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Texte intégral

(1)

TP MATHEMATIQUES TRANSFORMEE DE LAPLACE BTS2GO-2008-2009 Exercice 1

U est la fonction échelon unité définie de dans par :  ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U

U .

La réponse y t( )d’un système soumis à une excitation x t( )est telle que : ( ) 1 ( ) 1 2

p p

e e

Y p X p

p p

Le signal de sortie y est tel que : Y p( ) X p( )H p( )où X et Y sont les transformées de Laplace de x et de y. On rappelle que la fonction ueuait une approximation affine au voisinage de 0 à l’ordre 1 de la forme : eu 1 u u u( )avec ulim ( ) 00u

Déterminer ,en fonction de  , la limite , quand ttend vers , de la réponse y t( ), lorsque le système est Soumis à l’excitation x t( )U ( )t ( échelon unité ). On pourra appliquer le théorème de la valeur finale Exercice 2

U est la fonction échelon unité définie de dans par :  ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U

U .

La réponse y t( )d’un système soumis à une excitation x t( )est telle que : Y p( )X p( )H p( ) X et Y sont les transformées de Laplace de x et de y et Hla fonction de transfert du système . Dans cet exercice , 2 1

( ) 1

H p p

p p

 

  et le signal d’entrée est la fonction rampe définie par : x t( )tU ( )t . 1°. Calculer Y p( ).En déduire 0

0

(0 ) lim ( )

tt

y y t

 . On pourra appliquer le théorème de la valeur initiale . 2°. Déterminer la transformée de Laplace Y p1( )de la dérivée y'de y.

En déduire 0 0

'(0 ) lim '( )

tt

y y t

 . Puis calculer 0

0

lim "( )

tt

y t

en utilisant la méthode que précédemment.

Exercice 3

On considère le système «entrée-sortie» représenté ci-contre :

e(t) Système s(t)

On note

s

le signal de sortie associé au signal d’entrée e. Les fonctions

s

et e sont des fonctions causales, c’est à dire qu’elles sont nulles pour t0. On admet que les fonctions

s

et e admettent des transformées de Laplace, notées respectivement S et E.

La fonction de transfert H du système est définie par : S p( )H p( )E p( ).

Dans cet exercice, le filtre considéré a une fonction de transfert H définie sur 0; par ( ) 2 1 H p p

p p

   . Première partie : recherche du lieu de transfert

On note j le nombre complexe de module 1 et d’argument / 2. 1°. Soit un nombre réel strictement positif .Montrer que

( ) 1 1 1 H j

j

 

.

2°. b. Le « lieu de transfert » du filtre est la courbe décrite, dans un plan rapporté à un repère ( ; , )O i j  , par le point M d’affixeZH j()lorsquedécrit l’intervalle [0;[. Soit A le point d’affixe 1

2. Calculer 1

( )

H j 2 .En déduire que le « lieu de transfert » du filtre est inclus dans un cercle C dont on précisera le centre et le rayon .Représenter graphiquement les ensembles C1et C .

Deuxième partie : réponse du filtre à une excitation particulière

La fonction échelon unité U est définie de dans par :  ( ) 0( ) 1tt si tsi t00 U

U .

(2)

Le signal d’entrée est un créneau défini par : ( ) 1 [0;1[

0 [1; [

e t si t si t

 

1°. Donner la représentation graphique de la fonction edans un repère orthogonal .Vérifier à l’aide d’un tableau que e t( )U ( )t U (t1). Donner la transformée de Laplace de la fonction e

2°. Déterminer la transformée de Laplace S p( )du signal de sortie puis l’expression de s t( )en remarquant que p2  p 1

p1/ 2

23/ 4

Exercice 4

tdésigne la variable réelle positive , on se propose de chercher la solution ( ; )x y du système différentiel x ty t'( )'( ) 2 ( )x t( ) 2 ( )x ty ty t( ) vérifiant : x(0 ) 2  et y(0 ) 4

1°.Première méthode : utilisation de la transformation de Laplace

a. Déterminer les réels a b c et d, , tels que : (p2(3)(pp3)1) pa3 pb1 et (p3)(4pp1) pc3 pd1. b. On suppose que les fonctions xet yadmettent des transformées de Laplace notées respectivement X p( ) et Y p( ) .Grâce à la transformation de Laplace , trouver la solution du système vérifiant le conditions initiales imposées

2°. Résolution d’une équation différentielle du second ordre

a. Montrer que la solution tx t( ) cherchée satisfait à l’équation différentielle : ( ) : "( ) 2 '( ) 3 ( ) 0E x tx tx t

b. Résoudre l’équation différentielle( )E . En déduire la solution du système vérifiant le conditions initiales imposées

Exercice 5

On considère le circuit ci-dessus et on se propose d’étudier en fonction du temps t( exprimé en secondes ), l’intensité du courant i t( )( exprimée en Ampères ) suivant la force électromotrice f t( )( exprimée en Volts) appliquée aux bornes.

