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−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

Trouvez f(t) pour F(s) = (2s + 6)/(s² + 2s + 2) en complétant le carré, et calculez f(1).

F(s) = (2s + 6)/(s² + 2s + 2)t = 1 s
f(1) =
2.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Résolvez y″ + 7y′ + 10y = 0 avec y(0) = 7 et y′(0) = −6 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,25).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 7y′(0) = −6t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+14K+9s + 7G(s)C(s)4H₁−−

Le système G(s) = 9/(s + 7) a une boucle de rétroaction négative interne (secondaire) de gain H₁ = 4. Un gain de correcteur K = 14 et une boucle externe à retour unitaire négatif ferment le système. Trouvez le pôle en boucle fermée p.

G(s) = 9/(s + 7)H₁ = 4K = 14
p =
4.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+10s + 4G₁+4s + 5G₂C(s)2H₁−0,1H₂−

Réduisez le schéma fonctionnel avec G₁ = 10/(s + 4), G₂ = 4/(s + 5), une rétroaction négative interne H₁ = 2 autour de G₂ et une rétroaction négative externe H₂ = 0,1. Trouvez le gain statique T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 10/(s + 4)G₂ = 4/(s + 5)H₁ = 2H₂ = 0,1
T(0) =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 56/(s² + 11s + 56) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.

G(s) = 56/(s² + 11s + 56)
ωn = rad/s
6.Réponse indicielleDifficile
+−10 VR = 10 ΩL = 10 mHC = 100 µFvC​

Un circuit RLC série avec R = 10 Ω, L = 10 mH et C = 100 µF est relié à un échelon de 10 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez l’instant tp du premier pic de tension, en ms.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 100 µFV = 10 V
tp = ms
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+Ks + 5(s − 3)(s + 5)C(s)−

Le procédé G(s) = (s + 5)/((s − 3)(s + 5)) a un pôle instable en s = 3. 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 + 5)/((s − 3)(s + 5))
Kmin =
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

Une boucle à retour unitaire a pour fonction L(s) = K/(s(s + 6)(s + 5)). Trouvez le point σa où les asymptotes du lieu des racines coupent l’axe réel.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 5))
σa =
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

Une boucle à retour unitaire a pour fonction G(s) = K/((s + 2)(s + 10)). Trouvez le gain K qui donne une erreur en régime permanent de 2 % pour une entrée en échelon.

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 2 %
K =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K = 202s(s + 5)C(s)−

Un régulateur proportionnel K = 20 commande le procédé G(s) = 2/(s(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 2/(s(s + 5))K = 20
ts = s
11.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 5 mHC = 10 µFR = 1 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 1 Ω, avec L = 5 mH et C = 10 µF. Trouvez la bande passante à −3 dB BW en Hz.

R = 1 ΩL = 5 mHC = 10 µF
BW = Hz
12.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 6 dB.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 8))GM = 6 dB
K =

3Solutions

1.Transformées de Laplace

Réponse: f(1) = 1,636

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 + 2 = (s + 1)² + 1 = (s + 1)² + 1²

Identifier le numérateur

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (4/1)·1/((s + 1)² + 1²)

Transformée inverse

f(t) = e−t·(2·cos 1t + 4·sin 1t)
f(1) = e−1·(2·cos(1·1) + 4·sin(1·1)) = 1,636

Réponse

f(1) = 1,636
2.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.25) = 5,099

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).

Transformer l’équation

s²Y − 7s − (−6) + 7(sY − 7) + 10Y = 0
Y(s) = (7s + 43)/((s + 2)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 29/3 = 9,667
B = 8/(−3) = −2,667

Résultat

y(t) = 9,667·e−2t − 2,667·e−5t
y(0,25) = 5,099

Réponse

y(0,25) = 5,099

Vérification : y(0) = A + B = 7.

3.Schémas fonctionnels

Réponse: p = −169

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).

Boucle interne

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 9/(s + 7 + 9·4) = 9/(s + 43)

Boucle externe

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 126/(s + 43 + 126) = 126/(s + 169)

Résultat

p = −169

Réponse

p = −169
4.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 0,7143

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).

Boucle interne

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 4/(s + 13)

Boucle externe

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 40/((s + 4)(s + 13) + 4)

Gain statique

T(0) = 40/(4·13 + 4) = 40/56 = 0,7143

Réponse

T(0) = 0,7143
5.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 7,483 rad/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).

Comparez avec la forme standard

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

ωₙ² = 56 → ωₙ = 7,483 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,483) = 0,735

Résultat

ωₙ = 7,483 rad/s

Réponse

ωn = 7,483 rad/s
6.Réponse indicielle

Réponse: tp = 3,628 ms

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).

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·1 × 10⁻⁴) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (10/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,01) = 0,5

Résultat

ωd = 866 rad/s
tp = π/ωd = 3,628 ms

Réponse

tp = 3,628 ms
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 − 3)(s + 5) + K(s + 5) = s² + (2 + K)s + (5K − 15)

Conditions

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

2 + K > 0 → K > −2
5K − 15 > 0 → K > 3
Kmin = 3

Réponse

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

Réponse: σa = −3,667

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.

Pôles et zéros

pôles: 0, −6, −5
n − m = 3 − 0 = 3

Centre de gravité

σa = (−11)/3 = −3,667

Réponse

σa = −3,667

Les 3 asymptotes partent du centre de gravité avec des angles de 60°, 180°, 300°.

9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: K = 980

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 d’erreur requise

1/(1 + Kp) = 0,02 → Kp = 49

Gain

K/20 = 49 → K = 980

Réponse

K = 980

Vérifiez aussi la stabilité en boucle fermée : pour cette boucle du second ordre, tout K > 0 est stable.

10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ts = 1,6 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 + 5) + 20·2 = s² + 5s + 40

ωₙ et ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 5/(2·6,325) = 0,3953

Temps de réponse

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s

Réponse

ts = 1,6 s

Le temps d’établissement ne dépend pas de K ici : augmenter K ne fait qu’accélérer les oscillations de la réponse.

11.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: BW = 31,83 Hz

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 résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1 × 10⁻⁵) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz

Bande passante

BW = R/L = 1/0,005 = 200 rad/s = 31,83 Hz

Réponse

BW = 31,83 Hz
12.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 421

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 de phase

(ω/7)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(7·8) = 7,483 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 64)) = K/(7·8·(7 + 8)) = K/840

Gain requis

840/K = 106/20 = 1,995
K = 840/1,995 = 421

Réponse

K = 421

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