SISTEM KENDALI KLASIK
Pemodelan Matematika
Analisis
Diagram Bode, Nyquist, Nichols
Step & Impulse Response
Gain / Phase Margins
Root Locus
Disain
Simulasi
MODEL MATEMATIKA
MODEL MATEMATIKA
Rancangan dari sistem kendali membutuhkan rumus model
matematika dari sistem.
Mengapa harus dengan model matematika ?
Agar kita dapat merancang dan menganalisis sistem kendali.
Misalnya:
Bagaimana hubungan antara input dan output.
Bagaimana memprediksi/menggambarkan perilaku dinamik
dari sistem kendali tersebut.
Dua metoda untuk mengembangkan model matematika dari
sistem kendali:
1.
Fungsi Pindah (
Transfer Function
) dalam domain frekuensi
(menggunakan Transformasi Laplace).
2.
Persamaan-persamaan Ruang Keadaan (
State Space
RANGKAIAN RLC
V(t) L R C i(t)( )
R( )
L( )
C( )
v t
v t
v t
v t
Persamaan Diferensial Biasa dapat menggambarkan perilaku dinamik sistem fisik (hubungan input vs output) seperti sistem mekanik menggunakan Hukum Newton dan sistem kelistrikan menggunakan Hukum Kirchoff.
Contoh: Rangkaian RLC, jika V(t) adalah Input; i(t) adalah Output
Menggunakan KVL: 0
( )
1
( )
R( )
di t
t( )
v t
v t
L
i
d
dt
C
Menggunakan persamaan diferensial :
• Apakah dapat menjadi persamaan aljabar sederhana ?
• Apakah mudah menggambarkan hubungan antara Input dan Ouput dari sistem ?
Jika jawabannya adalah tidak untuk ketiga pertanyaan
diatas, maka kita membutuhkan transformasi Laplace.
Transformasi Laplace memberikan:
Representasi dari Input, Ouput dan Sistem sebagai satuan-satuan terpisah.
Hubungan aljabar sederhana antara Input, Output dan Sistem.
Keterbatasan dari Transformasi Laplace :
Bekerja dalam domain frekuensi.
TRANSFORMASI LAPLACE
Time Domain Circuit Time Domain Circuit s-Domain CircuitL
1L
x(t)
y(t)
X(s)
Y(s)
s j Complex Frequency2 Types of s-Domain Circuits
With and Without Initial Conditions
Laplace
Transform
Inverse
Laplace
Transform
TRANSFORMASI LAPLACE
Transformasi Laplace adalah metoda operasional yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persamaan diferensial linier. Dapat mengubah fungsi umum (fungsi sinusoida, sinusoida
teredam, fungsi eksponensial) menjadi fungsi-fungsi aljabar variabel kompleks.
Operasi diferensiasi dan integrasi dapat diganti dengan operasi aljabar pada bidang kompleks.
Solusi persamaan diferensial dapat diperoleh dengan
mengguna-kan tabel transformasi Laplace atau uraian pecahan parsial.
Metoda transformasi Laplace memungkinkan penggunaan grafik untuk meramalkan kinerja sistem tanpa harus menyelesaikan
persamaan diferensial sistem.
Diperoleh secara serentak baik komponen transient maupun komponen keadaan tunak (steady state).
VARIABEL KOMPLEKS
Variabel kompleks: s = + j
dengan : adalah komponen nyata j adalah komponen maya
Bidang s o j j1 1 s1
FUNGSI KOMPLEKS
Suatu fungsi kompleks: G(s) = Gx + jGy
dengan : Gx dan Gy adalah besaran-besaran nyata
Bidang G(s) O Re Im Gy Gx G q
Besar dari besaran kompleks: Sudut : 2 2 y x G G ) s ( G x y
G
G
tan
1
q
TURUNAN FUNGSI ANALITIK
Turunan fungsi analitik G(s) diberikan oleh:
s G lim s ) s ( G ) s s ( G lim ) s ( G ds d s s 0 0
Harga turunan tidak tergantung pada pemilihan lintasan s. Karena s = + j , maka s dapat mendekati nol dengan
Untuk lintasan s = (lintasan sejajar dengan sumbu nyata) y x y x s G j G G j G lim ) s ( G ds d 0
Untuk lintasan s = j (lintasan sejajar sumbu maya), maka
y x y x s G G j j G j j G lim ) s ( G ds d 0
Jika dua harga turunan ini sama
Gx j Gy Gy j Gx Syarat Cauchy-Riemann Gx Gy Gy Gx
CONTOH SOAL
Tinjau G(s) berikut, apa analitik ?
