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​ = 2 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 12 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 ΩR4 = 8 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
R1​20 Ω+−V1​12 VR2​6 Ω+−V2​10 VR3​15 Ω+−V3​30 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 = 12 VR1 = 20 ΩV2 = 10 VR2 = 6 ΩV3 = 30 VR3 = 15 Ω
I3 = A
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 25 Ω−+Vs​ = 3 V+−V1​30 VR2​12 ΩAR3​20 ΩBIs​6 A

La source de tension Vₛ entre A et B a sa borne + en B, donc elle impose VB − VA = Vₛ. Utilisez la méthode des nœuds avec un super-nœud pour trouver le potentiel du nœud VB (par rapport à la masse).

V1 = 30 VIs = 6 AVs = 3 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
VB = V
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 25 ΩR5 = 12 Ω
IR3 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​10 Ω−+VR4​BIs​4 A

Utilisez le théorème de superposition pour trouver la tension VR4 aux bornes de R4 avec la polarité indiquée.

V1 = 12 VIs = 4 AR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
VR4 = V
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 Ω+−VR2​R4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩAIs​1,5 AB+−V2​15 V

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

V1 = 15 VIs = 1,5 AV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
VR2 = V
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​2 ABab

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

V1 = 36 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​15 Vt = 0R = 50 ΩL100 mHi(t)

La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez le courant i à t = 5 ms.

Vs = 15 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 4 V avec la polarité indiquée. Combien de temps faut-il à vC pour atteindre 9,6 V ? Trouvez t.

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
12 V50 HzR = 30 ΩL = 50 mHI

Une résistance et une bobine sont branchées en parallèle sur une alimentation de 12 V (efficace), 50 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mH
I = A
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
VfR = 5 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF

Un circuit RLC série a R = 5 Ω, L = 50 mH et C = 0,47 µF. Trouvez sa bande passante B (la largeur de la bande comprise entre les fréquences de demi-puissance), en Hz.

R = 5 ΩL = 50 mHC = 0,47 µF
B = Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 V119 kW, 0,65211 kW, 1I

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 240 V : une charge de 19 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif et un radiateur de 11 kW (facteur de puissance unitaire). Trouvez le facteur de puissance global cos φ vu par l’alimentation.

V = 240 VP1 = 19 kW, pf1 = 0,65 inductifP2 = 11 kW, pf2 = 1
cos φ =
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

Une charge monophasée absorbe 35 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 240 V, 50 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 = 35 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98V = 240 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 208 VNZ = 6 + j8 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en étoile (Y), d’impédance 6 + j8 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 208 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 208 VZ = 6 + j8 Ω par phase
P = kW
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 300 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (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 0,9 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
16 ΩN1​N2​64 Ω

Un amplificateur de résistance de sortie 64 Ω alimente un haut-parleur de 16 Ω à travers un transformateur parfait. Pour un transfert de puissance maximal, le haut-parleur doit être vu comme 64 Ω depuis l’amplificateur. Trouvez le rapport de transformation a = N₁/N₂.

Rs = 64 ΩRL = 16 Ω
a =
20.TransformateursDifficile
pf 0,8250 kVA, 75% charge

Un transformateur monophasé de 250 kVA a des pertes fer de 1000 W et des pertes cuivre de 4000 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 = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 4000 Wx = 0,75pf = 0,8
Ploss = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 4,7 kΩVin​ = 2 VRa​ = 100 kΩRb​ = 10 kΩ

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

Vin = 2 VRa = 100 kΩRb = 10 kΩR1 = 4,7 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
Vin​V1​Vout​étage 1 : inverseurR1​ = 4,7 kΩRf1​ = 4,7 kΩétage 2 : non inverseurR2​ = 22 kΩRf2​ = 4,7 kΩ

Deux étages à ampli op idéal sont montés en cascade : un amplificateur inverseur (R1, Rf1) suivi d’un amplificateur non inverseur (R2 vers la masse, Rf2 dans la contre-réaction). Les deux sont alimentés en ±15 V. Trouvez le gain en tension global Av = Vout/Vin.

