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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 ΩR4 = 15 ΩR5 = 10 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​4 Ω+−V1​15 VR2​20 Ω+−V2​9 VR3​3 Ω+−V3​18 VI3​A

Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I3 dans la branche 3, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.

V1 = 15 VR1 = 4 ΩV2 = 9 VR2 = 20 ΩV3 = 18 VR3 = 3 Ω
I3 = A
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​25 ΩBIs​?

La source de courant est réglée jusqu’à ce que le potentiel du nœud A vaille VA = 36 V. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant de la source Is (sens indiqué).

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩVA = 36 V
Is = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​15 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​25 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant de maille I2 (sens horaire).

V1 = 15 VV2 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 ΩR5 = 25 Ω
I2 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩIR2​AR4​3 ΩBIs​1 A

Utilisez la superposition pour trouver la puissance PR2 absorbée par R2.

V1 = 6 VIs = 1 AR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
PR2 = W
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 VR3​8 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​?

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

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 Ω
V2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1 ABab

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

V1 = 5 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL220 mHi(t)

La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Combien de temps après la fermeture de l’interrupteur le courant atteint-il 95 % de sa valeur finale ? Trouvez t.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 220 mH
t = ms
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​12 VR1​ = 22 ΩR2​ = 5 Ωs’ouvre à t = 0L22 mHi(t)

L’interrupteur aux bornes de R2 est fermé depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Combien de temps après t = 0 le courant de la bobine atteint-il 0,515 A ? Trouvez t.

Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mH
t = ms
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
10 V50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 10 V (efficaces), 50 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 22 µF
I = A
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
24 V60 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µFI

Une résistance R1 est branchée en série avec l’association en parallèle de R2 et d’un condensateur C, sur une alimentation de 24 V (efficace), 60 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 50 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
I = A
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
P = 7 kWQ = ?Sφ

Un moteur monophasé absorbe 7 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 400 V. Trouvez la puissance réactive Q qu’il absorbe.

P = 7 kWpf = 0,65V = 400 V
Q = kvar
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
400 V60 Hzcharge18 kW, 0,6C220 µFI

Une charge monophasée absorbe 18 kW avec un facteur de puissance de 0,6 inductif sur une alimentation de 400 V, 60 Hz. Un condensateur de 220 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau facteur de puissance cos φ vu par l’alimentation.

P = 18 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M55 kW, η = 88%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 88 % 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 = 88%cos φ = 0,88VL = 400 V
IL = A
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 150 kW avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif) sur un réseau de 690 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 150 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
RL​ = 4 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 20:1 a son enroulement primaire sous 4600 V. Une résistance de 4 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 4 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
pf 0,8100 kVA, 75% charge

Un transformateur monophasé de 100 kVA a des pertes fer de 600 W et des pertes cuivre de 900 W à charge nominale. Il fournit 75 % de sa puissance apparente nominale avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif). Trouvez les pertes totales Ploss en watts à cette charge.

S = 100 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 900 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = −0,8 VR1​ = 10 kΩV2​ = 1 VR3​ = 10 kΩR4​ = 22 kΩ

L’amplificateur de différence utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V, avec R3 = R1 et R4 = R2. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = −0,8 VV2 = 1 VR1 = R3 = 10 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​C = 4,7 µFVin​ = 1,4 VR = 10 kΩ

L’intégrateur utilise un ampli op idéal alimenté en ±15 V ; sa sortie sature à ±13 V. Le condensateur est déchargé quand une entrée constante Vin = 1,4 V est appliquée à t = 0. Trouvez la tension de sortie Vout à t = 200 ms.

Vin = 1,4 VR = 10 kΩC = 4,7 µFVsat = ±13 Vt = 200 ms
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 2,7 kΩβ = 200RE​ = 680 ΩVCC​ = 12 VR1​ = 82 kΩR2​ = 12 kΩ

Un transistor NPN de β = 200 est polarisé par un pont diviseur à partir de VCC = 12 V : R₁ = 82 kΩ entre VCC et la base, et R₂ = 12 kΩ entre la base et la masse. La résistance de collecteur vaut RC = 2,7 kΩ et la résistance d’émetteur RE = 680 Ω. Prenez VBE = 0,7 V et utilisez l’équivalent de Thévenin du pont diviseur (sans négliger le courant de base). Trouvez la tension collecteur–émetteur VCE.

