Cours Automatique

Institut Supérieur des Études Technologiques
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Cours Automatique

Institut Supérieur des Études Technologiques · Automatique, Systèmes Linéaires, Mathématiques · exam

Cours Automatique

Niveau : 2

FICHE MATIERE

Unité d’enseignement : Automatique 1

ECUE n° 1 : Signaux et Systèmes Linéaires

Chapitre 2

Descriptions Mathématiques des Systèmes Physiques

Nombre d’heures/chapitre : 4h

Cours intégré

Système d’évaluation : Continu

OBJECTIFS DE L’ENSEIGNEMENT :

-Connaître les notions des signaux.

-Connaître les notions des systèmes et plus particulièrement les systèmes asservis : Système mono

variable ou multi variable.

CONTENU THEORIQUE :

Dans ce chapitre on s’intéresse à la classification des systèmes qui se répartie entre système mono

variable et multi variable

Nous présentant

la description des systèmes continus

linéaires

invariants (SLCI),

leurs

représentations, aussi que les équations différentielles et leurs résolutions tout en se basant sur la

transformée de Laplace et la résolution des fonctions de Transfert d’un système de premier ordre et

second ordre.

ISET NABEUL

  • 20 - CHELBI Hassen

Cours Automatique

Chapitre II

Niveau : 2

Descriptions Mathématiques des Systèmes Physiques

1. Classification des systèmes :

Système

monovariable ou

multivariable

Continu

Discret

Invariant

Variant

Linéaire

Non linéaire

Fig. II.1 : Classifications des systèmes.

Les systèmes qui nous intéressent sont les systèmes continus linéaires invariants.

2. Description des systèmes continus linéaires invariants (SLCI) :

2.1. Définitions :

a) Système continu :

Un système est continu si les signaux d’entrées et de sorties sont des fonctions continues (Figure

II.2) :

Entrée e (t)

Sortie s (t)

Système

Fig. II.2

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b) Système causal :

Niveau : 2

Un système est dit causal si le signal d’entrée est nul pour un intervalle de temps négatif.

c) Système invariant :

On dit qu’un système est invariant lorsque les caractéristiques de son comportement ne varient

pas au cours du temps (Figure II.3).

Entrée e (t-τ)

Sortie s (t- τ)

Système

Fig. II.3

2.2. Systèmes linéaires :

  • Au sens mathématique :

t →

)(tf

f

(

λλλ

t

1

1

2

=

+

)

t

tf

)(

+

λ

2

tf

)(

Linéarité mathématique :

• Principe de superposition

e1(t)

S.L.

e2(t)

S.L.

• Principe de proportionnalité

e1(t) +e2(t)

S.L.

s1(t) + s2(t)

s1(t)

s2(t)

Fig. II.4 : Principe de superposition

e(t)

S.L.

s(t)

ke(t)

ks(t)

S.L.

Fig. II.5 : Principe de proportionnalité.

  • Invariance temporelle :

te

(

(

te

→−

τ

)

→+

τ

)

LS

.

.

.

LS

.

−→

ts

(

+→

(

ts

τ

)

τ

)

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  • Au sens physique :

Niveau : 2

Une fonction est linéaire au sens physique si elle est linéaire au sens mathématique, plus

l’invariance temporelle.

Exemple : circuit R, L, C.

2.3. Représentation de SLCI :

On considère un système physique représenté par son schéma bloc. Ce système est linéaire

lorsqu’il est décrit par une équation différentielle à coefficients constants.

tsa

)(

0

+

a

1

tds

)(

dt

+

a

2

tsd

)(

2

dt

2

++

...

a

n

)(

tsd

n

dt

n

=

)(

teb

0

+

b

1

)(

tde

dt

+

b

2

)(

ted

2

dt

2

++

...

b

m

)(

ted

m

dt

m

Pour les systèmes réels il faut que m<n

Exemples

1) circuit électrique :

te

)(

te

)(

=

=

tiR

)(

+

ts

)(

RC

tds

)(

dt

+

ts

)(

: Système linéaire (S.L.)

e(t)

i

R

i

C

vc(t)

Fig. II.6: Circuit RC

2) système mécanique

Fe

=

Kx

+

dxM

dt

+

f

xd

2

dt

2

: Système linéaire (S.L.)