R1 = 4,7 kΩRf1 = 4,7 kΩR2 = 22 kΩRf2 = 4,7 kΩ
Av =
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 4,7 kΩβ = 150RE​ = 2,2 kΩVCC​ = 12 VR1​ = 68 kΩR2​ = 15 kΩ

Un transistor NPN de β = 150 est polarisé par un pont diviseur à partir de VCC = 12 V : R₁ = 68 kΩ entre VCC et la base, et R₂ = 15 kΩ entre la base et la masse. La résistance de collecteur vaut RC = 4,7 kΩ et la résistance d’émetteur RE = 2,2 kΩ. 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 = 68 kΩR2 = 15 kΩRC = 4,7 kΩRE = 2,2 kΩβ = 150
VCE = V
24.Diodes et transistorsDifficile
+−≤ 26 V220 Ω5,1 V

Un régulateur Zener de 5,1 V a une résistance série de 220 Ω. L’entrée peut monter à 26 V, et la charge peut être déconnectée. Trouvez la plus grande puissance PZ,max que la Zener doit dissiper.

Vin,max = 26 VVZ = 5,1 VR = 220 Ω
PZ,max = mW
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −40 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −408 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
cliquez sur les bits pour les positionner012806403201608040201

Positionnez les bits sur le résultat sur 8 bits de 0001 1100 AND 1010 0100. Quelle est la valeur R du résultat en décimal ?

0001 1100AND1010 0100
R =
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABCD000111100001111000010302040517061121131150141809011010

Utilisez le tableau de Karnaugh pour trouver la forme somme de produits (SOP) minimale de F(A, B, C, D) = Σm(7, 8, 12, 13, 15). Combien de littéraux L contient-elle au total (une variable primée compte pour un littéral) ?

F(A, B, C, D) = Σm(7, 8, 12, 13, 15)
L =
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-9

Un compteur modulo 9 synchrone compte 0, 1, …, 8 puis revient à 0. Il part de 2. Quelle valeur Q (en décimal) affiche-t-il après 31 impulsions d’horloge ?

Q0 = 231N = 9
Q =
29.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,3f(0,3) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 2)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,3).

F(s) = 20/(s(s + 1)(s + 2))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″ + 8y′ + 15y = 30·u(t), avec y(0) = 3 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 2. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,3).

y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+34s + 9G(s)C(s)0,2H−

Un système G(s) = 34/(s + 9) est commandé dans une boucle de rétroaction négative dont le capteur a un gain H = 0,2. Un échelon d’amplitude 1 est appliqué en R. Trouvez la sortie en régime permanent css.

G(s) = 34/(s + 9)H = 0,2R = 1
css =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+14s + 5G₁+5s + 7G₂C(s)1H₁−0,1H₂−

Réduisez le schéma fonctionnel avec G₁ = 14/(s + 5), G₂ = 5/(s + 7), une rétroaction négative interne H₁ = 1 autour de G₂ et une rétroaction négative externe H₂ = 0,1. Trouvez le gain statique T(0) de C(s)/R(s).

G₁ = 14/(s + 5)G₂ = 5/(s + 7)H₁ = 1H₂ = 0,1
T(0) =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 38/(s² + 6s + 19) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 38/(s² + 6s + 19)
%OS = %
34.Réponse indicielleDifficile
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = K/(s(s + 2)). Trouvez le gain K qui donne une réponse indicielle avec 15 % de dépassement.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 15 %
K =
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,1110100−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

Trouvez le module exact |G(jω)| de G(s) = 130/((s + 1)(s + 10)) à ω = 3 rad/s, en dB.

