Qu'est-ce que Système du second ordre ?

Système dont la fonction de transfert s'écrit G(s) = Kωn²/(s² + 2ζωn s + ωn²), où ωn est la pulsation propre et ζ le coefficient d'amortissement. Pour 0 < ζ < 1, la réponse indicielle s'approche de la valeur finale en oscillant ; pour ζ = 1, elle se stabilise le plus vite sans dépassement ; pour ζ > 1, elle s'en approche lentement. Les systèmes mécaniques masse-ressort-amortisseur, les circuits RLC et les boucles d'asservissement de position prennent cette forme. Les systèmes d'ordre plus élevé sont aussi souvent approchés par leurs deux pôles dominants.

Nom japonais: 二次遅れ系

« Système du second ordre » apparaît dans 4 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Bases de l'automatique.

Domaine: Bases de l'automatique

Coefficient d'amortissement et forme de la réponse

Le dépassement vaut exp(−πζ/√(1 − ζ²)) et ne dépend que de ζ : environ 16 % pour ζ = 0,5 et environ 4,3 % pour ζ ≈ 0,707 (1/√2). L'excursion est maximale à π/ωd, où ωd = ωn√(1 − ζ²) est la pulsation de l'oscillation amortie. Plus ζ est petit, plus la réponse monte vite, mais plus l'excursion et les oscillations sont importantes.

Lien avec la position des pôles

Pour 0 < ζ < 1, les pôles sont en s = −ζωn ± jωd, à une distance ωn de l'origine, et l'angle θ qu'ils forment avec le demi-axe réel négatif vérifie cos θ = ζ. La partie réelle ζωn fixe la vitesse d'amortissement, et le temps de stabilisation à ±2 % est estimé à environ 4/(ζωn). Cette formule est une approximation tirée de l'enveloppe des oscillations, et la valeur réelle est souvent un peu plus courte.

Vu dans la réponse en fréquence

Sur un diagramme de Bode, avec ωn comme cassure, le gain décroît de −40 dB/déc aux hautes fréquences et la phase passe de 0° à −180°. Lorsque ζ est inférieur à environ 0,707, un pic de résonance apparaît dans le gain près de ωn. Dans un système bouclé, plus la marge de phase est faible, plus le ζ de la boucle fermée est petit ; en règle empirique, ζ vaut environ 1/100 de la marge de phase exprimée en degrés.

S'entraîner : questions sur Système du second ordre

Pour quelle plage du coefficient d'amortissement ζ la réponse indicielle du système du second ordre G(s) = ωn²/(s² + 2ζωn s + ωn²) dépasse-t-elle la valeur finale et s'en approche-t-elle en oscillant ?

  1. Aζ > 1
  2. Bζ = 1
  3. C0 < ζ < 1
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Réponse : C. 0 < ζ < 1

Pour 0 < ζ < 1, les pôles forment une paire complexe conjuguée et la réponse s'approche de la valeur finale en oscillant (régime sous-amorti). Pour ζ = 1, les pôles forment une racine réelle négative double, et la réponse est la plus rapide à se stabiliser parmi les réponses qui ne vont pas au-delà de la valeur finale (régime critique). Pour ζ > 1, les pôles sont deux réels négatifs et la réponse s'approche lentement, sans aller au-delà (régime suramorti). Pour ζ = 0, l'oscillation se poursuit sans s'amortir, et pour ζ < 0, le système est instable.

Quel couple de pulsation propre ωn et de coefficient d'amortissement ζ est correct pour le système du second ordre de fonction de transfert G(s) = 25/(s² + 4s + 25) ?

  1. Aωn = 5 rad/s, ζ = 0,4
  2. Bωn = 5 rad/s, ζ = 0,8
  3. Cωn = 25 rad/s, ζ = 0,08
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Réponse : A. ωn = 5 rad/s, ζ = 0,4

Par comparaison avec la forme canonique ωn²/(s² + 2ζωn s + ωn²), ωn² = 25 donne ωn = 5 rad/s. Le coefficient de s vaut 2ζωn = 4, d'où ζ = 4/(2 × 5) = 0,4. Les pôles sont s = −2 ± j4,58 ; la partie réelle −ζωn = −2 fixe la vitesse d'amortissement et la partie imaginaire ωn√(1 − ζ²) ≈ 4,58 rad/s est la pulsation des oscillations.

Questions fréquentes

Quel coefficient d'amortissement viser lors de la conception ?

Pour une réponse rapide avec un léger dépassement, on choisit souvent ζ = 0,5 à 0,8. ζ ≈ 0,707 donne un dépassement d'environ 4,3 % et constitue aussi la limite en dessous de laquelle un pic de résonance apparaît dans la réponse en fréquence. Lorsque le dépassement est interdit, on vise ζ ≥ 1.

Peut-on utiliser les formules du second ordre pour des systèmes du troisième ordre ou d'ordre supérieur ?

Si les deux pôles les plus proches de l'axe imaginaire (les pôles dominants) sont bien plus lents que les autres, on peut estimer la réponse en approchant le système par ces deux pôles. Si d'autres pôles ou des zéros sont proches, l'erreur augmente ; une vérification par calcul numérique est alors la méthode la plus sûre.

« Système du second ordre » dans les explications

Questions mentionnant « Système du second ordre » (4)

  1. Pour quelle plage du coefficient d'amortissement ζ la réponse indicielle du système du second ordre G(s) = ωn²/(s² + 2ζωn s + ωn²) dépasse-t-elle la valeur finale et s'en approche-t-elle en oscillant ?
  2. Quel couple de pulsation propre ωn et de coefficient d'amortissement ζ est correct pour le système du second ordre de fonction de transfert G(s) = 25/(s² + 4s + 25) ?
  3. On applique un échelon à un système du second ordre (forme canonique sans zéro) de coefficient d'amortissement ζ = 0,5. Quelle valeur est la plus proche du dépassement (l'excursion maximale au-delà de la valeur finale, rapportée à celle-ci) ?
  4. Un système du second ordre sans zéro a ses pôles en s = −σ ± jωd. Quelle description de l'évolution de la réponse indicielle est correcte lorsqu'on augmente seulement ωd en gardant σ inchangé ?

Termes associés

Dépassement (overshoot) Fonction de transfert Temps de stabilisation (settling time) Commande par anticipation (feedforward) Commande par rétroaction Critère de Routh–Hurwitz Diagramme de Bode Emballement de l'intégrale (windup) Erreur en régime permanent (erreur statique) Marge de gain

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