VCC = 12 VR1 = 82 kΩR2 = 12 kΩRC = 2,7 kΩRE = 680 Ωβ = 200
VCE = V
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 470 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

Un transistor NPN de β = 100 commande une résistance de charge de 470 Ω branchée entre VCC = 24 V et son collecteur. L’émetteur est à la masse. La base est attaquée par une sortie logique de 5 V à travers une résistance de base RB. Prenez VBE = 0,7 V et VCE(sat) = 0,2 V. Trouvez la plus grande résistance de base RB, en kΩ, qui amène encore tout juste le transistor en saturation.

VCC = 24 VRC = 470 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 V
RB = kΩ
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −56 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −568 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
24 bit1 px1920 px1080 pxM = ? KiB

Une image non compressée fait 1920 × 1080 pixels avec 24 bits par pixel. Quelle mémoire M occupe-t-elle, en Kio (1 Kio = 1024 octets) ?

1920 × 1080 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABC000111100101324576

Simplifiez F = A′B + A′B′ + A′C′ + AC à sa forme somme de produits minimale. Combien de littéraux L contient l’expression simplifiée ?

F = A′B + A′B′ + A′C′ + AC
L =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
ABCD00011110000111100001130204X5X716X120131150140809111010

Pour F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 11, 15) + d(5, 7, 12), où d marque les états indifférents, trouvez le nombre N d’implicants premiers essentiels.

F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 11, 15) + d(5, 7, 12)
N =
29.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,5).

F(s) = 10/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Un système obéit à y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t), avec y(0) = 6 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 10. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,25).

y″ + 5y′ + 4y = 8·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+4K+3s + 6G(s)C(s)1H₁−−

Le système G(s) = 3/(s + 6) a une boucle de rétroaction négative interne (secondaire) de gain H₁ = 1. Un gain de correcteur K = 4 et une boucle externe à retour unitaire négatif ferment le système. Trouvez le pôle en boucle fermée p.

G(s) = 3/(s + 6)H₁ = 1K = 4
p =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+19s + 1G₁+1s + 5G₂C(s)4H₁−0,1H₂−

Réduisez le schéma fonctionnel avec G₁ = 19/(s + 1), G₂ = 1/(s + 5), une rétroaction négative interne H₁ = 4 autour de G₂ et une rétroaction négative externe H₂ = 0,1. Trouvez le gain statique T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 19/(s + 1)G₂ = 1/(s + 5)H₁ = 4H₂ = 0,1
T(0) =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 23/(s² + 3s + 23) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.

G(s) = 23/(s² + 3s + 23)
ωn = rad/s
34.Réponse indicielleDifficile
+−12 VR = 32 ΩL = 50 mHC = 2 µFvC​

Un circuit RLC série avec R = 32 Ω, L = 50 mH et C = 2 µF est relié à un échelon de 12 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez l’instant tp du premier pic de tension, en ms.

R = 32 ΩL = 50 mHC = 2 µFV = 12 V
tp = ms
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 10 mHC = 2,2 µFR = 10 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 10 Ω, avec L = 10 mH et C = 2,2 µF. Trouvez la bande passante à −3 dB BW en Hz.

R = 10 ΩL = 10 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
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) = 64/(s(s + 5)(s + 9)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 64/(s(s + 5)(s + 9))
GM = dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 5)C(s)−

Une boucle à retour unitaire a pour fonction L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5)), avec K > 0. Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2−1,5

Pour la boucle L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6)), trouvez le gain K qui place un pôle en boucle fermée en s = −1,5.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))s = −1,5
K =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 0,5·t²/2+5(s + 3)s²(s + 1)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 0,5·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 1)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 1))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K = 210s(s + 5)C(s)−

Un régulateur proportionnel K = 2 commande le procédé G(s) = 10/(s(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le temps du premier pic tp de la réponse indicielle.