1 1 s ) s ( G Jawab: y x jG G j ) j ( G 1 1 dimana
2 2 1 1 x G
2 2 1 y G danDapat dilihat bahwa, kecuali s=-1 (yaitu =-1,=0), G(s) memenuhi syara Cauchy-Riemann:
2 2 2 2 2 1 1 y x G G
2 2 2 1 1 2 x y G G Dengan demikian G(s)=1/(s+1) adalah analitik di seluruh bidang s kecuali pada s=-1.
Turunan dG(s)/ds pada s=-1 adalah G j G Gy j Gx ) s ( G ds d x y
2 1 1 j
2 1 1 sPerhatikan bahwa turunan fungsi analitik dapat diperoleh hanya dengan mendiferensiasikan G(s) terhadap s
2 1 1 1 1 s s ds dTitik-titik pada bidang s yang menyebabkan fungsi G(s) analitik disebut titik ordiner, sedangkan titik-titik pada bidang s yang menyebabkan fungsi G(s) tidak analitik disebut titik singuler. Titik-titik singuler yang menyebabkan fungsi G(s) atau turunan-turunannya mendekati tak terhingga disebut pole
KUTUB-KUTUB DAN NOL-NOL
• Zeros dari G(s) roots numerator
• Poles dari G(s) roots denominator
• Persamaan karakterisk denominator dari G(s)=0
Im
Re
Pola pole-zero
poles
CONTOH SOAL
Tentukan jumlah pole dan zero dari fungsi G(s) berikut:
Jawab:
Mempunyai pole di s=-1 dan s=-2
Mempunyai sebuah zero di s=-3.
Jika titik-titik di tak terhingga di masukkan:
2 2 1 3 ) s ( ) s ( ) s ( K ) s ( G 0 2 s K lim ) s ( G lim s s
Fungsi G(s) mempunyai 2 buah zero di tak terhingga.
Jadi G(s) mempunyai jumlah pole dan zero yang sama, yaitu
3 buah pole dan 3 buah zero (satu zero terhingga dan dua
zero tak terhingga).
PEMETAAN KONFORMAL
Pemetaan Konformal adalah suatu pemetaan yang menjaga ukuran maupun pengertian sudut.
Pemetaan Konformal digunakan dalam membahas diagram tempat kedudukan akar (root locus) dan kriteria kestabilan Nyquist.
Hubungan fungsional: z=F(s) dapat diinterpretasikan sebagai pemetaan titik-titik pada bidang s ke titik-titik pada bidang z / bidang F(s).
Untuk setiap titik P pada bidang s terdapat suatu titik P’ pasangannya pada bidang F(s). P’ adalah bayangan dari P.
Untuk membuktikan bahwa pemetaan yang dinyatakan dengan suatu fungsi analitik z=F(s) adalah konformal, tinjau suatu kurva halus s=s(), yang melalui suatu titik ordiner.
Jika kita tulis zo=F(so), maka: ) s s ( s s ) s ( F ) s ( F z z o o o o Dengan demikian, o o o o s s s s ) s ( F ) s ( F z z
s - so adalah sudut antara sumbu nyata positif dan vektor dari so ke s.
Jika s mendekati so sepanjang kurva halus s(), maka s - so
adalah sudut q1 antara sumbu nyata positif dan garis singgung kurva tersebut pada so.
