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​ = 5 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​10 ΩB

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

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBR6​2 Ω

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

V1 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
−+Vs​ = 9 VIs​5 AAR1​3 ΩR2​3 ΩB

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).

Is = 5 AVs = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 3 Ω
VB = V
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​4 ΩBIs​?

La source de courant est réglée jusqu’à ce que le potentiel du nœud A vaille VA = 6,5 V. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant de la source Is (sens indiqué).

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 ΩVA = 6,5 V
Is = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 ΩIR2​+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

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

V1 = 6 VV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IR2 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 15 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​6 ΩIR5​B+−V2​9 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant IR5 dans R5 dans le sens de la flèche.

V1 = 18 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 30 ΩR4 = 5 ΩR5 = 6 Ω
IR5 = A
7.SuperpositionMoyen
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​5 A

Utilisez la superposition pour trouver la puissance PR1 absorbée par R1.

V1 = 30 VIs = 5 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
PR1 = W
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​4 ΩIR3​AIs​2,5 AB+−V2​15 V

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

V1 = 18 VIs = 2,5 AV2 = 15 VR1 = 30 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 30 Ω
IR3 = A
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAab

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

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​2,5 ABab

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

V1 = 9 VIs = 2,5 AR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL150 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 = 5 VR = 33 ΩL = 150 mH
t = ms
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 5 Ωse ferme à t = 0L68 mHi(t)

L’interrupteur aux bornes de R2 est ouvert depuis longtemps, donc le courant de la bobine est permanent. À t = 0, l’interrupteur se ferme et court-circuite R2. Combien de temps après t = 0 le courant de la bobine atteint-il 0,119 A ? Trouvez t.

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 5 ΩL = 68 mH
t = ms
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
230 V200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 4,7 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 230 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez le facteur de puissance cos φ du circuit.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
cos φ =
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
12 V200 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez la fréquence de résonance f0 du circuit.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
400 V126 kW, 0,825 kW, 0,7I = ?

Deux charges sont branchées en parallèle sur une alimentation monophasée de 400 V : une charge de 26 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif et une charge de 5 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif. Trouvez le courant total I prélevé sur l’alimentation.

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0,8 inductifP2 = 5 kW, pf2 = 0,7 inductif
I = A
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
P1​ = 64 kWQ1​S1​φ

Un transformateur monophasé de 150 kVA alimente une charge de 64 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?

Smax = 150 kVAP1 = 64 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 480 VZ = 8 + j6 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 8 + j6 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 480 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 480 VZ = 8 + j6 Ω par phase
P = kW
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 100 kW avec un facteur de puissance de 0,72 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 100 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
75 ΩN1​N2​675 Ω

Un amplificateur de résistance de sortie 675 Ω alimente un haut-parleur de 75 Ω à travers un transformateur parfait. Pour un transfert de puissance maximal, le haut-parleur doit être vu comme 675 Ω depuis l’amplificateur. Trouvez le rapport de transformation a = N₁/N₂.

Rs = 675 ΩRL = 75 Ω
a =
20.TransformateursDifficile
50 kVA

Un transformateur monophasé de 50 kVA a des pertes fer de 250 W et des pertes cuivre de 375 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 375 W
Sη,max = kVA
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​R2​ = 22 kΩV1​ = 2,2 VR1​ = 1 kΩV2​ = 2,4 VR3​ = 1 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 = 2,2 VV2 = 2,4 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​R2​ = 2 kΩV1​ = −1,4 VR1​ = 1 kΩV2​ = 0,3 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 1 kΩ

L’ampli op est idéal et alimenté en ±15 V. Les rapports de résistances ne sont pas appariés. Trouvez la tension de sortie Vout.

V1 = −1,4 VV2 = 0,3 VR1 = 1 kΩR2 = 2 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 1 kΩ
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 3,3 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 680 ΩVCC​ = 20 VR1​ = 100 kΩR2​ = 10 kΩ

Un transistor NPN de β = 100 est polarisé par un pont diviseur à partir de VCC = 20 V : R₁ = 100 kΩ entre VCC et la base, et R₂ = 10 kΩ entre la base et la masse. La résistance de collecteur vaut RC = 3,3 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 le courant de collecteur IC en mA.

