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.

Nouveaux exercicesRetour au cours

Dans la fenêtre d’impression, choisissez « Enregistrer au format PDF » pour garder une copie sur votre appareil.

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​ = 20 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​4 ΩB

Trouvez le courant IR1 fourni par la source, qui traverse R1.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBR6​25 Ω

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 36 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 25 ΩR5 = 4 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant IR3 dans R3 dans le sens de la flèche.

V1 = 18 VIs = 2,5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR3 = A
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBIs​?

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

V1 = 10 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 ΩVA = 5,5 V
Is = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 20 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩIR3​A+−V2​9 VI1​I2​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant IR3 dans R3 dans le sens de la flèche.

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IR3 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 15 ΩIR1​R2​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​15 ΩB+−V2​6 VI1​I2​I3​

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

V1 = 24 VV2 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 ΩR5 = 15 Ω
IR1 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 Ω+−VR2​AR4​6 ΩBIs​2 A

Utilisez le théorème de superposition pour trouver la tension VR2 aux bornes de R2 avec la polarité indiquée.

V1 = 9 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
VR2 = V
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​8 ΩIR3​AIs​6 AB+−V2​?

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

V1 = 12 VIs = 6 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 Ω
V2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

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

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​2 ABRL​8 ΩIL​

Une charge RL = 8 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 = 9 VIs = 2 AR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩRL = 8 Ω
IL = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​9 Vt = 0R = 5 ΩL220 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 une fois le circuit stabilisé, en mJ.

Vs = 9 VR = 5 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Un temporisateur commence à t = 0 à charger un condensateur déchargé à travers une résistance à partir d’une alimentation de 12 V. Il doit se déclencher quand la tension du condensateur atteint 7,2 V, exactement 20 ms après le départ. Avec C = 22 µF, trouvez la résistance R nécessaire.

Vs = 12 VVth = 7,2 VT = 20 msC = 22 µF
R = kΩ
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
100 V500 HzR = 60 ΩC = 10 µFI

Une résistance et un condensateur sont branchés en parallèle sur une alimentation de 100 V (efficace), 500 Hz. Trouvez le module de l’impédance |Z|.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
10 Vf0​R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF

Un circuit RLC série est alimenté par une source de 10 V (efficace) dont la fréquence est réglée sur la fréquence de résonance du circuit. Trouvez la tension efficace VL aux bornes de la bobine.

V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,47 µF
VL = V
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 20 kWQSφ

Un moteur monophasé absorbe 20 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif sous 240 V. Trouvez le courant de ligne I.

P = 20 kWpf = 0,8V = 240 V
I = A
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

Une charge monophasée absorbe 30 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 400 V, 60 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,98. Trouvez la puissance réactive QC que le condensateur doit fournir.

P = 30 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M55 kW, η = 95%cos φ = 0,88

Un moteur asynchrone triphasé fournit 55 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 95 % et son facteur de puissance vaut 0,88 (inductif). Le réseau a une tension composée de 400 V. Trouvez le courant de ligne IL.

Pout = 55 kWη = 95%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 250 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 250 kW avec un facteur de puissance de 0,75 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 60 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. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 250 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.TransformateursMoyen
50 ΩN1​N2​800 Ω

Un amplificateur de résistance de sortie 800 Ω alimente un haut-parleur de 50 Ω à travers un transformateur parfait. Pour un transfert de puissance maximal, le haut-parleur doit être vu comme 800 Ω depuis l’amplificateur. Trouvez le rapport de transformation a = N₁/N₂.

Rs = 800 ΩRL = 50 Ω
a =
20.TransformateursDifficile
100 kVA

Un transformateur monophasé de 100 kVA a des pertes fer de 600 W et des pertes cuivre de 2400 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?

S = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 2400 W
Sη,max = kVA
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 3,5 VRa​ = 22 kΩRb​ = 2 kΩ

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

Vin = 3,5 VRa = 22 kΩRb = 2 kΩR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​C = 0,1 µFVin​ = −1,8 VR = 100 kΩ

L’intégrateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V ; sa sortie sature à ±14 V. Le condensateur est déchargé quand une entrée constante Vin = −1,8 V est appliquée à t = 0. Combien de temps après t = 0 la sortie atteint-elle la saturation ? Trouvez t.

