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)t10h(t)t11

Suatu sistem memiliki respons impuls h(t) = e−1tu(t). Masukannya adalah undak x(t) = 10·u(t). Cari keluaran y(0,2) pada t = 0,2 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 0,2 s
y(0.2) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
5cos(7,5t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

Masukan x(t) = 5·cos(7,5t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 2·e−10tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.

h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 5cos(7,5t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

F(s) = (s + 32)/(s² + 7s + 12). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−3t + B·e−4t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (s + 32)/(s² + 7s + 12)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t), dengan y(0) = 2 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 1. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,25).

y″ + 8y′ + 15y = 30·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0,25 s
y(0.25) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2tp​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 134/(s² + 9s + 67) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu puncak tp dari respons langkah.

G(s) = 134/(s² + 9s + 67)
tp = s
6.Respons langkahSulit
k = 400 N/mc = 57 N·s/mm = 8 kgF = 50 Nx(t)

Sebuah massa m = 8 kg tergantung pada pegas k = 400 N/m dengan peredam kental c = 57 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 50 N tiba-tiba diberikan. Tentukan persen overshoot %OS dari simpangan.

m = 8 kgk = 400 N/mc = 57 N·s/mF = 50 N
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 2

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 5(s + 13)/(s(s + 2)) pada ω = 2 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 5(s + 13)/(s(s + 2))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)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 2,6/(s(s + 2)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 2,6/(s(s + 2))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(0.2) = 1,813

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) = 10·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (10/1)·(1 − e−1t)

Hitung nilainya

y(0,2) = 10·(1 − e−0,2) = 1,813

Jawaban

y(0,2) = 1,813
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: Ym = 0,8

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) = 2/(10 + jω)

Penguatan pada frekuensi masukan

|H(j7,5)| = 2/√(10² + 7,5²) = 0,16
Ym = 5·0,16 = 0,8

Jawaban

Ym = 0,8
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 29

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).

Faktorkan penyebut

s² + 7s + 12 = (s + 3)(s + 4)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 4)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 3) dan masukkan s = −3: suku B lenyap.

A = (s + 32)/(s + 4) |s = −3 = 29/1 = 29

Jawaban

A = 29
(B = −28, jadi f(t) = 29·e−3t − 28·e−4t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.25) = 2

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 + 8s + 15)·Y(s) = 2s + 16 + 30/s
Y(s) = (2s² + 16s + 30)/(s(s + 3)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 30/(3·5) = 2
B = 0/((−3)·2) = 0
C = 0/((−5)·(−2)) = 0

Hasil

y(t) = 2
y(0,25) = 2

Jawaban

y(0,25) = 2

Periksa: y(0) = A + B + C = 2.

5.Respons langkah

Jawaban: tp = 0,4595 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 = 67 → ωₙ = 8,185 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8,185) = 0,5498

Hasil

ωd = 8,185·√(1 − 0,5498²) = 6,837 rad/s → tp = π/ωd = 0,4595 s

Jawaban

tp = 0,4595 s
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 16 %

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) = √(400/8) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 57/(2·√(400·8)) = 0,5038

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16 %

Jawaban

%OS = 16 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −126,3 °

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(2/13) − 90° − atan(2/2) = 8,746° − 90° − 45°

Hasil

∠G(j2) = −126,3°

Jawaban

∠G(jω) = −126,3°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 1,131 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 penguatan

ω⁴ + 4ω² − 6,76 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·6,76))/2 = 1,28
ωc = 1,131 rad/s

Jawaban

ωc = 1,131 rad/s

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