Réponse indicielle : exercices corrigés pas à pas

Exercices gratuits sur Réponse indicielle avec schémas, indices et corrigés complets. De nouvelles valeurs à chaque fois, à trois niveaux : systèmes du premier ordre, paramètres du second ordre, systèmes physiques et conception.

Exercice gratuitFacile
+−5 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC​

Un condensateur déchargé C = 47 µF est chargé par une source en échelon de 5 V à travers une résistance R = 4,7 kΩ. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 220,9 ms.

R = 4,7 kΩC = 47 µFV = 5 Vt = 220,9 ms
V
Exercice suivant →

Ce que vous travaillez

  1. Facilesystèmes du premier ordre
  2. Moyenparamètres du second ordre
  3. Difficilesystèmes physiques et conception

Apprendre Réponse indicielle depuis zéro

Avant cela : Transitoires RC et RL, Transformées de Laplace

1Ce qu’est une réponse indicielle

Un échelon est une entrée qui saute de 0 à une valeur constante en t = 0 puis y reste. Pensez à allumer un radiateur, ou à appuyer sur l’accélérateur et à le maintenir.

La réponse indicielle est la façon dont la sortie suit. Elle ne peut pas sauter d’un coup : elle se dirige vers une nouvelle valeur finale y(∞) et s’y stabilise.

tyy(∞)ab

La courbe a monte régulièrement et ne dépasse jamais. C’est un système du premier ordre, comme un circuit RC ou un réservoir chauffé.

La courbe b dépasse, oscille quelques fois puis se stabilise. C’est un système du second ordre sous-amorti, comme la suspension d’une voiture ou une masse au bout d’un ressort.

La valeur finale vient du gain statique G(0) : un échelon d’amplitude U se stabilise à y(∞) = G(0)·U. C’est le théorème de la valeur finale des transformées de Laplace.

Auto-évaluation Un système G(s) = 3/(2s + 1) reçoit un échelon d’amplitude 4. Quelle est la valeur finale y(∞) ?
  1. 12
  2. 3
  3. 4
  4. 6

Réponse: 12. G(0) = 3/(0 + 1) = 3, donc y(∞) = 3·4 = 12. La valeur 4 oublie le gain, 3 oublie l’amplitude de l’échelon, et 6 divise par le 2 de 2s, qui disparaît en s = 0.

2Systèmes du premier ordre

Un système du premier ordre a la forme standard ci-dessous. K est le gain statique et τ la constante de temps en secondes.

G(s) = K/(τs + 1) y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)

Si G(s) est écrite sous la forme b/(s + a), divisez le numérateur et le dénominateur par a. Alors K = b/a et τ = 1/a.

ty(t)K·U0,63·K·Uτ2τ3τ4τ5τ
  • Après 1τ, la sortie a effectué 63 % de sa variation, après 3τ 95 %, après 5τ plus de 99 %.
  • Le temps pour atteindre une fraction x de la valeur finale : t = −τ·ln(1 − x). Pour 90 %, t = τ·ln 10 = 2,3τ.
  • Le temps de montée de 10 à 90 % est tr = τ·ln 9 ≈ 2,2τ.
  • Pour un circuit RC, τ = R·C. Notez que des kΩ multipliés par des µF donnent des millisecondes.

Si vous mesurez la réponse, vous pouvez retrouver τ à l’envers. Si la sortie a atteint une fraction x à l’instant t, alors τ = −t/ln(1 − x).

Exemple détaillé

G(s) = 10/(s + 5) reçoit un échelon d’amplitude 2 en t = 0. Trouvez la valeur finale et le temps pour atteindre 90 % de celle-ci.

1

Forme standard

Divisez le numérateur et le dénominateur par 5 :

G(s) = 2/(0,2s + 1) ⇒ K = 2, τ = 0,2 s
2

Valeur finale

y(∞) = K·U = 2·2 = 4
3

Temps pour atteindre 90 %

Résolvez 1 − e−t/τ = 0,9, donc e−t/τ = 0,1 :

t = −τ·ln(0,1) = 0,2·2,303 = 0,461 s
Réponse

y(∞) = 4 et la sortie atteint 90 % après t ≈ 0,461 s.

Auto-évaluation Quelle est la constante de temps de G(s) = 10/(s + 5) ?
  1. 0,2 s
  2. 10 s
  3. 2 s
  4. 5 s

Réponse: 0,2 s. Écrite sous la forme 2/(0,2s + 1), la constante de temps est τ = 1/5 = 0,2 s. 5 s confond τ avec a, et 2 est le gain K, pas un temps.

3Systèmes du second ordre

Un système du second ordre a un dénominateur du second degré. Comparez-le à la forme standard :

G(s) = K/(s² + 2ζωns + ωn²)
  • Le terme constant est ωn², donc la pulsation propre est ωn = √(terme constant), en rad/s.
  • Le coefficient de s est 2ζωn, donc le taux d’amortissement est ζ = (coefficient de s)/(2ωn).
  • Pour 0 < ζ < 1, la réponse dépasse et oscille. Un ζ plus petit signifie un dépassement plus grand.

