Entraînement à l’examen FE Electrical and Computer : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 40 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Résistances en série et en parallèle

Résistances en série
Req = R1 + R2 + …
Résistances en parallèle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Deux en parallèle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Loi d’Ohm
V = I·R
Puissance
P = V·I = I²R = V²/R

Méthode

  1. Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
  2. Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redessinez le circuit après chaque étape.
  4. Recommencez jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une résistance entre les bornes.

Méthode des nœuds

Loi des nœuds de Kirchhoff
ΣIin = ΣIout
Courant de branche
I = (Va − Vb)/R
Nœud de référence
Vground = 0

Méthode

  1. Choisissez un nœud de référence (la masse) et nommez les potentiels des autres nœuds.
  2. Écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu : les courants qui sortent par chaque branche égalent les courants qui entrent.
  3. Exprimez chaque courant de branche sous la forme (Va − Vb)/R.
  4. Résolvez le système d’équations, puis trouvez les courants demandés.

Méthode des mailles

Loi des mailles de Kirchhoff
ΣV = 0 sur chaque maille
Résistance commune
courant = I1 − I2
Source de courant dans une maille
impose ce courant de maille

Méthode

  1. Dessinez un courant dans le sens horaire dans chaque maille (fenêtre) du circuit.
  2. Appliquez la loi des mailles de Kirchhoff à chaque maille : la somme des chutes de tension est nulle.
  3. Dans une résistance commune à deux mailles, le courant est la différence des deux courants de maille.
  4. Résolvez les équations ; un résultat négatif signifie que le courant circule dans l’autre sens.

Superposition

Superposition
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Source de tension éteinte
court-circuit (0 V)
Source de courant éteinte
circuit ouvert (0 A)
Diviseur de tension
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Diviseur de courant
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Méthode

  1. Comptez les sources indépendantes. Vous résoudrez un circuit plus simple par source.
  2. Gardez une source et éteignez les autres : une source de tension devient un court-circuit (un fil), une source de courant devient un circuit ouvert (une coupure).
  3. Résolvez le circuit simplifié pour la tension ou le courant cherché, en notant son sens.
  4. Recommencez pour chaque source, puis additionnez les contributions avec leurs signes.

Thévenin et Norton

Tension de Thévenin
Vth = Vopen circuit
Résistance de Thévenin
Rth : toutes les sources éteintes, vue depuis a–b
Courant de Norton
IN = Vth/Rth
Courant de charge
IL = Vth/(Rth + RL)
Transfert de puissance maximal
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Méthode

  1. Retirez la charge et repérez les deux bornes a et b.
  2. Trouvez la tension à vide entre a et b : c’est Vth.
  3. Éteignez toutes les sources indépendantes et trouvez la résistance vue des bornes a–b : c’est Rth.
  4. Rebranchez la charge sur le circuit équivalent : Vth en série avec Rth.
  5. Pour l’équivalent de Norton, convertissez : IN = Vth/Rth, avec RN = Rth en parallèle.

Transitoires RC et RL

Constante de temps
τ = RC | τ = L/R
Réponse
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensateur en continu
circuit ouvert ; vC ne peut pas sauter
Bobine en continu
court-circuit ; iL ne peut pas sauter
Régime établi
t ≈ 5τ

Méthode

  1. Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
  2. Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
  3. Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
  4. Utilisez x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Impédance et phaseurs en alternatif

Impédances
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsation
ω = 2πf
Module et argument
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Loi d’Ohm en phaseurs
V = I·Z

Méthode

  1. Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
  2. Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
  3. Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
  4. Trouvez le module |Z| = √(R² + X²) et l’argument φ = atan(X/R), puis appliquez la loi d’Ohm avec les phaseurs.

Puissance alternative et facteur de puissance

Puissance active
P = V·I·cos φ
Puissance réactive
Q = V·I·sin φ
Puissance apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Facteur de puissance
pf = cos φ = P/S
Condensateur de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Puissance triphasée

Couplage en étoile (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Couplage en triangle (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Puissance active totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Puissances apparente et réactive
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensateurs de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tension aux bornes de chaque condensateur
Δ : VL Y : VL/√3
Puissance absorbée par le moteur
Pin = Pout/η

Transformateurs

Rapport de transformation
a = N1/N2 = V1/V2
Rapport des courants
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Courant nominal
I = S/V
Impédance ramenée
Z1′ = a²·ZL
Pertes cuivre à charge partielle
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendement
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendement maximal
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Circuits à ampli op

