TE Dasar Sistem Pengaturan. Pengantar Dasar Sistem Pengaturan

Transkripsi

1 TE Dasar Sistem Pengaturan Pengantar Dasar Sistem Pengaturan Ir. Jos Pramudijanto, M.Eng. Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Telp Fax Dasar Sistem Pengaturan

2 Objektif: Peranan Sistem Pengaturan Sejarah Perkembangan Istilah dan Definisi Manual dan Otomatis Sistem Pengaturan Lup Terbuka Sistem Pengaturan Lup Tertutup Dasar Sistem Pengaturan

3 Peranan Sistem Pengaturan Pengaturan otomatis memainkan peranan vital dalam kemajuan rekayasa (engineering) dan ilmu. Sangat penting, contoh pengaturan untuk pesawat angkasa luar, peluru kendali/rudal, sistem pengemudian pesawat terbang. Penting dan merupakan bagian integral (tak terpisahkan) dalam proses industri dan perpabrikan modern. Peranan dalam industri : pengaturan tekanan, suhu, kelembaban, viskositas, flow/aliran, kecepatan, posisi, dan lain-lainnya. Dasar Sistem Pengaturan

4 Keunggulan Sistem Pengaturan Kemajuan dalam segi teoritis dan praktis : mencapai penampilan (performance) optimal dari sistem dinamis memperbaiki kualitas produksi menurunkan biaya produksi mengembangkan laju produksi mengurangi/menghilangkan kebosanan dari kerutinan dan operasi manual yang berulang-ulang. Dasar Sistem Pengaturan

5 Sejarah Perkembangan (1) Float regulator mechanism in ancient Greece (similar to water tank level regulator of ordinary flush toilet) [300-1BC] to regulate a water clock and wine vessel First feedback system invented in modern Europe (Holland) by Cornelis Drebbel ( ) for temperature regulation of a furnace used to heat an incubator Dennis Papin ( ) invented the first pressure regulator for steam boilers in 1681 (similar to a pressurecooker valve) First automatic feedback controller used in an industrial process invented by James Watt in 1769 the flyball governor used to mantain the rotating speed of a shaft in a steam engine Dasar Sistem Pengaturan

6 Watt s fly ball governor Dasar Sistem Pengaturan

7 Flyball in a Cotton Factory This photograph shows a flyball governor used on a steam engine in a cotton factory near Manchester in the United Kingdom. Of course, Manchester was at the centre of the industrial revolution. Actually, this cotton factory is still running today. Dasar Sistem Pengaturan

8 This flyball governor is in the same cotton factory in Manchester. However, this particular governor was used to regulate the speed of a water wheel driven by the flow of the river. The governor is quite large as can be gauged by the outline of the door frame behind the governor. Dasar Sistem Pengaturan

9 Sejarah Perkembangan (2) J.C.Maxwell (1868) formulated the first mathematical study of the stability of feedback control applied to a governor E.J.Routh determined a criteria for stability analysis in1877 Lyapunov (1893) studies stability of motion (ODEs) Sperry (1910) works on gyroscopes and autopilots Minorsky (1922) automatic control for steering ship Black proposes feedback electronic amplifier in 1927 Nyquist derives a frequency domain stability criterion in 1932 Hazen (1934) propose position control with servomechanisem servomekanik Bode develops frequency response methods in 1938 Dasar Sistem Pengaturan

10 Sejarah Perkembangan (3) Ziegler-Nichols develop a method for PID tuning and Wiener develops optimal filter design in 1942 Evans develops the Root Locus in 1948 Pontryagin formulates the Maximum Principle in 1956 Bellman develops Dynamic Programming in 1957 Kalman formulates Optimal Estimation in 1960 Hoff invents the Microprocessor in 1969 Dasar Sistem Pengaturan

11 Sejarah Perkembangan (4) State variable methods and optimal control are further developed in Robust Control is developed in Nonlinear control, switched control, hybrid control, and control using convex optimization methods is developed in Feedback control is widely used in automobiles and reliable, robust systems are heavily demanded in manufacturing starting in 1994 First ever autonomous rover vehicle, known as Sojourner explores successfully the Martian surface in 1997 Control abstractions and control of piecewise-affine systems are developed starting in and are still research topics as well as hybrid control Dasar Sistem Pengaturan

12 Istilah dan Definisi (1) Plant : suatu peralatan atau obyek fisik yang harus diatur. Proses : suatu operasi yang harus/akan diatur. Sistem : suatu gabungan komponen yang bekerja bersama-sama (bekerjasama) dan melaksanakan suatu tujuan tertentu. Gangguan (disturbance) : suatu sinyal (internal maupun eksternal) yang cenderung merugikan output sistem. Pengaturan Umpan balik (feedback control) : suatu operasi, di mana dengan adanya gangguan, cenderung mengurangi perbedaan antara output sistem dan input referensi. Dasar Sistem Pengaturan

