Teknik Kendali 1: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 12 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Kestabilan
semua akar polinomial karakteristik berada di setengah bidang kiri
tabel Routh, entri s¹ dari polinomial kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Akar di setengah bidang kanan
jumlah perubahan tanda pada kolom pertama
Polinomial kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil bila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan karakteristik
1 + K·G(s) = 0
Asimtot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pencar dan titik temu
dK/ds = 0
Syarat besar
K = 1/|G(s)|
Sudut keberangkatan
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Metode

  1. Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
  2. Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
  3. Hitung perubahan tanda pada kolom pertama: masing-masing adalah satu kutub di setengah bidang kanan. Dengan K dalam tabel, syaratkan bahwa setiap entri kolom pertama tetap positif.
  4. Untuk tempat kedudukan akar, tandai kutub dan nol, segmen sumbu real, asimtot dari titik berat, dan titik pisah di tempat dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk penguatan di suatu titik.

Galat keadaan tunak & kendali PID

Tipe sistem
jumlah kutub G(s) di s = 0
Konstanta galat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Undak A
ess = A/(1 + Kp)
Ramp A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengendali PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Target orde dua
s² + 2ζωns + ωn²
Lewatan dan waktu
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metode

  1. Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
  2. Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
  3. Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
  4. Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Soal latihan

1.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 1,2f(1,2) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(1,2).

F(s) = 25/(s(s + 1)(s + 4))t = 1,2 s
f(1.2) =
2.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t), dengan y(0) = 2 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 10. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Diagram blokSedang
R(s)+16s(s + 1)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 16/(s(s + 1)). Referensinya adalah ramp r(t) = 1·t. Tentukan galat keadaan tunak ess.

G(s) = 16/(s(s + 1))r(t) = 1·t
ess =
4.Diagram blokSulit
R(s)+K(s + 4)(s + 6)(s + 8)G(s)C(s)−

Plant G(s) = K/((s + 4)(s + 6)(s + 8)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Pada penguatan stabil terbesar, loop berosilasi. Tentukan frekuensi osilasi ω dalam rad/s.

G(s) = K/((s + 4)(s + 6)(s + 8))umpan balik negatif satuan
ω = rad/s
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 69/(s² + 2s + 23) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 69/(s² + 2s + 23)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
k = 2000 N/mc = 60 N·s/mm = 20 kgF = 100 Nx(t)

Sebuah massa m = 20 kg tergantung pada pegas k = 2000 N/m dengan peredam kental c = 60 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 100 N tiba-tiba diberikan. Tentukan simpangan terbesar xmax dalam mm.

m = 20 kgk = 2000 N/mc = 60 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+K1(s + 2)(s + 3)(s + 4)C(s)−

Suatu loop umpan balik satuan memiliki L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4)), dengan K > 0. Cari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4

Tempat kedudukan akar dari L(s) = K(s + 12)/(s(s + 5)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −5, melingkar, lalu bergabung kembali dengan sumbu real di sebelah kiri nol. Cari titik pencar sb.

L(s) = K(s + 12)/(s(s + 5))
sb =
9.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
r(t) = 1t+Ks(s + 2)C(s)−

Suatu loop umpan balik satuan dengan G(s) = K/(s(s + 2)) harus mengikuti ramp r(t) = 1t dengan galat keadaan tunak 0,02. Cari penguatan K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0,02
K =
10.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
R(s)+K = 202s(s + 10)C(s)−

Pengendali proporsional K = 20 mengendalikan plant G(s) = 2/(s(s + 10)) dalam loop umpan balik satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 20
tp = s
11.Plot Bode dan marginSedang
vin​R = 3,3 kΩC = 4,7 nFvout​

Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 3,3 kΩ, C = 4,7 nF. Masukan sinusoidal 100 kHz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 3,3 kΩC = 4,7 nFf = 100 kHz
|H| = dB
12.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 3800/(s(s + 20)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 3800/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Transformasi Laplace

Jawaban: f(1.2) = 3,757

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Pecahan parsial

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 4)
A = 25/(1·4) = 6,25
B = 25/((−1)·3) = −8,333
C = 25/((−4)·(−3)) = 2,083

Transformasi balik

f(t) = 6,25 − 8,333·e−t + 2,083·e−4t

Hitung nilainya

f(1,2) = 6,25 − 8,333·e−1,2 + 2,083·e−4·1,2 = 3,757

Jawaban

f(1,2) = 3,757
2.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 2,263

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt mengubah turunan menjadi perkalian dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan baku: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), dan pergeseran s → s + σ mengalikan fungsi waktu dengan e−σt. Untuk membalik F(s) rasional, uraikan menjadi pecahan parsial: residu sebuah kutub tunggal p adalah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorema nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), hanya berlaku jika semua kutub s·F(s) berada di setengah bidang kiri. Teorema nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Transformasikan persamaannya

(s² + 3s + 2)·Y(s) = 2s + 6 + 20/s
Y(s) = (2s² + 6s + 20)/(s(s + 1)(s + 2))

Pecahan parsial

A = 20/(1·2) = 10
B = 16/((−1)·1) = −16
C = 16/((−2)·(−1)) = 8

Hasil

y(t) = 10 − 16·e−t + 8·e−2t
y(0,2) = 2,263

Jawaban

y(0,2) = 2,263

Periksa: y(0) = A + B + C = 2.

3.Diagram blok

Jawaban: ess = 0,0625

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Konstanta galat kecepatan

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 16/1 = 16

Galat keadaan tunak

ess = A/Kᵥ = 1/16 = 0,0625

Jawaban

ess = 0,0625
4.Diagram blok

Jawaban: ω = 10,2 rad/s

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Persamaan karakteristik

s³ + 18s² + 104s + 192 + K = 0

Larik Routh

s³ | 1 104
s² | 18 192 + K
s¹ | (18·104 − 192 − K)/18
s⁰ | 192 + K

Batas kestabilan

Semua entri kolom pertama harus positif.

