Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
-
Upload
muhammad-yani -
Category
Documents
-
view
219 -
download
0
Transcript of Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
1/55
UPT Perpustakaan
Gedung Politeknik Lt.1
Parkway Batam Center, Batam, 29461Website http://www.polibatam.ac.idEmail: [email protected]
Phone +62-778-469856 xt.1016
Fax +62-778-463620
DIKLAT
Teknik Pengaturan Otomatis
Oleh : Didi Istardi
Mata kuliah : Dasar Sistem Kendali
Tanggal : September 2012
No. registrasi: DK/EL/216/2012
BATAM
2013
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
2/55
TEKNIK PENGATURAN OTOMATIS
Daftar Isi : Pengertian sistem Pengaturan ................................... Diagram Blok Sistem Kontrol ...................................... Perilaku Sistem Kontrol .............................................. Tipe Kontroler ............................................................. Kontroler Dua Posisi ................................................... Kontroler Tiga Posisi .................................................. Kontroler Proporsional (P) .......................................... Kontroler Integral (I) .................................................... Kontroler Proporsional Integral (PI) ............................ Kontroler Derivatif (D) ................................................. Kontroler Proporsional Derivatif (PD) ......................... Kontroler PID .............................................................. Karakteristik Osilasi pada Sistem Kontrol ................... Seleksi tipe Kontroler untuk Aplikasi Tertentu ............ Optimisasi Kontroler ................................................... Elektropneumatik ........................................................ Komponen Elektro Pneumatik .................................... Rangkaian Dasar ........................................................ Rangkuman ................................................................
Soal-soal ....................................................................
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
3/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1. Pengertian Sistem Pengaturan
Pengertian kontrol atau pengaturan adalah proses atau upaya untuk mencapai
tujuan. Sebagai contoh sederhana dan akrab dengan aktivitas sehari-hari darikonsep kontrol atau pengaturan adalah saat mengendarai kendaraan. Tujuanyang diinginkan dari proses tersebut adalah berjalannya kendaraan padalintasan (track ) yang diinginkan. Ada beberapa komponen yang terlibat didalamnya, misalnya pedal gas, speedometer , mesin (penggerak), rem, danpengendara.
Sistem kontrol berkendaraan berarti kombinasi dari komponen-komponentersebut yang menghasilkan berjalannya kendaraan pada lintasan yangdiinginkan. Ketika jalan lengang dan aturan memperbolehkan, pengendaramempercepat laju kendaraan dengan membuka pedal gas. Demikian pula, jikaada kendaraan lain di depan atau lampu penyeberangan berwarna merah
maka pengendara menginjak rem dan menurunkan kecepatannya. Semuaupaya itu dilakukan untuk mempertahankan kendaraan pada lintasan yangdiinginkan.
Misalnya kita ingin mengatur agar tegangan yang dihasilkan oleh Generator
arus searah bernilai konstan, seperti pada gambar 1.1.
Gambar 1.1 Pengaturan manual tegangan pada Generator
Dalam sistem tersebut, karena tegangan keluaran U diinginkan tetap maka
arus keluaran I berubah sesuai dengan nilai beban. Arus keluaran dihasilkan
oleh kecepatan putar rotor pada Generator yang dibangkitkan oleh arus
eksitasi I e. Dengan berubah-ubahnya arus I maka arus eksitasi I e juga harus
berubah mengikuti nilai arus I tersebut. Perubahan arus eksitasi dilakukan
secara manual. Besar arus eksitasi disesuaikan dengan kebutuhan untuk
menghasilkan arus keluaran I oleh Generator. Karena pengaturan ini dilakukan
secara manual, seorang operator harus terus-menerus melihat besar arus
keluaran yang diinginkan untuk disesuaikan dengan besar arus eksitasi yang
1-2
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
4/55
Teknik Pengaturan Otomatis
diperlukan. Dalam istilah teknik kontrol, tegangan U disebut variabel yang
dikontrol x , arus eksitasi disebut variabel buatan (manipulated variable) y , dan
arus beban I disebut variabel gangguan (disturbance variable) z . Tegangan
konstan yang diinginkan dalam pengaturan ini disebut variabel acuan(referensi). Dalam bentuk diagram blok, sistem kontrol digambarkan pada
gambar 1.2. Dalam diagram blok tersebut, plant menghasilkan variabel yang
dikontrol serta kontroler menghasilkan variabel termanipulasi.
Gambar 1.2 Diagram blok sistem kontrol
Contoh lain dapat disebutkan berupa proses memindahkan barang oleh tangan
kita. Pada proses tersebut, tujuannya adalah posisi atau letak barang yang
diinginkan. Komponennya berupa tangan (dalam hal ini tentunya dengan otot
tangan), mata, dan otak sebagai pengontrol. Pada saat tangan bergerak untuk
memindahkan barang, mata akan menangkap informasi tentang posisi pada
saat itu. Informasi tersebut diproses oleh otak untuk disimpulkan apakah
posisinya sudah benar atau tidak. Selanjutnya, apabila posisinya masih belum
tercapai maka otak akan memerintahkan otot tangan untuk bergerak
memindahkan barang ke posisi yang diinginkan. Proses pengaturan suhu
tubuh adalah juga contoh dari sistem kontrol. Tujuannya adalah menjaga suhu
tubuh agar berjalan normal. Secara umum dapat dikatakan semua proses yang
terjadi di alam pada hakikatnya adalah sebuah sistem kontrol.
Dalam teknik kontrol dipelajari tentang pengaturan sistem agar menghasilkan
keluaran yang diinginkan. Komponen utama sistem kontrol terdiri atas objekyang dikontrol (disebut plant ), variabel (besaran) yang dikontrol, dan aktuator.
Tabel 1.1 memperlihatkan contoh sistem kontrol dengan komponen-
komponennya. Misalnya plant berupa motor listrik, maka variabel yang
dikontrol adalah kecepatan dan aktuatornya adalah kontaktor.
1-3
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
5/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Tabel 1.1. Contoh komponen sistem kontrol
Plant Variabel yang dikontrol Aktuator
Motor listrik Kecepatan putar Kontaktor
Generator Tegangan Transistor
Pengatur suhu ruangan suhu Thyristor
Tabel 1.2 memperlihatkan istilah teknis dalam sistem kontrol serta simbol
formalnya.
Tabel 1.2. Istilah penting dalam sistem kontrol
Istilah Simbol Contoh
Variabel yang dikontrol x Tegangan
Variabel acuan w Tegangan acuan
Variabel termanipulasi y Arus eksitasi
Selisih (error ) e Selisih tegangan
Variabel gangguan z Arus beban
Selain secara manual, pengaturan tegangan pada Generator bisa dilakukan
secara otomatis dengan menggunakan Thyristor , seperti diperlihatkan pada
gambar 1.3.
Gambar 1.3 Pengaturan tegangan secara otomatis
1-4
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
6/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Dalam pengaturan secara otomatis, peranan operator diganti oleh peralatan
atau komponen yang secara otomatis bekerja sesuai dengan fungsi operator.
Pada gambar 1.3, peranan operator diganti oleh gabungan antara sensortegangan (berupa trafo tegangan) dan Thyristor sebagai aktuator penghasil
arus eksitasi yang mengatur kecepatan putar rotor dalam Generator.
Dalam sistem tersebut, setiap harga tegangan yang dihasilkan oleh Generatorditangkap oleh trafo tegangan untuk dibandingkan dengan tegangan acuan(referensi). Selisih tegangan ini menjadi input pemicu (trigger ) Thyristor yang
menentukan nilai arus eksitasi dan output tegangan yang selanjutnyamempengaruhi Generator untuk menghasilkan tegangan output yangdiinginkan.
Prinsip pengaturannya adalah sebagai berikut : apabila tegangan output lebihrendah dari tegangan acuan maka Thyristor akan menghasilkan arus eksitasi
sehingga tegangan output Generator naik mendekati harga teganganacuannya, sebaliknya jika tegangan output lebih tinggi dari tegangan acuanmaka Thyristor akan menghasilkan arus eksitasi sehingga tegangan output
Generator turun mendekati harga tegangan acuannya.
1.2. Diagram Blok Sistem Kontrol
Ada dua bentuk umum sistem kontrol yaitu : a. Sistem Kontrol Lingkar-terbuka (Open-Loop Control System).b. Sistem Kontrol Lingkar-tertutup (Closed-Loop Control System) atau
sistem kontrol dengan umpan balik (Feedback Control System).
Sistem kontrol yang pertama sering disebut pengaturan secara manual,sedangkan yang kedua disebut kontrol otomatis. Seperti diperlihatkan padagambar 1.2 , untuk memudahkan melihat proses pengaturan yang berlangsung
dalam sistem kontrol, dibuat diagram blok yang menggambarkan aliraninformasi dan komponen yang terlibat dalam sistem kontrol tersebut. Gambarkotak mewakili tiap komponen dalam sistem kontrol, sedangkan aliraninformasi diperlihatkan dengan garis dengan tanda anak panah di salah satuujungnya yang menandakan arah informasi atau data dalam proses pengaturantersebut. Diagram blok sistem kontrol lingkar terbuka (SKL-buka) diperlihatkandalam gambar 1.4.
masukan
kontroler aktuator plant acuan keluaran
Gambar 1.4 Diagram blok sistem kontrol open-loop
1-5
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
7/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Sedangkan diagram blok sistem kontrol lingkar tertutup diperlihatkan dalam
gambar 1.5.
masukan komparator
kontroler aktuator plant acuan keluaran
umpan
balik
Gambar 1.5 Diagram blok sistem kontrol closed-loop
Dalam sistem kontrol lingkar tertutup, nilai keluaran berpengaruh langsungterhadap aksi pengaturan. Sinyal selisih (error ) yaitu perbedaan antara
masukan acuan dan sinyal umpan balik diberikan kepada kontroler sedemikiansehingga dalam prosesnya memperkecil selisih dan menghasilkan keluaransistem pada harga atau kondisi yang diinginkan. Sistem kontrol lingkar tertutupdalam kenyataannya selalu merujuk kepada sistem yang menggunakan umpanbalik untuk mengurangi error sistem.
