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
Buat sketsa kedua sinyal dan catat di mana masing-masing tidak nol.
Balikkan h dan geser: untuk setiap waktu keluaran, cari rentang tempat kedua sinyal tumpang tindih.
Kalikan dan jumlahkan (diskret) atau kalikan dan integralkan (kontinu) hanya pada tumpang tindih itu.
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
Suatu sistem memiliki respons impuls h(t) = e−2tu(t). Masukannya adalah undak x(t) = 4·u(t). Cari keluaran y(0,25) pada t = 0,25 s.
h(t) = e−2tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 0,25 s
y(0.25) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
Suatu sistem memenuhi y[n] = −0,5·y[n − 1] + 0,5·x[n] dan mulai dari keadaan diam. Masukannya adalah undak satuan x[n] = u[n]. Cari y[3].
y[n] = −0,5y[n − 1] + 0,5x[n]x[n] = u[n]
y[3] =
3.Transformasi LaplaceSedang
Tentukan f(t) untuk F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 4)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,6).
F(s) = 40/(s(s + 2)(s + 4))t = 0,6 s
f(0.6) =
4.Transformasi LaplaceSulit
Sebuah sistem dinyatakan oleh persamaan diferensial y″ + 7y′ + 10y = 12u, dengan masukan u(t) dan keluaran y(t). Tentukan fungsi alihnya G(s) = Y(s)/U(s) (syarat awal nol) dan hitung respons impuls g(t) pada t = 0,25 s. Tentukan g(0,25).
y″ + 7y′ + 10y = 12ut = 0,25 s
g(0.25) =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 186/(s² + 3s + 62) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.
G(s) = 186/(s² + 3s + 62)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
Sebuah massa m = 4 kg tergantung pada pegas k = 500 N/m dengan peredam kental c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 25 N tiba-tiba diberikan. Tentukan simpangan terbesar xmax dalam mm.
m = 4 kgk = 500 N/mc = 9 N·s/mF = 25 N
xmax = mm
7.Plot Bode dan marginSedang
Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 33(s + 12)/(s(s + 6)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.
G(s) = 33(s + 12)/(s(s + 6))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 190/(s(s + 20)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.
L(s) = 190/(s(s + 20))
ωc = rad/s
3Larutan
1.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: y(0.25) = 0,7869
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).
Konvolusi dengan undak
y(t) = 4·∫₀ᵗ e−2τ dτ = (4/2)·(1 − e−2t)
Hitung nilainya
y(0,25) = 2·(1 − e−0,5) = 0,7869
Jawaban
y(0,25) = 0,7869
2.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: y[3] = 0,3125
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)|.
Iterasi
y[0] = 0,5
y[1] = 0,25
y[2] = 0,375
y[3] = 0,3125
Hasil
y[3] = 0,5·(1 − (−0,5)4)/(1 − (−0,5)) = 0,3125
Jawaban
y[3] = 0,3125
3.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.6) = 2,442
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 + 4)
A = 40/(2·4) = 5
B = 40/((−2)·2) = −10
C = 40/((−4)·(−2)) = 5
Transformasi balik
f(t) = 5 − 10·e−2t + 5·e−4t
Hitung nilainya
f(0,6) = 5 − 10·e−2·0,6 + 5·e−4·0,6 = 2,442
Jawaban
f(0,6) = 2,442
4.Transformasi Laplace
Jawaban: g(0.25) = 1,28
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).
Fungsi alih
G(s) = Y(s)/U(s) = 12/(s² + 7s + 10)
Pecahan parsial
s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 4, B = −4
Respons impuls
g(t) = 4·e−2t − 4·e−5t
g(0,25) = 1,28
Jawaban
g(0,25) = 1,28
5.Respons langkah
Jawaban: %OS = 54,35 %
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 = 62 → ωₙ = 7,874 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7,874) = 0,1905
Hasil
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,6096 = 54,35 %
Jawaban
%OS = 54,35 %
6.Respons langkah
Jawaban: xmax = 86,39 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) = √(500/4) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(500·4)) = 0,1006
Hasil
xst = F/k = 25/500 m = 50 mm
%OS = 72,78 %
xmax = 50·(1 + 0,7278) = 86,39 mm
Jawaban
xmax = 86,39 mm
7.Plot Bode dan margin
Jawaban: ∠G(jω) = −92,38 °
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.
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.