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Cours Cybernétique 06 04 15 .pdf



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LA CYBERNÉTIQUE
« Une science Interdisciplinaire »
Jean-­‐Marc  Mercan*ni  
Maître  de  Conférences  

Département de Génie Industriel et Informatique
Ecole Polytechnique Universitaire de Marseille
Laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes
Jean-­‐marc.mercan*ni@LSIS.org
23/09/15  

Polytech'Marseille  -­‐  GII  -­‐  Jean-­‐Marc  Mercan<ni  

1  

PLAN  
 
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
6. 
7. 
8. 

Introduc0on  à  la  Cyberné0que  
Les  Concepts  Clés  de  la  Cyberné0que  
Les  Modèles  de  base  de  la  Cyberné0que  du  1er  Ordre  
Les  impacts  dans  les  autres  Sciences    
Exemple  d’applica0on  :  Étude  d’un  poupon  Cyberné0que  
Le  Concept  de  variété  requise  
La  Cyberné0que  du  deuxième  ordre  
De  la  cyberné0que  à  l’Automa0que  

23/09/15  

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2  

1.  Introduc0on  à  la  Cyberné0que  

23/09/15  

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3  

INTRODUCTION  
Défini0on  
Défini0on  

 
La  Cyberné<que  est  la  science  cons<tuée  par  l'ensemble  des  théories  sur  les  processus  de  
commande  et  de  communica0on  et  leur  régula0on  chez  l'être  vivant,  dans  les  machines  et  dans  
les  systèmes  sociologiques  et  économiques.  
 
 
Les  termes  importants  :  commande  –  communica0on  –  régula0on  
Commande  laisse  entendre  l’existence  d’une  par<e  qui  gouverne  sur  une  par<e  gouvernée  
Communica0on  comprend  les  supports  et  les  messages  
Régula0on  se  comprend  au  sens  de  moyen  d’aQeindre  des  objec<fs  (de  commande  et  
communica<on)  
La  deuxième  par<e  de  la  défini<on  délimite  l’étendue  des  domaines  couverts  par  ceQe  science  
La  diversité  des  domaines  laisse  supposer  que  les  modèles  développés  seront  indépendants  des  
domaines  spécifiques    
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INTRODUCTION  
Défini0on  
Défini0on  

 
La  Cyberné<que  est  la  science  cons<tuée  par  l'ensemble  des  théories  sur  les  processus  de  
commande  et  de  communica0on  et  leur  régula0on  chez  l'être  vivant,  dans  les  machines  et  
dans  les  systèmes  sociologiques  et  économiques.  
 
Le  terme  «  cyberné<que  »  provient  du  mot  grec  kubernesis,  signifiant  au  sens  figuré  l'ac<on  de  
diriger,  de  gouverner  (ou  encore  «  l’art  du  pilotage  »).  
 
Elle  a  pour  objet  principal  l'étude  des  interac<ons  entre  «  systèmes  gouvernants  »  (ou  
systèmes  de  contrôle)  et  «  systèmes  gouvernés  »  (ou  systèmes  opéra<onnels),  régis  par  des  
processus  de  rétroac<on  ou  «  feed-­‐back  »  en  anglais.  
 
La  Cyberné<que  fait  par<e  des  Sciences  Pour  l’Ingénieur.  Elle  fournit  les  ou<ls  (théoriques  et  
méthodologiques)  pour  comprendre  comment  des  ac<ons  peuvent  conduire  à  l’aQeinte  
d’objec<fs.  
 
Savoir  si  un  objec<f  est  aQeint  nécessite  la  présence  de  rétroac<on  (ou  feed-­‐back).  
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5  

INTRODUCTION  
Cita0ons  
«  La  Cyberné*que  sauve  les  âmes,  les  corps  et  les  biens  matériels  contre  les  dangers  les  plus  
graves  »  (Socrate  d’après  Platon  –  400  av.  J.C.).  
 
«  La  future  science  du  gouvernement  devrait  s’appeler  «  la  cyberné*que  »  »(André-­‐Marie  
Ampère,  1843).  Il  invente  le  terme.  
 
«  The  science  of  control  and  communica*on  in  animal  and  machine  »  (Norbert  Wiener,  1948).  
 
«  La  Cyberné*que  est  l’art  d’assurer  l’efficacité  de  l’ac*on  »  (Louis  Couffignal,  1956)  

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INTRODUCTION  
ORIGINE  
La  Cyberné<que  émerge  dans  les  années  1940  à  l’ini<a<ve  de  chercheurs  appartenant  à  des  
disciplines  très  variées  telles  que  les  mathéma<ques,  la  logique,  les  neurosciences,  la  psychologie,  
l’anthropologie,  l’économie,  la  physiologie,  la  médecine,  la  biologie,  la  philosophie,  la  psychiatrie.    
 