On sait que l’équation différentielle régissant le circuit est : ( ) :1 '( ) 10 ( ) ( ) E 2i t i t f t 1.Première partie : on suppose que f t( ) 5

a. Déterminer la solution i t1( )de l’équation ( ) :E vérifiant i1(0) 0

b. Etudier le sens de variation de la fonction i1sur l’intervalle [0;[. Représenter graphiquement i1dans un repère orthonormal pour 0 t 0,5( on prendra pour unité graphique 20 cm )

2. deuxième partie

On suppose maintenant que la force électromotricef t( )est définie par

0 ] ;0[

( ) 5 [0;0,5[

0 [0,5; [

si t f t si t si t

  



a. Montrer que, pour tout t, on a : f t( ) 5

U ( )t U (t1/ 2)

, oùU représente la fonction échelon unité En déduire la transformée de Laplace de f

b. Déterminer les réels a et btels que pour tout réel p0, on ait : p p( 1020) ap pb20 En déduire les originaux de Laplace des fonctions définies par : 1

( ) 10

( 20) F p p p

et 2( ) 10 / 2 ( 20)

e p

F p p p

c. Déterminer la solution i t2( ) de l’équation différentielle ( ) :E vérifiant i2(0) 0 en utilisant la transformation de Laplace

d. Montrer que cette solution peut s’écrire :

 

1

2 10 20

( ) [0;0,5[

( ) 1

1 [0,5; [

2

t

i t si t

i t e e si t

 

 

  



(3)

Exercice 6

On se propose de déterminer la fonction f de la variable réelle t, définie sur ,qui vérifie : a. f t( ) 0 pour t0 ;

b. f est deux fois dérivable sur [0;[ ;

c. f t"( ) 2 '( ) 5 ( ) f tf tetsin(3 )t pour tout t[0;[ ; d. f(0 ) 0  et f '(0 ) 0  .

1. première partie

a. Résoudre , sur [0;[, l’équation différentielle : (E0) : "( ) 2 '( ) 5 ( ) 0y ty ty t

b. Déterminer le réel ktel que la fonction hdéfinie par : h t( )ketsin(3 )t soit solution sur [0;[, de l’équation différentielle ( ) : "( ) 2 '( ) 5 ( )E y ty ty tetsin(3 )t .

c. Donner la solution générale de l’équation différentielle ( )E . d. Déduire des questions précédentes la fonction f cherchée . 2. Deuxième partie

On admet que la fonctionf et ses dérivées ont des transformées de Laplace , et l’on note F p( )L ( ( ))f t a. Préciser les transformées de Laplace de :

 la fonction f '  la fonction f"

 la fonction g définie sur par g t( )etsin(3 )tU ( )t , oùU représente la fonction échelon unité b. Déterminer la transformée Fde f

c. Déterminer les réels a et btels que pour tout réel p0, on ait :

2 3 2 2 2

[( 1) 4][( 1) 9] ( 1) 4 ( 1) 9

a b

p p p p

.Déterminer alors la fonction f .

Exercice 2006

On considère le système «entrée-sortie» représenté ci-contre :

e(t) Système s(t)

On note e t( )le signal d’entrée et s t( )le signal de sortie . Un système du 1er ordre est un système régi par une équation différentielle du type : ( ) :E T s t'( )s t( )K e t( ), où T et K sont des constantes réelles positives On note pE p( )L ( ( ))e t et pS p( )L ( ( ))s tL est la transformation de Laplace .

