L3 Ingénierie Electronique, Energie Electrique, Automatique (E3A)

notions élémentaires d'analyse réelle et d’algèbre linéaire

1: notions élémentaires d'optimisation, extrema locaux et globaux, points critiques

2: théorèmes de Fermat et de Weierstrass (cas mono-dimensionnel)

3: cas multivarié, dérivées partielles, test des dérivées secondes

4: inégalités arithmetico/geometrique, de Jensen, moindres carrés

5: vecteur gradient, approximations linéaire et quadratique

6: optimisation sous contrainte, multiplicateurs de Lagrange

7: algorithmes d'optimisation:méthodes de descente, algorithmes de gradient et de gradient conjugué

savoir mettre en équations un problème d'optimisation simple -savoir déterminer les optima locaux et globaux d'une fonction simple -maîtriser les méthodes et algorithmes élémentaires d'optimisation

P. G. Ciarlet, introduction a l'analyse nume´rique matricielle et a l'optimisation, Masson 1988

Histoire des sciences

La naissance d’un champ scientifique (XVIIe - XVIIIe siècles) 
Les expériences d’électricité: acteurs, lieux, fonctions (XVIIIe)
Interactions Electricité - magnétisme (XIXe siècle)

· Histoire des techniques

L’électricité devient industrielle (1870-1890)
Transporter l’électricité à distance : un nouveau système technique : env 1880-1900.
Scientifiques et ingénieurs électriciens.

· Sciences, techniques, innovations : une question complexe

Emergence du système technique :  pétrole, électricité, alliages
Techniques et sciences
Techniques et imaginaire
Innovations et déterminisme technologique : une réflexion critique

Dépasser les idées reçues sur la (les) science (s) en s’initiant à des notions et méthodologie d’épistémologie, d’histoire et de sociologie des sciences et des techniques. Développer un sens critique Développer les capacités d’analyse, de synthèse et d'argumentation

Attendus de l'UE Langue-Anglais4 : Niveau B2+/C1 dans les 5 compétences linguistiques.

ANGLAIS DE SPÉCIALITÉ. Cette UE s'inscrit dans la continuité de l'UE Langue-Anglais3 et le travail sur la langue de spécialité (scientifique et/ou à visée professionnelle) : on prolongera l'approche actionnelle dans les 5 compétences et on s'attachera à la préparation de l'étudiant aux différentes tâches liées à son activité scientifique telles que la rédaction d'un compte rendu d'expérience, le commentaire d'un graphique, la desciption d'un processus mais aussi à son insertion dans le monde professionnel : rédaction d'un CV ou d'une lettre de motivation en vue d'un stage... On proposera une initiation au débat ainsi qu'un entraînement à la certification CLES 2.

Le travail se fera par groupes de niveau.

Avoir déjà suivi des cours d’introduction à ’électronique/électronicinétique

Cette UE vise à explorer les grandes fonctions de l’électronique analogique (filtrage, amplification…) au travers d’une approche de type « système ». Les composants étudiés sont les diodes, transistors bipolaire, MOSFET, et amplificateurs opérationnels (linéaire et non-linéaire).

1. Généralité (loi élementaire, signaux alternatifs, théorème Thévenin/Norton)
2. Amplification (linéaire intégré ALi, operationnels AOP)
3. Filtrages (actif, passif, 1er et 2nd ordre) 4)Fonction non linéaire (avec et sans état évolutif, diodes et diode à jonction PN, transistor bipolaire)

Dans une première partie, les étudiants connaîtront les fonctions des composants électroniques élémentaires et sauront mettre en œuvre ces composants dans des circuits électriques pour réaliser des fonctions analogiques de base. Dans une seconde partie, ls étudiants connaîtront les mécanismes physiques sous-tendant la fonction des composants électroniques élémentaires et sauront mettre en œuvre ces composants dans des circuits électriques pour réaliser des fonctions analogiques de base.

méthodes algorithmiques simples et premières notions de C

• types de variables, déclarations -structure d'un programme, compilation
• fonctions simples, fonctions récursives, procédures
• types de variables, conversion de type, variables structurées, tableaux, opérateurs
• exécution conditionnelle, tests, boucles
• adresses, pointeurs, gestion de la mémoire
• gestion de fichiers, chaînes de caractères
• méthodes de tri (tri a bulles, quicksort), tirage aléatoire sans remise

programmation de méthodes numériques simples (pivot de Gauss, recherche de racines)

• simulation de modèles mathématiques simples (jeu de la vie, équations différentielles)
• maîtrise du langage C