Amplificateur inverseur
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Amplificateur non inverseur
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Amplificateur sommateur
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Ampli op idéal
V+ = V−, Iin = 0

Diodes et transistors

Diode (chute de tension constante)
VD = 0,7 V when conducting
Régime actif
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Polarisation fixe
IB = (VCC − 0,7)/RB
Polarisation par pont diviseur
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin du pont diviseur
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Maille du collecteur
VCE = VCC − ICRC − IERE
Saturation
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Systèmes de numération

Poids des positions
binaire 2k, octal 8k, hexa 16k
Vers le décimal
Σ dk·bk
Depuis le décimal
diviser par la base, lire les restes de bas en haut
Hexa ↔ binaire
un chiffre hexa = 4 bits
Complément à deux
inverser les bits et ajouter 1

Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Portes de base
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Règles booléennes
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordre du tableau de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Groupe de 2ᵏ cases
perd k variables
Multiplexeur 4 vers 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Bascules
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Compteurs
n bits : 2ⁿ états ; modulo N : plus petit n tel que 2ⁿ ≥ N ; fout = fclk/N
Compteur asynchrone
fmax = 1/(n·tpd)
Compteurs en anneau et Johnson
n et 2n états

Méthode

  1. Pour un circuit, travaillez des entrées vers la sortie, une porte à la fois, et écrivez la valeur sur chaque fil, ou écrivez son expression et remplissez la table de vérité.
  2. Pour la simplification, placez les 1 (et les états indifférents sous forme de X) dans un tableau de Karnaugh dont les lignes et colonnes suivent le code de Gray : 00, 01, 11, 10.
  3. Couvrez les 1 avec le moins possible de groupes de 1, 2, 4, 8 ou 16 cases, aussi grands que possible, en débordant sur les bords ; chaque groupe est un terme produit formé des variables qui restent constantes. Regroupez les 0 pour la forme POS.
  4. Pour les bascules et les compteurs, lisez les entrées à chaque front d’horloge actif, notez l’état après chaque front, et rappelez-vous qu’un compteur de n bits repasse à zéro après 2ⁿ états.

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.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 25 ΩR4 = 12 ΩR5 = 10 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​4 ΩBIs​4 A

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver la puissance PIs fournie par la source de courant Is.

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
PIs = W
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAR5​3 ΩBIs​6 A+−V2​10 V

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le potentiel du nœud VB (par rapport à la masse).

V1 = 6 VIs = 6 AV2 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩR5 = 3 Ω
VB = V
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant de maille I1 (sens horaire).

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant IR1 dans R1 dans le sens de la flèche.

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​?

Trouvez la valeur de la source de courant Is (sens indiqué) qui annule le courant IR3 dans R3.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩIR3​AIs​4 AB+−V2​?

Trouvez la valeur de la source de tension V2 (polarité indiquée) qui annule le courant IR3 dans R3.

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 12 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAab

Trouvez la résistance de Thévenin Rth vue des bornes a–b.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​3 ABab

Trouvez le courant de Norton IN : le courant qui circule de a vers b si les bornes sont court-circuitées.

V1 = 15 VIs = 3 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL100 mHi(t)

La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez l’énergie W stockée dans la bobine à t = 5 ms, en mJ.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 5 V avec la polarité indiquée. Combien de temps faut-il à vC pour atteindre 10 V ? Trouvez t.

Vs = 15 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 5 V
t = ms
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
120 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 60 Hz. Trouvez le facteur de puissance cos φ du circuit.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 100 µF
cos φ =
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
10 V200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 47 µF
I = A
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 16 kWQ = ?Sφ

Un moteur monophasé absorbe 16 kW avec un facteur de puissance de 0,9 inductif sous 230 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.

P = 16 kWpf = 0,9V = 230 V
Q = kvar
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
240 V60 Hzcharge12 kW, 0,6C470 µFI = ?

Une charge monophasée absorbe 12 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sur une alimentation de 240 V, 60 Hz. Un condensateur de 470 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau courant de ligne I.

P = 12 kWpf1 = 0,6V = 240 Vf = 60 HzC = 470 µF
I = A
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 480 VIL​ = 15 Acos φ = 0,8inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 15 A sur un réseau de tension composée 480 V. Le facteur de puissance vaut 0,8 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 480 VIL = 15 Acos φ = 0,8
P = kW
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 50 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 50 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
RL​ = 4 Ω511150 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 5:1 a son enroulement primaire sous 1150 V. Une résistance de 4 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 1150 VRL = 4 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
pf 0,95250 kVA, η = 97%

Un transformateur monophasé de 250 kVA a des pertes fer de 750 W. À charge nominale et avec un facteur de puissance de 0,95 (inductif), son rendement est de 97 %. Trouvez les pertes cuivre à pleine charge Pcu,fl en watts.