Sistem kontrol lingkar-terbuka adalah sistem yang keluarannya tidakberpengaruh terhadap aksi pengaturan. Dengan kata lain, dalam sistem inikeluarannya tidak diukur ataupun diumpanbalikkan untuk dibandingkan denganmasukan. Contoh praktis sistem ini adalah mesin cuci. Perendaman,pencucian, dan penyabunan dalam mesin cuci beroperasi berdasarkan waktuyang ditentukan oleh pengguna. Mesin tidak mengukur kondisi sinyal keluaranberupa kebersihan pakaian. Dalam sistem tersebut, keluaran tidakdibandingkan dengan masukan acuan, sehingga masukan acuan berhubungandengan kondisi operasi (operating condition) yang tetap. Akibatnya ketelitiansistem sangat bergantung kepada kalibrasi. Dalam hal adanya gangguan,sistem kontrol lingkar-terbuka tidak akan menunjukkan hasil yang diharapkan.Sistem kontrol ini dapat digunakan dalam praktek hanya jika hubungan antaramasukan dan keluaran diketahui dan tidak ada gangguan.
Keuntungan dari sistem kontrol lingkar-tertutup terlihat dari penggunaan umpanbalik yang membuat respon sistem tidak terlalu peka (sensitif) terhadapgangguan luar ataupun perubahan nilai-nilai komponen dalam sistem. Haltersebut memungkinkan penggunaan komponen yang tidak akurat dan murahuntuk mewujudkan pengendalian yang akurat untuk suatu plant . Dari sisikestabilan, sistem kontrol lingkar- terbuka relatif lebih mudah dibuat karenakestabilan sistem bukan masalah utama. Di lain pihak, kestabilan menjadimasalah besar dalam sistem kontrol lingkar-tertutup karena penanganan error yang berlebihan bisa menyebabkan osilasi. Sistem kontrol ini bermanfaat
1-6
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
8/55
Teknik Pengaturan Otomatis
apabila ada gangguan yang bersifat sukar ditentukan atau diramalkan, tetapi
biasanya sistem kontrol lingkar tertutup juga memerlukan daya dan biaya yang
relatif lebih besar dibandingkan dengan sistem kontrol lingkar-terbuka yang
bersesuaian.
Dewasa ini dengan kemajuan teknologi dalam bidang elektronika dankomputer, hampir seluruh sistem dikendalikan secara elektronis dan
terkomputerisasi. Peran manusia menjadi hanya sebagai operator. Dalammerealisasikan sistem yang dikendalikan dengan komputer maka penambahankomponen pengubah dari sinyal analog ke digital dan sebaliknya mutlakdiperlukan untuk menjamin keberlangsungan proses dalam sistem tersebut
Contoh 1: Pemanasan air
Perhatikan diagram skematik sistem pemanasan air pada gambar 1.6.
saluran uap panas
katuptangki air
saluran air dingin
saluran air panas
pengukur suhu
(termometer)
pembuangan uap panas
Gambar 1.6 Sistem Pemanasan Air
Skema tersebut memperlihatkan sistem pengaturan yang bertujuan untukmemperoleh air panas dengan suhu tertentu. Air yang akan dipanaskandisimpan dalam tangki air (PLANT ). Mekanisme pemanasan air dilakukan
dengan mengalirkan uap panas ke dalam saluran uap panas yang selanjutnyauap panas ini akan memanaskan air dingin yang masuk ke dalam tangki.Seorang operator (KONTROLER) bertugas untuk mengatur aksi buka tutup
katup (AKTUATOR) pada saluran uap panas.
Algoritma kontrolnya adalah apabila suhu air panas kurang dari yang diinginkan
maka buka katup saluran uap, sebaliknya jika suhu air panas lebih dari yang
diinginkan maka tutup katup saluran uap. Sebuah termometer (SENSOR)
digunakan untuk mendeteksi besar suhu air panas yang dihasilkan. Sistemkontrol tersebut dapat gambar 1.7 melalui diagram blok berikut
1-7
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
9/55
Teknik Pengaturan Otomatis
aktuator suhu air panas kontroler plant suhu air panas (katup + tangan
yang diinginkan (operator) (tangki air) sebenarnya operator)
Gambar 1.7 Diagram blok sistem pemanasan air
Meskipun ada sensor berupa termometer pada sistem ini, kita tidak dapat
mengatakan sistem ini sebagai SKL-tutup, karena data suhu tidak diproses
langsung oleh sistem tetapi diproses melalui operator. Dengan kata lain,
intervensi operator menyebabkan berlangsungnya proses dalam sistem.
Apabila diinginkan menjadi sistem kontrol lingkar tertutup, maka fungsi operator
harus diambil alih oleh peralatan elektronika pemroses keputusan (misalnyakomputer atau mikrokontroler) serta rangkaian penggerak (driver ) pemutar
buka tutup katup. Selain itu sensor elektronis juga menjadi kebutuhan untuk
menjamin tersedianya informasi keluaran yang terus-menerus. Bentuk diagram
blok sistem kontrol lingkar tertutup untuk sistem pemanasan air ini diperlihatkan
pada gambar 1.8
suhu air suhu air motor listrik tangki
komparator kontroler panas
panas yang + driver air sebenarnya diinginkan
mikrokontroler atau komputer
sensor suhu
(transduser)
Gambar 1.8 Diagram blok sistem pemanasan air secara otomatis
Contoh 2. Pengaturan tinggi permukaan air
Gambar 1.9 secara skematik memperlihatkan pengaturan tinggi permukaan
air. Dalam sistem ini, yang ingin diatur adalah tinggi permukaan air dalamtangki (PLANT). Seorang operator (KONTROLER) bertugas membuka tutupkran air (AKTUATOR) untuk menjaga tinggi permukaan air yang tetap.
Algoritma kontrolnya adalah buka kran air apabila tinggi permukaan air turundan tutup kran air apabila tinggi permukaan air lebih dari yang diinginkan.
1-8
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
10/55
Teknik Pengaturan Otomatis
operator
tangki air tinggi permukaan air yang diinginkan
kran air
saluran air masuk saluran air keluar
Gambar 1.9 Pengaturan tinggi permukaan air
Disini yang berfungsi sebagai sensor adalah mata sang operator yang selalu
melihat tinggi permukaan air.
Diagram blok sistem kontrol lingkar terbuka untuk sistem ini dapat digambarkan
dalam bentuk berikut
tinggi permukaan air aktuator tinggi permukaan air
kontroler plant (katup + tangan sebenarnya
yang diinginkan (operator) operator) (tangki air)
Gambar 1.10 diagram blok pengaturan tinggi air
Contoh 3. Mobile Robot
Mobile robot secara sederhana didefinisikan sebagai robot yang bergerak
sendiri mengikuti jalur ( path) yang diinginkan untuk menghindari rintangan.
Prototipenya diperlihatkan dalam gambar 1.11.
Gambar 1.11 Prototipe mobile robot
Prototipe mobile robot tersebut dilengkapi dengan sensor ultrasonik untuk
mendeteksi jarak dirinya ke penghalang di depan, samping kiri, dan kanannya.
1-9
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
11/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Selain itu, mikrokontroler digunakan sebagai pengaturnya, dan motor stepper
difungsikan untuk menggerakkan rodanya. Cara kerjanya adalah sebagai
berikut. Robot berjalan dalam arah lurus ke depan, jika sensor depan
mendeteksi adanya penghalang, maka sensor samping (kiri dan kanan) akan
mendeteksi ada atau tidak penghalang. Jika di kiri tidak ada penghalang, maka
robot berbelok ke kiri, sebaliknya jika penghalangnya di kiri, maka dia berbelok
ke kanan. Sedangkan jika penghalang juga berada di kiri dan kanan, maka
robot bergerak mundur.
Diagram blok sederhana untuk menggambarkan sistem tersebut diperlihatkan
pada gambar 1.12.
alur ( path) komparator kontroler
driver motor jalur yang motor stepper sebenarnya diinginkan stepper
mikrokontroler
sensor jarak
(ultrasonik)
Gambar 1.12 kontrol otomatis pada mobile robot
1.3. Perilaku Sistem Kontrol
Ada dua tipe perilaku sistem kontrol, yaitu statis dan dinamis. Perilaku statis
sistem kontrol diperlihatkan oleh hubungan linier antara variabel yang dikontrol
dengan perubahan variabel termanipulasinya, sedangkan perilaku dinamis
ditandai oleh respon sistem kontrol terhadap inputnya.
Sebagai contoh, gambar 1.13 memperlihatkan sistem kontrol pada Generator
arus searah dengan variabel yang dikontrol berupa tegangan dan variabeltermanipulasinya arus eksitasi pada lilitan medannya. Gambar 1.13a adalah
diagram rangkaiannya sedangkan gambar 1.13b memperlihatkan karakteristikstatis dari sistem kontrol pada Generator tersebut.
1-10
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
12/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Gambar 1.13 Perilaku statis Generator Arus Searah
Untuk setiap nilai arus yang dihasilkan oleh Generator, hubungan antara arus
eksitasi dan tegangan keluaran digambarkan dengan garis lurus (persamaan
linier) seperti diperlihatkan pada gambar 1.14.
Gambar 1.14 Hubungan tegangan fungsi arus
Perilaku statis dari sistem kontrol dinyatakan dengan koefisien transfer (Ks),
yaitu angka yang menunjukkan perbandingan antara perubahan nilai variabel
yang dikontrol (x) dengan perubahan nilai variabel termanipulasi (y).
1-11
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
13/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Secara grafis, hubungan tersebut diperlihatkan pada gambar 1.15.
Gambar 1.15 Perubahan Tegangan fungsi Arus Eksitasi
Dari grafik tersebut, koefisien transfer dinyatakan dengan rumus : ' x
K S ' y
Contoh : Sebuah pemanas listrik memerlukan arus dari 5 A sampai 7 A untuk
menghasilkan suhu dari 80o C sampai 100
oC. Hitung koefisien transfer dari
sistem tersebut.