CONTEXTE  
Le  trauma<sme  de  la  seconde  guerre  mondiale  et  l’émergence  de  courants  de  pensée  qui  se  
lancent  dans  un  nouveau  champs  d’inves<ga<on  appelé  «  personnalité  et  culture  »,  afin  d’étudier  
la  rela<on  entre  individus  et  société  :  agir  sur  l’individus  pour  changer  la  société  (mouvement  
humaniste).  
 
BUT  
Leur  but  était  de  créer  une  nouvelle  science  dont  l’objet  serait  d’étudier  le  fonc<onnement  de  
l’esprit  humain.  
 
DÉMARCHE  
Étudier  la  communica<on  et  le  traitement  de  l’informa<on  dans  les  systèmes  vivants  et  dans  les  
automates  ar<ficiels.  
Comprendre  le  vivant  pour  construire  des  machines  intelligentes  
Construire  des  machines  intelligentes  pour  approfondir  les  connaissances  sur  le  vivant  
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INTRODUCTION  

Démarche  d’élabora0on  de  la  Cyberné0que  
Le  domaine  de  la  Cyberné<que  a  vu  le  jour  lorsque  les  concepts  d’informa<on,  de  rétroac<on,  et  
de  régula<on  [Wiener,  1948]  furent  généralisés  à  par<r  d’applica<ons  spécifiques  issues  de  
l’ingénierie  (génie)  des  systèmes  en  général,  incluant  les  systèmes  des  organismes  vivants,  les  
processus  intelligents  abstraits  et  le  langage.  
 
 

Théorie  
Abstrac<on  
Cas1  

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Cas2  

…  

Casi  

…  

Casn  

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INTRODUCTION  
AUTOMATES  
ARTIFICIELS  

SYSTÈMES  
VIVANTS  
étudie  

«  Sciences  cogni0ves  »  :  au  croisement  des  
sciences  de  l’informa<on,  des  sciences  du  vivant  
et  des  sciences  de  l’homme,  les  sciences  
cogni<ves  étudient  l’intelligence  et  ses  processus  
calculatoires  chez  les  humains,  les  animaux,  les  
artéfacts  et  de  façon  abstraite.  
Elles  renouvellent  les  probléma<ques  
scien<fiques  et  philosophiques  en  introduisant  
les  ordinateurs  dans  la  modélisa<on  et  la  
simula<on  des  processus  cogni<fs.  (Jean-­‐Gabriel  
Ganascia)  

Génie  Cogni<f  
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étudie  

 
   CYBERNÉTIQUE  
(années  1940)  
 

SCIENCES  
COGNITIVES  
(1956)  

Génie  de  la  
Connaissance  

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Intelligence  
Ar<ficielle  
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INTRODUCTION  
La  Cyberné<que  est  une  science  INTERDISCIPLINAIRE  aux  confluents  d’un  grand  nombre  de  
sciences  ce  qui  lui  vaut  quelques  fois  le  qualifica<f  de  science  «  carrefour  »  

Électronique  
Automa<que  

Informa<que  

CYBER  
NÉTIQUE  

Mécanique  

Biologie  

Communica<on  

Physiologie  
Psychologie  

La  Cyberné0que  est  un  projet  d’unifica0on  des  connaissances  
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2.  Les  Concepts  Clés  de  la  Cyberné0que  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
Un  système  cyberné0que  peut  être  défini  comme  un  ensemble  d’éléments  en  interac0on,  les  
interac0ons  entre  les  éléments  peuvent  consister  en  des  échanges  de  ma0ère,  d’énergie  ou  
d’informa0on.  
 
La  Communica0on  
La  Communica<on  représente  les  échanges  entre  les  éléments  qui  réagissent  en  changeant  d’état  
ou  en  modifiant  leur  ac<on.  
 
L’Ac0on  
L’ac<on  est  caractérisée  par  un  but  déterminé.  Ce  but  consiste  toujours  à  modifier  le  milieu  
extérieur  à  l’être  qui  agit.  La  modifica<on  se  traduit  par  un  changement  d’état.  L’ac<on  est  
finalisée  et  son  but  est  défini  avant  que  l’ac<on  n’ait  lieu.  
 
