Bab I. Dasar Pengaturan

Transkripsi

1 Bab I Dasar Pengaturan

2 I.1. Pendahuluan Prinsip dasar dari pengaturan (Control) adalah mengatur atau mengendalikan suatu sistem secara automatis tanpa bantuan manusia secara langsung aitu dengan menggantikan sistem manual dengan sistem automatis. Konsep automatis mula-mula muncul pada bidang industri aitu sejak revolusi di Inggris di abad ke-18. Dalam era 2 tahun kemudian adalah sebagai berikut: Mekanisasi selama revolusi industri, 177 Henr Ford dalam pengembangan sistem automatis ketat, 19 Mesin dengan kontrol automatis seperti mesin fotokopi Mesin kalkulator, 1952 Mikrochip computer, akhir 196 Mesin CNC (computer numerical controlled) Robot industri, 197 Jaringan computer, 197 Automasi penuh, Sistem manufaktur, 199-an Selain penggantikan fungsi manusia sistem pengaturan automatis memberikan kelebihan dalam meningkatkan akurasi, memperkuat kemampuan perulangan, mengurangi kegagalan sistem Terminologi Pengaturan Manusia mulai berpikir untuk merancang suatu mekanisme pengendali ang dapat menggantikan fungsi manusia dalam menentukan parameter pengendali, target pengendalian (set point), dan melakukan pengukuran terhadap variabel ang dikendalikan. Tentuna semua parameter dan variabel ang ada di dalam sistem pengaturan harus dapat terukur dan dapat terhitung sehingga sistem ang diatur dapat memberikan kinerja ang diinginkan. Sistem automatis biasana berupa sebuah lup tertutup aitu berupa diagram pengaturan ang menggambarkan proses dan aliran variabel. Bentuk sederhana dari diagram pengaturan dapat dilihat pada Gambar 1.1. dibawah ini. Gambar 1.1. Diagram Pengaturan Automatis Diagram pengaturan automatis ini memperlihatkan alur sinal dimulai dari set point sebagai target pengaturan ang ditentukan oleh operator atau data pengaturan. Set point ini merupakan acuan bagi pengatur untuk secara automatis memaksa agar output dari sistem ang dikontrol aitu plant, sama atau mendekati nilai set point ini. Sistem pengaturan dikatakan stabil jika nilai dari output mendekati set point ini atau berosilasi teredam pada set point. Pengatur bisa berupa pengatur analog maupun pengatur digital. Pengatur analog berupa pengatur on/off dan pengatur PID (Proporsional Integrator Diffrensiator). Sedangkan pengatur digital bisa berupa sebuah mikrokontroller atau sebuah komputer ang berisikan algoritma-algoritma pengaturan ang 1