VCC = 20 VR1 = 100 kΩR2 = 10 kΩRC = 3,3 kΩRE = 680 Ωβ = 100
IC = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 470 Ωβ = 200IC​ = ?VCC​ = 24 V3,3 VRB​ = 220 kΩ

Un transistor NPN de β = 200 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 3,3 V à travers une résistance de base RB = 220 kΩ. Prenez VBE = 0,7 V et VCE(sat) = 0,2 V. Trouvez le courant de collecteur IC en mA lorsque l’entrée est à l’état haut. Déterminez d’abord si le transistor est saturé.

VCC = 24 VRC = 470 Ωβ = 200Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 220 kΩ
IC = mA
25.Systèmes de numérationMoyen
complément à deux sur 8 bits0−12806403201608040201

Positionnez les bits pour qu’ils représentent −48 en complément à deux sur 8 bits. Lu comme un nombre non signé, quelle est la valeur U du motif ?

N = −488 bit
U =
26.Systèmes de numérationDifficile
12 bits, non signé, N = ?????????????

Quel est le plus grand entier non signé N qui tient sur 12 bits ?

12 bit
N =
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABCD0001111000011110111111

Dans ce tableau de Karnaugh, exactement un 1 n’a aucun 1 voisin, donc il reste un groupe d’une seule case (un minterme complet de quatre littéraux) dans la forme SOP minimale. Les voisins de part et d’autre des bords du tableau comptent. Cliquez sur cette case.

F = Σm(0, 1, 2, 3, 10, 12)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesDifficile
CLKJK1234567

Une bascule JK déclenchée sur front montant part de Q = 0 et reçoit les entrées représentées sur 7 fronts montants d’horloge. Combien de fois N Q change-t-il d’état ?

Q₀ = 0JK
N =
29.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (4s + 22)/(s² + 13s + 42). Sa transformée inverse a la forme f(t) = A·e−6t + B·e−7t. Trouvez le coefficient A par décomposition en éléments simples.

F(s) = (4s + 22)/(s² + 13s + 42)
A =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un système obéit à y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t), avec y(0) = 2 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 1. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,3).

y″ + 7y′ + 10y = 40·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+Ks(s + 19)G(s)C(s)−

Le système G(s) = K/(s(s + 19)) est dans une boucle à retour unitaire négatif. Trouvez le gain K pour lequel la boucle fermée est à amortissement critique (deux pôles réels égaux).

G(s) = K/(s(s + 19))retour unitaire négatif
K =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+20correcteur+D(s)+7s + 2systèmeC(s)−

Un correcteur proportionnel K = 20 commande le système G(s) = 7/(s + 2) dans une boucle à retour unitaire négatif. Une perturbation D entre à l’entrée du système (elle s’ajoute à la sortie du correcteur). Un échelon de consigne d’amplitude 10 et un échelon de perturbation d’amplitude 0,5 sont appliqués ensemble. Trouvez la sortie en régime permanent css.

K = 20G(s) = 7/(s + 2)D = 0,5R = 10
css =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)0,5?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 20,5/(s² + 7s + 41) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 20,5/(s² + 7s + 41)
%OS = %
34.Réponse indicielleDifficile
R(s)+190s(s + 5)G(s)C(s)−

Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = 190/(s(s + 5)). Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle en boucle fermée, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 190/(s(s + 5))
ts = s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 20 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 = 20 mH et C = 2,2 µF. Trouvez la fréquence centrale (de résonance) f0 en Hz.

R = 10 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
f0 = 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) = 22/(s(s + 1)(s + 6)). Trouvez la marge de gain GM en dB.

L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 6))
GM = dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesMoyen
R(s)+K1s(s + 2)(s + 10)C(s)−

La boucle du schéma a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)). Trouvez le plus grand gain Kmax pour lequel la boucle fermée est stable.