G(s) = 10/(s(s + 5))K = 2
tp = s

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 1,831 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​3 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

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

R3 + R4 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 2·13/(2+13) = 1,733 Ω
Req = R1 + 1,733 = 3 + 1,733 = 4,733 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 = 10/4,733 = 2,113 A

Courant dans R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 2,113·3 = 3,662 V
IR2 = VA/R2 = 3,662/2 = 1,831 A

Réponse

IR2 = 1,831 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 0,7101 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​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

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

R5 + R6 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 7,742 Ω
R3 + 7,742 = 37,74 Ω
R2 ∥ 37,74 = 1,899 Ω
Req = R1 + 1,899 = 15 + 1,899 = 16,9 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 = 12/16,9 = 0,7101 A

Réponse

IR1 = 0,7101 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: I3 = 0,6316 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 − 15)/4 + (VA − 9)/20 + (VA − 18)/3 = 0

Trouver VA

VA = (15/4 + 9/20 + 18/3) / (1/4 + 1/20 + 1/3) = 10,2/0,6333 = 16,11 V

Courant de branche

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

I3 = (18 − VA)/R3 = (18 − 16,11)/3 = 0,6316 A

Réponse

I3 = 0,6316 A

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

4.Méthode des nœuds

Réponse: Is = 8,98 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
(36 − 30)/12 + 36/6 = (VB − 36)/4
6,5 = (VB − 36)/4 → VB = 62 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 = (62 − 36)/4 + 62/25 = 8,98 A

Réponse

Is = 8,98 A
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 1,737 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​ = 5 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​15 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
5·I1 + 15(I1 − I2) = 30
20·I1 − 15·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
20·I2 + 15(I2 − I1) = (−15)
−15·I1 + 35·I2 = −15

Résoudre

Δ = (20)(35) − (−15)(−15) = 475
I1 = Δ1/Δ = 825/475 = 1,737 A
I2 = Δ2/Δ = 150/475 = 0,3158 A

Réponse

I1 = 1,737 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: I2 = 0,1915 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR4​15 ΩAR5​25 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

Définir les courants de maille

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

Loi des mailles dans la maille 1

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

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 15(I1 − I2) = 15
23·I1 − 15·I2 = 15

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
6·I2 + 15(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−15·I1 + 46·I2 − 25·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
12·I3 + 25(I3 − I2) = (−9)
−25·I2 + 37·I3 = −9

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 16446
I1 = Δ1/Δ = 12780/16446 = 0,7771 A
I2 = Δ2/Δ = 3150/16446 = 0,1915 A
I3 = Δ3/Δ = −1872/16446 = −0,1138 A

Réponse

I2 = 0,1915 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: PR2 = 1,03 W

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​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​3 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+3 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·11/(5+11) = 3,438 Ω
VA = 6·3,438/(4+3,438) = 2,773 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,773·3/11 = 0,7563 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,773 − 0)/5 = 0,5546 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​5 ΩAR4​3 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. 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 ∥ R2 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 3 ∥ 10,22 = 2,319 Ω
VB = −Is·Req = −1·2,319 = −2,319 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −2,319·2,222/10,22 = −0,5042 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (−0,5042 − 0)/5 = −0,1008 A

Additionner les contributions de courant

IR2 = IR2′ + IR2″ = 0,5546 + (−0,1008) = 0,4538 A

Puissance dans la résistance

La puissance dépend du carré du courant, donc elle n’obéit pas à la superposition : additionnez d’abord les courants, puis élevez au carré.

PR2 = IR2²·R2 = 0,4538²·5 = 1,03 W

Réponse

PR2 = 1,03 W

Additionner les puissances des cas séparés donnerait 1,589 W, ce qui est faux.