Dengan cara sama, jika z mendekati zo, maka z - zo mendekati
sudut 1 yang merupakan sudut antara sumbu nyata positif dan garis singgung dari F(s) pada z0. Dengan demikian diperoleh
Dengan kurva halus yang lain s=s2(), yang melalui titik so, kita
dapat melakukan analisis serupa sehingga diperoleh
2 - q2 = F’(so)
Oleh karena itu
1 - q1 = 2 - q2
atau
2 - 1 = q2 - q1
Jadi ukuran dan pengertian sudut pada pemetaan tetap dijaga. Pemetaan yang dinyatakan dengan suatu fungsi analitik z=F(s)
adalah konformal di setiap titik yang menyebabkan F(s) reguler dan F’(s) 0.
DEFINISI TRANSFORMASI LAPLACE
Transformasi Laplace dari f(t) didefinisikan sebagai
0dt
e
)
t
(
f
)
s
(
F
)]
t
(
f
[
L
stdengan:
f(t) = fungsi waktu t, dengan f(t)=0 untuk t<0
s = variabel kompleks
26
0 stdt
e
)
t
(
f
)
s
(
F
)]
t
(
f
[
L
1
dt
e
)
t
(
)]
t
(
[
L
0 st
0 st 0 st 0)e dt e t t ( )] t ( f [ L
f(t)
t
)
t
(
t
f(t)
)
t
t
(
0
0t
CONTOH
•Transformasi Laplace dari fungsi tangga berikut:
f(t) = 0
untuk t < 0
= A
untuk t > 0
s
A
s
e
A
dt
Ae
)}
t
(
f
{
st st
0 0L
f(t)
t
A
Jawab:
28 2 0 st 0 st 0 st
s
a
dt
e
s
a
s
ate
dt
ate
)]
t
(
r
[
L
0 at untuk t ) t ( ff(t)
t
•Transformasi Laplace dari fungsi eksponensial berikut:
f(t) = 0
untuk t < 0
= Ae
-atuntuk t > 0
Jawab:
0 0Ae
e
dt
A
e
dt
}
Ae
{
at at st (s a)tL
)
a
s
(
A
)
a
s
(
e
A
(s a)t
0e
-att
A
•Transformasi Laplace dari fungsi sinusoida berikut:
f(t) = 0
untuk t < 0
= A sin
t
untuk t > 0
Jawab:
0A
sin
t
e
dt
}
t
sin
A
{
stL
02
j
(
e
e
)
e
dt
A
)}
t
(
f
{
j t j t stL
e
jt= cos
t + j sin
t
e-
jwt= cos
t - j sin
t
sin
t
j
(
e
e
)
t j t j
2
1
2 21
2
1
2
s
A
j
s
j
A
j
s
j
A
f(t)
F(s)
Step function, u(t)
e
-att
e-atsin(
t )
cos(t ) t n1/s
1/(s+a)
1/(s+a)2
/ ( s
2+
2)
/ ( s2 + 2) n!/sn+1 ) e e ( a b bt at 1 ) b s )( a s ( 1f(t)
F(s)=L[f(t)]
n t at e ) t ( 1 ) t ( u t)
sin(
at
)
cos(
at
)
(
at
sh
) at ( ch ) 1 n ( s / ! n 2 s / 1 ) a s /( 1 ) a s /( a 2 2 ) a s /( s 2 2 ) a s /( a 2 2 ) a s /( s 2 2 s / 1 ) at sin( ebt a /[(s b)2 a2] ) b s )( a s /( 1 ] a ) b s /[( ) b s ( 2 2 ) at cos( ebt b a ) a b /( ) e e ( bt at b a ) b s )( a s /( s ) a b /( ) ae be ( bt at SIFAT LINIERITAS
)] t ( f [ L ) s ( F1 1 )] t ( f [ L ) s ( F2 2 ts tan Cons c , c1 2 )
s
(
F
.
c
)
s
(
F
.
c
)]
t
(
f
[
L
.
c
)]
t
(
f
[
L
.
c
)]
t
(
f
.
c
)
t
(
f
.
