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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​8 ΩB

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAR4​12 ΩBR6​3 Ω

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​6 Ω−+V1​6 VI1​R2​10 Ω+−V2​30 VR3​20 Ω+−V3​18 VA

Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I1 dans la branche 1, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩV2 = 30 VR2 = 10 ΩV3 = 18 VR3 = 20 Ω
I1 = A
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBIs​?

La source de courant est réglée jusqu’à ce que le potentiel du nœud A vaille VA = 9,5 V. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant de la source Is (sens indiqué).

V1 = 6 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩVA = 9,5 V
Is = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 4 ΩR2​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩIR2​R3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​6 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant IR2 dans R2 dans le sens de la flèche.

V1 = 6 VV2 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩR4 = 20 ΩR5 = 6 Ω
IR2 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​2 ΩBIs​1 A

Utilisez le théorème de superposition pour trouver le courant IR3 dans R3 dans le sens de la flèche.

V1 = 12 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR3 = A
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​2 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​?

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

V1 = 6 VIs = 1,5 AR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 2 ΩR4 = 30 Ω
V2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab

Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​0,5 ABRL​4 ΩIL​

Une charge RL = 4 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​12 Vt = 0R = 20 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 = 10 ms, en mJ.

Vs = 12 VR = 20 ΩL = 100 mHt = 10 ms
W = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​15 Vs’ouvre à t = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC22 µF+−vC​

L’interrupteur est fermé depuis longtemps, donc le circuit est en régime permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 50 ms.

Vs = 15 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 50 ms
vC = V
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
10 V200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 1 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le déphasage φ de l’impédance, en degrés (positif quand le courant est en retard sur la tension).

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 1 µF
φ = °
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
230 V60 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 150 ΩC = 10 µF

Une résistance R1 est branchée en série avec l’association en parallèle de R2 et d’un condensateur C, sur une alimentation de 230 V (efficace), 60 Hz. Trouvez le module de l’impédance |Z|.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR1 = 50 ΩR2 = 150 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 12 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 12 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 400 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 12 kWpf = 0,65V = 400 V
I = A
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 150 kVA alimente une charge de 77 kW avec un facteur de puissance de 0,85 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?

Smax = 150 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0,85
ΔP = kW
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M110 kW, η = 90%cos φ = 0,85

Un moteur asynchrone triphasé fournit 110 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 90 % et son facteur de puissance vaut 0,85 (inductif). Le réseau a une tension composée de 415 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 110 kWη = 90%cos φ = 0,85VL = 415 V
IL = A
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 75 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,92 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 75 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
RL​ = 48 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 20:1 a son enroulement primaire sous 2400 V. Une résistance de 48 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 48 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
75 kVA

Un transformateur monophasé de 75 kVA a des pertes fer de 225 W et des pertes cuivre de 675 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?

S = 75 kVAPcore = 225 WPcu,fl = 675 W
Sη,max = kVA
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 47 kΩVin​

Choisissez la résistance de contre-réaction Rf qui donne à cet amplificateur non inverseur un gain en tension de 31.

R1 = 47 kΩAv = 31
Rf = kΩ
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = −1,2 VR1​ = 10 kΩV2​ = −0,6 VR2​ = 47 kΩ

L’amplificateur sommateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = −1,2 VV2 = −0,6 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
+−20 V220 Ω9,1 V470 ΩIZ​ = ?

Un régulateur Zener de 9,1 V est alimenté sous 20 V à travers 220 Ω et alimente une charge de 470 Ω. Trouvez le courant Zener IZ.

Vin = 20 VVZ = 9,1 VR = 220 ΩRL = 470 Ω
IZ = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 680 Ωβ = 50IC​ = ?VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = 1 kΩ

Un transistor NPN de β = 50 commande une résistance de charge de 680 Ω branchée entre VCC = 24 V et son collecteur. L’émetteur est à la masse. La base est attaquée par une sortie logique de 3,3 V à travers une résistance de base RB = 1 kΩ. Prenez VBE = 0,7 V et VCE(sat) = 0,2 V. Trouvez le courant de collecteur IC en mA lorsque l’entrée est à l’état haut. Déterminez d’abord si le transistor est saturé.