La  Rétroac0on  
Le  concept  de  rétroac<on  («  feed-­‐back  »)  cons<tue  le  noyau  dur  de  la  pensée  cyberné<que.  Les  
éléments  d’un  système  sont  en  interac<on  réciproque.  L’ac<on  d’un  élément  sur  un  autre  
entraîne  en  retour  une  réponse  du  second  vers  le  premier  :  c’est  la  rétroac<on.  On  dit  que  ces  
deux  éléments  sont  reliés  par  une  boucle  de  rétroac<on.  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  régula0on  
La  régula<on  introduit  dans  une  machine  ou  un  système  la  conformité  du  résultat  à  un  but  fixé  à  
l’avance  par  le  constructeur  (inten<on).  La  régula<on  est  le  concept  que  les  biologistes  avaient  
isolé  sous  le  nom  de  finalité.  
 
L’Homéostasie  
C’est  la  capacité  d’un  système  à  conserver  son  équilibre  de  fonc<onnement  en  dépit  de  
contraintes  qui  lui  sont  extérieures.  CeQe  no<on  est  apparue  ini<alement  en  biologie.  Dans  
l’étude  des  systèmes  ar<ficiels  nous  parlerons  de  stabilité.  
 
La  représenta0on  
Au  plan  Cogni<f,  la  représenta<on  peut  être  définie  comme  un  état  mental  se  référant  à  un  objet  
extérieur  ou  à  un  événement.  La  représenta<on  permet  à  un  être  vivant  ou  ar<ficiel  d’intérioriser  
et  de  reconnaître  l’univers  dans  lequel  ils  évoluent.  Cet  univers  étant  cons<tué  d’objets  concrets  
ou  abstraits  en  interrela<on.  
 
La  Modélisa0on  
La  modélisa<on  Cyberné<que  s’intéresse  à  la  forme  des  phénomènes  et  non  à  la  nature  des  
composants  (comme  c’est  le  cas  en  physique).  Il  s’agit  d’une  modélisa<on  fonc<onnelle.  Un  
même  modèle  fonc<onnel  peut  être  appliqué  indifféremment  à  un  organisme  vivant  ou  à  un  
système  ar<ficiel.  
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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Communica0on  
Représenta0on  d’un  système  de  Communica0on  
(modèle  de  Shannon  et  Weaver)  

Source  de  
l’Informa<on  

message  

Codeur  

message  
codé  

EmeQeur  

Signal  transmissible  

Canal  de  
Communica<on  
Récepteur  de  
l’Informa<on  

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message  

Décodeur  

message  
codé  

Récepteur  

Signal  transmis  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Communica0on  
Représenta0on  d’un  système  de  Communica0on  

Source  de  
l’Informa<on  

message  

Codeur  

message  
codé  

EmeQeur  

Signal  transmissible  

Canal  de  
Communica<on  
Récepteur  de  
l’Informa<on  

message  

Décodeur  

message  
codé  

Récepteur  

Signal  transmis  

Source  de  
l’Informa<on  

Récepteur  de  
l’Informa<on  
Canal  de  
Communica<on  
Codeur  

EmeQeur  

Récepteur  

Décodeur  

message  

23/09/15  

message  

message  

codé  

codé  

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message  

15  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Communica0on  
Classifica0on  des  systèmes  de  Communica0on  
Systèmes  de  Communica<on  

Systèmes  de  
Communica<on  Discret  

Systèmes  de  
Communica<on  Mixte  

Le  signal  et  le  message  
sont  cons<tués  par  des  
séquences  de  symboles  
discrets  
 
Cas  de  la  télégraphie,  du  
téléphone  et  des  réseaux  
informa<ques  

Le  signal  et  le  message  
peuvent  être  des  
symboles  discrets  ou  des  
fonc<ons  con<nues  
 

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Systèmes  de  
Communica<on  Con<nu  

Le  signal  et  le  message  
sont  des  fonc<ons  
con<nues  
 
 
Cas  de  la  radio  et  de  la  
télévision  

16  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
L’Ac0on  
L’ac0on  est  caractérisée  par  un  but  déterminé.  L’ac0on  est  finalisée  et  son  but  est  défini  avant  
que  l’ac0on  n’ait  lieu.  
 
Le  but  (ou  l’inten<on,  la  finalité),  dans  le  cas  de  systèmes  complexes  s’accompagne  toujours  d’un  
programme  qui  prévoit  (planifie)  les  modalités  d’exécu<on  de  (ou  des)  ac<on(s).  
 