S = 250 kVAPcore = 750 Wpf = 0,95η = 97%
Pcu,fl = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 5 VRa​ = 1 kΩRb​ = 2 kΩ

L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.

Vin = 5 VRa = 1 kΩRb = 2 kΩR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = 1,5 VR1​ = 22 kΩV2​ = 2 VR2​ = 4,7 kΩIf​

L’amplificateur sommateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V. Trouvez le courant If dans la résistance de contre-réaction, orienté vers la sortie.

V1 = 1,5 VV2 = 2 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
If = mA
23.Diodes et transistorsMoyen
+−15 V330 Ω6,2 V3300 ΩIZ​ = ?

Un régulateur Zener de 6,2 V est alimenté sous 15 V à travers 330 Ω et alimente une charge de 3300 Ω. Trouvez le courant Zener IZ.

Vin = 15 VVZ = 6,2 VR = 330 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
+−≤ 13 V680 Ω5,1 V

Un régulateur Zener de 5,1 V a une résistance série de 680 Ω. L’entrée peut monter à 13 V, et la charge peut être déconnectée. Trouvez la plus grande puissance PZ,max que la Zener doit dissiper.

Vin,max = 13 VVZ = 5,1 VR = 680 Ω
PZ,max = mW
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −72 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −728 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
cliquez sur les bits pour les positionner012806403201608040201

Positionnez les bits sur le résultat sur 8 bits de 0011 0011 AND 0111 1101. Quelle est la valeur R du résultat en décimal ?

0011 0011AND0111 1101
R =
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
MUXCI0​CI1​C′I2​C′I3​ABS1​S0​F

Un multiplexeur 4 vers 1 a ses entrées de sélection S₁ = A et S₀ = B, et ses entrées de données reliées à I₀ = C, I₁ = C, I₂ = C′, I₃ = C′. Pour combien des 8 combinaisons de A, B et C la sortie vaut-elle F = 1 ? Trouvez N.

I₀ = CI₁ = CI₂ = C′I₃ = C′
N =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

Un registre à décalage de 4 bits Q₃Q₂Q₁Q₀ contient 1011. À chaque front d’horloge, les bits se décalent d’une place vers la droite (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ est perdu) et l’entrée série entre dans Q₃. L’entrée série vaut 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0 aux fronts 7. Donnez l’état final Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ sous forme de nombre décimal.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10111, 0, 1, 1, 1, 1, 0
Q =
29.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

F(s) = (2s + 26)/(s² + 9s + 20). Sa transformée inverse a la forme f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Trouvez le coefficient A par décomposition en éléments simples.

F(s) = (2s + 26)/(s² + 9s + 20)
A =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Un système obéit à y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t). Il part du repos (y(0) = 0, y′(0) = 0) et l’entrée est un échelon u(t) = 1 pour t ≥ 0. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver la sortie y(0,6).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,6 s
y(0.6) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+36s + 9G(s)C(s)0,5H−

Un système G(s) = 36/(s + 9) est commandé dans une boucle de rétroaction négative dont le capteur a un gain H = 0,5. Trouvez la constante de temps τ de la boucle fermée.

G(s) = 36/(s + 9)H = 0,5
τ = s
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+17s + 4G₁+9s + 2G₂C(s)4H₁−0,25H₂−

Réduisez le schéma fonctionnel avec G₁ = 17/(s + 4), G₂ = 9/(s + 2), une rétroaction négative interne H₁ = 4 autour de G₂ et une rétroaction négative externe H₂ = 0,25. Trouvez le gain statique T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 17/(s + 4)G₂ = 9/(s + 2)H₁ = 4H₂ = 0,25
T(0) =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 192/(s² + 3s + 96) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.

G(s) = 192/(s² + 3s + 96)
ωn = rad/s
34.Réponse indicielleDifficile
+−12 VR = 300 ΩL = 500 mHC = 2 µFvC​

Un circuit RLC série avec R = 300 Ω, L = 500 mH et C = 2 µF est relié à un échelon de 12 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez la pulsation propre non amortie ωn en rad/s.

R = 300 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 12 V
ωn = rad/s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

Trouvez la phase ∠G(jω) de G(s) = 46(s + 19)/(s(s + 4)) à ω = 10 rad/s, en degrés.