G(s) = 130/((s + 1)(s + 10))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 12 dB
K =
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+Ks + 9s(s + 1)(s + 4)C(s)−

Une boucle à retour unitaire a pour fonction L(s) = K(s + 9)/(s(s + 1)(s + 4)), avec K > 0. Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

Une boucle à retour unitaire a pour fonction L(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 4)(s + 5)). Trouvez le point σa où les asymptotes du lieu des racines coupent l’axe réel.

L(s) = K/((s + 3)(s + 6)(s + 4)(s + 5))
σa =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
R(s)+K = 9510s + 1C(s)−

Un procédé G(s) = 5/(10s + 1) est commandé par un gain proportionnel K = 9 dans une boucle à retour unitaire. Trouvez l’erreur en régime permanent ess pour un échelon, en pourcentage de l’amplitude de l’échelon.

G(s) = 5/(10s + 1)K = 9
ess = %
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+4 + Kd​s5s(s + 4)C(s)−

Un régulateur PD C(s) = 4 + Kd·s commande le procédé G(s) = 5/(s(s + 4)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain dérivé Kd qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,8.

G(s) = 5/(s(s + 4))Kp = 4ζ = 0,8
Kd = s

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,469 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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​12 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 8·27/(8+27) = 6,171 Ω
Req = R1 + 6,171 = 2 + 6,171 = 8,171 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 = 12/8,171 = 1,469 A

Réponse

IR1 = 1,469 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 0,191 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​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​20 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 6,222 Ω
R3 + 6,222 = 36,22 Ω
R2 ∥ 36,22 = 16,41 Ω
Req = R1 + 16,41 = 15 + 16,41 = 31,41 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 = 6/31,41 = 0,191 A

Réponse

IR1 = 0,191 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: I3 = 0,9961 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 − 12)/20 + (VA − 10)/6 + (VA − 30)/15 = 0

Trouver VA

VA = (12/20 + 10/6 + 30/15) / (1/20 + 1/6 + 1/15) = 4,267/0,2833 = 15,06 V

Courant de branche

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

I3 = (30 − VA)/R3 = (30 − 15,06)/15 = 0,9961 A

Réponse

I3 = 0,9961 A

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

4.Méthode des nœuds

Réponse: VB = 43,67 V

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

Former un super-nœud

La source de tension entre A et B est parcourue par un courant inconnu, donc on ne peut pas écrire la loi des nœuds séparément en A ou en B. Englobez A, B et la source dans un super-nœud : le courant qui y entre est égal au courant qui en sort.

VB = VA + 3
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

Résoudre

(VA − 30)/25 + VA/12 + (VA + 3)/20 = 6
VA·(1/25 + 1/12 + 1/20) = 6 + 30/25 − 3/20 = 7,05
VA = 7,05/0,1733 = 40,67 V
VB = 43,67 V

Réponse

VB = 43,67 V
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 1,473 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​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​18 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
15·I1 + 4(I1 − I2) = 30
19·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
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−18)
−4·I1 + 24·I2 = −18

Résoudre

Δ = (19)(24) − (−4)(−4) = 440
I1 = Δ1/Δ = 648/440 = 1,473 A
I2 = Δ2/Δ = −222/440 = −0,5045 A

Réponse

I1 = 1,473 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR3 = −1,148 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​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR4​25 ΩAR5​12 ΩB+−V2​24 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 + 25(I1 − I2) = 10
40·I1 − 25·I2 = 10

Loi des mailles dans la maille 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 25(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 41·I2 − 12·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 + 12(I3 − I2) = (−24)
−12·I2 + 24·I3 = −24

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 18600
I1 = Δ1/Δ = 1200/18600 = 0,06452 A
I2 = Δ2/Δ = −5520/18600 = −0,2968 A
I3 = Δ3/Δ = −21360/18600 = −1,148 A

