simulation (suite)

Généralités

Un avion, une automobile, une réaction chimique, un fleuve ou encore la circulation d’une monnaie au sein d’une région, d’un pays constituent des exemples de systèmes, et leur dynamique n’est autre que leur comportement au cours du temps.

La richesse des informations apportées par la simulation explique l’emploi de plus en plus fréquent de celle-ci. La simulation permet en effet une meilleure compréhension des systèmes déjà réalisés (aide à l’amélioration), une meilleure définition des systèmes à construire (aide à la conception), un excellent entraînement des personnels à la conduite de systèmes courants (écoles de pilotage), ou encore des tests de courte ou longue durée relatifs au bon fonctionnement de certains systèmes dans un environnement donné (bancs d’essais : tenue d’un moteur dans une atmosphère simulée).

On y fait appel chaque fois qu’il n’est pas possible d’utiliser une autre procédure de travail, ce qui est en particulier le cas lorsque des difficultés techniques, des impératifs économiques ou des contraintes temporelles se présentent. Mais il ne faut pas perdre de vue que la qualité des informations obtenues est strictement liée à la qualité du système (modèle) qui a été substitué.

Modes de simulation et moyens utilisés

On distingue trois modes de simulation suivant la nature des systèmes étudiés, et l’on aboutit par suite à trois types de modèles : les maquettes ou modèles réduits ; les réseaux électriques et les cuves rhéographiques ; les calculateurs analogiques, numériques et hybrides.

Maquettes ou modèles réduits

Ceux-ci reproduisent en plus petit les phénomènes dont on souhaite mettre en évidence le comportement.

• En hydrologie, il est ainsi possible d’étudier les déformations, les ensablements de rivières, d’estuaires ou de profils côtiers, l’agression de ports artificiels par les vagues et le mouvement des navires, la montée des eaux d’un fleuve et les inondations qui peuvent en découler.

• En aérodynamique, les maquettes permettent d’étudier et d’optimiser certains profils, tels ceux des avions, des missiles ou des automobiles. On place généralement ces maquettes dans des souffleries ou des tunnels de tir à l’intérieur desquels sont reconstituées les conditions d’environnement : pression, température, vitesse, hygrométrie, etc.

• En électrotechnique, on sait construire des micromachines, petits alternateurs ou moteurs dont on est maître des caractéristiques électriques.

• En chimie, avant de bâtir des usines faisant appel à des méthodes ou à des technologies nouvelles, on étudie leur fonctionnement sur des pilotes, qui sont des usines ou des expériences de dimension réduite pour permettre de faire des mises au point moins onéreuses et plus faciles.

Réseaux électriques et cuves rhéographiques

Ce sont des systèmes que l’on construit par transposition quasi directe, suivant des règles simples. Ils permettent la simulation de certains phénomènes en rendant inutile leur description mathématique.

• Les réseaux électriques, association de résistances passives, de selfs et de capacités (R, L, C), sont utilisés pour étudier des systèmes mécaniques incluant des masses, des éléments élastiques et de friction (problèmes de suspension et de vibration), des systèmes acoustiques et électro-acoustiques (tuyaux sonores, haut-parleurs) ou des phénomènes de diffusion ou de transport (propagation de la chaleur, répartition des températures dans des milieux de natures et de formes variées).

• Les cuves rhéographiques constituent des milieux électrolytiques de géométrie généralement simple, associés à des électrodes portées à des potentiels fixes ou variables et dont les surfaces représentent les surfaces limites rencontrées dans les problèmes de champ (équations de Laplace et de Poisson par exemple). Ces cuves sont de moins en moins utilisées et sont remplacées par des réseaux ou des ordinateurs.

Calculateurs analogiques, numériques et hybrides

Ce sont les supports les plus courants de la simulation. En effet, dans la plupart des cas, il n’est pas possible d’étudier le comportement dynamique d’un système sans passer par l’intermédiaire d’un modèle mathématique, c’est-à-dire sans écrire l’ensemble des équations qui régissent ce système. Les calculateurs électroniques permettent alors d’obtenir simplement les solutions.

Par opposition aux calculateurs numériques, qui traitent de façon séquentielle des informations discrètes, les calculateurs analogiques traitent de façon continue et parallèle les informations continues. Les calculateurs hybrides comportent un calculateur analogique et un calculateur numérique qui échangent des informations par l’intermédiaire d’un interface doté de convertisseurs analogiques numériques et vice versa. Les calculateurs analogiques, très utilisés lorsque les systèmes simulés sont représentés par des équations différentielles par rapport au temps et lorsqu’ils ont des bandes passantes élevées, sont très concurrencés par les calculateurs numériques, dont les performances croissent très régulièrement et dont les prix baissent de façon spectaculaire.

Les simulations sont souvent effectuées « en ligne ». Le temps machine est alors proportionnel au temps réel : il est accéléré lors de la représentation des phénomènes lents, ralenti lors de la représentation des phénomènes trop rapides. Lorsque le temps machine s’écoule à la même vitesse que le temps réel, on dit de la simulation qu’elle s’effectue en temps réel : dans ce cas, les systèmes étudiés peuvent être associés ou connectés à un environnement réel et constituent alors des simulateurs. On rencontre souvent des simulateurs d’entraînement dans les domaines de l’aviation et de l’espace, mais également dans les domaines de l’industrie automobile, de l’énergie nucléaire et de l’armement. En aviation, un simulateur d’entraînement est constitué d’un cockpit, dans lequel prend place le pilote, d’un calculateur, qui évalue la position instantanée de l’avion simulé en fonction des ordres fournis par le pilote, et d’une caméra, associée à la position de l’avion et qui projette sur un écran placé devant le pilote des images (aérodrome par exemple) que celui-ci verrait dans la réalité. Suivant le réalisme dont on veut doter cet entraînement, le cockpit peut être asservi en position (lacet, roulis, tangage), de même que des accompagnements sonores peuvent compléter l’illusion. Il en va de même pour l’entraînement d’un aéronaute, d’un conducteur d’autobus ou de char d’assaut, lesquels agissent sur des commandes reliées à des calculateurs et reçoivent alors des informations mécaniques, visuelles et sonores leur donnant l’impression de vivre la réalité.