G(s) = 46(s + 19)/(s(s + 4))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
36.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) = 84/(s(s + 3)(s + 5)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 84/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K1s(s + 4)(s + 10)C(s)−

La boucle du schéma a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

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

Pour la boucle L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)), trouvez le gain K qui place un pôle en boucle fermée en s = −2,5.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))s = −2,5
K =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 0,5t+20(s + 4)s(s + 5)C(s)−

Une rampe r(t) = 0,5t est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 20(s + 4)/(s(s + 5)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 20(s + 4)/(s(s + 5))r(t) = 0,5t
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
r(t) = 5t+5 + 0,5/s4(s + 4)(s + 5)C(s)−

Un régulateur PI C(s) = 5 + 0,5/s commande le procédé G(s) = 4/((s + 4)(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour l’entrée en rampe r(t) = 5t.

C(s) = 5 + 0,5/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 5))r(t) = 5t
ess =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 0,6635 A

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAR4​3 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R3 + R4 = 20 + 3 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 6·23/(6+23) = 4,759 Ω
Req = R1 + 4,759 = 6 + 4,759 = 10,76 Ω

Courant fourni par la source

La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.

IR1 = V1/Req = 9/10,76 = 0,8365 A

Courant dans R₂

Retranchez la chute de tension dans R₁ pour obtenir la tension au nœud A, qui est la tension aux bornes de R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,8365·6 = 3,981 V
IR2 = VA/R2 = 3,981/6 = 0,6635 A

Réponse

IR2 = 0,6635 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 24,23 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R5 + R6 = 10 + 4 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 6,462 Ω
R3 + 6,462 = 31,46 Ω
R2 ∥ 31,46 = 12,23 Ω
Req = R1 + 12,23 = 12 + 12,23 = 24,23 Ω

Réponse

Req = 24,23 Ω
3.Méthode des nœuds

Réponse: PIs = 60,8 W

Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.

Loi des nœuds au nœud A

Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/20 + (VA − 15)/2 + (VA − VB)/6 = 0
0,7167·VA − 0,1667·VB = 7,5

Loi des nœuds au nœud B

Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/6 = 4
−0,1667·VA + 0,4167·VB = 4

Résoudre

Δ = (0,7167)(0,4167) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,2708
VA = Δ1/Δ = 3,792/0,2708 = 14 V
VB = Δ2/Δ = 4,117/0,2708 = 15,2 V

Puissance fournie par la source de courant

La source injecte Iₛ vers le haut dans le nœud B, de la masse (0 V) à VB. Une source dont le courant sort par sa borne + fournit P = V·I.

PIs = VB·Is = 15,2·4 = 60,8 W

Réponse

PIs = 60,8 W
4.Méthode des nœuds

Réponse: VB = −9,365 V

Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.

R1​ = 15 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 8 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩAR5​3 ΩBIs​6 A+−V2​10 V

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 6 V, V2 = 10 V). Inconnues : VA, VB.

Loi des nœuds au nœud A

Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/5 + (VA − 6)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,3167·VA − 0,05·VB = 0,4

Loi des nœuds au nœud B

Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/3 + (VB − VA)/20 + (VB − 10)/8 = (−6)
−0,05·VA + 0,5083·VB = −4,75

Résoudre

Δ = (0,3167)(0,5083) − (−0,05)(−0,05) = 0,1585
VA = Δ1/Δ = −0,03417/0,1585 = −0,2156 V
VB = Δ2/Δ = −1,484/0,1585 = −9,365 V

Réponse

VB = −9,365 V
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 1,128 A

Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.

R1​ = 4 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​3 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

Définir les courants de maille

Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.

Loi des mailles dans la maille 1

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
4·I1 + 3(I1 − I2) = 9
7·I1 − 3·I2 = 9

Loi des mailles dans la maille 2

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 3(I2 − I1) = (−10)
−3·I1 + 18·I2 = −10

Résoudre

Δ = (7)(18) − (−3)(−3) = 117
I1 = Δ1/Δ = 132/117 = 1,128 A
I2 = Δ2/Δ = −43/117 = −0,3675 A

Réponse

I1 = 1,128 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR1 = 0,1718 A

Méthode des mailles : donnez à chaque fenêtre d’un circuit plan son propre courant de boucle, écrivez la loi des mailles de Kirchhoff sur chaque boucle (somme des chutes = somme des élévations) et résolvez. Les courants de branche sont le courant de maille, ou la différence de deux courants de maille sur une branche commune.

R1​ = 8 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

Définir les courants de maille

Tracez un courant dans le sens horaire dans chaque fenêtre : I1, I2, I3. Une résistance commune à deux mailles est parcourue par la différence de leurs courants.

