Sinyal dan Sistem: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 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

Konvolusi & sistem LTI

Konvolusi diskret
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
Konvolusi kontinu
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
Panjang dan jumlah
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
Awal, akhir, dan luas
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
Undak ke e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
Sistem orde satu
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
Rekursi orde satu
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
Sinusoida melalui h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
Amplitudo deret Fourier
persegi ±A: 4A/(kπ), k ganjil; segitiga ±A: 8A/(π²k²), k ganjil; deretan pulsa: A·D dan (2A/(kπ))|sin kπD|

Metode

  1. Buat sketsa kedua sinyal dan catat di mana masing-masing tidak nol.
  2. Balikkan h dan geser: untuk setiap waktu keluaran, cari rentang tempat kedua sinyal tumpang tindih.
  3. Kalikan dan jumlahkan (diskret) atau kalikan dan integralkan (kontinu) hanya pada tumpang tindih itu.
  4. Periksa hasilnya: keluaran dimulai pada jumlah waktu-waktu awal, berakhir pada jumlah waktu-waktu akhir, dan luas atau jumlahnya adalah hasil kali luas atau jumlah masukan.

2Soal latihan

1.Konvolusi & sistem LTISedang
x(t)t01h(t)t12

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 0 s dan t = 1 s, dan h(t) hanya antara t = 1 s dan t = 2 s. Cari waktu tstart saat y(t) = x(t) ∗ h(t) dimulai.

x: 0 … 1 sh: 1 … 2 s
tstart = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
10cos(30t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 10·cos(30t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 10·e−10tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−55

Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 8)/(s² + 6s + 34) dengan melengkapkan kuadrat, lalu hitung f(0,2).

F(s) = (s + 8)/(s² + 6s + 34)t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t), dengan y(0) = 1 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,2).

y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,2 s
y(0.2) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 92/(s² + 13s + 92) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.

G(s) = 92/(s² + 13s + 92)
ζ =
6.Respons langkahSulit
R(s)+165s(s + 6)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 165/(s(s + 6)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 165/(s(s + 6))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−20020406080100ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 0,5

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 45(s + 9)/(s(s + 4)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 45(s + 9)/(s(s + 4))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 76/(s(s + 2)(s + 10)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 76/(s(s + 2)(s + 10))
GM = dB

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tstart = 1 s

Konvolusi kontinu: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Balikkan h, geser ke posisi t, lalu integralkan hasil kali bagian-bagian yang tumpang tindih. Untuk sinyal kausal integralnya berjalan dari 0 sampai t. Hasil yang berguna: luas y sama dengan luas x dikali luas h; jika x berlangsung dari t₁ sampai t₂ dan h dari t₃ sampai t₄, maka y berlangsung dari t₁ + t₃ sampai t₂ + t₄. Untuk h(t) = e−atu(t) dan undak setinggi A, y(t) = (A/a)(1 − e−at).

Awal dan akhir

tstart = 0 + 1 = 1 s
tend = 1 + 2 = 3 s

Jawaban

tstart = 1 s

Jawaban

tstart = 1 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ym = 3,162

Respons impuls dan deret Fourier: respons impuls h(t) menggambarkan sistem LTI sepenuhnya: untuk y′ + a·y = b·x responsnya h(t) = b·e−atu(t), dan untuk y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] responsnya h[n] = b·aⁿu[n]. Sinusoida cos ωt melewatinya dengan penguatan |H(jω)| dan fase ∠H(jω), dengan H adalah transformasi Fourier dari h. Sinyal periodik adalah jumlah harmonisa pada k/T: gelombang persegi ±A hanya memiliki harmonisa ganjil dengan amplitudo 4A/(kπ), gelombang segitiga dengan puncak A memiliki 8A/(π²k²), dan deretan pulsa setinggi A dengan siklus kerja D memiliki rata-rata A·D dan harmonisa (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

Respons frekuensi

H(jω) = 10/(10 + jω)

Penguatan pada frekuensi masukan

|H(j30)| = 10/√(10² + 30²) = 0,3162
Ym = 10·0,3162 = 3,162

Jawaban

Ym = 3,162
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.2) = 0,7583

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).

Lengkapkan kuadrat

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 25 = (s + 3)² + 5²

Cocokkan pembilangnya

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (5/5)·5/((s + 3)² + 5²)

Transformasi balik

f(t) = e−3t·(cos 5t + sin 5t)
f(0,2) = e−3·0,2·(cos(5·0,2) + sin(5·0,2)) = 0,7583

Jawaban

f(0,2) = 0,7583
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.2) = 1,26

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 + 5s + 6)·Y(s) = 1s + 5 + 24/s
Y(s) = (s² + 5s + 24)/(s(s + 2)(s + 3))

Pecahan parsial

A = 24/(2·3) = 4
B = 18/((−2)·1) = −9
C = 18/((−3)·(−1)) = 6

Hasil

y(t) = 4 − 9·e−2t + 6·e−3t
y(0,2) = 1,26

Jawaban

y(0,2) = 1,26

Periksa: y(0) = A + B + C = 1.

5.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,6777

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 = 92 → ωₙ = 9,592 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,592) = 0,6777

Hasil

ζ = 0,6777

Jawaban

ζ = 0,6777
6.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,333 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).

Fungsi alih loop tertutup

T(s) = 165/(s² + 6s + 165): ωₙ = 12,85 rad/s, ζ = 0,2335

Waktu penetapan

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s

Untuk loop ini ζωₙ = a/2 berapa pun K: menaikkan K menambah overshoot tetapi tidak memperpendek waktu penetapan.

7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −93,95 °

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.

Jumlahkan sudut

∠G = atan(0,5/9) − 90° − atan(0,5/4) = 3,18° − 90° − 7,125°

Hasil

∠G(j0,5) = −93,95°

Jawaban

∠G(jω) = −93,95°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 9,988 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.

Persilangan fasa

(ω/2)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(2·10) = 4,472 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 100)) = K/(2·10·(2 + 10)) = K/240

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(240/76) = 9,988 dB

Jawaban

GM = 9,988 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/signals-and-systems