MODUL 2 SISTEM KENDALI KECEPATAN Kurniawan Prasetya Nugroho (18014005) Asisten: Muhammad Luthfan Tanggal Percobaan: 30/09/2016 EL3215-Praktikum Sistem Kendali
Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB Abstrak Percobaan Modul 2 Sistem Kendali Kecepatan bertujuan untuk memahami konsep pengendalian kecepatan pada motor DC. Terdapat dua jenis pengendalian yaitu pengendalian lingkar terbuka dan lingkar tertutup. Pada percobaan pertama digunakan sistem pengendalian lingkar terbuka, kemudian dilanjutkan dengan percobaan sistem kendali lingkar tertutup dengan menghubungkan output tachogenerator menjadi feedback ke Unit Op Amp. Hasil percobaan menunjukkan sistem lebih cepat mencapai keadaan steady state atau tunak saat menggunakan sistem lingkar tertutup. Percobaan dengan sistem lingkar tertutup menerapkan pengendali P, pengendali PI dan pengendali PD pada motor DC. Masingmasing konfigurasi pengendali memiliki karakteristik yang berbeda terhadap error. Kata kunci: kecepatan, lingkar tertutup, lingkar terbuka, pengendali PID.
c. Mampu melakukan analisis kinerja terhadap suatu sistem kontrol.
2. STUDI PUSTAKA 1
Hubungan antara tegangan input motor DC Vm dengan kecepatan putaran motor ωm pada percobaan sebelumnya dapat dinyatakan dalam domain Laplace sebagai berikut:
ωm ( s) K = V m (s) τs+ 1 Pada dasarnya terdapat dua jenis sistem pengendali kecepatan, yaitu sistem pengendalian lingkar terbuka dan pengendalian lingkar tertutup. Sistem pengendalian lingkar terbuka : input
b. Memahami sistem pengendali PID (khususnya pengendali PI) untuk pengendalian kecepatan motor DC.
plant
output
Sistem pengendalian lingkar tertutup : input
a. Memahami konsep pengendalian kecepatan motor DC secara umum, baik sistem lingkar terbuka maupun lingkar tertutup.
pengenda li
Pada pengendali lingkar terbuka, keluaran sistem tidak diumpan balikkan untuk dibandingkan dengan sinyal referensi.
1. PENDAHULUAN Pada modul sebelumnya telah dilakukan percobaan mengenai pemodelan suatu sistem. Untuk menindaklanjuti pemodelan, pada praktikum kali ini dilakukan percobaan mengenai sistem pengendali kecepatan. Adapun tujuan dari percoban ini adalah memahami konsep pengendalian kecepatan motor DC. Agar pemahaman dari konsep pengendalian motor bisa tercapai, maka dalam percobaan ini diharapkan praktikan mampu untuk :
PENGENDALIAN KECEPATAN
kontrol
plan t
output
Pada pengendalian lingkar tertutup, keluaran sistem diumpan balikkan untuk dibandingkan dengan sinyal referensi. Hal ini berguna agar keluaran sistem bisa sesuai dengan sinyal referensi.
2
PENGENDALI PID
Pengontrol PID (Proportional Integral Derivative) merupakan salah satu jenis pengontrol yang paling banyak digunakan di industri sekarang ini. Pengontrol PID terdiri dari tiga komponen, yaitu komponen Proporsional (P), komponen Integral (I) dan komponen Derivatif (D).
Laporan Praktikum - Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB
1
Secara umum bentuk persamaan pengontrol PID dapat dinyatakan oleh persamaan berikut: t
u ( t ) =K p e ( t )+ K i∫ e (t)dt+ K d 0
de(t ) dt
Dalam domain Laplace dinyatakan sebagai :
K u (s) =K p+ i + K d s e( s) s 3. ALAT DAN KOMPONEN Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum ini adalah sebagai berikut : 1. Modular Servo System MS-150. 2. Multimeter. 3. Osiloskop/recorder XY.