8.Superposition

Réponse: V2 = 31,2 V

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

R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​9 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 ∥ 21 = 5,793 Ω
VA = 9·5,793/(30+5,793) = 1,457 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,457·15/21 = 1,04 V
R1​ = 30 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 15 ΩCOURT-CIRCUITR3​8 ΩAIs​2,5 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 = 6,316 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+6,316 = 12,32 Ω
Req = R4 ∥ 12,32 = 6,763 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·6,763 = −16,91 V
VA = VB·6,316/12,32 = −8,671 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 = 6,316 Ω
VA‴ = V2·6,316/(15 + 6 + 6,316) = 0,2312·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‴ = 1,457 + (−8,671) + 0,2312·V2 = 0
V2 = 7,214/0,2312 = 31,2 V

Réponse

V2 = 31,2 V
9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 16 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​ = 5 ΩR3​ = 12 ΩCOURT-CIRCUITR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 12 = 15,33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​10 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) = 24·10/(5+10) = 16 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 1,192 A

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

R1​ = 5 ΩR3​ = 6 ΩCOURT-CIRCUITR2​2 ΩAOUVERTBabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

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

R1 ∥ R2 = 5·2/(5+2) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 6 = 7,429 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1 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) = 1,429 + 1·1,429 = 2,857 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 2,857 + 1·6 = 8,857 V
IN​1,192 ARth​7,429 Ωab

Équivalent de Norton

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

IN = Vth/Rth = 8,857/7,429 = 1,192 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 32,95 ms

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

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 / 20 Ω = 11 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Isoler le temps

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −11·ln(0,05) = 32,95 ms

Réponse

t = 32,95 ms
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 0,2924 ms

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

Valeur initiale, valeur finale, constante de temps

Avant t = 0, l’interrupteur fermé court-circuite R₂ ; ensuite, R₁ et R₂ sont toutes deux dans la boucle.

i(0) = 12/22 = 0,5455 A
i(∞) = 12/(22 + 5) = 0,4444 A
τ = L/R = 22/27 = 0,8148 ms
i(t) = 0,4444 + (0,5455 − 0,4444)·e−t/τ

Isoler le temps

e−t/τ = (0,515 − 0,4444)/(0,5455 − 0,4444) = 0,6985
t = 0,8148·ln(1,432) = 0,2924 ms

Réponse

t = 0,2924 ms
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,0703 A

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

Réactances

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Impédance

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−129)²) = 142,3 Ω

Courant

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

I = V/|Z| = 10/142,3 = 0,0703 A

Réponse

I = 0,0703 A
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,2867 A

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

Réactance

XC = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56,44 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 = 28,17 − j29,94 Ω

Impédance totale

Z = 50 + 28,17 − j29,94 = 78,17 − j29,94 Ω
|Z| = √(78,17² + 29,94²) = 83,71 Ω

Courant

I = V/|Z| = 24/83,71 = 0,2867 A

Réponse

I = 0,2867 A
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: Q = 8,184 kvar

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

Angle

φ = arccos(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

Puissance réactive

Q = P·tan φ = 7·1,169 = 8,184 kvar

Réponse

Q = 8,184 kvar
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,859

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 = 18·tan(arccos 0,6) = 24 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·220·10⁻⁶ = 13270 var = 13,27 kvar
Q2 = 24 − 13,27 = 10,73 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(18² + 10,73²) = 20,96 kVA

Nouveau facteur de puissance

cos φ = P/S2 = 18/20,96 = 0,859

Réponse

cos φ = 0,859
17.Puissance triphasée

Réponse: IL = 102,5 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 = 55/0,88 = 62,5 kW

Courant de ligne

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 62500/(√3·400·0,88) = 102,5 A

Réponse

IL = 102,5 A
18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 422,5 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 = 150·tan(acos 0,8) = 150·0,75 = 112,5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 63,2 kvar

Capacité par phase

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

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21066/(314,2·398,4²) = 422,5 µF

Réponse

Cph = 422,5 µF
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 2,875 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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/4 = 57,5 A

Courant primaire

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

I1 = I2/20 = 2,875 A

Réponse

I1 = 2,875 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 1600 Ω, et 4600/1600 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Ploss = 1106 W

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

Pertes cuivre à cette charge

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,5625·900 = 506,3 W

Pertes totales

Les pertes fer sont les mêmes quelle que soit la charge.