Jawab :
K ' x 100
0 C _800C 10
K S ' y 7 A _5 A A
Sedangkan perilaku sistem dinamisditinjau dari respon sistem yangdikontrol terhadap input berbentuktangga (step). Input berasal dari variabeltermanipulasi, sedangkan responsistemnya berupa variabel yangdikontrol. Gambar 11-16 memperlihatkan respon sistem dansimbolnya.
Gambar 1.16 Sistem PT 0
1-1
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
14/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Berdasarkan bentuk responnya, ada lima klasifikasi sistem kontrol, yaitu 1. Sistem kontrol tanpa waktu tunda (PT0),
2. Sistem kontrol waktu tunda satu langkah (PT1),3. Sistem kontrol waktu tunda dua langkah (PT2),4. Sistem kontrol waktu tunda banyak (PTn), dan5. Sistem kontrol dengan waktu mati (dead time).
P pada penamaan sistem tersebut berarti proporsional , artinya bentuk sinyal reponnya sebanding dengan bentuk sinyal inputnya. Sedangkan T berindeksberarti waktu tunda respon terhadap inputnya. Waktu tunda adalah waktu yang
dibutuhkan oleh respon sistem untuk mencapai bentuk inputnya. T0 (T-nol)
artinya tidak ada waktu tunda pada respon sistem, sehingga untuk sistem PT0
begitu input diberikan pada sistem atau sistem dijalankan, respon sistem
langsung mengikuti bentuk inputnya. T1 berarti waktu tunda responnya tingkat
satu, T2 berarti waktu tunda responnya tingkat dua, dan seterusnya. Secara
umum, semakin besar tingkat waktu tundanya semakin lambat respon outputterhadap inputnya.
Bentuk respon sistem PT0 diperlihatkan pada gambar 1.16a. Pada gambar
tersebut terlihat sistem merespon inputnya secara langsung tanpa ada selang
waktu. Simbol sistem PT0 diperlihatkan pada gambar 1.16b. Terlihat bahwa
pada sistem PT0, nilai output langsung mengikuti nilai inputnya tanpa
penundaan waktu.
Sebagai contoh dari sistem ini adalah pengaturan arus kolektor suatu transistor
bipolar dengan input arus basisnya. Sementara sistem PT1 diperlihatkan padagambar 1.17 . Model fisik dari sistem PT1 menggambarkan sebuah proses
pemanasan air dengan mengalirkan uap panas pada sebuah tangki melaluioperasi buka tutup katup. Tujuan pengaturannya adalah air diinginkan memiliki
suhu tertentu.
Gambar 1.17 Model fisik PT1
1-13
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
15/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Pada saat katup dibuka untuk mengalirkan uap panas ke dalam tangki, proses
pemanasan mulai berlangsung. Suhu air bertambah seiring dengan banyaknya
uap panas yang mengalir ke dalam tangki.
Perubahan suhu air dalam tangkimengikuti grafik pada gambar 1.18a. Pada grafik tersebut, x menyatakan suhuair setiap saat, sedangkan y menandaisuhu air yang diinginkan. Perubahan suhuair berlangsung lambat dan mengikutibentuk eksponensial dengan konstanta
waktu T s. Simbol sistem PT1 diperlihatkanpada gambar 1.18b.
Terlihat bahwa nilai outputnya mencapai
atau mengikuti nilai inputnya dalam waktutertentu (waktu tunda). Contoh lain dari
sistem PT1 adalah kumparan, karena jika
tegangan diberikan pada kumparan, arusyang muncul mengikuti bentukeksponensial seperti pada gambar 1.18a.
Gambar 1.18 Respon Kontrol PT1
Radiator pemanas ruang dengan uap pemanas merupakan contoh sistem PT2
diperlihatkan pada gambar 1.19.
Gambar 1.19 Model Sistem Kontrol PT 2
Model radiator dengan saluran masuk uap panas melalui katup dan dilengkapi
saluran keluar udara dari radiator tersebut. Prinsip pengaturannya samadengan pemanasan air, yaitu diharapkan radiator tersebut memiliki suhu akhirtertentu. Pada saat katup uap panas dibuka maka proses pemanasan mulaiberlangsung. Adanya saluran keluar yang tidak dilengkapi katup menyebabkansuhu dalam radiator tidak mengalami perubahan, seolah-olah uap panas yangmasuk langsung dibuang melalui saluran keluar. Kondisi ini berlangsung dalam
rentang waktu tertentu yang disebut waktu mati (deadtime) T u.
1-14
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
16/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Gambar 1.20 Respon sistem PT 2
Gambar 1.21 Respon kontrol PT n
Apabila proses pemasukan uap panasterus berlangsung, maka perubahan suhudalam radiator mengikuti pola grafik padagambar 1.20 . Suhu akhir diperoleh dalamselang waktu tertentu yang disebut waktu
menetap (settling time) T g . Adanya dua
parameter waktu tunda T u dan T g menyebabkan sistem ini disebut sistem
PT2.
Simbol sistemnya diperlihatkan padagambar 1.20b. Dapat dilihat pada simbol itu, bahwa output sistem mulai merespon
setelah beberapa saat (waktu mati) danmencapai inputnya setelah selang waktu
tertentu (waktu menetap).
Contoh lain dari sistem PT2 ini adalah
motor arus searah dengan magnetpermanen, dimana kecepatannya diatur
melalui perubahan arus jangkar. Sistem inimemiliki dua konstanta waktu, satu untuk
lilitan jangkar dan yang lainnya untukmempercepat bagian jangkar.
Sementara itu, sistem PTn adalah sistemdengan respon yang sangat lambat
dibandingkan dengan dua sistemterdahulu. Kalau sistem PT1 waktutundanya mungkin berkisar dalam satuan
milidetik dan sistem PT2 waktu tundanyadalam kisaran puluhan milidetik, maka
waktu tunda untuk sistem PTn mungkinberkisar dalam satuan detik sampaipuluhan detik. Secara grafik, bentuk
respon untuk sistem PTn sama dengan
sistem PT2 yaitu memiliki dua konstantawaktu seperti diperlihatkan pada gambar 1.21. Perbedaannya terletak pada kisaranwaktu tunda dalam satuan puluhan detik.
Misalnya dalam suatu sistem kontrol ada enam komponen yang terlibat dalamproses pengaturan dan masing-masing menyumbang waktu tunda terhadap
sistem maka sistemnya disebut sistem PT6.
1-15
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
17/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Kelompok lainnya adalah sistem kontrol dengan waktu mati (deadtime). Sepertidiuraikan sebelumnya, waktu mati didefinisikan sebagai saat ketika sistem tidakmerespon inputnya. Jadi output sistem baru muncul setelah waktu mati. Gambar
1.22 memperlihatkan proses pemindahan barang atau bahan di sebuah proses produksi dari satu tempat ke tempat lain melalui ban berjalan. Karena ada waktuyang dibutuhkan oleh barang atau bahan untuk berpindah dari posisi semula keposisi akhir, maka ada rentang waktu kosong (deadtime) sebelum output sistem –dalam hal ini awal proses di bagian berikutnya – terjadi.
Gambar 1.22 Model Dead Time
.
Secara grafik, respon sistem kontrol yang memiliki waktu mati diperlihatkanpada gambar 1.23a. Terlihat bahwa output baru muncul ( x ) setelah waktu mati
(Tt) dari waktu awal inputnya (y ). Sedangkan simbol sistem kontrol denganwaktu mati diperlihatkan pada gambar 1.23b.
Gambar 1.23 Respon Kontrol Deadtime
1-16
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
18/55
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
19/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Pada saat awal proses pemanasan ruangan, suhu naik sedikit demi sedikitsampai mencapai suhu tingginya. Karena ketidakidealan sistem, timbul waktu
tunda T u. Waktu tunda tersebut muncul baik pada saat kondisi on ke off
ataupun sebaliknya dari kondisi off ke on seperti terlihat pada gambar tersebutsebagai akibat komponen atau pengatur tidak bisa langsung meresponperubahan inputnya.
Pada kontroler ini bentuk kurvakarakteristik input-outputnya disebuthysteresis seperti terlihat di bagian kiri gambar 1.24. Dengan melihat kurva ini, perpindahan (transisi) dari posisi on ke offberlangsung ketika suhu mencapai suhu
tinggi (xo) dan sebaliknya perpindahanposisi off ke on terjadi pada saat suhu
mencapai suhu rendah (xu). Simbol kontroldua posisi (On-Off ) diperlihatkan padagambar 1.25 .
Gambar 1.25 Simbol kontrolon-off
Gambar 1.26 Kontroler suhu bimetal
Kontroler suhu bimetal adalah sebuah kontroler dua posisi yang diperlihatkanpada gambar 1.26 . Posisi On-Off nya ditentukan oleh kontak bimetal. Apabilasuhu panas maka keping bimetal akan melengkung sedemikian sehinggakontak terlepas sehingga elemen pemanasnya terputus kontaknya sehingga
suhu akan turun. Adanya magnet menyebabkan suatu saat keping bimetalkembali akan tertarik dan menyebabkan kontak kembali bekerja dan prosespemanasan berlangsung kembali. Karena suhu naik, keping bimetal kembalimelengkung dan memutus kontak dengan pemanas, sehingga proses awalberulang, dan seterusnya.
1-18
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
20/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.6. Kontroler Tiga Posisi
Kontroler tiga posisi gambar 1.27 memiliki karakteristik satu posisi On dan dua
posisi Off , atau sebaliknya dua On dan satu Off . Dalam bentuk rangkaian listrikdigambarkan pada gambar 1.27. Pemanas listrik R1, terhubung pada induk
saklar 1 dan 2. Sedangkan pemanas R2 hanya terhubung pada
saklar cabang 2 saja.