Gambar 4- 1 Vtch sebelum dilakukan pengereman
Gambar 4-1 merupakan representasi output tegangan pada tachogenerator sebelum dilakukan pengereman. Hasil pengamatan yang diperoleh adalah pada kondisi Kp = 1, serta tidak ada penguatan integral maupun derivatif diperoleh kurva output yang terdapat overshoot. Karakteristik ini sudah sesuai dengan teori. Setelah itu dilakukan percobaan dengan memberi beban secara bertahap pada tachogenerator, hasilnya adalah sebagai berikut :
4. Kabel jumper. 5. Stopwatch.
4. HASIL DAN ANALISIS Pengendalian Lingkar Terbuka Pada percobaan pengendalian kecepatan dengan sistem lingkar terbuka diperoleh data sebagai berikut : Tabel 4- 1 Hasil pengukuran tegangan pada AU
VAU
7V
Vdeadban
6,12 V
d
Gambar 4- 2 Vtch dengan pengereman
Adanya penambahan beban atau pengereman, waktu untuk mencapai kondisi steady semakin lama. Penambahan beban disini disebabkan oleh peletakkan pengereman sistem. Hal ini disebabkan nilai konstanta waktu τ = Jm/Dm semakin kecil seiring pertambahan Dm (faktor redaman motor). Dari percobaan ini dapat dilihat juga nilai tegangan steady state akan makin kecil saat dilakukan pengereman atau penambahan beban. Artinya, semakin besar beban atau pengereman yang diberikan maka tegangan steady state akan semakin kecil, begitu juga Laporan Praktikum - Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB
2
pada waktu untuk mencapai kedaan steady state tersebut pun semakin lama. Kekurangan pengendalian sistem open loop pada motor adalah adanya current inrush (arus starting yang besar dan bisa menyebabkan kerusakan komponen). Selain itu, sistem open loop juga kurang stabil karena output sistem sensitif terhadap perubahan input. Hal itu nampak dari perubahan beban yang langsung mempengaruhi perubahan kecepatan motor. Pengendalian Lingkar Tertutup Pada percobaan pengendalian kecepatan dengan sistem lingkar tertutup diperoleh data sebagai berikut : Tabel 4- 2 Hasil pengukuran tegangan pada AU
VAU
11,7 V
Vdeadban
5,62 V
Gambar 4- 4 Vtch saat dilakukan pengereman
Sama halnya dengan percobaan sistem lingkar terbuka, pemberian beban atau pengereman akan menurunkan tegangan steady state dan memperlambat waktu untuk mencapai keadaan steady state. Sistem ini juga tidak terdapat overshoot. Pengendalian Proporsional
d
Dari hasil percobaan diperoleh hasil pada osiloskop sebagai berikut.
Gambar 4- 3 Vtch sebelum pengereman
Pada gambar 4-3, dapat dilihat bahwa waktu untuk mencapai keadaan steady state makin cepat. Hal ini dikarenakan adanya sistem feedback pada sistem kendali lingkar tertutup, sehingga dapat dibandingkan dengan sinyal input. Adanya feedback tadi menyebabkan nilai sinyal yang masuk ke opamp akan membuat sinyal input bernilai positif dijumlah dengan sinyal output bernilai negatif, sehingga nilai sinyal yang masuk menurun. Oleh karena berkurangnya input ke op-amp, akibatnya nilai tegangan saat kondisi steady state juga akan berkurang (lebih kecil dari sistem lingkar terbuka). Kondisi tersebut sesuai dengan persamaan respons waktunya yaitu :
ω close ( t )=ω ss exp [
−( K a K m K g) t ] . τm
Gambar 4- 5 Respon Proporsional dengan Kp =2
Gambar 4- 6 Respon Proporsional dengan Kp =4
Percobaan kendali proporsional dilakukan dengan sistem lingkar tertutup. Dapat dilihat dari gambar 4-5 dan gambar 4-6 bahwa
Laporan Praktikum - Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB
3
semakin bertambahnya nilai Kp, maka tegangan steady state makin besar dan waktu untuk mencapai kondisi steady state itu makin berkurang. Hal tersebut disebabkan karena penguatan proporsional merupakan perkalian input terhadap suatu konstanta (Kp). Sedangkan waktu untuk mencapai nilai steady state semakin cepat karena berbanding terbalik dengan konstanta tersebut. Sehingga pengendali jenis ini cocok digunakan untuk memperbesar penguatan dan mempercepat respon sistem mencapai steady state. Akan tetapi, kekurangan dari sistem ini adalah untuk nilai Kp yang cukup besar akan menghasilkan error pada output. Pengendalian Integral Percobaan PI dilakukan dengan mengatur nilai Kp sebesar 1 dan memvariasikan nilai i sebesar 0,2 detik dan 0,4 detik. Hasil percobaan diperoleh hasil pada osiloskop sebagai berikut.