Vin = −1,8 VR = 100 kΩC = 0,1 µFVsat = ±14 V
t = ms
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 2,2 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 470 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 100 kΩR2​ = 22 kΩ

Un transistor NPN de β = 150 est polarisé par un pont diviseur à partir de VCC = 20 V : R₁ = 100 kΩ entre VCC et la base, et R₂ = 22 kΩ entre la base et la masse. La résistance de collecteur vaut RC = 2,2 kΩ et la résistance d’émetteur RE = 470 Ω. Prenez VBE = 0,7 V et utilisez l’équivalent de Thévenin du pont diviseur (sans négliger le courant de base). Trouvez le courant de collecteur IC en mA.

VCC = 20 VR1 = 100 kΩR2 = 22 kΩRC = 2,2 kΩRE = 470 Ωβ = 150
IC = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
+−≥ 24 VR = ?3,3 V≤ 10 mA

Un régulateur Zener de 3,3 V doit fournir jusqu’à 10 mA à une charge. L’entrée peut descendre à 24 V, et la Zener a besoin d’au moins 2 mA pour réguler. Trouvez la plus grande résistance série Rmax qui maintient la régulation.

Vin,min = 24 VVZ = 3,3 VIL,max = 10 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −38 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −388 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
cliquez sur les bits pour les positionner012806403201608040201

Positionnez les bits sur le résultat sur 8 bits de 1010 1100 OR 1101 0000. Quelle est la valeur R du résultat en décimal ?

1010 1100OR1101 0000
R =
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABCD000111100001111010011302140517060121130151140809111110

Utilisez le tableau de Karnaugh pour trouver la forme somme de produits (SOP) minimale de F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 7, 10, 11, 13, 14). Combien de littéraux L contient-elle au total (une variable primée compte pour un littéral) ?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 7, 10, 11, 13, 14)
L =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKRING

Un compteur en anneau de 4 bits Q₃Q₂Q₁Q₀ part de 1001. À chaque front d’horloge, les bits se décalent d’une place vers la droite (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) et Q₃ reçoit Q₀. Donnez l’état Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ sous forme de nombre décimal après 5 fronts d’horloge.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10015
Q =
29.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = (6s + 21)/(s² + 8s + 16) et calculez f(0,3).

F(s) = (6s + 21)/(s² + 8s + 16)t = 0,3 s
f(0.3) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un système obéit à y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t), avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 5. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,3).

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+Ks(s + 13)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/(s(s + 13)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Trouvez le gain K pour lequel la boucle fermée est à amortissement critique (deux pôles réels égaux).

G(s) = K/(s(s + 13))retour unitaire négatif
K =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+K(s + 2)(s + 6)(s + 7)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/((s + 2)(s + 6)(s + 7)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Au plus grand gain stable, la boucle oscille. Trouvez la fréquence d’oscillation ω en rad/s.

G(s) = K/((s + 2)(s + 6)(s + 7))retour unitaire négatif
ω = rad/s
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)0,5

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 13,5/(s² + 3s + 27) et reçoit un échelon unitaire. Les pôles sont s = σ ± jωd. Trouvez la partie réelle σ.

G(s) = 13,5/(s² + 3s + 27)
σ =
34.Réponse indicielleDifficile
R(s)+240s(s + 10)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 240/(s(s + 10)). Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle en boucle fermée, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 240/(s(s + 10))
ts = s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

Trouvez le module exact |G(jω)| de G(s) = 540/((s + 5)(s + 12)) à ω = 30 rad/s, en dB.

G(s) = 540/((s + 5)(s + 12))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 8)). Trouvez la pulsation de croisement de phase ω180, où ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 8/(s(s + 1)(s + 8))
ω180 = rad/s
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+Ks + 10s(s + 2)(s + 3)C(s)−

Une boucle à retour unitaire a pour fonction L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 3)), avec K > 0. Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−2−4−6−8−10−12j2sb​

Le lieu des racines de L(s) = K/((s + 2)(s + 10)) est représenté. Trouvez le gain K au point de séparation sb, où les deux pôles en boucle fermée se rejoignent sur l’axe réel.

L(s) = K/((s + 2)(s + 10))
K =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 5·t²/2+5(s + 2)s²(s + 2)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 5·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 2)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 2))r(t) = 5·t²/2
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K4s(s + 10)C(s)−

Un régulateur proportionnel K commande le procédé G(s) = 4/(s(s + 10)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain K qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,4.