Gambar 1.27 Kontrol tiga posisi
Gambar 1.28 Karakteristik dan
simbol kontroler tiga posisi
Ketika posisi saklar pada 0, keduapemanas posisi Off dan kedua pemanas
tidak mendapat catu daya listrik,hasilnya suhu dingin. Ketika sensorsuhu mencapai angka setting tertentusaklar cabang akan menghubungkan
cabang 1 dengan pemanas R1, satupemanas bekerja.
Jika pemanas akan dinaikkan
temperaturnya, sensor temperaturmenggerakkan saklar ke cabang 2, pada
posisi ini pemanas R1 dan R2 secarabersamaan bekerja dan dihasilkantemperatur lebih tinggi.
Sedangkan karakterisitik dan simbol dari
kontroler tiga posisi terlihat pada
gambar 1.28 .
Contoh pemakaian kontroler tiga posisiadalah pada sistem pengaturan suhu
yang memerlukan tiga keadaan, yaitu
panas-tinggi, panas-sedang, dankeadaan mati (Off ), seperti diperlihatkan
pada gambar 1.29
Gambar 1.29 Karakteristik kontroler tiga
posisi dengan posisi tengah nol
1-19
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
21/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.7. Kontroler Proporsional (P)
Kontroler Proporsional memiliki
karakteristik bahwa outputnya berupavariabel yang dikontrol berubahsebanding (Proporsional) denganinputnya yang berupa variabel selisih(error ) antara masukan acuan
(reference) dengan variabeltermanipulasi atau output nyata dariplant. Karakteristik dan diagram blokkontroler ini diperlihatkan pada gambar 1.30 .
Aplikasi kontroler proporsional misalnyapada pengaturan tinggi permukaan airseperti pada gambar 1.31. Buka tutupkatup akan sebanding dengan posisipelampung yang mengukur selisihantara tinggi permukaan air yangdiinginkan (referensi) dengan tinggi airsesungguhnya ( x ).
Gambar 1.30 Kontrol proporsional
Apabila tinggi air sesungguhnya sangatrendah maka katup akan membukalebar-lebar, sebaliknya apabila tinggi airsesungguhnya melebihi tinggi air acuanmaka katup akan menutup sekecil
mungkin.
Gambar 1.31 Aplikasi kontroler proporsional
Respon sistem kontrol dengan kontrolerproporsional diperlihatkan pada gambar
1.32 . Hubungan antara variabel yang dikontrol y dengan error e dinyatakandengan bentuk persamaan linier dengankonstanta kesebandingan (proporsional)
K RP . Gambar 1.32 Respon kontrol proporsional
1-20
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
22/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.8. Kontroler Integral (I)
Laju perubahan (kecepatan) nilai output dari kontroler integral sebanding
dengan nilai inputnya. Input sistem berupa variabel selisih (error ) antaramasukan acuan (referensi) dengan variabel termanipulasi atau output nyatadari plant .
Jadi, jika selisih acuan dengan output nyata
besar maka perubahan nilai output jugabesar, artinya aktuator akan “mengejar”selisih tersebut, sehingga diharapkan
selisihnya semakin kecil. Karakteristik dandiagram blok kontroler integral diperlihatkanpada gambar 1.33.
Dibandingkan dengan kontrolerproporsional, pemakaian kontroler integralrelatif lebih baik dalam hal memperkecilselisih antara masukan acuan denganoutput nyata. Dengan demikian, kontrolerintegral akan mendorong sistem yang
dikontrol ( plant ) untuk mencapai output yang diinginkan, sehingga selisih (error )
nya semakin kecil.
Aplikasi kontroler integral ini misalnya pada pengaturan level permukaan air
yang melibatkan motor sebagai komponen aktuatornya, seperti diperlihatkan
pada gambar 1.34.
Gambar 1.34 Aplikasi kontroler integral
Dalam sistem tersebut, operasi buka tutupkatup dilakukan oleh motor listrik. Torsimotor yang dihasilkan bergantung kepada
nilai selisih antara acuan (yh) dengan
output nyata (y) yang diukur melaluipelampung. Semakin besar selisihtersebut, yaitu apabila kecepatanberkurangnya air semakin besar (misalnyasaat pemakaian air yang banyak), makatorsi motor akan semakin besar danmempercepat buka katup, sehingga air
akan semakin banyak mengalir. Dengandemikian diharapkan tangki air akan terisiair lagi secara cepat sampai ketinggianyang diinginkan.
1-21
am ar 1. on ro er n egra
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
23/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.9. Kontroler Proporsional Integral (PI)
Kontroler PI merupakan gabungan fungsi dari kontroler Proporsional danIntegral. Penggabungan ini untuk menutupi kekurangan kontroler P yang relatif
lambat responnya, sementara kontroler P digunakan untuk mempertahankan
agar kontroler masih merespon meskipun untuk nilai selisih yang kecil. Responsistem terhadap input tangga ( step) dan diagram blok dari kontroler ini
diperlihatkan pada gambar 1.35.
Gambar 1.35 Kontroler Proporsional Integral
Aplikasi tipe kontroler ini diperlihatkan pada gambar 1.36 . Pada sistem ini,buka tutup katup berlangsung atas dasar data output nyata yang diukur melaluipelampung dan torsi motor. Torsi motor berubah berdasarkan nilai selisih
antara ketinggian air nyata (y) dan tinggi air yang diinginkan (yh). Kombinasidua mode pengontrolan ini menghasilkan operasi katup yang efektif, karenabuka tutupnya menyesuaikan dengan kondisi air yang ada dalam tangki.
Gambar 1.36 Aplikasi Kontroler PI
1-22
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
24/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.10. Kontroler Derivatif (D)
Penggunaan kontroler P saja dalam sistem kontrol kadang-kadang
menyebabkan respon sistem melebihi input acuannya. Misalnya level air dalamtangki melebihi dari tinggi yang diinginkan. Keadaan ini disebut overshoot .
Untuk mengurangi atau menghindari kondisiini maka digunakan kontroler tipe derivatif.Input ke kontroler derivatif berupaperubahan selisih antara output nyata danmasukan acuannya atau kecepatan error ,sehingga apabila selisih antara output nyatadan masukan acuannya semakin besarmaka kontroler mengirimkan sinyal keaktuator yang semakin besar pula.
Dengan demikian, nilai ouput yang melebihinilai acuannya ditekan sekecil mungkin.
Respon kontroler ini untuk input tangga(step) dan input lereng ( ramp) diperlihatkan
pada gambar 1.37 dan gambar 1.38.
Aplikasi kontroler ini diperlihatkan padagambar 1.39. Pada sistem ini, buka tutup
katup bergantung kepada perubahan nilai selisih antara tinggi air nyata yang
diukur melalui pelampung (y) dan tinggi air yang diinginkan (yh).
Gambar 1.39 Aplikasi Kontroler Derivatif
Dalam keadaan tangki kosong artinya selisihnya besar, maka katup akan
membuka dengan cepat sehingga laju air masuk ke tangki semakin besar.
Apabila keadaan air mendekati penuh, maka nilai selisihnya kecil, sehingga
katup akan memperkecil volume air yang masuk ke dalam tangki.
1-23
Gambar 1.38 Respon kontrolerderivatif untuk sinyal lereng
Gambar 1.37 Respon kontrolerderivatif untuk sinyal step
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
25/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.11. Kontroler Proporsional Derivatif (PD)
Karena kontroler derivatif mampu mengurangi overshoot yang terjadi dalamsistem kontrol, maka penggabungan dua tipe kontroler P dan D cukup efektif
untuk mendapatkan respon sistem yang baik. Kontroler PD memadukan fungsi
kontroler P dan D. Respon kontroler terhadap input lereng (ramp) dan diagram
blok kontroler ini diperlihatkan pada gambar 1.40.
Gambar 1.40 Respon kontroler PD terhadap sinyal lereng
Apabila kontroler PD diterapkan pada pengaturan tinggi air maka buka tutupkatupnya berdasarkan data selisih dan laju perubahan selisih antara tinggi air
nyata (y ) dengan tinggi air yang diinginkan (yh), seperti diperlihatkan padagambar 1.41.
Gambar 1.41 Aplikasi Kontroler PD
Ketika pengisian air dalam tangki penampung mencukupi maka pelampung
akan bergerak keatas dan menggerakkan dua tuas. Tuas atas menggerakkan
piston dalam silinder yang akan meutup katup aliran air. Tuas bawah
mengimbangi gerakan oleh tekanan pegas akibat dorongan piston.
1-24
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
26/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.12. Kontroler PID
Dari uraian sebelumnya, karena tipe kontroler memiliki keunggulan dankelemahan masing-masing, maka untuk mendapatkan hasil pengontrolan yangbaik digunakan perpaduan tiga tipe kontroler tersebut. Kontroler inimemadukan fungsi tiga kontroler sebelumnya (P, I, dan D), sehingga disebutkontroler PID. Dengan kontroler PID diharapkan responnya sangat cepat(keunggulan kontroler P), errornya sangat kecil (keunggulan kontroler I), danovershoot-nya kecil (keunggulan kontroler D). Respon kontroler terhadap inputtangga (step) dan diagram bloknya diperlihatkan pada gambar 1.42.
Gambar 1.42 Respon kontroler PID terhadap sinyal step
Aplikasi kontroler PID dalam sistem kontrol tinggi air dalam tangki diperlihatkanpada gambar 1.43. Perhatikan kontroler ini merupakan gabungan kontroler PIyang ada digambar 1.26 dengan kontroler jenis Derivatif pada gambar 1.36.Pengisian permukaan air setinggi h akan di ikuti oleh pergerakanpelampung yang menggerakkan baik tuas, maupun potensiometer yangmemberikan umpan balik pada motor DC yang mengisi air. Jika permukaanair sesuai dengan setting, maka pelampung akan bergerak keatas.
Potensiometer akan memperkeciltegangan, motor DC akan mati.Sekaligus katup akan menutupaliran air yang menuju ke bak
penampung bawah.