La fonction de transfert Hd’un système est définie par :S p( )H p( )E p( ). Partie A

1°. Recherche de la fonction de transfert

En appliquant la transformation de Laplace L aux deux membres de l’équation différentielle( )E et en supposant que s(0 ) 0  ( le système est initialement au repos , montrer que ( )

1 H p K

Tp

 Dans le reste de l’exercice , on prendra K T 1

2°. Recherche du signal de sortie dans un cas particulier On suppose que le signal d’entrée est e t( ) 2 U (t3)

a ) Représenter sur la feuille de copie la fonction e dans un repère orthogonal pour t [ 1;6]

b) Calculer E p( )

c) Montrer que 1 1 3

( ) 2

1

S p e p

p p

 

    

d) En déduire l’expression du signal de sortie s t( )L 1( ( ))S p Partie B

On se propose dans cette question de déterminer le « lieu de transfert » associé à la fonction de transfert H.On note jle nombre complexe de module 1 et d’argument / 2et on pose pj avec  ]0; [

On a alors : 1

( ) H j 1

j

 

(4)

millimétré avec un repère orthonormal ( ; , )O i j 

d’unité graphique cinq centimètres

On appelle Mle point d’affixe z 1 jet Nle point d’affixeH j()pour tout  ]0; [ On lit sur l’écran d’une calculatrice que les valeurs deH j()pour 3

  4 . 1 et  3

3 16 12

4 25 25

H j   j

  ;

 

1 1

H j  2 2 j ; H

 

3j  14 43 j.

Placer sur une figure les points Met N pour 3

 4,1 puis  3

b) Tracer sur la figure du 3°a ,l’ensemble C1des points Mdu planP, d’affixe z 1 j quanddécrit l’intervalle [0;[.

c) Soit A le point d’affixe 1 2. Calculer 1

( )

H j 2 .En déduire que le « lieu de transfert » du filtre est inclus dans un demi- cercle C dont on précisera le centre et le rayon .

Représenter graphiquement sur la figure du 3°a l’ensembles C décrit par le pointN lorsquedécrit l’intervalle [0;[.

.

0 1

1

x y

A

N1/2 N3/4 N

M1 M2 M3

O

N' N'1/2N'3/4

(5)

Exercice 1

( ) 1 ( )

1 2

p p

e e

Y p X p

p p

, comme xx t( ) est la fonction échelon unité , on a :

2 2 2

(1 ) 1 (1 ) 1 2 1 (1 ) 3 (1 ) 3

( ) 1

1 2 1 2 1 2 1 2

p p p p p p p p

Y p p p p p p p p p

        

   

 

on applique le théorème de la valeur finale ; on a : limp0pF p( )tlim ( ) f t donc limp0pY p( )tlim ( )y t :

0 0 0

(1 ) 3 3

lim ( ) lim lim (1 )

1 2 1 2

p p p

pY p p p p

p p p

 

     

or lim(1p0   p) 1 et limp01 2 3 p 3 limp01 2 1 p 3 , donc limp0pY p( ) 3 d’où tlim ( ) 3y t   Exercice 2

1. Y p( )X p( )H p( ) ; 2 1

( ) 1

H p p

p p

 

  x t( )tU ( )t donc 12 ( ( ))x t (t ( ))t

  p

L L U

et ( ) 12 2 1 1 Y p p

p p p

  

  lim ( ) (0 )

p pY p y

  , donc

2 2 1 1 2 1 3 12

lim ( ) lim lim lim lim 0

1 1

p p p p p

p p p p

pY p p p p p p p p p

    

         

              

y(0 ) 0  .

Y p1( )L ( '( ))y tpY p( )y(0 ) , donc 1 2

1 1

( ) ( )

1 Y p pY p p

p p p

   

  lim 1( ) '(0 )

p pY p y

  , donc

1 2 2 2

1 1 1

lim ( ) lim lim lim lim 0

1 1

p p p p p

p p p p

pY p p p p p p p p

    

         

               . y'(0 ) 0Y p2( )L ( ''( ))y tp Y p2 ( )py'(0 )y(0 )p Y p2 ( ), donc 2 2 2

( ) ( ) 1

1 Y p p Y p p

p p

  

  lim 2( ) ''(0 )

p pY p y

  , donc

2

2 2 2

( 1)

lim ( ) lim lim 1

1

p p p

p p p

pY p p p p

  

 

  

       . y''(0 ) 1Exercice 3

Partie 1

1.

 

2

1 1

( )

1 1

1 1 1

H j j

j j j j

j

 

     

  

 

       

, puisque 1 j j   .

Donc 1

( )

1 ( )

H jjf

 

 , avec 1

( ) f  

 

2. la fonction f , définie sur l’intervalle ]0 ;[ par 1 ( )

f  

  , est dérivable sur ]0 ;[

et 12 221

'( ) 1 0

f  

 

     .la fonction f est donc strictement croissante sur ]0 ;[.

lim00

 et

0

lim 1

  , donc lim ( )0 f

 .

lim

   et 1

lim 0

  , donc lim f( )

  .

