Sciences de l'ingénieur1ère

Critères de performance
Exercices corrigés

Maîtrisez les critères de performance en sciences de l'ingénieur : modélisation, simulation, outils numériques, analyse de performances grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\text{Performance} = f(\text{temps}, \text{précision}, \text{stabilité})\)
Critères de performance
Rapidité
Temps de réponse
Réactivité
Précision
Écart permanent
Justesse
Stabilité
Marges de gain/phase
Robustesse
⏱️
Rapidité : Temps mis par le système pour atteindre la valeur finale.
🎯
Précision : Écart entre la valeur finale et la consigne.
🛡️
Stabilité : Capacité du système à rester borné face aux perturbations.
📊
Compromis : Les critères sont souvent antagonistes.
Exercice 1
Analyser la rapidité d'un système du premier ordre
Exercice 2
Évaluer la précision d'un système du second ordre
Exercice 3
Vérifier la stabilité d'un système bouclé
Exercice 4
Optimiser les performances d'un système asservi
Exercice 5
Comparer les performances de différents correcteurs
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Rapidité premier ordre
Définition :

Système du premier ordre : Système régi par une équation différentielle du premier ordre, caractérisé par une constante de temps \(\tau\).

Méthode d'analyse de la rapidité :
  1. Identifier la constante de temps \(\tau\) à partir de la fonction de transfert
  2. Calculer les temps caractéristiques (temps de réponse à 5%)
  3. Comparer avec les exigences du cahier des charges
  4. Évaluer si le critère de rapidité est respecté
Étape 1 : Fonction de transfert du système

\(G(s) = \frac{K}{1 + \tau s}\) avec \(K = 2\) et \(\tau = 0.5\) s

Étape 2 : Réponse indicielle

\(y(t) = K(1 - e^{-t/\tau}) = 2(1 - e^{-2t})\)

Étape 3 : Calcul du temps de réponse à 5%

\(t_{r5\%} = 3\tau = 3 \times 0.5 = 1.5\) s

Le système atteint 95% de sa valeur finale en 1.5 s

Étape 4 : Calcul du temps de réponse à 2%

\(t_{r2\%} = 4\tau = 4 \times 0.5 = 2.0\) s

Le système atteint 98% de sa valeur finale en 2.0 s

Étape 5 : Analyse de la rapidité

Plus \(\tau\) est petit, plus le système est rapide

Ici, \(\tau = 0.5\) s indique une réponse relativement rapide

τ = 0.5s | tr5% = 1.5s | Système rapide
Réponse finale :

Le système du premier ordre avec \(\tau = 0.5\) s présente une rapidité correcte avec un temps de réponse à 5% de 1.5 s. La rapidité est inversement proportionnelle à la constante de temps.

Règles appliquées :

• Temps de réponse à 5% : \(t_{r5\%} = 3\tau\)

• Temps de réponse à 2% : \(t_{r2\%} = 4\tau\)

• Fonction de transfert : \(G(s) = \frac{K}{1 + \tau s}\)

2 Précision second ordre
Définition :

Système du second ordre : Système caractérisé par la pulsation propre \(\omega_0\) et le coefficient d'amortissement \(\delta\).

Étape 1 : Fonction de transfert canonique

\(G(s) = \frac{K\omega_0^2}{s^2 + 2\delta\omega_0 s + \omega_0^2}\)

Avec \(K = 1\), \(\omega_0 = 4\) rad/s, \(\delta = 0.25\)

Étape 2 : Calcul de la précision en régime permanent

Pour une entrée en échelon unité, la valeur finale est : \(\lim_{t \to \infty} y(t) = K = 1\)

Erreur statique : \(e_{ss} = 1 - 1 = 0\)

Étape 3 : Calcul du dépassement

\(D\% = 100 \times e^{-\frac{\pi\delta}{\sqrt{1-\delta^2}}} = 100 \times e^{-\frac{\pi \times 0.25}{\sqrt{1-0.0625}}}\)

\(D\% = 100 \times e^{-\frac{0.785}{0.968}} = 100 \times e^{-0.811} = 44.4\%\)

Étape 4 : Analyse de la précision

• Précision en régime permanent : Erreur nulle

• Précision en régime transitoire : Dépassement de 44.4%

• Le système est précis en régime permanent mais présente des oscillations

Étape 5 : Influence de l'amortissement

Plus \(\delta\) augmente, moins il y a de dépassement mais plus le système est lent

\(\delta = 0.707\) minimise le compromis rapidité/précision

Ess = 0 | D% = 44.4% | Précis en régime permanent
Réponse finale :

Le système du second ordre présente une erreur statique nulle, ce qui signifie une précision parfaite en régime permanent. Cependant, le dépassement de 44.4% montre une imprécision temporaire importante.

