bab1_PengantarSistemKendali.pdf

Diktat Kuliah : Sistem Sist em Kendali Elektrik

Materi I

Teknik Elektro Elektr o Universi Universitas tas Widyagama Widyagama Malang

PENGANTAR DASAR SISTEM KENDALI

Kendali automatik telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Di samping sangat diperlukan pada pesawat ruang angkasa, peluru kendali, sistem siste m pengemudian pengemudi an pesawat pes awat dan sebagainya, kendali automatik telah telah menjadi bagian yang penting dan terpadu dari proses-proses dalam pabrik dan industri modern. Misalnya, kendali otomatis perlu sekali dalam kontrol numerik dari mesin alat-alat bantu di industri manufaktur. Hal ini juga perlu sekali dalam operasi industri seperti pengendalian tekanan, suhu, kelembaban, viscositas dan arus dalam proses industri. Karena kemajuan dalam teori dan praktek kendali automatik memberikan kemudahan dalam mendapatkan performansi dari sistem dinamik, mempertingi kualitas dan menurunkan biaya produksi, mempertinggi laju produksi, meniadakan pekerjaanpekerjaan rutin dan membosankan yang harus dilakukan oleh manusia dan sebagainya, maka sebagian besar insinyur dan ilmuwan sekarang harus mempunyai pemahaman yang baik dalam bidang kendali.

Tujuan Instruksional Instruksional khusus:

1. Mahasiswa memahami, Apa yang dimaksud dengan sistem kendali? 2. Mahasiswa menjelaskan, Mengapa sistem kendali itu penting? 3. Mahasiswa mengetahui Kategori sistem kendali beserta contoh-contohnya.

Pengantar Dasar Sistem Kendali Elektrik

I-1

Diktat Kuliah : Sistem Kendali Elektrik

Teknik Elektro Universitas Widyagama Malang

1.1. PENDAHULUAN

Satu pertanyaan yang sering ditanyakan oleh seorang pemula pada sistem kendali adalah; Apakah yang dimaksud dengan sistem kendali itu ? Untuk menjawab pertanyaan itu dapat dikatakan bahwa dalam kehidupan sehari-hari, terdapat sejumlah tujuan yang harus dicapai. Misalnya dalam bidang rumah tangga, diperlukan pengaturan suhu dan kelembaban suatu ruangan untuk kenyamanan hidup. Untuk transportasi, kita menggunakan mobil yang dikendalikan agar bergerak dari suatu lokasi sampai di tujuan dengan selamat dan akurat. Pada bidang industri, proses manufaktur mempunyai sejumlah tujuan untuk mendapatkan hasil yang memuaskan permintaan, ketelitian dan keefektifan biaya. Pada kondisi tertentu, beberapa tugas ini dilakukan dengan cara sebaik mungkin. Misalnya, seorang pelari 100 meter, mempunyai tujuan untuk berlari dalam jarak tersebut dengan waktu sesingkat-singkatnya. Bagi seorang pelari marathon, yang diatur tidak hanya berlari secepat mungkin tetapi juga harus diatur pemakaian energi dan memikirkan cara terbaik untuk memenangkan perlombaan tersebut. Cara untuk mencapai tujuan ini biasanya melibatkan penggunaan sistem kendali yang melaksanakan strategi kendali tertentu.

u

k Indikator t a

Pel ampung

w a l a k S

Gambar 1.1 Prinsip kendali laju aliran pada jam air

Strategi untuk mengatur dengan kendali otomatis telah ada sejak dulu kala. Penciptaan alam semesta, makhluk hidup (termasuk manusia) merupakan sistem kendali yang sangat kompleks. Mengenai permulaan pemakaian sistem kendali oleh umat manusia maka perlu kita telaah kapan manusia secara sadar memakai teknikteknik yang sekarang dikenal sebagai kendali otomatis. Pada sebelum abad ke-17 telah ditemukan, pada penemuan orang-orang muslim, clepsydra atau jam air. Secara sederhana prinsip kerja jam air ditunjukkan oleh Gambar 1.1. Clepsydra telah diakui sebagai pencatat waktu akurat sebelum ditemukannya jam mekanik pada abad ke-17.


I-2



Karya p ertama yang penting dalam p engembangan awal teori kendali adalah centrifugal governor oleh James Watt untuk pengontrolan kecepatan mesin uap pada abad ke-18. Gambar 1.2 menunjukkan prinsip kerja dari alat tersebut.