Kmax = 18·104 − 192 = 1680

Frekuensi osilasi

18·(jω)² + 192 + 1680 = 0 → ω² = 1872/18 = 104
ω = 10,2 rad/s

Jawaban

ω = 10,2 rad/s
5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 51,18 %

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·4,796) = 0,2085

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,6698 = 51,18 %

Jawaban

%OS = 51,18 %
6.Respons langkah

Jawaban: xmax = 81,04 mm

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = √(k/m) = √(2000/20) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 60/(2·√(2000·20)) = 0,15

Hasil

xst = F/k = 100/2000 m = 50 mm
%OS = 62,09 %
xmax = 50·(1 + 0,6209) = 81,04 mm

Jawaban

xmax = 81,04 mm
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: Kmax = 210

Kriteria Routh–Hurwitz: sistem linear stabil bila setiap akar polinomial karakteristiknya terletak di setengah bidang kiri pada bidang-s. Tulis koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh. Setiap entri baris baru berasal dari dua baris di atasnya; untuk polinomial kubik a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ entri s¹ adalah b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Jumlah perubahan tanda pada kolom pertama sama dengan jumlah akar di setengah bidang kanan. Dengan penguatan K pada koefisien, setiap entri kolom pertama harus tetap positif: penguatan yang membuat entri s¹ sama dengan nol adalah batas kestabilan, dan baris s² kemudian memberikan frekuensi osilasi yang terus-menerus.

Polinomial karakteristik

s³ + 9s² + 26s + 24 + K = 0

Larik Routh

s³: 1, 26
s²: 9, 24 + K
s¹: (9·26 − 24 − K)/9
s⁰: 24 + K

Syarat

Entri s¹ harus tetap positif.

K < 9·26 − 24 = 210

Jawaban

Kmax = 210

Pada batas itu loop berosilasi pada ω = √26 = 5,099 rad/s.

8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: sb = −2,835

Tempat kedudukan akar: saat penguatan K bergerak dari 0 ke ∞, kutub loop tertutup, yaitu akar 1 + K·G(s) = 0, bergerak dari kutub loop terbuka menuju nol loop terbuka atau menuju tak hingga. Suatu titik pada sumbu real termasuk dalam tempat kedudukan bila jumlah kutub dan nol real di sebelah kanannya ganjil. n − m cabang yang menuju tak hingga mengikuti asimtot pada sudut (2q + 1)·180°/(n − m), yang berawal dari titik berat σₐ = (Σ kutub − Σ nol)/(n − m). Cabang meninggalkan atau bergabung dengan sumbu real di tempat dK/ds = 0. Syarat sudut ∠G(s) = 180° menentukan bentuknya, dan syarat besar K = 1/|G(s)| memberikan penguatan di titik mana pun pada tempat kedudukan.

Penguatan sepanjang sumbu real

K(s) = −(s² + 5s)/(s + 12)

Titik stasioner

Turunkan dengan aturan hasil bagi dan samakan pembilang dengan nol.

(2s + 5)(s + 12) − (s² + 5s) = s² + 24s + 60 = 0
s = −12 ± √84 = −2,835, −21,17

Titik pencar

sb = −2,835

Jawaban

sb = −2,835

Di antara titik pencar dan titik temu, tempat kedudukan berupa lingkaran yang berpusat di nol, dengan jari-jari √84 = 9,165.

9.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: K = 100

Galat keadaan tunak: dalam loop umpan balik satuan dengan fungsi alih loop terbuka G(s), galatnya adalah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan menurut teorema nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Tipe sistem adalah jumlah kutub G(s) di s = 0. Konstanta galat adalah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Masukan undak berukuran A memberikan ess = A/(1 + Kp), ramp A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Loop tipe 0 mengikuti undak dengan galat terhingga, loop tipe 1 mengikutinya dengan tepat dan mengikuti ramp dengan galat terhingga.

Konstanta kecepatan yang diperlukan

Kv = A/ess = 1/0,02 = 50

Penguatan

K = 2·Kv = 100

Jawaban

K = 100

Penguatan yang besar membuat loop ini sangat sedikit teredam: ζ = 0,1. Pertentangan itulah alasan kompensator digunakan.

10.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: tp = 0,8112 s

Kendali P, PI, dan PID: pengendali C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bekerja pada galat. Penguatan proporsional membuat loop lebih cepat dan mengurangi galat plant tipe 0, tetapi tidak pernah menghilangkannya. Suku integral menambahkan kutub di s = 0: tipe sistem naik satu, dan undak diikuti tanpa galat. Suku turunan menambah redaman. Untuk memilih penguatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan bandingkan dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomial karakteristik

s(s + 10) + 20·2 = s² + 10s + 40

ωₙ dan ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 10/(2·6,325) = 0,7906

Waktu puncak

ωd = 6,325·√(1 − 0,7906²) = 3,873 rad/s
tp = π/3,873 = 0,8112 s

Jawaban

tp = 0,8112 s
11.Plot Bode dan margin

Jawaban: |H| = −19,82 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Frekuensi sudut

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·4,7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 100000/10261 = 9,745

Penguatan

|H| = 1/√(1 + 9,745²) = 0,1021
20·log₁₀(0,1021) = −19,82 dB

Jawaban

|H| = −19,82 dB
12.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 60,04 rad/s

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Persilangan penguatan

ω⁴ + 400ω² − 1,444 × 10⁷ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,444 × 10⁷))/2 = 3605
ωc = 60,04 rad/s

Jawaban

ωc = 60,04 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1