Gambar 1.43 Aplikasi kontroler PID
1-25
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
27/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Untuk memudahkan analisis sistem kontrol biasanya digunakan analogi
penggambaran sistem kontrol dengan rangkaian listrik. Tipe kontroler, diagram
blok, analogi rangkaian listrik, hubungan antar variabelnya dicantumkan dalam
tabel berikut.
Tabel 1.3. Aplikasi Op-Amp Sebagai Kontroller
1.13. Karakteristik Osilasi Pada Sistem Kontrol
Ada tiga karakteristik osilasi apabila sebuah lingkar (loop) diterapkan pada
sistem kontrol, yaitu loop stabil, loop batas stabil, dan loop tidak stabil. Bentuk
karakteristiknya diperlihatkan pada gambar 1.44.
Gambar 1.44 Karakteristik osilasi
1-26
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
28/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Dalam sistem kontrol dengan loop stabil, respon sistemnya bisa mengikuti
masukan acuannya dengan error semakin kecil dan menuju nol. Sementara
untuk loop batas stabil, output sistemnya berosilasi terus-menerus, yang pada
tingkat tertentu merusak komponen sistemnya.
Karakteristik loop yang tidak stabil adalah kualitas terburuk dari sistem kontrol.Dalam sistem tersebut, respon sistem melebihi dari nilai masukan acuannyadan semakin lama semakin besar. Hal ini tentu saja menyebabkan kerusakandalam sistem. Misalnya pada pengaturan kecepatan motor arus searah terjadiloop tidak stabil maka motor berputar semakin lama semakin besar sampai melebihi batas kecepatan nominalnya yang tercantum dalam nameplate-nya.
Tentu saja yang terjadi adalah motor menjadi rusak karena terjadi panasberlebih dalam komponen motor tersebut.
1.14. Seleksi Tipe Kontroler Untuk Aplikasi Tertentu
Dalam prakteknya, penggunaan tipe kontroler sangat bergantung kepada jenisaplikasi yang akan menggunakan kontroler dalam realisasinya. Selain
pertimbangan ekonomis, hal-hal teknis berkaitan dengan karakteristik sistem,sifat-sifat fisis dari besaran yang dikontrol, dan kemudahan dalam realisasi
menentukan tipe kontroler yang digunakan dalam aplikasi tersebut. Berikutadalah tabel perbandingan pemilihan tipe kontroler untuk aplikasi tertentu.
Tabel 1.4. Perbandingan jenis kontroller untuk masing-masing aplikasi
1.15. Optimisasi Kontroler
Dalam menerapkan tipe kontroler untuk aplikasi tertentu, beberapa parameter
yang harus diperhatikan adalah konstanta waktu dari masing-masing tipekontroler, waktu tunda (delay time), dan waktu menetap (settling time)nya. Adadua pendekatan yang cukup terkenal dan praktis (rule of thumb) dalammenentukan nilai optimal dari suatu parameter relatif terhadap parameterlainnya, yaitu pendekatan Chien/Hornes/Reswick dan pendekatanZiegler/Nichols. Nilai optimal masing-masing parameter tersebut diperlihatkan pada tabel berikut.
1-27
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
29/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Tabel 1.5. Parameter kontroller dengan pendekatan Chien/Hornes/Reswick
Tabel 1.6. Parameter Ziegler-Nichols Contoh : Sebuah sistem kontrol
suhu membutuhkan spesifikasi kontrolersebagai berikut : waktu tunda T u = 60detik, waktu akhir respon kontroler
(settling time) T g = 600 detik, dan
konstanta proporsional KS = 10 K/A.Dengan kriteria 20 % osilasi dari nilaioutput kontrolernya, tentukan nilai
parameter K RP , T n, dan T v apabila dipilihkontroler PID untuk merealisasikan
kontroler tersebut.
tabel, K RP 1 T g 1 600
Jawab : Dari 1,2 u u 1,2 u u 60
1,2 A/K ; K S T u 10
T n 2T u 2 u60 10 detik ; dan T v 0,42T u 0,42 u60 25,2 detik.
1.16. Elektropneumatik
Di industri banyak digunakan komponen-komponen yang merupakan kombinasielektrik dan pneumatik, yang disebut
elektropneumatik. Pneumatik dapatdigunakan untuk mengontrol daya denganbantuan sinyal listrik (biasanya digunakan24 V DC) . Sinyal- sinyal DC tersebutdiaktifkan melalui rangkaian logika.Rangkaian dari komponen-komponentersebut bekerja dengan energi listrik.
1-28
Gambar 1.45. Komponen elektropneumatik
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
30/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.17. Komponen Elektropneumatik
Di bagian aktuator, pneumatik digunakan seperti pada silinder dan throttle dankatup penghalang. Bagian-bagian tersebut bekerja secara elektropneumatik.
Komponen elektropneumatik terdiri bagian elektrik, elektropneumatik dan
bagian mekanik.
1.17.1. Bagian Elektrik
Bagian ini biasanya berupa rangkaian
tertutup dan mempunyai bagian outputyang digunakan untuk menyambung-kannya dengan komponen ataubagian lain sesuai dengan kebutuhan.
Di pasaran biasanya tersedia dalambentuk saklar tekan ( pushbutton) atauselector switch, normally open,normally clossed atau dalam bentuk toggle gambar - 1.46 Untuk modelselector switch, bekerja berdasarkanmekanis, dan akan tetap padaposisinya sampai ada yangmengubahnya.
Gambar 1.46. Tombol NO,NC dan toggle
Misalnya dia akan tetap off sebelum ada orang yang mengubah posisi saklarmenjadi on. Sedangkan untuk model saklar tekan, akan bekerja selamabeberapa waktu saja setelah saklar tersebut ditekan. Untuk tipe toggle, saklar
akan berubah fungsi setiap kali ditekan. Misalnya satu kali ditekan dia akantertutup (dan terus bertahan) dan ditekan lagi saklar akan terbuka.
1.17.2. Sensor-sensor
Melalui pengesetan pada sensor, informasi-
informasi dari luar yang menunjukkankondisi bagian yang dikontrol (misalnyaperubahan tekanan, tegangan, posisi
silinder, dan sebagainya) dapat diteruskanke bagian pengontrol.
Gambar 1.47 Limit switch
1-29
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
31/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Sebuah limit -switch mekanik gambar-1.47.
dapat di set pada posisi tertentu, sehingga
ketika ada benda kerja yang menyentuh limit-
swtich tersebut, maka dia akan mengeluarkansinyal untuk mengontrol kerja mesin atau
bagian dari mesin. Limit-switch biasanya
berfungsi sebagai pembuka atau penyambung
dan pengubah aliran arus.
Saklar tekanan biasanya berfungsi sebagaipenyambung, pemutus atau pengubah aliran arus dengan cara mengeset saklar pada tekanan tertentu. Ketikatekanan mencapai nilai seting yang ditetapkan, maka saklar akan terbuka atautertutup, atau mengalihkan arah arus. Tekanan input didapat dari sebuah pistonyang akan menghasilkan daya tekan. Daya tekan tersebut dapat diatur melalui
sebuah tombol putar gambar- 1.48. Ketika ada tekanan melebihi nilaisetingnya, maka limit switch akan bekerja.
Saat ini banyak digunakan saklar tekanan yang bekerja secara elektronis.Saklar tekanan elektronis bekerja melalui tekanan yang terjadi pada membran.
Saklar magnet jenis proximity juga dapat
diset pada posisi tertentu dalam silindergambar 1.49. Biasanya rumah kontak
saklar ini berupa diode jenis LED yangakan langsung menyala saat terjadi
kontak (saklar tersambung).
Karakteristik penting saklar jenis ini ialah: xBekerja tanpa memerlukan daya
xWaktu pensaklaran yang singkat (sekitar 0.2 ms). xBebas waktu tunggu
xMasa pakainya panjangxSensitifitasnya terbatas. xDengan medan magnet yang tinggi
komponen ini tidak dapat diset. xHanya
memerlukan sedikit instalasi
Saklar proximity merupakan sensor non-kontak, bekerja berdasarkan induksi
magnet yang ditimbulkan oleh belitan pada kontak-dalam. Saklar ini dapatberfungsi sebagai pemutus, penyambung atau pengubah arah arus. Medan
magnet biasanya segera berintegrasi dengan badan piston, sehingga kontak
bergerak.
1-30
Gambar 1.49 Proximity switchterpasang pada silinder
Gambar 1.48 Limit switchtekanan
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
32/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.17.3. Relay dan Kontaktor
Relay dan kontaktor merupakan saklar yang bekerja berdasarkan prinsip
elektro-magnetik yang terjadi pada kontaktor- kontaktornya gambar 1.50 . Arusmasuk melalui belitan eksitasi (terminal A1 dan A2) . Jangkar akan bergerakdan kontak bekerja. Jika aliran arus pada jangkar terputus, maka sambungan akan terputus pula.
Relay dan kontaktor bekerja dengan prinsipyang sama. Oleh karena itu gambarpotongan saklarnya digambarkan sama.Relay biasanya bekerja dengan dayarendah (sekitar 1kW, kontaktor bekerjadengan daya yang lebih besar sampai 100
kW.
Relay bekerja dengan tegangan bebas. Inidimaksudkan relay dapat bekerja dengantegangan yang berbeda-beda. Relaybanyak digunakan untuk berbagai jeniskontrol, pengaturan dan pengecekan,seperti:
x Relay menunjukkan gambaran
antara sinyal dan daya x Dapat bekerja dengan tegangan yang
berbeda-beda x Relay dapat bekerja dengan tegangan DC maupun AC
x Relay dapat bekerja dengan sinyak-kuadrupel
x Relay juga dapat bekerja dengan delay sinyal.
Relay tersedia dalam tipe normally-open (terbuka), tertutup, atau sebagai
pengubah aliran arus gambar-1.51 menunjukkan rangkaian kontak atau
sambungan sebuah relay.
x Belitan untuk arus eksitasi digambarkan sebagao A1 dan A2
x Relai digambarkan sebagai K1, K2 dan seterusnya.
x Rangkaian kontak relay digambarkan melalui angka-angka yang terdiri
dari dua deret. Deret pertama merupakan order atau tingkatan, deretkedua merupakan jenis deret kontak.