M

K

x

Fig. II.7: Système mécanique.

3) système électromécanique :

i

=

C

M

C

r

+

f

θ

d

dt

+

J

θ

2

d

2

dt

u(t)

M

J

ω Charge

f

Fig. II.7: Système électromécanique.

3. Résolution des équations différentielles

Pour résoudre une équation différentielle on utilise :

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Niveau : 2

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 Méthode classique

Equation différentielle :

 Equation différentielle sans second membre : réponse équation libre s1(t)

 Solution particulière : réponse forcée s2(t)

s(t) = s1(t) + s2(t).

Solution homogène : On pose e(t) = 0, on pose aussi

)( =

tde

Publicité

dt

0

Solution particulière : on pose s(t) de la même manière que e(t).

 Méthode de la transformée de Laplace

Cette méthode est la plus simple et la plus utilisée.

4. Transformée de Laplace :

4.1. Définition

La transformée de Laplace de la fonction f(t) telle que f(t) = 0 pour t<0 est :

[

tfTL

)(

]

=

pF

)(

=

∞

0

etf

)'

−

pt

dt

Cette transformation permet de passer du domaine temporel au domaine de Laplace.

4.2. Propriétés et théorèmes :

Théorème de la valeur initiale

Théorème de la valeur finale

Théorème du retard temporel

Théorème de l’avance

Linéarité

Dérivation

Sans conditions initiales

L’intégration

Propriétés et théorèmes

=

=

tf

lim)(

∞→

p

ppF

)(

lim

→

0

t

+

f

+

)0(

ppF

)(

=

+∞

(

f

)

pτ

pFe

)(

−=

]

=

fa

2

2

(

pF

]

=

∞+

)

=

lim)(

tf

→

p

0

]

−

τ

)

t

−∞

lim

+∞→

t

[

tfTL

(

[

eTL

[

faTL

11

[

fTL

[

fTL



TL



n

n

0

t

t

)(

t

)(

tf

)(

=

+

]

]

=

)(

tf

dt

n

pFp

)(

n

pFp

)(

=



)(

pF

p

pFa

)(

1

1

−

−

)1

n

(

p

+

pFa

)(

2

2

−

n

(

p

f

+

)0(

−

)2

f

+

)0(

1

−−

...

f

n

−

+

)0(

1

Tab.2.1

Exemple : Circuit RC (voir figure 2.6)

tiR

)(

te

)(

ts

)(

=

+

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Niveau : 2

te

)(

=

pE

)(

pE

)(

=

=

CR

+

tds

)(

dt

pSpRC

)(

+

pRC

(

ts

)(

+

pS

)(

pS

)()1

 Application :

Donner :

  • équation différentielle,
  • entrée temporelle,
  • condition initiale nulle
  • Objectif :

Recherche de la réponse temporelle du système.

  • Démarche :
  • calcul de la fonction de transfert H(p)
  • calcul de l’entrée dans le domaine de Laplace E(p)
  • calcul de la sortie dans le domaine de Laplace Y(p)
  • calcul de la sortie temporelle en appliquant la transformée de Laplace inverse y(t)

5. Fonction de Transfert

5.1. Définition

Soit le système décrit par l’équation différentielle suivante :

Entrée e(t)

Système

Sortie s(t)

a

n

n

)(

tsd

n

dt

++

...

a

2

2

)(

tsd

2

dt

+

a

1

)(

tds

dt

+

)(

tsa

0

=

b

m

Fig.2.9

m

)(

tsd

m

dt

++

...

b

2

2

)(

ted

2

dt

+

b

1

tde

)(

dt

+

teb

)(

0

La transformée de Laplace (si les conditions initiales sont nulles)

n

pSpa

Publicité

(

n

++

...

)

2

pSpa

(

2

+

)

pSa

1

(

p

)

+

(

pSa

0

)

=

m

pEpb

m

(

)

++

...

2

pEpb

2

(

)

+

pEb

1

(

p

)

+

(

pEb

0

)

n

(

pa

n

++

...