Silinder daya Oli bertekanan

Katup pilot

Tutup

Mesin

Beban

Buka Bahan bakar Katup pengontrol

Gambar 1.2 Sistem pengontrolan kecepatan dengan governor Watt Hasil karya lain yang penting dalam perkembangan teori kendali antara lain Minorsky, Hazen, dan Nyquist. Pada 1922, Minorsky membuat kontroler otomatis untuk pengemudian kapal dan menunjukkan cara menentukan kestabilan dari persamaan diferensial yang melukiskan sistem. Tahun 1932, Nyquist mengembangan suatu prosedur yang relatif sederhana untuk menentukan kestabilan sistem loop tertutup pada basis respons loop terbuka terhadap masukan tunak (steady state) sinusoida. Pada tahun 1934, Hazen memperkenalkan istilah servomekanisme untuk sistem kendali posisi, membahas disain servomekanisme relai yang mampu mengikuti dengan baik masukan yang berubah. Selama dekade 1940-an, dengan metode tanggapan frekuensi para insinyur telah dapat merancang sistem kendali umpan balik linier yang dapat memenuhi kinerja yang diinginkan. Di akhir 1940-an sampai awal 1950-an metode root locus telah sepenuhnya dikembangkan. Dengan metode tanggapan frekuensi dan root locus, yang merupakan bagian penting dari teori klasik, telah dapat dirancang sistem yang stabil dan memenuhi beberapa kinerja yang hampir seimbang. Sistem semacam ini umumnya tidak optimal ditinjau dari segi manapun. Semenjak akhir tahun 1950, perancangan sistem kendali lebih mengutamakan pada perancangan optimal dalam arti luas. Seiring dengan makin kompleksnya sistem yang akan dikendali, dengan banyak masukan dan keluaran, maka bentuk matematik dari sistem tersebut memerlukan banyak persamaan. Teori kendali klasik yang hanya


I-3



mampu untuk menangani sistem dengan masukan dan keluaran tunggal menjadi tidak mampu apa-apa untuk menangani sistem dengan masukan dan keluaran yang jamak. Sejak 1960-an, teori kendali modern mulai dikembangkan untuk menangani makin meningkatnya kerumitan sistem modern dengan bermacam-macam kebutuhan yang makin ketat akan ketepatan, bobot, biaya, dan sebagainya, utamanya dalam bidang militer, ruang angkasa dan industri. Dengan makin berkembangnya teknologi komputer analog, digital atau hybrid yang dapat melakukan perhitungan yang rumit, m aka penggunaan komputer untuk perancangan maupun sebagai kontroler bukan merupakan barang asing lagi. Perkembangan terakhir dari teori kendali modern dapat dikatakan adalah pada optimasi sistem deterministik maupun stokastik, serta kendali adaptif dan kendali ajar (learning control) atau kecerdasan buatan (artificial intelligent) pada sistem yang kompleks.

1.

Komponen dasar sistem kendali

Pada dasarnya sistem kendali terdiri atas beberapa komponen dasar, yaitu: Masukan Proses pengendalian Keluaran Hubungan dasar ketiga komponen ini ditunjukkan pada Gambar 1.3. Secara umum, tujuan sistem kendali adalah untuk mengendalikan keluaran dengan berbagai masukan tertentu melalui unsur-unsur sistem kendali.   

in p u t

O u tp u t Process Control

Gambar 1.3 Komponen dasar s istem kendali


I-4



Perhatikan Gambar 1.4 berikut ini, dimana diinginkan pengaturan ketinggian cairan pada posisi tertentu secara manual.

oper ator

indik atorl evel

k atup

cairan

Gambar 1.4 Kendali ketinggian cairan secara manual.

Operator, sebagai kontroler, melihat ketinggian cairan pada indikator. Ketinggian tersebut dibandingkan dengan ketinggian yang diinginkan yang sudah ditentukan (set point). Selisih ketinggian yang sebenarnya dengan set point dikenal sebagai kesalahan (error). Berdasarkan kesalahan tersebut operator melakukan tindakan koreksi dengan cara menggerakkan (membuka atau menutup) katup untuk mengatur aliran cairan. Bila masih terjadi kesalahan maka operator mengulangi lagi langkah tadi sampai ketinggian yang sebenarnya sama dengan ketinggian yang diinginkan (tidak ada lagi error).

