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)t24h(t)t23

Sinyal x(t) tidak nol hanya antara t = 2 s dan t = 4 s, dan h(t) hanya antara t = 2 s dan t = 3 s. Cari waktu tstart saat y(t) = x(t) ∗ h(t) dimulai.

x: 2 … 4 sh: 2 … 3 s
tstart = s
2.Konvolusi & sistem LTISulit
x(t)t (ms)1020403−3

Gelombang segitiga naik dan turun secara linear antara −3 dan +3 dengan periode T = 20 ms. Cari amplitudo c5 komponen Fourier-nya pada 250 Hz.

±3T = 20 msf = 250 Hz
c5 =
3.Transformasi LaplaceSedang
t (s)f(t)t = 1f(1) = ?

Tentukan f(t) untuk F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3)) dengan pecahan parsial, lalu hitung f(1).

F(s) = 50/(s(s + 1)(s + 3))t = 1 s
f(1) =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,75y(0,75) = ?

Selesaikan y″ + 6y′ + 5y = 0 dengan y(0) = 9 dan y′(0) = 1 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,75).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 9y′(0) = 1t = 0,75 s
y(0.75) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)1?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 89/(s² + 10s + 89) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan persen overshoot %OS dari respons langkah.

G(s) = 89/(s² + 10s + 89)
%OS = %
6.Respons langkahSulit
R(s)+135s(s + 8)G(s)C(s)−

Loop umpan balik negatif satuan memiliki G(s) = 135/(s(s + 8)). Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah loop tertutup, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 135/(s(s + 8))
ts = s
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 10

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 41(s + 17)/(s(s + 3)) pada ω = 10 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 41(s + 17)/(s(s + 3))ω = 10 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = K/(s(s + 2)(s + 7)). Cari penguatan K yang memberi margin penguatan 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 7))GM = 20 dB
K =

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: tstart = 4 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 = 2 + 2 = 4 s
tend = 4 + 3 = 7 s

Jawaban

tstart = 4 s

Jawaban

tstart = 4 s
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: c5 = 0,09727

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)|.

Nomor harmonisa

f₀ = 1/T = 50 Hz → k = 5

Amplitudo

c5 = 8·3/(π²·5²) = 0,09727

Jawaban

c5 = 0,09727
3.Transformasi Laplace

Jawaban: f(1) = 7,885

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 + 1) + C/(s + 3)
A = 50/(1·3) = 16,67
B = 50/((−1)·2) = −25
C = 50/((−3)·(−2)) = 8,333

Transformasi balik

f(t) = 16,67 − 25·e−t + 8,333·e−3t

Hitung nilainya

f(1) = 16,67 − 25·e−1 + 8,333·e−3·1 = 7,885

Jawaban

f(1) = 7,885
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.75) = 5,373

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 − 9s − 1 + 6(sY − 9) + 5Y = 0
Y(s) = (9s + 55)/((s + 1)(s + 5))

Pecahan parsial

A = 46/4 = 11,5
B = 10/(−4) = −2,5

Hasil

y(t) = 11,5·e−t − 2,5·e−5t
y(0,75) = 5,373

Jawaban

y(0,75) = 5,373

Periksa: y(0) = A + B = 9.

5.Respons langkah

Jawaban: %OS = 14,04 %

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 = 89 → ωₙ = 9,434 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9,434) = 0,53

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,963 = 14,04 %

Jawaban

%OS = 14,04 %
6.Respons langkah

Jawaban: ts = 1 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) = 135/(s² + 8s + 135): ωₙ = 11,62 rad/s, ζ = 0,3443

Waktu penetapan

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

Jawaban

ts = 1 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) = −132,8 °

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(10/17) − 90° − atan(10/3) = 30,47° − 90° − 73,3°

Hasil

∠G(j10) = −132,8°

Jawaban

∠G(jω) = −132,8°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: K = 12,6

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/7) = 1 → ω180 = √(2·7) = 3,742 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 49)) = K/(2·7·(2 + 7)) = K/126

Penguatan yang diperlukan

126/K = 1020/20 = 10
K = 126/10 = 12,6

Jawaban

K = 12,6

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