Automatique (AU3): Précision. Département GEII, IUT de Brest contact:

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1 Automatique (AU3): Précision des systèmes bouclés Département GEII, IUT de Brest contact:

2 Plan de la présentation Introduction 2 Écart statique Définition Expression Entrée de type échelon Entrée de type rampe Résumé Exercices 3 Influence des perturbations Expression Systèmes sans intégration Intégration en amont Intégration en aval Exercices

3 Introduction 3/ 32 Rappel des objectifs : Comparateur Correcteur Système E(p) ɛ(p) S(p) C(p) F(p) G(p) Capteur Dans l ensemble de ce chapitre, nous allons admettre que le système bouclé est stable. Sous cette hypothèse, nous allons nous focaliser sur une caractéristique importante du système corrigé : sa précision. Qu est ce que la précision? Comment obtenir un système précis? Comment les perturbations extérieures influencent-elles la précision?

4 Écart statique: Définition 4/ 32 Définition : Considérons le système bouclé suivant E(p) ɛ(p) H(p) S(p) G(p) La précision est mesurée via ɛ(t), l écart entre l entrée et la mesure. Un système précis donnera un écart nécessairement faible. En pratique, nous nous intéressons à l écart en régime permanent c-a-d lorsque t. Écart statique : L écart en régime permanent, nommé écart statique, correspond à la grandeur : ɛ( ) = lim t ɛ(t) = lim p 0 pɛ(p)

5 Écart statique: Définition 5/ 32 Définition : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) 2 3p S(p) sortie e(t) s(t) ɛ( ) sortie e(t) s(t) ɛ( ) t (s) (a) Écart statique lorsque l entrée est un échelon unitaire t (s) (b) Écart statique lorsque l entrée est une rampe de pente unitaire

6 Écart statique: Expression 6/ 32 Expression : Sauf indication contraire, nous allons nous intéresser au cas des systèmes avec retour unitaire. E(p) ɛ(p) FTBO(p) S(p) Quelle est la valeur de l écart statique ɛ( )? Dans le domaine de Laplace, l écart ɛ(p) est donné par : ɛ(p) = E(p) S(p) () = E(p) FTBF(p)E(p) (2) ( = E(p) FTBO(p) ) E(p) = (3) FTBO(p) FTBO(p)

7 Écart statique: Expression 7/ 32 Expression : En utilisant le théorème de la valeur finale, nous obtenons ɛ( ) = lim pɛ(p) (4) p 0 ( ) pe(p) = lim (5) p 0 FTBO(p) Pour un système à retour unitaire, l écart statique est donné par la relation ( ) pe(p) ɛ( ) = lim p 0 FTBO(p) (6) La valeur de l écart statique dépend : de la consigne : E(p). de la fonction de transfert en boucle ouverte (FTBO) : FTBO(p).

8 Écart statique: Expression 8/ 32 Influence de la consigne : Nous allons nous intéresser aux consignes de type : échelon unitaire, rampe avec pente unitaire. Influence de la FTBO : Pour étudier les propriétés de l écart statique, nous allons considérer que : FTBO(p) = G (p z m) (p z ) p l (p p n ) (p p ) (7) avec p u 0 et z u 0. l correspond à la classe du système (classe ordre) et détermine le nombre d intégrateurs de la boucle ouverte.

9 Écart statique: Entrée de type échelon 9/ 32 Définition : L écart permanent (relatif) correspond à l écart statique lorsque l entrée est un échelon unitaire c-a-d e(t) = u(t). Expression : En posant E(p) = dans les expressions précédentes, nous trouvons : p ɛ( ) = lim p 0 ( ) H(p) = FTBO(0) (8) Si la boucle ouverte possède un gain statique infini alors l écart permanent (relatif) est nul.