13 Istilah dan Definisi (2) Sistem Pengaturan Umpan balik (feedback control system) : sistem yang cenderung mempertahankan suatu hubungan yang telah ditentukan antara output sistem dan input referensi dengan membandingkan keduanya dan menggunakan perbedaannya sebagai sinyal pengatur. Servomekanik : suatu sistem pengatur umpan balik dalam mana output-nya merupakan posisi (mekanis), kecepatan (mekanis), atau percepatan (mekanis). Pada umumnya output diharapkan dapat mengikuti perubahan input. Sistem Regulasi Otomatis (Automatic Regulating System) atau regulator : suatu sistem pengaturan umpan balik dalam mana input referensi atau output yang diinginkan adalah konstan atau berubah perlahan-lahan terhadap waktu dan tugas utama adalah untuk mempertahankan output sistem pada harga yang diinginkan dengan adanya gangguan. Dasar Sistem Pengaturan

14 Istilah dan Definisi (3) Sistem Pengaturan Proses (process control system) : sistem regulasi otomatis dalam mana output adalah suatu variabel seperti temperatur, tekanan, aliran, level cairan atau ph. Sistem Pengaturan Loop Tertutup (closed loop control system) : sistem pengaturan dalam mana sinyal output mempunyai efek langsung terhadap sinyal pengatur (control action). Sistem Pengaturan Loop Terbuka (open loop control system) : sistem pengaturan dalam mana outpu tidak mempunyai efek langsung terhadap sinyal pengatur. Dasar Sistem Pengaturan

15 Istilah dan Definisi (4) Sistem Pengaturan Adaptif (adaptive control system) : sistem pengaturan yang mempunyai kemampuan beradaptasi dalam keadaan bebas. Sistem Pengaturan dengan Penalaran (learning control system) : sistem pengaturan yang mempunyai kemampuan untuk menalar. Sistem Pengaturan Numerik (numerical control system) : sistem pengaturan gerak dari komponen mesin dengan menggunakan angkaangka. Sistem Pengaturan Komputer (computer control system) : sistem pengaturan yang melibatkan komputer sebagai bagian dari loop pengatur (estimasi parameter, statistik, ) Dasar Sistem Pengaturan

16 Manual versus Automatic Control Control: is the process of causing a system variable (e.g, temperature, position) to conform to some desired value or trajectory, called reference value or trajectory Example: driving a car implies controlling the vehicle to follow the desired path and arrive safely at a planned destination If you drive the car yourself, you are performing a manual control of the car. If you design a machine to do it then you build an automatic control system Dasar Sistem Pengaturan

17 Open Loop/Closed Loop Systems A control system is an interconnection of components. Each component is represented by a block in a diagram. Open Loop Desired output Controller Control signal Actuator Actuating signal Plant Plant output Desired output + Closed Loop (Feedback system) - Error signal Controller Control signal Actuator Actuating signal Plant Plant output Sensor Dasar Sistem Pengaturan

18 Sistem Pengaturan Loop Terbuka Kebaikan: Konstruksi sederhana dan mengurangi pemeliharaan. Lebih murah Tidak ada persoalan stabilitas Cocok apabila output sulit diukur atau secara ekonomis tidak fisibel Kekurangan : Gangguan atau perubahan dalam kalibrasi menyebabkan kesalahan dan output mungkin berbeda terhadap apa yang diinginkan Untuk mempertahankan kualitas yang dibutuhkan pada output, rekalibrasi (kalibrasi kembali) harus dilakukan dari waktu ke waktu. Dasar Sistem Pengaturan

19 Sistem Kontrol Kecepatan Dasar Sistem Pengaturan

20 Sistem Pengaturan Loop Tertutup Kebaikan: Ketelitian lebih baik (kualitas produksi lebih baik). output Sensitivitas yang lebih rendah dari ratio terhadap variasi-variasi dalam karakteristik sistem input Mengurangi efek nonlinieritas dan distorsi/gangguan Memperbesar bandwidth sistem (bandwidth sistem adalah daerah/range frekwensi dari input dalam mana sistem akan memberikan respons yang memuaskan) Kekurangan : Konstruksi lebih rumit dan pemeliharaan lebih mahal Lebih mahal Kecenderungan ke arah osilasi atau ketidakstabilan. Dasar Sistem Pengaturan

21 Contoh 1: Pemanas Ruangan If temperature inside the house is below the desired temperature, furnace turns on until the temperature inside the house is slightly higher than the desired temperature Desired temp. + - Error signal gain Gas valve signal furnace heat house temp. temperature sensor If temperature inside the house is above the desired temperature, furnace turns off until the temperature inside the house is slightly lower than the desired temperature Dasar Sistem Pengaturan

22 Contoh 2: Cruise Control If the vehicle speed is lower than the desired speed the controller acts on the throttle to increase speed Desired speed + - Error signal controller throttle engine traction force vehicle speed speedometer If the vehicle speed is higher than the desired speed, the controller acts on the throttle to reduce speed Dasar Sistem Pengaturan

23 Diagram Sistem Pengaturan Otomatis Energy input Actuator Process under control Actual output Power interface Sensor Transmission Signal conditioner Set point (desired output) Controller Process variable (actual output) Transmission Dasar Sistem Pengaturan

24 Sistem Kontrol Posisi Dasar Sistem Pengaturan

25 Sistem Kontrol Numerik Dasar Sistem Pengaturan

26 Sistem Kontrol Proses Dasar Sistem Pengaturan

27 Sistem Kontrol Proses Dasar Sistem Pengaturan