c
[
L
2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1
SIFAT TRANSLASI
)
a
s
(
F
)]
t
(
f
e
[
L
at
a) Jika F(s)=L[f(t)]
)
a
s
(
F
dt
e
)
t
(
f
dt
e
]
)
t
(
f
e
[
)]
t
(
f
e
[
L
(s a)t 0 st 0 at at
Contoh
4
s
s
)]
t
2
(
Cos
[
L
2
5
s
2
s
1
s
4
)
1
s
(
1
s
)]
t
2
(
Cos
e
[
L
t 2 2
35
• Translasi [time]
b) Jika g(t) = f(t-a) for t>a
= 0 for t<a
)
s
(
F
e
)]
t
(
g
[
L
asdu
e
)
u
(
f
e
du
e
)
u
(
f
dt
e
]
)
a
t
(
f
)]
t
(
g
[
L
su 0 as ) a u ( s 0 st 0
a
t
f(t)
g(t)
Contoh
3 4 4s
6
s
!
3
]
t
[
L
2
t
,
0
)
t
(
g
2
t
,
)
2
t
(
)
t
(
g
3
4 s 2s
e
6
)]
t
(
g
[
L
36
•Perubahan skala waktu
)
a
s
(
F
a
1
)]
t
.
a
(
f
[
L
)
a
s
(
F
a
1
a
du
e
)
u
(
f
dt
e
]
)
t
.
a
(
f
)]
t
.
a
(
f
[
L
a su 0 st 0
Contoh
1
s
1
)]
t
(
Sin
[
L
2
9
s
3
1
3
s
1
3
1
)]
t
3
(
Sin
[
L
2 2
TEOREMA DIFERENSIASI
Transformasi Laplace dari turunan fungsi f(t) diberikan
sebagai
0)
(
)
(
dt
e
dt
t
df
dt
t
df
stL
Integrasi bagian demi bagian memberikan
0 0(
)
)
(
)
(
dt
e
t
f
s
e
t
f
dt
t
df
st stL
f
(
t
)
s
)
0
(
f
dt
)
t
(
df
L
L
Transformasi Laplace sangat berguna karena mengubah
38
Turunan Pertama [Derivative first order]
)
0
(
f
)
s
(
F
.
s
)]
t
(
f
[
L
]
dt
df
[
L
)]
t
(
'
f
[
L
0 0 0dt
)
t
(
f
se
)
t
(
f
e
dt
)
t
(
f
e
)]
t
(
'
f
[
L
st st st)
0
(
f
)
s
(
F
.
s
)]
t
(
'
f
[
L
t
)
0
(
f
f(t)
)
(
f
)
s
(
sF
0
39
Turunan orde tinggi
)
0
(
f
)
s
(
F
.
s
)]
t
(
f
[
L
]
dt
df
[
L
)]
t
(
'
f
[
L
)
0
(
'
f
)
0
(
f
.
s
)
s
(
F
.
s
]
)
t
(
f
[
L
)]
t
(
"
f
[
L
2
) 1 n ( ) 1 ( 2 n 1 n n ) n ()
0
(
f
...
)
0
(
f
s
)
0
(
f
s
)
s
(
F
s
)]
t
(
f
[
L
) 1 i ( n 1 i i n n ) n ()
0
(
f
.
s
)
s
(
F
s
]
)
t
(
f
[
L
•Jika discontinuity pada a
)]
a
(
f
)
a
(
f
[
e
)
0
(
f
)
s
(
F
.