Ploss = 600 + 506,3 = 1106 W

Réponse

Ploss = 1106 W

Le rendement à cette charge vaut η = 98,19%.

21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 3,96 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 aux entrées

R₃ et R₄ sont parcourues par le même courant, donc elles forment un diviseur de tension ; la contre-réaction impose V₋ = V₊.

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 1·22/(10 + 22) = 0,6875 V
V₋ = V₊

Loi des nœuds à l’entrée inverseuse

(−0,8 − 0,6875)/10 = (0,6875 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/10)·(1 − (−0,8)) = 3,96 V

Réponse

Vout = 3,96 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = −5,957 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.

Courant d’entrée et pente de la rampe

Des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

RC = 10 kΩ · 4,7 µF = 47 ms
pente de la rampe = −Vin/(RC) = −1,4/47 = −0,02979 V/ms

Sortie à l’instant donné

La valeur idéale est comprise dans ±Vsat, donc l’intégrateur n’est pas encore saturé.

Vout = −Vin·t/(RC) = −1,4·200/47 = −5,957 V

Réponse

Vout = −5,957 V
23.Diodes et transistors

Réponse: VCE = 8,174 V

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 = 12·12/(82 + 12) = 1,532 V
RTH = 82·12/(82 + 12) = 10,47 kΩ

Courant de base

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

IB = (1,532 − 0,7)/(10,47 + 201·0,68) = 5,654 µA

Courant de collecteur

IC = 200·5,654 µA = 1,131 mA
IE = 201·5,654 µA = 1,136 mA

Tension collecteur–émetteur

VCE = 12 − 1,131·2,7 − 1,136·0,68 = 8,174 V

Réponse

VCE = 8,174 V
24.Diodes et transistors

Réponse: RB = 8,492 kΩ

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 collecteur en saturation

IC(sat) = (24 − 0,2)/470 = 50,64 mA

Courant de base minimal

IB(min) = IC(sat)/β = 50,64/100 = 506,4 µA

Résistance de base

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,5064 mA = 8,492 kΩ

Réponse

RB = 8,492 kΩ

Toute résistance de base plus petite sature aussi le transistor ; en pratique, on en choisit une quelques fois plus petite.

25.Systèmes de numération

Réponse: U = 200

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

56 = 0011 1000
inversé: 1100 0111
+1 → 1100 1000

Le lire en non signé

1100 1000₂ = 256 − 56 = 200

Réponse

U = 200
26.Systèmes de numération

Réponse: M = 6075 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

1920·1080·24 = 49766400 bit = 6220800 B

Convertir en Kio

6220800/1024 = 6075 KiB

Réponse

M = 6075 KiB
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: L = 2

Algèbre de Boole : les règles qui simplifient les expressions sont X + X′ = 1 et X·X′ = 0, X + X = X, l’absorption X + X·Y = X, la règle de combinaison X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y et le théorème du consensus XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Les lois de De Morgan transforment (X·Y)′ en X′ + Y′ et (X + Y)′ en X′·Y′. Un tableau de Karnaugh applique ces règles graphiquement : chaque groupe de deux cases voisines est une utilisation de XY + XY′ = X.

Mintermes de l’expression

A′B → m(2, 3)
A′B′ → m(0, 1)
A′C′ → m(0, 2)
AC → m(5, 7)
ABC00011110011011131204151706

Regrouper et lire

F = C + A′

Compter les littéraux

L = 2

Réponse

L = 2
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: N = 2

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.

Implicants premiers

Les plus grands groupes pouvant être formés de 1 et de X.

CD, A′BC
ABCD00011110000111100001130204X5X716X120131150140809111010

Implicants premiers essentiels

CD, A′BC
N = 2

Réponse

N = 2
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.5) = 0,4416

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).