0 

'( ) f

( ) f

. + 



(6)

3a. lorsque  décrit l’intervalle ]0 ;[ ; Z1 1 jf( ) a une partie réelle fixe et égale à 1, sa partie imaginairef( ) parcourt ..

Donc l’ensemble C1des points m1du planP, d’affixe Z1 1 jf( ) lorsquedécrit l’intervalle [0;[ est la droite d’équation :x1.

3b.

1 1

2 1 1

1 1 1 1 1

( )

1 1 1

2 1 2 2 1 21

2 2

j j

H j

j j j

 

 

   

  

   

        

    

     

           

, 1

1

1 1

( )

2 2

H j Z

   Z

donc 1 1

1 1

1 1 1

( )

2 2 2 2

Z Z

H j   ZZ  , on sait que l’ensemble du point M d’affixe Ztel que Z a r est le cercle C de centre A d’affixe a et de rayon r.donc l’ensemble du point M d’affixeZH j() est le cercle C de centre A d’affixe 1

2et de rayon 1 r2. Partie 2

2. e t( )U ( )t U (t1). 1

( ( )) ( ( ) ( 1)) ( ( )) ( ( 1)) e p

e t t t t t

p p

       

L L U U L U L U

2 2 2 2 2

1 1

( ) ( ) ( )

1 1 1 ( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2 3/ 4

1

)

p p p

S p H p E p p

p p p p

e e e

p p p p

p p

       

Or ( sin( )) 2 2

( )

e at t

p a

 

 

L ( formulaire ) et ( ( )sin( ( ))) 2 2

( )

a t p

e t e

p a

  

 

 

L ( théorème du retard ) , donc on obtient

1 1 (1/ 2)

2 2

1 2 3 / 2 2 3

sin 2

3 3

( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2) 3 ( )

/ 4

e t t

p t

p

L L U

1 1 (1/ 2)( 1)

2 2

2 3 / 2 2 3

sin ( 1) ( 1)

3 3 2

( 1/ 2) 3/ 4 ( 1/ 2) 3/ 4

p t

e p

e e t t

p p

U

L L

(1/ 2) (1/ 2)( 1)

2 3 2 3

( ) sin () sin ( 1) ( 1)

2 2

3 3

t t

s t e t t e t t

U U . Exercice 3

1.(p2(3)(pp3)1) pa3 pb1a p((p 1)3)(b pp(1)3) (a b p(p)3)(p(a1)3 )b , donc 2 4 4

3 6 2

a b b

a b a b

   

 

     

 

1 3 b a

  

   et (p3)(4pp1) pc3 pd1c p((p 1)3)(d pp(1)3)(c d p c(p)3)( p1)3d .donc 4

3 0

c d c d

  

  

4 4

3 d

c d

 

  

1 3 d c

 

   donc on a : 2( 3) 3 1

( 3)( 1) 3 1

p

p p p p

et 4 3 1

( 3)( 1) 3 1

p

p p p p

.

2. '( ) ( ) 2 ( ) ( ) (0 ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) 2 ( 1) ( ) 2 ( ) 2 '( ) 2 ( ) ( ) ( ) (0 ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 4 ( 1) ( ) 2 ( ) 4

x t x t y t pX p x X p Y p pX p X p Y p p X p Y p

y t x t y t pY p y X p Y p pY p X p Y p p Y p X p



( 1) ( ) 2 ( ) 2 ( 1) ( 1)2 ( ) 2( 1) ( ) 2( 1)

( 1) ( ) 2 ( ) 4 2 2( 1) ( ) 4 ( ) 8

p X p Y p p p X p p Y p p

p Y p X p p Y p X p

, on obtient

[(p1)24] ( ) 2(X p p 1) 8 [(p 1 2)(p 1 2)] ( ) 2(X p p 3) [(p3)(p1)] ( ) 2(X p p3)

D’où X p( )(p2(3)(pp3)1).

2

2( 1) ( ) 4 ( ) 4 ( 1) ( ) 2 ( ) 2 2

( 1) ( ) 2 ( ) 4 ( 1) ( 1) ( ) 2( 1) ( ) 4( 1)

p X p Y p

p X p Y p

p Y p X p p p Y p p X p p

, on obtient

(7)

[(p1)24] ( ) 4(Y p p 1) 4 [(p3)(p1)] ( ) 4X p p ; D’où X p( )(p3)(4pp1)

 

1 1 3 1 1 1 1 1

( ) 3

3 1 3 1

X p p p p p

L L L L , or on sait que 1

(e at ( ))t

p a

L U  On applique la formule avec a 3 et a1 , on obtient ainsi : x t( )

3e3tet

U ( )t .