G(s) = 4/(s(s + 10))ζ = 0,4
K =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,318 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​ = 20 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​4 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 + 4 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 4·9/(4+9) = 2,769 Ω
Req = R1 + 2,769 = 20 + 2,769 = 22,77 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 = 30/22,77 = 1,318 A

Réponse

IR1 = 1,318 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 7,887 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​ = 6 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​36 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBR6​25 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 = 4 + 25 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 13,43 Ω
R3 + 13,43 = 33,43 Ω
R2 ∥ 33,43 = 1,887 Ω
Req = R1 + 1,887 = 6 + 1,887 = 7,887 Ω

Réponse

Req = 7,887 Ω
3.Méthode des nœuds

Réponse: IR3 = 1,784 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.

R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​2,5 A

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 18 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/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 18)/15 + (VA − VB)/4 = 0
0,65·VA − 0,25·VB = 1,2

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/12 + (VB − VA)/4 = (−2,5)
−0,25·VA + 0,3333·VB = −2,5

Résoudre

Δ = (0,65)(0,3333) − (−0,25)(−0,25) = 0,1542
VA = Δ1/Δ = −0,225/0,1542 = −1,459 V
VB = Δ2/Δ = −1,325/0,1542 = −8,595 V

Réponse

IR3 = (VA − VB)/R3 = (−1,459 − −8,595)/4 = 1,784 A
4.Méthode des nœuds

Réponse: Is = 1,25 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
(5,5 − 10)/15 + 5,5/5 = (VB − 5,5)/10
0,8 = (VB − 5,5)/10 → VB = 13,5 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 = (13,5 − 5,5)/10 + 13,5/30 = 1,25 A

Réponse

Is = 1,25 A
5.Méthode des mailles

Réponse: IR3 = 1,875 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​ = 20 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​9 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
20·I1 + 4(I1 − I2) = 30
24·I1 − 4·I2 = 30

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
2·I2 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 6·I2 = −9

Résoudre

Δ = (24)(6) − (−4)(−4) = 128
I1 = Δ1/Δ = 144/128 = 1,125 A
I2 = Δ2/Δ = −96/128 = −0,75 A

Réponse

IR3 = I1 − I2 = 1,875 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR1 = 1,042 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​ = 15 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR4​10 ΩAR5​15 ΩB+−V2​6 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
15·I1 + 10(I1 − I2) = 24
25·I1 − 10·I2 = 24

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
15·I2 + 10(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 40·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
5·I3 + 15(I3 − I2) = (−6)
−15·I2 + 20·I3 = −6

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 12375
I1 = Δ1/Δ = 12900/12375 = 1,042 A
I2 = Δ2/Δ = 2550/12375 = 0,2061 A
I3 = Δ3/Δ = −1800/12375 = −0,1455 A

Réponse

IR1 = I1 = 1,042 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: VR2 = 5,036 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​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 20+6 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·26/(4+26) = 3,467 Ω
VA = 9·3,467/(4+3,467) = 4,179 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,179·6/26 = 0,9643 V
VR2′ = VA − 0 = 4,179 − 0 = 4,179 V
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR2​4 ΩAR4​6 ΩBIs​2 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 6 ∥ 22 = 4,714 Ω
VB = Is·Req = 2·4,714 = 9,429 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 9,429·2/22 = 0,8571 V
VR2″ = VA − 0 = 0,8571 − 0 = 0,8571 V

Additionner les contributions

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 4,179 + 0,8571 = 5,036 V

Un résultat négatif signifie que la polarité réelle est l’inverse de celle indiquée.

