capacitif et effet Hall) qui sont les composants prépondérants d'un système mécatronique miniature.

The design of the micromechatronic systems can be addressed in two different ways either to meet a need of integration into a system of conventional size in order to increase its functionalities or with an objective of miniaturization. This course presents on the one hand, the constraints related to the scale of work in terms of efforts (capillary, electrostatic…) and in terms of specific microfabrication processes (chemical or physical etching of silicon, LIGA, µEDM, …), depending on the materials. On the other hand, emphasis will be given on the description and modelling of mini-actuators (magnetic, electrostatic, piezoelectric, SMA…) and mini-sensors based on non-contact technics (optical, capacitive and Hall effect sensors) which are the main components of a micromechatronics system.

SYM53 : Méthodes de fabrication non conventionnelles et techniques de caractérisation

L’objectif de ce cours est à la fois de décrire les différentes techniques permettant de fabriquer des composants et des objets de tailles variables avec une précision submicrométrique (Usinage de haute précision, Electroérosion à fil, gravure du silicium, …), mais aussi de comprendre quelles sont les techniques qui permettent de mesurer ces objets avec une résolution nécessairement inférieure aux précisions exigées (AFM, microscopie interférométrique). Pour arriver à une validation complète des objets fabriqués des mesures aussi bien dimensionnelles (palpeur magnétique, mesure optique), que structurales (diffraction de rayons X rasants) doivent être effectuées. Les aspects morphologiques (géométrie et topographie des pièces) seront analysés à l'aide de moyens instrumentaux dont les principes physiques seront exposés en détail. Une attention particulière sera portée sur le traitement des signaux de sortie de ces moyens expérimentaux.

The objective of this course is both to describe the various techniques to manufacture components and objects of varying sizes with a sub-micrometric precision (high-precision machining, Electro Discharge Machining, Silicon etching …), but also to understand what are the techniques to measure these objects with a resolution necessarily lower than the details required (Atomic Force Microscopes, White light interferometric microscopy). Dimensional measures (contact stylus or non-contact optical instruments) as well as structural measures (X-ray diffraction techniques) must be done to achieve a full validation of manufactured objects. The morphological aspects (geometry and topography of objects) will be analysed by instrumental means whose physical principles will be described in details. Particular attention will be paid on the treatment of output signals of these instrumental means.

SYM54 : Modélisation, commande et identification des systèmes mécatroniques.

Modelling, control and identification of mechatronic systems: Application to electrical actuators

Ce module propose d’aborder la modélisation d’actionneurs électriques en vue de mises en œuvre de commandes modernes performantes utilisées en mécatronique. Le programme du module comprend tout d’abord des rappels sur les outils mathématiques, sur les convertisseurs de puissance et, la mise en équation d’état des actionneurs. Une seconde partie est consacrée à l’utilisation du filtre de Kalman dans le cadre d’observateurs temps réel pour l’identification ou la surveillance d’actionneur.

Une troisième partie est consacrée au contrôle vectoriel des machines et de leur convertisseur de puissance. Afin de faciliter l’assimilation des concepts présentés, une mise en œuvre par les étudiants sous formes de simulations sous Matlab est introduite à l’issue du cours.

This course presents in a pragmatic way, the control and the identification of electromechanical actuators. The first part is devoted to remind of the power converters and equations of electromechanical actuators. The second part deals with real time identification or supervision of actuators using Kalman filter.

The third part is devoted to the vector drives of machines and converters. The vector drive of machines is studied with the points of view of control and power electronics specialists.

Working sessions using Matlab Simulink allow familiarizing the students with Kalman filter and vector drives.

Durant cette Unité d'Enseignement (UE), les étudiants auront la possibilité de mettre en pratique les concepts appris durant l'année précédente et se formeront à la collaboration pluridisciplinaire. Les étudiants travailleront par groupe à partir d'un cahier des charges fixé et auront la tâche de concevoir et réaliser un système mécatronique. Le projet pourra être proposé en collaboration avec une industrie ou sur une application de laboratoire.

During this course, students will have the opportunity to practice the concepts learned during the previous year and will be formed to collaborative design. Students will work in a group and will have to design and manufacture a mechatronic system. The project may be proposed by an industry.