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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​3 ΩB

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​6 Ω

Trouvez le courant IR2 dans R2.

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Méthode des nœudsMoyen
−+Vs​ = 4 VIs​1,5 AAR1​20 ΩR2​2 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 = 1,5 AVs = 4 VR1 = 20 ΩR2 = 2 Ω
VB = V
4.Méthode des nœudsDifficile
R1​ = 12 ΩIR1​R2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

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

V1 = 5 VIs = 6 AV2 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
5.Méthode des maillesMoyen
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

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

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.Méthode des maillesDifficile
R1​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​4 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Utilisez la méthode des mailles pour trouver le courant de maille I3 (sens horaire).

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 ΩR5 = 4 Ω
I3 = A
7.SuperpositionMoyen
circuit linéaireVs​Is​IRL​

Un circuit résistif linéaire contient une source de tension Vs et une source de courant Is. Le courant I dans une résistance de charge est mesuré deux fois : avec Vs = 2 V et Is = 2 mA, I = 0,7 mA ; avec Vs = 2 V et Is = 8 mA, I = −0,8 mA. Trouvez le courant de charge I quand Vs = 4 V et Is = 3 mA.

2 V, 2 mA → 0,7 mA2 V, 8 mA → −0,8 mAVs = 4 V, Is = 3 mA
I = mA
8.SuperpositionDifficile
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 ΩIR4​+−V1​24 VR3​6 ΩAIs​2 AB+−V2​18 V

Utilisez le théorème de superposition pour trouver le courant IR4 dans R4 dans le sens de la flèche.

V1 = 24 VIs = 2 AV2 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 Ω
IR4 = A
9.Thévenin et NortonMoyen
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
10.Thévenin et NortonDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​3 ABRL​25 ΩIL​

Une charge RL = 25 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.

V1 = 10 VIs = 3 AR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩRL = 25 Ω
IL = A
11.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 ΩL47 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 = 1 ms.

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
12.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 10 V avec la polarité indiquée. Combien de temps faut-il à vC pour atteindre 6 V ? Trouvez t.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 10 V
t = ms
13.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
120 V100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez la puissance active P prélevée sur l’alimentation.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
P = W
14.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
12 V100 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 100 ΩC = 22 µFI

Une résistance R1 est branchée en série avec l’association en parallèle de R2 et d’un condensateur C, sur une alimentation de 12 V (efficace), 100 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR1 = 40 ΩR2 = 100 ΩC = 22 µF
I = A
15.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 VR + jXP = 1188 W5,5 A

Une charge inductive absorbe 5,5 A et 1188 W sur une alimentation monophasée de 240 V (efficace). Modélisez-la par une résistance R en série avec une réactance X. Trouvez R.

V = 240 VI = 5,5 AP = 1188 W
R = Ω
16.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
230 V60 Hzcharge11 kW, 0,65C68 µFI = ?

Une charge monophasée absorbe 11 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sur une alimentation de 230 V, 60 Hz. Un condensateur de 68 µF est branché en parallèle sur la charge. Trouvez le nouveau courant de ligne I.

P = 11 kWpf1 = 0,65V = 230 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
17.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 690 VIL​ = 12 Acos φ = 0,9inductif

Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 12 A sur un réseau de tension composée 690 V. Le facteur de puissance vaut 0,9 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 690 VIL = 12 Acos φ = 0,9
P = kW
18.Puissance triphaséeDifficile
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

Une charge triphasée équilibrée absorbe 200 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en triangle (Δ). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.TransformateursMoyen
RL​ = 15 Ω1012300 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 10:1 a son enroulement primaire sous 2300 V. Une résistance de 15 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 15 Ω
I1 = A
20.TransformateursDifficile
pf 0,950 kVA, 25% charge

Un transformateur monophasé de 50 kVA a des pertes fer de 200 W et des pertes cuivre de 300 W à charge nominale. Il fournit 25 % de sa puissance apparente nominale avec un facteur de puissance de 0,9 (inductif). Trouvez les pertes totales Ploss en watts à cette charge.

S = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 300 Wx = 0,25pf = 0,9
Ploss = W
21.Circuits à ampli opMoyen
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 1 kΩVin​ = 0,1 V

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

Vin = 0,1 VR1 = 1 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Circuits à ampli opDifficile
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 2 VR1​ = 10 kΩV2​ = 0,2 VR3​ = 4,7 kΩR4​ = 4,7 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 = 2 VV2 = 0,2 VR1 = 10 kΩR2 = 47 kΩR3 = 4,7 kΩR4 = 4,7 kΩ
Vout = V
23.Diodes et transistorsMoyen
RC​ = 1 kΩβ = 200IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 330 kΩ

Un transistor NPN de β = 200 est polarisé par une résistance de base RB = 330 kΩ reliée à l’alimentation VCC = 10 V. La résistance de collecteur vaut RC = 1 kΩ et l’émetteur est à la masse. Prenez VBE = 0,7 V et supposez que le transistor est en régime actif. Trouvez le courant de collecteur IC en mA.

VCC = 10 VRB = 330 kΩRC = 1 kΩβ = 200VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Diodes et transistorsDifficile
RC​ = 470 Ωβ = 80IC​ = ?VCC​ = 12 V5 VRB​ = 1 kΩ

Un transistor NPN de β = 80 commande une résistance de charge de 470 Ω branchée entre VCC = 12 V et son collecteur. L’émetteur est à la masse. La base est attaquée par une sortie logique de 5 V à travers une résistance de base RB = 1 kΩ. Prenez VBE = 0,7 V et VCE(sat) = 0,2 V. Trouvez le courant de collecteur IC en mA lorsque l’entrée est à l’état haut. Déterminez d’abord si le transistor est saturé.

VCC = 12 VRC = 470 Ωβ = 80Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 1 kΩ
IC = mA
25.Systèmes de numérationMoyen
poids en complément à deux1−12816413201608141211

Le motif de 8 bits 1110 0111 stocke un entier signé en complément à deux. Quelle est sa valeur N en décimal ?

1110 01118 bit
N =
26.Systèmes de numérationDifficile
cliquez sur les bits pour les positionner012806403201608040201

Positionnez les bits sur le résultat sur 8 bits de 1010 0011 AND 0100 1111. Quelle est la valeur R du résultat en décimal ?

1010 0011AND0100 1111
R =
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et basculesMoyen
ABCD000111100001111011111

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, 3, 8, 12, 14)
  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
ABCD000111100001111000X11312X415X706012013X151140809111010

Pour F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 11, 14) + d(1, 4, 7, 15), où d marque les états indifférents, trouvez le nombre N d’implicants premiers essentiels.

F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 5, 11, 14) + d(1, 4, 7, 15)
N =
29.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−5−10−15−20−25−30

Trouvez f(t) pour F(s) = (s + 28)/(s² + 6s + 18) en complétant le carré, et calculez f(0,2).

F(s) = (s + 28)/(s² + 6s + 18)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Résolvez y″ + 11y′ + 30y = 0 avec y(0) = 3 et y′(0) = −14 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,1).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 3y′(0) = −14t = 0,1 s
y(0.1) =
31.Schémas fonctionnelsMoyen
R(s)+18K+6s + 3G(s)C(s)5H₁−−

Le système G(s) = 6/(s + 3) a une boucle de rétroaction négative interne (secondaire) de gain H₁ = 5. Un gain de correcteur K = 18 et une boucle externe à retour unitaire négatif ferment le système. Trouvez le gain statique en boucle fermée T(0).

G(s) = 6/(s + 3)H₁ = 5K = 18
T(0) =
32.Schémas fonctionnelsDifficile
R(s)+10correcteur+D(s)+5s + 8systèmeC(s)−

Un correcteur proportionnel K = 10 commande le système G(s) = 5/(s + 8) 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 5 et un échelon de perturbation d’amplitude 1 sont appliqués ensemble. Trouvez la sortie en régime permanent css.

K = 10G(s) = 5/(s + 8)D = 1R = 5
css =
33.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 148/(s² + 9s + 74) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez la pulsation propre ωn en rad/s.

G(s) = 148/(s² + 9s + 74)
ωn = rad/s
34.Réponse indicielleDifficile
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s20 %

La réponse indicielle d’un système du second ordre sans zéros montre 20 % de dépassement, et le premier pic se produit à t = 0,25 s. Trouvez la pulsation propre ωn.

%OS = 20 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
35.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​C = 100 nFR = 3,3 kΩvout​

Le filtre passe-haut RC représenté a R = 3,3 kΩ, C = 100 nF. Un signal d’entrée sinusoïdal de 96 Hz est appliqué. Trouvez le déphasage φ de vout par rapport à vin, en degrés.

R = 3,3 kΩC = 100 nFf = 96 Hz
φ = °
36.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 2 dB.

