Laplace : Placement des Poles

Laplace : Placement des Poles

Nous avons observé précédemment un lien entre les pôles d’un système et la forme de la réponse temporelle.
Nous allons développer ce point dans cette partie.


Système du Premier Ordre

H(s)=G1+τ.s H(s)=\frac{G}{1+\tau.s}

considérons une entrée en échelon x(t)=step(t).

Y(s)=H(s).X(s) Y(s)=H(s).X(s) avec X(s)=1s X(s)=\frac{1}{s}

Y(s)=Gs(1+τ.s) Y(s)=\frac{G}{s(1+\tau.s)}

y(t)=G.(1etτ) y(t)=G.(1-e^{-\frac{t}{\tau}})

Influence de la constante de temps sur la réponse et évolution du pôle 1τ -\frac{1}{\tau} :

premier_ordre.svg


Système du Second Ordre

H(s)=Gs2ωn2+2.ξωn.s+1 H(s)=\frac{G}{\frac{s^2}{\omega_n^2}+ \frac{2.\xi}{\omega_n}.s+1}

H(s)=Gωn2s2+2.ξ.ωn.s+ωn2 H(s)=\frac{G\omega_n^2}{s^2+ 2.\xi.\omega_n.s+\omega_n^2}

Y(s)=H(s).X(s) Y(s)=H(s).X(s) avec X(s)=1s X(s)=\frac{1}{s}

Recherche des Pôles du système :

Résolution de :
s2+2.ξ.ωn.s+ωn2=0 s^2+ 2.\xi.\omega_n.s+\omega_n^2 = 0

RAPPEL:

Les solutions de l’équation a.x2+b.x+c=0 a.x^2+b.x+c = 0 sont :

  • λ1=bΔ2a \lambda_1=\frac{-b-\sqrt{\Delta}}{2a}
  • λ2=b+Δ2a \lambda_2=\frac{-b+\sqrt{\Delta}}{2a}

avec Δ=b24ac \Delta = b^2 - 4ac

Dans notre cas : Δ=ωn2.(ξ21) \Delta = \omega_n^2.(\xi^2-1)

Cas (ξ>1) ( \xi \gt 1 ) –> 2 pôles Réels distincts

  • λ1=ξωn+ωnξ21 \lambda_1=-\xi\omega_n+\omega_n\sqrt{\xi^2-1}
  • λ2=ξωnωnξ21 \lambda_2=-\xi\omega_n-\omega_n\sqrt{\xi^2-1}
  • REMARQUE : stable si ξ1 \xi \geqslant 1
  • H(s)=G(1+T1.s)(1+T2.s) H(s)=\frac{G}{(1+T_1.s)(1+T_2.s)} , T1=1λ1 T_1=-\frac{1}{\lambda_1} , T2=1λ2 T_2=-\frac{1}{\lambda_2}
  • H(s)=K11+T1.sK21+T2.s H(s)=\frac{K1}{1+T_1.s}-\frac{K2}{1+T_2.s} , K1=G.T1T1T2,K2=G.T2T1T2 K_1=\frac{G.T_1}{T_1-T_2}, K_2=\frac{G.T_2}{T_1-T_2}

y(t)=K1(1etT1)K2(1etT2) \boxed{ y(t)=K_1(1-e^{-\frac{t}{T_1}})-K_2(1-e^{-\frac{t}{T_2}}) }

Cas (ξ=1) ( \xi = 1 ) –> 1 pôle réel double

  • λ=ξωn \lambda=-\xi\omega_n

y(t)=G[1(1+ωn.t)eωn.t] \boxed{ y(t)=G\left[ 1-(1+\omega_n.t)e^{-\omega_n.t} \right] }

Cas (ξ<1) ( \xi \lt 1 ) –> 2 pôles complexes conjugués

  • λ1=ξωnj.ωn1ξ2 \lambda_1=-\xi\omega_n-j.\omega_n\sqrt{1-\xi^2}
  • λ2=ξωn+j.ωn1ξ2 \lambda_2=-\xi\omega_n+j.\omega_n\sqrt{1-\xi^2}
  • REMARQUE : stable si 0<ξ<1 0<\xi<1