1-31
Gambar 1.50 KonstruksiRelay dan kontaktor
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
33/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Gambar 1.51. Kontaktor dengan kontak utama dan kontak bantu
1.17.4. Katup Magnetik
Katup magnetik merupakan konverter elektromagnetik, yang meng-gambarkanadanya bagian kontrol mekanis dan elektronik. Katup magnetik terdiri daribelitan magnet (ini adalah elemen elektronik) dan katup pneumatik. Arus listrikmengalir melalui belitan magnet, yang akan membangkitkan medan elektromagnetik, sehingga dapat menarik jangkar. Jangkar terhubung denganpendorong katup, dimana tekanan udara dikontrol. Didalam pendorong katup
terdapat gerbang jangkar yang akan bergerak, sehingga dapat mengubahstatus sambungan (tersambung atau terputus).
Prinsip kerja katup kontrol 3/2gambar 1.51: dimulai dari penyetelan dasar katup, yaitudengan menutup aliran udara dari 1ke 2. Magnet yang dibangkitkanoleh belitan akan menaikkan
jangkar ke atas, sehingga akanterjadinya aliran udara bebas dari 1ke 2. Selanjutnya, pengaliran udara-3 dalam jangkar akan menghalangiudara dari atas ke bawah. Olehkarena itu tidak ada arus lagi yangmengalir melalui belitan (spul) dari
jangkar ke bawah dan aliran dari 1
ke 2 juga terhalang; dalam waktu Gambar 1.52 Katup Magnetik yangbersamaan akan terjadi
1-32
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
34/55
Teknik Pengaturan Otomatis
pertukaran udara dari 3 ke 2. denganbantuan tangan, poros elektromagnetdapat berputar, dan ini akan
mempengaruhi adanya pertukaranudara tersebut. Di dalam
elektropneumatik terdapat valve yangdapat dikontrol.
Keunggulan penggunaan kontrol denganelektropneumatik adalah belitan magnetrelatif berukuran kecil, sehingga hanyamemerlukan arus dan daya listrik kecil,menunjukkan dasar fungsi sebuahelektropneumatik gambar-1.52 . Sinyallistrik akan mengakibatkan jangkar
bekerja membuka katup kontrol dan iniakan menimbulkan perubahan tekananpada piston, sehingga katup akanterbebas dari kontrol tekanan.
Gambar 1.53. Batang jangkar
katup magnetik
Katup Magnetik 3/2 dengan Penyetelan Balik.
Gambar-1.53 menunjukkan penyetelan dasar dari katup magnetik 3/2. Disini aliran udara dari jalur 1 ke 2 dihalangi dengan mengontrol katup magnetik 3/2,sementara udara dapat masuk melalui jalur 3 ke 2. Tekanan udara pada jalur 1akan mengakibatkan lempeng penahan bergerak ke kiri dan jangkar akanbergerak ke depan. Melalui eksitasi belitan magnet, maka jangkar akan
bergerak ke kiri sehingga kedalamannya akan bertambah.
Oleh karena itu, terdapat aliran tekananudara pada lempeng yang dikontrol,dan akan mengakibatkan terjadinya
tekanan pada piston ke arah kanan,sehingga udara dapat mengalir dari
jalur 1 ke 2. Pada saat ini aliran udaramasuk dari jalur 3 ke 1 terhalang.
Pada saat sinyal kontrol bekerja, akanada tekanan udara pada lempengkontrol, yang me-nyebabkan pistonbergerak ke kiri, dan katup akan teraliri udara melalui lubang di dalam jangkar di Gambar 1.54. Katup magnetik 3/2 jalur82. Tekanan udara juga dapat diatur melalui perangkat yang dapat diatur
dengan tangan.
1-33
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
35/55
Teknik Pengaturan Otomatis
Katup magnetik 5/2 mempunyai perbedaan bentuk fisik jika dibandingkankatup magnetik 3/2 gambar 1.54. Secara
prinsip kedua katup tersebut mempunyaicara kerja yang sama, yaitu perlu belitanmagnet yang tereksitasi untukmenggerakkan piston, tetapi untuk katupini tidak ada definisi penyetelan dasar.
Gambar 1.55. Katup magnetik 5/2
Katup Magnetik Impulse 5/2 gambar 1.55 mempunyai prinsip kontrol yang sama dengan katup katup magnetikyang dijelaskan sebelumnya.
Perbedaan tersebut terletak pada sinyallistrik pembangkit eksitasi pada belitanmagnet. Disini, belitan magnet hanyamemer-lukan impuls yang pendek,untuk mempertahankan piston padaposisi tertentu.
Gambar 1.56. Katup
Katup magnetik jalur 5/3. magnetik impulse 5/2
Gambar 1.56 menunjukkan penyetelan dasar katup 5/3
(penyetelan halus di-offkan), yaitu dengan mencegah aliran udara dari alur 1 ke 2 dan dari 1 ke 4. Lubang yang menghubungkan kedalaman angkar-jangkar akan berada pada tekanan di port 1. Melalui eksitasi sebuah magnet akan mulai dijelaskan prinsip pengontrolan katup dan piston yang akan mengubah posisi saklar. Gambar 1.57. Katup magnetik 5/3 Dengan menggunakan eksitasi
magnet akan memungkinkan feder pusat berada di posisi tengah.
Pengaturan katup mendapat masukan udara dari jalur 82 atau 84. yang perlu
diperhatikan, bahwa untuk mengatur gerakan katup diperlukan sinyal kontrol
untuk Y1 hingga Y2, tanpa mempertahankan impuls katup dalam memori. Jika
ada sinyal kontrol, maka katup akan berada di tengah.
1-34
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
36/55
Teknik Pengaturan Otomatis
1.18. Rangkaian Dasar
Seperti halnya pada pneumatik, pada elektropnuematikpun dapat dibuat
rangkaian dasar yang harus di set secara bersama-sama. Disini kembaliberlaku prinsip-prinsip perancangan rangkaian yaitu dengan memper hatikan
fungsi dan karakteristik penyetelan.
Komponen-komponen harus di-tangani dengan baik sehingga dan berfungsi
baik dan dapat direncana kan pengontrolan yang sesuai.
1.18.1. Operasi Maju dan Mundur Silinder
Cara kerja silinder sangat berbedadengan cara kerja pneumatik. Disini
tidak ada pengaturan secara langsung.Dalam praktik, pengaturan dilakukanmelalui relay. Kontrol jenis inimempunyai keunggulan, bahwa arusrelay dapat digunakan untuk meng-
aktifkan perangkat lainnya.
Operasi satu arah dari Silinder
Dengan mengoperasikan saklar-1gambar 1.56 maka relay K1 akan energized dan ini akan meng-aktifkankontak relay pada lead arus-2 serta
katup magnetik Y1 di bagian silinder1V1, sehingga jalur katup 3/2 dapatmemberikan pengontrolan. Silinder 1A1akan bergerak ketika S1 dioperasikanlagi dan mencapai ujung tabung ketikaS1 dioperasikan untuk waktu yangdiperlukan silinder bergerak dari ujungke ujung tabung.
Silinder dengan Operasi Ganda
Disini juga akan dijelaskankemungkinan-kemungkinan peng-aturan
yang lebih banyak karenamenggunakan pengaturan tekananudara secara ganda. Silinder padagambar 1.57 atas hanya akan bergerakketika S1 ditekan untuk waktu selamasilinder bergerak.
Gambar 1.58. Silinder tunggal
dengan dgn katup magnetik 3/2
Gambar 1.59. Silinder
operasi ganda katup 5/2
1-35
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
37/55
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
38/55
Sistem terdiri dari plant berupa logam kuningan, yang akan dipanaskan oleh
heater. Suhu kuningan merupakan variabel yang dikendalikan. Dengan adanya
sensor suhu, nilai suhu pada kuningan dapat diketahui, untuk diumpanbalikkan.
Asumsikan aktuator dan plant merupakan sistem orde 1 dengan konstanta waktu
cukup besar.
Mekanisme pengendalian :
Nilai suhu yang diinginkan terlebih dahulu ditetapkan sebagai suhu acuan.
Saat awal, suhu kuningan masih di bawah nilai acuan, nilai galat = suhu
acuan – suhu kuningan akan bernilai posistif, sehingga keluaran pengendali
akan mengaktifkan heater. Beberapa saat kemudian suhu akan mencapai
nilai melebihi nilai acuan (lebih sedikit), sehingga keluaran pengendali akan
mematikan heater. Pada kondisi ini, suhu pada kuningan masih akan naik,
sampai nilai tertentu. Kemudian panas akan sedikit demi sedikit hilang, suhu
kuningan akan turun. Untuk mempercepat turunnya suhu kuningan, terdapat
fan yang akan aktif saat heater tidak aktif. Ketika suhu mencapai nilai
kurang dari nilai acuan, heater akan aktif kembali, fan dimatikan. Walaupun
heater telah diaktifkan, suhu kuningan masih akan turun, sampai pada nilaitertentu suhu kuningan akan naik kembali. Grafik keluaran pengendali dan
suhu kuningan dapat diperhatikan dalam gambar 2 berikut ini.
Gambar 2 Variasi suhu di antara nilai acuan
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
39/55
Sistem yang menggunakan pengendali ON/OFF ideal akan memiliki
kelemahan. Pertama, saat suhu kuningan mencapai nilai acuan akan terdapat
gangguan, yang dapat mengakibatkan keluaran pengendali ON dan OFF
secara beruntun dan membuat umur pengendali jadi pendek. Kedua, variabelyang dikendalikan tidak akan pernah tepat sesuai dengan nilai acuan yang
diinginkan.
Untuk mengatasi persoalan pertama, pengendali ON/OFF ditambahkan
differential gap atau deadband atau sering dikenal sebagai pengendali
histeresis.
