Guide d’optimisation des circuits dans QucsStudio

Qucs Studio est un puissant outil de simulation de circuits, et grâce à sa fonctionnalité « Circuit Optimizer », vous pouvez optimiser les valeurs de composants spécifiques pour obtenir le comportement souhaité du circuit. Cet article présente les étapes concrètes à suivre.

Étape 1 : Concevoir le circuit à optimiser

Le circuit à optimiser est le suivant : une source avec une impédance interne de 33 Ω est connectée à une résistance de charge. L’objectif est de maximiser la puissance fournie par cette source en déterminant la valeur optimale de la résistance de charge (R1).

Étape 2 : Analyser l’algorithme

Il est important de définir l’algorithme pour le calcul d’optimisation. La puissance consommée par R1 est définie comme « Power ». Elle est obtenue par le produit de la tension (« Voltage ») et du courant (« Current ») à travers R1.

Power = Voltage * Current

L’objectif est d’optimiser la valeur de R1 pour maximiser cette puissance. Il faut donc connaître les valeurs de « Voltage » et « Current ». Pour cela, nommez le nœud de tension à travers R1 « Voltage » et insérez une sonde de courant pour mesurer le courant, que vous nommerez « Current ».

Étape 3 : Configuration du composant d’optimisation

Pour effectuer l’optimisation, ajoutez le composant « Optimization » au circuit depuis la barre d’outils de Qucs Studio. Double-cliquez sur ce composant pour ouvrir le dialogue de configuration.

Étape 4 : Configuration des variables

Dans l’onglet « Variables » du dialogue d’optimisation, définissez les variables à ajuster durant le processus d’optimisation (ici, la résistance de charge). Spécifiez la valeur initiale, les valeurs minimale et maximale.

Étape 5 : Définir les objectifs

Dans l’onglet « Objectifs », configurez l’objectif de l’optimisation. Dans cet exemple, il s’agit de maximiser la puissance fournie par la source. Configurez « Power » comme paramètre à maximiser, comme montré ci-dessous.

Étape 6 : Définir les paramètres

Notez que « Power » est un paramètre que nous avons défini, il doit donc être configuré pour être pris en compte dans la simulation. Comme Power est le produit de Voltage et Current, définissez-le à l’aide de l’option Insert Equation.

Étape 7 : Exécuter la simulation

Une fois la configuration terminée, exécutez la simulation DC pour lancer l’optimisation. Lorsque le processus est terminé, les résultats sont affichés.

Étape 8 : Vérification et application des résultats

Après l’optimisation, placez un composant Tabular dans la section diagrammes pour vérifier les résultats. Dans cet exemple, l’optimisation a montré que la résistance de charge maximale est de 33 Ω. L’optimisation ne fournit pas toujours une valeur exacte, il est donc important d’ajuster les paramètres si nécessaire.

Annexe : Les méthodes d’optimisation de Qucs Studio

Qucs Studio propose plusieurs méthodes d’optimisation. Choisissez celle qui convient à votre situation.

1. Recherche par grille (Grid Search)
   • Cette méthode explore toutes les valeurs possibles dans une grille de variables.
   • Par exemple, si vous explorez des résistances de 0 à 100 Ω par incréments de 1 Ω, cette méthode teste chaque valeur de 0, 1, 2, etc.
   • Elle est efficace pour un petit nombre de variables et une plage restreinte, mais devient très lente si les variables sont nombreuses ou la plage trop étendue.
2. Descente de gradient (Steepest Descent) et méthode de Nelder-Mead
   • La descente de gradient trouve la direction de la plus forte pente vers la solution optimale.
   • Exemple : ajuster les valeurs de courant et de tension pour optimiser un comportement spécifique du circuit.
   • La méthode de Nelder-Mead considère plusieurs points simultanément, ce qui la rend moins sensible aux minima locaux, mais peut prendre plus de temps à calculer.
3. Évolution différentielle (Differential Evolution, DE)
   • Cette méthode est particulièrement efficace pour les problèmes complexes avec plusieurs solutions locales optimales.
   • Exemple : optimiser un grand circuit avec plusieurs transistors et résistances en ajustant les valeurs de chaque composant pour améliorer les performances globales. Cet algorithme utilise la randomisation pour explorer une large gamme de solutions et trouver les meilleures combinaisons.
   • Elle nécessite un temps de calcul plus long, mais peut trouver des solutions difficiles à atteindre avec les méthodes traditionnelles.

Conclusion

Le « Circuit Optimizer » de Qucs Studio est un outil très utile pour la conception de circuits. En suivant les étapes décrites dans cet article, vous pouvez optimiser vos conceptions et obtenir des résultats de simulation plus efficaces.

📌 Voir l’ordre de lecture recommandé (Roadmap)

➡️ À lire ensuite : Analyse Monte Carlo (vérification des tolérances)