Le  programme,  ou  sa  composi<on,  peut  évoluer  en  fonc<on  des  condi<ons  d’ac<va<on  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
L’Ac0on  
«  Être  qui  agit  »  
Recon-­‐  
naissance  

Compré-­‐  
hension  
Cogni<on  

Informa<ons  

Interac<ons  
en  entrée  
Énergie  

Inter-­‐  
préta<on  

on  
<
a
c

Plani
Informa<ons  

Percep<on  

Interac<ons  
en  sor<e  

Ac<on  
Ma<ère  
Énergie  

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Ma<ère  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Modélisa0on  
Démarche  
La  démarche  de  modélisa<on  consiste  à  construire  un  premier  modèle,  qui  est  progressivement  
corrigé  et  affiné  par  comparaison  avec  des  résultats  d'expérimenta<ons.  
 
Ou0l  
Le  langage  cyberné<que  repose  sur  le  concept  de  "boîte  noire  »  cons<tué  de  trois  éléments  :  
-­‐  X,  le  vecteur  d’entrée  représentant  les  informa<ons  (énergie  ou  ma<ère)  pouvant  
influencer  l’ac<vité  de  l’objet  modélisé,  
-­‐  Y,  le  vecteur  de  sor<e  représentant  les  informa<ons  (énergie  ou  ma<ère)  ayant  été  
modifiés  par  l’objet  modélisé  et  pouvant  influencer  l’ac<vité  d’autres  objets  avec  lesquels  il  
est  en  rela<on,  
-­‐  Les  rela<ons  qui  lient  les  composantes  des  vecteurs  X  et  Y.  Ces  rela<ons  traduisent  l’ac<on  
(le  comportement)  de  l’objet  modélisé.  
On  cherche  à  modéliser  le  comportement  de  (ou  ce  que  fait)  l’objet  de  manière  globale  mais  sans  
chercher  à  comprendre  quels  phénomènes  physiques,  biologiques,  etc.  expliquent  ces  rela<ons.  
C’est  ainsi  qu’on  parle  de  boites  noires.  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Modélisa0on  
Y  =  F  (X)  
Rela*ons  

X  

 
BOÎTE  NOIRE  
(système  effecteur  –  Ac<on)  
 

Y  

Par  exemple,  dans  le  cas  d’un  centre  nerveux,  on  cherche  à  modéliser  les  conséquences  des  
informa<ons  reçues  par  ce  centre  sur  les  informa<ons  qu’il  génère  sans  se  préoccuper  des  
réseaux  de  neurones  et  des  neurotransmeQeurs  impliqués.  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Modélisa0on  
ie  

is  

ve  

vs  

qe  

qs  

vs = ve − R × ie − L
1
vs = v0 +
C

die
dt

∫ (ie − is)dt


ps = pe − R × qe − L

pe  

Circuit  électrique  

ps  

1
ps = p0 +
C

dqe
dt

Circuit  hydraulique  

∫ (qe − qs)dt



ie  /  qe  
ve  /  pe  

23/09/15  

d(.)e
(.)s = (.)e − R × (.)e − L
dt
1
(.)s = (.)0 +
∫ ((.)e − (.)s)dt
C


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is  /  qs  
vs  /  ps  

Modèle  «  boite  
noire  »  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Défini<on  :  
La  Rétroac<on  est  l'Informa<on  retournée  à  un  système  qui  provoque  un  changement  
dans  les  ac<ons  subséquentes  (ultérieures  -­‐  suivante)  du  système,  de  telle  façon  que  
ces  ac<ons  deviennent  les  moyens  par  lesquels  le  système  aQeint  ses  objec<fs.  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Rétroac<on  

Rétroac<on  
Posi<ve  

Rétroac<on  
Néga<ve  

Rétroac<on  
Variable  

La  rétroac<on  est  l’ac<on  en  retour  d’un  effet  sur  le  disposi<f  qui  lui  a  donné  naissance  
 
Une  rétroac<on  posi<ve  amplifie  le  phénomène  
 
Une  rétroac<on  néga<ve  aQénue  le  phénomène  (amor<ssement)  
 
Une  rétroac<on  variable  signifie  que  selon  certaines  condi<ons  elle  peut  être  posi<ve  
ou  néga<ve  

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23  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Ac<onneur  
Ac<on  sur  l’environnement  

Objec<f  
Représenta<on  d’une  boucle  
de  rétroac<on  néga<ve  
Z  

Capteur  

Représenta<on  d’une  boucle  
de  rétroac<on  posi<ve  
Z  

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24  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Exemple  1  

La  lumière  du  soleil  est  mesurée  par  un  capteur  situé  
sur  le  lampadaire.  
Lorsque  la  lumière  du  soleil  descend  en  dessous  d’un  
certain  seuil,  le  lampadaire  doit  s’ac<ver.  
Donner  le  schéma  fonc<onnel  de  ce  système.  

