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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
Écrivez le polynôme caractéristique en boucle fermée : le dénominateur de 1 + K·G(s) = 0, développé.
Placez les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh et construisez les lignes restantes.
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.
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
Comptez les pôles de la boucle ouverte C(s)·G(s) en s = 0 : c’est la classe du système.
Calculez la constante d’erreur qui correspond à l’entrée : Kp pour un échelon, Kv pour une rampe, Ka pour une parabole.
Appliquez ess = A/(1 + Kp), A/Kv ou A/Ka, ou résolvez pour le gain nécessaire.
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
Trouvez f(t) pour F(s) = (6s + 21)/(s² + 2s + 1) et calculez f(0,3).
F(s) = (6s + 21)/(s² + 2s + 1)t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Transformées de LaplaceDifficile
Résolvez y″ + 8y′ + 15y = 0 avec y(0) = 4 et y′(0) = −5 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,2).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 4y′(0) = −5t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Schémas fonctionnelsMoyen
Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 6/(s(s + 7)). La consigne est une rampe r(t) = 5·t. Trouvez l’erreur en régime permanent ess.
G(s) = 6/(s(s + 7))r(t) = 5·t
ess =
4.Schémas fonctionnelsDifficile
Le système G(s) = 32/(s(s + 2)) est dans une boucle de rétroaction négative avec un capteur de gain H = 1. Les pôles en boucle fermée sont complexes. Trouvez leur partie imaginaire ωd (la valeur positive), en rad/s.
G(s) = 32/(s(s + 2))H = 1
ωd = rad/s
5.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 52/(s² + 11s + 52) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le taux d’amortissement ζ.
G(s) = 52/(s² + 11s + 52)
ζ =
6.Réponse indicielleDifficile
Une masse m = 2 kg est suspendue à un ressort k = 100 N/m avec un amortisseur visqueux c = 14 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 5 N est soudain appliquée. Trouvez le plus grand déplacement xmax en mm.
m = 2 kgk = 100 N/mc = 14 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
La boucle du schéma a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)). Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))
Kmax =
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
Pour la boucle L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5)), trouvez le gain K qui place un pôle en boucle fermée en s = −1,5.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))s = −1,5
K =
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
L’entrée parabolique r(t) = 5·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 5)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.
G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 5))r(t) = 5·t²/2
ess =
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
Un régulateur proportionnel K commande le procédé G(s) = 4/(s(s + 4)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain K qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,707.
G(s) = 4/(s(s + 4))ζ = 0,707
K =
11.Diagrammes de Bode et margesMoyen
Le filtre passe-bas RC représenté a R = 1 kΩ, C = 2,2 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 290 kHz est appliqué. Trouvez le déphasage φ de vout par rapport à vin, en degrés.
R = 1 kΩC = 2,2 nFf = 290 kHz
φ = °
12.Diagrammes de Bode et margesDifficile
Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2)). Trouvez la marge de gain GM en dB.
L(s) = 2/(s(s + 1)(s + 2))
GM = dB
3Solutions
1.Transformées de Laplace
Réponse: f(0.3) = 7,779
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).
Factoriser le dénominateur
s² + 2s + 1 = (s + 1)²
Décomposition en éléments simples
6s + 21 = 6(s + 1) + 15
F(s) = 6/(s + 1) + 15/(s + 1)²
Transformée inverse
f(t) = 6·e−t + 15·t·e−t
f(0,3) = (6 + 15·0,3)·e−0,3 = 7,779
Réponse
f(0,3) = 7,779
2.Transformées de Laplace
Réponse: y(0.2) = 2,829
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 − 4s − (−5) + 8(sY − 4) + 15Y = 0
Y(s) = (4s + 27)/((s + 3)(s + 5))
Décomposition en éléments simples
A = 15/2 = 7,5
B = 7/(−2) = −3,5
Résultat
y(t) = 7,5·e−3t − 3,5·e−5t
y(0,2) = 2,829
Réponse
y(0,2) = 2,829
Vérification : y(0) = A + B = 4.
3.Schémas fonctionnels
Réponse: ess = 5,833
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).
Constante d’erreur de vitesse
Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 6/7 = 0,8571
Erreur en régime permanent
ess = A/Kᵥ = 5/0,8571 = 5,833
Réponse
ess = 5,833
4.Schémas fonctionnels
Réponse: ωd = 5,568 rad/s
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
s(s + 2) + 32·1 = 0 → s² + 2s + 32 = 0
Racines
s = −1 ± j·√(32 − 1) = −1 ± j5,568
ωd = 5,568 rad/s
Réponse
ωd = 5,568 rad/s
5.Réponse indicielle
Réponse: ζ = 0,7627
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 = 52 → ωₙ = 7,211 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,211) = 0,7627
Résultat
ζ = 0,7627
Réponse
ζ = 0,7627
6.Réponse indicielle
Réponse: xmax = 58,35 mm
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 = √(k/m) = √(100/2) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 14/(2·√(100·2)) = 0,495
Résultat
xst = F/k = 5/100 m = 50 mm
%OS = 16,7 %
xmax = 50·(1 + 0,167) = 58,35 mm
Réponse
xmax = 58,35 mm
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines
Réponse: Kmax = 390
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.
Équation caractéristique
s³ + 13s² + 30s + K = 0
Tableau de Routh
s³: 1, 30
s²: 13, K
s¹: (13·30 − K)/13
s⁰: K
Conditions
Chaque élément de la première colonne doit être positif.
K > 0
13·30 − K > 0 → K < 390
Réponse
Kmax = 390
Pour K = 390, la boucle fermée oscille à ω = √30 = 5,477 rad/s.
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines
Réponse: K = 7,875
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.
Condition de module
K = |s|·|s + 3|·|s + 5|
Évaluez au point considéré
K = 1,5·1,5·3,5 = 7,875
Réponse
K = 7,875
Vérification : s(s + 3)(s + 5) + K est nul en s = −1,5.
9.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: ess = 0,625
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’accélération
Ka = 20·2/5 = 8
Erreur sur la parabole
ess = 5/8 = 0,625
Réponse
ess = 0,625
10.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: K = 2,001
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 + 4) + 4K = s² + 4s + 4K
Fréquence propre
2·0,707·ωₙ = 4 → ωₙ = 2,829 rad/s
Gain
4K = ωₙ² = 8,002 → K = 2,001
Réponse
K = 2,001
11.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: φ = −75,99 °
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 = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 290000/72343 = 4,009
Phase
φ = − atan(4,009) = −75,99°
Réponse
φ = −75,99°
12.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: GM = 9,542 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.