8.Superposition

Réponse: V2 = 48 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​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​8 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) = 8 ∥ 30 = 6,316 Ω
VA = 12·6,316/(5+6,316) = 6,698 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 6,698·20/30 = 4,465 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR3​8 ΩAIs​6 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 = 3,077 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+3,077 = 13,08 Ω
Req = R4 ∥ 13,08 = 7,907 Ω
VB = −Is·Req = −6·7,907 = −47,44 V
VA = VB·3,077/13,08 = −11,16 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 = 3,077 Ω
VA‴ = V2·3,077/(20 + 10 + 3,077) = 0,09302·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‴ = 6,698 + (−11,16) + 0,09302·V2 = 0
V2 = 4,465/0,09302 = 48 V

Réponse

V2 = 48 V
9.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 14 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​ = 20 ΩR3​ = 10 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 + 10 = 14 Ω
10.Thévenin et Norton

Réponse: IL = 1,64 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​ = 12 ΩR3​ = 10 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 = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 10 = 18,57 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​2 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) = 6,429 + 2·8,571 = 23,57 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 23,57 + 2·10 = 43,57 V
Rth​ = 18,57 Ω+−Vth​43,57 VRL​8 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) = 43,57/(18,57 + 8) = 1,64 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: W(∞) = 356,4 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 = 220 mH / 5 Ω = 44 ms
i(∞) = Vs/R = 9/5 = 1,8 A

Énergie stockée

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·1,8² = 356,4 mJ

Réponse

W(∞) = 356,4 mJ
12.Transitoires RC et RL

Réponse: R = 0,9921 kΩ

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 requise

7,2 = 12·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(12/(12 − 7,2))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms

Résistance

Des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

R = τ/C = 21,83/22 = 0,9921 kΩ

Réponse

R = 0,9921 kΩ
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: |Z| = 28,12 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/(ωC) = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Courants de branche

Les deux branches sont branchées directement sur l’alimentation, donc chacune est soumise à toute la tension V.

IR = V/R = 100/60 = 1,667 A
IX = V/XC = 100/31,83 = 3,142 A

Courant total

Le courant dans la résistance est en phase avec V et le courant réactif est déphasé de 90°, donc ils se combinent comme les côtés d’un triangle rectangle.

I = √(IR² + IX²) = √(1,667² + 3,142²) = 3,556 A

Impédance

|Z| = V/I = 100/3,556 = 28,12 Ω

Réponse

|Z| = 28,12 Ω
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: VL = 29,17 V

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|.

Résonance

À la résonance, les réactances s’annulent, donc l’impédance se réduit à R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·0,47·10⁻⁶) = 14586 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0,2 A

Tension aux bornes de la bobine

XL = ω₀L = 14586·0,01 = 145,9 Ω
VL = I·XL = 0,2·145,9 = 29,17 V

Réponse

VL = 29,17 V

Cela fait Q = 2,917 fois la tension d’alimentation.

15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 104,2 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) = 20000/(240·0,8) = 104,2 A

Réponse

I = 104,2 A
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: QC = 28,98 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.

Puissance réactive avant et après

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

Q1 = P·tan φ1 = 30·tan(49,46°) = 35,07 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(11,48°) = 6,092 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28,98 kvar

Réponse

QC = 28,98 kvar
17.Puissance triphasée

Réponse: IL = 94,96 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 = 55/0,95 = 57,89 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 57895/(√3·400·0,88) = 94,96 A

Réponse

IL = 94,96 A
18.Puissance triphasée

Réponse: QC = 138,3 kvar

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 = 250·tan(acos 0,75) = 250·0,8819 = 220,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 138,3 kvar

Réponse

QC = 138,3 kvar
19.Transformateurs

Réponse: a = 4

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.

Adapter la charge ramenée

a²·50 = 800
a = √(800/50) = √16 = 4

Réponse

a = 4
20.Transformateurs

Réponse: Sη,max = 50 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

x²·2400 = 600 → x = √(600/2400) = 0,5

Charge au rendement maximal

Sη,max = x·S = 0,5·100 = 50 kVA

Réponse

Sη,max = 50 kVA
21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 0,5833 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) = 3,5·2/(22 + 2) = 0,2917 V

Gain non inverseur

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,2917·(1 + 10/10) = 0,5833 V

Réponse

Vout = 0,5833 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: t = 77,78 ms

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.

Courant d’entrée et pente de la rampe

Des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

RC = 100 kΩ · 0,1 µF = 10 ms
pente de la rampe = −Vin/(RC) = −(−1,8)/10 = 0,18 V/ms

Temps jusqu’à la saturation

|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·10/1,8 = 77,78 ms

Réponse

t = 77,78 ms
23.Diodes et transistors

Réponse: IC = 4,899 mA

Point de fonctionnement d’un transistor bipolaire : en régime actif, VBE = 0,7 V, IC = β·IB et IE = (β + 1)·IB. Trouvez IB à partir de la maille de base avec la loi des mailles, puis IC, puis VCE à partir de la maille collecteur–émetteur. Un pont diviseur sur la base est remplacé par son équivalent de Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂ ; une résistance d’émetteur apparaît (β + 1) fois plus grande dans la maille de base.