2

+

pa

2

+

pSapa

0

1

()

=

)

m

pb

(

m

++

...

pb

2

2

+

+

pEbpb

1

0

(

)

)

pS

(

)

(

pE

)

=

m

n

pb

m

pa

n

++

...

++

...

2

pb

2

2

pa

2

+

+

+

bpb

1

0

+

apa

1

0

=

pH

(

)

L’équation de transfert est dite aussi équation d’isomorphe qui est définit par le quotient des grandeurs

de sortie et d’entrée :

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(

pH

)

=

(

pN

(

pD

)

)

=

m

n

pb

m

pa

n

++

...

++

...

2

pb

2

2

pa

2

+

+

+

bpb

1

0

+

apa

1

0

Niveau : 2

Remarque : La fonction de transfert caractérise la dynamique du système. Dans un système physique

réel le degré de D(p), n, est supérieur au degré de N(p), m.

5.2. Equation caractéristique :

pD

(

)

=

n

pa

n

++

...

pa

2

2

+

+

apa

1

0

 Les solutions de l’équation caractéristique D(p) = 0 sont appelées les racines ou les pôles du

système.

 Les solutions de l’équation N(p) = 0 sont appelées les zéros du système.

*

=pD

(

)

0

⇔

n

pa

n

++

...

pa

2

−

p

p

2

+

−

1

n

+

apa

1

−

)...(

p

0

p

=

)

0

0

=

0

⇔

⇔

−

n

)(

(

p

p

n

−∏

(

p

=

)

0

ip

*

=pN

)

(

0

++

...

=

m

i

0

pb

m

−

)(

(

p

z

m

−∏

(

p

m

p

⇔

⇔

⇔

=

)

0

jz

2

pb

2

−

z

m

−

1

+

+

bpb

0

1

)...(

z

−

p

)

0

=

Publicité

0

=

0

(

pH

)

=

=

0

j

m

∏

=

0

j

−

(

p

z

j

)

=

0

n

∏

=

i

0

−

(

p

p

i

)

m

∏

=

0

j

n

∏

=

0

i

−

(

p

z

)

j

−

(

p

p

i

)

(

)

pS

pE

(

)

=

Remarques

pS

(

)

=

m

∏

=

0

j

n

∏

=

0

i

−

(

p

z

)

j

−

(

p

p

i

)

pE

(

)

 Les « pi » peuvent être des réels ou des complexes ;

 Si les « pi » sont réels différents 

)(

ts

=

n

=

0

i

tp

ieC

i

lim

)(

ts

=

iml

n

=

i

0

tp

ieC

i

• Si les pi <0  s(t)  0 si t  +∞ : système stable.

• Si les pi >0  s(t)  +∞ si t  +∞ : système instable.

5.3. Théorème

Un système est dit stable si les parties réelles de ces pôles sont à partie réelle négatives.

ISET NABEUL

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Niveau : 2

5.4. Equation caractéristique d’un système de premier ordre :

Un système est dit de 1er ordre s’il est décrit par une équation différentielle de type :

dy

+τ

dt

ty

)(

=

tke

)(

τ

pY

(

p

)

+

pY

(

)

=

kE

(

p

)

(

pH

)

=

(

)

pY

pE

(

)

=

k

τ+

p

1

K : gain statique

τ: constante du temps.

5.5. Equation caractéristique d’un système de second ordre :

Un système est dit de second ordre s’il est décrit par une équation différentielle de second ordre.

2

)(

tsd

2

dt

+

2

m

ω

0

)(

tds

dt

+

ω

2

0

ts

)(

=

ω

2

k

0

te

)(

k : gain statique

k

∞=

s

(

e

(/)

∞

)

m : coefficient d’amortissement

ω : pulsation propre (naturelle).

0

2

p

(

pS

+

2)

m

ω

0

(p

pS

)

+

ω

2

0

(

pS

)

=

ω

2

k

0

(E

p

)

pS

(

)

(

pE

)

=

H(p)

=

2

kω

0

2

ωpmω

0

0

+

2

p

+

2

H(p)

=

2

p

+

2

ω

2

k

0

m

+

ωω

2

p

0

0

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