MATERI KULIAH TEKNIK PENGATURAN. Oleh: Ganda Samosir. Ir, M.Sc. UNIVERSITAS MERCU BUANA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK MESIN

Transkripsi

1 MATERI KULIAH TEKNIK PENGATURAN Oleh: Ganda Samosir. Ir, M.Sc. UNIVERSITAS MERCU BUANA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK MESIN 12 1

2 TEKNIK PENGATURAN Pertemuan Pendahuluan Sistem pengaturan/kendali atau kontrol automatik memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Kontrol automatik telah menjadi bagian yang penting dan terpadu dari proses-proses dalam pabrik dan industri modern. Misalnya, kontrol otomatis perlu sekali dalam kontrol numerik dan mesin alat-alat bantu di industri manufaktur. Juga perlu sekali dalam operasi industri seperti pengontrolan tekanan, suhu, kelembaman, viskositas, dan arus dalam industri proses. Karena kemajuan dalam teori dan praktek kontrol automatik memberikan kemudahan dalam mendapatkan performansi dari sistem dinamik, mempertinggi kualitas dan menurunkan biaya produksi, mempertinggi laju produksi, meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin dan membosankan yang harus dilakukan oleh manusia. Pengertian kontrol otomatik berhubungan dengan cara-cara mengontrol nilai suatu parameter dari suatu sistem fisis atau kimia secara otomatis. Cara tersebut dilakukan dengan menggunakan peralatan atau mesin yang dirancang bekerja secara otomatis, sehingga interfensi manusia akan sekecil mungkin. Tentu saja peralatan yang dimaksud bisa sederhana atau rumit (sophisticated), sangat bergantung kepada jenis pemakaian dan tingkat kualitas (akurasi) pengontrolan yang diinginkan. Masalah utama yang sering timbul dalam suatu sistem kontrol adalah: stabilitas, dan ini akan terjadi pada setiap sistem kontrol yangt dirancang. Hal ini terjadi karena pemakaian dari suatu umpanbalik (feed-back) pada setiap sistem kontrol tersebut. Dengan demikian, tujuan utama dalam sebuah perancangan sistem kontrol otomatik adalah: mendapatkan kestabilan melalui pemilihan yang tepat terhadap komponen, elemen dan bentuk yang lebih sesuai dengan kebutuhan. Dalam proses industri, sering sekali dibutuhkan besaran-besaran yang memerlukan kondisi atau persyaratan yang khusus, seperti: - ketelitian yang tinggi - harga yang konstan untuk selang waktu tertentu - harga yang bervariasi dalam suatu rangkuman tertentu - perbandingan yang tetap antara variabel atau besaran - suatu besaran sebagai fungsi dari besaran lain nya. - dll Semua ini tentu saja tidak cukup dilakukan hanya dengan pengukuran, tetapi juga memerlukan suatu cara pengontrolan yang tepat, agar syarat-syarat tersebut dapat dipenuhi. Contoh-contoh sederhana yang sering dihadapi orang adalah: 12 2

3 1.Cara kerjanya MCB (Mini Circuit Breaker) yang menghubungkan aliran listrik dari PLN ke instalasi listrik di dalam sebuah rumah. Jika pada MCB ini yang diasumsi dari jenis logam (bimetal)diberi beban arus yang berlebih, maka sakelar panghubungnya akan turun ke bawah, yang berarti hubungan arus dari PLN ke rumah tersebut akan terputus, akibat nya lampu dan peralatan elektronik lain nya akan padam. Sebuah MCB bekerja atas dasar banyak nya panas yang dialirkan kedalam nya sebagai akibat dari listrik yang dialirkannya. Jika arus ini terlalu besar (melebihi kapasitas (Ampere) nya), maka sakelar akan terbuka dan arus listrik akan terputus. Dari peristiwa ini dapat dilihat bahwa, sesungguh nya yang terjadi adalah: - melakukan pengukuran terhadap aliran - membandingkan hasil pengukuran dengan kapasitas maksimum - melakukan koreksi, yakni dengan cara pemutusan arus listrik. Disebut: Kontrol Otomatik 2. Seseorang mengendarai mobil atau motor di daerah dengan kecepatan maksimum 60 km/jam. Pada kendaraan, maka alat pencatat/pengukur kecepatan adalah Speedometer. Sebagai referensi (patokan) adalah kecepatan maksimum 60 km/jam yang dipasang di jalan tersebut. Sebagai pembanding adalah pengendara itu sendiri. Dengan mengamati kecepatan yang dicatat dan membandingkan serta mengubahnya di bawah 60 km/jam jika terjadi penyimpangan, maka pengendara sudah melakukan pengontrolan terhadap lajunya mobil/motor tersebut. Karena pengontrolan ini dilakukan oleh manusia, maka disebut: Kontrol Manual. 3. Perhatikan Gambar 1.1. dibawah ini yang meng-ilustrasikan sebuah bak untuk pencampuran air dingin dengan panas sampai temperatur nya mencapai suatu harga/nilai yang tepat (dikehendaki). Gambar 1.1. Pengaturan Temperatur Campuran Air Melaui Keran Jumlah air panas maupun dingin dapat diatur dengan mengalirkan cairan-cairan tersebut melalui sistem pemipaan yang masing-masing dilengkapi oleh keran. Jika air campuran tersebut hanya digunakan untuk mandi saja, maka cukup dengan mencelupkan jari tangan ke dalam bak dan merasakan sendiri panas campuran tersebut. Kekurangan atau kelebihan panas, 12 3

