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) = (3s + 38)/(s² + 2s + 10) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,3).
F(s) = (3s + 38)/(s² + 2s + 10)t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Transformasi LaplaceSulit
Selesaikan y″ + 8y′ + 12y = 0 dengan y(0) = −5 dan y′(0) = −4 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,2).
y″ + 8y′ + 12y = 0y(0) = −5y′(0) = −4t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Diagram blokSedang
Plant G(s) = 8/(s + 5) memiliki loop umpan balik negatif dalam (minor) dengan penguatan H₁ = 2. Penguatan pengendali K = 9 dan loop umpan balik negatif satuan luar menutup sistem. Tentukan kutub loop tertutup p.
G(s) = 8/(s + 5)H₁ = 2K = 9
p =
4.Diagram blokSulit
Pengendali proporsional K = 7 menggerakkan plant G(s) = 1/(s + 10) dalam loop umpan balik negatif satuan. Sebuah gangguan D masuk di masukan plant (ditambahkan ke keluaran pengendali). Masukan langkah referensi berukuran 5 dan gangguan langkah berukuran 0,5 diberikan bersamaan. Tentukan keluaran keadaan tunak css.
K = 7G(s) = 1/(s + 10)D = 0,5R = 5
css =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 68/(s² + 9s + 34) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.
G(s) = 68/(s² + 9s + 34)
tp = s
6.Respons langkahSulit
Rangkaian RLC seri dengan R = 447 Ω, L = 200 mH, dan C = 1 µF dihubungkan ke langkah 12 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan frekuensi alami tak teredam ωn dalam rad/s.
R = 447 ΩL = 200 mHC = 1 µFV = 12 V
ωn = rad/s
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
Loop pada diagram menggunakan umpan balik positif, dengan L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 6)). Berapa banyak kutub loop tertutup N yang terletak di setengah bidang kanan?
L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 6))
N =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
Suatu loop umpan balik satuan memiliki L(s) = K(s + 1)/(s(s + 2)(s + 5)(s + 10)). Cari titik σa tempat asimtot tempat kedudukan akar memotong sumbu real.
L(s) = K(s + 1)/(s(s + 2)(s + 5)(s + 10))
σa =
9.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
Suatu loop umpan balik satuan dengan G(s) = K/(s(s + 4)) harus mengikuti ramp r(t) = 2t dengan galat keadaan tunak 0,01. Cari penguatan K.
G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 2tess = 0,01
K =
10.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
Pengendali PI C(s) = Kp + Ki/s mengendalikan plant G(s) = 5/(s + 4) dalam loop umpan balik satuan. Loop tertutup harus memiliki ωₙ = 4 rad/s dan ζ = 0,8. Cari penguatan integral Ki.
G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,8
Ki =
11.Plot Bode dan marginSedang
Pada filter lolos pita RLC seri yang ditunjukkan, keluaran diambil di seberang R = 5 Ω, dengan L = 5 mH dan C = 4,7 µF. Cari frekuensi pusat (resonansi) f0 dalam Hz.
R = 5 ΩL = 5 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz
12.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4)). Cari margin penguatan GM dalam dB.
L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 4))
GM = dB
3Larutan
1.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.3) = 8,152
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).
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
s²Y − (−5)s − (−4) + 8(sY − (−5)) + 12Y = 0
Y(s) = (−5s − 44)/((s + 2)(s + 6))
Pecahan parsial
A = −34/4 = −8,5
B = −14/(−4) = 3,5
Hasil
y(t) = −8,5·e−2t + 3,5·e−6t
y(0,2) = −4,644
Jawaban
y(0,2) = −4,644
Periksa: y(0) = A + B = −5.
3.Diagram blok
Jawaban: p = −93
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).
Fungsi alih
C/D = G/(1 + K·G) = 1/(s + 10 + 7)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 7/(s + 10 + 7)
Keadaan tunak
css = 5·7/17 + 0,5·1/17 = 2,088
Jawaban
css = 2,088
K yang lebih besar mengurangi pengaruh gangguan, tetapi tidak pernah sampai nol dengan pengendali proporsional.
5.Respons langkah
Jawaban: tp = 0,8472 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).
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).
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: N = 1
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 + 7s² + 6s − 10 = 0
Larik Routh
s³: 1, 6
s²: 7, −10
s¹: 7,429
s⁰: −10
Perubahan tanda pada kolom pertama
1 → 7 → 7,429 → −10
N = 1
Jawaban
N = 1
Umpan balik positif membuat koefisien konstanta negatif: satu kutub real selalu berpindah ke setengah bidang kanan.
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: σa = −5,333
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.
Kutub dan nol
kutub: 0, −2, −5, −10
nol: −1
n − m = 4 − 1 = 3
Titik berat
σa = (−17 − (−1))/3 = −5,333
Jawaban
σa = −5,333
3 asimtot berangkat dari titik berat pada sudut 60°, 180°, 300°.
9.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: K = 800
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 = 2/0,01 = 200
Penguatan
K = 4·Kv = 800
Jawaban
K = 800
Penguatan yang besar membuat loop ini sangat sedikit teredam: ζ = 0,07071. Pertentangan itulah alasan kompensator digunakan.
10.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: Ki = 3,2
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
1 + C(s)G(s) = 0, dikalikan dengan s(s + 4).
s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki
Polinomial target
s² + 2·0,8·4s + 4² = s² + 6,4s + 16
Samakan koefisien-koefisiennya
5Ki = 16 → Ki = 3,2
Jawaban
Ki = 3,2
Suku integral membuat loop bertipe 1, sehingga undak diikuti tanpa galat keadaan tunak.
11.Plot Bode dan margin
Jawaban: f0 = 1038 Hz
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/√(0,005·4,7 × 10⁻⁶) = 6523 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1038 Hz
Jawaban
f0 = 1038 Hz
12.Plot Bode dan margin
Jawaban: GM = 6,021 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.