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

Pour L(s) = K/((s + 7)(s² + 6s + 18)), trouvez l’angle de départ θd du lieu des racines depuis le pôle complexe du demi-plan supérieur, mesuré à partir de l’axe réel positif.

L(s) = K/((s + 7)(s² + 6s + 18))
θd = °
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 10·t²/2+4(s + 5)s²(s + 1)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 10·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 1)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 10·t²/2
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+K2s(s + 5)C(s)−

Un régulateur proportionnel K commande le procédé G(s) = 2/(s(s + 5)) dans une boucle à retour unitaire. Trouvez le gain K qui donne à la boucle fermée un coefficient d’amortissement ζ = 0,4.

G(s) = 2/(s(s + 5))ζ = 0,4
K =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,662 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​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR2​10 ΩAR4​10 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 = 4 + 10 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 10·14/(10+14) = 5,833 Ω
Req = R1 + 5,833 = 5 + 5,833 = 10,83 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 = 18/10,83 = 1,662 A

Réponse

IR1 = 1,662 A
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR1 = 1,102 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​ = 30 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​36 VR2​3 ΩAR4​6 ΩBR6​2 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

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

R5 + R6 = 15 + 2 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 4,435 Ω
R3 + 4,435 = 24,43 Ω
R2 ∥ 24,43 = 2,672 Ω
Req = R1 + 2,672 = 30 + 2,672 = 32,67 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 = 36/32,67 = 1,102 A

Réponse

IR1 = 1,102 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: VB = 12 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 + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

Résoudre

VA/3 + (VA + 9)/3 = 5
VA = (5 − 9/3)/(1/3 + 1/3) = 3 V
VB = 3 + 9 = 12 V

Réponse

VB = 12 V
4.Méthode des nœuds

Réponse: Is = 3,125 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
(6,5 − 24)/15 + 6,5/3 = (VB − 6,5)/2
1 = (VB − 6,5)/2 → VB = 8,5 V

Loi des nœuds en B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (8,5 − 6,5)/2 + 8,5/4 = 3,125 A

Réponse

Is = 3,125 A
5.Méthode des mailles

Réponse: IR2 = −0,3261 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​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Définir les courants de maille

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

Loi des mailles dans la maille 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 4(I1 − I2) = 6
16·I1 − 4·I2 = 6

Loi des mailles dans la maille 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−9)
−4·I1 + 24·I2 = −9

Résoudre

Δ = (16)(24) − (−4)(−4) = 368
I1 = Δ1/Δ = 108/368 = 0,2935 A
I2 = Δ2/Δ = −120/368 = −0,3261 A

Réponse

IR2 = I2 = −0,3261 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: IR5 = 0,4628 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​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​18 VR4​5 ΩAR5​6 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
15·I1 + 5(I1 − I2) = 18
20·I1 − 5·I2 = 18

Loi des mailles dans la maille 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 5(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 14·I2 − 6·I3 = 0

Loi des mailles dans la maille 3

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

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
30·I3 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 36·I3 = −9

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 8460
I1 = Δ1/Δ = 8154/8460 = 0,9638 A
I2 = Δ2/Δ = 2160/8460 = 0,2553 A
I3 = Δ3/Δ = −1755/8460 = −0,2074 A

Réponse

IR5 = I2 − I3 = 0,4628 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: PR1 = 30,25 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​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​15 ΩBOUVERT

Cas 1 · V1 seule

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

R3+R4 = 20+15 = 35 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·35/(20+35) = 12,73 Ω
VA = 30·12,73/(2+12,73) = 25,93 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 25,93·15/35 = 11,11 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (30 − 25,93)/2 = 2,037 A
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 ΩCOURT-CIRCUITR2​20 ΩAR4​15 ΩBIs​5 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 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 21,82 = 8,889 Ω
VB = −Is·Req = −5·8,889 = −44,44 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −44,44·1,818/21,82 = −3,704 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −3,704)/2 = 1,852 A

Additionner les contributions de courant

IR1 = IR1′ + IR1″ = 2,037 + 1,852 = 3,889 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.