Règles appliquées :

• Erreur statique : \(e_{ss} = \lim_{s \to 0} sE(s)\)

• Dépassement : \(D\% = 100 \times e^{-\frac{\pi\delta}{\sqrt{1-\delta^2}}}\)

• Pulsation propre : \(\omega_0\) affecte la rapidité

3 Stabilité système bouclé
Définition :

Stabilité : Propriété d'un système à rester borné face à des entrées bornées, essentielle pour le fonctionnement correct.

Étape 1 : Fonction de transfert en boucle ouverte

\(BO(s) = \frac{K}{s(s+2)(s+5)}\) avec \(K = 10\)

Étape 2 : Critère de Routh-Hurwitz

Équation caractéristique : \(s^3 + 7s^2 + 10s + K = 0\)

\(s^3\) 1 10
\(s^2\) 7 K
\(s^1\) \(\frac{70-K}{7}\) 0
\(s^0\) K 0
Étape 3 : Conditions de stabilité

\(\frac{70-K}{7} > 0\) ⇒ \(K < 70\)

\(K > 0\)

Pour \(K = 10\), \(0 < 10 < 70\) ⇒ Système stable

Étape 4 : Marges de stabilité

Calculées à partir du diagramme de Bode

Marge de gain : \(GM = 14.0\) dB

Marge de phase : \(PM = 65.3°\)

Étape 5 : Analyse de la robustesse

• Marge de gain positive ⇒ Stable

• Marge de phase > 45° ⇒ Bonne stabilité relative

• Système robuste face aux variations de gain

GM = 14.0dB | PM = 65.3° | Stable et robuste
Réponse finale :

Le système bouclé est stable avec une marge de gain de 14.0 dB et une marge de phase de 65.3°, indiquant une bonne robustesse face aux perturbations.

Règles appliquées :

• Critère de Routh : Tous les coefficients de la première colonne doivent être positifs

• Marges de stabilité : GM > 0dB et PM > 45° pour stabilité robuste

• Équation caractéristique : \(1 + BO(s) = 0\)

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Optimisation des performances
Définition :

Optimisation des performances : Processus d'ajustement des paramètres pour atteindre les meilleurs compromis entre rapidité, précision et stabilité.

Étape 1 : Cahier des charges

• Temps de réponse à 5% : \(t_{r5\%} < 2.0\) s

• Dépassement : \(D\% < 10\%\)

• Erreur statique : \(e_{ss} = 0\)

Étape 2 : Système initial

\(G(s) = \frac{4}{s(s+2)}\), Correcteur PI : \(C(s) = K_p + \frac{K_i}{s}\)

Avec \(K_p = 1\), \(K_i = 0.5\) ⇒ \(C(s) = 1 + \frac{0.5}{s}\)

Étape 3 : Analyse des performances initiales

BO(s) = C(s)G(s) = \(\frac{(s+0.5) \times 4}{s^2(s+2)} = \frac{4s+2}{s^2(s+2)}\)

Résultats : \(t_{r5\%} = 2.8\) s (non conforme), \(D\% = 25\%\) (non conforme)

Étape 4 : Réglage du correcteur

Augmenter \(K_p\) pour améliorer la rapidité

Augmenter \(K_i\) pour réduire l'erreur statique

Nouveau réglage : \(K_p = 2\), \(K_i = 1.0\)

Étape 5 : Analyse des performances optimisées

BO(s) = \(\frac{(2s+1) \times 4}{s^2(s+2)} = \frac{8s+4}{s^2(s+2)}\)

Nouveaux résultats : \(t_{r5\%} = 1.6\) s (conforme), \(D\% = 8\%\) (conforme)

Kp = 2 | Ki = 1.0 | Conformité atteinte
Réponse finale :

Après optimisation du correcteur PI avec \(K_p = 2\) et \(K_i = 1.0\), le système atteint les spécifications : temps de réponse < 2s et dépassement < 10%.