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

Le procédé G(s) = (s + 2)/((s − 1)(s + 2)) a un pôle instable en s = 1. Un gain proportionnel K ferme une boucle à retour unitaire autour de lui. Trouvez le plus petit gain Kmin qui rend la boucle fermée stable.

G(s) = (s + 2)/((s − 1)(s + 2))
Kmin =
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racinesDifficile
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2sb​

Le lieu des racines de L(s) = K/((s + 4)(s + 6)) est représenté. Trouvez le gain K au point de séparation sb, où les deux pôles en boucle fermée se rejoignent sur l’axe réel.

L(s) = K/((s + 4)(s + 6))
K =
39.Erreur en régime permanent et commande PIDMoyen
r(t) = 0,5·t²/2+2(s + 1)s²(s + 10)C(s)−

L’entrée parabolique r(t) = 0,5·t²/2 est appliquée à une boucle à retour unitaire avec G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 10)). Trouvez l’erreur en régime permanent ess.

G(s) = 2(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
40.Erreur en régime permanent et commande PIDDifficile
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 5C(s)−

Un régulateur PI C(s) = Kp + Ki/s commande le procédé G(s) = 5/(s + 5) dans une boucle à retour unitaire. La boucle fermée doit avoir ωₙ = 10 rad/s et ζ = 0,8. Trouvez le gain proportionnel Kp.

G(s) = 5/(s + 5)ωₙ = 10 rad/sζ = 0,8
Kp =

3Solutions

1.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 14,22 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAR4​3 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

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

R3 + R4 = 2 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 4·5/(4+5) = 2,222 Ω
Req = R1 + 2,222 = 12 + 2,222 = 14,22 Ω

Réponse

Req = 14,22 Ω
2.Résistances en série et en parallèle

Réponse: IR2 = 3,185 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​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​10 ΩBR6​6 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

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

R5 + R6 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 18,43 Ω
R2 ∥ 18,43 = 4,526 Ω
Req = R1 + 4,526 = 4 + 4,526 = 8,526 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 = 36/8,526 = 4,222 A

Courant dans R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 4,222·4 = 19,11 V
IR2 = VA/R2 = 19,11/6 = 3,185 A

Réponse

IR2 = 3,185 A
3.Méthode des nœuds

Réponse: VB = 3,091 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 + 4
VA/R1 + VB/R2 = Is

Résoudre

VA/20 + (VA + 4)/2 = 1,5
VA = (1,5 − 4/2)/(1/20 + 1/2) = −0,9091 V
VB = −0,9091 + 4 = 3,091 V

Réponse

VB = 3,091 V
4.Méthode des nœuds

Réponse: IR1 = −0,3811 A

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

R1​ = 12 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 20 Ω+−V1​5 VR3​25 ΩAR5​8 ΩBIs​6 A+−V2​9 V

Poser les nœuds

La masse est le fil du bas. Les potentiels connus viennent directement des sources (V1 = 5 V, V2 = 9 V). Inconnues : VA, VB.

Loi des nœuds au nœud A

Les courants qui quittent A par les résistances égalent le courant injecté dans A par les sources.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/25 + (VA − 5)/12 + (VA − VB)/30 = 0
0,1567·VA − 0,03333·VB = 0,4167

Loi des nœuds au nœud B

Les courants qui quittent B par les résistances égalent le courant injecté dans B par les sources.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/30 + (VB − 9)/20 = 6
−0,03333·VA + 0,2083·VB = 6,45

Résoudre

Δ = (0,1567)(0,2083) − (−0,03333)(−0,03333) = 0,03153
VA = Δ1/Δ = 0,3018/0,03153 = 9,573 V
VB = Δ2/Δ = 1,024/0,03153 = 32,49 V

Réponse

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (5 − 9,573)/12 = −0,3811 A
5.Méthode des mailles

Réponse: I1 = 0,5769 A

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

R1​ = 8 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​30 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
8·I1 + 12(I1 − I2) = 30
20·I1 − 12·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
3·I2 + 12(I2 − I1) = (−30)
−12·I1 + 15·I2 = −30

Résoudre

Δ = (20)(15) − (−12)(−12) = 156
I1 = Δ1/Δ = 90/156 = 0,5769 A
I2 = Δ2/Δ = −240/156 = −1,538 A

Réponse

I1 = 0,5769 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

6.Méthode des mailles

Réponse: I3 = −1,237 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​ = 30 ΩR2​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR4​12 ΩAR5​4 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
30·I1 + 12(I1 − I2) = 24
42·I1 − 12·I2 = 24

