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Systèmes de Premier Ordre

Modélisation

Équation différentielle

L'équation différentielle d'un système de premier ordre peut s'exprimer sous la forme suivante :

τdy(t)dt+y(t)=b1dx(t)dt+b0x(t)
  • τ désigne la constante de temps [s].

Fonction de transfert

La fonction de transfert d'un système de premier ordre peut s'exprimer sous la forme normalisée suivante :

H(s)=N(s)τs+1
  • N(s) désigne le numérateur de la fonction de transfert (polynôme de degré inférieur ou égal à 1).

Expression du pôle

Un système de premier ordre possède un unique pôle. Ce pôle s'obtient en cherchant l'unique racine du dénominateur de la fonction de transfert.

τs+1=0p=1τ

Exemples

Filtre Passe-Bas (LP1)

Circuit : Résistance R en série avec condensateur C. Sortie aux bornes de C.

HLP(s)=T0τs+1

avec τ=RC et T0=1.

Filtre Passe-Haut (HP1)

Circuit : Condensateur C en série avec résistance R. Sortie aux bornes de R.

HHP(s)=Tτsτs+1

avec τ=RC et T=1.

Réponse Temporelle

La solution complète de l'équation différentielle s'exprime sous la forme :

y(t)=yl(t)+yp(t)
  • yl(t): solution libre (régime libre)
yl(t)=λe1τt
  • yp(t): solution particulière (régime forcé). L'expression du régime forcé dépend de l'allure de l'entrée et des coefficients b0 et b1

Exemple : Réponse indicielle d'un passe-bas

Considérons la réponse d'un système de premier ordre à un échelon d'amplitude E, c-à-d x(t)=Eu(t). Le système est supposé initialement au repos, c'est-à-dire avec des pré-conditions initiales nulles (y(0)=0). Comme l'entrée est un échelon, le régime forcé est de la forme yp(t)=αu(t). En remplaçant cette expression dans l'équation différentielle pour t0, nous obtenons yp(t)=T0E. Il en vient que :

y(t)=λe1τt+T0E

La constante d'intégration s'obtient en déterminant une post-condition initiale. En intégrant l'équation différentielle entre t=0 et t=0+, nous obtenons y(0+)=0. En exploitant cette équation, il en vient que :

y(0+)=λ×1+T0E=0λ=T0E,

Pour un filtre passe-bas de premier ordre, la réponse du système à un échelon d'amplitude E s'exprime finalement sous la forme :

y(t)=T0E(1etτ)
Réponse Indicielle d'un filtre passe-bas de premier ordre

Valeurs Remarquables

  • Post-condition initiale : y(0+)=0,
  • Valeur finale : y()=T0E,
  • Valeur maximale: max(y(t))=T0E,
  • Temps de réponse à ±5%: tr=3τ.

Réponse Fréquentielle

La réponse fréquentielle s'obtient en posant s=jω dans l'expression de la fonction de transfert. Nous obtenons :

H(jω)=N(jω)jωωc+1
  • ωc=1τ désigne la pulsation de coupure à -3dB [rad/s].

Passe-Bas

Réponse Fréquentielle d'un filtre passe-bas de premier ordre
  • Module :
|H(jω)|=T0(ωωc)2+1
  • Argument :
arg[H(jω)]=arctan(ωωc)

Passe-Haut

Réponse Fréquentielle d'un filtre passe-haut de premier ordre
  • Module :
|H(jω)|=Tωωc(ωωc)2+1
  • Argument :
arg[H(jω)]=90oarctan(ωωc)