VCC = 24 VRC = 680 Ωβ = 50Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 1 kΩ
IC = mA
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −117 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −1178 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
24 bit1 px1280 px720 pxM = ? KiB

Une image non compressée fait 1280 × 720 pixels avec 24 bits par pixel. Quelle mémoire M occupe-t-elle, en Kio (1 Kio = 1024 octets) ?

1280 × 720 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
MUX0I0​1I1​0I2​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 = 0, I₁ = 1, I₂ = 0, I₃ = C′. Pour combien des 8 combinaisons de A, B et C la sortie vaut-elle F = 1 ? Trouvez N.

I₀ = 0I₁ = 1I₂ = 0I₃ = C′
N =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKMOD-5

Un compteur modulo 5 synchrone compte 0, 1, …, 4 puis revient à 0. Il part de 4. Quelle valeur Q (en décimal) affiche-t-il après 10 impulsions d’horloge ?

Q0 = 410N = 5
Q =
29.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm5

Trouvez f(t) pour F(s) = (4s + 2)/(s² + 2s + 37) en complétant le carré, et calculez f(0,2).

F(s) = (4s + 2)/(s² + 2s + 37)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un système obéit à y″ + 7y′ + 6y = 12·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(0,3).

y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+10K+1s + 2G(s)C(s)2H₁−−

Le système G(s) = 1/(s + 2) a une boucle de rétroaction négative interne (secondaire) de gain H₁ = 2. Un gain de correcteur K = 10 et une boucle externe à retour unitaire négatif ferment le système. Trouvez le pôle en boucle fermée p.

G(s) = 1/(s + 2)H₁ = 2K = 10
p =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+Kcorrecteur+D(s)+6s + 8systèmeC(s)−

Un correcteur proportionnel K commande le système G(s) = 6/(s + 8) dans une boucle à retour unitaire négatif. Un échelon de perturbation d’amplitude 1 entre à l’entrée du système alors que R = 0. Trouvez le plus petit gain K qui maintient la sortie en régime permanent à 0,015 ou moins.

G(s) = 6/(s + 8)D = 1css ≤ 0,015
K =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 32/(s² + s + 16) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.

G(s) = 32/(s² + s + 16)
ωn = rad/s
34.Réponse indicielleDifficile
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = K/(s(s + 16)). Trouvez le gain K qui donne une réponse indicielle avec 2 % de dépassement.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 2 %
K =
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

Trouvez le module exact |G(jω)| de G(s) = 308/((s + 4)(s + 11)) à ω = 4 rad/s, en dB.

G(s) = 308/((s + 4)(s + 11))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = K/(s(s + 1)(s + 3)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 5 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))GM = 5 dB
K =
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K1s(s + 4)(s + 8)C(s)−

La boucle du schéma a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)). On augmente le gain jusqu’à amener la boucle fermée à la limite de stabilité. Trouvez la fréquence ω de l’oscillation entretenue.

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

Le lieu des racines de L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) quitte l’axe réel entre s = 0 et s = −4. Trouvez le point de séparation sb.

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

L’entrée r(t) = 10 + 5t (un échelon plus une rampe) est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 20/(s(s + 5)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 20/(s(s + 5))r(t) = 10 + 5t
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K4s(s + 2)C(s)−

Un régulateur proportionnel K commande le procédé G(s) = 4/(s(s + 2)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain K qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,8.

G(s) = 4/(s(s + 2))ζ = 0,8
K =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 9,879 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​8 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 = 5 + 8 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 2 + 7,879 = 9,879 Ω

Réponse

Req = 9,879 Ω
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 22,73 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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAR4​12 ΩBR6​3 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 7,2 Ω
R3 + 7,2 = 11,2 Ω
R2 ∥ 11,2 = 7,735 Ω
Req = R1 + 7,735 = 15 + 7,735 = 22,73 Ω

Réponse

Req = 22,73 Ω
3.Méthode des nœuds

Réponse: I1 = −2,526 A

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 en A

Prenez le fil du bas comme masse. Chaque branche emporte depuis A un courant (VA − Vk)/Rk, où Vk est la tension de sa source (zéro pour une simple résistance). La somme des courants sortant de A est nulle.

