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) = 45/(s(s + 2)(s + 5)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,4).
F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Transformasi LaplaceSulit
Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t). Sistem mulai dari keadaan diam (y(0) = 0, y′(0) = 0) dan masukannya adalah fungsi langkah u(t) = 1 untuk t ≥ 0. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari keluaran y(0,1).
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 56/(s² + 6s + 56) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.
G(s) = 56/(s² + 6s + 56)
ζ =
6.Respons langkahSulit
Sebuah massa m = 8 kg tergantung pada pegas k = 1000 N/m dengan peredam kental c = 89 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 = 8 kgk = 1000 N/mc = 89 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
Loop pada diagram bekerja dengan K = 120 dan L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10)). Berapa kali lipat m penguatan dapat dinaikkan sebelum loop tertutup menjadi tidak stabil?
L(s) = K/(s(s + 2)(s + 10))K = 120
m =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
Tempat kedudukan akar dari L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −4. Cari titik pencar sb.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 5))
sb =
9.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
Masukan r(t) = 10 + 0,5t (undak ditambah ramp) diberikan ke loop umpan balik satuan dengan G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 2)). Cari galat keadaan tunak ess.
G(s) = 10/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 10 + 0,5t
ess =
10.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
Pengendali proporsional K = 16 mengendalikan plant G(s) = 5/(s(s + 4)) dalam loop umpan balik satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.
G(s) = 5/(s(s + 4))K = 16
tp = s
11.Plot Bode dan marginSedang
Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 1 kΩ, C = 1 nF. Masukan sinusoidal 80 kHz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.
R = 1 kΩC = 1 nFf = 80 kHz
|H| = dB
12.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 174/(s(s + 4)(s + 7)). Cari margin penguatan GM dalam dB.
L(s) = 174/(s(s + 4)(s + 7))
GM = dB
3Larutan
1.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.4) = 1,536
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 + 2) + C/(s + 5)
A = 45/(2·5) = 4,5
B = 45/((−2)·3) = −7,5
C = 45/((−5)·(−3)) = 3
Transformasi balik
f(t) = 4,5 − 7,5·e−2t + 3·e−5t
Hitung nilainya
f(0,4) = 4,5 − 7,5·e−2·0,4 + 3·e−5·0,4 = 1,536
Jawaban
f(0,4) = 1,536
2.Transformasi Laplace
Jawaban: y(0.1) = 0,09262
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
Y(s) = 24/(s(s + 2)(s + 6))
Pecahan parsial
A = 24/(2·6) = 2
B = 24/((−2)·4) = −3
C = 24/((−6)·(−4)) = 1
Haluaran
y(t) = 2 − 3·e−2t + e−6t
y(0,1) = 0,09262
Jawaban
y(0,1) = 0,09262
3.Diagram blok
Jawaban: ess = 0,1389
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) = 36/5 = 7,2
Galat keadaan tunak
ess = A/Kᵥ = 1/7,2 = 0,1389
Jawaban
ess = 0,1389
4.Diagram blok
Jawaban: ω = 7,416 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 + 14s² + 55s + 42 + K = 0
Larik Routh
s³ | 1 55
s² | 14 42 + K
s¹ | (14·55 − 42 − K)/14
s⁰ | 42 + K
Batas kestabilan
Semua entri kolom pertama harus positif.
Kmax = 14·55 − 42 = 728
Frekuensi osilasi
14·(jω)² + 42 + 728 = 0 → ω² = 770/14 = 55
ω = 7,416 rad/s
Jawaban
ω = 7,416 rad/s
5.Respons langkah
Jawaban: ζ = 0,4009
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 = 56 → ωₙ = 7,483 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7,483) = 0,4009
Hasil
ζ = 0,4009
Jawaban
ζ = 0,4009
6.Respons langkah
Jawaban: xmax = 116,5 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) = √(1000/8) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 89/(2·√(1000·8)) = 0,4975
Hasil
xst = F/k = 100/1000 m = 100 mm
%OS = 16,5 %
xmax = 100·(1 + 0,165) = 116,5 mm
Jawaban
xmax = 116,5 mm
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 + 12s² + 20s + K = 0
s³: 1, 20
s²: 12, K
s¹: (12·20 − K)/12
s⁰: K
Penguatan stabil terbesar
Kmax = 12·20 = 240
Faktor
m = 240/120 = 2
Jawaban
m = 2
Faktor ini adalah margin penguatan sebagai rasio: 6,021 dB.
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar
Jawaban: sb = −1,472
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) = −s(s + 4)(s + 5) = −(s³ + 9s² + 20s)
Titik stasioner
dK/ds = −(3s² + 18s + 20) = 0
s = (−18 ± √(324 − 240))/6 = −1,472, −4,528
Pilih titik pada tempat kedudukan
Tempat kedudukan terletak pada sumbu real di antara 0 dan −4; akar yang lain bukan bagian dari tempat kedudukan.
sb = −1,472
Jawaban
sb = −1,472
9.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: ess = 0,1
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) = 5
Bagian undak
Kp = ∞ → estep = 0
Galat ramp
ess = 0,5/5 = 0,1
Jawaban
ess = 0,1
10.Galat keadaan tunak & kendali PID
Jawaban: tp = 0,3604 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 + 4) + 16·5 = s² + 4s + 80
ωₙ dan ζ
ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
ζ = 4/(2·8,944) = 0,2236
Waktu puncak
ωd = 8,944·√(1 − 0,2236²) = 8,718 rad/s
tp = π/8,718 = 0,3604 s
Jawaban
tp = 0,3604 s
11.Plot Bode dan margin
Jawaban: |H| = −0,9783 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/(1000·1 × 10⁻⁹) = 1000000 rad/s
fc = 159155 Hz → f/fc = 80000/159155 = 0,5027
Penguatan
|H| = 1/√(1 + 0,5027²) = 0,8935
20·log₁₀(0,8935) = −0,9783 dB
Jawaban
|H| = −0,9783 dB
12.Plot Bode dan margin
Jawaban: GM = 4,96 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.