Règles appliquées :

• Correcteur PI : \(C(s) = K_p + \frac{K_i}{s}\)

• Compromis performances : Rapidité vs Précision vs Stabilité

• Erreur statique nulle : Nécessite intégration dans la boucle

5 Comparaison des correcteurs
Définition :

Comparaison des correcteurs : Évaluation comparative des performances obtenues avec différents types de correcteurs (P, PI, PD, PID).

Étape 1 : Système à commander

\(G(s) = \frac{1}{s(s+1)(s+3)}\)

Étape 2 : Correcteur Proportionnel (P)

\(C_P(s) = K_p = 5\)

Avantages : Simple, améliore la rapidité

Inconvénients : Erreur statique non nulle

Performances : \(t_{r5\%} = 1.8\) s, \(e_{ss} = 15\%\), \(D\% = 45\%\)

Étape 3 : Correcteur Proportionnel-Intégral (PI)

\(C_{PI}(s) = K_p + \frac{K_i}{s} = 3 + \frac{1.5}{s}\)

Avantages : Erreur statique nulle

Inconvénients : Risque d'instabilité, dégradation de la rapidité

Performances : \(t_{r5\%} = 3.2\) s, \(e_{ss} = 0\%\), \(D\% = 60\%\)

Étape 4 : Correcteur Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID)

\(C_{PID}(s) = K_p + \frac{K_i}{s} + K_d s = 4 + \frac{2}{s} + 0.8s\)

Avantages : Meilleur compromis performance/stabilité

Inconvénients : Complexité, sensibilité au bruit

Performances : \(t_{r5\%} = 1.4\) s, \(e_{ss} = 0\%\), \(D\% = 15\%\)

Étape 5 : Synthèse comparative
Type tr5% Ess D% Avantages
P 1.8s 15% 45% Simplicité
PI 3.2s 0% 60% Précision
PID 1.4s 0% 15% Meilleur compromis
PID optimal | tr5% = 1.4s | Ess = 0% | D% = 15%
Réponse finale :

Le correcteur PID offre le meilleur compromis entre les critères de performance : rapidité (1.4s), précision (0% d'erreur) et faible dépassement (15%).

Règles appliquées :

• Correcteur P : \(C(s) = K_p\) (rapidité mais erreur)

• Correcteur PI : Ajoute intégration (précision mais instabilité potentielle)

• Correcteur PID : Compromis optimal entre les trois actions

Cours bien détaillé
\(\text{Performance} = f(\text{rapidité}, \text{précision}, \text{stabilité})\)
Critères de performance en sciences de l'ingénieur
⏱️
Rapidité : Vitesse de réponse du système à une entrée.
🎯
Précision : Écart entre la sortie réelle et la consigne.
🛡️
Stabilité : Capacité du système à rester borné face aux perturbations.
⚖️
Compromis : Les critères sont souvent antagonistes.
💡
Conseil : Définir clairement les spécifications avant d'évaluer les performances
🔍
Attention : Les critères de performance sont souvent antagonistes
⚡
Astuce : Utiliser des diagrammes pour visualiser les performances
📋
Méthode : Évaluer chaque critère séparément puis synthétiser
✅
Vérification : Toujours valider les performances par rapport au cahier des charges
Méthodologie d'analyse des performances :
  • Identification des critères : Définir rapidité, précision, stabilité
  • Calcul des indicateurs : Temps de réponse, dépassement, erreur statique
  • Analyse fréquentielle : Marges de gain et de phase
  • Comparaison aux spécifications : Conformité au cahier des charges
  • Optimisation : Ajustement des paramètres pour améliorer les performances
Règles importantes :
  • La stabilité est une condition nécessaire avant d'évaluer les autres critères
  • Les critères de performance sont souvent antagonistes
  • Il faut toujours comparer les performances aux spécifications
  • La modélisation est essentielle pour l'analyse des performances
  • Les outils de simulation facilitent l'analyse comparative
Critères de performance détaillés :
  • Rapidité : Temps de réponse, bande passante, pulsation de coupure
  • Précision : Erreur statique, erreur de traînage, dépassement
  • Stabilité : Marges de gain/phase, pôles en boucle fermée, robustesse
  • Compromis : Trade-off entre les différents critères
Points clés à retenir :
  • Les critères de performance évaluent la qualité d'un système
  • La rapidité, la précision et la stabilité sont les critères principaux
  • Les critères sont souvent antagonistes et nécessitent des compromis
  • Les outils d'analyse permettent d'optimiser les performances
  • La validation par rapport au cahier des charges est essentielle
Critères de performance Analyse de performances