PR1 = IR1²·R1 = 3,889²·2 = 30,25 W

Réponse

PR1 = 30,25 W

Additionner les puissances des cas séparés donnerait 15,16 W, ce qui est faux.

8.Superposition

Réponse: IR3 = −1,978 A

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

R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​18 VR3​4 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) = 4 ∥ 50 = 3,704 Ω
VA = 18·3,704/(30+3,704) = 1,978 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,978·30/50 = 1,187 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 1,978)/4 = −0,4945 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 ΩCOURT-CIRCUITR3​4 ΩAIs​2,5 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 = 3,529 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+3,529 = 23,53 Ω
Req = R4 ∥ 23,53 = 13,19 Ω
VB = Is·Req = 2,5·13,19 = 32,97 V
VA = VB·3,529/23,53 = 4,945 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 4,945)/4 = −1,236 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 30 ΩCOURT-CIRCUITR3​4 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 = 30·4/(30+4) = 3,529 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·23,53/53,53 = 6,593 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,593·3,529/23,53 = 0,989 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 0,989)/4 = −0,2473 A

Additionner les contributions

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0,4945) + (−1,236) + (−0,2473) = −1,978 A

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

9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 3 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩCOURT-CIRCUITR2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 6 = 8 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 6·4/(4+4) = 3 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 40,4 V

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

R1​ = 20 ΩR3​ = 2 ΩCOURT-CIRCUITR2​30 ΩAOUVERTBabRth​

Trouver Rth avec toutes les sources éteintes

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

R1 ∥ R2 = 20·30/(20+30) = 12 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 12 + 2 = 14 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

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

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,4 + 2,5·12 = 35,4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 35,4 + 2,5·2 = 40,4 V
11.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 13,62 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 = 150 mH / 33 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Isoler le temps

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −4,545·ln(0,05) = 13,62 ms

Réponse

t = 13,62 ms
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 0,5048 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, les deux résistances sont dans la boucle ; ensuite, l’interrupteur fermé court-circuite R₂.

i(0) = 6/(47 + 5) = 0,1154 A
i(∞) = 6/47 = 0,1277 A
τ = L/R = 68/47 = 1,447 ms
i(t) = 0,1277 + (0,1154 − 0,1277)·e−t/τ

Isoler le temps

e−t/τ = (0,119 − 0,1277)/(0,1154 − 0,1277) = 0,7055
t = 1,447·ln(1,418) = 0,5048 ms

Réponse

t = 0,5048 ms
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: cos φ = 0,8086

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

Réactances

XL = 125,7 Ω, XC = 169,3 Ω

Impédance

|Z| = √(60² + (−43,65)²) = 74,2 Ω

Facteur de puissance

cos φ = R/|Z| = 60/74,2 = 0,8086
Le circuit est capacitif, donc le facteur de puissance est capacitif (courant en avance).

Réponse

cos φ = 0,8086
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: f0 = 239,9 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|.

Résonance

À la résonance, les réactances inductive et capacitive s’annulent : ωL = 1/(ωC). La fréquence d’alimentation n’intervient pas.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,2·2,2·10⁻⁶)) = 239,9 Hz

Réponse

f0 = 239,9 Hz
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 98,94 A

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

Puissance réactive de chaque charge

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

Q1 = 26·tan(arccos 0,8) = 19,5 kvar
Q2 = 5·tan(arccos 0,7) = 5,101 kvar

Totaux

P = 26 + 5 = 31 kW
Q = 19,5 + 5,101 = 24,6 kvar
S = √(31² + 24,6²) = 39,58 kVA

Courant total

I = S/V = 39575/400 = 98,94 A

Réponse

I = 98,94 A
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: ΔP = 78,11 kW

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

Puissance réactive de la charge existante

Q1 = 64·tan(arccos 0,8) = 48 kvar

Plus grande puissance active totale

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 48²) = 142,1 kW

Puissance active supplémentaire

ΔP = 142,1 − 64 = 78,11 kW

Réponse

ΔP = 78,11 kW
17.Puissance triphasée

Réponse: P = 55,3 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 = VL = 480 V