Loi des mailles dans la maille 1

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 20(I1 − I2) = 10
28·I1 − 20·I2 = 10

Loi des mailles dans la maille 2

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 20(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 38·I2 − 15·I3 = 0

Loi des mailles dans la maille 3

En tournant dans le sens horaire, les chutes de tension dans les résistances égalent les élévations de tension des sources (de − vers + dans le sens du parcours).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
30·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 45·I3 = −36

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 23580
I1 = Δ1/Δ = 4050/23580 = 0,1718 A
I2 = Δ2/Δ = −6120/23580 = −0,2595 A
I3 = Δ3/Δ = −20904/23580 = −0,8865 A

Réponse

IR1 = I1 = 0,1718 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: Is = 1,154 A

Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.

R1​ = 8 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBOUVERT

Cas 1 · V1 seule active

Iₛ devient un circuit ouvert, donc R₃ et R₄ forment une branche série de A à la masse, en parallèle avec R₂.

R3+R4 = 4+10 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·14/(5+14) = 3,684 Ω
VA = 30·3,684/(8+3,684) = 9,459 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 9,459·10/14 = 6,757 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (9,459 − 6,757)/4 = 0,6757 A

Cas 2 · Is seule active

V₁ devient un court-circuit, donc R₁ ∥ R₂ est reliée entre A et la masse. Iₛ se partage en B entre R₄ et le chemin R₃ + R₁∥R₂ ; la part qui traverse R₃ circule de B vers A, à l’opposé de la flèche.

R1 ∥ R2 = 3,077 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/17,08 = −0,5856·Is

Égaler le total à zéro

IR3′ + IR3″ = 0,6757 − 0,5856·Is = 0
Is = 0,6757/0,5856 = 1,154 A

Réponse

Is = 1,154 A
8.Superposition

Réponse: V2 = 27,6 V

Superposition : dans un circuit linéaire, toute tension ou tout courant est la somme des réponses à chaque source indépendante agissant seule. Pour éteindre une source, remplacez une source de tension idéale par un court-circuit et une source de courant idéale par un circuit ouvert. Les résistances restent en place.

R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​36 VR3​4 ΩAOUVERTBCOURT-CIRCUIT

Cas 1 · V1 seule active

V₂ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. Vu de A, R₃ est en parallèle avec la série R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 4 ∥ 27 = 3,484 Ω
VA = 36·3,484/(30+3,484) = 3,746 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,746·15/27 = 2,081 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 15 ΩCOURT-CIRCUITR3​4 ΩAIs​4 ABCOURT-CIRCUIT

Cas 2 · Is seule active

Les deux sources de tension deviennent des courts-circuits. Iₛ se partage en B entre R₄ (désormais à la masse) et R₂ en série avec R₁ ∥ R₃. La flèche de Iₛ pointe vers le bas, en s’éloignant de son nœud, donc Iₛ retire du courant de ce nœud : son terme entre avec un signe moins.

R1 ∥ R3 = 3,529 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+3,529 = 15,53 Ω
Req = R4 ∥ 15,53 = 7,63 Ω
VB = −Is·Req = −4·7,63 = −30,52 V
VA = VB·3,529/15,53 = −6,936 V

Cas 3 · V2 seule active, par volt

V₁ devient un court-circuit et Iₛ un circuit ouvert. R₁ ∥ R₃ part de A, en série avec R₂ jusqu’à B.

R1 ∥ R3 = 3,529 Ω
VA‴ = V2·3,529/(15 + 12 + 3,529) = 0,1156·V2

Égaler VA à zéro

Avec VA = 0, il n’y a aucune tension aux bornes de R₃, donc son courant est nul.

VA′ + VA″ + VA‴ = 3,746 + (−6,936) + 0,1156·V2 = 0
V2 = 3,191/0,1156 = 27,6 V

Réponse

V2 = 27,6 V
9.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 12 Ω

Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 6 ΩCOURT-CIRCUITR2​12 ΩAabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.

R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 6 = 12 Ω
10.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 4,385 A

Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.

R1​ = 5 ΩR3​ = 5 ΩCOURT-CIRCUITR2​30 ΩAOUVERTBabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.

R1 ∥ R2 = 5·30/(5+30) = 4,286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,286 + 5 = 9,286 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAIs​3 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

Avec a–b ouverts, le seul chemin pour Iₛ passe par R₃ vers le nœud A. Trouvez V_A par superposition de V₁ et Iₛ, puis ajoutez la chute de tension dans R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 12,86 + 3·4,286 = 25,71 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25,71 + 3·5 = 40,71 V
IN​4,385 ARth​9,286 Ωab

Équivalent de Norton

Une source de Norton est le même circuit vu comme une source de courant en parallèle avec R_th. Son courant est le courant de court-circuit en a–b.