Y. Kanetkar - Let us C, 16th edition, 2017, BPB Publications P. Deitel, H. Deitel - C How to Program. With an Introduction to C++, 2016, Pearson International M. Olsson - Modern C Quick Syntax Reference - A Pocket Guide to the Language, APIs, and Library, 2019, Apress

Fonctions d'une variable réelle, calcul différentiel et intégral réel

plan complexe, fonction d'une variable complexe, intégrale de chemin

• fonctions holomorphes
• suites et séries
• pôles et zéros, résidus, formules de Cauchy
• transformées de Laplace et de Fourier, convolution et applications

calcul avec les fonctions d'une variable complexe

• maîtrise de la convolution, des transformées de Fourier et de Laplace
• maîtrise de l’intégration dans le plan complexe

Walter Appel, Mathématiques pour la Physique et les Physiciens, H et K, 2017

D. G. Zill, P. D. Shanahan, A first course in complex analysis with applications, Jones and Bartlett Publishers, 2003

N.H. Asmar, L. Grafakos, Complex analysis with applications, 2018, Springer

Connaissances mathématiques: analyse complexe, équations différentielles linéaires, algèbre linéaire (diagonalisation de matrices)

• Connaissances physiques: la mécanique du point matériel

Introduction de la mécanique quantique par les expériences historiques importantes

• La mécanique quantique ondulatoire (équation de Schrödinger et son interprétation, puits de potentiel, effet tunnel)
• Les postulats généraux de la mécanique quantique (et les rappels mathématiques nécessaires), notations de Dirac
• La notion de spin et en particulier le spin 1/2 de l'électron, lien entre le spin et le moment magnétique
• Introduction aux "particules identiques", notion de bosons et fermions, principe d'exclusion de Pauli
• La statistique de Fermi-Dirac, premier modèle de conducteur quantique: le gaz de Fermi
• Introduction à la théorie des bandes dans les solides cristallins (modèle de Kronig-Penney)
• Introduction à la physique des semi-conducteurs

Appréhender la différence de comportement des " objets à très petite échelle" par rapport à ce que l'on connait à notre échelle,

• Connaitre les nouveaux outils/concepts nécessaires pour décrire le comportement quantique de la matière
• Comprendre comment ces nouveaux concepts permettent d'aboutir à une description précise des conducteurs et semi-conducteurs

Connaissances mathématiques: analyse complexe, équations différentielles linéaires, algèbre linéaire (diagonalisation de matrices)

• Connaissances physiques: la mécanique du point matériel

Physique des ondes et Onde électromagnétique dans le vide : propagation, dispertion

Acquérir les bases et les techniques, permettant la compréhension et la résolution des problèmes de physique dans les systèmes

Base mathématiques solides: fonction d’une variable réelle, suite de fonction, norme, calcul intégrale.

1. Probabilités discrètes 1.1 Issues, Probabilite´s, Variables Ale´atoires 1.2 Inde´pendance, Probabilite´s conditionnelles 1.3 Espe´rance, Variance

2. Probabilite´s continues 2.1 Probabilite´s, variables ale´atoires continue et lois à densités 2.2 Vecteurs de variables ale´atoires 2.3 Suite de variables ale´atoires et grands théorèmes

Savoir modéliser une expérience aléatoire, et calculer les probabilités associées. Premières illustration des statistiques à l’aide des grands théorèmes (loi des grands nombres et de la limite centrale).

Une bonne connaissance et une solide maîtrise de la théorie des circuits (électrocinétique/électronique) et une connaissance préliminaire des phénomènes électromagnétiques d’influence, déplacement, induction et propagation décrits par les équations de Maxwell dans le vide.

