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) = 1 untuk 0 ≤ t < 1 s (nol di tempat lain) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−5tu(t). Cari keluaran y(3) pada t = 3 s, setelah pulsa berakhir.
x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = e−5tu(t)t = 3 s
y(3) =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
Suatu deretan pulsa memiliki tinggi 4, lebar pulsa 3 ms, dan periode 10 ms. Cari amplitudo c1 harmonisa nomor 1, pada 100 Hz.
A = 4τ = 3 msT = 10 ms
c1 =
3.Transformasi LaplaceSedang
Tentukan f(t) untuk F(s) = (s + 14)/(s² + 4s + 4) dan hitung f(0,3).
F(s) = (s + 14)/(s² + 4s + 4)t = 0,3 s
f(0.3) =
4.Transformasi LaplaceSulit
Sebuah sistem dinyatakan oleh persamaan diferensial y″ + 9y′ + 20y = 3u′ + 8u, 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″ + 9y′ + 20y = 3u′ + 8ut = 0,25 s
g(0.25) =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 62/(s² + 7s + 62) dan menerima masukan langkah satuan. Kutubnya s = σ ± jωd. Tentukan bagian riil σ.
G(s) = 62/(s² + 7s + 62)
σ =
6.Respons langkahSulit
Sebuah massa m = 8 kg tergantung pada pegas k = 2000 N/m dengan peredam kental c = 101 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 20 N tiba-tiba diberikan. Cari rasio redaman ζ.
m = 8 kgk = 2000 N/mc = 101 N·s/mF = 20 N
ζ =
7.Plot Bode dan marginSedang
Filter lolos rendah RC yang ditunjukkan memiliki R = 10 kΩ, C = 22 nF. Masukan sinusoidal 360 Hz diberikan. Cari penguatan |H| = |vout/vin| dalam dB.
R = 10 kΩC = 22 nFf = 360 Hz
|H| = dB
8.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 16/(s(s + 2)(s + 3)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 16/(s(s + 2)(s + 3))
ω180 = rad/s
3Larutan
1.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: y(3) = 9,019 × 10⁻⁶
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).
Keluaran di akhir pulsa
y(1) = (1/5)(1 − e−5) = 0,1987
Peluruhan setelah pulsa
y(3) = 0,1987·e−5·2 = 9,019 × 10⁻⁶
Jawaban
y(3) = 9,019 × 10⁻⁶
2.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: c1 = 2,06
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)|.
Siklus kerja
D = 3/10 = 0,3
Amplitudo harmonisa
c1 = (2·4/(1π))·|sin(1π·0,3)| = 2,06
Jawaban
c1 = 2,06
3.Transformasi Laplace
Jawaban: f(0.3) = 2,525
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
s + 14 = 1(s + 2) + 12
F(s) = 1/(s + 2) + 12/(s + 2)²
Transformasi balik
f(t) = e−2t + 12·t·e−2t
f(0,3) = (1 + 12·0,3)·e−2·0,3 = 2,525
Jawaban
f(0,3) = 2,525
4.Transformasi Laplace
Jawaban: g(0.25) = 0,534
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) = (3s + 8)/(s² + 9s + 20)
Pecahan parsial
s² + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
A = −4, B = 7
Respons impuls
g(t) = −4·e−4t + 7·e−5t
g(0,25) = 0,534
Jawaban
g(0,25) = 0,534
5.Respons langkah
Jawaban: σ = −3,5
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 = 7 → ζ = 7/(2·7,874) = 0,4445
Hasil
σ = −ζωₙ = −7/2 = −3,5
Jawaban
σ = −3,5
6.Respons langkah
Jawaban: ζ = 0,3992
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) = √(2000/8) = 15,81 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 101/(2·√(2000·8)) = 0,3992
Hasil
ζ = 0,3992
Jawaban
ζ = 0,3992
7.Plot Bode dan margin
Jawaban: |H| = −0,9609 dB
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/(10000·2,2 × 10⁻⁸) = 4545 rad/s
fc = 723,4 Hz → f/fc = 360/723,4 = 0,4976
Penguatan
|H| = 1/√(1 + 0,4976²) = 0,8953
20·log₁₀(0,8953) = −0,9609 dB
Jawaban
|H| = −0,9609 dB
8.Plot Bode dan margin
Jawaban: ω180 = 2,449 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.