10 Écart statique: Entrée de type échelon 0/ 32 Considérons une FTBO de classe l : FTBO(p) = G (p z m) (p z ) p l (p p n ) (p p ) (9) Classe l = 0 : Lorsque l = 0, FTBO(0) = K est fini (et correspond au gain statique de la FTBO), donc ɛ( ) = K Classe l : Lorsque l =, nous obtenons FTBO(0) = et donc : ɛ( ) = 0 La présence d au moins un intégrateur dans la boucle ouverte permet d annuler l écart permanent

11 Écart statique: Entrée de type échelon / 32 Exemple : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) 2 3p S(p) Quelle est la valeur de l écart permanent relatif? Comme la FTBO est de classe l = 0 et possède un gain statique K = 2, nous obtenons : ɛ( ) = K = 3 (0)

12 Écart statique: Entrée de type échelon 2/ 32 Exemple :.5 sortie 0.5 e(t) s(t) ɛ( ) t (s) Figure: Réponse indicielle lorsque l entrée est un échelon unitaire.

13 Écart statique: Entrée de type échelon 3/ 32 Exemple : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) 2 p 3p S(p) Quelle est la valeur de l écart permanent relatif ɛ( )? La fonction de transfert en boucle ouverte est égale à : FTBO(p) = 2 p( 3p) () Comme la FTBO est de classe l =, nous obtenons ɛ( ) = 0

14 Écart statique: Entrée de type échelon 4/ 32 Exemple : La précision devient parfaite...mais le système perd en stabilité!.5 s(t) e(t) ɛ( ) sortie t (s) Figure: Réponse indicielle lorsque l entrée est un échelon unitaire.

15 Écart statique: Entrée de type rampe 5/ 32 Définition : L écart de trainage (relatif) correspond à l écart statique lorsque l entrée est une rampe de pente unitaire c-a-d e(t) = t (t 0). Expression : En posant E(p) = p 2 dans les expressions précédentes, nous trouvons : ɛ( ) = lim p 0 p pftbo(p) = lim p 0 pftbo(p) (2)

16 Écart statique: Entrée de type rampe 6/ 32 Considérons une FTBO de classe l : FTBO(p) = G (p z m) (p z ) p l (p p n ) (p p ) (3) Classe l = 0 : Lorsque l = 0, la limite lim p 0 pftbo(p) = 0 est nulle et donc : ɛ( ) = Classe l = : Lorsque l =, la limite lim p 0 pftbo(p) = K 2 est finie et donc : ɛ( ) = K 2 Classe l 2 : Lorsque l = 2, la limite lim p 0 pftbo(p) = est infinie et donc : ɛ( ) = 0 La présence d au moins deux intégrateurs dans la boucle ouverte permet d annuler l écart de trainage.

17 Écart statique: Entrée de type rampe 7/ 32 Exemple : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) 2 3p S(p) Quelle est la valeur de l écart de trainage relatif? Comme la FTBO est de classe l = 0, l écart de trainage relatif est infini ɛ( ) = (4)

18 Écart statique: Entrée de type rampe 8/ 32 Exemple : 5 ɛ( ) sortie 0 5 e(t) s(t) t (s) Figure: Réponse à une rampe unitaire.

19 Écart statique: Entrée de type rampe 9/ 32 Exemple : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) 2 p 3p S(p) Quelle est la valeur de l écart de trainage relatif? La FTBO est de classe l = et possède donc un écart de trainage fini. La valeur de K 2 est donnée par L écart de trainage relatif est alors donné par K 2 = lim p 0 pftbo(p) = 2 (5) ɛ( ) = K 2 = 2 (6)

20 Écart statique: Entrée de type rampe 20/ 32 Exemple : 5 ɛ( ) sortie 0 5 e(t) s(t) t (s) Figure: Réponse à une rampe unitaire.

21 Écart statique: Résumé 2/ 32 Résumé : Le tableau suivant récapitule l expression de l erreur statique en fonction de l entrée et de la classe du système. Classe Entrée l = 0 l = l = 2 échelon K 0 0 rampe K 2 0 Table: Expression de l erreur statique relative e( ) où K et K 2 sont respectivement donnés par K = FTBO(0) (7) K 2 = lim p 0 pftbo(p) (8)

22 Écart statique: Exercices 22/ 32 Exercice : Considérons le système suivant : E(p) ɛ(p) H(p) S(p) Déterminez l écart permanent relatif, l écart permanent (e(t) = 3u(t)) puis l écart de trainage lorsque : H(p) = H(p) = 0 (p ) 3 (9) 3 0p (20) H(p) = 450p3 5750p p p 4 40p 3 04p 2 064p (2)

