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)t1

Masukan x(t) = 4·e−2tu(t) diberikan ke sistem dengan h(t) = e−0,5tu(t). Cari keluaran y(1) pada t = 1 s.

x(t) = 4·e−2tu(t)h(t) = e−0,5tu(t)t = 1 s
y(1) =
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 = 2 s, h(2).

y′ + 4y = 5xt = 2 s
h(2) =
3.Transformasi LaplaceSedang
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (3s + 23)/(s² + 12s + 32). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−4t + B·e−8t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.

F(s) = (3s + 23)/(s² + 12s + 32)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Sebuah sistem memenuhi y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t), dengan y(0) = 4 dan y′(0) = 0. Pada t = 0 diberikan masukan langkah u(t) = 4. Gunakan transformasi Laplace untuk mencari y(0,1).

y″ + 5y′ + 6y = 6·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,1 s
y(0.1) =
5.Respons langkahSedang
t (s)y(t)3

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 288/(s² + 16s + 96) dan menerima masukan langkah satuan. Cari rasio redaman ζ.

G(s) = 288/(s² + 16s + 96)
ζ =
6.Respons langkahSulit
+−5 VR = 18 ΩL = 10 mHC = 47 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 18 Ω, L = 10 mH, dan C = 47 µF dihubungkan ke langkah 5 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan persen overshoot %OS dari tegangan kapasitor.

R = 18 ΩL = 10 mHC = 47 µFV = 5 V
%OS = %
7.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,010,010,10,1111010100100−20020406080ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 0,5

Cari fasa ∠G(jω) dari G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 6)) pada ω = 0,5 rad/s, dalam derajat.

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 6))ω = 0,5 rad/s
∠G(jω) = °
8.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 600/(s(s + 20)). Cari frekuensi persilangan penguatan ωc, tempat |L(jω)| = 1.

L(s) = 600/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3Larutan

1.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: y(1) = 1,257

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).

Integral konvolusi

y(t) = 4e−0,5t∫₀ᵗ e−(2 − 0,5)τ dτ = 4(e−0,5t − e−2t)/(1,5)

Hitung nilainya

y(1) = 4·(0,6065 − 0,1353)/(1,5) = 1,257

Jawaban

y(1) = 1,257
2.Konvolusi & sistem LTI

Jawaban: h(2) = 0,001677

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(2) = 5·e−8 = 0,001677

Jawaban

h(2) = 0,001677
3.Transformasi Laplace

Jawaban: A = 2,75

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 + 12s + 32 = (s + 4)(s + 8)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 8)

Aturan tutup (cover-up)

Kalikan dengan (s + 4) dan masukkan s = −4: suku B lenyap.

A = (3s + 23)/(s + 8) |s = −4 = 11/4 = 2,75

Jawaban

A = 2,75
(B = 0,25, jadi f(t) = 2,75·e−4t + 0,25·e−8t)
4.Transformasi Laplace

Jawaban: y(0.1) = 4

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 + 5s + 6)·Y(s) = 4s + 20 + 24/s
Y(s) = (4s² + 20s + 24)/(s(s + 2)(s + 3))

Pecahan parsial

A = 24/(2·3) = 4
B = 0/((−2)·1) = 0
C = 0/((−3)·(−1)) = 0

Hasil

y(t) = 4
y(0,1) = 4

Jawaban

y(0,1) = 4

Periksa: y(0) = A + B + C = 4.

5.Respons langkah

Jawaban: ζ = 0,8165

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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 16 → ζ = 16/(2·9,798) = 0,8165

Hasil

ζ = 0,8165

Jawaban

ζ = 0,8165
6.Respons langkah

Jawaban: %OS = 8,517 %

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/√(0,01·4,7 × 10⁻⁵) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (18/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,01) = 0,617

Hasil

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 8,517 %

Jawaban

%OS = 8,517 %
7.Plot Bode dan margin

Jawaban: ∠G(jω) = −85,3 °

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(0,5/3) − 90° − atan(0,5/6) = 9,462° − 90° − 4,764°

Hasil

∠G(j0,5) = −85,3°

Jawaban

∠G(jω) = −85,3°
8.Plot Bode dan margin

Jawaban: ωc = 20,8 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 + 400ω² − 360000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·360000))/2 = 432,5
ωc = 20,8 rad/s

Jawaban

ωc = 20,8 rad/s

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