Équivalent de Thévenin du pont diviseur

VTH = 20·22/(100 + 22) = 3,607 V
RTH = 100·22/(100 + 22) = 18,03 kΩ

Courant de base

Loi des mailles sur la maille de base ; le courant d’émetteur vaut (β + 1)·IB.

IB = (3,607 − 0,7)/(18,03 + 151·0,47) = 32,66 µA

Courant de collecteur

IC = 150·32,66 µA = 4,899 mA
IE = 151·32,66 µA = 4,931 mA

Réponse

IC = 4,899 mA
24.Diodes et transistors

Réponse: Rmax = 1725 Ω

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 du pire cas

IR = 10 + 2 = 12 mA

Résistance maximale

Rmax = 20,7/0,012 = 1725 Ω

Réponse

Rmax = 1725 Ω
25.Systèmes de numération

Réponse: U = 218

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

38 = 0010 0110
inversé: 1101 1001
+1 → 1101 1010

Le lire en non signé

1101 1010₂ = 256 − 38 = 218

Réponse

U = 218
26.Systèmes de numération

Réponse: R = 252

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

OU donne 1 quand au moins un bit vaut 1.

1010 1100
OR 1101 0000
= 1111 1100

Valeur du résultat

1111 1100₂ = 252

Réponse

R = 252
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: L = 16

Tableaux de Karnaugh : les cases sont ordonnées en code de Gray (00, 01, 11, 10), donc les cases voisines, y compris celles de part et d’autre des bords, diffèrent par exactement une variable. Regroupez les 1 en rectangles de 1, 2, 4, 8 ou 16 cases, aussi grands que possible et en aussi petit nombre que possible, jusqu’à ce que chaque 1 soit couvert. Chaque groupe est un terme produit : les variables qui restent constantes à l’intérieur. Un groupe de 2ᵏ cases perd k variables. Les états indifférents (X) peuvent servir à agrandir les groupes mais n’ont jamais besoin d’être couverts. Regrouper les 0 donne la forme POS minimale.

ABCD000111100001111010011302140517060121130151140809111110

Regrouper les 1

Chaque groupe est un rectangle de 2ᵏ cases ; les cases de bord sont voisines des cases du bord opposé.

B′CD
A′C′D′
A′CD
ACD′
ABC′D

Forme SOP minimale

F = B′CD + A′C′D′ + A′CD + ACD′ + ABC′D
L = 16

Réponse

L = 16

Il existe un autre regroupement de même taille ; il a le même nombre de termes et de littéraux.

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

Réponse: Q = 12

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

1001 → 1100 → 0110 → 0011 → 1001 → 1100

Valeur décimale

1100₂ = 12

Réponse

Q = 12
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.3) = 1,536

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Décomposition en éléments simples

6s + 21 = 6(s + 4) + −3
F(s) = 6/(s + 4) − 3/(s + 4)²

Transformée inverse

f(t) = 6·e−4t − 3·t·e−4t
f(0,3) = (6 − 3·0,3)·e−4·0,3 = 1,536

Réponse

f(0,3) = 1,536
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.3) = 4,565

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

Transformer l’équation

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 3s + 12 + 60/s
Y(s) = (3s² + 12s + 60)/(s(s + 1)(s + 3))

Décomposition en éléments simples

A = 60/(1·3) = 20
B = 51/((−1)·2) = −25,5
C = 51/((−3)·(−2)) = 8,5

Résultat

y(t) = 20 − 25,5·e−t + 8,5·e−3t
y(0,3) = 4,565

Réponse

y(0,3) = 4,565

Vérification : y(0) = A + B + C = 3.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 42,25

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

Équation caractéristique

1 + K/(s(s + 13)) = 0 → s² + 13s + K = 0

Racine double

Un trinôme s² + βs + γ a une racine double quand β² = 4γ.