(VA − (−6))/6 + (VA − 30)/10 + (VA − 18)/20 = 0

Trouver VA

VA = ((−6)/6 + 30/10 + 18/20) / (1/6 + 1/10 + 1/20) = 2,9/0,3167 = 9,158 V

Courant de branche

La flèche est orientée vers le haut dans la branche, vers le nœud A.

I1 = ((−6) − VA)/R1 = ((−6) − 9,158)/6 = −2,526 A

Réponse

I1 = −2,526 A

Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.

4.Méthode des nœuds

Réponse: Is = 6,29 A

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 en A

VA est connu, donc cette équation donne VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9,5 − 6)/30 + 9,5/3 = (VB − 9,5)/20
3,283 = (VB − 9,5)/20 → VB = 75,17 V

Loi des nœuds en B

Les courants sortant de B par les résistances sont égaux au courant injecté dans B par les sources.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (75,17 − 9,5)/20 + 75,17/25 = 6,29 A

Réponse

Is = 6,29 A
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = −0,2308 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​ = 5 Ω+−V1​6 VR3​5 ΩA+−V2​15 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 + 5(I1 − I2) = 6
9·I1 − 5·I2 = 6

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
5·I2 + 5(I2 − I1) = (−15)
−5·I1 + 10·I2 = −15

Résoudre

Δ = (9)(10) − (−5)(−5) = 65
I1 = Δ1/Δ = −15/65 = −0,2308 A
I2 = Δ2/Δ = −105/65 = −1,615 A

Réponse

I1 = −0,2308 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR2 = 0,2054 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​ = 2 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR4​20 ΩAR5​6 ΩB+−V2​12 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
2·I1 + 20(I1 − I2) = 6
22·I1 − 20·I2 = 6

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
10·I2 + 20(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 36·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−12)
−6·I2 + 36·I3 = −12

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 13320
I1 = Δ1/Δ = 6120/13320 = 0,4595 A
I2 = Δ2/Δ = 2736/13320 = 0,2054 A
I3 = Δ3/Δ = −3984/13320 = −0,2991 A

Réponse

IR2 = I2 = 0,2054 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: IR3 = −0,45 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAR4​2 ΩBOUVERT

Cas 1 · V1 seule

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

R3+R4 = 8+2 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·10/(10+10) = 5 Ω
VA = 12·5/(5+5) = 6 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6·2/10 = 1,2 V
IR3′ = (VB − VA)/R3 = (1,2 − 6)/8 = −0,6 A
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 ΩAR4​2 ΩBIs​1 A

Cas 2 · Is seule

V₁ devient un court-circuit, donc R₁ est en parallèle avec R₂. Iₛ se partage en B entre R₄ et le chemin passant par R₃.

R1 ∥ R2 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 2 ∥ 11,33 = 1,7 Ω
VB = Is·Req = 1·1,7 = 1,7 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 1,7·3,333/11,33 = 0,5 V
IR3″ = (VB − VA)/R3 = (1,7 − 0,5)/8 = 0,15 A

Additionner les contributions

IR3 = IR3′ + IR3″
IR3 = (−0,6) + 0,15 = −0,45 A

Un résultat négatif signifie que le courant réel circule dans le sens opposé à la flèche.

8.Superposition

Réponse: V2 = 24 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​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​6 VR3​2 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) = 2 ∥ 35 = 1,892 Ω
VA = 6·1,892/(10+1,892) = 0,9545 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0,9545·30/35 = 0,8182 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 ΩCOURT-CIRCUITR3​2 ΩAIs​1,5 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 = 1,667 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+1,667 = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ 6,667 = 5,455 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·5,455 = −8,182 V
VA = VB·1,667/6,667 = −2,045 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 = 1,667 Ω
VA‴ = V2·1,667/(30 + 5 + 1,667) = 0,04545·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‴ = 0,9545 + (−2,045) + 0,04545·V2 = 0
V2 = 1,091/0,04545 = 24 V

Réponse

V2 = 24 V
9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 6 V

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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 8 = 12 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

Avec a–b ouverts, aucun courant ne traverse R₃, donc aucune chute de tension et V_b = V_A. R₁ et R₂ forment un pont diviseur.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·5/(20+5) = 6 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: IL = 0,8721 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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​5 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 = 15·5/(15+5) = 3,75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,75 + 3 = 6,75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​0,5 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) = 6 + 0,5·3,75 = 7,875 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7,875 + 0,5·3 = 9,375 V
Rth​ = 6,75 Ω+−Vth​9,375 VRL​4 ΩIL​

Brancher la charge sur l’équivalent de Thévenin

La source de Thévenin et R_th en série se comportent exactement comme le circuit d’origine en a–b, donc la charge voit une simple boucle série.

IL = Vth/(Rth + RL) = 9,375/(6,75 + 4) = 0,8721 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W = 13,46 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 / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 12/20 = 0,6 A

Courant à l’instant donné

i(t) = 0,6·(1 − e−10/5) = 0,5188 A

Énergie stockée

W = ½·L·i² = ½·100·0,5188² = 13,46 mJ

Réponse

W = 13,46 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 1,869 V

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.

Tension initiale du condensateur

En régime permanent, le condensateur est un circuit ouvert, donc R₁ et R₂ forment un diviseur de tension. La tension du condensateur ne peut pas varier brusquement à l’ouverture de l’interrupteur.

vC(0) = 15·3,3/(10 + 3,3) = 3,722 V

Constante de temps après l’ouverture de l’interrupteur

τ = R2·C = 3,3·22 = 72,6 ms

Décharge

vC(t) = 3,722·e−50/72,6 = 1,869 V

Réponse

vC = 1,869 V
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: φ = −81,64 °

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 = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795,8 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−544,4)²) = 550,3 Ω

Déphasage

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−544,4/80) = −81,64°

Réponse

φ = −81,64°
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: |Z| = 175,8 Ω

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|.

Réactance

XC = 1/(2π·60·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Association en parallèle

Multipliez le numérateur et le dénominateur par le conjugué pour séparer Zp en parties réelle et imaginaire.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 113,7 − j64,27 Ω

Impédance totale

Z = 50 + 113,7 − j64,27 = 163,7 − j64,27 Ω
|Z| = √(163,7² + 64,27²) = 175,8 Ω

Réponse

|Z| = 175,8 Ω
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 46,15 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.

Courant de ligne

Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.

I = P/(V·cos φ) = 12000/(400·0,65) = 46,15 A

Réponse

I = 46,15 A
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 65,21 kW

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 de la charge existante

Q1 = 77·tan(arccos 0,85) = 47,72 kvar

Plus grande puissance active totale

À pleine charge nominale, S = Smax, et Q n’est pas modifiée par la charge résistive.

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 47,72²) = 142,2 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 142,2 − 77 = 65,21 kW

Réponse

ΔP = 65,21 kW
17.Puissance triphasée

Réponse: IL = 200 A

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 électrique absorbée

Pin = Pout/η = 110/0,9 = 122,2 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 122222/(√3·415·0,85) = 200 A

Réponse

IL = 200 A
18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 267,5 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 = 75·tan(acos 0,72) = 75·0,9639 = 72,29 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 40,34 kvar

Capacité par phase

Dans une batterie en triangle, chaque condensateur est branché entre deux phases.

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13446/(314,2·400²) = 267,5 µF

Réponse

Cph = 267,5 µF
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 0,125 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 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/48 = 2,5 A

Courant primaire

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

I1 = I2/20 = 0,125 A

Réponse

I1 = 0,125 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 19200 Ω, et 2400/19200 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Sη,max = 43,3 kVA

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.

Pertes cuivre égales aux pertes fer

x²·675 = 225 → x = √(225/675) = 0,5774

Charge au rendement maximal

Sη,max = x·S = 0,5774·75 = 43,3 kVA

Réponse

Sη,max = 43,3 kVA
21.Circuits à ampli op

Réponse: Rf = 1410 kΩ

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.

Gain d’un amplificateur non inverseur

V₋ = V₊ = Vin, et le courant de R₁ traverse aussi Rf, donc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (31 − 1)·47 = 1410 kΩ

Réponse

Rf = 1410 kΩ
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 1,328 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.

Courants d’entrée

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

I1 = V1/R1 = −1,2/10 = −0,12 mA
I2 = V2/R2 = −0,6/47 = −0,01277 mA
If = I1 + I2 = −0,1328 mA

Tension de sortie

Vout = −Rf·If = −10·(−0,1328) = 1,328 V

Réponse

Vout = 1,328 V
23.Diodes et transistors

Réponse: IZ = 30,18 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 = 10,9/220 = 49,55 mA

Courant de charge

IL = 9,1/470 = 19,36 mA

Courant Zener

IZ = 49,55 − 19,36 = 30,18 mA

Réponse

IZ = 30,18 mA
24.Diodes et transistors

Réponse: IC = 35 mA

Transistor bipolaire en commutation : pour alimenter complètement une charge, le transistor est amené en saturation, où VCE = VCE(sat) et le courant de collecteur est imposé par la charge : IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. La saturation exige au moins IB = IC(sat)/β. Si le courant de base est plus faible, le transistor reste en régime actif et IC = β·IB.

Courant de base

IB = (3,3 − 0,7)/1 kΩ = 2600 µA

Saturé ou actif ?

β·IB est supérieur à IC(sat), le transistor sature donc.

β·IB = 130 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/680 = 35 mA

Courant de collecteur

IC = IC(sat) = 35 mA

Réponse

IC = 35 mA

Le transistor est saturé.

25.Systèmes de numération

Réponse: U = 139

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

117 = 0111 0101
inversé: 1000 1010
+1 → 1000 1011

Le lire en non signé

1000 1011₂ = 256 − 117 = 139

Réponse

U = 139
26.Systèmes de numération

Réponse: M = 2700 KiB

Systèmes de numération positionnels : chaque chiffre vaut sa valeur multipliée par une puissance de la base. En binaire les positions valent 1, 2, 4, 8, 16, … ; en hexadécimal 1, 16, 256, …, avec A–F pour 10–15. En complément à deux sur 8 bits, le bit de gauche vaut −128 au lieu de +128 : c'est ainsi qu'on stocke les nombres négatifs.

Bits et octets

1280·720·24 = 22118400 bit = 2764800 B

Convertir en Kio

2764800/1024 = 2700 KiB

Réponse

M = 2700 KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: N = 3

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 + ABC′

Lignes avec F = 1

ABC = 010, 011, 110
N = 3

Réponse

N = 3
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: Q = 4

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.

Cycles complets

Toutes les 5 impulsions ramènent le compteur au même état.

10 = 2·5 + 0

Valeur après les impulsions restantes

Q = (4 + 0) mod 5 = 4
Q = 100₂

Réponse

Q = 4
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.2) = 0,9323

Transformée de Laplace : F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt transforme les dérivées en multiplications par s : ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Couples usuels : 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), et un décalage s → s + σ multiplie la fonction du temps par e−σt. Pour inverser une F(s) rationnelle, décomposez-la en éléments simples : le résidu d’un pôle simple p est A = [(s − p)·F(s)] en s = p. Théorème de la valeur finale : f(∞) = lims→0 s·F(s), valable seulement si tous les pôles de s·F(s) sont dans le demi-plan gauche. Théorème de la valeur initiale : f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Compléter le carré

s² + 2s + 37 = (s + 1)² + 36 = (s + 1)² + 6²

Identifier le numérateur

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 6²) + (−2/6)·6/((s + 1)² + 6²)

Transformée inverse

f(t) = e−t·(4·cos 6t − 0,3333·sin 6t)
f(0,2) = e−0,2·(4·cos(6·0,2) − 0,3333·sin(6·0,2)) = 0,9323

Réponse

f(0,2) = 0,9323
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.3) = 0,2882

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) = 12/(s(s + 1)(s + 6))

Décomposition en éléments simples

A = 12/(1·6) = 2
B = 12/((−1)·5) = −2,4
C = 12/((−6)·(−5)) = 0,4

Sorties

y(t) = 2 − 2,4·e−t + 0,4·e−6t
y(0,3) = 0,2882

Réponse

y(0,3) = 0,2882
31.Schémas fonctionnels

Réponse: p = −14

Algèbre des schémas fonctionnels : les blocs en série se multiplient (G₁·G₂), les blocs en parallèle s’additionnent (G₁ + G₂), et une boucle avec chaîne directe G et chaîne de retour H se réduit à T = G/(1 + G·H) pour une rétroaction négative et G/(1 − G·H) pour une rétroaction positive. Réduisez d’abord les boucles intérieures, puis progressez vers l’extérieur. Les pôles en boucle fermée sont les racines de l’équation caractéristique 1 + G(s)H(s) = 0. Pour une boucle stable, une entrée en échelon d’amplitude A donne la sortie en régime permanent A·T(0) ; avec un retour unitaire, l’erreur statique à un échelon est A/(1 + Kp) avec Kp = G(0).

Boucle interne

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 2 + 1·2) = 1/(s + 4)

Boucle externe

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 10/(s + 4 + 10) = 10/(s + 14)

Résultat

p = −14

Réponse

p = −14
32.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 65,33

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).

Réponse à la perturbation

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 1·6/(8 + 6K)

Résoudre pour K

8 + 6K = 1·6/0,015 = 400
K = (400 − 8)/6 = 65,33

Réponse

K = 65,33
33.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 4 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 = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·4) = 0,125

Résultat

ωₙ = 4 rad/s

Réponse

ωn = 4 rad/s
34.Réponse indicielle

Réponse: K = 105,3

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).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = K/(s² + 16s + K)

Coefficient d’amortissement à partir du dépassement

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Gain

ωₙ = 16/(2ζ) = 10,26 rad/s
K = ωₙ² = 105,3

Réponse

K = 105,3
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |G(jω)| = 13,35 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.

Multiplier les modules

|G(j4)| = 308/(√(4² + 4²)·√(4² + 11²)) = 308/(5,657·11,7) = 4,652

Résultat

20·log₁₀(4,652) = 13,35 dB

Réponse

|G(jω)| = 13,35 dB
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 6,748

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/1)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(1·3) = 1,732 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 9)) = K/(1·3·(1 + 3)) = K/12

Gain requis

12/K = 105/20 = 1,778
K = 12/1,778 = 6,748

Réponse

K = 6,748
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: ω = 5,657 rad/s

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.

Tableau de Routh

s³ + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

Gain critique

K = 12·32 = 384

Équation auxiliaire

Au gain critique, la ligne s¹ est nulle ; la ligne s² donne les pôles situés sur l’axe imaginaire.

12s² + 384 = 0 → s = ±j√32
ω = 5,657 rad/s

Réponse

ω = 5,657 rad/s
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: sb = −1,761

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) = −s(s + 4)(s + 10) = −(s³ + 14s² + 40s)

Points stationnaires

dK/ds = −(3s² + 28s + 40) = 0
s = (−28 ± √(784 − 480))/6 = −1,761, −7,573

Choisissez le point du lieu

Le lieu se trouve sur l’axe réel entre 0 et −4 ; l’autre racine n’appartient pas au lieu.

sb = −1,761

Réponse

sb = −1,761
39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 1,25

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) = 4

Partie échelon

Kp = ∞ → estep = 0

Erreur sur la rampe

ess = 5/4 = 1,25

Réponse

ess = 1,25
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: K = 0,3906

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 + 2) + 4K = s² + 2s + 4K

Fréquence propre

2·0,8·ωₙ = 2 → ωₙ = 1,25 rad/s

Gain

4K = ωₙ² = 1,562 → K = 0,3906

Réponse

K = 0,3906

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