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
Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
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.
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
Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Soal latihan
1.Transformasi LaplaceSedang
Tentukan f(t) untuk F(s) = (4s + 27)/(s² + 10s + 25) dan hitung f(0,25).
F(s) = (4s + 27)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Transformasi LaplaceSulit
Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t), dengan y(0) = 5 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,3).
Plant G(s) = 39/(s + 8) dikendalikan dalam loop umpan balik negatif yang sensornya memiliki penguatan H = 0,1. Sebuah masukan langkah berukuran 2 diberikan pada R. Tentukan keluaran keadaan tunak css.
G(s) = 39/(s + 8)H = 0,1R = 2
css =
4.Diagram blokSulit
Plant G(s) = K/(s(s + 4)(s + 7)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Gunakan kriteria Routh–Hurwitz untuk mencari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.
G(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))umpan balik negatif satuan
Kmax =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 43/(s² + 9s + 43) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.
G(s) = 43/(s² + 9s + 43)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 115/(s(s + 2)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 115/(s(s + 2))
ts = s
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
Loop pada diagram bekerja dengan K = 10 dan L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)). Berapa kali lipat m penguatan dapat dinaikkan sebelum loop tertutup menjadi tidak stabil?
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))K = 10
m =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
Tempat kedudukan akar dari L(s) = K/(s(s + 6)) ditampilkan. Cari penguatan K agar kutub loop tertutup memiliki rasio redaman ζ = 0,707.
L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0,707
K =
9.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
Ramp r(t) = 4t diberikan ke loop umpan balik satuan dengan G(s) = 20/(s(s + 5)(s + 10)). Cari galat keadaan tunak ess.
G(s) = 20/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 4t
ess =
10.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
Pengendali PI C(s) = 1 + 1/s mengendalikan plant G(s) = 4/((s + 5)(s + 10)) dalam loop umpan balik satuan. Cari galat keadaan tunak ess untuk masukan ramp r(t) = 2t.
C(s) = 1 + 1/sG(s) = 4/((s + 5)(s + 10))r(t) = 2t
ess =
11.Plot Bode dan marginSedang
Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 20 Ω, dengan L = 100 mH dan C = 2,2 µF. Cari faktor kualitas Q.
R = 20 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
Q =
12.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 340/(s(s + 10)). Cari margin fasa PM dalam derajat.
L(s) = 340/(s(s + 10))
PM = °
3Larutan
1.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.25) = 1,647
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).
Faktorkan penyebut
s² + 10s + 25 = (s + 5)²
Pecahan parsial
4s + 27 = 4(s + 5) + 7
F(s) = 4/(s + 5) + 7/(s + 5)²
Transformasi balik
f(t) = 4·e−5t + 7·t·e−5t
f(0,25) = (4 + 7·0,25)·e−5·0,25 = 1,647
Jawaban
f(0,25) = 1,647
2.Transformasi Laplace
Jawaban: y(0.3) = 4,045
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 + 8s + 15)·Y(s) = 5s + 40 + 30/s
Y(s) = (5s² + 40s + 30)/(s(s + 3)(s + 5))
Pecahan parsial
A = 30/(3·5) = 2
B = −45/((−3)·2) = 7,5
C = −45/((−5)·(−2)) = −4,5
Hasil
y(t) = 2 + 7,5·e−3t − 4,5·e−5t
y(0,3) = 4,045
Jawaban
y(0,3) = 4,045
Periksa: y(0) = A + B + C = 5.
3.Diagram blok
Jawaban: css = 6,555
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).
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 + 11s² + 28s + K = 0
Larik Routh
s³ | 1 28
s² | 11 K
s¹ | (11·28 − K)/11
s⁰ | K
Batas kestabilan
Semua entri kolom pertama harus positif.
Kmax = 11·28 = 308
Jawaban
Kmax = 308
5.Respons langkah
Jawaban: ωn = 6,557 rad/s
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 = 43 → ωₙ = 6,557 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,557) = 0,6862
Hasil
ωₙ = 6,557 rad/s
Jawaban
ωn = 6,557 rad/s
6.Respons langkah
Jawaban: ts = 4 s
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).
Untuk loop ini ζωₙ = a/2 berapa pun K: menaikkan K menambah overshoot tetapi tidak memperpendek waktu penetapan.
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: m = 2
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.
Larik Routh
s³ + 5s² + 4s + K = 0
s³: 1, 4
s²: 5, K
s¹: (5·4 − K)/5
s⁰: K
Penguatan stabil terbesar
Kmax = 5·4 = 20
Faktor
m = 20/10 = 2
Jawaban
m = 2
Faktor ini adalah margin penguatan sebagai rasio: 6,021 dB.
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: K = 18,01
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.
Bandingkan dengan bentuk baku
s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,707·ωₙ = 6 → ωₙ = 4,243 rad/s
Penguatan
K = ωₙ² = 4,243² = 18,01
Jawaban
K = 18,01
Kutub loop tertutup berada di tempat garis ζ memotong cabang vertikal di s = −3.
9.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: ess = 10
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
Kv = lim s·G(s) = 0,4
Galat ramp
ess = 4/0,4 = 10
Jawaban
ess = 10
10.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: ess = 25
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).
Konstanta kecepatan
s·C(s) = 1s + 1 → 1 untuk s → 0.
Kv = 1·4/50 = 0,08
Galat ramp
ess = 2/0,08 = 25
Jawaban
ess = 25
Pengendali PI menghilangkan galat undak sepenuhnya; ramp diikuti dengan ketertinggalan yang konstan.
11.Plot Bode dan margin
Jawaban: Q = 10,66
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 resonansi
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2 × 10⁻⁶) = 2132 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 339,3 Hz
Faktor kualitas
BW = R/L = 20/0,1 = 200 rad/s = 31,83 Hz
Q = ω₀/BW = 2132/200 = 10,66
Jawaban
Q = 10,66
12.Plot Bode dan margin
Jawaban: PM = 30,27 °
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.