Pour un échelon unitaire, la valeur finale est G(0) = K/ωn². Cinq nombres décrivent la forme de la réponse :

ty(t)y(∞)tp​ymax​%OSts​
ωd = ωn·√(1 − ζ²) tp = π/ωd
%OS = 100·e−ζπ/√(1 − ζ²) ts ≈ 4/(ζωn)
  • ωd est la pulsation amortie : la rapidité avec laquelle la réponse oscille.
  • tp est le temps du premier pic, quand la sortie est la plus haute. %OS est le dépassement en pourcentage au-dessus de la valeur finale.
  • ts est le temps d’établissement, après lequel la sortie reste à moins de 2 % de la valeur finale.
ReImσjωd​ωn​θ

Les deux pôles sont s = σ ± jωd, de partie réelle σ = −ζωn. Leur distance à l’origine est ωn, et cos θ = ζ.

Auto-évaluation Un système a pour dénominateur s² + 4s + 25. Quel est le taux d’amortissement ζ ?
  1. 0,08
  2. 0,4
  3. 0,8
  4. 2

Réponse: 0,4. ωn = √25 = 5, et 2ζωn = 4 donne ζ = 4/(2·5) = 0,4. 0,8 oublie le 2, 0,08 divise par ωn² au lieu de ωn, et 2 est ζωn.

4La méthode pas à pas

  1. Déterminez l’ordre : un dénominateur de degré 1 est du premier ordre, de degré 2 du second ordre.
  2. Premier ordre : écrivez G(s) sous la forme K/(τs + 1) et lisez K et τ.
  3. Second ordre : comparez le dénominateur à s² + 2ζωns + ωn². Trouvez d’abord ωn, puis ζ.
  4. Trouvez la valeur finale y(∞) = G(0)·U.
  5. Appliquez la formule correspondant à ce qui est demandé : y(t), un temps, tp, %OS, ts ou σ.
  6. Vérifiez les unités : temps en secondes, ω en rad/s, et l’angle dans les formules avec e… et π en radians.

5Un exemple détaillé

C’est une question moyenne typique. Essayez chaque étape avant de l’ouvrir.

Exemple détaillé

G(s) = 16/(s² + 4s + 16) reçoit un échelon unitaire. Trouvez ζ, ωn, le dépassement en pourcentage et le temps du premier pic.

1

Fréquence propre

Le terme constant est ωn² = 16.

ωn = √16 = 4 rad/s
2

Taux d’amortissement

Le coefficient de s est 2ζωn = 4.

ζ = 4/(2·4) = 0,5

ζ est compris entre 0 et 1, donc la réponse dépasse.

3

Dépassement en pourcentage

ζπ/√(1 − ζ²) = 0,5·π/√0,75 = 1,814
%OS = 100·e−1,814 = 16,3%
4

Temps du premier pic

ωd = 4·√(1 − 0,25) = 3,464 rad/s
tp = π/3,464 = 0,907 s
5

Vérifiez la réponse

La valeur finale est G(0) = 16/16 = 1, donc le pic est d’environ 1,163. La figure de la section précédente utilise ce même système.

Le temps d’établissement 4/(ζωn) = 4/2 = 2 s est plus tardif que le pic, comme il se doit.

Réponse

ωn = 4 rad/s, ζ = 0,5, %OS ≈ 16,3 % et tp ≈ 0,907 s.

6Erreurs fréquentes

  • Traiter la montée comme linéaire. Une exponentielle atteint 90 % après 2,3τ, pas après 0,9τ : utilisez t = −τ·ln(1 − x).
  • Utiliser ln(x) au lieu de ln(1 − x). Le logarithme prend la part qui manque encore.
  • Lire τ = a dans b/(s + a). La constante de temps est 1/a.
  • Utiliser ωn² comme ωn. Prenez la racine carrée du terme constant.
  • Oublier le 2 dans 2ζωn, ou utiliser ωn au lieu de ωd dans tp = π/ωd.
  • Donner le dépassement sous forme de fraction (0,163) quand la question demande un pourcentage (16,3 %).
Auto-évaluation G(s) = 2/(s + 4) reçoit un échelon. Combien de temps la sortie met-elle pour atteindre 90 % de sa valeur finale ?
  1. 0,026 s
  2. 0,225 s
  3. 0,576 s
  4. 9,21 s

Réponse: 0,576 s. τ = 1/4 = 0,25 s et t = −0,25·ln(0,1) = 0,576 s. 0,225 s traite la montée comme linéaire (0,9τ). 0,026 s utilise ln(0,9) au lieu de ln(0,1). 9,21 s utilise a = 4 au lieu de τ.