Gambar 3 (a) Pengendali ON/OFF ideal, (b) Pengendali Histeresis
u(t) = U1 untuk e(t) > 0
= U2 untuk e(t) < 0
Umumnya : U2 = 0 atau -U1
Dengan pengendali histeresis ini, ketika suhu sedikit melebihi nilai acuan
tidak seketika mengaktifkan heater. Dengan adanya gap, suhu ahrus
mencapai nilai tertentu, baru heater akan diaktifkan. Sebaliknya, saat kurang
dari nilai acuan (sedikit saja) heater tidak akan langsung dimatikan.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
40/55
Untuk persoalan kedua akan dapat diselesaikan menggunakan pengendali
PID.
SISTEM KENDALI SUHU DENGAN PID
Sistem kendali suhu menggunakan pengendali ON/OFF memiliki kelemahan. Salah
satu kelemahannya, nilai variabel yang dikendalikan akan berosilasi di sekitar nilai
acuannya. Apabila hal ini tidak boleh terjadi, maka untuk mengatasinya pengendali
ON/OFF perlu diganti dengan pengendali PID. Sistem kendali suhu menggunakan
pengendali PID dapat diperhatikan dalam gambar 1 berikut ini.
Gambar 1 Sistem Kendali Suhu Menggunakan Pengendali PID
Sebelum menentukan parameter pengendali PID, perlu ditentukan dahulu kriteria
kinerja yang diinginkan, yang meliputi :
1. Kecepatan respon transien.
2. Maksimum simpangan.
3. Galat dalam kondisi mantap.
Semakin cepat respon transien suatu sistem akan semakin baik, dengan
simpangan kurang dari 5 %, dan galat dalam kondisi mantap nol.
PIDVref (t) Acuan suhu
Driver +
Heater t
Kontroler Aktuator
Kuningan
Plant
1
Error detector
Sensor
+
-
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
41/55
Pengendali PID yang digunakan memiliki persamaan :
t
t
d p
i
p
pdt
t deT K dt t e
T
K t e K t u
)()()()(
Perancangan pengendali PID dapat dilakukan dengan bantuan root locus, bode
plot, secara analitis. Dalam menentukan parameter PID yang tepat, untuk
menghasilkan kinerja yang bagus, perlu diperoleh dahulu model plant. Model
dapat diperoleh dengan memberikan masukan unit step, menggambar keluaran,
kemudian diperoleh penguatan dan konstanta waktu dari plant (seperti yang telah
dilakukan dalam percobaan pengukuran fungsi alih).
Selain itu, penentuan parameter PID dapat dilakukan dengan metode Ziegler
Nichols.
Dengan hanya melibatkan pengendali proporsional (Kp), kecepatan respon sistem
akan dapat diperbaiki. Sedangkan, galat dalam kondisi mantap akan semakin kecil
kalau penguatan diperbesar. Akan tetapi, galat dalam kondisi mantap akan selalu
ada. Untuk itu perlu ditambahkan pengendali integral, yang akan berfungsi
menghilangkan galat dalam kondisi mantap. Namun, dengan penambahan integral
akan memungkinkan timbulnya simpangan (overshoot ). Untuk itu ditambahkan
pengendali derivatif untuk memperkecil besar simpangan.
Apabila parameter PID tepat, maka akan diperoleh kinerja sistem yang bagus.
Respon transien yang cepat, simpangan kecil, dan galat dalam kondisi mantap nol.
SISTEM KENDALI KECEPATAN KONTINYU
Banyak sekali alat atau proses yang bergantung pada kecepatan putar sebuah
motor listrik, misalnya mixer yang sering digunakan oleh ibu rumah tangga, mesin
bor di bengkel seorang montir, sabuk berjalan di industri perakitan mobil, bahkan
juga pembangkitan tegangan di PLTA1 . Pengaturan kecepatan motor, dengan
demikian, menjadi sangat penting.
1 Di sebuah PLTA yang umum : air menggerakkan turbin, turbin digunakan untuk menggerakkan
generator dan motor arus searah ini kemudian digunakan memutar suatu alternator tiga fasa.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
42/55
Untuk kepentingan kendali kecepatan, suatu motor listrik dapat direpresentasikan
sebagai sistem dengan satu masukan dan satu keluaran :
MOTORMasukanEnergi Elektrik
(tegangan, V)
KeluaranEnergi Mekanik
(putaran,
Agar dapat mengendalikan putaran motor, ditambahkan suatu komponen
lain yang mengendalikan besar masukan energi (dikenal secara umum
dalam sistem kontrol sebagai ekuator, dalam kasus motor listrik, komponen
ini berupa rangkaian penguat dengan transistor ataupun rangkaian
penggerak dengan thyristor dan lain-lain) :
PenguatEnergi Elektrik
Energi Elektrik , terkendali(sebanding dengan sinyal atur)
MOTOR
Sinyal Kontrol(sebanding dengan yang diinginkan)
Sistem kendali seperti di atas, dengan masukan plant yang tidak tergantung dari
keluaran, dikenal dengan sistem kontrol lingkar terbuka (open - loop control
system)
Untuk keperluan analisis, sistem tersebut sering digambarkan dengan diagram
blok seperti di bawah ini (telah disertakan dalam gambar, fungsi alih yang umum
dipakai untuk motor dc pengaturan jangkar):
K(s)Vref (t)
masukan acuan
Ka t
Kontroler Aktuator
Kmsm + 1
motor dc
Fungsi alih sistem tersebut (untuk penyederhanaan, K(s) = 1) :
1)(
)(
m s
KaKm
sVref
s
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
43/55
Agar keluaran sistem tidak mudah terganggu, dapat ditambahkan komponen lain
yang mengukur keluaran sistem dan kemudian membandingkannya dengan
keluaran yang diinginkan (= masukan acuan). Inilah yang disebut sistem kontrol
lingkar tertutup (closed - loop control system),
Fungsi alihnya :
( )( )
s
Vref s
KaKm
s m KaKmKg
1
Dengan Routh test kita dapat menentukan batas kestabilan sistem, yaitu :
Untuk sistem lingkar terbuka, sistem stabil untuk setiap harga K
(konstanta penguatan)
Untuk sistem lingkar tertutup, kestabilan sistem terbatas pada harga K
yang positif.
Dari fungsi alih kedua sistem kita juga dapat melihat respon transien kedua
sistem tersebut:
Sistem lingkar terbuka : (t) = exp(-t/m)
Sistem lingkar tertutup : (t) = exp )).1(
(m
t KaKmKg
Untuk sistem lingkar tertutup besarnya galat keadaan tunak berbanding terbalik
dengan besarnya K.
K(s)Vref (t)masukan acuan
Ka t
Kontroler Aktuator
M(s)
motor
Kg
Error detector
Sensor
+
-
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
44/55
Dari persamaan fungsi alih kita dapat melihat sensitivitas sistem terhadap
perubahan parameter K. Untuk sistem lingkar terbuka sensitifitasnya sebanding
dengan perubahan harga K. Sedangkan pada sistem yang lainnya sensitifitasnya
direduksi sebesar 1/(1+ K) dibandingkan sistem yang satunya.
Kinerja sistem dapat diperbaiki dengan banyak cara. Sebuah cara yang banyak
dipakai adalah dengan menambahkan kontroler PID.
Sistem pengendalian dan perbaikan kinerja yang diharapkan darinya dijelaskan
secara ringkas dibawah ini
Pengendali Proporsional ditambahkan untuk memperbesar penguatan akan
mempercepat respon transien dan memperkecil galat pada keadaan tunak. Hal ini
dapat dimengerti dari uraian sebelumnya tentang pengaruh penguatan pada galat
dan respon transien.
Keluaran Pengendali Integral akan terus berubah sampai masukannya berharga
nol. Masukan pengendali adalah galat. Dengan demikian, dihubungkan dengan
sifat di atas, pengendali integral akan dapat menghilangkan galat. Akan tetapi,
sifat yang sama dapat menyebabkan keadaan tunak lama dicapai. Sistem
mengalami overshoot atau osilasi. Dengan kata lain, pengendali integral dapat
memperburuk kestabilan sistem.
Pengendali Derivatif bereaksi terhadap besarnya perubahan galat (bukan pada
adanya galat). Akibatnya pengendali yang hanya memiliki aksi derivatif tidak
pernah dipakai. Pengendali ini dipakai untuk mempercepat respon transien dan
dapat memperbaiki kestabilan relatif sistem. Ada keburukan lain kontroler ini,
yaitu dapat menyebabkan efek kejenuhan pada aktuator. Selain itu karena
sifatnya yang melalukan frekuensi tinggi (hal ini bersesuaian dengan kecepatan
respon yang tinggi), derau sistem diperkuat.
PENALAAN UNTUK PENGENDALI PID
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
45/55
1. Bila pemodelan matematis plant sulit dilakukan, penalaan PID (penentuan Kp, TI
dan Td) dilakukan secara eksperimental.
2. Aturan Ziegler & Nichols berdasarkan pada langkah tanggapan eksperimental atau
berdasarkan pada nilai Kp yang dihasilkan dalam kestabilan marginal bila hanya
aksi kendali proporsional yang digunakan.
3. Ziegler - Nichols mengusulkan aturan untuk menentukan nilai Kp, Ti dan Td
berdasarkan pada karakteristik tanggapan peralihan dari plant yang diberikan.
4. Ada dua metoda penalaan Ziegler - Nichols yang bertujuan mencapai overshoot
25%
METODA PERTAMA ZIEGLER - NICHOLS
Jika plant mengandung integrator atau pole-pole kompleks sekawan dominan,
maka kurva tanggapan undak satuan terlihat seperti kurva berbentuk S.
Jika tanggapan tidak berbentuk kurva S, metoda ini tidak dapat diterapkan.