s
)]
t
(
'
f
[
L
as
)
a
(
f
)
a
(
f
40
Contoh Turunan
2 2s
)]
t
(
Sin
[
L
2 2s
s
)]
t
(
Cos
[
L
dt
)]
t
(
Sin
[
d
1
)
t
(
Cos
2 2 2 2s
s
)
s
(
s
)
0
(
Sin
)]
t
(
Sin
[
L
s
)]
t
(
Cos
[
L
)
t
(
Cos
dt
)]
t
[sin(
d
)
t
(
Sin
dt
)]
t
(
Cos
[
d
dt
)]
t
(
Cos
[
d
1
)
t
(
Sin
)
s
(
)
0
(
Cos
)]
t
(
Cos
[
L
s
)]
t
(
Sin
[
L
2 2
APLIKASI RANGKAIAN RC
C
R
e(t)
v(t)
0 ) 0 ( v ) t ( v dt dv RC ) t ( e Persamaan rangkaian
Transformasi Laplace
:
E(s) RCsV(s)V(s) V(s)[1RCs]RCs
1
)
s
(
E
)
s
(
V
INTEGRASI
t 0s
)
s
(
F
]
du
)
u
(
f
[
L
)
s
(
F
)
0
(
g
)]
t
(
g
[
sL
)]
t
(
g
[
L
)
t
(
f
)
t
(
g
t 0]
du
)
u
(
f
)
t
(
g
F
(
s
)
L
[
f
(
t
)]
PERKALIAN DENGAN FAKTOR T
dt
)
t
(
f
e
[
ds
d
)
s
(
F
ds
)
s
(
dF
0 st '
Leibnitz’s rule
)]
t
(
tf
[
L
dt
]
)
t
(
tf
[
e
]
dt
)
t
(
f
e
[
s
ds
)
s
(
dF
0 st st 0
)
s
(
F
)]
t
(
tf
[
L
'Rumus umum
n n n n ds ) s ( F d ) 1 ( )] t ( f t [ L PEMBAGIAN DENGAN FAKTOR T
t
)
t
(
f
)
t
(
g
f
(
t
)
tg
(
t
)
)
s
(
F
ds
)
s
(
dG
ds
)]
t
(
g
[
dL
)]
t
(
f
[
L
s sdu
)
u
(
F
du
)
u
(
F
)
s
(
G
sdu
)
u
(
F
]
t
)
t
(
f
[
L
s 0 ) s ( LimGFUNGSI PERIODIK
)
t
(
f
)
kT
t
(
f
t
,
k
sT T 0 ste
1
dt
e
)
t
(
f
)
s
(
F
)]
t
(
f
[
L
... dt ) t ( f e dt ) t ( f e dt ) t ( f e ) s ( F )] t ( f [ L T 3 T 2 st T 2 T st T 0 st
... du ) T 2 u ( f e du ) T u ( f e dt ) t ( f e ) s ( F )] t ( f [ L T 0 ) T 2 u ( s T 0 ) T u ( s T 0 st
... du ) u ( f e e du ) u ( f e e dt ) t ( f e ) s ( F )] t ( f [ L T 0 su sT 2 T 0 su sT T 0 st
] dt ) t ( f e [ e ) s ( F )] t ( f [ L T 0 st 0 n nsT
sT 0 n nsT e 1 1 e
FUNGSI PERIODIK SINUS & COSINUS
)
t
(
jSin
)
t
(
Cos
e
jt
dt
e
dt
e
e
)]
t
(
Sin
[
jL
)]
t
(
Cos
[
L
]
e
[
L
0 t ) s j ( 0 st t j t j
sT T 0 t ) s j ( t je
1
dt
e
]
e
[
L
[
e
1
]
s
j
1
]
1
e
e
[
s
j
1
e
s
j
1
dt
e
(j s)t T0 j T sT sT T 0 t ) s j (
2 2 t js
j
s
)
j
s
)(
j
s
(
j
s
j
s
1
]
e
[
L
PERILAKU BATAS LIMIT : NILAI INISIAL
)
0
(
f
)
s
(
sF
)]
t
(
f
[
L
s
0
]
dt
)
t
(
f
e
[
Lim
0 stExponential order
}
s
}...{
0
t
{
)]
s
(
sF
lim[
)]
t
(
f
[
Lim
0
t
)
0
(
f
)]
t
(
f
[
Lim
s
)
0
(
f
)]
s
(
sF
[
Lim
FUNGSI IMPULSIONAL
)
t
(
e
)
t
(
e
0
E
(
s
)
e
0RCs
