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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.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 158/(s² + 11s + 79) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.
G(s) = 158/(s² + 11s + 79)
%OS = %
2.Réponse indicielleDifficile
Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 285/(s(s + 20)). Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle en boucle fermée, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 285/(s(s + 20))
ts = s
3.Diagrammes de Bode et margesMoyen
Trouvez la phase ∠G(jω) de G(s) = 6(s + 7)/(s(s + 12)) à ω = 10 rad/s, en degrés.
G(s) = 6(s + 7)/(s(s + 12))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
4.Diagrammes de Bode et margesDifficile
Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 76/(s(s + 3)(s + 5)). Trouvez la marge de gain GM en dB.
L(s) = 76/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB
5.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
La boucle du schéma a une contre-réaction négative et L(s) = 1680/(s(s + 4)(s + 10)). Combien de pôles N en boucle fermée se trouvent dans le demi-plan droit ?
L(s) = 1680/(s(s + 4)(s + 10))
N =
6.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
Pour la boucle L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)), trouvez le gain K qui place un pôle en boucle fermée en s = −1,5.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))s = −1,5
K =
7.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
Une boucle à retour unitaire a pour fonction G(s) = K/((s + 2)(s + 5)). Trouvez le gain K qui donne une erreur en régime permanent de 2 % pour une entrée en échelon.
G(s) = K/((s + 2)(s + 5))ess = 2 %
K =
8.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
Un régulateur PI C(s) = Kp + Ki/s commande le procédé G(s) = 5/(s + 1) dans une boucle à retour unitaire. La boucle fermée doit avoir ωₙ = 8 rad/s et ζ = 1. Trouvez le gain intégral Ki.
G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Ki =
9.Schémas fonctionnelsMoyen
Le système G(s) = 8/(s + 8) a une boucle de rétroaction négative interne (secondaire) de gain H₁ = 0,5. 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) = 8/(s + 8)H₁ = 0,5K = 14
p =
10.Schémas fonctionnelsDifficile
Un correcteur proportionnel K = 10 commande le système G(s) = 7/(s + 5) dans une boucle à retour unitaire négatif. Une perturbation D entre à l’entrée du système (elle s’ajoute à la sortie du correcteur). Avec R = 0, un échelon de perturbation d’amplitude 0,5 est appliqué. Trouvez la sortie en régime permanent css.
K = 10G(s) = 7/(s + 5)D = 0,5R = 0
css =
3Solutions
1.Réponse indicielle
Réponse: %OS = 8,419 %
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 = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8,888) = 0,6188
Résultat
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,475 = 8,419 %
Réponse
%OS = 8,419 %
2.Réponse indicielle
Réponse: ts = 0,4 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).
Pour cette boucle, ζωₙ = a/2 quel que soit K : augmenter K ajoute du dépassement mais ne raccourcit pas le temps de réponse.
3.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: ∠G(jω) = −74,8 °
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.
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.
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
s³ + 14s² + 40s + 1680 = 0
Tableau de Routh
s³: 1, 40
s²: 14, 1680
s¹: −80
s⁰: 1680
Changements de signe dans la première colonne
1 → 14 → −80 → 1680
N = 2
Réponse
N = 2
Le gain dépasse la limite K = 560, donc une paire complexe est passée dans le demi-plan droit.
6.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines
Réponse: K = 14,63
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 + 8|
Évaluez au point considéré
K = 1,5·1,5·6,5 = 14,63
Réponse
K = 14,63
Vérification : s(s + 3)(s + 8) + K est nul en s = −1,5.
7.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: K = 490
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/10 = 49 → K = 490
Réponse
K = 490
Vérifiez aussi la stabilité en boucle fermée : pour cette boucle du second ordre, tout K > 0 est stable.
8.Erreur en régime permanent et commande PID
Réponse: Ki = 12,8
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 + 1).
s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki
Polynôme cible
s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64
Identifiez les coefficients
5Ki = 64 → Ki = 12,8
Réponse
Ki = 12,8
Le terme intégral rend la boucle de classe 1, donc un échelon est suivi sans erreur en régime permanent.
9.Schémas fonctionnels
Réponse: p = −124
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).
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).
Fonctions de transfert
C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 5 + 70)
Régime permanent
css = 0,5·7/75 = 0,04667
Réponse
css = 0,04667
Un K plus grand réduit l’effet de la perturbation, mais jamais jusqu’à zéro avec un correcteur proportionnel.