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
Pulsa x(t) = 4 untuk 0 ≤ t < 3 s dikonvolusikan dengan h(t), sebuah segitiga yang turun secara linear dari 3 pada t = 0 ke 0 pada t = 4 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 3, h(4) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
Masukan x(t) = 5·cos(10t) diberikan ke sistem dengan h(t) = 2·e−10tu(t). Cari amplitudo Ym keluaran keadaan tunak.
h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 5cos(10t)
Ym =
3.Transformasi LaplaceSedang
Tentukan f(t) untuk F(s) = (2s + 8)/(s² + 4s + 4) dan hitung f(0,75).
F(s) = (2s + 8)/(s² + 4s + 4)t = 0,75 s
f(0.75) =
4.Transformasi LaplaceSulit
Selesaikan y″ + 6y′ + 5y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = −9 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(0,3).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = −9t = 0,3 s
y(0.3) =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 73/(s² + 13s + 73) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.
G(s) = 73/(s² + 13s + 73)
ζ =
6.Respons langkahSulit
Rangkaian RLC seri dengan R = 300 Ω, L = 500 mH, dan C = 2 µF dihubungkan ke langkah 24 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan tegangan puncak kapasitor vC,max.
R = 300 ΩL = 500 mHC = 2 µFV = 24 V
vC,max = V
7.Plot Bode dan marginSedang
Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 1 kΩ, C = 2,2 nF. Masukan sinusoidal 18 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.
R = 1 kΩC = 2,2 nFf = 18 kHz
φ = °
8.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 10/(s(s + 1)(s + 7))
ω180 = rad/s
3Larutan
1.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: Ay = 72
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).
Luas masukan-masukan
∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = ½·4·3 = 6
Luas keluaran
Ay = 12·6 = 72
Jawaban
Ay = 72
2.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: Ym = 0,7071
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(j10)| = 2/√(10² + 10²) = 0,1414
Ym = 5·0,1414 = 0,7071
Jawaban
Ym = 0,7071
3.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.75) = 1,116
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 + 4s + 4 = (s + 2)²
Pecahan parsial
2s + 8 = 2(s + 2) + 4
F(s) = 2/(s + 2) + 4/(s + 2)²
Transformasi balik
f(t) = 2·e−2t + 4·t·e−2t
f(0,75) = (2 + 4·0,75)·e−2·0,75 = 1,116
Jawaban
f(0,75) = 1,116
4.Transformasi Laplace
Jawaban: y(0.3) = 3,186
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 − 5s − (−9) + 6(sY − 5) + 5Y = 0
Y(s) = (5s + 21)/((s + 1)(s + 5))
Pecahan parsial
A = 16/4 = 4
B = −4/(−4) = 1
Hasil
y(t) = 4·e−t + e−5t
y(0,3) = 3,186
Jawaban
y(0,3) = 3,186
Periksa: y(0) = A + B = 5.
5.Respons langkah
Jawaban: ζ = 0,7608
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 = 73 → ωₙ = 8,544 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·8,544) = 0,7608
Hasil
ζ = 0,7608
Jawaban
ζ = 0,7608
6.Respons langkah
Jawaban: vC,max = 32,94 V
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 = 1/√(LC) = 1/√(0,5·2 × 10⁻⁶) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (300/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,5) = 0,3
Hasil
%OS = 37,23 %
vC,max = 24·(1 + 0,3723) = 32,94 V
Jawaban
vC,max = 32,94 V
7.Plot Bode dan margin
Jawaban: φ = −13,97 °
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.
Frekuensi sudut
ωc = 1/(RC) = 1/(1000·2,2 × 10⁻⁹) = 454545 rad/s
fc = 72343 Hz → f/fc = 18000/72343 = 0,2488
Fasa
φ = − atan(0,2488) = −13,97°
Jawaban
φ = −13,97°
8.Plot Bode dan margin
Jawaban: ω180 = 2,646 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.