Automatique 1 : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Stabilité
toutes les racines du polynôme caractéristique dans le demi-plan gauche
tableau de Routh, élément s¹ d’un polynôme cubique
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Racines dans le demi-plan droit
nombre de changements de signe dans la première colonne
Polynôme cubique s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stable lorsque tous les a > 0 et a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Équation caractéristique
1 + K·G(s) = 0
Asymptotes
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Points de séparation et de jonction
dK/ds = 0
Condition de module
K = 1/|G(s)|
Angle de départ
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Méthode

  1. Écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée : le dénominateur de 1 + K·G(s) = 0, développé.
  2. Placez les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh et construisez les lignes restantes.
  3. Comptez les changements de signe dans la première colonne : chacun correspond à un pôle dans le demi-plan droit. Avec K dans le tableau, exigez que tous les éléments de la première colonne restent positifs.
  4. Pour un lieu des racines, repérez les pôles et les zéros, les segments de l’axe réel, les asymptotes issues du centre de gravité et les points de séparation où dK/ds = 0. Utilisez K = 1/|G(s)| pour le gain en un point.

Erreur en régime permanent et commande PID

Classe du système
nombre de pôles de G(s) en s = 0
Constantes d’erreur
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Échelon A
ess = A/(1 + Kp)
Rampe A·t
ess = A/Kv
Parabole A·t²/2
ess = A/Ka
Régulateur PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cible du second ordre
s² + 2ζωns + ωn²
Dépassement et temps de réponse
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Méthode

  1. Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
  2. Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
  3. Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
  4. Pour une spécification d’amortissement ou de vitesse, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et identifiez-le à s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Exercices

1.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−2−4−6−82

Trouvez f(t) pour F(s) = (2s + 14)/(s² + 2s + 10) en complétant le carré, et calculez f(0,3).

F(s) = (2s + 14)/(s² + 2s + 10)t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Transformées de LaplaceDifficile
ReIm−1−2−3−4−51

Un système est décrit par l’équation différentielle y″ + 5y′ + 4y = 2u′ + 10u, d’entrée u(t) et de sortie y(t). Trouvez sa fonction de transfert G(s) = Y(s)/U(s) (conditions initiales nulles) et calculez la réponse impulsionnelle g(t) à t = 0,25 s. Trouvez g(0,25).

y″ + 5y′ + 4y = 2u′ + 10ut = 0,25 s
g(0.25) =
3.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+K(s + 10)(s + 11)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/((s + 10)(s + 11)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Trouvez le gain K pour lequel la boucle fermée est à amortissement critique (deux pôles réels égaux).

G(s) = K/((s + 10)(s + 11))retour unitaire négatif
K =
4.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+K(s + 3)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 8)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Utilisez le critère de Routh–Hurwitz pour trouver le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

G(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 8))retour unitaire négatif
Kmax =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)3

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 120/(s² + 9s + 40) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

G(s) = 120/(s² + 9s + 40)
ζ =
6.Réponse indicielleDifficile
R(s)+230s(s + 6)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 230/(s(s + 6)). Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle en boucle fermée, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 230/(s(s + 6))
ts = s
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+Ks + 2(s − 2)(s + 3)C(s)−

Le procédé G(s) = (s + 2)/((s − 2)(s + 3)) a un pôle instable en s = 2. Un gain proportionnel K ferme une boucle à retour unitaire autour de lui. Trouvez le plus petit gain Kmin qui rend la boucle fermée stable.

G(s) = (s + 2)/((s − 2)(s + 3))
Kmin =
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReImζ = 0,6−2−4−6j2

Le lieu des racines de L(s) = K/(s(s + 5)) est représenté. Trouvez le gain K pour lequel les pôles en boucle fermée ont le coefficient d’amortissement ζ = 0,6.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,6
K =
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 5t+50s(s + 2)C(s)−

Une rampe r(t) = 5t est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 50/(s(s + 2)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 50/(s(s + 2))r(t) = 5t
ess =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+10 + Kd​s4s(s + 2)C(s)−

Un régulateur PD C(s) = 10 + Kd·s commande le procédé G(s) = 4/(s(s + 2)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain dérivé Kd qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,6.

G(s) = 4/(s(s + 2))Kp = 10ζ = 0,6
Kd = s
11.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 10 mHR = 100 Ωvout​

Le filtre passe-bas RL représenté a R = 100 Ω, L = 10 mH. Un signal d’entrée sinusoïdal de 4,8 kHz est appliqué. Trouvez le gain |H| = |vout/vin| en dB.

R = 100 ΩL = 10 mHf = 4,8 kHz
|H| = dB
12.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 15/(s(s + 5)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 15/(s(s + 5))
PM = °

3Solutions

1.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.3) = 3,242

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Compléter le carré

s² + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Identifier le numérateur

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (12/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Transformée inverse

f(t) = e−t·(2·cos 3t + 4·sin 3t)
f(0,3) = e−0,3·(2·cos(3·0,3) + 4·sin(3·0,3)) = 3,242

Réponse

f(0,3) = 3,242
2.Transformées de Laplace

Réponse: g(0.25) = 1,832

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Fonction de transfert

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 10)/(s² + 5s + 4)

Décomposition en éléments simples

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 2,667, B = −0,6667

Réponse impulsionnelle

g(t) = 2,667·e−t − 0,6667·e−4t
g(0,25) = 1,832

Réponse

g(0,25) = 1,832
3.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 0,25

Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).

Équation caractéristique

1 + K/((s + 10)(s + 11)) = 0 → s² + 21s + 110 + K = 0

Racine double

Un trinôme s² + βs + γ a une racine double quand β² = 4γ.

21² = 4(110 + K) → K = 441/4 − 110 = 0,25

Réponse

K = 0,25
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −10,5.
4.Schémas fonctionnels

Réponse: Kmax = 1386

Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).

