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
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = (4s + 18)/(s² + 10s + 25) et calculez f(0,4).

F(s) = (4s + 18)/(s² + 10s + 25)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Un système obéit à y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t), avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 2. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 60·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+3(s + 7)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 3(s + 7)/((s + 6)(s + 8)). Un échelon d’amplitude 10 est appliqué à la consigne. Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 3(s + 7)/((s + 6)(s + 8))R = 10
ess =
4.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+K(s + 2)(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 7)) 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 + 2)(s + 5)(s + 7))retour unitaire négatif
Kmax =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1tp​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 50/(s² + 3s + 50) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps du premier pic tp de la réponse indicielle.

G(s) = 50/(s² + 3s + 50)
tp = s
6.Réponse indicielleDifficile
k = 400 N/mc = 17 N·s/mm = 8 kgF = 100 Nx(t)

Une masse m = 8 kg est suspendue à un ressort k = 400 N/m avec un amortisseur visqueux c = 17 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 100 N est soudain appliquée. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 8 kgk = 400 N/mc = 17 N·s/mF = 100 N
ζ =
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K1s(s + 4)(s + 5)C(s)−

La boucle du schéma a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)). Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))
Kmax =
8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Le lieu des racines de L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3)) quitte l’axe réel entre s = 0 et s = −3, fait une boucle et rejoint l’axe réel à gauche du zéro. Trouvez le point de séparation sb.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 3))
sb =
9.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
R(s)+K = 42,50,5s + 1C(s)−

Un procédé G(s) = 2,5/(0,5s + 1) est commandé par un gain proportionnel K = 4 dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour un échelon, en pourcentage de l’amplitude de l’échelon.

G(s) = 2,5/(0,5s + 1)K = 4
ess = %
10.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 4C(s)−

Un régulateur PI C(s) = Kp + Ki/s commande le procédé G(s) = 4/(s + 4) dans une boucle à retour unitaire. La boucle fermée doit avoir ωₙ = 4 rad/s et ζ = 0,8. Trouvez le gain proportionnel Kp.

G(s) = 4/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,8
Kp =
11.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 2 mHC = 4,7 µFR = 2 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 2 Ω, avec L = 2 mH et C = 4,7 µF. Trouvez la fréquence centrale (de résonance) f0 en Hz.

R = 2 ΩL = 2 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
12.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 56/(s(s + 4)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 56/(s(s + 4))
PM = °

3Solutions

1.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.4) = 0,4331

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 + 10s + 25 = (s + 5)²

Décomposition en éléments simples

4s + 18 = 4(s + 5) + −2
F(s) = 4/(s + 5) − 2/(s + 5)²

Transformée inverse

f(t) = 4·e−5t − 2·t·e−5t
f(0,4) = (4 − 2·0,4)·e−5·0,4 = 0,4331

Réponse

f(0,4) = 0,4331
2.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.2) = 3,299

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

(s² + 11s + 30)·Y(s) = 3s + 33 + 120/s
Y(s) = (3s² + 33s + 120)/(s(s + 5)(s + 6))

Décomposition en éléments simples

A = 120/(5·6) = 4
B = 30/((−5)·1) = −6
C = 30/((−6)·(−1)) = 5

Résultat

y(t) = 4 − 6·e−5t + 5·e−6t
y(0,2) = 3,299

Réponse

y(0,2) = 3,299

Vérification : y(0) = A + B + C = 3.

3.Schémas fonctionnels

Réponse: ess = 6,957

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 position

Kₚ = G(0) = 3·7/(6·8) = 0,4375

Erreur en régime permanent

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,4375) = 6,957

Réponse

ess = 6,957
4.Schémas fonctionnels

Réponse: Kmax = 756

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 + 14s² + 59s + 70 + K = 0

Tableau de Routh

s³ | 1 59
s² | 14 70 + K
s¹ | (14·59 − 70 − K)/14
s⁰ | 70 + K

Limite de stabilité

Tous les éléments de la première colonne doivent être positifs.

Kmax = 14·59 − 70 = 756

Réponse

Kmax = 756
5.Réponse indicielle

Réponse: tp = 0,4546 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 = 50 → ωₙ = 7,071 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,071) = 0,2121

Résultat

ωd = 7,071·√(1 − 0,2121²) = 6,91 rad/s → tp = π/ωd = 0,4546 s

Réponse

tp = 0,4546 s
6.Réponse indicielle

Réponse: ζ = 0,1503

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) = √(400/8) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 17/(2·√(400·8)) = 0,1503

Résultat

ζ = 0,1503

Réponse

ζ = 0,1503
7.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 180

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 + 9s² + 20s + K = 0

Tableau de Routh

s³: 1, 20
s²: 9, K
s¹: (9·20 − K)/9
s⁰: K

Conditions

Chaque élément de la première colonne doit être positif.

K > 0
9·20 − K > 0 → K < 180

Réponse

Kmax = 180

Pour K = 180, la boucle fermée oscille à ω = √20 = 4,472 rad/s.

8.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: sb = −1,633

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.

Gain le long de l’axe réel

K(s) = −(s² + 3s)/(s + 10)

Points stationnaires

Dérivez avec la règle du quotient et annulez le numérateur.

(2s + 3)(s + 10) − (s² + 3s) = s² + 20s + 30 = 0
s = −10 ± √70 = −1,633, −18,37

Point de séparation

sb = −1,633

Réponse

sb = −1,633

Entre les deux points de séparation et de jonction, le lieu est un cercle centré sur le zéro, de rayon √70 = 8,367.

9.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 9,091 %

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 position

Kp = 4·2,5 = 10

Erreur sur l’échelon

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

Réponse

ess = 9,091 %
10.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kp = 0,6

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplié par s(s + 4).

s² + (4 + 4Kp)s + 4Ki

Polynôme cible

s² + 2·0,8·4s + 4² = s² + 6,4s + 16

Identifiez les coefficients

4 + 4Kp = 6,4 → Kp = 0,6

Réponse

Kp = 0,6

Le terme intégral rend la boucle de classe 1, donc un échelon est suivi sans erreur en régime permanent.

11.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: f0 = 1642 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/√(0,002·4,7 × 10⁻⁶) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Réponse

f0 = 1642 Hz
12.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 29,85 °

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 + 16ω² − 3136 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3136))/2 = 48,57
ωc = 6,969 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(6,969/4) = −150,1°
PM = 180° + ∠L = 29,85°

Réponse

PM = 29,85°

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