2.

Mengapa harus sistem kendali otomatis ?

Dalam kaitannya dengan sistem kendali otomatis, dapat diilustrasikan dalam suatu industri pemotongan kertas dimana ukuran kertas yang dipotong harus sama untuk semua hasil dengan ketelitian yang tinggi. Manusia boleh jadi bisa melakukannya, tapi karena keterbatasan manusia maka hasilnya tidak akan dapat sama persis dengan apa yang diinginkan untuk semua hasil produksi. Untuk itulah sistem kendali otomatis dapat digunakan, dimana terdapat peralatan untuk mengetahui ukuran kertas yang ingin dipotong dengan ketelitian tinggi, dan peralatan itu juga yang akan melakukan pemotongan sehingga hasilnya akan seragam untuk semua hasil produksi. Disamping itu juga kecepatan proses akan berbeda seandainya digunakan sistem kendali otomatis dibanding dengan cara manual.


I-5



Dalam beberapa hal sistem kendali otomatis dapat memenuhi tujuan yang hendak dicapai, diantaranya kecepatan proses produksi, keseragaman hasil dan biaya yang murah untuk jumlah produksi yang besar.

3.

Istilah-istilah dalam sistem kendali



















Beberapa istilah yang digunakan dalam untuk menjelaskan sistem kendali, antara lain: Plant adalah seperangkat peralatan mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Dalam hal ini, setiap objek fisik yang dikontrol seperti tungku pemanas, reaktor kimia dan pesawat ruang angkasa dapat disebut plant. Proses adalah operasi atau perkembangan alamiah yang berlangsung secara kontinyu yang ditandai oleh suatu deretan perubahan kecil yang berurutan dengan cara yang relatif tetap dan menuju ke suatu hasil atau keadaan akhir tertentu; atau suatu operasi yang sengaja dibuat, berlangsung secara kontinyu, yang terdiri dari beberapa aksi atau perubahan yang dikendalikan, diarahkan secara sistematis menuju ke suatu hasil atau keadaan akhir tertentu. Dalam hal ini, setiap operasi yang dikontrol dapat disebut dengan proses. Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama dan saling berkaitan untuk melakukan suatu sasaran tertentu. Gangguan adalah suatu sinyal yang cenderung mempunyai pengaruh yang merugikan pada harga keluaran sistem. Kendali berumpan-balik adalah suatu operasi yang dengan adanya beberapa gangguan, cenderung memperkecil selisih antar keluaran sistem dan masukan acuan (atau suatu keadaan yang diinginkan) dan bekerja berdasarkan selisih tersebut. Sistem kendali berumpan-balik adalah sistem kendali yang cenderung menjaga hubungan yang telah ditentukan antara keluaran dan masukan acuan dengan cara membandingkannya, dan selisih yang dihasilkan digunakan sebagai alat pengontrolan. Servomekanisme adalah sistem kendali berumpan-balik dengan keluaran berupa posisi, kecepatan atau percepatan mekanik. Sistem regu lator o tomatis adalah sistem kendali berumpan-balik dengan masukan acuan atau keluaran yang diinginkan konstan atau berubah terhadap waktu dengan lambat dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran yang sebenarnya pada harga yang diingi nkan walaupun adanya gangguan. Sistem pen gontrolan proses adalah sistem pengontrolan dengan regulator otomatis yang mempunyai keluaran berupa besaran seperti temperatur, tekanan, aliran, tinggi muka cairan atau pH.


I-6



1.2. KATEGORI SISTEM KE NDALI

Hingga saat ini kendali otomatis digunakan di berbagai bidang, sehingga banyak sekali klasifikasi kendali yang didefinisikan. Secara garis besar sistem kendali dapat dibagi menjadi dua kategori : 1. Sistem Kendali Loop Terbuka ( open-loop control system ) Suatu sistem k endali yang keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi kendali disebut sistem kendali loop terbuka. Dengan kata lain, sistem kendali loop terbuka tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Dalam suatu sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sehingga ketetapan dari sistem tergantung pada kalibrasi. Kelemahan sistem kendali ini adalah jika ada gangguan, maka sistem kendali loop terbuka tidak dapat melaksanakan tugas seperti yang diharapkan. Sistem kendali loop terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Contoh dari sistem kendali loop terbuka ini adalah mesin cuci, dimana perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran, yaitu tingkat kebersihan pakaian.