Réponse

IR3 = I3 = −1,148 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: VR4 = −23,05 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​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​10 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 = 3+10 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 12·6,964/(12+6,964) = 4,407 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 4,407·10/13 = 3,39 V
VR4′ = 0 − VB = 0 − 3,39 = −3,39 V
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​4 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 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 10 ∥ 9,667 = 4,915 Ω
VB = Is·Req = 4·4,915 = 19,66 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19,66·6,667/9,667 = 13,56 V
VR4″ = 0 − VB = 0 − 19,66 = −19,66 V

Additionner les contributions

VR4 = VR4′ + VR4″
VR4 = (−3,39) + (−19,66) = −23,05 V

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

8.Superposition

Réponse: VR2 = −12,74 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​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​2 ΩAOUVERTBCOURT-CIRCUIT

Cas 1 · V1 seule

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

R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 25 = 1,852 Ω
VA = 15·1,852/(6+1,852) = 3,538 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,538·15/25 = 2,123 V
VR2′ = VA − VB = 3,538 − 2,123 = 1,415 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 ΩCOURT-CIRCUITR3​2 ΩAIs​1,5 ABCOURT-CIRCUIT

Cas 2 · Is seule

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.

R1 ∥ R3 = 1,5 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+1,5 = 11,5 Ω
Req = R4 ∥ 11,5 = 6,509 Ω
VB = Is·Req = 1,5·6,509 = 9,764 V
VA = VB·1,5/11,5 = 1,274 V
VR2″ = VA − VB = 1,274 − 9,764 = −8,491 V
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR4​ = 15 ΩCOURT-CIRCUITR3​2 ΩAOUVERTB+−V2​15 V

Cas 3 · V2 seule

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

R1 ∥ R3 = 6·2/(6+2) = 1,5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·11,5/26,5 = 6,509 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,509·1,5/11,5 = 0,8491 V
VR2‴ = VA − VB = 0,8491 − 6,509 = −5,66 V

Additionner les contributions

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = 1,415 + (−8,491) + (−5,66) = −12,74 V

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

9.Thévenin et Norton

Réponse: Rth = 9 Ω

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

R1​ = 12 ΩR3​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR2​12 ΩAabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

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

R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 3 = 9 Ω
10.Thévenin et Norton

Réponse: IN = 0,8421 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​ = 2 ΩR3​ = 8 ΩCOURT-CIRCUITR2​6 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 = 2·6/(2+6) = 1,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,5 + 8 = 9,5 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​6 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) = 27 + (−2)·1,5 = 24 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 24 + (−2)·8 = 8 V
IN​0,8421 ARth​9,5 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 = 8/9,5 = 0,8421 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: i = 0,2754 A

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

Constante de temps et courant final

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

τ = L/R = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 15/50 = 0,3 A

Courant à l’instant donné

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,3·(1 − e−5/2) = 0,2754 A

Réponse

i = 0,2754 A
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 565,9 ms

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

Valeur initiale, valeur finale, constante de temps

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

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 12 + (4 − 12)·e−t/τ

Isoler le temps

9,6 = 12 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (9,6 − 12)/(4 − 12) = 0,3
t = τ·ln((4 − 12)/(9,6 − 12)) = 470·ln(3,333) = 565,9 ms

Réponse

t = 565,9 ms
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,8623 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

XL = ωL = 2π·50·0,05 = 15,71 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 = 12/30 = 0,4 A
IX = V/XL = 12/15,71 = 0,7639 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) = √(0,4² + 0,7639²) = 0,8623 A

Réponse

I = 0,8623 A
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: B = 15,92 Hz

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|.

Fréquence de résonance

f0 = 1/(2π·√(0,05·0,47·10⁻⁶)) = 1038 Hz

Facteur de qualité

Q compare la réactance à la résonance à la résistance : Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0,05/(0,47·10⁻⁶)) = 65,23

Bande passante

B = f0/Q = 1038/65,23 = 15,92 Hz

Réponse

B = 15,92 Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: cos φ = 0,8037

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

Puissance réactive de chaque charge

Une charge inductive absorbe de la puissance réactive (Q > 0) ; une charge capacitive en fournit (Q < 0).