IN = Vth/Rth = 40,71/9,286 = 4,385 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W = 11,99 mJ

Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.

Constante de temps et courant final

Longtemps après la fermeture, la bobine se comporte comme un court-circuit, donc le courant final est fixé par R seule.

τ = L/R = 100 mH / 33 Ω = 3,03 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Courant à l’instant donné

i(t) = 0,6061·(1 − e−5/3,03) = 0,4897 A

Énergie stockée

W = ½·L·i² = ½·100·0,4897² = 11,99 mJ

Réponse

W = 11,99 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 47,13 ms

Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.

Valeur initiale, valeur finale, constante de temps

La tension d’un condensateur ne peut pas sauter : elle part de sa valeur stockée et tend vers la tension de la source.

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 15 + (5 − 15)·e−t/τ

Isoler le temps

10 = 15 + (−10)·e−t/τ → e−t/τ = (10 − 15)/(5 − 15) = 0,5
t = τ·ln((5 − 15)/(10 − 15)) = 68·ln(2) = 47,13 ms

Réponse

t = 47,13 ms
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: cos φ = 0,6399

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactances

XL = 56,55 Ω, XC = 26,53 Ω

Impédance

|Z| = √(25² + (30,02)²) = 39,07 Ω

Facteur de puissance

cos φ = R/|Z| = 25/39,07 = 0,6399
Le circuit est inductif, donc le facteur de puissance est inductif (courant en retard).

Réponse

cos φ = 0,6399
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,03334 A

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactances

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Impédance

En série, les impédances s’additionnent comme des nombres complexes : Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (297,2)²) = 299,9 Ω

Courant

Le même courant traverse tous les éléments d’un circuit série.

I = V/|Z| = 10/299,9 = 0,03334 A

Réponse

I = 0,03334 A
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Q = 7,749 kvar

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Angle

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Puissance réactive

Q = P·tan φ = 16·0,4843 = 7,749 kvar

Réponse

Q = 7,749 kvar
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 55,52 A

Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.

Puissance réactive avant et après

La puissance active P ne change pas ; seule la puissance réactive prélevée sur le réseau change.

Q1 = 12·tan(arccos 0,6) = 16 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·470·10⁻⁶ = 10206 var = 10,21 kvar
Q2 = 16 − 10,21 = 5,794 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(12² + 5,794²) = 13,33 kVA

Nouveau courant de ligne

I = S2/V = 13326/240 = 55,52 A

Réponse

I = 55,52 A
17.Puissance triphasée

Réponse: P = 9,977 kW

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Puissance apparente

S = √3·VL·IL = √3·480·15 = 12,47 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 12,47·0,8 = 9,977 kW

Réponse

P = 9,977 kW
18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 382,2 µF

Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Compensation du facteur de puissance : les condensateurs fournissent localement de la puissance réactive, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Chacun des trois condensateurs fournit QC/3 = V²·ω·C, où V est la tension aux bornes de ce condensateur : VL dans une batterie en triangle, VL/√3 dans une batterie en étoile.

Puissance réactive avant et après

La puissance active ne change pas ; chaque facteur de puissance fixe donc la puissance réactive : Q = P·tan φ.

Q1 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0,95) = 50·0,3287 = 16,43 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 27,66 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en étoile, chaque condensateur est branché entre une phase et le point neutre.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9221/(314,2·277,1²) = 382,2 µF

Réponse

Cph = 382,2 µF
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 11,5 A

Transformateur parfait : les tensions sont dans le rapport des nombres de spires et les courants dans le rapport inverse : V₁/V₂ = N₁/N₂ = a et I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a ; la puissance absorbée est donc égale à la puissance fournie, V₁·I₁ = V₂·I₂. Une impédance de charge Z au secondaire est vue comme a²·Z depuis le primaire.

Tension et courant secondaires

V2 = 1150/5 = 230 V
I2 = 230/4 = 57,5 A

Courant primaire

Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 11,5 A

Réponse

I1 = 11,5 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 100 Ω, et 1150/100 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Pcu,fl = 6595 W

Pertes d’un transformateur : les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault) dépendent de la tension et sont les mêmes quelle que soit la charge. Les pertes cuivre dans les enroulements varient comme le carré du courant : à une fraction x de la charge nominale, elles valent x²·Pcu,fl. Rendement η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), avec Pout = x·S·pf. Le rendement est maximal pour la charge à laquelle les pertes cuivre égalent les pertes fer.