4 dapat disesuaikan (dikendalikan) dengan mengatur pembukaan keran A dan B. Namun bila dikehendaki dengan pasti (akurat) berapa suhu campuran, maka jari tangan dapat diganti dengan satu atau lebih termometer. Dalam hal ini, kita telah melakukan kegiatan pengukuran. Masalah-masalah yang mungkinakan timbul adalah: a. Jika air campuran itu tidak hanya digunakan untuk mandi saja, tetapi juga untuk pemakaian yang lebih khusus sahingga memerlukan temperatur yang nilainya lebih tepat. b. Jika bak dan alat-alat pengatur aliran (keran) berada pada lokasi yang berjauhan. c. Jika yang dikehendaki bukan hanya temperatur, tetapi juga besaran-besaran lain, misal nya tekanan aliran pada waktu yang bersamaan. d. Jika aliran sedemikian besar, sehingga sukar dikendalikan oleh keran biasa. e. Jika di inginkan temperatur campuran yang konstan ataupun bervariasi pada suatu rangkuman (range) untuk selang waktu tertentu. f. Jika variabel-variabel yang akan dikendalikan tersebut jumlahnya lebih dari satu dan harus di kontrol dalam waktu yang bersamaan. Dalam kondisi-kondisi tersebut, maka ada beberapa analisis yang bisa diberikan, yakni: 1. Sudah barang tentu, pada pemakaian yang khusus (temp. tinggi), maka harus digunakan alat ukur suhu dengan kapasitas lebih besar sesuai dengan besar nya daerah ukur (rangkuman) temperatur campuran tersebut. Instrumen pengukur suhu yang berkapasitas lebih besar, misalnya: termokopel, termowell, resistance bulb, dll yang masing-masing dilengkapi dengan indikator penunjuk. 2. Jika lokasi bak pencampuran berjauhan dengan keran-keran pengatur aliran, maka sekalipun kurang efisien, namun penggunaan operator masih bisa untuk mengatur laju aliran melalui keran. Walaupun de mikian masih saja terdapat beberapa kesulitan lain, yakni: a. Selalu saja ada keterlambatan waktu antara pemberian perintah untuk mengatur aliran terhadap aksi pelaksanaan pengaturan keran oleh operator. Akibatnya penunjukan pada indikator temperatur selalu memberikan harga yang tidak tepat. b. Efisiensi ketelitian dan kemampuan operator untuk melakukan pekerjaan yang jumlahnya bisa saja banyak, menjadi tidak bisa tinggi. c. Biasanya penempatan operator tersebut, bisa saja pada lokasi yang sulit dicapai dan berbahaya. Dalam hal-hal seperti inilah diperlukan konsep pengontrolan secara otomatis, sehingga pengendalianpengendalian harga variabel akan dilakukan dengan lebih teliti dan cepat. Hal ini terutama sangat di perlukan pada industri-industri yang konsumtif dengan mutu dan produktivitas yang tinggi. 12 4

