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Systèmes de Premier Ordre Discrets ​

Cette section présente l'analyse systématique des systèmes discrets de premier ordre. Après la modélisation (équation de récurrence, fonction de transfert, pôles/zéros), on étudie les réponses temporelles : impulsionnelle et indicielle. Les propriétés caractéristiques (temps de réponse, valeur finale) sont détaillées pour les cas d'un pôle positif et d'un pôle négatif.

Modélisation ​

Équation de récurrence ​

Un système discret de premier ordre est décrit par une équation de récurrence de la forme :

y[n]=a⋅y[n−1]+b⋅x[n]

où :

  • a : coefficient de rétroaction (|a|<1 pour la stabilité)
  • b : coefficient d'entrée
  • x[n] : signal d'entrée
  • y[n] : signal de sortie

Fonction de transfert ​

En appliquant la transformée en Z à l'équation de récurrence (avec conditions initiales nulles), on obtient :

Y(z)=az−1Y(z)+bX(z)

La fonction de transfert est donc :

H(z)=Y(z)X(z)=b1−az−1=bzz−a

Forme canonique

La forme canonique d'un système de premier ordre discret est :

H(z)=Kzz−a

où K=b est le gain et a est le pôle du système.

Pôles et zéros ​

Un système de premier ordre discret possède :

  • Un unique pôle en z=a
  • Un zéro en z=0

Condition de stabilité : Le système est stable si et seulement si |a|<1, c'est-à-dire si le pôle est à l'intérieur du cercle unité.

Diagramme des pôles et zéros d'un système de premier ordre discret

Réponse temporelle ​

Réponse impulsionnelle ​

La réponse impulsionnelle h[n] est la sortie du système lorsque l'entrée est une impulsion discrète x[n]=E⋅δ[n].

Pour un système de premier ordre H(z)=Kzz−a, la réponse impulsionnelle est :

h[n]=K⋅an⋅u[n]
Démonstration

Dans le domaine en Z, la sortie est :

Y(z)=H(z)X(z)=Kzz−a⋅E=KEzz−a

En utilisant la transformée en Z inverse :

Z−1[zz−a]=anu[n]

On obtient :

y[n]=KE⋅an⋅u[n]

Pour E=1, on a bien h[n]=K⋅an⋅u[n].

Cas d'un pôle positif (0<a<1) ​

Pour un pôle positif, la réponse impulsionnelle décroît de manière monotone vers zéro :

  • Valeur initiale : h[0]=K
  • Valeur finale : h[∞]=0
  • Comportement : décroissance exponentielle discrète sans oscillation
Réponse impulsionnelle avec pôle positif ($a = 0.7$)

Cas d'un pôle négatif (−1<a<0) ​

Pour un pôle négatif, le terme an alterne de signe à chaque échantillon, ce qui produit des oscillations amorties :

  • Valeur initiale : h[0]=K
  • Valeur finale : h[∞]=0
  • Comportement : oscillations amorties autour de zéro
Réponse impulsionnelle avec pôle négatif ($a = -0.7$)

Réponse indicielle ​

La réponse indicielle est la sortie du système lorsque l'entrée est un échelon discret x[n]=E⋅u[n].

Pour un système de premier ordre, la réponse indicielle est :

y[n]=KE1−an+11−a⋅u[n]
Démonstration

Dans le domaine en Z, l'échelon s'écrit X(z)=Ezz−1. La sortie est donc :

Y(z)=H(z)X(z)=Kzz−a⋅Ezz−1=KEz2(z−a)(z−1)

En effectuant une décomposition en éléments simples :

z2(z−a)(z−1)=c1zz−1+c2zz−a

En multipliant par (z−1) et en posant z=1 :

c1=11−a

En multipliant par (z−a) et en posant z=a :

c2=aa−1=−a1−a

Donc :

Y(z)=KE(11−azz−1−a1−azz−a)

En utilisant les transformées inverses :

y[n]=KE(11−a−a1−aan)u[n]=KE1−an+11−au[n]

Gain statique

Le gain statique du système discret est :

H(1)=K11−a

Ce qui correspond à la valeur finale de la réponse indicielle pour E=1.

Cas d'un pôle positif (0<a<1) ​

Pour un pôle positif, la réponse indicielle croît de manière monotone vers sa valeur finale :

  • Valeur initiale : y[0]=KE
  • Valeur finale : y[∞]=KE1−a
  • Comportement : croissance monotone, pas de dépassement
Réponse indicielle avec pôle positif ($a = 0.7$)

Cas d'un pôle négatif (−1<a<0) ​

Pour un pôle négatif, le terme an+1 alterne de signe, ce qui produit des oscillations amorties autour de la valeur finale :

  • Valeur initiale : y[0]=KE
  • Valeur finale : y[∞]=KE1−a
  • Comportement : oscillations amorties avec dépassement
Réponse indicielle avec pôle négatif ($a = -0.5$) : présence d'un dépassement

Temps de réponse ​

Le temps de réponse à 5% correspond au nombre d'échantillons nr nécessaire pour que la sortie atteigne 95% de sa valeur finale.

Démonstration

On cherche nr tel que :

y[nr]y[∞]=0.95

Pour la réponse indicielle :

1−anr+11=0.95⟹anr+1=0.05

En prenant le logarithme :

nr+1=ln⁡(0.05)ln⁡(a)≈−3ln⁡(a)