3 sesuai. Pengatur ini bisa melekat pada sistem (embedded control sstem) misalna mempergunakan mikrokontroller atau bisa berupa pengaturan jarak jauh (remote control sstem) baik dengan kabel atau tanpa kabel. Sedangkan aktuator adalah penggerak ang digerakkan oleh sinal ang dikirimkan pengatur. Aktuator ini berupa motor, kipas, katup, pompa, pematik api. Sedangkan sensor adalah suatu alat ang bisa mengubah besaran fisik seperti gaa, berat, kecepatan, energi elektromagnetik, tekanan, suara, cahaa, temperatur dan sebagaina menjadi sinal ang dapat diukur dengan mudah misalna besaran listrik. Jika sinal dari sensor ini sangat lemah atau penuh dengan gangguan (noise) ang muncul dari keterbatasan sensor maka sinal ini sebelum dilewatkan pada elemen selisih (difference element) perlu untuk diperbaiki oleh sebuah pengkondisian sinal. Elemen selisih biasana digambarkan dengan tanda penjumlahan atau sumasi ang berada di dalam lingkaran. Berdasarkan sinal ang dipergunakan dikenal sistem pengaturan pneumatik, hidraulik dan elektrik. Sistem pengaturan pneumatik mempergunakan uap air bertekanan tinggi (5-18 psig=pound squares inch gauge) sebagai sinal pengatur sedangkan sistem hidraulik mempergunakan fluida dengan viskositas tinggi seperti oli atau minak pelumas. Terakhir adalah sinal elektrik ang mempergunakan sinal berupa arus atau tegangan listrik sebagai pembawa informasi. Pemilihan jenis-jenis sinal ini tergantung dari jenis sistem ang diaturna (plant) misalna untuk sistem ang berhubungan dengan bahan bakar misalna sistem bak penampungan bahan bakar maka sangat berbahaa kalau ada lompatan atau percikan bunga listrik sehingga sinal bersifat pneumatik dan hidraulik lebih aman dipakai. Jenis-jenis komponen pengaturan disesuaikan dengan sinal ang dipergunakan. Pada sistem pengaturan elektronika sinal ang dibahas adalah sinal listrik aitu berupa arus listrik dan tegangan listrik searah (DC=direct current). Sehingga komponen-komponen ang dilibatkanna pun berupa komponen listrik atau elektronika. Misalna elemen selisih ang dibuat dari sebuah rangkaian diffrensial amplifier dan pengontrol ang dibuat mempergunakan operational Amplifier untuk memberikan sifat proporsional, integral dan differensial Ilmu Yang Dikaji Selain ilmu pengaturan beberapa disiplin ilmu ang terlibat pada pengaturan elektronika adalah ilmu elektronika, matematik dan fisika. Teori rangkaian listrik dan karakteristik komponen elektrik maupun elektronika perlu dikuasai benar-benar. Misalna jika kita pilih sebuah sensor temperatur termokopel. Termokopel berupa dua kabel logam ang berbeda dilekatkan dan ditaruh pada media ang diukur. Maka kita melihat bahwa termokopel akan menghasilkan listrik pada ujung pertemuan antar kedua kabel jika salah satu pertemuan ujung ang lain ditaruh pada media temperatur acuan. Sifat ini disebut dengan efek Seedback. Besaran listrik berupa tegangan listrik ini sangat lemah dan tidak linier sehingga perlu rangkaian pengkondisi sinal berupa rangkaian jembatan. Itulah salah satu contoh dari penggabungan ketiga ilmu tersebut. Pada babbab berikutna akan banak ditemui hal ang serupa. Tetapi lebih difokuskan pada listrik arus lemah Keterbatasan dan Kelebihan Pengaturan Elektronika Pengaturan elektronika memiliki banak keterbatasan seperti ketergantungan terhadap sumber daa, sensitivitas aktuator dan sensor ang tidak standar, dapat dipengaruhi oleh gangguan (noise) ang berasal dari fluktuasi tegangan 2

4 catu dan gelombang elektromagnetik, daa tahan komponen terhadap panas dan kondisi lingkungan. Selain kelemahan tersebut terdapat pula kelebihanna misalna kemudahan dalam proses pengkondisian sinal, pergantian komponen dan perekaman data. Proses pengkondisian sinal berupa atenuasi (pelemahan), amplifier (penguatan), pemfilteran dapat dengan mudah dilakukan mempergunakan rangkaian elektronika. Komponen-komponen elektronik ini mudah di dapat dan penggantian komponen dapat dilakukan dengan mudah daripada komponen-komponen hidraulik maupun pneumatik ang umumna berukuran besar. Proses penalaan (tunning) pengatur bisa mudah dilakukan sehingga parameter pengaturan seperti konstanta proporsional (P), komponen integrator (K I ) dan komponen differensial (KD) dapat ditunning dengan mudah Jenis-jenis Pemrosesan Sinal Jika berbicara mengenai sinal listrik terdapat beberapa proses ang bisa dialami oleh sinal. Proses-proses tersebut berdasarkan cara kerjana dapat dibedakan menjadi: a. Proses Statis b. Proses Dinamis c. Proses Arithmatika Proses Statis Proses statis berupa proses penguatan, limiter (chopper), rectifier atau komparator ang secara lengkap dapat dilihat pada Tabel 1.1. Pada tabel ini sinal input ang masuk ke sebuah proses dinatakan dengan sedangkan sinal output ang keluar dari sebuah proses dinatakan dengan (t) Tabel 1.1. Proses Statis dari Sinal Elektronika Nama Deskripsi Grafik Soft Limiter < = - > - Hard Limiter = < = > - Half-wave Rectifier = > 3

5 Full-wave Rectifier Comparator = = > Proses Dinamik Proses dinamik berupa proses ang berhubungan dengan perubahan waktu, prosesproses tersebut adalah proses tunda (dela process), integral, differensiator dan kompresi. Persaman matematis antara sinal output dengan sinal input dapat dilihat pada Tabel 1.2. Tabel 1.2. Proses Dinamis dari Sinal Elektronika Nama Deskripsi Grafik Dela Process (t) = (t - t ) t Integrator t I ( t) = K ( t) dt Diffrensiator ( t) = K D d( t) dt 4