1 Electrodynamiques micro/macroscopique : 1.1 Espace-temps, masse et charge /1.2 De l’électrostatique à l’électrodynamique /1.3 Echelles mésoscopique et cinétique /1.4 Forces de Coulomb et Laplace /1.5 Conservation de la charge /1.6 Théorèmes de Helmholtz. 2 Equations de Maxwell : 2.1 Loi de Coulomb /2.2 Loi de Biot et Savart /2.3 Théorème de Gauss /2.4 Théorème d’Ampère /2.5 Loi de Faraday /2.6 Courant de déplacement /2.7 Equations de Maxwell dans le vide. 3 Sources, potentiels, énergies : 3.1Sources surfaciques/3.2 Potentiels /3.3 Densités d’énergies /3.4 Tenseur de Maxwell. 4 Milieux conducteurs : 4.1 Equilibre : théorèmes de Coulomb /4.2 Transport : loi d’Ohm, effet Hall /4.3 Simples et doubles couches / 4.4 Temps de Langmuir et Maxwell /4.5 Longueurs de London et Kelvin /4.6 Déformations : théorème d’Alfvèn. 5 Milieux diélectriques : 5.1 Dipôle électrique /5.2 Force et couple /5.3 Polarisation et déplacement /5.4 Formule de Poisson /5.5 Permittivité et dispersion /5.6 Anisotropie et gyrotropie. 6 Milieux magnétiques : 6.1 Dipôle magnétique /6.2 Force et couple /6.3 Magnétisation et induction /6.4 Champs interne et démagnétisant /6.5 Perméabilité et dispersion /6.6 Aimantation rémanente et champ coercitif. 7 Capacités et inductances localisées : 7.1 Déplacement, induction et propagation /7.2 Couplages capacitif et inductif /7.3 Lois de Kirchhoff /7.4 Puissances active et réactive. 8 Capacités et inductances réparties : 8.1 Modes TEM /8.2 Equation de télégraphistes /8.3 Impédances localisées /8.4 Impédance ramenée. 9 Energies et puissances : 9.1 Variables intensives et extensives /9.2 Effets strictif et calorique /9.3 Densités d’énergies ARQP /9.4 Théorèmes de Poynting /9.5 Théorèmes de Foster.

L’objectif de ce cours d’électromagnétisme dans la matière est de consolider la maîtrise des équations de Maxwell dans la matière au niveau L3 à travers une présentation classique des outils et méthodes de l’électrodynamique des milieux continus. La construction inductive des équations de Maxwell dans le vide est suivie par l’identification, la classification et l’étude des trois milieux classiques : conducteurs, diélectriques et milieux magnétiques. L’étude de l’assemblage de ces milieux en structures capacitives et inductives permet d’établir le lien entre théorie des champs (Maxwell) et théorie des circuits (Kirchoff). L’acquisition d’une vision unifiée de l’électrodynamique et de l’énergétique des champs et de la matière constitue l’objectif final de ce cours.

electromagnétisme, milieux, structures , energie Auteur : J-M Rax. Editeur : De Boeck, Collection : Physique, 320 pages, 131 figures, ISBN 978-2-8073-0693-6, 2017. Physique des plasmas Auteur : J-M Rax Editeur : Editions DUNOD, Collection : Sciences SUP, 426 pages, 173 figures, ISBN 2100072501 (1e édition 2005, 2e édition 2007, 3e édition 2013, 4e édition 2016, 5e édition 2018). physique de la conversion d’energie Auteur : J-M Rax Editeur : Editions EDP-Sciences, Collection : Savoir Actuels, 340 pages, 210 figures, ISBN-978-2-7598-0792-5, 2015.

Electrostatique, Magnétostatique et Electromagnétisme

Partie 1 : matériaux magnétiques (Adrien Mercier) Le cours vise à étudier les matériaux magnétiques les plus utilisés en génie électrique et que l'on peut regrouper en trois catégories : les matériaux paramagnétiques, ferromagnétiques doux et ferromagnétiques durs. La démarche est de constater les différentes caractéristiques B=f(H) selon la nature des matériaux et de les expliquer en étudiant le magnétisme dans la matière à l'échelle microscopique : moment magnétique de spin, organisation en domaine de Weiss.

Partie 2 : matériaux diélectriques (Sylvain Le Gall) -Dipôle électrostatique et polarité de molécules

• Aspects macroscopiques des matériaux diélectriques
• Aspects microscopique : mécanisme de polarisabilité et champ local Lorentz - Application : ferroélectricité, isolateur, condensateur diélectrique

Partie 1 : matériaux magnétiques : Savoir pour quelles raisons les matériaux magnétiques sont utilisés. Savoir calculer l'induction B, le champ H, l'aimantation M en tout point d'un circuit magnétique.

Partie 2 : matériaux diélectriques Appréhender les notions de champs électrique, induction et champs dépolarisant et polarisation dans un matériau diélectrique. Calcul du potentiel et champs électrique dans des différentes matières polarisées (sphère, colonne). Comprendre l’intérêt d’insérer un diélectrique dans un condensateur. Compréhension physique des mécanismes de polarisabilité microscopique.