Loi des mailles dans la maille 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
3·I2 + 12(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−12·I1 + 19·I2 − 4·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
15·I3 + 4(I3 − I2) = (−24)
−4·I2 + 19·I3 = −24

Résoudre

Δ = déterminant de la matrice des coefficients = 11754
I1 = Δ1/Δ = 7128/11754 = 0,6064 A
I2 = Δ2/Δ = 1440/11754 = 0,1225 A
I3 = Δ3/Δ = −14544/11754 = −1,237 A

Réponse

I3 = −1,237 A

Un courant de maille négatif circule dans le sens antihoraire.

7.Superposition

Réponse: I = 1,65 mA

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.

Écrire la réponse comme une somme de contributions

Chaque contribution est proportionnelle à sa propre source, avec une constante qui ne dépend que des résistances.

I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 2·k₂ = 0,7
2·k₁ + 8·k₂ = −0,8

Trouver les constantes

Δ = (2)(8) − (2)(2) = 12
k₁ = Δ1/Δ = 7,2/12 = 0,6
k₂ = Δ2/Δ = −3/12 = −0,25
k₁ = 0,6 mA/V, k₂ = −0,25

Prévoir le nouveau courant

I = 0,6·4 + (−0,25)·3 = 1,65 mA

Réponse

I = 1,65 mA
8.Superposition

Réponse: IR4 = −1,305 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​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​6 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) = 6 ∥ 23 = 4,759 Ω
VA = 24·4,759/(25+4,759) = 3,838 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,838·3/23 = 0,5006 V
IR4′ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 0,5006)/3 = −0,1669 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR3​6 ΩAIs​2 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 = 4,839 Ω, donc le chemin de gauche vaut R2+4,839 = 24,84 Ω
Req = R4 ∥ 24,84 = 2,677 Ω
VB = Is·Req = 2·2,677 = 5,353 V
VA = VB·4,839/24,84 = 1,043 V
IR4″ = (V2 − VB)/R4 = (0 − 5,353)/3 = −1,784 A
R1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩR4​ = 3 ΩCOURT-CIRCUITR3​6 ΩAOUVERTB+−V2​18 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 = 25·6/(25+6) = 4,839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 18·24,84/27,84 = 16,06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 16,06·4,839/24,84 = 3,129 V
IR4‴ = (V2 − VB)/R4 = (18 − 16,06)/3 = 0,6466 A

Additionner les contributions

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = (−0,1669) + (−1,784) + 0,6466 = −1,305 A

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

9.Thévenin et Norton

Réponse: Vth = 20 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​ = 6 ΩR3​ = 6 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 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 6 = 10 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAab+−Vth​

Trouver Vth, la tension à vide

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

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·12/(6+12) = 20 V
10.Thévenin et Norton

Réponse: IL = −1,777 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​ = 25 ΩR3​ = 30 ΩCOURT-CIRCUITR2​15 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 = 25·15/(25+15) = 9,375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9,375 + 30 = 39,38 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​3 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) = 3,75 + (−3)·9,375 = −24,38 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −24,38 + (−3)·30 = −114,4 V
Rth​ = 39,38 Ω−+Vth​114,4 VRL​25 ΩIL​

Brancher la charge sur l’équivalent de Thévenin

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

IL = Vth/(Rth + RL) = −114,4/(39,38 + 25) = −1,777 A
11.Transitoires RC et RL

Réponse: i = 0,3057 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 = 47 mH / 33 Ω = 1,424 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0,6061 A

Courant à l’instant donné

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6061·(1 − e−1/1,424) = 0,3057 A

Réponse

i = 0,3057 A
12.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 354,1 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 5 + (10 − 5)·e−t/τ

Isoler le temps

6 = 5 + (5)·e−t/τ → e−t/τ = (6 − 5)/(10 − 5) = 0,2
t = τ·ln((10 − 5)/(6 − 5)) = 220·ln(5) = 354,1 ms

Réponse

t = 354,1 ms
13.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: P = 449,8 W

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 = 31,42 Ω, XC = 15,92 Ω

Impédance

|Z| = √(20² + (15,5)²) = 25,3 Ω

Puissance active

Les bobines et les condensateurs ne font que stocker et restituer de l’énergie ; la résistance absorbe toute la puissance active.