Q1 = 19·tan(arccos 0,65) = 22,21 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

Totaux

P = 19 + 11 = 30 kW
Q = 22,21 + 0 = 22,21 kvar
S = √(30² + 22,21²) = 37,33 kVA

Facteur de puissance global

cos φ = P/S = 30/37,33 = 0,8037 inductif

Réponse

cos φ = 0,8037
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: QC = 33,81 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 = 35·tan(49,46°) = 40,92 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33,81 kvar

Réponse

QC = 33,81 kvar
17.Puissance triphasée

Réponse: P = 2,596 kW

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

Tension simple

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Courant de phase

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 120,1/10 = 12,01 A

Puissance active totale

Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.

P = 3·Iph²·R = 3·12,01²·6 = 2,596 kW

Réponse

P = 2,596 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,6, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 320,6 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,9) = 300·0,4843 = 145,3 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 143,9 kvar

Capacité par phase

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

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 47953/(314,2·690²) = 320,6 µF

Réponse

Cph = 320,6 µF
19.Transformateurs

Réponse: a = 2

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

a²·16 = 64
a = √(64/16) = √4 = 2

Réponse

a = 2
20.Transformateurs

Réponse: Ploss = 3250 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 = 0,5625·4000 = 2250 W

Pertes totales

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

Ploss = 1000 + 2250 = 3250 W

Réponse

Ploss = 3250 W

Le rendement à cette charge vaut η = 97,88%.

21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 0,5687 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) = 2·10/(100 + 10) = 0,1818 V

Gain non inverseur

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

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 0,1818·(1 + 10/4,7) = 0,5687 V

Réponse

Vout = 0,5687 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: Av = −1,214

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

Gain de chaque étage

A1 = −Rf1/R1 = −4,7/4,7 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/22 = 1,214

Gain global

Av = A1·A2 = −1·1,214 = −1,214

Réponse

Av = −1,214
23.Diodes et transistors

Réponse: VCE = 7,578 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 = 12·15/(68 + 15) = 2,169 V
RTH = 68·15/(68 + 15) = 12,29 kΩ

Courant de base

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

IB = (2,169 − 0,7)/(12,29 + 151·2,2) = 4,263 µA

Courant de collecteur

IC = 150·4,263 µA = 0,6395 mA
IE = 151·4,263 µA = 0,6438 mA

Tension collecteur–émetteur

VCE = 12 − 0,6395·4,7 − 0,6438·2,2 = 7,578 V

Réponse

VCE = 7,578 V
24.Diodes et transistors

Réponse: PZ,max = 484,5 mW

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

Courant Zener du pire cas

IZ = 20,9/220 = 95 mA

Puissance de la Zener

PZ = 5,1·95 = 484,5 mW

Réponse

PZ,max = 484,5 mW
25.Systèmes de numération

Réponse: U = 216

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

40 = 0010 1000
inversé: 1101 0111
+1 → 1101 1000

Le lire en non signé

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

Réponse

U = 216
26.Systèmes de numération

Réponse: R = 4

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

Bit par bit

ET donne 1 seulement quand les deux bits valent 1.

0001 1100
AND 1010 0100
= 0000 0100

Valeur du résultat

0000 0100₂ = 4

Réponse

R = 4
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: L = 9

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.

ABCD000111100001111000010302040517061121131150141809011010

Regrouper les 1

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

BCD
AC′D′
ABD

Forme SOP minimale

F = BCD + AC′D′ + ABD
L = 9

Réponse

L = 9

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 = 6

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

Cycles complets

Toutes les 9 impulsions ramènent le compteur au même état.