5 Keteknikan (engineering) mencakup pengertian dan pengaturan gaya-gaya serta bahan-bahan alam untuk keuntungan ummat manusia. Sedangkan (Control Engineering) berkepentingan untuk mengerti dan mengatur, serta mengendalikan bagian-bagian lingkungan, yang disebut SISTEM, untuk menghasilkan produk yang mempunyai nilai ekonomi untuk masyarakat. Kedua tujuan keduanya yaitu mengerti dan mengatur, saling mengisi satu sama lain, sebab untuk dapat mengatur suatu sistem dengan effektif, maka perlulah terlebih dahulu sistem itu dimengerti dan dibuat modelnya. Selanjutnya, teknik pengaturan seringkali harus mempertimbangkan pengaturan yang kurang dikenal dan dimengerti perilakunya, misalnya sistem-sistem Proses Kimia. Tantangan yang dihadapi oleb pelaku pengaturan dewasa ini, adalah bagaimana caranya membuat model dan mengatur sistem yang kompleks dan saling berkaitan satu sama lain, seperti misalnya Sistem Pengaturan Lalu Lintas, proses kimia, dan sistem pengaturan ekonomi. Beberapa sistem yang penting dan menarik, kadang-kadang sekaligus secara serentak harus diatur oleh komunitas pengaturan. Mutu suatu sistem pengaturan, dapat terlihat jelas pada pengaturan mesin-mesin untuk proses-proses industri dan ekonomi. dilaksanakan berlandaskan dasar-dasar teknik umpan balik (feedback) dan analisa sistem secara linier, dan dengan memadukan konsep-konsep Teori Jaringan (Network theory), dan Teori Komunikasi. Karena itu, maka teknik pengaturan tak terbatas hanya pada suatu disiplin keteknikan tertentu saja, tapi juga berlaku untuk disiplin lain, seperti pada teknik-teknik aeronautika, kimia, lingkungan, sipil, listrik dan lain-lain. Sebagai contoh, tak jarang suatu sistem pengaturan sekaligus mengandung komponen-komponen listrik, mekanik dan kimia. Tambahan lagi, hal ini sejalan dengan lebih dimengertinya dinamika perdagangan dan sistem-sistem tersebut juga bertambah. Sistem Kendali Suatu sistem kendali/pengaturan adalah hubungan timbal balik antara komponen-komponen yang membentuk suatu konfigurasi sistem yang memberikan suatu hasil yang dikehendaki. Hasil ini dinamakan RESPON sistem termaksud. Dasar untuk menganalisis suatu sistem adalah landasan yang diberikan oleh teori sistem linier, yang menganggap adanya hubungan linier antara sebab dan akibat suatu sistem. Karena itu, maka komponen atau proses yang akan diatur dapat digambarkan dalam suatu balok (block) seperti pada Gambar 1.2. Masukan Proses Keluaran 12 5

6 Gambar 1.2. Proses yang diatur Secara sederhana dapat disebutkan, sistem kendali/pengaturan adalah proses pengaturan/pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Dalam istilah lain disebut juga teknik pengaturan, sistem pengendalian atau sistem pengontrolan. Ditinjau dan segi peralatan, sistem kendali/pengaturan terdiri da ri berbagai susunan komponen fisis yang digunakan untuk mengarahkan aliran energi ke suatu mesin atau proses agar dapat menghasilkan prestasi yang diinginkan. Tujuan utama dari suatu sistem pengaturan/kendali adalah untuk mendapatkan optimisasi dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi daripada sistem pengaturan/kendali itu sendiri, yaitu: Secara umum sistem pengaturan/kendali dapat dikelompokkan sebagai berikut: a. Dengan operator (manual) dan otomatik b. Jaringan tertutup (closed-loop) dan jaringain terbuka (open-loop) c. Kontinyu (analog) dan diskontinyu (digital, diskrit) d. Menurut sumber penggerak: elektris, pneumatis (udara, angin), hidraulis (cairan) dan mekanis. Di antara keempat jenis dan kelompok (e), pengontrolan secara elektris dan pneumatis atau k ombinasinya lebih banyak ditemukan dalam industri maupun aplikasi teknis lainnya. Hal ini disebabkan beberapa kelebihan yang diberikannya yaitu pemakaian daya yang lebih kecil, kemampuan untuk pengontrolan jarak jauh, lebih mudah diperoleh dan responsnya lebih cepat. Di samping itu dimensi peralatan dapat dibuat lebih kecil. Beberapa Contoh Ilustrasi Sistem Kendali Sistem pengontrolan kecepatan. Prinsip dasar dari governor Watt untuk mesin dilukiskan dengan diagram skematik pada Gambar 1.3. Besarnya laju aliran bahan bakar yang masuk ke silinder mesin diatur sesuai dengan selisih antara kecepatan mesin yang diinginkan dan kecepatan mesin yang sebenarnya. Uraian dari aksi pengontrolan dapat dinyatakan sebagai berikut: Kecepatan governor disetel sesuai dengan kecepatan yang diinginkan dan tidak terdapat tekanan minyak yang masuk dalam sisi silinder. Jika kecepatan yang sebenarnva turun di bawah harga yang diinginkan, maka gaya sentrifugal governor kecepatan mengecil, menyebabkan katup pengontrol bergerak ke bawah, mencatu bahan bakar yang lebih banyak sehingga kecepatan menuju sampai dicapai harga yang diinginkan. Sebaliknya, jika kecepatan mesin melebihi nilai yang diinginkan, maka gaya sentrifugal dan governor kecepatan membesar menyebabkan katup pengontrol bergerak ke atas. 12 6