23 Influence des perturbations: 23/ 32 Influence des perturbations : Jusqu à présent, nous avons négligé l influence des perturbations extérieures. N(p) E(p) ɛ(p) H(p) F(p) S(p) Dans cette section, nous allons relâcher cette hypothèse et nous allons étudier l influence des perturbations sur la précision du système. Nous admettrons que : H : le système possède un retour unitaire H2 : La perturbation est un échelon (N(p) = N p )

24 Influence des perturbations: Expression 24/ 32 Expression : L erreur statique s exprime sous la forme : ɛ(p) = E(p) S(p) (22) La sortie S(p) s obtient en utilisant le théorème de la superposition. Après quelques calculs, nous trouvons : ( ɛ(p) = H(p)F(p) ) ( E(p) F(p) H(p)F(p) ) N(p) La valeur de l écart statique s obtient en utilisant le théorème de la valeur finale (avec N(p) = N p ) : ( ) pe(p) N ɛ( ) = lim p 0 FTBO(p) } {{ } lim p 0 Ecart statique F(p) lim H(p) p 0 } {{ } Erreur causée par la perturbation (23)

25 Influence des perturbations: Systèmes sans intégration 25/ 32 Systèmes sans intégration Soit H(p) et F(p) deux systèmes de classe l = 0. Dans ce cas, l écart permanent lié à la perturbation est donné par : ɛ 2 ( ) = Pour diminuer l écart permanent, il faut donc : N F(0) H(0) (24) Augmenter la valeur du gain statique en amont de la perturbation c-a-d H(0) Diminuer la valeur du gain statique en aval de la perturbation c-a-d F(0)

26 Influence des perturbations: Intégration en amont 26/ 32 Intégration en amont de la perturbation Soit H(p) de classe l = et F(p) un système de classe l = 0. Dans ce cas, L écart permanent lié à la perturbation est alors nul. lim H(p) = (25) p 0 La présence d un intégrateur en amont permet d annuler l écart permanent lié à la perturbation.

27 Influence des perturbations: Intégration en amont 27/ 32 Exemple : Considérons le système suivant 0.25 p E(p) ɛ(p) p 2 3p S(p) où l entrée est un échelon d amplitude unitaire c-a-d E(p) = p. Comme le système en amont de la perturbation possède un intégrateur, l écart permanent lié à la perturbation est nul.

28 Influence des perturbations: Intégration en amont 28/ 32 Exemple :.5 s(t) e(t) ɛ( ) sortie t (s) Figure: Réponse indicielle (ɛ 2 ( ) = 0)

29 Influence des perturbations: Intégration en aval 29/ 32 Intégration en aval de la perturbation Soit H(p) de classe l = 0 et F(p) un système de classe l =. Dans ce cas, lim H(p) = H(0) (26) p 0 lim p 0 F(p) = 0 (27) L écart permanent lié à la perturbation est alors égale à N H(0). La présence d un intégrateur en aval ne permet pas d annuler l écart permanent lié à la perturbation.

30 Influence des perturbations: Intégration en aval 30/ 32 Exemple : Considérons le système suivant 0.25 p E(p) ɛ(p) 2 3p p S(p) où l entrée est un échelon d amplitude unitaire c-a-d E(p) = p. Comme seul le système en aval de la perturbation possède un intégrateur, l écart permanent lié à la perturbation est non nul.

31 Influence des perturbations: Intégration en aval 3/ 32 Exemple :.5 s(t) e(t) ɛ( ) sortie t (s) Figure: Réponse indicielle (ɛ 2 ( ) = 0.25)

32 Influence des perturbations: Exercices 32/ 32 Exercice : Considérons le système suivant p E(p) ɛ(p) 000 F(p) S(p) Déterminez l écart permanent lié à la perturbation pour e(t) = u(t) lorsque F(p) = F(p) = F(p) = p 000 p(p 25) 2 p 4 (28) (29) (30)

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