Puissances utile et absorbée

Pout = 250·0,95 = 237,5 kW
Pin = 237500/0,97 = 244845 W

Pertes totales et pertes cuivre

Ploss = 244845 − 237500 = 7345 W
Pcu,fl = 7345 − 750 = 6595 W

Réponse

Pcu,fl = 6595 W
21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 10,67 V

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Tension à l’entrée +

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 5·2/(1 + 2) = 3,333 V

Gain non inverseur

V₋ = V₊, et le courant qui traverse R₁ traverse aussi Rf.

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 3,333·(1 + 22/10) = 10,67 V

Réponse

Vout = 10,67 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: If = 0,4937 mA

Règles de l’ampli op idéal : avec une contre-réaction, l’ampli op règle sa sortie pour que ses deux entrées soient au même potentiel (V₋ = V₊), et aucun courant n’entre dans les entrées. La loi des nœuds à l’entrée inverseuse avec ces deux faits donne la sortie.

Courants d’entrée

V₋ = 0, donc chaque résistance d’entrée a toute sa tension d’entrée à ses bornes.

I1 = V1/R1 = 1,5/22 = 0,06818 mA
I2 = V2/R2 = 2/4,7 = 0,4255 mA
If = I1 + I2 = 0,4937 mA

Réponse

If = 0,4937 mA
23.Diodes et transistors

Réponse: IZ = 24,79 mA

Régulateur Zener : une diode Zener polarisée en inverse maintient sa tension VZ tant que son courant reste supérieur à un minimum IZ,min. La résistance série R absorbe la différence entre l’entrée et la sortie : IR = (Vin − VZ)/R. Ce courant se répartit entre la charge, IL = VZ/RL, et la Zener : IZ = IR − IL. Dimensionnez pour les pires cas : l’entrée la plus basse avec la plus forte charge doit encore laisser IZ,min, et l’entrée la plus haute sans charge donne la plus grande puissance dans la Zener PZ = VZ·IZ.

Courant de la résistance

IR = 8,8/330 = 26,67 mA

Courant de charge

IL = 6,2/3300 = 1,879 mA

Courant Zener

IZ = 26,67 − 1,879 = 24,79 mA

Réponse

IZ = 24,79 mA
24.Diodes et transistors

Réponse: PZ,max = 59,25 mW

Régulateur Zener : une diode Zener polarisée en inverse maintient sa tension VZ tant que son courant reste supérieur à un minimum IZ,min. La résistance série R absorbe la différence entre l’entrée et la sortie : IR = (Vin − VZ)/R. Ce courant se répartit entre la charge, IL = VZ/RL, et la Zener : IZ = IR − IL. Dimensionnez pour les pires cas : l’entrée la plus basse avec la plus forte charge doit encore laisser IZ,min, et l’entrée la plus haute sans charge donne la plus grande puissance dans la Zener PZ = VZ·IZ.

Courant Zener du pire cas

IZ = 7,9/680 = 11,62 mA

Puissance de la Zener

PZ = 5,1·11,62 = 59,25 mW

Réponse

PZ,max = 59,25 mW
25.Systèmes de numération

Réponse: U = 184

Positionner les bits : chaque bit vaut une puissance de deux (128, 64, …, 1). Un chiffre hexadécimal correspond exactement à quatre bits, et en complément à deux sur 8 bits, le bit le plus à gauche vaut −128. Les opérations bit à bit s’appliquent séparément à chaque position de bit.

Inverser et ajouter un

72 = 0100 1000
inversé: 1011 0111
+1 → 1011 1000

Le lire en non signé

1011 1000₂ = 256 − 72 = 184

Réponse

U = 184
26.Systèmes de numération

Réponse: R = 49

Positionner les bits : chaque bit vaut une puissance de deux (128, 64, …, 1). Un chiffre hexadécimal correspond exactement à quatre bits, et en complément à deux sur 8 bits, le bit le plus à gauche vaut −128. Les opérations bit à bit s’appliquent séparément à chaque position de bit.

Bit par bit

ET donne 1 seulement quand les deux bits valent 1.

0011 0011
AND 0111 1101
= 0011 0001

Valeur du résultat

0011 0001₂ = 49

Réponse

R = 49
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: N = 4

Multiplexeur : un multiplexeur 2ⁿ vers 1 transmet l’une de ses entrées de données à la sortie ; les lignes de sélection, lues comme un nombre binaire, choisissent laquelle. Pour un MUX 4 vers 1 avec sélections S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. En reliant les entrées de données à 0, 1, C ou C′, le MUX produit n’importe quelle fonction de A, B et C, ce qui est une manière courante de réaliser une logique avec un seul circuit.