Réponse indicielle :

y(t)=G(1eξωnt1ξ2sin(ωp.t+ϕ)) \boxed{ y(t)=G\left ( 1-\frac{e^{-\xi\omega_nt}}{\sqrt{1-\xi^2 }}sin(\omega_p.t+\phi) \right ) }

  • ωp=ωn1ξ2 \omega_p=\omega_n\sqrt{1-\xi^2}
  • Φ=arctan1ξ2ξ=arccos(ξ) \Phi=arctan{\frac{\sqrt{1-\xi^2}}{\xi}} = arccos(\xi)

second_ordre_ksi.svg

second_ordre_wn.svg

RESUME

resume_laplace_poles.svg


Script Octave/Matlab pour générer les figures ci dessus

laplace_poles.m
pkg load control
#====================================
G=5
tau=0.5
 
F = tf([G],[tau,1])
STEP= tf([1],[1,0])
t_end=15

t=0:0.01:t_end

figure(1)
%------------------------------------
subplot(1,2,1)

for i = 1:1:5
  F = tf([G],[tau,1])
  hold on
  p=step(F,t)   
  h=plot(t,p,'LineWidth',2,axis([0 t_end -1 6]))
  hold on
  LEG{i} = ['tau = ' num2str(tau)];
  hold on
  tau = tau + 0.5
end
     
legend(LEG,4);   
xlabel('time (s)')  
     
title('STEP RESPONSE')
grid
hold on
%------------------------------------
subplot(1,2,2)
tau=0.5

for i = 1:1:5
  F = tf([G],[tau,1])
  hold on
  pzmap(F*STEP, 'x')
  hold on
  LEG{i} = ['tau = ' num2str(tau)];
  hold on
  tau = tau + 0.5
end
legend(LEG,4);  

#print -deps premier_ordre.eps

#####################################
figure(2)

G=5
ksi=0.1 % Facteur d'amortissement
wn = 10 % pulsation naturelle non amortie

 
F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
STEP= tf([1],[1,0])
t_end=8

t=0:0.01:t_end

%------------------------------------
subplot(1,2,1)

for i = 1:1:5
  F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
  hold on
  p=step(F,t)   
  h=plot(t,p,'LineWidth',2,axis([0 t_end -1 9]))
  hold on
  LEG{i} = ['ksi = ' num2str(ksi)];
  hold on
  ksi = ksi+0.3
end
grid
legend(LEG,4);
title('STEP RESPONSE')
xlabel('time (s)')  

subplot(1,2,2)
ksi=0.1

for i = 1:1:5
  F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
  hold on
  pzmap(F*STEP, 'x')
  hold on
  LEG{i} = ['ksi = ' num2str(ksi)];
  hold on
  ksi = ksi+0.3
end
legend(LEG,4);

#####################################
figure(3)

G=5
ksi=sqrt(2)/2 % Facteur d'amortissement
wn = 10 % pulsation naturelle non amortie
 
F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
STEP= tf([1],[1,0])
t_end=8

t=0:0.01:t_end

%------------------------------------
subplot(1,2,1)
for i = 1:1:5
  F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
  hold on
  p=step(F,t)   
  h=plot(t,p,'LineWidth',2,axis([0 1.5 -1 6]))
  hold on
  LEG{i} = ['wn = ' num2str(wn)];
  hold on
  wn = wn+10
end
grid
legend(LEG,4);
title('STEP RESPONSE')
xlabel('time (s)')  
 
subplot(1,2,2)
ksi=sqrt(2)/2
wn = 10 % pulsation naturelle non amortie

for i = 1:1:5
  F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
  hold on
  pzmap(F*STEP, 'x')
  hold on
  LEG{i} = ['wn = ' num2str(wn)];
  hold on
  wn = wn+10
end
legend(LEG,4);
 
 print -dsvg second_ordre_wn.svg

#####################################

figure(4)

t_end=8

t=0:0.01:t_end

G=1
ksi=0.2% Facteur d'amortissement
wn = 10 % pulsation naturelle non amortie

F = tf([G],[(1/wn)^2,((2*ksi)/wn),1])
p=step(F,t)   
h=plot(t,p,'LineWidth',2)
axis([0 t_end 0 1.6])
grid