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Physique · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — TSI

Électrocinétique : Systèmes bouclés

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Un système bouclé est un système où la sortie $s(t)$ influence l'entrée $e(t)$ via une chaîne de retour.

  • Schéma bloc : L'erreur $\epsilon(t) = e(t) - r(t)$ est amplifiée par la chaîne directe $G(p)$ pour donner $s(t) = G(p) \cdot \epsilon(t)$. La chaîne de retour $H(p)$ donne $r(t) = H(p) \cdot s(t)$.
  • Fonction de transfert en boucle fermée (FTBF) : $$T(p) = \frac{S(p)}{E(p)} = \frac{G(p)}{1 + G(p)H(p)}$$
  • Stabilité : Un système est stable si tous les pôles de $T(p)$ ont une partie réelle strictement négative.

Méthodes à maîtriser

  1. Calcul de la FTBF : Toujours identifier $G(p)$ et $H(p)$ avant d'appliquer la formule.
  2. Analyse de la stabilité : Utiliser le dénominateur $1 + G(p)H(p) = 0$ (équation caractéristique).
  3. Calcul de l'erreur statique : Utiliser le théorème de la valeur finale pour un échelon d'amplitude $E_0$ : $\epsilon_s = \lim_{p \to 0} p \cdot \frac{E_0}{p} \cdot \frac{1}{1 + G(p)H(p)}$.

Exemples corrigés

Exemple : Système avec $G(p) = \frac{K}{1+\tau p}$ et $H(p) = 1$. $T(p) = \frac{K/(1+\tau p)}{1 + K/(1+\tau p)} = \frac{K}{1+K+\tau p} = \frac{K/(1+K)}{1 + \frac{\tau}{1+K}p}$. Le système est un premier ordre de gain $K/(1+K)$ et de constante de temps $\tau' = \tau/(1+K)$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe "-" au niveau du comparateur (sommateur).
  • Confondre la fonction de transfert en boucle ouverte $G(p)H(p)$ et la FTBF $T(p)$.
  • Négliger la condition de stabilité pour les systèmes d'ordre supérieur à 2.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Électrocinétique : Systèmes bouclés

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La fonction de transfert en boucle fermée d'un système à retour unitaire est :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre un comparateur et un sommateur ?

Un sommateur additionne deux signaux. Un comparateur est un sommateur avec une inversion de signe sur l'une des entrées (la voie de retour).

💡 À retenir : Le comparateur est indispensable pour créer la boucle de rétroaction négative.

C'est quoi la différence entre boucle ouverte et boucle fermée ?
  1. En boucle ouverte, la sortie n'a aucun effet sur l'entrée ; le système est "aveugle".
  2. En boucle fermée, on mesure la sortie et on la compare à l'entrée pour corriger les écarts.

💡 À retenir : La boucle fermée permet de réduire les perturbations et d'améliorer la précision.

Kifach n3ref wach systeme stable wla la?
  1. Khoud l'équation caractéristique $1 + G(p)H(p) = 0$.
  2. Chouf les racines (les pôles) dyal had l'équation.
  3. Ila kano ga3 les pôles fihom la partie réelle saliba (négative), systeme stable.

💡 À retenir : Un pôle avec une partie réelle positive rend le système instable (divergent).

Est-ce que le gain K influence la stabilité ?

Oui, dans les systèmes d'ordre 2 ou plus, augmenter le gain $K$ peut faire passer le système d'un régime apériodique à un régime oscillatoire, voire instable.

💡 À retenir : Le gain est un paramètre de réglage critique pour la stabilité.

Chno hiya l'utilité dyal l'amplificateur opérationnel f had l'chapiitre ?

L'AO est utilisé pour réaliser les fonctions de comparaison (soustracteur) et d'amplification (gain) nécessaires à la boucle de rétroaction.

💡 À retenir : Sans AO, il serait très difficile de réaliser des boucles de contrôle analogiques précises.

Comment calculer l'erreur statique ?
  1. Déterminer la fonction de transfert en boucle fermée $T(p)$.
  2. Calculer la fonction d'erreur $\epsilon(p) = E(p) - S(p) = E(p)(1 - T(p))$.
  3. Appliquer le théorème de la valeur finale : $\epsilon_s = \lim_{p \to 0} p \cdot \epsilon(p)$.

💡 À retenir : L'erreur statique mesure la précision du système en régime permanent.

Wach l'ordre dyal systeme kaytbeddel mli kanboucliw ?

Oui, le bouclage modifie la dynamique. Par exemple, un système du 1er ordre bouclé avec un retour unitaire reste du 1er ordre, mais avec une constante de temps plus petite.

💡 À retenir : Le bouclage rend le système généralement plus rapide.

Qu'est-ce qu'un système asservi ?

C'est un système bouclé dont la sortie doit suivre une consigne variable dans le temps.

💡 À retenir : L'asservissement est une forme spécifique de boucle fermée.

C'est quoi le rôle du correcteur ?

Le correcteur est ajouté dans la chaîne directe pour modifier la FTBO afin d'améliorer la précision, la rapidité ou la stabilité du système.

💡 À retenir : Le correcteur est la clé pour optimiser les performances d'un système.

Pourquoi on utilise la transformée de Laplace ?

Parce qu'elle transforme les équations différentielles (complexes) en équations algébriques (simples) dans le domaine de la variable complexe $p$.

💡 À retenir : Laplace simplifie énormément l'étude des systèmes linéaires.

Est-ce qu'un système peut être instable et osciller ?

Oui, si les pôles sont imaginaires purs, le système oscille de façon entretenue (limite de stabilité). S'ils ont une partie réelle positive, il oscille en divergeant.

💡 À retenir : L'oscillation n'est pas toujours synonyme d'instabilité, sauf si l'amplitude augmente.

Comment choisir le gain K pour avoir une erreur nulle ?

Pour un système de classe 0, il faut un gain $K$ très grand (mais attention à la stabilité). Pour un système de classe $\geq 1$, l'erreur statique est nulle naturellement.

💡 À retenir : La classe du système définit sa capacité à annuler l'erreur.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Soit un système asservi à retour unitaire ($H(p)=1$) dont la chaîne directe est $G(p) = \frac{K}{p(1+0,1p)}$.

  1. Déterminer la fonction de transfert en boucle fermée $T(p)$.
  2. Déterminer la valeur du gain $K$ pour que le système soit amorti avec un coefficient d'amortissement $m = 0,7$.
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Exercice 2

Un système est défini par sa FTBO $G(p)H(p) = \frac{K}{(1+p)(1+0,5p)}$. Calculer l'erreur statique $\epsilon_s$ pour une entrée échelon d'amplitude $E_0 = 5V$.

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Exercice 3

Étudier la stabilité du système de FTBO $G(p)H(p) = \frac{K}{p(1+p)(1+2p)}$.

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