Mul ai

Proses

Sel esai

Gambar 1.5 Sistem Kendali Terbuka

2. Sistem Kendali Loop Tertutup ( close-loop control system ) Sistem kendali umpan balik sering disebut sebagai sistem kendali loop tertutup. Pada sistem kendali umpan b alik, sistem mempertahankan hubungan yang ditentukan antara keluaran dengan beberapa masukan acuan, dengan cara membandingkan mereka dan selisih yang dihasilkan akan digunakan sebagai alat kendali. Pada sistem kendali loop tertutup, sinyal kesalahan yang bekerja, yaitu perbedaan antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik ( yang mungkin sinyal keluarannya sendiri atau fungsi dari sinyal keluaran dan turunannya ), disajikan ke kontroler sedemikian rupa untuk mengurangi kesalahan dan membawa keluaran sistem ke nilai yang dikehendaki. Istilah kendali loop tertutup selalu berarti penggunaan aksi kendali umpan balik untuk mengurangi kesalahan sistem.


I-7



Sebagai contoh dari sistem kendali loop tertutup ini adalah sistem kendali suhu ruangan. Dengan mengukur suhu ruangan yang sebenarnya dan membandingkannya dengan suhu acuan (suhu yang dikehendaki), thermostat menjalankan alat pemanas atau pendingin, atau mematikannya sedemikian rupa sehingga memastikan bahwa suhu ruangan tetap pada suhu yang nyaman tidak tergantung dari keadaan di luar.

Suhu acuan

Pembanding

Penggerak

Aktuator

Suhukel uaran

Sensor Gambar 1.6 Sistem kendali tertutup

3.

Beberapa contoh ilustrasi sistem kendali a. Sistem kendali robot. Robot industri sering kali digunakan dalam industri untuk memperbaiki produktifitasnya. Robot dapat menangani baik pekerjaan yang monoton maupun pekerjaan rumit tanpa kesalahan dalam operasi. Robot dapat bekerja dalam lingkungan yang tidak dapat ditoleransi oleh manusia, misalnya, bekerja pada suhu yang ekstrim (baik tinggi maupun rendah) atau dalam lingkungan dengan tekanan tinggi, tekanan rendah, di dalam air, di luar angkasa dan lain-lainnya. Karena robot industri harus menangani bagian-bagian mekanika yang mempunyai bentuk dan berat tertentu, maka ia harus mempunyai paling sedikit sebuah lengan, sebuah pergelangan, dan sebuah tangan, sehingga ia harus mempunyai daya yang cukup untuk melakukan tugas walaupun kemampuan pergerakan sangat terbatas. Supaya dapat melakukan tugas seperti di atas maka robot industri harus mempunyai beberapa alat sensor. Pada robot tingkat rendah, microswitch dipasang pada lengan sebagai sensor. Robot tersebut pertama kali menyentuh suatu objek dan kemudian melalui microswitch, mengkonfirmasikan adanya objek dalam ruangan dan melanjutkan ke langkah berikut untuk mengambilnya.


I-8



Pada robot tingkat tinggi, alat optik (seperti halnya sistem televisi) digunakan untuk melakukan scan terhadap latar belakang objek. Sinyal umpan balik Kamera

Mesin Kerja

input Perlengkapan Sekeliling

Aktuator

Sumber daya

Kontroler outpu

Gambar 1.7 Robot yang menggunakan proses pengenalan pola.

Ia dapat mengenali pola dan dapat menentukan ada tidaknya objek serta orientasi dari objek. Untuk melakukan itu komputer diperlukan untuk memroses sinyal dalam proses pengenalan pola. Pada beberapa aplikasi, robot yang dikomputerisasi mengenali adanya masing-masing bagian mekanika dan orientasinya dengan proses pengenalan pola yang terdiri dari pembacaan kode nomor yang tertera padanya. Kemudian robot mengambil bagian tersebut dan memindahkannya ke tempat yang sesuai untuk perakitan, sehingga dari beberapa bagian digabung menjadi sebuah komponen. Di sini komputer yang diprogram dengan baik berfungsi sebagai kontroler. b. Sistem kendali suhu Diagram skematis dari kendali suhu pada kompor listrik ditunjukkan seperti pada Gambar 1.8 di bawah.

