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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
Esquissez les deux signaux et notez où chacun est non nul.
Retournez h et faites-la glisser : pour chaque instant de sortie, trouvez la plage où les deux signaux se recouvrent.
Multipliez et additionnez (cas discret) ou multipliez et intégrez (cas continu) sur ce seul recouvrement.
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
L’impulsion x(t) = 2 pour 0 ≤ t < 2 s (nulle ailleurs) est appliquée à un système de réponse impulsionnelle h(t) = 3 pour 0 ≤ t < 3 s (nulle ailleurs). Trouvez la sortie y(2) à t = 2 s.
x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 3 st = 2 s
y(2) =
2.Convolution et systèmes LTIDifficile
Un signal carré commute entre +2 et −2 avec la période T = 2 ms (une demi-période à chaque niveau). Trouvez l’amplitude c3 de sa composante de Fourier à 1500 Hz.
±2T = 2 msf = 1500 Hz
c3 =
3.Transformées de LaplaceMoyen
Trouvez f(t) pour F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 4)) par décomposition en éléments simples, et calculez f(0,4).
F(s) = 60/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,4 s
f(0.4) =
4.Transformées de LaplaceDifficile
Résolvez y″ + 6y′ + 5y = 0 avec y(0) = −5 et y′(0) = 2 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(1,2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = −5y′(0) = 2t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Réponse indicielleMoyen
Un système a pour fonction de transfert G(s) = 82/(s² + 9s + 82) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le taux d’amortissement ζ.
G(s) = 82/(s² + 9s + 82)
ζ =
6.Réponse indicielleDifficile
Une boucle à retour unitaire négatif a G(s) = K/(s(s + 8)). Trouvez le gain K qui donne une réponse indicielle avec 10 % de dépassement.
G(s) = K/(s(s + 8))%OS = 10 %
K =
7.Diagrammes de Bode et margesMoyen
Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 50 Ω, avec L = 5 mH et C = 0,1 µF. Trouvez le facteur de qualité Q.
R = 50 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
Q =
8.Diagrammes de Bode et margesDifficile
Une boucle à retour unitaire a pour fonction de transfert en boucle ouverte L(s) = 44/(s(s + 1)(s + 10)). Trouvez la pulsation de croisement de phase ω180, où ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 44/(s(s + 1)(s + 10))
ω180 = rad/s
3Solutions
1.Convolution et systèmes LTI
Réponse: y(2) = 12
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, 2] → longueur 2 s
Intégrale
y(2) = 2·3·2 = 12
Réponse
y(2) = 12
y(t) est un trapèze : il monte depuis 0, reste à 12 et redescend à 0 à t = 5 s.
2.Convolution et systèmes LTI
Réponse: c3 = 0,8488
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 = 500 Hz → k = 1500/500 = 3
Amplitude
c3 = 4·2/(3π) = 0,8488
Réponse
c3 = 0,8488
3.Transformées de Laplace
Réponse: f(0.4) = 2,274
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 + 2) + C/(s + 4)
A = 60/(2·4) = 7,5
B = 60/((−2)·2) = −15
C = 60/((−4)·(−2)) = 7,5
Transformée inverse
f(t) = 7,5 − 15·e−2t + 7,5·e−4t
Évaluer
f(0,4) = 7,5 − 15·e−2·0,4 + 7,5·e−4·0,4 = 2,274
Réponse
f(0,4) = 2,274
4.Transformées de Laplace
Réponse: y(1.2) = −1,73
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 − (−5)s − 2 + 6(sY − (−5)) + 5Y = 0
Y(s) = (−5s − 28)/((s + 1)(s + 5))
Décomposition en éléments simples
A = −23/4 = −5,75
B = −3/(−4) = 0,75
Résultat
y(t) = −5,75·e−t + 0,75·e−5t
y(1,2) = −1,73
Réponse
y(1,2) = −1,73
Vérification : y(0) = A + B = −5.
5.Réponse indicielle
Réponse: ζ = 0,4969
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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,055) = 0,4969
Résultat
ζ = 0,4969
Réponse
ζ = 0,4969
6.Réponse indicielle
Réponse: K = 45,78
Réponse indicielle : un système du premier ordre G(s) = K/(τs + 1) répond à un échelon d’amplitude U par y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) : il atteint 63,2 % de la valeur finale K·U après une constante de temps τ et 98 % après 4τ. Un système du second ordre G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) a pour pôles s = −ζωₙ ± jωd avec ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle dépasse sa valeur finale : dépassement en pourcentage %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), temps du premier pic tp = π/ωd, et temps de réponse à 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ² pour lire ωₙ et ζ. Pour un système masse–ressort–amortisseur, ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)) ; pour un circuit RLC série, ωₙ = 1/√(LC) et ζ = (R/2)·√(C/L).
Fonction de transfert en boucle fermée
T(s) = K/(s² + 8s + K)
Coefficient d’amortissement à partir du dépassement
ζ = −ln(0,1)/√(π² + ln²(0,1)) = 0,5912
Gain
ωₙ = 8/(2ζ) = 6,766 rad/s
K = ωₙ² = 45,78
Réponse
K = 45,78
7.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: Q = 4,472
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/√(0,005·1 × 10⁻⁷) = 44721 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7118 Hz
Facteur de qualité
BW = R/L = 50/0,005 = 10000 rad/s = 1592 Hz
Q = ω₀/BW = 44721/10000 = 4,472
Réponse
Q = 4,472
8.Diagrammes de Bode et marges
Réponse: ω180 = 3,162 rad/s
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.