Magnétisme et matériaux magnétiques pour l'électrotechnique, Pierre Brissonneau. 1997 -Electricité et magnétisme 2, cours de Physique de Berkeley, E . D. Purcell -Physique des diélectriques, JC Peuzin et D. Gignoux, EDP sciences -Electricité, G. Bruhat, Ed Paul Masson

Algèbre de Boole, fonctions logiques, simplification et codage Caractéristiques générales des circuits numériques (temps de propagation, comportement électrique, niveaux logiques) Méthodes de conception des circuits logique de base : compteurs, registres buffers trois états … Conception des circuits logiques de complexité croissante : additionneur/soustracteur, mémoires, LUT … Systèmes et circuits séquentiels (automates) : analyse, synthèse, verrous Circuits numériques programmables : PAL, GAL, SPLD et FPGA Description matérielle de haut niveau (langage VHDL), simulation Flot de conception et applications aux systèmes combinatoires et séquentiels Conversion analogique/numérique

A la fin de l'UE, l'étudiant devrait acquérir les connaissances en électronique numérique et savoir comment :

Concevoir un système numérique de base
Analyser un système séquentiel, décrire son fonctionnement avec un langage de description matérielle (VHDL) et réaliser la phase de simulation
Réaliser une implémentation sur une architecture à base d’un FPGA et les périphériques associés d’entrées/sorties

Reuse Methodology Manual For System On Chip Designs, Michael Keating and Pierre Bricaud–KluwerAcademic Publishers. VHDL: Du langage à la modélisation. R.Airiau, J.M.Bergé, V.Olive et J.Rouillard-CNET VHDL : Du langage au circuit, du circuit au langage. J.Weber et M.meaudre-Masson

Electrocinétique de L2 et L3 quelques outils mathématiques : série de Fourier, nombres complexes, quelques notions de base en magnétisme.

Systèmes monophasés - systèmes triphasés Circuits magnétiques Bobine à noyau de fer Transformateur monophasé en régime sinusoïdal Conversion électromécanique (machine à courant continu), Principes des convertisseurs statiques (hacheurs),

3 séances de TP sont prévues : transformateur monophasé, convertisseur dc-dc et dc-ac, moteur à courant continu

Bases sur l’énergie électrique et sa conversion, compréhension du fonctionnement de composants importants. Effectuer un bilan des puissances électriques (active, réactive et apparente) et calculer le rendement d’une installation. Déterminer et relever un facteur de puissance. Calculer des courants et tensions dans un circuit de puissance (valeurs efficace et moyenne). Fonctionnement du moteur à courant continu associé à son convertisseur.

"Génie électrotechnique"», collection : technique et ingénierie, Dunod, 2015, F. Warne.

" Energie électrique ", collection : Sciences Sup, Dunod, 2018, L. Lasne.

http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/

Analyse complexe ; Polynômes et décomposition en éléments simples d’une fraction rationnelle, fonction d’une variable réelle à valeur complexe, norme, produit scalaire, séries

Traitement du signal déterministe

1. Introduction générale: vocabulaire du signal et opérations de bases entre les signaux
2. Transformée de Fourier et analyse spectrale des signaux analogiques et numériques
3. Filtrage des signaux numériques (Transformée en Z, filtres FIR et IIR)
4. Théorème d'échantillonnage
5. Filtrage analogique (Transformée de Laplace et filtres dynamiques)

Responsable : Matthieu Kowalski

Asservissement et régulation à temps continu (C : 12h, TD : 8h, TP : 4h)

Notion de système entrée-sortie ; classification des signaux interagissant avec le système dynamique : commande, perturbation, sortie mesurée par capteur
Description par fonction de transfert à partir d’équations différentielles linéaires et à coefficients constants : notion de pôles et de zéros
Caractéristiques des systèmes du 1er et 2nd ordre
Stabilité Entrée-Bornée Sortie-Bornée : critère algébrique de Routh-Hurwitz ;
Réponses temporelle et fréquentielle : réponses impulsionnelles et indicielles, diagramme de Bode (gain et phase d’une fonction de transfert), marges de stabilité
Notion d’asservissement et de régulation : boucle de rétroaction, lacunes d’une commande en boucle ouverte et nécessité d’une commande en boucle fermée
Correction d’asservissement et synthèse de correcteurs dans le domaine fréquentiel : correcteurs P, PI, voire PID, à avance et retard de phase.

Responsable : françois Samouth

Calculer les transformées de Fourier selon le signal rencontré et savoir l’interpréter. Savoir utiliser les transformées en Z ou de Laplace pour étudier des filtres Comprendre les différences entre l’analogique et le numérique, les limites théoriques et pratiques du théorème d’échantillonnage.

Module Informatique Générale S5 et/ou Connaissance du langage C

Il s'agit des projets d'informatique se déroulant sur 9 semaines (travail en binômes). Les étudiants choisissent parmi une dizaine de sujets proposés, par exemple : évaluation d'expressions arithmétiques (pile RPN), synthèse des filtres, traitement d'images, calcul en précision arbitraire, optimisation combinatoire (problème de voyageur de commerce), algorithme de routage.