Fungsi alih dapat didekati dengan sistem orde pertama :
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
46/55
1)(
)(
Ts
Ke
sU
sC Ls
Ziegler - Nichols menentukan nilai Kp, Ti, dan Td :
Pengendali PID yang ditala dengan metoda pertama ini memberikan
s
L s
T
Ls Ls L
T
sT sT
K sG d i
pc
21
6,0
)5,02
11(2,1
)11()(
SISTEM KENDALI KECEPATAN DISKRIT
Sistem kendali kecepatan diskrit terdiri dari plant/ kendalian berupa power
amplifier dan motor dengan keluaran kecepatan sebagai variabel yang
dikendalikan. Pengendali yang digunakan adalah komputer. Pengolahan sinyal
kendali dilakukan secara digital oleh komputer dengan implementasi program di
dalamnya. Dengan demikian, dalam sistem ini terdapat kendalian yang bersifat
analog dan pengendali yang bersifat digital. Dapat diperhatikan dalam gambar 1 di
bawah ini.
Sebagai antarmuka antara komputer, yang digital, dengan kendalian, yang analog
diperlukan card antarmuka. Dari kendalian ke komputer diperlukan konverter
analog ke digital ( ADC 8 bit ), sedangkan dari komputer ke kendalian dibutuhkan
konverter digital ke analog ( DAC 8 bit ). Card ini dipasangkan pada bus ISA pada
mainboard komputer.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
47/55
Algoritma kendali diimplementasikan menggunakan bahasa tingkat tinggi, bahasa
C, Pascal, atau bahasa yang lain. Untuk percobaan ini digunakan bahasa Pascal for
DOS versi 7. Data kecepatan motor akan dikonversikan ke digital oleh ADC,
kemudian dibandingkan dengan kecepatan acuan untuk memperoleh galat.
Berdasarkan informasi galat tersebut, pengendali PID akan mengeluarkan sinyal
kendali, yang akan dikonversi dari digital ke analog oleh DAC. Proses ini dilakukan
berulang dalam periode tertentu.
Gambar 1 Sistem Kendali Kecepatan Diskrit
Untuk melakukan analisis sistem kendali diskrit dibutuhkan transformasi Z.
Pengendali PID dalam transformasi Z :
)1(1)(
)()( 1
1
z Kd z
Ki Kp
z E
z U z G
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
48/55
Dengan U(z) sebagai sinyal kendali dan E(z) sebagai sinyal galat. Dari persamaan di
atas, diperoleh persamaan sinyal kendali :
Untuk proprosional :
U1(z) = Kp.E(z) atau u1(k) = Kp.e(k)
Untuk integral :
U2(z) = Ki.E(z) + z-1.U2(z) atau u2(k) = Ki.e(k) + u2( k -1 )
Untuk derivatif :
U3(z) = Kd.(E(z) - z-1
.E(z)) atau u2(k) = Ki.(e(k) - e( k -1 ))
Sehingga, u(k)= u1(k)+ u2(k)+ u3(k)
Dengan k=0,1,2,3,……..
Implementasi dalam pascal :
procedure PID; interrupt;
VAR a:BYTE;
b:longint;
begin
ERR := REF - ADC(1);
KPo := KP*ERR;
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
49/55
KDo := KD*(ERR-ERRL);
KIO := KI*ERR+KIO;
sigout := KPO + KDO + KIO;
ERRL := ERR;
a := ROUND(sigout);
if a255 then a:=255;
dac(a,1);
sampling := not sampling;
end;
Sistem kendali posisi diskrit dalam percobaan ini dimodelkan sebagai berikut :
Gambar 1 Sistem kendali posisi diskrit
Pemilihan/penentuan penggunaan pengendali P, PI, PD atau PID berdasarkan pada
tanggapan keluaran yang dikehendaki dan tergantung dari karakteristik/fungsi alih
kendaliannya.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
50/55
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
51/55
1)1)(6321.01(
2642.03679.0)1(lim
)()1(lim
.
.
.
8015.0)7(
8944.0)6(
1469.1)5(
3996.1)4(
3996.1)3(
0000.1)2(
3679.0)1(
0)0(
...8015.08944.01469.13996.13996.13679.0
6321.06321.121
2642.03679.0
)1)(6321.01(
2642.013679.0)(
1
1
)(
6321.01
2642.03679.0
)()(1
)()(
)(
)(
1)(
1
)(
)1)(3679.01(2642.03679.0)(
)1(11
1)(
)1(
1)(
121
211
1
1
1
7654321
321
21
121
2
1
21
21
11
21
z z z
z z z
z C z c
c
c
c
c
c
c
c
c
z z z z z z z
z z z
z z
z z z
z z z C
z z R
z z
z z
z G z G
z G z G
z R
z C
z G
K Asumsi
K z G
z z z z z G
s s se
s
e sG
s s sG
z
z
D
D
D
p
p D
s
s
h
p
Diagram blok sistem pada contoh di atas dapat diperhatikan sebagai berikut.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
52/55
Gambar 2 (a) Diagram blok sistem kendali; (b) Model pengendali dan Kendalian
dalam transformasi Z; (c) Hasil respon sistem diskrit
Agar pengendali PID hanya berfungsi sebagai pengendali proporsional, nilai Ki dan
Kd diset nol. Pengubahan parameter dalam sistem digital lebih mudah dilakukan.
Namun demikian, dalam sistem digital perlu memperhitungkan waktu cuplik.
Besar waktu cuplik dapat mempengaruhi kestabilan sistem. Untuk itu, dalam
analisisnya sistem kendali diskrit perlu diperiksa kestabilannya. Salah satu metode
yang sering digunakan adalah Jury Test. Dengan pemilihan parameter PID, Sistem
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
53/55
kendali harus dijamin stabil, memenuhi kriteria kecepatan respon transien,
maksimum simpangan, dan galat dalam kondisi tunak.
SISTEM KENDALI POSISI KONTINYU
Dalam contoh sebelumnya telah disebutkan beberapa alat atau sistem yang
menggunakan motor listrik sebagai penggerak : mixer, bor listrik, sabuk berjalan,
generator dll. Pada semua alat tersebut motor listrik dibuat berputar terus menerus,
selama masa kerja alat. Tujuan pengaturan alat ini adalah agar motor berputar dengan
kecepatan yang sesuai dengan yang diinginkan, dalam berbagai kondisi beban yangdigerakan motor.Terdapat segolongan alat atau sistem lain yang juga menggunakan
motor listrik sebagai penggerak, tetapi dengan penggunaan yang berbeda. Pada sistem
ini, motor digunakan untuk menggerakan benda kesuatu posisi yang diinginkan. Inilah
yang dikenai dengan sistem pengaturan posisi. Contoh sistem ini adalah sistem kemudi
kapal laut atau pesawat terbang.
Pada sistem pengaturan kecepatan, permasalahannya adalah menentukan berapa
besar energi elektrik yang harus diberikan pada motor supaya berputar pada
kecepatan yang diinginkan, bagaimanapun kondisi beban yang digerakan. Pada sistem
pengaturan posisi, masalahnya terutama pada berapa lama energi elektrik harus
diberikan agar motor menggerakkan beban yang dipasangkan padanya sampai posisi
yang diinginkan, tidak lebih dan tidak kurang.
Konfigurasi yang sederhana untuk mencapai tujuan tersebut adalah sistem pengaturan
posisi lingkar tertutup seperti diagram blok berikut ini2 :
2Sistem Pengaturan Lingkar Terbuka jarang terdapat. Pikirkanlah atas penjelasan ini.
K1 KaKm
(s m + 1)
Ko
Kontroler PenguatMotor (+Beban)
Potensio Output
Ki1
s
1
N
Gir Potensio Input
+
-i (t)derajat
e (t)
0 (t)derajat
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
54/55
Gambar 1 Sistem kendali posisi
Pemikiran yang mendasari konfigurasi ini adalah memberikan sinyal error (tentunya
yang sudah diperkuat) sebagai masukan energi bagi motor. Selama error ada, yang
berarti posisi beban belum sesuai dengan yang diinginkan, motor akan bergerakkarena mendapat masukan energi. Jika posisi yang telah diinginkan tercapai, motor
tidak lagi mendapat masukan energi sehingga beban akan diam di posisi tersebut.
Untuk harga penguatan sistem yang besar, sistem di atas memiliki kestabilan relatif
yang buruk : respon terhadap masukan step memiliki maximum overshoot yang besar
serta osilasi. Hal ini dapat dibuktikan secara matematis. Penjelasan secara fisis
diperoleh dengan menghubungkan prinsip kerja di atas dengan konsep kelembaman
ataupun dengan mengingat adanya keterlambatan respon sistem (yang dimodelkan
dengan sebuah pole atau konstanta waktu). Motor listrik tidak akan dengan seketika
berputar pada kecepatan nominal begitu diberikan tegangan nominal. Demikian pula,
motor tidak akan langsung berhenti berputar begitu catu dayanya diputus.
Salah satu cara perbaikan kinerja sistem pengaturan posisi di atas adalah dengan
memberikan umpan balik kecepatan3. Pada sistem ini, masukan motor bukanlah sinyal
error tetapi sinyal error dikurangi kecepatan. Sistem ini terbukti memiliki kestabilan
relatif yang lebih baik.
3 Ini merupakan contoh teknik yang dikenal sebagai rate feedback : Selain umpan balik keluaran
ditambahkan umpan balik perubahan keluaran.
-
8/19/2019 Sistemkendaliotomatis 141013041637 Conversion Gate02
55/55
Pada kebanyakan sistem pengaturan kecepatan, yang diinginkan adalah menjaga
konstan kecepatan putar untuk segala kondisi beban, bukan mengatur agar kecepatan
putarnya berubah-ubah setiap waktu mengikuti masukan acuan yang berubah.
Tidak demikian halnya dengan sistem pengaturan posisi. Pada sistem ini, akurasi
sistem biasanya diukur tidak hanya dengan steady-state error untuk masukan step,
tetapi juga dengan steady-state error untuk masukan yang berubah dengan waktu. Hal
ini biasanya diistilahkan sebagai foollowing error. Penambahan kontroler PD ternyata
dapat memperbaiki kinerja sistem pengaturan posisi dalam hal besarnya following
error ini.