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25  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Exemple  1  

Comparateur  

Lampadaire  
Lumière  du  lampadaire  

Niveau  de  
lumière  souhaité  
dans  la  rue  
Niveau  de  
lumière  solaire  

Lumière  solaire  

Z  

Capteur  

Le  capteur  ne  mesure  pas  la  lumière  dans  la  rue  
Le  système  est  en  boucle  ouverte  

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26  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Exemple  1  

Objec<f  décrivant  
une  rela<on  
entre  le  système  
et  son  
environnement  

Comparateur  

Ac<onneur  
La  sor<e  de  
l’Ac<onneur  n’affecte  
pas  le  capteur  

Valeur  de  la  
grandeur  

Grandeur  de  l’environnement  

Z  

Capteur  

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27  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Exemple  2  

La  vitesse  du  véhicule  est  mesuré  par  un  capteur.  
Le  système  Accéléra<on  /  Décéléra<on  agit  pour  
maintenir  une  vitesse  du  véhicule  conforme  à  une  
vitesse  souhaitée  
Donner  le  schéma  fonc<onnel  de  ce  système.  

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28  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Exemple  2  

Système  
Accéléra<on  /  Décéléra<on  
Vitesse  Souhaitée  

Vitesse  du  véhicule  

Vitesse  mesurée  
Z  

Capteur  de  vitesse  

La  rétroac<on  se  présente  comme  une  informa<on  de  retour  à  un  système  qui  provoque  
des   modifica<ons   sur   les   ac<ons   suivantes   du   système,   de   telle   façon   que   ces   ac<ons  
deviennent  les  moyens  par  lesquels  le  système  aQeint  ses  objec<fs.  
 
Sans  rétroac<on  un  système  est  aveugle  
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29  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Rétroac0on  
Ac<onneur  

Objec<f  décrivant  
une  rela<on  entre  le  
système  et  son  
environnement  

Ac<on  sur  l’environnement  

Mesure  de  la  
rela<on  entre  le  
système  et  son  
environnement  

Z  

Capteur  

La  rétroac<on  forme  un  processus  circulaire  qui  part  de  l’inten<on  vers  l’ac<on,  qui  mesure  le  
résultat  de  l’ac<on  et  le  compare  avec  l’inten<on  pour  ajuster  l’ac<on  future.  Ce  processus  
circulaire  est  l’essence  de  tous  les  systèmes  cyberné<ques,  c’est  à  dire,  les  systèmes  qui  doivent  
aQeindre  des  buts.  

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LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Représenta0on  
La   représenta<on   permet   à   un   être   vivant   ou   ar<ficiel   d’intérioriser   et   de   reconnaître   l’univers  
dans   lequel   ils   évoluent.   Cet   univers   étant   cons<tué   d’objets   concrets   ou   abstraits   en  
interrela<ons.   La   représenta<on   interne   de   cet   univers   externe   est   structurée   et   repose   sur   la  
no<on  de  CONCEPT.  
Terme  

Le  triangle  
séman<que  

Objet  
(Extension)  

Un  concept  peut  se  définir  
comme  une  en<té  composée  
de  trois  éléments  dis<ncts  
(Ogden  et  Richards,  1923)  

No<on  
(Intension)  

Le  Terme  exprime  le  concept  dans  une  langue  
La  No<on  ou  Intension  est  la  significa<on  du  concept  
Le(s)  Objet(s)  sont  les  éléments  dénotés  par  le  concept  
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Appareil  de  Stockage  
Équipement  doté  d’un  réservoir  
{R021.12,  R021.14,  R021.16,  …}  

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31  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
La  Représenta0on  
Récupérateur  
ATTRIBUTS  
Sorte  de  
Propriétaire  
Ville  de  stockage  
Localisa<on  du  stockage  
Poids  
Sélec<vité  
Taux  de  récupéra<on  
Limita<on  Débris  
Limita<on  État  de  la  mer  
Limita<on  viscosité  polluant  

VALEURS  
Disposi<f  de  récupéra<on  d’hydrocarbures  
{Douane,  Marine,  …,  Sécurité  civile}  
{Toulon,  Port  de  Bouc,  Marseille}  
{Nom  de  lieu  dans  la  ville}  
Réel  
{Médiocre,  assez  bonne,  Bonne,  Très  bonne}  
Réel  
{Très  sensible,  Sensible,  pas  Sensible}  
{0,  1,  2,  3,  4}  
{Fluide,  non  visqueux,  …,  Très  visqueux}  
Récupérateur  