31 = 3·9 + 4

Valeur après les impulsions restantes

Q = (2 + 4) mod 9 = 6
Q = 0110₂

Réponse

Q = 6
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.3) = 0,6718

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 + 1) + C/(s + 2)
A = 20/(1·2) = 10
B = 20/((−1)·1) = −20
C = 20/((−2)·(−1)) = 10

Transformée inverse

f(t) = 10 − 20·e−t + 10·e−2t

Évaluer

f(0,3) = 10 − 20·e−0,3 + 10·e−2·0,3 = 0,6718

Réponse

f(0,3) = 0,6718
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.3) = 3,318

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 + 8s + 15)·Y(s) = 3s + 24 + 60/s
Y(s) = (3s² + 24s + 60)/(s(s + 3)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 60/(3·5) = 4
B = 15/((−3)·2) = −2,5
C = 15/((−5)·(−2)) = 1,5

Résultat

y(t) = 4 − 2,5·e−3t + 1,5·e−5t
y(0,3) = 3,318

Réponse

y(0,3) = 3,318

Vérification : y(0) = A + B + C = 3.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: css = 2,152

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

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = G/(1 + G·H) = 34/(s + 9 + 6,8) = 34/(s + 15,8)

Résultat

css = R·T(0) = 1·34/15,8 = 2,152

Réponse

css = 2,152
32.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 1,045

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) = 5/(s + 12)

Boucle externe

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 70/((s + 5)(s + 12) + 7)

Gain statique

T(0) = 70/(5·12 + 7) = 70/67 = 1,045

Réponse

T(0) = 1,045
33.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 5,077 %

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 = 19 → ωₙ = 4,359 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,359) = 0,6882

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,98 = 5,077 %

Réponse

%OS = 5,077 %
34.Réponse indicielle

Réponse: K = 3,742

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

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Coefficient d’amortissement à partir du dépassement

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Gain

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,934 rad/s
K = ωₙ² = 3,742

Réponse

K = 3,742
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: |G(jω)| = 11,9 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(j3)| = 130/(√(3² + 1²)·√(3² + 10²)) = 130/(3,162·10,44) = 3,938

Résultat

20·log₁₀(3,938) = 11,9 dB

Réponse

|G(jω)| = 11,9 dB
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 130,6

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/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6,325 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Gain requis

520/K = 1012/20 = 3,981
K = 520/3,981 = 130,6

Réponse

K = 130,6
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 5

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 + 1)(s + 4) + K(s + 9) = s³ + 5s² + (4 + K)s + 9K

Tableau de Routh

s³: 1, 4 + K
s²: 5, 9K
s¹: (5·(4 + K) − 9K)/5
s⁰: 9K

Condition

20 − 4K > 0
K < 20/4 = 5

Réponse

Kmax = 5

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: σa = −4,5

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.

Pôles et zéros

pôles: −3, −6, −4, −5
n − m = 4 − 0 = 4

Centre de gravité

σa = (−18)/4 = −4,5

Réponse

σa = −4,5

Les 4 asymptotes partent du centre de gravité avec des angles de 45°, 135°, 225°, 315°.

39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 2,174 %

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

Constante de position

Kp = 9·5 = 45

Erreur sur l’échelon

ess = 100/(1 + 45) = 2,174 %

Réponse

ess = 2,174 %
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kd = 0,6311 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 + 4) + 5(4 + Kds) = s² + (4 + 5Kd)s + 20

Fréquence propre

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s

Gain dérivé

4 + 5Kd = 2·0,8·4,472 = 7,155
Kd = 0,6311 s

Réponse

Kd = 0,6311 s

Le terme dérivé ajoute de l’amortissement sans changer ωₙ.

Ceci est un support d’entraînement indépendant. ExamProblems n’est ni affilié à l’organisme qui organise cet examen ni approuvé par lui, et le nom de l’examen sert uniquement à décrire le contenu. Le FE exam est organisé par NCEES, qui n’est pas affilié à ExamProblems et ne le cautionne pas.

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