I = 120/25,3 = 4,742 A
P = I²·R = 4,742²·20 = 449,8 W

Réponse

P = 449,8 W
14.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 0,136 A

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

Réactance

XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Association en parallèle

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

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 34,36 − j47,49 Ω

Impédance totale

Z = 40 + 34,36 − j47,49 = 74,36 − j47,49 Ω
|Z| = √(74,36² + 47,49²) = 88,23 Ω

Courant

I = V/|Z| = 12/88,23 = 0,136 A

Réponse

I = 0,136 A
15.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: R = 39,27 Ω

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.

Résistance d’après la puissance active

R = P/I² = 1188/5,5² = 39,27 Ω

Réponse

R = 39,27 Ω
16.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: I = 69,2 A

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

Puissance réactive avant et après

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

Q1 = 11·tan(arccos 0,65) = 12,86 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·68·10⁻⁶ = 1356 var = 1,356 kvar
Q2 = 12,86 − 1,356 = 11,5 kvar

Nouvelle puissance apparente

S2 = √(11² + 11,5²) = 15,92 kVA

Nouveau courant de ligne

I = S2/V = 15917/230 = 69,2 A

Réponse

I = 69,2 A
17.Puissance triphasée

Réponse: P = 12,91 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.

Puissance apparente

S = √3·VL·IL = √3·690·12 = 14,34 kVA

Puissance active

P = S·cos φ = 14,34·0,9 = 12,91 kW

Réponse

P = 12,91 kW
18.Puissance triphasée

Réponse: Cph = 889,8 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 193,2 kvar

Capacité par phase

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

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 64405/(314,2·480²) = 889,8 µF

Réponse

Cph = 889,8 µF
19.Transformateurs

Réponse: I1 = 1,533 A

Transformateur parfait : les tensions sont dans le rapport des nombres de spires et les courants dans le rapport inverse : V₁/V₂ = N₁/N₂ = a et I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a ; la puissance absorbée est donc égale à la puissance fournie, V₁·I₁ = V₂·I₂. Une impédance de charge Z au secondaire est vue comme a²·Z depuis le primaire.

Tension et courant secondaires

V2 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/15 = 15,33 A

Courant primaire

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

I1 = I2/10 = 1,533 A

Réponse

I1 = 1,533 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 1500 Ω, et 2300/1500 donne le même courant.

20.Transformateurs

Réponse: Ploss = 218,8 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 = 0,0625·300 = 18,75 W

Pertes totales

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

Ploss = 200 + 18,75 = 218,8 W

Réponse

Ploss = 218,8 W

Le rendement à cette charge vaut η = 98,09%.

21.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = 1,1 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.

L’entrée inverseuse suit l’entrée

V₋ = V₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/1 = 0,1 mA

Tension de sortie

Le courant de R₁ traverse aussi Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,1·10 = 1,1 V

Réponse

Vout = 1,1 V
22.Circuits à ampli op

Réponse: Vout = −8,83 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) = 0,2·4,7/(4,7 + 4,7) = 0,1 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 = −(47/10)·2 + (1 + 47/10)·0,1 = −9,4 + 0,57 = −8,83 V

Réponse

Vout = −8,83 V
23.Diodes et transistors

Réponse: IC = 5,636 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.

Courant de base

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/330 kΩ = 28,18 µA

Courant de collecteur

IC = β·IB = 200·28,18 µA = 5,636 mA

Réponse

IC = 5,636 mA

Vérification : VCE = 4,364 V est nettement supérieure à 0,2 V, le transistor est donc bien en régime actif.

24.Diodes et transistors

Réponse: IC = 25,11 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 = (5 − 0,7)/1 kΩ = 4300 µA

Saturé ou actif ?

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

β·IB = 344 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/470 = 25,11 mA

Courant de collecteur

IC = IC(sat) = 25,11 mA

Réponse

IC = 25,11 mA

Le transistor est saturé.

25.Systèmes de numération

Réponse: N = −25

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.

Additionner les poids

Les autres bits gardent leurs valeurs positives habituelles.

−128 + 64 + 32 + 4 + 2 + 1 = −25

Réponse

N = −25
26.Systèmes de numération

Réponse: R = 3

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.