7 Hal ini akan memperkecil catu bahan bakar sehingga kecepatan mesin mengecil sampai dicapai nilai yang diinginkan. Pada sistem kontrol kecepatan ini, plant (sistem yang dikontrol) adalah mesin dan variabel yang dikontrol adalah kecepatan dari mesin tersebut. Perbedaan antara kecepatan yang dikehendaki dan kecepatan sebenarnya adalah sinyal dan kesalahan. Sinyal kontrol (jumlah bahan bakar) yang akan diterapkan ke plant (mesin) adalah sinyal aktuasi. Masukan eksternal yang akan mengganggu variabel yang dikontrol adalah gangguan. Perubahan beban yang tidak diharapkan adalah dikelompokkan sebagai gangguan. Gambar 1.3. Sistem pengontrolan kecepatan Contoh lain dari suatu perangkat yang dapat di-identifikasi sebagai suatu sistem kendali adalah perangkat penyejuk ruangan (Air Conditioning Unit, AC). Luaran yang diharapkan akan dihasilkan adalah suhu ruangan yang sejuk. Perangkat AC ini akan menyala bila suhu ruangan memanas, dan akan padam jika sudah cukup sejuk. Pengguna cukup mengatur set-point suhu ruangan yang diinginkan pada bagian pengendali (ada juga yang berupa remote control seperti pada pesawat televisi), kemudian suatu sistem kendali yang disebut thermostat akan mengatur nyala dan padamnya pendingin ruangan secara otomatis. Dengan demikian, bagi seorang ahli Teknik Kendali (Control Engineer), banyak hal dalam hidup ini yang dapat dilihat sebagai suatu sistem kendali. 12 7

8 Dalam analisis dan desain sistem-sistem kendali amat penting terlebih dahulu mengidentifikasi mana bagian yang menjadi sub-sistem kendalian (plant) dan mana yang menjadi sub-sistem pengendali (controller) dalam sistem kendali yang sedang di-analisis atau di-desain tersebut. Biasanya lebih mudah meng-identifikasi terlebih dahulu sub-sistem kendalian-nya, yaitu sub-sistem yang menghasilkan keluaran (output). Setelah itu, dengan mudah dapat diketahui (isyarat) kendali (control)- nya, yaitu yang menjadi masukan (input) dari sub-sistem kendalian. Isyarat kendali ini dihasilkan dari bagian atau sub-sistem pengendali berdasarkan masukan acuan dan umpan-balik, sedemikian rupa sehingga jika diberikan pada bagian kendalian, akan dihasilkan luaran yang diharapkan. Dalam sistem kendali pada umumnya, bagian kendalian sudah given (tersedia apa adanya), tidak bisa diapa-apakan lagi sehingga pada dasarnya suatu pengendali dirancang untuk menghasilkan isyarat kendali yang sesuai supaya kendalian menghasilkan keluaran yang diharapkan. Pada dunia teknik dewasa ini, maka penggunaan teknik pengaturan banyak ditemukan pada: - Pesawat terbang - Pesawat ruang angkasa - Sistem peluru kendali - Pembangkit listrik tenaga uap - dsb nya. Sedangkan pada industri-industri, maka penggunaan teknik pengaturan ini diperlukan dalam operasioperasi pengontrolan: - tekanan - temperatur - kelembaman (humidity) - viskositas - dsb nya. Oleh karena itu, dapat di simpulkan, bahwa tujuan penggunaan teknik pengaturan adalah: - memberikan kemudahan dalam mendapatkan performansi dari sistem dinamik - mempertinggi kualitas dan menurunkan biaya produksi - mempertinggi laju produksi - meniadakan pekerjaan-pekerjan rutin yang sering-sering sangat membosankan. Berikut ini adalah nama-nama orang yang merupakan pelopor-pelopor (penemu-penemu) dalam bidang teknik pengaturan: 1. James Watt. Menemukan kontrol otomatik (governor sentrifugal) pada kecepatan mesin uap 2. Minorsky. 12 8

9 Menemukan kontrol otomatik untuk kemudi kapal 3. Nyquist. Mengembangkan suatu prosedur yang relatif sederhana untuk menentukan kestabilan sistem loop ter-tutup pada basis respon loop terbuka terhaqdap masukan aliran tunak (steady state) sinusoidal. 4. Hazen. Memperkenalkan istilah servomekanisme untuk sistem kontrol posisi. Membahas design sistem servomekanisme relay yang mampu mengikuti dengan baik masukan yang berubah-ubah. 5. dsb nya 12 9