Courant de phase

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 480/10 = 48 A

Puissance active totale

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

P = 3·Iph²·R = 3·48²·8 = 55,3 kW

Réponse

P = 55,3 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,8, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 875,9 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 = 100·tan(acos 0,72) = 100·0,9639 = 96,39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 76,08 kvar

Capacité par phase

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

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 25360/(377·277,1²) = 875,9 µF

Réponse

Cph = 875,9 µF
19.Transformateurs

Réponse: a = 3

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

a²·75 = 675
a = √(675/75) = √9 = 3

Réponse

a = 3
20.Transformateurs

Réponse: Sη,max = 40,82 kVA

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

Pertes cuivre égales aux pertes fer

x²·375 = 250 → x = √(250/375) = 0,8165

Charge au rendement maximal

Sη,max = x·S = 0,8165·50 = 40,82 kVA

Réponse

Sη,max = 40,82 kVA
21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 4,4 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) = 2,4·22/(1 + 22) = 2,296 V
V₋ = V₊

Loi des nœuds à l’entrée inverseuse

(2,2 − 2,296)/1 = (2,296 − Vout)/22
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (22/1)·(2,4 − 2,2) = 4,4 V

Réponse

Vout = 4,4 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 2,958 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₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0,3·1/(4,7 + 1) = 0,05263 V

Superposer les deux entrées

Avec V₂ = 0, V₁ voit un amplificateur inverseur. Avec V₁ = 0, V₊ est amplifiée par le gain non inverseur 1 + R₂/R₁.

Vout = −(2/1)·(−1,4) + (1 + 2/1)·0,05263 = 2,8 + 0,1579 = 2,958 V

Réponse

Vout = 2,958 V
23.Diodes et transistors

Réponse: IC = 1,438 mA

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

Équivalent de Thévenin du pont diviseur

VTH = 20·10/(100 + 10) = 1,818 V
RTH = 100·10/(100 + 10) = 9,091 kΩ

Courant de base

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

IB = (1,818 − 0,7)/(9,091 + 101·0,68) = 14,38 µA

Courant de collecteur

IC = 100·14,38 µA = 1,438 mA
IE = 101·14,38 µA = 1,452 mA

Réponse

IC = 1,438 mA
24.Diodes et transistors

Réponse: IC = 2,364 mA

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

Courant de base

IB = (3,3 − 0,7)/220 kΩ = 11,82 µA

Saturé ou actif ?

β·IB est inférieur à IC(sat), le transistor reste donc en régime actif.

β·IB = 2,364 mA
IC(sat) = (24 − 0,2)/470 = 50,64 mA

Courant de collecteur

IC = β·IB = 2,364 mA

Réponse

IC = 2,364 mA

Le transistor est en régime actif, la charge n’est donc pas complètement alimentée.

25.Systèmes de numération

Réponse: U = 208

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

48 = 0011 0000
inversé: 1100 1111
+1 → 1101 0000

Le lire en non signé

1101 0000₂ = 256 − 48 = 208

Réponse

U = 208
26.Systèmes de numération

Réponse: N = 4095

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.

Plus grande valeur

212 − 1 = 4095

Réponse

N = 4095
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: AB = 11, CD = 00

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.

Voisins de chaque 1

Un 1 ayant un 1 voisin peut rejoindre un groupe de deux ou plus.

m12: m13, m14, m8, m4 → 0
ABCD0001111000011110111111

Le 1 isolé

m12 = ABC′D′ → AB = 11, CD = 00

Réponse

AB = 11, CD = 00
28.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: N = 3

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.

Q après chaque front

Une bascule JK : 00 conserve, 01 remet à 0 (Q = 0), 10 met à 1 (Q = 1), 11 change d’état.