Termometer Konverter A/D

Antarmuka

KomporListrik

Pemanas

Rel ai

Penguat

Antarmuka

Input terprogram

Gambar 1.8 Sistem kendali suhu


I-9



Suhu di dalam kompor listrik diukur oleh termometer, yang merupakan alat analog. Kemudian suhu analog, dikonversi menjadi suhu digital oleh konverter analog ke digital (ADC). Suhu digital tersebut dimasukkan ke kontroler melalui sebuah antarmuka, dan suhu digital ini dibandingkan dengan suhu masukan yang diprogram jika terdapat penyimpangan (kesalahan) dari hasil perbandingan, konverter akan mengirim sinyal ke pemanas, melalui sebuah antarmuka, penguat, dan relai, untuk menghasilkan suhu kompor ke nilai yang dikehendaki. c. Sistem kendali numerik Kendali numerik adalah suatu metode pengontrolan gerak dari komponen mesin dengan mengunakan angka-angka. Pada kendali numerik, gerak benda kerja dapat dikontrol dengan informasi biner yang disimpan dalam sebuah cakram. Sistem pada Gambar 1.9 bekerja sebagai berikut: Cakram magnetik yang disiapkan dalam bentuk biner menyatakan bagian P yang diharapkan. Untuk memulai sistem, disket cakram dimasukkan pada reader (alat pembaca). Pulsa sinyal masukan yang dimodulasi frekuensinya dibandingkan dengan pulsa sinyal umpan balik. Operasi matematik kontroler diperoleh dari perbedaan pulsa sinyal. Pulsa keluaran kontroler diubah oleh konverter digitalanalog ke dalam sinyal analog yang menyatakan besar tegangan tertentu dan menyebabkan berotasi. Posisi kepala pemotong dikontrol sesuai masukan servomotor. Transduser digunakan untuk mengubah gerak kepala pemotong menjadi sinyal listrik, yang kemudian diubah menjadi sinyal pulsa oleh konverter analog-digital. Kemudian sinyal ini dibandingkan dengan sinyal pulsa masukan. Jika ada perbedaan antara keduanya, kontroler mengirimkan sinyal ke servomotor untuk mereduksinya, seperti dinyatakan di depan.

Tachometer

Pul saf r ek uensi modul asi Al at Pembaca

Kontr ol er

Konver ter D/A

Penguat

Ser vomotor

Outp ut (Posisi al at) Pemotong

P

Disk et

Pul sa Konver ter A/D

Umpanbal ik

Gambar 1.9 Kendali numerik dari me sin


I-10



Salah satu keuntungan kendali numerik adalah bagian kompleks dapat dihasilkan dengan toleransi seragam pada kecepatan putaran maksimum.


I-11



1.3. RIN GKASAN Untuk mencapai suatu tujuan diperlukan strategi kendali dengan menggunakan sistem kendali, pada dasarnya sistem kendali terdiri dari tiga komponen dasar berfungsi untuk mengendalikan keluaran dengan berbagai masukan tertentu melalui unsur-unsur sistem kendali. Hingga saat ini kendali otomatis digunakan di berbagai bidang, sehingga banyak sekali klasifikasi kendali yang didefinisikan. Secara garis besar sistem kendali dapat dibagi menjadi dua kategori yaitu sistem kendali loop terbuka dan sistem kendali loop tertutup. Adapun kelebihan dan kelemahan sistem kendali loop terbuka adalah: Kelebihan: a. Konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah. b. Lebih murah daripada sistem kendali loop tertutup c. Tidak ada persoalan kestabilan. d. Cocok digunakan jika keluaran sukar diukur atau secara ekonomi tidak layak. (sebagai contoh, mengusahakan suatu peralatan untuk mengukur kualitas keluaran pemanggang roti adalah cukup mahal) Kelemahan: a. Gangguan dan perubahan kalibrasi akan menimbulkan kesalahan, sehingga keluaran mungkin berbeda dengan yang diinginkan. b. Untuk menjaga kualitas yang diperlukan pada keluaran diperlukan kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.


I-12



SOAL-SOAL: 1. Apa yang dimaksud dengan sistem kendali? 2. Mengapa sistem kendali itu penting? 3. Jelaskan Kategori sistem kendali beserta contoh-contohnya.


I-13

bab1_PengantarSistemKendali.pdf

Recommend Documents