Equipe enseignante : Pawel Wzietek, Pavel Kalouguine, François Samouth

Le TEI s’inscrit dans la suite de l’enseignement d’informatique du S5 (langage C). Il s’agit d'abord de consolider et mettre en pratique les connaissances acquises en programmation C, ensuite d'apprendre les techniques permettant de conduire un projet un peu plus complexe et plus volumineux et travailler en équipe.

Module d'électronique analogique du S5

Projets d'électronique se déroulant sur 1 semaine à temps plein (travail en groupes de 4 en général). Les sujets proposés concernent le domaine d'électronique analogique ainsi que les bases d'interfaçage analogique-numérique. Exemples de projets : radar/télémètre à ultrasons, transmission de signaux analogiques par voie optique, amplificateur ECG, contrôle d'un moteur à l'aide d'un micro-contrôleur.

Equipe enseignante : Pawel Wzietek, Pavel Kalouguine, François Samouth

Acquérir une première expérience dans les différentes étapes de conception d'un circuit électronique : étude théorique et simulation, tests sur maquette, saisie du schéma et routage, fabrication du circuit imprimé final.

Notions de programmation avec un langage scientifique (C, C++,Python, …). Les TP se déroulant en Matlab, c’est un plus pour ceux l’ayant déjà pratiqué.

• Connaissance de la formule de Taylor pour le développement limité d’une fonction
• Connaissance théorique des méthodes approximations intégrales (rectangles, trapèzes,…)
• Résolution des équations différentielles ordinaires du premier ordre à coefficients constants

L’UE350 sert de module d’introduction à la simulation numérique. L’objectif est de donner les outils de bases permettant aux étudiants de faire des approximations numériques en se servant de l’ordinateur. Le cours s’articule en 5 chapitres

Chap 1 : Introduction générale

On y présente les principales étapes d’un modèle de simulation numérique

Chap 2 : Approximation des opérateurs de dérivation

On repart des notions vues au lycée sur le calcul des dérivées, pour établir les expressions utilisées pour l’approximation numérique d’une dérivée. On étudie plus particulièrement, la dérivation centrée. On applique cela sur les opérateurs différentiels tel que le gradient et le Laplacien en dimension 2.

Chap 3 : Approximation des intégrales

On s’inspire du cours sur le calcul des aires à partir d’une intégrale vue au lycée. On présente le calcul des intégrales sans avoir à calculer la primitive. On établit les relations nécessaires pour différentes méthodes d’approximation, méthode des rectangles, du point milieu, des trapèzes. On aborde aussi la méthode d’approximation de Gauss

Chap 4 : Résolution numériques des équations différentielles ordinaires

On se sert des notions vues au chapitre précédent pour construire les schémas numériques servant à la résolution des équations différentielles ordinaires. On établit les schémas d’Euler, Cranck Nicholson, Runge-Kutta

Chap 5 : Résolution des systèmes matricielles

On présente les principales difficultés dû à la présence de grands systèmes matriciels à résoudre. On présente alors les techniques directes et itératives qui peuvent être mises en place pour éviter d’avoir a calculer l’inverse d’une matrice. On présente pour les méthodes directes, la méthode du pivot de Gauss, la décomposition LU et pour les méthodes itératives, Gauss-Seidel, Jacobi et Relaxation.

RESP : Abelin Kameni

Calculer approximativement une dérivée Calculer approximativement une intégrale Résoudre numériquement une équation différentielle du premier ordre Discrétiser un opérateur différentiel Construire le problème discret à partir de la discrétisation de l’opérateur Laplacien

« Programmer en MATLAB », ISBN 2409028128, Eni Editions, Mohamed Fadhel Saad

« Analyse numérique », Licence 2 &3, Eric Canon, Vuibert, 2012

bases de l'électrocinétique et de la propagation des ondes

Apprentissage des fonctionnalités et possibilités des oscilloscopes numériques, multimètres et générateurs de signaux modernes.

• Caractéristiques et impédance des guides d'ondes coaxiaux, adaptation d'impédance, optimisation d'un câblage entre instruments et dispositifs.

Maitrise de l'utilisation des appareils électroniques intégrés modernes

Le stage doit se dérouler dans un labo ou une entreprise sur une période d'un mois (20 jours) pour une activité de recherche (un seul travail bibliographique n'est pas accepté). Pour un stage en entreprise, le stage doit être à caractère scientifique ou équivalent à un travail de "technicien supérieur" en lien avec une activité scientifique du domaine de l'E3A.