1: J = 0, K = 1 → Q = 0
2: J = 1, K = 1 → Q = 1
3: J = 1, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 0 → Q = 1
5: J = 1, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 0 → Q = 1
7: J = 0, K = 0 → Q = 1

Compter les changements

0 → 0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 1 → 1
N = 3

Réponse

N = 3
29.Transformées de Laplace

Réponse: A = −2

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

Factoriser le dénominateur

s² + 13s + 42 = (s + 6)(s + 7)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 7)

Méthode des résidus

Multipliez par (s + 6) et posez s = −6 : le terme en B disparaît.

A = (4s + 22)/(s + 7) |s = −6 = −2/1 = −2

Réponse

A = −2
(B = 6, donc f(t) = −2·e−6t + 6·e−7t)
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.3) = 2,468

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 + 7s + 10)·Y(s) = 2s + 14 + 40/s
Y(s) = (2s² + 14s + 40)/(s(s + 2)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 40/(2·5) = 4
B = 20/((−2)·3) = −3,333
C = 20/((−5)·(−3)) = 1,333

Résultat

y(t) = 4 − 3,333·e−2t + 1,333·e−5t
y(0,3) = 2,468

Réponse

y(0,3) = 2,468

Vérification : y(0) = A + B + C = 2.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: K = 90,25

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

Équation caractéristique

1 + K/(s(s + 19)) = 0 → s² + 19s + K = 0

Racine double

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

19² = 4K → K = 361/4 = 90,25

Réponse

K = 90,25
Les deux pôles en boucle fermée sont alors en s = −9,5.
32.Schémas fonctionnels

Réponse: css = 9,884

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).

Fonctions de transfert

C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 2 + 140)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 140/(s + 2 + 140)

Régime permanent

css = 10·140/142 + 0,5·7/142 = 9,884

Réponse

css = 9,884

Un K plus grand réduit l’effet de la perturbation, mais jamais jusqu’à zéro avec un correcteur proportionnel.

33.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 12,86 %

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 = 41 → ωₙ = 6,403 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6,403) = 0,5466

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,051 = 12,86 %

Réponse

%OS = 12,86 %
34.Réponse indicielle

Réponse: ts = 1,6 s

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

Fonction de transfert en boucle fermée

T(s) = 190/(s² + 5s + 190): ωₙ = 13,78 rad/s, ζ = 0,1814

Temps de réponse

ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,6 s

Réponse

ts = 1,6 s

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

35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: f0 = 758,7 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/√(0,02·2,2 × 10⁻⁶) = 4767 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 758,7 Hz

Réponse

f0 = 758,7 Hz
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: GM = 5,617 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/1)·(ω/6) = 1 → ω180 = √(1·6) = 2,449 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 36)) = K/(1·6·(1 + 6)) = K/42

Marge de gain

GM = 20·log₁₀(42/22) = 5,617 dB

Réponse

GM = 5,617 dB
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmax = 240

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

Équation caractéristique

s³ + 12s² + 20s + K = 0

Tableau de Routh

s³: 1, 20
s²: 12, K
s¹: (12·20 − K)/12
s⁰: K

Conditions

Chaque élément de la première colonne doit être positif.

K > 0
12·20 − K > 0 → K < 240

Réponse

Kmax = 240

Pour K = 240, la boucle fermée oscille à ω = √20 = 4,472 rad/s.

38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: θd = 53,13 °

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.

Position des pôles

s² + 6s + 18 = 0 → s = −3 ± j3
s = −7

Angles depuis les autres pôles

∠(−3 + j3 + 7) = atan2(3, 4) = 36,87°
∠(−3 + j3 − (−3 − j3)) = ∠(j6) = 90°

Angle de départ

θd = 180° − 36,87° − 90° = 53,13°

Réponse

θd = 53,13°
39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 0,5

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 = 4·5/1 = 20

Erreur sur la parabole

ess = 10/20 = 0,5

Réponse

ess = 0,5
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: K = 19,53

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) + 2K = s² + 5s + 2K

Fréquence propre

2·0,4·ωₙ = 5 → ωₙ = 6,25 rad/s

Gain

2K = ωₙ² = 39,06 → K = 19,53

Réponse

K = 19,53

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