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)t34h(t)t12

L’impulsion x(t) = 4 pour 0 ≤ t < 3 s est convoluée avec h(t), un triangle qui décroît linéairement de 2 à t = 0 jusqu’à 0 à t = 1 s. Trouvez l’aire Ay sous y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 2, h(1) = 0
Ay =
2.Convolution et systèmes LTIDifficile
δ(t)y′ + 5y = 2xh(t)

Un système obéit à y′(t) + 5·y(t) = 2·x(t). Trouvez sa réponse impulsionnelle à t = 0,25 s, h(0,25).

y′ + 5y = 2xt = 0,25 s
h(0.25) =
3.Transformées de LaplaceMoyen
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

Trouvez f(t) pour F(s) = (3s + 9)/(s² + 4s + 4) et calculez f(0,6).

F(s) = (3s + 9)/(s² + 4s + 4)t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformées de LaplaceDifficile
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Résolvez y″ + 10y′ + 24y = 0 avec y(0) = 7 et y′(0) = 12 à l’aide de la transformée de Laplace, et trouvez y(0,25).

y″ + 10y′ + 24y = 0y(0) = 7y′(0) = 12t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Réponse indicielleMoyen
t (s)y(t)2

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 164/(s² + 3s + 82) et reçoit un échelon unitaire. Les pôles sont s = σ ± jωd. Trouvez la partie réelle σ.

G(s) = 164/(s² + 3s + 82)
σ =
6.Réponse indicielleDifficile
+−10 VR = 37 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

Un circuit RLC série avec R = 37 Ω, L = 100 mH et C = 47 µF est relié à un échelon de 10 V à t = 0. Le condensateur est déchargé et aucun courant ne circule avant l’échelon. Trouvez l’instant tp du premier pic de tension, en ms.

R = 37 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 10 V
tp = ms
7.Diagrammes de Bode et margesMoyen
vin​L = 10 mHC = 4,7 µFR = 5 Ωvout​

Dans le filtre passe-bande RLC série représenté, la sortie est prise aux bornes de R = 5 Ω, avec L = 10 mH et C = 4,7 µF. Trouvez la bande passante à −3 dB BW en Hz.

R = 5 ΩL = 10 mHC = 4,7 µF
BW = Hz
8.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 + 5)(s + 9)). Trouvez le gain K qui donne une marge de gain de 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 12 dB
K =

3Solutions

1.Convolution et systèmes LTI

Réponse: Ay = 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).

Aires des entrées

∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = ½·1·2 = 1

Aire de la sortie

Ay = 12·1 = 12

Réponse

Ay = 12
2.Convolution et systèmes LTI

Réponse: h(0.25) = 0,573

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)|.

Fonction de transfert

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 5)

Réponse impulsionnelle

h(t) = 2·e−5tu(t)
h(0,25) = 2·e−1,25 = 0,573

Réponse

h(0,25) = 0,573
3.Transformées de Laplace

Réponse: f(0.6) = 1,446

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

Factoriser le dénominateur

s² + 4s + 4 = (s + 2)²

Décomposition en éléments simples

3s + 9 = 3(s + 2) + 3
F(s) = 3/(s + 2) + 3/(s + 2)²

Transformée inverse

f(t) = 3·e−2t + 3·t·e−2t
f(0,6) = (3 + 3·0,6)·e−2·0,6 = 1,446

Réponse

f(0,6) = 1,446
4.Transformées de Laplace

Réponse: y(0.25) = 5,47

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 − 7s − 12 + 10(sY − 7) + 24Y = 0
Y(s) = (7s + 82)/((s + 4)(s + 6))

Décomposition en éléments simples

A = 54/2 = 27
B = 40/(−2) = −20

Résultat

y(t) = 27·e−4t − 20·e−6t
y(0,25) = 5,47

Réponse

y(0,25) = 5,47

Vérification : y(0) = A + B = 7.

5.Réponse indicielle

Réponse: σ = −1,5

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).

Comparez avec la forme standard

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

ωₙ² = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,055) = 0,1656

Résultat

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Réponse

σ = −1,5
6.Réponse indicielle

Réponse: tp = 7,435 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (37/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,4011

Résultat

ωd = 422,5 rad/s
tp = π/ωd = 7,435 ms

Réponse

tp = 7,435 ms
7.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: BW = 79,58 Hz

Réponse en fréquence : substituez s = jω dans la fonction de transfert. Le module en décibels est 20·log₁₀|H(jω)| et la phase est la somme des angles des facteurs du numérateur moins ceux des facteurs du dénominateur. Un filtre RC ou RL du premier ordre a sa fréquence de coupure (−3 dB) à ωc = 1/(RC) ou R/L, et fc = ωc/(2π) ; un filtre passe-bas donne |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) et φ = −atan(ω/ωc). Dans le diagramme de Bode asymptotique (en lignes droites), chaque pôle infléchit le module vers le bas de 20 dB/décade à sa fréquence de coupure, chaque zéro l’infléchit vers le haut de 20 dB/décade, et un intégrateur 1/s donne −20 dB/décade à toutes les fréquences. Pulsation de croisement du gain ωc : |L(jω)| = 1 (0 dB) ; marge de phase PM = 180° + ∠L(jωc). Pulsation de croisement de phase ω180 : ∠L(jω) = −180° ; marge de gain GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. La boucle fermée est stable quand les deux marges sont positives.

Fréquence de résonance

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,01·4,7 × 10⁻⁶) = 4613 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 734,1 Hz

Bande passante

BW = R/L = 5/0,01 = 500 rad/s = 79,58 Hz

Réponse

BW = 79,58 Hz
8.Diagrammes de Bode et marges

Réponse: K = 158,2

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/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Module au croisement de phase

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 81)) = K/(5·9·(5 + 9)) = K/630

Gain requis

630/K = 1012/20 = 3,981
K = 630/3,981 = 158,2

Réponse

K = 158,2

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