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)t14h(t)t32

L’impulsion x(t) = 4 pour 0 ≤ t < 1 s (nulle ailleurs) est appliquée à un système de réponse impulsionnelle h(t) = 2 pour 0 ≤ t < 3 s (nulle ailleurs). Trouvez la sortie y(1) à t = 1 s.

x(t) = 4, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 2, 0 ≤ t < 3 st = 1 s
y(1) =
2.Convolution et systèmes LTIDifficile
x(t)t (ms)1020401

Un signal carré commute entre 1 et 0 avec la période T = 20 ms (une demi-période à chaque niveau). Trouvez l’amplitude c1 de sa composante de Fourier à 50 Hz.

0 … 1T = 20 msf = 50 Hz
c1 =
3.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = 10/(s(s + 5)(s + 6)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,2).

F(s) = 10/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Un système obéit à y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t), avec y(0) = 6 et y′(0) = 0. À t = 0, on applique un échelon d’entrée u(t) = 2. Utilisez la transformée de Laplace pour trouver y(0,2).

y″ + 6y′ + 8y = 8·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)1ts​ = ?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 20/(s² + 3s + 20) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le temps de réponse à 2 % ts de la réponse indicielle, avec ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 20/(s² + 3s + 20)
ts = s
6.Réponse indicielleDifficile
k = 5000 N/mc = 50 N·s/mm = 0,5 kgF = 25 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 = 25 N est soudain appliquée. Trouvez le plus grand déplacement xmax en mm.

m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 50 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
7.Diagrammes de Bode et margesMoyen
|H| (dB)11101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

Trouvez la phase ∠G(jω) de G(s) = 47(s + 16)/(s(s + 14)) à ω = 20 rad/s, en degrés.

G(s) = 47(s + 16)/(s(s + 14))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
8.Diagrammes de Bode et margesDifficile
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (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 + 7)(s + 9)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 4 dB.

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 9))GM = 4 dB
K =

3Solutions

1.Convolution et systèmes LTI

Réponse: y(1) = 8

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).

Recouvrement de l’impulsion retournée

h(t − τ) est l’impulsion de h retournée et décalée de sorte qu’elle se termine en τ = t.

τ ∈ [0, 1] → longueur 1 s

Intégrale

y(1) = 4·2·1 = 8

Réponse

y(1) = 8

y(t) est un trapèze : il monte depuis 0, reste à 8 et redescend à 0 à t = 4 s.

2.Convolution et systèmes LTI

Réponse: c1 = 0,6366

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)|.

Rang de l’harmonique

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 50/50 = 1

Amplitude

c1 = 4·0,5/(1π) = 0,6366

Réponse

c1 = 0,6366
3.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.2) = 0,09956

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

Décomposition en éléments simples

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 10/(5·6) = 0,3333
B = 10/((−5)·1) = −2
C = 10/((−6)·(−1)) = 1,667

Transformée inverse

f(t) = 0,3333 − 2·e−5t + 1,667·e−6t

Évaluer

f(0,2) = 0,3333 − 2·e−5·0,2 + 1,667·e−6·0,2 = 0,09956

Réponse

f(0,2) = 0,09956
4.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.2) = 5,565

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 + 6s + 8)·Y(s) = 6s + 36 + 16/s
Y(s) = (6s² + 36s + 16)/(s(s + 2)(s + 4))

Décomposition en éléments simples

A = 16/(2·4) = 2
B = −32/((−2)·2) = 8
C = −32/((−4)·(−2)) = −4

Résultat

y(t) = 2 + 8·e−2t − 4·e−4t
y(0,2) = 5,565

Réponse

y(0,2) = 5,565

Vérification : y(0) = A + B + C = 6.

5.Réponse indicielle

Réponse: ts = 2,667 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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,472) = 0,3354

Résultat

ζωₙ = 1,5 → ts ≈ 4/1,5 = 2,667 s

Réponse

ts = 2,667 s
6.Réponse indicielle

Réponse: xmax = 5,815 mm

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

xst = F/k = 25/5000 m = 5 mm
%OS = 16,3 %
xmax = 5·(1 + 0,163) = 5,815 mm

Réponse

xmax = 5,815 mm
7.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: ∠G(jω) = −93,67 °

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(20/16) − 90° − atan(20/14) = 51,34° − 90° − 55,01°

Résultat

∠G(j20) = −93,67°

Réponse

∠G(jω) = −93,67°
8.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 636

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/7)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7,937 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

Gain requis

1008/K = 104/20 = 1,585
K = 1008/1,585 = 636

Réponse

K = 636

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