sistem pengendali proporsional. Hal itu terjadi karena sinyal kontrol berupa fungsi integral, sehingga makin besar nilai τi nya maka waktu steady state semakin cepat dicapai, namun respon yang dihasilkan berupa ripple bukan tegangan DC. Sistem pengendali integral cenderung stabil dengan galat tunak yang mendekati nol. Jadi, pengendali integral berfungsi untuk menghilangkan galat steady-state. Namun pengendali ini mempunyai kelemahan yaitu dapat menyebabkan terjadinya overshoot dan osilasi yang mengakibatkan keadaan steady-state lama tercapai. Pengendalian Derivatif Percobaan PI dilakukan dengan mengatur nilai Kp sebesar 1 dan memvariasikan nilai i sebesar 0,2 detik dan 0,4 detik. Hasil percobaan diperoleh hasil pada osiloskop sebagai berikut.
Gambar 4- 9 Respon Derivatif dengan d = 0,2 s Gambar 4- 7 Respon Integral dengan i = 0,2 s
Berdasarkan gambar diatas, dapat dilihat bahwa tegangan motor lebih cepat menuju steady state. Hal ini berarti pengendali derivatif membuat sistem dapat mengurangi rise time. Dapat dilihat juga bahwa dalam pengendaliannya, sistem ini menimbulkan derau pada sinyal. Ini merupakan kelemahan dari sistem derivatif itu sendiri. Kontroller Proporsional Integral (PI) Pecobaan ini dilakukan dengan variasi nilai Kp = 4 dan nilai i = 0,4 s. Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut.
Gambar 4- 8 Respon Integral dengan i = 0,4 s
Berdasarkan gambar 4-7 dan gambar 4-8, dapat dilihat bahwa waktu untuk mencapai kondisi steady state lebih lama daripada Laporan Praktikum - Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB
4
Gambar 4- 10 Respon Kombinasi PI
Masukan pengendali integral adalah tegangan galat antara tegangan sumber dan tegangan motor. Pengeluaran pengendali integral akan terus berubah sampai masukannya berharga nol karena pengendali integral akan terus menjumlahkan tegangan sumber dengan tegangan errornya. Pada kondisi pengereman, nilai tunak setelah di rem terkadang tidak berubah. Hal ini dikarenakan pada saat motor dibebani terjadi perubahan nilai tegangan yang cukup besar sehingga errornya besar. Dengan sifat pengendali integral nilai error yang terjadi dapat ditambahkan kembali ke nilai tegangan keluaran sistem.
Sistem pengendalian lingkar terbuka memiliki output yang tidak mempengaruhi aksi kontrol (input system) sedangkan sistem pengendalian lingkar tertutup dapat mempengaruhi aksi kontrol dengan mengurangi kesalahan karena sinyal output dilakukan feedback ke input sehingga dilakukan pengurangan input dan output sampai sekecil mungkin. Sistem lingkar tertutup mempunyai output yang lebih bagus karena terdapat feedback dari sistem untuk dibandingkan lagi dengan input sehingga output lebih minim galat. Pengendali proporsional berfungsi untuk memperbesar penguatan saja. Pengendalian integral dapat menghilangkan galat tunak tetapi keadaan rise time lebih lama, juga terdapat overshoot pada sistem. Pengendali derivatif berfungsi untuk memperkecil rise time atau mempercepat proses ke steady state. Kontroler PI digunakan untuk sistem yang membutuhkan galat mendekati nol dan rise time kecil.
DAFTAR PUSTAKA 5. KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain :
Sistem pengendalian kecepatan ada dua jenis, yaitu sistem pengendalian lingkar terbuka dan sistem pengendalian lingkar tertutup.
1
Nugroho, Sebastian A., Modul Praktikum Sistem Kendali, ITB, Bandung, 2016.
2
Norman S. Nise, Control Systems Engineering, John Wiley & Sons, Inc., USA, 2003.
Laporan Praktikum - Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer – STEI ITB
5
