1 BAB I PENDAHULUAN PENGENALAN SISTEM KONTROL 1. Pendahuluan Apakah yang dimaksud dengan sistem kendali? Untuk menjawab pertanyaan itu, kita dapat mengatakan bahwa dalam kehidupan sehari-hari, terdapat sejumlah tujuan yang ingin dicapai. Misalnya dalam bidang rumah tangga, kita perlu mengatur suhu dan kelembaban rumah dan bangunan untuk kenyamanan hidup. Untuk transportasi, kita perlu mengendalikan mobil untuk bergerak dari satu lokasi ke lokasi lain dengan aman dan akurat. Pada bidang industri, proses manufaktur mempunyai sejumlah tujuan untuk mendapatkan hasil-hasil yang akan memuaskan permintaan ketelitian dan kefektifan biaya. Manusia mempunyai kemampuan untuk melaksanakan tugas dalam ruang lingkup yang luas termasuk didalamnya pembuatan keputusan. Beberapa tugas ini seperti mengambil benda dan berjalan dari satu tempat ke tempat lain sering dikerjakan dengan cara yang biasa. Dalam kondisi tertentu beberapa tugas ini dilakukan dengan cara sebaik mungkin. Misalnya seorang pelari 100 yard mempunyai tujuan untuk berlari dalam jarak tersebut dengan waktu sesingkat mungkin. Seorang pelari marathon, tidak hanya harus berlari dalam jarak tersebut secepat mungkin, tetapi untuk mencapai hal tersebut dia harus mengatur energi dan memikirkan cara terbaik untuk perlombaan tersebut. Cara untuk mencapai tujuan ini biasanya melibatkan penggunaan sistem kendali yang melaksanakan strategi kendali tertentu.
2 Kontrol automatik telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Disamping sangat diperlukan dalam pesawat ruang angkasa, peluru kendali, sistem kemudi pesawat, dan lain sebagainya, kontrol automatik telah menjadi bagian yang penting dan terpadu dari proses=proses dalan industri modern. Sebagai contoh kontrol automatik sangat diperlukan dalam operasi-operasi di industri untuk mengendalikan suhu, tekanan, kelembaban, viskositas dan aliran dam industri proses dan lain sebagainya. Komponen Dasar Sistem Kendali Komponen dasar sistem kendali adalah sebagai berikut : 1. Tujuan kendali. 2. komponen sistem kendali 3. Hasil atau keluaran Hubungan dasar antara ketiga komponen ini diterangkan pada Gambar 1.1. Dalam istilah yang lebih teknis, tujuan dapat dihubungkan erat dengan masukan atau sinyal penggerak u, dan hasilnya disebut keluaran atau variable yang dikendalikan Gambar 1.1. komponen dasar sistem kendali
3 1.2. DEFINISI-DEFINISI Pada bagian ini diberikan istilah-istilah yang diperlukan dalam menjelaskan sistem kontrol. Plant adalah seperangkat peralatan, mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama, yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Dalam buku ini setiap obyek fisik yang dikontrol disebut plant. Proses adalah operasi atau perkembangan alamiah yang berlangsung secara continue yang ditandai oleh sederetan perubahan kecil yang berurutan dengan cara yang relative tetap dan menuju ke suatu hasil atau keadaan tertentu; atau suatu operasi yang sengaja dibuat, berlangsung secara kontinyu, yang terdiri dari beberapa aksi atau perubahan yang dikontrol, yang diarahkan secara sistematis menuju ke suatu hasil atau keadaan tertentu. Dalam buku ini setiap operasi yang dikontrol disebut proses. Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-sama dan melakukan suatu sasaran tertentu. Sistem tidak dibatasi hanya untuk sistem fisik saja. Konsep sistem dapat digunakan pada gejala yang abstrak dan dinamis seperti yang dijumpai dalam ekonomi. Oleh karena itu istilah sistem harus diinterpretasikan untuk menyatakan suatu sistem fisik, biologi, ekonomi dan lain sebagainya. Gangguan (disturbance) adalah suatu sinyal yang cenderung mempunyai pengaruh yang merugikan pada harga keluaran sistem. Jika suatu gangguan dibangkitkan
