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) = 10 untuk 0 ≤ t < 2 s dikonvolusikan dengan h(t), sebuah segitiga yang turun secara linear dari 1 pada t = 0 ke 0 pada t = 2 s. Cari luas Ay di bawah y(t) = x(t) ∗ h(t).
x(t) = 10, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(2) = 0
Ay =
2.Konvolusi & sistem LTISulit
Gelombang persegi berpindah antara +5 dan −5 dengan periode T = 5 ms (setengah periode pada setiap level). Cari amplitudo c7 komponen Fourier-nya pada 1400 Hz.
±5T = 5 msf = 1400 Hz
c7 =
3.Transformasi LaplaceSedang
F(s) = (s + 13)/(s² + 15s + 56). Transformasi baliknya berbentuk f(t) = A·e−7t + B·e−8t. Tentukan koefisien A dengan pecahan parsial.
F(s) = (s + 13)/(s² + 15s + 56)
A =
4.Transformasi LaplaceSulit
Selesaikan y″ + 6y′ + 5y = 0 dengan y(0) = 5 dan y′(0) = −3 memakai transformasi Laplace, lalu tentukan y(1,2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = −3t = 1,2 s
y(1.2) =
5.Respons langkahSedang
Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 17/(s² + 6s + 17) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan frekuensi alami ωn dalam rad/s.
G(s) = 17/(s² + 6s + 17)
ωn = rad/s
6.Respons langkahSulit
Sebuah massa m = 0,5 kg tergantung pada pegas k = 1000 N/m dengan peredam kental c = 27 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Dalam keadaan seimbang diam, gaya konstan F = 100 N tiba-tiba diberikan. Tentukan waktu tp saat simpangan terbesar.
m = 0,5 kgk = 1000 N/mc = 27 N·s/mF = 100 N
tp = s
7.Plot Bode dan marginSedang
Filter lolos tinggi RC yang ditunjukkan memiliki R = 1 kΩ, C = 10 nF. Masukan sinusoidal 4 kHz diberikan. Cari pergeseran fasa φ dari vout relatif terhadap vin, dalam derajat.
R = 1 kΩC = 10 nFf = 4 kHz
φ = °
8.Plot Bode dan marginSulit
Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 82/(s(s + 5)(s + 6)). Cari frekuensi persilangan fasa ω180, tempat ∠L(jω) = −180°.
L(s) = 82/(s(s + 5)(s + 6))
ω180 = rad/s
3Larutan
1.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: Ay = 20
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 = 10·2 = 20
∫h dt = ½·2·1 = 1
Luas keluaran
Ay = 20·1 = 20
Jawaban
Ay = 20
2.Konvolusi & sistem LTI
Jawaban: c7 = 0,9095
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 = 200 Hz → k = 1400/200 = 7
Amplitudo
c7 = 4·5/(7π) = 0,9095
Jawaban
c7 = 0,9095
3.Transformasi Laplace
Jawaban: A = 6
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 + 15s + 56 = (s + 7)(s + 8)
F(s) = A/(s + 7) + B/(s + 8)
Aturan tutup (cover-up)
Kalikan dengan (s + 7) dan masukkan s = −7: suku B lenyap.
A = (s + 13)/(s + 8) |s = −7 = 6/1 = 6
Jawaban
A = 6
(B = −5, jadi f(t) = 6·e−7t − 5·e−8t)
4.Transformasi Laplace
Jawaban: y(1.2) = 1,655
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 − (−3) + 6(sY − 5) + 5Y = 0
Y(s) = (5s + 27)/((s + 1)(s + 5))
Pecahan parsial
A = 22/4 = 5,5
B = 2/(−4) = −0,5
Hasil
y(t) = 5,5·e−t − 0,5·e−5t
y(1,2) = 1,655
Jawaban
y(1,2) = 1,655
Periksa: y(0) = A + B = 5.
5.Respons langkah
Jawaban: ωn = 4,123 rad/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 = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,123) = 0,7276
Hasil
ωₙ = 4,123 rad/s
Jawaban
ωn = 4,123 rad/s
6.Respons langkah
Jawaban: tp = 0,08812 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).
Frekuensi alami dan rasio redaman
ωₙ = √(k/m) = √(1000/0,5) = 44,72 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(1000·0,5)) = 0,6037
Hasil
ωd = 35,65 rad/s
tp = π/ωd = 0,08812 s
Jawaban
tp = 0,08812 s
7.Plot Bode dan margin
Jawaban: φ = 75,89 °
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/(1000·1 × 10⁻⁸) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 4000/15915 = 0,2513
Fasa
φ = 90° − atan(0,2513) = 75,89°
Jawaban
φ = 75,89°
8.Plot Bode dan margin
Jawaban: ω180 = 5,477 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.