1010 0011
AND 0100 1111
= 0000 0011

Valeur du résultat

0000 0011₂ = 3

Réponse

R = 3
27.Logique numérique : portes, tableaux de Karnaugh et bascules

Réponse: AB = 00, CD = 11

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.

m3: m2, m1, m7, m11 → 0
ABCD000111100001111011111

Le 1 isolé

m3 = A′B′CD → AB = 00, CD = 11

Réponse

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

Réponse: N = 3

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

Implicants premiers

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

CD, A′D, A′B′C, A′BC′, ABC
ABCD000111100001111000X11312X415X706012013X151140809111010

Implicants premiers essentiels

CD, A′B′C, ABC
N = 3

Réponse

N = 3
29.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.2) = 3,035

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

Compléter le carré

s² + 6s + 18 = (s + 3)² + 9 = (s + 3)² + 3²

Identifier le numérateur

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 3²) + (25/3)·3/((s + 3)² + 3²)

Transformée inverse

f(t) = e−3t·(cos 3t + 8,333·sin 3t)
f(0,2) = e−3·0,2·(cos(3·0,2) + 8,333·sin(3·0,2)) = 3,035

Réponse

f(0,2) = 3,035
30.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.1) = 1,877

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

s²Y − 3s − (−14) + 11(sY − 3) + 30Y = 0
Y(s) = (3s + 19)/((s + 5)(s + 6))

Décomposition en éléments simples

A = 4/1 = 4
B = 1/(−1) = −1

Résultat

y(t) = 4·e−5t − e−6t
y(0,1) = 1,877

Réponse

y(0,1) = 1,877

Vérification : y(0) = A + B = 3.

31.Schémas fonctionnels

Réponse: T(0) = 0,766

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

Boucle interne

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 6/(s + 3 + 6·5) = 6/(s + 33)

Boucle externe

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 108/(s + 33 + 108) = 108/(s + 141)

Résultat

T(0) = 108/141 = 0,766

Réponse

T(0) = 0,766
32.Schémas fonctionnels

Réponse: css = 4,397

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) = 5/(s + 8 + 50)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 50/(s + 8 + 50)

Régime permanent

css = 5·50/58 + 1·5/58 = 4,397

Réponse

css = 4,397

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

33.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 8,602 rad/s

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

Comparez avec la forme standard

Le dénominateur doit correspondre à s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 74 → ωₙ = 8,602 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,602) = 0,5231

Résultat

ωₙ = 8,602 rad/s

Réponse

ωn = 8,602 rad/s
34.Réponse indicielle

Réponse: ωn = 14,12 rad/s

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

Taux d’amortissement

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 1,609/√(9,87 + 2,59) = 0,4559

Fréquence propre

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,89 = 14,12 rad/s

Réponse

ωn = 14,12 rad/s
35.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: φ = 78,74 °

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 coupure

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482,3 Hz → f/fc = 96/482,3 = 0,1991

Phase

φ = 90° − atan(0,1991) = 78,74°

Réponse

φ = 78,74°
36.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 4,766

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/2) = 1 → ω180 = √(1·2) = 1,414 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 4)) = K/(1·2·(1 + 2)) = K/6

Gain requis

6/K = 102/20 = 1,259
K = 6/1,259 = 4,766

Réponse

K = 4,766
37.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: Kmin = 1

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 − 1)(s + 2) + K(s + 2) = s² + (1 + K)s + (2K − 2)

Conditions

Pour s² + c₁s + c₀, toutes les racines se trouvent dans le demi-plan gauche exactement lorsque c₁ > 0 et c₀ > 0.

1 + K > 0 → K > −1
2K − 2 > 0 → K > 1
Kmin = 1

Réponse

Kmin = 1
38.Stabilité : Routh–Hurwitz et lieu des racines

Réponse: K = 1

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

Point de séparation

dK/ds = 0 pour K = −(s + 4)(s + 6) donne 2s + 10 = 0.

sb = −5

Condition de module

K = |−5 + 4|·|−5 + 6| = 1·1 = 1

Réponse

K = 1

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

39.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: ess = 2,5

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 = 2·1/10 = 0,2

Erreur sur la parabole

ess = 0,5/0,2 = 2,5

Réponse

ess = 2,5
40.Erreur en régime permanent et commande PID

Réponse: Kp = 2,2

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

1 + C(s)G(s) = 0, multiplié par s(s + 5).

s² + (5 + 5Kp)s + 5Ki

Polynôme cible

s² + 2·0,8·10s + 10² = s² + 16s + 100

Identifiez les coefficients

5 + 5Kp = 16 → Kp = 2,2

Réponse

Kp = 2,2

Le terme intégral rend la boucle de classe 1, donc un échelon est suivi sans erreur en régime permanent.

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