4 dalam sistem, disebut gangguan internal; sedangkan gangguan eksternal dibangkitkan diluar sistem dan merupakan suatu masukan. Kontrol berumpan balik (feedback control) adalah suatu operasi yang dengan adanya gangguan cenderung memperkecil selisih antara keluaran sistem dan masukan acuan ( atau suatu keadaan yang diinginkan, yang secara sembarang diubah) dan bekerja berdasrkan selisih tersebut. Disini hanya terhadap gangguan yang tidak dapat diketahui sebelumnya yang dimaksudkan untuk pengontrolan sistem, karena untuk gangguan yang dapat diketahui sebelumnya mungkin dibuat kompensator didalam sistem sehingga tidak memerlukan pengukuran. Sistem kontrol berumpan balik (feedback control system) adalah sistem kontrol yang cenderung menjaga hubungan yang telah ditentukan antara keluaran dan masukan acuan dengan membandingkan dan menggunakan selisihnya sebagai alat pengontrolan. Servomekanisme adalah sistem kontrol berumpan balik dengan keluaran berupa posisi, kecepatan, atau percepatan mekanik. Oleh karena itu istilah servomekanisme dan sistem pengontrolan posisi (atau kecepatan atau percepatan) adalah sinonim. Servomekanisme banyag digunakan dalam industrtri modern. Sistem regulator automatik adalah sistem kontrrol berumpan balik dengan masukan acuan atau keluaran yang diinginkan konstan atau berubah terhadap waktu dengan lambat dan tugas utamanya adalah menjsga keluaran yang sebenarnya pada harga yang diinginkan, dengan adanya gangguan. Sistem pemanas ruangan dengan thermostat sebagai regulatornya adalah sebuah contoh sistem regulator automatik. Pada sisten ini, penyetelan thermostat (temperature yang diinginkan) dibandingkan dengan temperature ruang yang
5 sebenarnya. Perubahan temperature di luar ruangan adalah gangguan pada sistem ini. Sasarannya adalah menjaga temperature ruangan yang diinginkan meskipun merubah temperature diluar ruangan. Ada beberapa contoh lain sistem regulator automatik diantaranya adalah pengontrolan automatik dari tekanan dan besaran listrik seperti arus, tegangan, dan frekuensi. Sistem pengontrolan proses (process control system). Sistem regulator automatik dengan keluaran berupa besaran seperti temperature, tekanan, aliran, tinggi muka cairan atau PH disebut sistem pengontrolan proses. Pengontrolan proses secara luas digunakan di industri. Pengontrolan dengan program seperti pengontrolan rtemperatur tungku pemanas dimana temperature tungku dikontrol sesuai dengan instruksi yang telah deprogram terlebih dahulu sering kali digunakan pada sistem seperti ini. Sebagai contoh, program yang harus disetel terlebih dahulu berupa instruksi untuk menaikkan temperature tungku sampai harga tertentu selama selang waktu tertentu kemudian menurunkan temperature tungku sampai harga tertentu yang lain selama selang waktu tertentu yang lain. 1.3 KONTROL LUP TERTUTUP DAN KONTROL LUP TERBUKA Sistem kontrol lup terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrtolan. Jadi pada sistem kontrol lup terbuka keluaran tidak dibandingkan dengan masukan acuan, sehingga untuk setiap acuan masukan terdapat suatu kondisi operasi yang tetap.jadi ketelitian sistem tergantung pada kalibrasi. (Sistem kontrol lup terbuka harus dikalibrasi dan hasil kalibrasi harus dipertahankan agar sistem dapat bekerja dengan baik). Dengan adanya gangguan sistem kontrol lup terbuka tidak dapat bekerja seperti yang diharapkan. Sistem
6 kontrol lup terbuka dapat diterapkan dalam praktek hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan jika tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Kontroler Plant atau proses Gambar 1.2. Sistem kontrol lup terbuka Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Jadi sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol berumpan balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik diumpankan ke controller untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. masukan Kontroler Plant atau proses keluaran Elemen ukur Gambar 1.3. Sistem kontrol lup tertutup