6 Proses Arithmatik Proses aritmatik pada sinal berupa proses penjumlahan, selisih dan perkalian. Proses perkalian biasana dipergunakan pada proses modulasi dan demodulasi sinal aitu proses sebuah sinal elektronika dikalikan dengan sinal lain ang memiliki frekuensi ang berbeda. Tabel 1.3. Proses Arithamatik dari Sinal Elektronika Nama Deskripsi Grafik Penjumlahan (t) = 1 (t) + 2 (t) 1 (t) 2 (t) (t) t t Perkalian (t)= 1 (t) * 2 (t) 1 (t) 2 (t) (t) 1.6. Jenis-jenis Sinal Berdasarkan Bentuk Sinal ang mengalir di dalam sistem pengaturan terdiri dari sinal-sinal sebagai berikut: a. Sinal Step b. Sinal drift c. Sinal Pulsa d. Sinal Impulse (delta) e. Sinal Sinus f. Sinal Acak Bentuk-bentuk sinal tersebut dapat dilihat pada tabel 1.4. Sinal step bernilai konstan untuk waktu tak hingga sehingga untuk setpoint ang bersifat regulator aitu selalu konstan nilaina maka sinal step ang dipergunakan. Sinal Drift dan impulse biasana selalu dihindari pada beberapa komponen elektronika karena sinal drift akan memberikan alat elektronika ang dipergunakan mencapai batas jenuhna (drift) dan dapat menebabkan kerusakan. Sedangkan sinal impulse berupa sinal kejut ang bisa membuat suatu alat ang tidak sensitif tidak dapat kembali ke posisi semula sehingga menebabkan terjadina kerusakan. 5

7 Tabel 1.4. Jenis-jenis Sinal Nama Deskripsi Grafik Step = u(t); huruf u menatakan fungsi sinal Step Drift = kt Pulsa t ( t) = r τ Impulse =δ(t) Sinus = A sin(2πft) Acak (random) Berdasarkan keberadaan Sedangkan berdasarkan keberadaanna dikenal sinal kontinu dan sinal diskrit sinal kontinu adalah sinal ang disetiap waktu memiliki nilai sedangkan sinal diskrit adalah sinal ang hana bernilai pada waktu-waktu tertentu atau pada kelipatan dari perioda tertentu. Biasana sinal ini diperoleh dari hasil pencacahan (sampling) sinal analog menjadi digital. Sinal diskrit secara matematis dinatakan sebagai kumpulan dari penjumlah sinal impulse misalna = 2δ(t) + 3δ(t-T) + 1δ(t-2T) T 2T t Gambar 1.1. Sinal Diskrit 6

8 1.7. Diagram Blok Sistem Pengaturan Biasana suatu sistem pengaturan ang sangat kompleks disederhanakan dengan menggambarkan dalam bentuk diagram blok. Setiap komponenkomponen dalam sistem pengaturan dinatakan sebagai kotak dan sinal input maupun output dinatakan dengan garis panah. Diagram blok secara lengkap untuk sinal kontinu dapat dilihat pada gambar 1.2. Setpoint - + Error Sinal umpan balik Pengatur Aktuator Plant/Proses Pengkondisi Sinal Sensor Output Gambar 1.2. Diagram blok sistem pengaturan kontinu Gambar ini memperlihatkan suatu sistem pengaturan otomatis ang dikendalikan oleh pengontrol. Nilai setpoint merupakan target ang akan dikejar oleh sistem ini atau nilai pengaturan ang diinginkan. Jika output ang terdeteksi oleh alat ukur tidak sama dengan nilai setpoint maka akan terjadi error. Error atau kesalahan diperoleh dari selisih antara setpoint dengan sinal umpan balik. Error dinatakan dengan setpoint dikurangi sinal umpan balik. Jika error positif berarti setpoint belum terlampaui sedangkan bila error negatif berarti sinal umpan balik lebih besar nilaina dari setpoint. Pengkondisi sinal merupakan komponen ang tidak harus selalu ada, hana diadakan pada kasus tertentu misalna jika sinal ang dikeluarkan dari sensor terlalu lemah sehingga perlu dikuatkan atau jika sensor bersifat non linier sehingga perlu dilinierisasikan. Alat ukur biasana digambarkan hana dengan sensor saja. Sensor merupakan pengindera ang mampu mendeteksi perubahan fisik seperti panas, panjang, suara, gelombang elektromagnetik, kecepatan dan lain-lain menjadi besaran lain ang mudah diukur misalna besaran listrik. Inilah prinsip dari sebuah alat ukur, terkadang sensor disebut juga sebagai transduser karena kemampuanna untuk mengubah bentuk energi fisik menjadi energi lain ang terukur. Sedangkan aktuator adalah alat penggerak ang menerima sinal kontrol dari pengatur. Aktuator ini bisa berupa motor, pompa, katup, propeller, pemanas. Sedangkan plant atau proses adalah sistem ang dikontrol Diagram blok dengan umpan balik ini disebut dengan sistem pengaturan umpan balik (feedback control sstem) sedangkan jika suatu sistem pengaturan tidak memerlukan alat ukur makan dikenal dengan sistem pengaturan umpan maju (feedforward control sstem) pada sistem pengaturan umpan maju ini tidak dilakukan pengontrolan berdasarkan error secara otomatis karena sistem dengan jenis ini biasana tidak dilakukan terus menerus dan outputna selalu cepat untuk mencapai target pengaturan. Terkadang output dinatakan sebagai variabel pengaturan Setpoint Output Pengatur Aktuator Plant/Proses Gambar 1.3. Diagram Blok sistem umpan maju 7