Équation caractéristique

s³ + 17s² + 90s + 144 + K = 0

Tableau de Routh

s³ | 1 90
s² | 17 144 + K
s¹ | (17·90 − 144 − K)/17
s⁰ | 144 + K

Limite de stabilité

Tous les éléments de la première colonne doivent être positifs.

Kmax = 17·90 − 144 = 1386

Réponse

Kmax = 1386
5.Réponse indicielle

Réponse: ζ = 0,7115

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Comparez avec la forme standard

Le dénominateur doit correspondre à s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,325) = 0,7115

Résultat

ζ = 0,7115

Réponse

ζ = 0,7115
6.Réponse indicielle

Réponse: ts = 1,333 s

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = 230/(s² + 6s + 230): ωₙ = 15,17 rad/s, ζ = 0,1978

Temps de réponse

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,333 s

Réponse

ts = 1,333 s

Pour cette boucle, ζωₙ = a/2 quel que soit K : augmenter K ajoute du dépassement mais ne raccourcit pas le temps de réponse.

7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmin = 3

Critère de Routh–Hurwitz : un système linéaire est stable lorsque toutes les racines de son polynôme caractéristique se trouvent dans le demi-plan gauche du plan s. On écrit les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh. Chaque élément d’une nouvelle ligne se calcule à partir des deux lignes au-dessus ; pour un polynôme cubique a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀, l’élément de la ligne s¹ est b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Le nombre de changements de signe dans la première colonne est égal au nombre de racines dans le demi-plan droit. Avec un gain K dans les coefficients, chaque élément de la première colonne doit rester positif : le gain qui annule l’élément de la ligne s¹ est la limite de stabilité, et la ligne s² donne alors la fréquence de l’oscillation entretenue.

Polynôme caractéristique

(s − 2)(s + 3) + K(s + 2) = s² + (1 + K)s + (2K − 6)

Conditions

Pour s² + c₁s + c₀, toutes les racines se trouvent dans le demi-plan gauche exactement lorsque c₁ > 0 et c₀ > 0.

1 + K > 0 → K > −1
2K − 6 > 0 → K > 3
Kmin = 3

Réponse

Kmin = 3
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: K = 17,36

Lieu des racines : lorsque le gain K passe de 0 à ∞, les pôles en boucle fermée, c’est-à-dire les racines de 1 + K·G(s) = 0, se déplacent des pôles en boucle ouverte vers les zéros en boucle ouverte ou vers l’infini. Un point de l’axe réel appartient au lieu lorsque le nombre de pôles et de zéros réels situés à sa droite est impair. Les n − m branches qui partent à l’infini suivent des asymptotes d’angles (2q + 1)·180°/(n − m), issues du centre de gravité σₐ = (Σ pôles − Σ zéros)/(n − m). Les branches quittent ou rejoignent l’axe réel là où dK/ds = 0. La condition d’angle ∠G(s) = 180° fixe la forme du lieu, et la condition de module K = 1/|G(s)| donne le gain en tout point du lieu.

Comparez avec la forme standard

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 5 → ωₙ = 4,167 rad/s

Gain

K = ωₙ² = 4,167² = 17,36

Réponse

K = 17,36

Les pôles en boucle fermée se situent là où la droite de ζ coupe la branche verticale en s = −2,5.

9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,2

Erreur en régime permanent : dans une boucle à retour unitaire de fonction de transfert en boucle ouverte G(s), l’erreur est E(s) = R(s)/(1 + G(s)), et d’après le théorème de la valeur finale ess = lims→0 s·E(s). La classe du système est le nombre de pôles de G(s) en s = 0. Les constantes d’erreur sont Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) et Ka = lim s²·G(s), toutes pour s → 0. Un échelon d’amplitude A donne ess = A/(1 + Kp), une rampe A·t donne A/Kv et une parabole A·t²/2 donne A/Ka. Une boucle de classe 0 suit un échelon avec une erreur finie ; une boucle de classe 1 le suit exactement et suit une rampe avec une erreur finie.

Constante de vitesse

Kv = lim s·G(s) = 25

Erreur sur la rampe

ess = 5/25 = 0,2

Réponse

ess = 0,2
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kd = 1,397 s

Commande P, PI et PID : le régulateur C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s agit sur l’erreur. Un gain proportionnel rend la boucle plus rapide et réduit l’erreur d’un procédé de classe 0, mais ne la supprime jamais. Le terme intégral ajoute un pôle en s = 0 : la classe du système augmente d’une unité, et un échelon est suivi sans erreur. Le terme dérivé ajoute de l’amortissement. Pour choisir les gains, écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée et comparez-le à s² + 2ζωns + ωn². On a alors %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd avec ωd = ωn√(1 − ζ²), et ts ≈ 4/(ζωn).

Polynôme caractéristique

s(s + 2) + 4(10 + Kds) = s² + (2 + 4Kd)s + 40

Fréquence propre

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s

Gain dérivé

2 + 4Kd = 2·0,6·6,325 = 7,589
Kd = 1,397 s

Réponse

Kd = 1,397 s

Le terme dérivé ajoute de l’amortissement sans changer ωₙ.

11.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |H| = −10,04 dB

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Fréquence de coupure

ωc = R/L = 100/0,01 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Gain

|H| = 1/√(1 + 3,016²) = 0,3147
20·log₁₀(0,3147) = −10,04 dB

Réponse

|H| = −10,04 dB
12.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 62,07 °

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Croisement du gain

ω⁴ + 25ω² − 225 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·225))/2 = 7,026
ωc = 2,651 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(2,651/5) = −117,9°
PM = 180° + ∠L = 62,07°

Réponse

PM = 62,07°

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