Signaux et systèmes : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Convolution et systèmes LTI

Convolution discrète
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Convolution continue
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Longueur et somme
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Début, fin et aire
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Échelon dans e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Système du premier ordre
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Récurrence du premier ordre
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoïde traversant h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudes de la série de Fourier
carré ±A : 4A/(kπ), k impair ; triangle ±A : 8A/(π²k²), k impair ; train d’impulsions : A·D et (2A/(kπ))|sin kπD|

Méthode

  1. Esquissez les deux signaux et notez où chacun est non nul.
  2. Retournez h et faites-la glisser : pour chaque instant de sortie, trouvez la plage où les deux signaux se recouvrent.
  3. Multipliez et additionnez (cas discret) ou multipliez et intégrez (cas continu) sur ce seul recouvrement.
  4. Vérifiez le résultat : la sortie commence à la somme des instants de début, se termine à la somme des instants de fin, et son aire ou sa somme est le produit des aires ou des sommes des entrées.

2Exercices

1.Convolution et systèmes LTIMoyen
x(t)t23h(t)t−11

Le signal x(t) n’est non nul qu’entre t = 2 s et t = 3 s, et h(t) qu’entre t = −1 s et t = 1 s. Trouvez la durée D de y(t) = x(t) ∗ h(t).

x: 2 … 3 sh: −1 … 1 s
D = s
2.Convolution et systèmes LTIDifficile
u[n]3+y[n]−0,5·z⁻¹+

Un système obéit à y[n] = −0,5·y[n − 1] + 3·x[n] et part du repos. L’entrée est l’échelon unité x[n] = u[n]. Trouvez y[2].

y[n] = −0,5y[n − 1] + 3x[n]x[n] = u[n]
y[2] =
3.Transformées de LaplaceMoyen
ReIm−5−10−15−20−25

Trouvez f(t) pour F(s) = (s + 23)/(s² + 2s + 10) en complétant le carré, et calculez f(0,5).

F(s) = (s + 23)/(s² + 2s + 10)t = 0,5 s
f(0.5) =
4.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Un système obéit à y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t). Il part du repos (y(0) = 0, y′(0) = 0) et l’entrée est un échelon u(t) = 10 pour t ≥ 0. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver la sortie y(0,3).

y″ + 8y′ + 15y = 45·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)3?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 273/(s² + 4s + 91) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 273/(s² + 4s + 91)
%OS = %
6.Réponse indicielleDifficile
k = 5000 N/mc = 50 N·s/mm = 0,5 kgF = 50 Nx(t)

Une masse m = 0,5 kg est suspendue à un ressort k = 5000 N/m avec un amortisseur visqueux c = 50 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 50 N est soudain appliquée. Trouvez le taux d’amortissement ζ.

m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 50 N·s/mF = 50 N
ζ =
7.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

Trouvez la phase ∠G(jω) de G(s) = 27(s + 12)/(s(s + 11)) à ω = 5 rad/s, en degrés.

G(s) = 27(s + 12)/(s(s + 11))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 175/(s(s + 5)). Trouvez la marge de phase PM en degrés.

L(s) = 175/(s(s + 5))
PM = °

3Solutions

1.Convolution et systèmes LTI

Réponse: D = 3 s

Convolution continue : y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. On retourne h, on la fait glisser jusqu’à la position t et on intègre le produit des parties qui se recouvrent. Pour des signaux causaux, l’intégrale va de 0 à t. Résultats utiles : l’aire de y est l’aire de x multipliée par l’aire de h ; si x dure de t₁ à t₂ et h de t₃ à t₄, y dure de t₁ + t₃ à t₂ + t₄. Pour h(t) = e−atu(t) et un échelon de hauteur A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Début et fin

tstart = 2 + (−1) = 1 s
tend = 3 + 1 = 4 s

Réponse

D = 3 s

Réponse

D = 3 s
2.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y[2] = 2,25

Réponse impulsionnelle et série de Fourier : la réponse impulsionnelle h(t) décrit entièrement un système LTI : pour y′ + a·y = b·x, c’est h(t) = b·e−atu(t), et pour y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n], c’est h[n] = b·aⁿu[n]. Une sinusoïde cos ωt traverse le système avec le gain |H(jω)| et la phase ∠H(jω), où H est la transformée de Fourier de h. Un signal périodique est une somme d’harmoniques en k/T : un signal carré de ±A n’a que des harmoniques impairs d’amplitudes 4A/(kπ), un signal triangulaire de crête A a 8A/(π²k²), et un train d’impulsions de hauteur A et de rapport cyclique D a pour moyenne A·D et pour harmoniques (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Itérez

y[0] = 3
y[1] = 1,5
y[2] = 2,25

Résultat

y[2] = 3·(1 − (−0,5)3)/(1 − (−0,5)) = 2,25

Réponse

y[2] = 2,25
3.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.5) = 4,48

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 + 2s + 10 = (s + 1)² + 9 = (s + 1)² + 3²

Identifier le numérateur

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 3²) + (22/3)·3/((s + 1)² + 3²)

Transformée inverse

f(t) = e−t·(cos 3t + 7,333·sin 3t)
f(0,5) = e−0,5·(cos(3·0,5) + 7,333·sin(3·0,5)) = 4,48

Réponse

f(0,5) = 4,48
4.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.3) = 9,548

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

Y(s) = 450/(s(s + 3)(s + 5))

Décomposition en éléments simples

A = 450/(3·5) = 30
B = 450/((−3)·2) = −75
C = 450/((−5)·(−2)) = 45

Sorties

y(t) = 30 − 75·e−3t + 45·e−5t
y(0,3) = 9,548

Réponse

y(0,3) = 9,548
5.Réponse indicielle

Réponse: %OS = 50,99 %

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 = 91 → ωₙ = 9,539 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,539) = 0,2097

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,6736 = 50,99 %

Réponse

%OS = 50,99 %
6.Réponse indicielle

Réponse: ζ = 0,5

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

Pulsation propre et coefficient d’amortissement

ωₙ = √(k/m) = √(5000/0,5) = 100 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 50/(2·√(5000·0,5)) = 0,5

Résultat

ζ = 0,5

Réponse

ζ = 0,5
7.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ∠G(jω) = −91,82 °

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.

Additionner les angles

∠G = atan(5/12) − 90° − atan(5/11) = 22,62° − 90° − 24,44°

Résultat

∠G(j5) = −91,82°

Réponse

∠G(jω) = −91,82°
8.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: PM = 21,39 °

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 du gain

ω⁴ + 25ω² − 30625 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·30625))/2 = 162,9
ωc = 12,77 rad/s

Marge de phase

∠L(jωc) = −90° − atan(12,77/5) = −158,6°
PM = 180° + ∠L = 21,39°

Réponse

PM = 21,39°

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