Expression de sortie

F = A′B′C + A′BC + AB′C′ + ABC′

Lignes avec F = 1

ABC = 001, 011, 100, 110
N = 4

Réponse

N = 4
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: Q = 7

Bascules et compteurs : une bascule ne change qu’au front actif de l’horloge. D copie son entrée (Q⁺ = D) ; T change d’état quand T = 1 ; JK conserve pour 00, remet à 0 pour 01, met à 1 pour 10 et change d’état pour 11. Un compteur binaire de n bits a 2ⁿ états et compte modulo 2ⁿ ; un compteur modulo N va de 0, 1, …, N − 1 puis revient à 0, et exige le plus petit n tel que 2ⁿ ≥ N bascules. Chaque étage d’un compteur asynchrone divise la fréquence par deux, donc la dernière sortie d’un compteur modulo N tourne à fclk/N. Un compteur Johnson de n bascules a 2n états, un compteur en anneau n.

État après chaque front

1011 → 1101 → 0110 → 1011 → 1101 → 1110 → 1111 → 0111

Valeur décimale

0111₂ = 7

Réponse

Q = 7
29.Transformées de Laplace

Réponse: A = 18

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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)

Méthode des résidus

Multipliez par (s + 4) et posez s = −4 : le terme en B disparaît.

A = (2s + 26)/(s + 5) |s = −4 = 18/1 = 18

Réponse

A = 18
(B = −16, donc f(t) = 18·e−4t − 16·e−5t)
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.6) = 0,597

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

Y(s) = 8/(s(s + 1)(s + 4))

Décomposition en éléments simples

A = 8/(1·4) = 2
B = 8/((−1)·3) = −2,667
C = 8/((−4)·(−3)) = 0,6667

Sorties

y(t) = 2 − 2,667·e−t + 0,6667·e−4t
y(0,6) = 0,597

Réponse

y(0,6) = 0,597
31.Schémas fonctionnels

Réponse: τ = 0,03704 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).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = G/(1 + G·H) = 36/(s + 9 + 18) = 36/(s + 27)

Résultat

τ = 1/27 = 0,03704 s

Réponse

τ = 0,03704 s
32.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 0,8042

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) = 9/(s + 38)

Boucle externe

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 153/((s + 4)(s + 38) + 38,25)

Gain statique

T(0) = 153/(4·38 + 38,25) = 153/190,3 = 0,8042

Réponse

T(0) = 0,8042
33.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 9,798 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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,798) = 0,1531

Résultat

ωₙ = 9,798 rad/s

Réponse

ωn = 9,798 rad/s
34.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 1000 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).

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (300/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,5) = 0,3

Résultat

ωₙ = 1000 rad/s

Réponse

ωn = 1000 rad/s
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ∠G(jω) = −130,4 °

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.

Additionner les angles

∠G = atan(10/19) − 90° − atan(10/4) = 27,76° − 90° − 68,2°

Résultat

∠G(j10) = −130,4°

Réponse

∠G(jω) = −130,4°
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 3,098 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.

Croisement de phase

(ω/3)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3,873 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(120/84) = 3,098 dB

Réponse

GM = 3,098 dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 560

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 + 14s² + 40s + K = 0

Tableau de Routh

s³: 1, 40
s²: 14, K
s¹: (14·40 − K)/14
s⁰: K

Conditions

Chaque élément de la première colonne doit être positif.

K > 0
14·40 − K > 0 → K < 560

Réponse

Kmax = 560

Pour K = 560, la boucle fermée oscille à ω = √40 = 6,325 rad/s.

38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: K = 46,88

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 + 5|·|s + 10|

Évaluez au point considéré

K = 2,5·2,5·7,5 = 46,88

Réponse

K = 46,88

Vérification : s(s + 5)(s + 10) + K est nul en s = −2,5.

39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,03125

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) = 16

Erreur sur la rampe

ess = 0,5/16 = 0,03125

Réponse

ess = 0,03125
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 50

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).

Constante de vitesse

s·C(s) = 5s + 0,5 → 0,5 lorsque s → 0.

Kv = 0,5·4/20 = 0,1

Erreur sur la rampe

ess = 5/0,1 = 50

Réponse

ess = 50

Le régulateur PI supprime complètement l’erreur sur un échelon ; une rampe est suivie avec un retard constant.

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