 

1 1 3 1 1 1 1 1

( ) 3

3 1 3 1

Y p p p p p

L L L L , on obtient ainsi : y t( )

3e3t et

U ( )t .

2. '( ) ( ) 2 ( ) '( ) 2 ( ) ( ) x t x t y t y t x t y t

, on dérive la première équation par rapport à t , on obtient : x t''( )x t'( ) 2 '( ) y t Puis on remplace y t'( )et y t( )par leur expression en fonction de x t'( )et x t( ), on obtient :

''( ) '( ) 4 ( ) 2 ( )

x t x t x t y t , puis x t''( )x t'( ) 4 ( ) 2 ( ) x t y t , 2 ( )y t x t'( )x t( ), on déduit ''( ) '( ) 4 ( ) '( ) ( ) 2 '( ) 3 ( )

x t x t x t x t x t x t x t et enfin x t''( ) 2 '( ) 3 ( ) 0 x t x t qui a pour solution

1 2

1 2

( ) rt r t

x tk ek e . Pour résoudre cette équation différentielle, on cherche à résoudre son polynôme caractéristique qui est sous la forme r22r 3 0, on trouve r13 et r2  1, donc x t( )k e1 3tk e2 t

1 3

3 3

1 2

1 2 2

2 ( )y t x t'( )x t( ) 3 k e t k et k e t k et 2k e t 2k et, d’où y t( )k e1 3t k e2 t On applique les conditions initiales et on a :

1

1 2 1 2

1

1 2

2 2

(

(0) 4

3 1

0) 2

y k k k

x k k k

k k et k

k

   

     

D’où x t( ) 3 e3tet et y t( ) 3 e3tet. Exercice 5

1.( ) :1 '( ) 10 ( ) ( )

E 2i t i t f t soit ( ) :1 '( ) 10 ( ) 5 E 2i t i t ( 0) :1 '( ) 10 ( ) 0

E 2i t i t une solution homogène est de la forme i tH( )ke20t. On cherche une solution particulière 1

( ) 2

i tP  qui vérifie l’équation différentielle ( )E . On obtient donc la solution générale 1 1 20

( ) 2

i t  ke t, on sait que i1(0) 0 ,d’où 1

k 2 et i t1( )12

1e20t

2.

f t( )

5

( )t ( 1/ 2)t

5

( )t

5

( 1/ 2)t

5 5e p/ 2

p p

       

L L U U L U L U

3. p p( 1020) ap pb20 a p(p p(20)20)bp (a b pp p( )20)20a, d’où 1

a2 et 1

b 2. p p( 1020)1/ 2p p1/ 220. 1

( ) 10

( 20) F p p p

: 1

1

1 1 1 1

( )

) 2 2 2

( 0

f t F p

p p

    

     

L LL  . 1 1 1 20

( ) ( )

2 2

( ) t e t

f tU U t

/ 2 2

( ) 10

( 20) e p

F p p p

f t2( ) 

F p2( )

 p p10(ep20)/ 2 

F p e1( ) p/ 2

f t1( 1/ 2) ( 1/ 2t )

 

L L L U

Donc 2 1 1 1 20( 1/ 2)

( 1/ 2) ( 1/ 2) ( 1/ 2) ( 1/ 2

( )

2 2

) f t t t t

t e t

f   U   U   U

4.( ) : 1 '( ) 10 ( )

( )

E 2i t i t f t

L L( ) :1

'( )

10

10 ( )

 

( )

E 2L i t L i t L f t( ) :1 ( ) 10 ( ) 5 5 / 2

2

E pI p I p e p

p p

  ( ) : (1 20) ( ) 5 5 / 2

2

E p I p e p

p p

  I p( ) p p( 1020)

1ep/ 2

( ) 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 / 2

20 20

I p e p

p p p p

 

   i t2( )L 

I p( )

L 

F p1( )

L 

F p2( )

f t1( ) f t2( )

Donc 2 1 1 20 1 1 20( 1/ 2)

( ) ( ) ( 1/ 2) ( 1

( / 2)

2 2 2 2

) t e t t t e t

i tU UU   U t

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