7 Gambar 1.3. menunjukkan hubungan masukan keluaran dari kontrol lup tertutup. Gambar semacam itu disebut diagram blok (block diagram). Untuk melukiskan konsep sistem kontrol lup tertutup, perhatikan sistem termal yang ditunjuk-kan pada Gambar 1.4. Di sini manusia bekerja sebagai kontroler. la ingin menjaga temperatur air panas pada harga tertentu. Termometer yang dipasang pada pipa keluaran air panas mengukur temperatur yang sebenarnya. Temperatur ini adalah keluaran sistem. Jika operator membaca penunjukan termometer dan mendapatkan bahwa temperatur lebih tinggi daripada harga yang diinginkan, maka ia akan memperkecil besarnya catu uap untuk menurunkan temperatur ini. Ada kemungkinan bahwa temperatur menjadi terlalu rendah sehingga perlu mengulangi rangkaian operasi di atas pada arah yang sebaliknya. Aksi kontrol ini didasarkan pada operasi lup tertutup. Karena baik balikan dari keiuaran (temperatur air) untuk perbandingan dengan masukan acuan dan aksi pengon-trolan terjadi melalui aksi operator, maka sistem ini disebut sistem kontrol lup tertutup. Sistem semacam ini dapat disebut sistem kontrol manual berumpanbalik (manual feedback control) atau sistem kontrol manual lup tertutup (manual closed loop control).
8 Gambar 1.4. Kontrol manual berumpan-balik dari sebuah sistem termal. Jika kontroler automatik digunakan untuk menggantikan operator manusia seperti ditunjukkan pada Gambar 1.5, sistem kontrol tersebut menjadi automatik, yang biasa disebut sistem kontrol automatik berumpan-balik atau sistem kontrol automatik lup tertutup. Posisi penunjuk pada kontroler automatik menyetel temperatur yang diinginkan. Keluaran, temperatur air panas yang sebenarnya, yang diukur dengan alat ukur temperatur, dibandingkan dengan temperatur yang diinginkan untuk membangkitkan sinyal kesalahan penggerak. Untuk maksud ini, temperatur keluaran diubah menjadi satnan yang sama dengan masukan (titik setel) dengan menggunakan transduser. (Transducer adalah suatu peralatan yang
9 merubah suatu sinyal dari satu bentuk menjadi bentuk kin), Sinyal kesalahan yang dihasilkan oleh kontroler automatik diperkuat, dan keluaran kontroler dikirim ke katup pengontrol untuk merubah bukaan katup dalam mencafu uap untuk koreksi temperatur air yang sebenarnya. Jika tidak ada kesalahan, maka tidak diperlukan perubahan bukaan katup. Gambar 1.5. Kontrol automatik berumpan-balik dari sebuah sistem termal. 1.4. BEBERAPA CONTOH ILUSTRASI SISTEM KONTROL Kendali Kemudi Mobil Sebagai suatu contoh sederhana dari sistem kendali yang dibentuk pada Gambar 1.6., adalah kendali kemudi mobil. Arali dua roda depan dapat dianggap sebagai variabel yang dikendalikan atau keluaran, y; arah dari roda kemudi adalall sinyal penggerak atau masukan, u. Sistem kendali, atau proses pada masalah ini, terdiri dari mekanisme kemudi dan dinamika seluruh mobil. Walaupun demikian, jika tujuannya adalah untuk mengendalikan kecepatan mobil, maka besarnya tekanan yang dikerahkan pada pedal gas adalah sinyal penggerak, ser-ta kecepatan kendaraan adalah variabel yang dikendalikan. Secara keseluruhan, kita dapat
10 menyatakan bahwa sistem kendali mobil yang sederhana merupakan satu kesatuan dengan dua masukan (kemudi dan pedal gas) dan dua keluaran (tujuan dan kecepatan). Dalam kasus ini, dua pengendalian dan dua keluaran tidak bergantung satu dengan lainnya, tetapi pada umumnya, terdapat sistem yang pengendalianpengendaliannya berhubungan. Sistem dengan masukan dan keluaran lebih dari satu disebut sistem banyak variabel. Gambar 1.6 Sistem kontrol kecepatan ideal