1
e
)
s
(
V
0
RCt
Impulse response
CR t 0e
RC
e
)
t
(
v
RC
e
0 CR te
RC
e
)
RC
1
s
(
1
)
s
(
V
0
)
1
RCs
(
se
)
s
(
sV
0
s
0
s
FUNGSI TANGGA DENGAN KONDISI AWAL NOL
)
t
(
u
e
)
t
(
e
0s
e
)
s
(
E
0)
RCs
1
(
s
e
)
s
(
V
0
)
RC
1
s
(
e
s
e
)
s
(
V
0 0
]
e
1
[
e
e
e
e
)
t
(
v
CR t 0 CR t 0 0
e0
RC
0 e 63 , 0]
e
1
[
e
)
t
(
v
cr t 0
FUNGSI TANGGA DENGAN KONDISI AWAL
Step function dan initial conditions v(0)
0
RCs
1
)
0
(
RCv
)
RCs
1
(
s
e
)
s
(
V
0
)
RC
1
s
(
e
)
0
(
v
s
e
)
s
(
V
0 0
CR t 0 0[
v
(
0
)
e
]
e
e
)
t
(
v
) 0 ( RCv ] RCs 1 )[ s ( V ) s ( V )] 0 ( v ) s ( sV [ RC ) s ( E cr t 0 0[
v
(
0
)
e
]
e
e
)
t
(
v
0e
)
0
(
v
1
RCs
]
e
)
0
(
v
[
RCs
e
)
s
(
sV
0 0
FUNGSI RAMP
t
)
t
(
r
)
t
(
e
2s
1
)
s
(
E
)
RCs
1
(
s
1
)
s
(
V
2
)
RC
1
s
(
RC
s
RC
s
1
)
s
(
V
2
CR tRCe
RC
t
)
t
(
v
RC
CR
t
)
t
(
v
CR te
1
dt
dv
sV
(
s
)
1
s
RC
(
RCs
(
RC
)
s
1
)
2
ANALISIS HARMONIK
)
t
sin(
e
)
t
(
e
0
0 2 2s
e
)
s
(
E
) 2 2 0s
)(
a
s
(
ae
)
s
(
V
)
s
C
Bs
a
s
A
(
ae
)
s
(
V
0 2 2
2 2 2 2 2 2a
a
C
a
1
B
a
1
A
)
s
s
s
a
a
s
1
(
a
ae
)
s
(
V
2 0 2 2 2 2 2
RC
1
a
)
s
s
s
a
a
s
1
(
a
ae
)
s
(
V
2 0 2 2 2 2 2
)]
t
cos(
)
t
sin(
RC
1
e
[
a
ae
)
t
(
v
CR t 2 2 0
)
RC
(
tg
2)
RC
(
1
1
)
(
Cos
]
e
)
sin(
)
t
)[sin(
(
Cos
e
)
t
(
v
CR t 0
Forced
Transient
TRANSFORMASI LAPLACE INVERSE
Diketahui: F(s)=L[f(t)]
Bagaiman mencari f(t) dari F(s) ?
)]
s
(
F
[
L
)
t
(
f
1ds
).
s
(
F
e
i
.
.
2
1
)
t
(
f
)]
s
(
F
[
L
. i . i st 1
Pada kontour Bromwich
a) Method Analitik
b) Metoda Tabel
f
(
t
)
e
ata
s
1
)
s
(
F
n i t p i n n ae i p s a ... p s a p s a ) s ( A ) s ( B ) s ( F 1 2 2 1 1
n i t p i t p n t p t p a e ...a e n a e i e a ) t ( f 1 2 1 1 2c) Ekspansi fraksi dengan akar-akar berbeda
Harga ak (residu pada pole s=-pk) dapat diperoleh dengan:
k k s p k n n k k k k p s k k BA((ss)) (s p ) s ap (s p ) ... s ap (s p ) ... s ap (s p ) a 1 1
Semua suku uraian menjadi nol, kecuali ak. Jadi residu ak diperoleh:
k p s k k BA((ss)) (s p ) a
CONTOH SOAL
Carilah transformasi Laplace balik dari
)
s
)(
s
(
s
)
s
(
F
2
1
3
Jawab:Transformasi Laplace balik dari: pt -e a p s a L 1