9 Sedangkan lingkaran dengan tanda positif di tengahna menggambarkan sebuah penelisih atau penjumlah. Jika dipandang pada arah tanda panahna, sistem umpan balik dapat disebut dengan sistem lup tertutup (Close Loop Sstem) sedangkan sistem pengaturan umpan maju dapat disebut dengan sistem lup terbuka (Close Loop Sstem) Contoh 1.1. Pada gambar 1.4 di bawah ini diperlihatkan sistem lup pengaturan terbuka. Aktuatorna adalah sebuah motor ang menggerakkan lengan robot (robot arm). Pada kasus ini ang menjadi plantna adalah pergerakan lengan dan variabel ang diatur adalah sudut dari lengan. Pengujian awal menunjukkan bahwa motor memutarkan lengan 4 derajat per detikna. Diasumsikan bahwa pengatur langsung menggerakkan lengan dari sampai 3. Dengan karakteristik plant ini pengatur mengirimkan 6 detik pulsa daa ke motor. Jika motor bergerak sebagaimana mestina maka motor akan berputar tepat 3 dalam 6 detik dan berhenti. Saat hari dingin, oli menjadi sangat kental (tebal) sehingga gaa gesek di dalam motor menjadi lebih besar dan motor hana berputar 25 dalam 6 detik dan hasilna 5 error. Pengatur tidak dapat tahu error ini dan tidak bisa melakukan apa-apa untuk memperbaikina. a) Diagram Blok b) Sistem pengaturan posisi sederhana dengan lup terbuka Gambar 1.4 Sistem pengaturan posisi sudut dengan lup terbuka Jika pada contoh 1.1. ini ingin ditambahkan pengkoreksi ang mampu menesuaikan terhadap error ang terjadi maka biasana digunakan sebuah sensor ang bisa mengukur sudut misalna potensiometer. Pemasangan potensiometer dapat dilhat pada gambar 1.5. di bawah ini 8

10 a) Diagram Blok b) Penambahan pengkoreksi dan sensor potensiometer Gambar 1.5. Diagram blok pengaturan posisi dengan lup tertutup 1.8. Sistem Pengaturan Analog dan Digital Pada sistem pengaturan analog, pengontrol atau pengatur terdiri dari perangkat analog tradisional misalna amplifier. Sistem pengaturan ang pertama adalah analog karena pada saat itu hana teknologi itu ang memungkinkan. Setiap nilai setpoint dan perubahan pada sinal umpan balik diindera dengan cepat dan amplifier langsung mengeluarkan output ang sesuai ke aktuator. Pada sistem pengaturan digital, pengontrol atau pengatur menggunakan rangkaian digital. Yang umumna rangkaian digital ini berupa sebuah komputer aitu bisa mikroprosesor atau mikrokontroler. Komputer mengeksekusi program ang mengulang terus menerus membaca nilai setpoint dan data dari sensor. Kemudian komputer menggunakanna untuk menghitung output dari pengatur ang dikirimkan ke aktuator. Kemudian program memulai lagi dari awal. Waktu total program sampai pengirim output tidak lebih dari 1 mili detik. Sistem digital hana mengecek input pada waktuwaktu tertentu saja dan memberikan output pembaruanna kemudian. Jika input berubah setelah komputer mengecek berarti input ini lolos tidak terdeteksi sampai pengecekan berikutna. Inilah perbedaan dasar antara sistem pengaturan digital dengan analog. Pada dunia real besaran ang digunakan adalah analog oleh karena itu untuk masuk ke pengatur digital perlu ada rangkaian pengubah dari besaran analog ke besaran digital ang disebut dengan Analog to Digital Converter (ADC). Demikian juga besaran dari pengatur digital perlu diubah kembali ke besaran analog agar sesuai dengan besaran ang dipergunakan oleh aktuator. Rangkain pengubah besaran digital ke analog ini disebut dengan Digital to Analog Converter (ADC). Maka diagram blok sistem lup tertutupna berubah menjadi seperti ang diperlihatkan pada gambar