Décomposition en éléments simples

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 10/(2·5) = 1
B = 10/((−2)·3) = −1,667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0,6667

Transformée inverse

f(t) = 1 − 1,667·e−2t + 0,6667·e−5t

Évaluer

f(0,5) = 1 − 1,667·e−2·0,5 + 0,6667·e−5·0,5 = 0,4416

Réponse

f(0,5) = 0,4416
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.25) = 7,179

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 + 5s + 4)·Y(s) = 6s + 30 + 80/s
Y(s) = (6s² + 30s + 80)/(s(s + 1)(s + 4))

Décomposition en éléments simples

A = 80/(1·4) = 20
B = 56/((−1)·3) = −18,67
C = 56/((−4)·(−3)) = 4,667

Résultat

y(t) = 20 − 18,67·e−t + 4,667·e−4t
y(0,25) = 7,179

Réponse

y(0,25) = 7,179

Vérification : y(0) = A + B + C = 6.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: p = −21

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) = 3/(s + 6 + 3·1) = 3/(s + 9)

Boucle externe

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 12/(s + 9 + 12) = 12/(s + 21)

Résultat

p = −21

Réponse

p = −21
32.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 1,743

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

Boucle interne

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 1/(s + 9)

Boucle externe

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 19/((s + 1)(s + 9) + 1,9)

Gain statique

T(0) = 19/(1·9 + 1,9) = 19/10,9 = 1,743

Réponse

T(0) = 1,743
33.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 4,796 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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,796) = 0,3128

Résultat

ωₙ = 4,796 rad/s

Réponse

ωn = 4,796 rad/s
34.Réponse indicielle

Réponse: tp = 0,9986 ms

Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (32/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,05) = 0,1012

Résultat

ωd = 3146 rad/s
tp = π/ωd = 0,9986 ms

Réponse

tp = 0,9986 ms
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: BW = 159,2 Hz

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Fréquence de résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁶) = 6742 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1073 Hz

Bande passante

BW = R/L = 10/0,01 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Réponse

BW = 159,2 Hz
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 19,86 dB

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Croisement de phase

(ω/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(630/64) = 19,86 dB

Réponse

GM = 19,86 dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 192

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

Polynôme caractéristique

s³ + 9s² + 23s + 15 + K = 0

Tableau de Routh

s³: 1, 23
s²: 9, 15 + K
s¹: (9·23 − 15 − K)/9
s⁰: 15 + K

Condition

L’élément de la ligne s¹ doit rester positif.

K < 9·23 − 15 = 192

Réponse

Kmax = 192

À la limite, la boucle oscille à ω = √23 = 4,796 rad/s.

38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: K = 3,375

Lieu des racines : lorsque le gain K passe de 0 à ∞, les pôles en boucle fermée, c’est-à-dire les racines de 1 + K·G(s) = 0, se déplacent des pôles en boucle ouverte vers les zéros en boucle ouverte ou vers l’infini. Un point de l’axe réel appartient au lieu lorsque le nombre de pôles et de zéros réels situés à sa droite est impair. Les n − m branches qui partent à l’infini suivent des asymptotes d’angles (2q + 1)·180°/(n − m), issues du centre de gravité σₐ = (Σ pôles − Σ zéros)/(n − m). Les branches quittent ou rejoignent l’axe réel là où dK/ds = 0. La condition d’angle ∠G(s) = 180° fixe la forme du lieu, et la condition de module K = 1/|G(s)| donne le gain en tout point du lieu.

Condition de module

K = |s|·|s + 2|·|s + 6|

Évaluez au point considéré

K = 1,5·0,5·4,5 = 3,375

Réponse

K = 3,375

Vérification : s(s + 2)(s + 6) + K est nul en s = −1,5.

39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,03333

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 = 5·3/1 = 15

Erreur sur la parabole

ess = 0,5/15 = 0,03333

Réponse

ess = 0,03333
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: tp = 0,8472 s

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 + 5) + 2·10 = s² + 5s + 20

ωₙ et ζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 5/(2·4,472) = 0,559

Temps du premier pic

ωd = 4,472·√(1 − 0,559²) = 3,708 rad/s
tp = π/3,708 = 0,8472 s

Réponse

tp = 0,8472 s

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