13² = 4K → K = 169/4 = 42,25

Réponse

K = 42,25
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −6,5.
32.Schémas fonctionnels

Réponse: ω = 8,246 rad/s

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

Équation caractéristique

s³ + 15s² + 68s + 84 + K = 0

Tableau de Routh

s³ | 1 68
s² | 15 84 + K
s¹ | (15·68 − 84 − K)/15
s⁰ | 84 + K

Limite de stabilité

Tous les éléments de la première colonne doivent être positifs.

Kmax = 15·68 − 84 = 936

Fréquence d’oscillation

15·(jω)² + 84 + 936 = 0 → ω² = 1020/15 = 68
ω = 8,246 rad/s

Réponse

ω = 8,246 rad/s
33.Réponse indicielle

Réponse: σ = −1,5

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 = 27 → ωₙ = 5,196 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,196) = 0,2887

Résultat

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Réponse

σ = −1,5
34.Réponse indicielle

Réponse: ts = 0,8 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).

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = 240/(s² + 10s + 240): ωₙ = 15,49 rad/s, ζ = 0,3227

Temps de réponse

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,8 s

Réponse

ts = 0,8 s

Pour cette boucle, ζωₙ = a/2 quel que soit K : augmenter K ajoute du dépassement mais ne raccourcit pas le temps de réponse.

35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |G(jω)| = −5,201 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(j30)| = 540/(√(30² + 5²)·√(30² + 12²)) = 540/(30,41·32,31) = 0,5495

Résultat

20·log₁₀(0,5495) = −5,201 dB

Réponse

|G(jω)| = −5,201 dB
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ω180 = 2,828 rad/s

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/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Réponse

ω180 = 2,828 rad/s
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 6

Critère de Routh–Hurwitz : un système linéaire est stable lorsque toutes les racines de son polynôme caractéristique se trouvent dans le demi-plan gauche du plan s. On écrit les coefficients en alternance dans les deux premières lignes du tableau de Routh. Chaque élément d’une nouvelle ligne se calcule à partir des deux lignes au-dessus ; pour un polynôme cubique a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀, l’élément de la ligne s¹ est b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Le nombre de changements de signe dans la première colonne est égal au nombre de racines dans le demi-plan droit. Avec un gain K dans les coefficients, chaque élément de la première colonne doit rester positif : le gain qui annule l’élément de la ligne s¹ est la limite de stabilité, et la ligne s² donne alors la fréquence de l’oscillation entretenue.

Polynôme caractéristique

s(s + 2)(s + 3) + K(s + 10) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 10K

Tableau de Routh

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 10K
s¹: (5·(6 + K) − 10K)/5
s⁰: 10K

Condition

30 − 5K > 0
K < 30/5 = 6

Réponse

Kmax = 6

Avec le zéro à droite de s = −5, la boucle resterait stable pour tout K > 0.

38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: K = 16

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.

Point de séparation

dK/ds = 0 pour K = −(s + 2)(s + 10) donne 2s + 12 = 0.

sb = −6

Condition de module

K = |−6 + 2|·|−6 + 10| = 4·4 = 16

Réponse

K = 16

Pour ce gain, la boucle fermée est à amortissement critique (ζ = 1).

39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 1

Erreur en régime permanent : dans une boucle à retour unitaire de fonction de transfert en boucle ouverte G(s), l’erreur est E(s) = R(s)/(1 + G(s)), et d’après le théorème de la valeur finale ess = lims→0 s·E(s). La classe du système est le nombre de pôles de G(s) en s = 0. Les constantes d’erreur sont Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) et Ka = lim s²·G(s), toutes pour s → 0. Un échelon d’amplitude A donne ess = A/(1 + Kp), une rampe A·t donne A/Kv et une parabole A·t²/2 donne A/Ka. Une boucle de classe 0 suit un échelon avec une erreur finie ; une boucle de classe 1 le suit exactement et suit une rampe avec une erreur finie.

Constante d’accélération

Ka = 5·2/2 = 5

Erreur sur la parabole

ess = 5/5 = 1

Réponse

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

Réponse: K = 39,06

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 + 10) + 4K = s² + 10s + 4K

Fréquence propre

2·0,4·ωₙ = 10 → ωₙ = 12,5 rad/s

Gain

4K = ωₙ² = 156,2 → K = 39,06

Réponse

K = 39,06

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical