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Prepa Help › Cours › Génie électrique, 2e année

Performances d'un système asservi : stabilité, précision, rapidité (cours et exercices corrigés de génie électrique TSI2)

Stabilité (pôles, critère du revers, marges de gain et de phase, gain limite de stabilité), précision (erreurs statique et de traînage, classe du système, perturbations), rapidité (temps de réponse à 5 %, bande passante) et amortissement ; lecture des performances sur les réponses temporelle et fréquentielle et vérification d'un cahier des charges.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Un asservissement doit être stable, précis et rapide, et chaque performance se chiffre avant de se comparer au cahier des charges. Ce chapitre de génie électrique de deuxième année apprend à décider de la stabilité par les pôles de la FTBF et par le critère du revers dans le plan de Bode, à calculer et lire les marges de phase et de gain et un gain limite de stabilité, à relier la marge de phase à l'amortissement et au dépassement, à calculer l'écart statique et l'écart de traînage à partir de la classe de la FTBO, à trouver l'écart dû à une perturbation selon la position de l'intégrateur, à déterminer un temps de réponse à 5 % et une bande passante, et à donner les causes d'une erreur statique résiduelle en asservissement de position. Il suit la partie A.1 « Performances d'un système asservi » du programme de génie électrique de la TSI2 au Maroc (version de 2024), avec des exercices corrigés et des problèmes tirés des sujets du CNC de TSI.

Ce que tu sauras faire

Un panneau photovoltaïque monté sur un suiveur doit rester face au soleil toute la journée. Son asservissement de position doit répondre à trois questions : la position mesurée revient-elle à l'équilibre sans osciller sans fin (stabilité) ? Le panneau atteint-il la position demandée, malgré le vent qui pousse sur sa surface (précision) ? L'atteint-il assez vite (rapidité) ? Ce chapitre donne les outils pour répondre à ces trois questions, avec des chiffres, et pour les comparer au cahier des charges. À la fin du chapitre, tu dois savoir :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Fonctions de transfert
  • HBO=A BH_{BO} = A\,B (blocs de la boucle seulement) ; HBF=A1+A BH_{BF} = \frac{A}{1 + A\,B}.
  • Forme canonique Kpα⋅1+⋯1+⋯\frac{K}{p^{\alpha}}\cdot\frac{1 + \cdots}{1 + \cdots} : gain KK, classe α\alpha (intégrateurs), ordre nn.
  • Premier ordre K1+τp\frac{K}{1 + \tau p} : 63 % à τ\tau, tr5%=3τt_{r5\%} = 3\tau. Deuxième ordre K1+2ξω0p+p2ω02\frac{K}{1 + \frac{2\xi}{\omega_0}p + \frac{p^2}{\omega_0^2}}.
  • Valeur finale : lim⁡t→∞s=lim⁡p→0p S(p)\lim_{t\to\infty} s = \lim_{p\to0} p\,S(p), si le système est stable.
À retenir Les trois performances
Performance Critère Outil Fourni par les sujets
stabilité pôles, MφM_\varphi, MGM_G, D1D_1 équation caractéristique, Bode de la FTBO, revers Bode, abaque de D1D_1
précision εs\varepsilon_s, εt\varepsilon_t, écart dû à une perturbation valeur finale, classe et gain de la FTBO
rapidité tr5%t_{r5\%}, ωBP\omega_{BP}, ωc0\omega_{c0} formes canoniques, abaque, Bode abaque de tr5% ω0t_{r5\%}\,\omega_0
À retenir Stabilité
  • Stable si et seulement si tous les pôles de la FTBF (racines de 1+HBO(p)=01 + H_{BO}(p) = 0) ont une partie réelle strictement négative.
  • Degré 1 ou 2 : coefficients non nuls et de même signe. Degré 3 ou plus : racines calculées, ou revers. Routh hors programme.
  • Critère du revers (FTBO sans pôle instable) : phase au-dessus de −180∘-180^\circ en ωc0\omega_{c0}.
  • Mφ=180∘+arg⁡HBO(jωc0)M_\varphi = 180^\circ + \arg H_{BO}(j\omega_{c0}) ; MG=−20log⁡∣HBO(jω−180)∣M_G = -20\log\lvert H_{BO}(j\omega_{-180})\rvert ; MGM_G infinie si la phase n'atteint pas −180∘-180^\circ.
  • Gain limite : Klim⁡=1∣G(jω−180)∣K_{\lim} = \frac{1}{\lvert G(j\omega_{-180})\rvert}.
  • Causes d'instabilité : gain élevé, intégrateurs (−90∘-90^\circ chacun), retard pur (−Tω-T\omega, gain inchangé).
  • Ordres de grandeur : Mφ≈45∘M_\varphi \approx 45^\circ, MG≈10 dBM_G \approx 10\ \text{dB} ; la valeur qui compte est celle du cahier des charges.
À retenir Stabilité pratique
  • D1=exp⁡(−πξ1−ξ2)D_1 = \exp\left(-\frac{\pi\xi}{\sqrt{1 - \xi^2}}\right) ; ξ=0,5\xi = 0{,}5 : 16,3 % ; ξ=0,69\xi = 0{,}69 : 5 %.
  • FTBO Kp(1+τp)\frac{K}{p(1 + \tau p)} : ξ≈Mφ100\xi \approx \frac{M_\varphi}{100} (ordre de grandeur, jusqu'à 60∘60^\circ).
À retenir Précision (retour unitaire, boucle stable)
Classe Échelon e0e_0 Rampe aa
0 e01+KBO\frac{e_0}{1 + K_{BO}} infini
1 0 aKBO\frac{a}{K_{BO}}
2 0 0
  • Perturbation : εP=−A21+A1A2P\varepsilon_P = -\frac{A_2}{1 + A_1 A_2}P. Un intégrateur en amont annule l'écart dû à une perturbation en échelon ; des intégrateurs seulement en aval laissent −P0K1-\frac{P_0}{K_1}.
  • Asservissement de position : l'intégrateur θ=Ωp\theta = \frac{\Omega}{p} est en aval du couple résistant.
  • Écart du comparateur (V) et erreur de la sortie (rad, tr/min) : facteur KcK_c du capteur.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 19 méthodes, 21 pièges corrigés, la carte mentale, 33 exercices corrigés, 3 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Ce chapitre est offert : il s’ouvre en entier avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Écrire la FTBO et la FTBF et les mettre sous forme canonique
  2. Rendre un écart homogène : retour non unitaire, gain de capteur, unités
  3. Décider de la stabilité par les pôles de la FTBF
  4. Appliquer le critère du revers sur le Bode de la FTBO
  5. Calculer les marges de phase et de gain
  6. Lire les marges sur un Bode fourni et répondre sur le document réponse
  7. Déterminer un gain limite de stabilité
  8. Évaluer l'effet d'un retard pur sur la marge de phase
  9. Lire la classe et le gain de la FTBO sur son diagramme de Bode
  10. Calculer un écart statique et un écart de traînage par le théorème de la valeur finale
  11. Prévoir la précision par la classe et le gain de la FTBO
  12. Calculer l'écart dû à une perturbation
  13. Déterminer un dépassement et un amortissement
  14. Déterminer un temps de réponse à 5 %
  15. Déterminer une bande passante
  16. Lire les performances sur une réponse indicielle et identifier un modèle
  17. Simuler une boucle en Python, mesurer, ajouter une saturation
  18. Expliquer une erreur statique non nulle mesurée en asservissement de position
  19. Vérifier un cahier des charges et conclure

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (13)

Entraînement (15)

Approfondissement (5)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Questions fréquentes

Comment calculer la marge de phase d'un système asservi ?

On travaille sur la FTBO, pas sur la FTBF. On cherche d'abord la pulsation de coupure ωc0\omega_{c0} où le gain de la FTBO vaut 0 dB, c'est-à-dire ∣HBO(jωc0)∣=1\lvert H_{BO}(j\omega_{c0})\rvert = 1 ; pour une FTBO Kp(1+τp)\frac{K}{p(1+\tau p)}, cette condition donne une équation du second degré en ω2\omega^2. La marge de phase vaut alors Mφ=180∘+arg⁡HBO(jωc0)M_\varphi = 180^\circ + \arg H_{BO}(j\omega_{c0}). Par exemple, pour 10p(1+0,1p)\frac{10}{p(1+0{,}1p)}, ωc0=7,86\omega_{c0} = 7{,}86 rad/s, la phase y vaut −128,2∘-128{,}2^\circ et Mφ=51,8∘M_\varphi = 51{,}8^\circ. Sur un diagramme de Bode fourni, on trace un trait vertical là où le gain coupe 0 dB et on lit l'écart entre la phase et −180∘-180^\circ.

Que dit le critère du revers dans le plan de Bode ?

Pour une FTBO sans pôle à partie réelle positive, le système bouclé est stable si, à la pulsation où le gain de la FTBO vaut 0 dB, sa phase est au-dessus de −180∘-180^\circ. De façon équivalente, à la pulsation où la phase vaut −180∘-180^\circ, le gain doit être négatif en décibels. Le point critique est gain 0 dB et phase −180∘-180^\circ à la même pulsation : la boucle fermée oscille alors sans fin. Le critère se lit toujours sur le Bode de la FTBO, jamais sur celui de la FTBF ; les critères de Routh et de Nyquist sont hors programme en TSI au Maroc.

Comment trouver l'écart statique à partir de la classe de la FTBO ?

À retour unitaire et si la boucle fermée est stable, le théorème de la valeur finale donne l'écart. Pour une consigne en échelon e0e_0, une FTBO de classe 0 et de gain KBOK_{BO} laisse un écart statique e01+KBO\frac{e_0}{1 + K_{BO}} ; dès la classe 1, l'écart statique est nul. Pour une consigne en rampe de pente aa, l'écart de traînage est infini en classe 0, vaut aKBO\frac{a}{K_{BO}} en classe 1 et est nul en classe 2. Ce tableau ne vaut que pour la consigne : pour une perturbation en échelon, l'écart ne s'annule que s'il y a un intégrateur en amont du point où elle s'applique.

Comment déterminer le temps de réponse à 5 % ?

C'est l'instant à partir duquel la réponse indicielle reste dans la bande de plus ou moins 5 % autour de sa valeur finale. Pour un premier ordre de constante de temps τ\tau, il vaut 3τ3\tau, et non τ\tau ni 5τ5\tau. Pour un deuxième ordre, le produit tr5% ω0t_{r5\%}\,\omega_0 ne dépend que de l'amortissement ξ\xi et se lit sur l'abaque fourni par les sujets : il est minimal, voisin de 3, pour ξ\xi voisin de 0,7, et vaut 4,75 pour ξ=1\xi = 1. On garde ξ\xi avec deux ou trois chiffres avant de lire l'abaque, qui fait des sauts près de 0,7, puis on divise par ω0\omega_0.

Qu'est-ce que le gain limite de stabilité et comment le calculer ?

C'est la plus grande valeur du gain de boucle pour laquelle le système bouclé reste stable. Multiplier la FTBO par KK translate sa courbe de gain de 20log⁡K20\log K décibels sans changer la phase. On écrit la FTBO K G(p)K\,G(p), on cherche la pulsation ω−180\omega_{-180} où la phase de GG vaut −180∘-180^\circ, et Klim⁡=1∣G(jω−180)∣K_{\lim} = \frac{1}{\lvert G(j\omega_{-180})\rvert}. Pour Kp(1+0,1p)(1+0,5p)\frac{K}{p(1+0{,}1p)(1+0{,}5p)}, la phase vaut −180∘-180^\circ en ω−180=20≈4,47\omega_{-180} = \sqrt{20} \approx 4{,}47 rad/s, où ∣G∣=112\lvert G\rvert = \frac{1}{12} : le système est stable pour 0<K<120 < K < 12. Une FTBO du premier ou du deuxième ordre n'a pas de gain limite : sa marge de gain est infinie.

Comment relier le dépassement à l'amortissement et à la marge de phase ?

Pour un deuxième ordre d'amortissement ξ\xi compris entre 0 et 1, le premier dépassement relatif vaut D1=exp⁡(−πξ1−ξ2)D_1 = \exp\left(-\frac{\pi\xi}{\sqrt{1-\xi^2}}\right) : 16,3 % pour ξ=0,5\xi = 0{,}5, 5 % pour ξ=0,69\xi = 0{,}69, aucun dépassement pour ξ≥1\xi \ge 1. Pour une FTBO de la forme Kp(1+τp)\frac{K}{p(1+\tau p)}, l'amortissement de la boucle fermée vaut à peu près la marge de phase en degrés divisée par 100, jusqu'à 60 degrés environ : une marge de 45∘45^\circ donne ξ≈0,42\xi \approx 0{,}42 et un dépassement d'environ 23 %. C'est un ordre de grandeur pour contrôler un résultat, pas une formule exacte, et c'est la marge de phase, pas la marge de gain, qui renseigne sur le dépassement.

Comment y accéder

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