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)t4h(t)t21

Suatu sistem memiliki respons impuls h(t) = e−0,5tu(t). Masukannya adalah undak x(t) = 4·u(t). Cari keluaran y(8) pada t = 8 s.

h(t) = e−0,5tu(t)x(t) = 4·u(t)t = 8 s
y(8) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
δ(t)y′ + 4y = 5xh(t)

Suatu sistem memenuhi y′(t) + 4·y(t) = 5·x(t). Cari respons impulsnya pada t = 0,1 s, h(0,1).

y′ + 4y = 5xt = 0,1 s
h(0.1) =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 0,2f(0,2) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 5)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(0,2).

F(s) = 15/(s(s + 4)(s + 5))t = 0,2 s
f(0.2) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Selesaikan y″ + 7y′ + 10y = 0 dengan y(0) = 7 dan y′(0) = −15 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,3).

y″ + 7y′ + 10y = 0y(0) = 7y′(0) = −15t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 48,5/(s² + 9s + 97) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 48,5/(s² + 9s + 97)
tp = s
6.Respons langkahSulit
t (s)y(t)1tp​ = 1 s15 %

Respons langkah sebuah sistem orde dua tanpa nol menunjukkan overshoot 15 %, dan puncak pertama terjadi pada t = 1 s. Tentukan frekuensi alami ωn.

%OS = 15 %tp = 1 s
ωn = rad/s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 2

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 16(s + 15)/(s(s + 1)) pada ω = 2 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 16(s + 15)/(s(s + 1))ω = 2 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) = 114/(s(s + 4)(s + 5)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 114/(s(s + 4)(s + 5))
ω180 = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(8) = 7,853

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−0,5τ dτ = (4/0,5)·(1 − e−0,5t)

Hitung nilainya

y(8) = 8·(1 − e−4) = 7,853

Jawaban

y(8) = 7,853
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h(0.1) = 3,352

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)|.

Fungsi alih

H(s) = Y(s)/X(s) = 5/(s + 4)

Respons impuls

h(t) = 5·e−4tu(t)
h(0,1) = 5·e−0,4 = 3,352

Jawaban

h(0,1) = 3,352
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(0.2) = 0,1687

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 + 4) + C/(s + 5)
A = 15/(4·5) = 0,75
B = 15/((−4)·1) = −3,75
C = 15/((−5)·(−1)) = 3

Transformasi balik

f(t) = 0,75 − 3,75·e−4t + 3·e−5t

Hitung nilainya

f(0,2) = 0,75 − 3,75·e−4·0,2 + 3·e−5·0,2 = 0,1687

Jawaban

f(0,2) = 0,1687
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.3) = 3,733

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 − 7s − (−15) + 7(sY − 7) + 10Y = 0
Y(s) = (7s + 34)/((s + 2)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 20/3 = 6,667
B = −1/(−3) = 0,3333

Hasil

y(t) = 6,667·e−2t + 0,3333·e−5t
y(0,3) = 3,733

Jawaban

y(0,3) = 3,733

Periksa: y(0) = A + B = 7.

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,3586 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 = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,849) = 0,4569

Hasil

ωd = 9,849·√(1 − 0,4569²) = 8,761 rad/s → tp = π/ωd = 0,3586 s

Jawaban

tp = 0,3586 s
6.Respons langkah

Jawaban: ωn = 3,67 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).

Rasio redaman

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Frekuensi alami

ωd = π/tp = π/1 = 3,142 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 3,142/0,856 = 3,67 rad/s

Jawaban

ωn = 3,67 rad/s
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −145,8 °

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(2/15) − 90° − atan(2/1) = 7,595° − 90° − 63,43°

Hasil

∠G(j2) = −145,8°

Jawaban

∠G(jω) = −145,8°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ω180 = 4,472 rad/s

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/4)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(4·5) = 4,472 rad/s

Jawaban

ω180 = 4,472 rad/s

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