Récupérateur  Mécanique  
RécupérateurV
ortex  
 
Récupérateur  à  suscion  
Weir  Skimmer  
directe  
Récupérateur  à  
tapis  convoyeur  
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Récupérateur  Oléophile  
Brosse  
oléophile  
Corde  oléophile  

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Tambour  
oléophile  
Disques  
oléophiles  
32  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
L’Homéostasie  –  La  Stabilité  
«  Tous  les  actes,  aussi  variés  soient-­‐ils,  n’ont  qu’un  but,  celui  de  maintenir  constantes  les  
condi<ons  de  la  vie  dans  le  milieu  intérieur  »  (Claude  Bernard,  1865,  Biologiste).  
 
En  règle  générale,  si  les  par<es  essen<elles  d’un  organisme  doivent  survivre,  elles  doivent  
s’entourer  d’un  système  qui  coupe  les  perturba<ons  (vues  comme  un  flux  d’informa<ons)  dirigées  
vers  elles.  
 
Le  but  dont  il  est  fait  référence  est  la  stabilité.  Elle  est  obtenue  en  s’affranchissant  des  
perturba<ons  du  monde  externe.  
 
Un  système  est  stable  quand  soumis  à  une  impulsion  extérieure  (la  perturba<on),  il  tend  à  revenir  
spontanément  à  sa  posi<on  d’équilibre  
 
Un  système  est  instable  lorsque  soumis  à  une  perturba<on  (au  delà  de  certaines  limites),  il  passe  à  
une  autre  posi<on  d’équilibre  différente  de  la  première.  
 
La  régula<on  (boucle  rétroac<ve  néga<ve)  est  la  technique  de  main<en  de  la  stabilité  d’un  système  
vis  à  vis  de  perturba<ons  externes.  

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33  

LES  CONCEPTS  CLÉS  DE  LA  CYBERNÉTIQUE  
Régula0on  et  Régulateur  
Introduc0on  
La  régula*on  est  l’aspect  premier  de  la  Cyberné<que  
La  régula*on  introduit  dans  une  machine  ou  un  système  la  conformité  du  résultat  à  un  
but  fixé  à  l’avance  par  le  constructeur  
La  régula*on  est  le  concept  que  les  biologistes  avaient  isolé  sous  le  nom  de  finalité  
La  no<on  de  Programme,  en  tant  que  suite  d’inten<ons,  découle  de  la  no<on  de  
Régula*on.  
La  Régula<on  d’un  système  ar<ficiel  est  caractérisée  par  sa  stabilité  tout  comme  un  
système  biologique  est  caractérisé  par  son  homéostasie.  
 
James  WaQ  en  créant  le  régulateur  à  boules  (1788)  a  fondé  par  le  biais  de  la  technique,  
un  mode  de  pensée  nouveau.  

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RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Machine  de  Wai  

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35  

RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Machine  de  Wai  

Lorsque  la  vitesse  de  rota<on  de  l’arbre  moteur  à  la  
sor<e  de  la  turbine  augmente,  les  masses  du  
tachymètre  tournent  plus  vite  et  s’écartent  de  l’axe  de  
rota<on  par  effet  centrifuge.  Le  manchon  coulissant  
supérieur  descend.  L’admission  de  vapeur  dans  la  
turbine  diminue  ce  qui  provoque  une  diminu<on  de  la  
vitesse  de  l’arbre  moteur  pour  le  ramener  à  sa  vitesse  
de  consigne.  
23/09/15  

Lorsque  la  vitesse  de  rota<on  de  l’arbre  moteur  à  la  
sor<e  de  la  turbine  diminue,  les  masses  du  tachymètre  
tournent  plus  lentement  et  se  rapprochent  de  l’axe  de  
rota<on.  Le  manchon  coulissant  supérieur  monte.  
L’admission  de  vapeur  dans  la  turbine  augmente  ce  qui  
provoque  une  augmenta<on  de  la  vitesse  de  l’arbre  
moteur  pour  le  ramener  à  sa  vitesse  de  consigne.  

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RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Machine  de  Wai  
Modélisa0on  Fonc0onnelle  

E0  
W0  

Chaudière  
Qc  

Z0  
Tachymètre  

Tringles  

Z  

Vanne  

Q  

Turbine  

W  

Charge  

Tachymètre  

Pour  une  charge  donnée,  la  consigne  de  vitesse  est  fixée  par  le  réglage  de  l’ouverture  de  la  
vanne  et  du  système  de  tringles  
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37  

RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Machine  de  Wai  
Le  régulateur  à  boules  de  James  WaQ  est  considéré  comme  l'un  des  premiers  mécanismes  de  
rétroac<on  u<lisé  dans  le  domaine  industriel.  Les  considéra<ons  de  ces  mécanismes  d'un  type  
nouveau  donnèrent  naissance  plus  tard  à  des  réflexions  comme  la  cyberné<que  et  à  des  
sciences  comme  l'automa<que  et  la  robo<que.  

Alfred  Russel  Wallace  écrivit  dans  son  célèbre  ar<cle  sur  la  sélec<on  naturelle  en  1858  :  
 
«  L'ac<on  de  ce  principe  (de  la  sélec<on  naturelle)  est  exactement  comme  celle  du  régulateur  
centrifuge  d'un  moteur  à  vapeur,  qui  vérifie  et  corrige  toutes  les  irrégularités  presque  avant  
qu'elles  ne  soient  visibles  ;  et  de  manière  semblable  aucune  insuffisance  déséquilibrée  dans  le  
règne  animal  ne  peut  jamais  aQeindre  d'ampleur  manifeste,  car  elle  se  ferait  sen<r  à  la  toute  
première  étape,  en  rendant  l'existence  difficile  et  l'ex<nc<on  à  venir  presque  sûre.  »  
 
Le  cyberné<cien  et  anthropologue  Gregory  Bateson  observa  dans  les  années  1970  que  même  en  
considérant  ceci  comme  une  métaphore,  Wallace  avait  «  probablement  dit  la  chose  la  plus  
puissante  du  xixe  siècle.  »  Bateson,  en  1979,  a  réétudié  le  sujet  dans  son  livre  «  La  nature  et  la  
pensée  »,  et  d'autres  spécialistes  ont  con<nué  à  explorer  le  lien  entre  la  sélec<on  naturelle  et  la  
théorie  des  systèmes.  
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38  

RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Machine  de  Wai  
Le  régulateur  /  Tachymètre  de  WaQ  a  été  u<lisé  
pendant  environ  150  ans,  du  début  du  XIXe  à  la  
moi<é  du  XXe  siècle,  pour  stabiliser  la  vitesse  des  
machines  à  vapeur  ou  des  turbines  
hydrauliques.    

Les   premiers   équipements   u<lisaient   le   déplacement   ver<cal   du   tachymètre   pour   agir  
directement   sur   l’ouverture   de   l’admission   de   vapeur   :   il   s’agit   dans   ce   cas   d’une   régula0on  
directe.   Avec   la   montée   en   puissance   des   machines   à   vapeur,   et   surtout   avec   les   turbines  
hydrauliques,  le  déplacement  du  tachymètre  ne  possède  pas  la  puissance  nécessaire  au  réglage  
de  l’admission,  on  u<lise  alors  un  moteur  auxiliaire,  le  plus  souvent  un  vérin  hydraulique  et  on  
est  alors  dans  le  cas  de  la  régula0on  indirecte.  

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39  

RÉGULATION  ET  RÉGULATEURS  
La  Régula0on  Indirecte  
1  

Si  W  =  W0  alors  le  contact  est  en  posi<on  0  et  le  moteur  
est  à  l’arrêt  

0  

Si  W  <  W0  alors  le  contact  est  en  posi<on  2  est  le  
moteur  tourne  dans  le  sens  de  l’ouverture  de  la  vanne  

2  

Si  W  >  W0  alors  le  contact  est  en  posi<on  1  est  le  
moteur  tourne  dans  le  sens  de  la  fermeture  de  la  vanne  
Chaudière  

W0  

Qc  

Z0  
Tachymètre  

MOTEUR  

Z  

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Vanne  

Q  

Turbine  

W  

Charge  

Tachymètre  

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40  

CONCLUSION  

On   le   voit,   avec   la   machine   de   WaQ,   ou   d’autres   réalisa<ons   techniques   qu’on   aurait   pu   prendre  
pour  exemples,  la  Cyberné<que  n’a  pas  «  inventé  »  la  régula<on  ,  ni  les  systèmes  Automa<ques  
qui  avaient  déjà  fait  l’objet  d’études  isolées.  
 
Par   contre,   sur   la   base   de   ces   cas   spécifiques   et   de   l’observa<on   du   vivant,   la   Cyberné<que   a  
élaboré   une   démarche   générique   scien<fique   des<née   à   l’étude   des   systèmes   téléologiques  
(systèmes  ayant  une  finalité,  une  inten<on  avérée).    
 
Les   concepts   de   commande,   de   communica<on   et   de   régula<on   cons<tuent   les   moyens   de  
garan<r  ceQe  finalité.  

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41  

EXERCICE  

Donner  le  schéma  fonc<onnel  (schéma-­‐bloc  ou  schéma  de  principe  ou  bloc  diagram)  
du  système  représenté.  
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42  

EXERCICE  

Perturba<ons  

Écart  de  régula<on  

ε

Consigne  de  la  température  

 
 

Q  air  chaud  
Chauffage  

 
 

Température  mesurée  

 

Pièce  

Température  
(Variable  régulée)  

Capteur  

 

Perturba<ons  
Variable  de  commande  
Consigne  de  la  température  

ε

 
 

Correcteur  

Q  air  chaud  
 
 
Pièce  
Chauffage  
 
 

 
Température  mesurée  
23/09/15  

 

Température  
(Variable  régulée)  

Capteur  

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43  

Encéphale

Bulbe
rachidien

 

 

Encéphale

 

Nerf de Hering

Nerf
sympathique

Augmentation des
messages nerveux

 

Baisse des
messages nerveux

 

 

Bulbe
rachidien

Nerf de Hering

 

 

 
Barorécepteurs

Baisse des
messages
nerveux

 

 

Nerf
parasympathique

 

Augmentation
des messages
nerveux

 

Cœur

 

Perturbation
augmentation
de la PA

Nerf
parasympathique

 

Baisse des
messages
nerveux

 

Perturbation
Baisse
de la PA

 

 

Nerf
sympathique

 
 

 

Augmentation
des messages
nerveux

 

PA constante
8 à 12 mm Hg
paramètre
réglé
Baisse de la
fréquence
cardiaque

23/09/15  

Barorécepteurs
du sinus
carotidien

du sinus carotidien

Augmentation de
la fréquence
cardiaque

Cœur

 

Boucle de régulation de la pression artérielle (PA)  
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44  

Comparaison  
(bulbe  rachidien)  
Consigne  
Pression  Artérielle  
(8  à  12  mmHg)  

ε

Fréquence  
 
 

 

Ac<on  Conjuguée  
des  nerfs  

 
 

Pression  mesurée  
Message  à  des<na<on  du  
bulbe  rachidien  via  le  nerf  
de  Hering  

23/09/15  

Débit  
Cardiaque  

 

 
Cœur  

Système  
Vasculaire  
 

Pression  
Artérielle  

Barorécepteurs  du  
Sinus  Caro<dien  

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45  

3.  Les  Modèles  de  base  de  la  Cyberné0que  du  1er  Ordre  

23/09/15  

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46  

LES  MODÈLES  DE  BASE  

Peut-­‐on  faire  de  la  Régula0on  avec  une  Rétroac0on  Posi0ve  ?  

23/09/15  

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47  

LES  MODÈLES  DE  BASE  

Les  Graphes  représenta0fs  des  Rétroac0ons  posi0ves  et  néga0ves  

Une  Rétroac<on  posi<ve  signifie  que  chaque  réponse  d’un  système  à  une  variable  donnée  tend  
à  accroître  la  valeur  de  ceQe  variable  dans  une  direc<on  donnée  (posi<ve  ou  néga<ve).    

Une  Rétroac<on  néga<ve  signifie  que  les  varia<ons  d’une  variable  dans  une  direc<on  donnée  
provoque  une  réponse  du  système  dans  une  direc<on  opposée.  Les  valeurs  de  la  variable  
convergent  vers  une  valeur  stable.    
23/09/15  

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48  

LES  MODÈLES  DE  BASE  
La  représenta0on  Formelle  

Objec<f  

Comparateur  
erreur  

Effecteur  

L’effecteur  agit  sur  l’environnement  
en  réponse  à  l’erreur  dans  le  but  de  
la  réduire  à  zéro  

(Chauffage)  

L’objec<f  décrit  la  rela<on  
souhaitée  d’un  système  
avec  son  environnement  
(T°=21°C)  

Environnement  

(T°  air  dans  la  pièce)  

Valeur  mesurée  
(T°  mesurée)  

Capteur  

Z  

Système  

Tout  changement  dans  
l’environnement,  qu’il  soit  dû  à  la  
correc<on  ou  à  une  perturba<on  
est  mesuré  par  le  capteur  et  
transmis  au  comparateur  

Les  capteurs  et  effecteurs  sont  limités  dans  
leur  résolu0on,  temps  de  réac0on,  et  plage  
de  fonc0onnement,  ce  qui  impact  les  
capacités  du  système  à  aQeindre  son  objec<f  

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