7À quoi ressemblent les questions d’examen

  • Facile : systèmes du premier ordre. Vous trouvez y(∞), la sortie à un instant donné, le temps pour atteindre un pourcentage, τ à partir d’un point mesuré, ou le temps de charge d’un circuit RC.
  • Moyen : paramètres du second ordre. À partir de G(s) = K/(s² + a₁s + a₀), vous trouvez ζ, ωn, %OS, tp, ts ou la partie réelle σ des pôles.
  • Difficile : systèmes physiques et dimensionnement. Un système masse-ressort-amortisseur ou un circuit RLC, ou ζ et ωn retrouvés à partir d’un dépassement et d’un temps de pic mesurés.

Pour une masse m, un amortisseur c et un ressort k, l’équation m·x″ + c·x′ + k·x = F donne :

ωn = √(k/m) ζ = c/(2√(k·m)) x(∞) = F/k

Pour remonter à partir d’un dépassement, résolvez la formule du %OS pour ζ :

ζ = −ln(OS)/√(π² + ln²(OS)), OS = %OS/100

Apprenez pas à pas dans l’applicationApprenez pas à pas dans l’application

Exemples corrigés

Exemple 1Facile
t (s)y(t)y(∞) = ?

Un système du premier ordre G(s) = 2/(2s + 1) reçoit un échelon d’amplitude 2 à t = 0, en partant du repos. Trouvez la valeur finale y(∞) de la sortie.

G(s) = 2/(2s + 1)U = 2

Calculer y(∞)

Afficher les indices
  1. Théorème de la valeur finale : y(∞) = lim s·G(s)·U/s = G(0)·U.
  2. G(0) est le gain statique.
  3. G(0) = 2.
Afficher la réponse et la solution pas à pas

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).

Gain statique

G(0) = 2

Valeur finale

y(∞) = G(0)·U = 2·2 = 4

Réponse

y(∞) = 4
Exemple 2Moyen
t (s)y(t)3?

Un système a pour fonction de transfert G(s) = 213/(s² + 8s + 71) et reçoit un échelon unitaire. Trouvez le dépassement %OS en pourcentage de la réponse indicielle.

G(s) = 213/(s² + 8s + 71)

Calculer %OS (%)

Afficher les indices
  1. Comparez le dénominateur avec s² + 2ζωₙs + ωₙ².
  2. ωₙ = √71 = 8,426 rad/s, ζ = 8/(2ωₙ).
  3. ζ = 0,4747.
Afficher la réponse et la solution pas à pas

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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,426) = 0,4747

Résultat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,694 = 18,37 %

Réponse

%OS = 18,37 %
Exemple 3Difficile
k = 800 N/mc = 9 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

Une masse m = 2,5 kg est suspendue à un ressort k = 800 N/m avec un amortisseur visqueux c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Au repos à l’équilibre, une force constante F = 10 N est soudain appliquée. Trouvez l’instant tp où le déplacement est maximal.

m = 2,5 kgk = 800 N/mc = 9 N·s/mF = 10 N

Calculer tp (s)

Afficher les indices
  1. Divisez par m : x″ + (c/m)·x′ + (k/m)·x = F/m, donc ωₙ = √(k/m) et ζ = c/(2√(km)).
  2. ωₙ = 17,89 rad/s, ζ = 0,1006.
  3. Le déplacement final est F/k = 12,5 mm.
Afficher la réponse et la solution pas à pas

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) = √(800/2,5) = 17,89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(800·2,5)) = 0,1006

Résultat

ωd = 17,8 rad/s
tp = π/ωd = 0,1765 s

Réponse

tp = 0,1765 s

Questions et réponses

Réponse indicielle : de quoi s’agit-il ?

Un échelon est une entrée qui saute de 0 à une valeur constante en t = 0 puis y reste. Pensez à allumer un radiateur, ou à appuyer sur l’accélérateur et à le maintenir.

La réponse indicielle est la façon dont la sortie suit. Elle ne peut pas sauter d’un coup : elle se dirige vers une nouvelle valeur finale y(∞) et s’y stabilise.

Réponse indicielle : comment résoudre les exercices étape par étape ?

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).

Réponse indicielle : quelles sont les erreurs fréquentes ?
  • La sortie se stabilise à K·U, et non à U : le gain statique est G(0) = 2.
  • Exprimez le dépassement en pourcentage : multipliez par 100.
  • L’exposant est −ζπ/√(1 − ζ²).
Réponse indicielle : que couvrent les exercices ?
  • Facile: systèmes du premier ordre
  • Moyen: paramètres du second ordre
  • Difficile: systèmes physiques et conception

Chaque exercice a de nouvelles valeurs : vous apprenez la méthode, pas une réponse. Bloqué ? Ouvrez d’abord un petit indice, et l’explication complète seulement si vous en avez besoin.

Comment fonctionne l’entraînement

  • Chaque exercice a de nouvelles valeurs : vous apprenez la méthode, pas une réponse.
  • Bloqué ? Ouvrez d’abord un petit indice, et l’explication complète seulement si vous en avez besoin.
  • Votre progression, vos erreurs et vos exercices enregistrés sont conservés pour que vous puissiez réviser avant l’examen.

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