ISTILAH ISTILAH DALAM SISTEM PENGENDALIAN PENGANTAR Sistem pengendalian khususnya pengendalian otomatis memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Dalam bahasan ini, akan diberikan istilah istilah yang diperlukan untuk menjelaskan sistem pengendalian sehingga pemahaman tentang bidang ini menjadi lebih mudah. ISTILAH _ ISTILAH DALAM SISTEM PENGEALIAN 1. Sistem Sistem merupakan kumpulan komponen-komponen yang saling berhubungan dan bekerja sama untuk mencapai suatu tujuan 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 dapat diinterpretasikan untuk menyatakan sistem : Fisik Biologi Sosial Ekonomi, dan lain-lain Contoh sistem : 1. Sistem pencernaan makanan pada manusia Komponen-komponen sistem pencernaan makanan pada manusia terdiri dari mulut, kerongkongan, lambung, usus 12 jari, usus besar dan anus 2. Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air Komponen komponen Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air terdiri dari air terjun, turbin, dan generator Hal ini mengantar kita pada istilah lain yaitu proses dan plant 1 1.2 Istilah dalam SPO
2. Proses Proses adalah nama lain untuk sistem. Kamus Merriam-Webster mendefinisikan proses sebagai operasi atau perkembangan alamiah yang berlangsung secara kontinyu yang ditandai oleh suatu deretan perubahan kecil yang berurutan dengan cara yang relatif tetap dan menuju ke suatu hasil atau keadaan akhir tertentu. Pada umumnya, setiap operasi yang dikontrol disebut proses. Sebagai contoh adalah proses kimia, ekonomi, dan biologi. 3. Plant Plant adalah nama lain untuk sistem. Plant adalah seperangkat peralatan mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama, yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Pada sistem pengendalian, setiap obyek fisik yang dikontrol disebut plant. Contoh plant : Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR). Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) merupakan suatu tangki reaktor yang digunakan untuk mencampur dua atau lebih bahan kimia dalam bentuk cairan dengan menggunakan pengaduk (mixer). Pada Continuous Stirred-Tank Reactor terdapat heater yang akan menghasilkan panas untuk mengatur temperatur cairan pada harga tertentu. Gambar fisik Continuous Stirred-Tank Reactor dapat dilihat pada gambar di bawah ini Mixer Inlet flow T in temperatur Mass flow rate - w Outlet flow T out temperatur Q Heater masukan Mass flow rate - w Gambar 1.1. Continuous Stirred-Tank Reactor Pada saat steady state, CSTR memenuhi persamaan berikut : T out T in Q wc 2 1.2 Istilah dalam SPO
dimana C adalah panas spesifik dari cairan, w adalah laju aliran cairan, T in adalah temperatur cairan pada aliran masuk dan T out adalah temperatur cairan pada aliran keluar 4. Variabel Variabel adalah suatu besaran yang nilainya dapat berubah-ubah Variabel dapat diklasifikasikan menjadi masukan, keluaran, dan parameter. - Masukan merupakan variabel yang menyebabkan atau menghasilkan keluaran. Masukan juga dapat didefinisikan sebagai rangsangan yang diberikan pada sistem pengendalian dari sumber daya luar, biasanya untuk menghasilkan respon tertentu dari sitem pengendalian tersebut. merupakan variabel masukan adalah temperatur cairan pada aliran masuk (T in ), laju aliran cairan (w) dan panas yang dihasilkan heater (Q) - Keluaran merupakan variabel yang merupakan hasil atau respon nyata dari sistem pengendalian, dapat sama dengan yang diharapkan sebagai akibat dari masukan, dapat juga tidak sama. merupakan variabel keluaran adalah temperatur cairan pada aliran keluar (T out ) - Parameter merupakan variabel yang tertentu dan konstan berkaitan dengan batasan fisik dari sistem merupakan parameter adalah panas spesifik (C). Klasifikasi variabel ini dapat dinyatakan dalam diagram blok berikut : Masukan Plant Proses Keluaran Gambar 1.2. Diagram blok klasifikasi variabel : masukan, keluaran, parameter Sedangkan untuk Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) klasifikasi variabelnya dapat dinyatakan dalam diagram blok berikut : 3 1.2 Istilah dalam SPO
w Tin CSTR Tout Gambar 1.3. Diagram blok klasifikasi variabel : masukan, keluaran, parameter pada CSTR Selain itu, variabel juga dapat diklasifikasikan menjadi : - Variabel yang dimanipulasi adalah variabel atau keadaan yang diubah oleh kontroler untuk mempengaruhi nilai variabel yang dikontrol. Variabel yang dimanipulasi dapat juga didefinisikan sebagai masukan yang dapat kita atur. merupakan variable yang dimanipulasi adalah panas yang dihasilkan heater (Q) - Variabel yang dikontrol adalah besaran atau keadaan yang diukur dan dikontrol merupakan variable yang dikontrol adalah temperature cairan pada aliran keluar (T out ) - Variabel exogenous adalah masukan yang berasal dari luar sistem dan tidak dapat diubah oleh kontroler. merupakan variable exogenous adalah temperatur cairan pada aliran masuk (T in ) dan laju aliran cairan (w) Klasifikasi variabel ini dapat dinyatakan dalam diagram blok berikut : d u Plant Proses y Gambar 1.4. Diagram blok klasifikasi variabel : variabel yang dimanipulasi, variabel yang dikontrol, variabel exogenous Dimana d adalah variabel exogenous, u adalah variabel yang dimanipulasi, dan y adalah variabel yang dikontrol Sedangkan untuk Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) klasifikasi variabelnya dapat dinyatakan dalam diagram blok berikut : 4 1.2 Istilah dalam SPO
w Tin Q CSTR Tout Gambar 1.5. Diagram blok klasifikasi variabel : variabel yang dimanipulasi, variabel yang dikontrol, variabel exogenous pada CSTR 5. Sistem Pengendalian Sebelum menjelaskan apakah yang dimaksud dengan sistem pengendalian, terlebih dahulu perlu diketahui arti dari kata pengendalian. Pengendalian atau kontrol adalah upaya yang dilakukan untuk menjaga/mencapai kondisi yang diinginkan pada sistem fisik dengan mengubah - ubah variabel tertentu yang dipilih. Pengendalian dapat juga berarti mengukur nilai dari variabel sistem yang dikontrol dan menerapkan variabel yang dimanipulasi ke sistem untuk mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki. Sebagai contoh : pengendalian temperatur cairan pada Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR). Temperatur cairan pada aliran keluar diatur sedemikian hingga sama dengan temperatur yang diinginkan atau setpoin (T sp ) dengan mengubah-ubah besarnya panas yang dihasilkan heater (Q). Sistem pengendalian merupakan sistem yang komponen-komponennya telah dikonfigurasi untuk menghasilkan karakteristik sistem yang diinginkan. Teknik sistem pengendalian merupakan pengembangan konfigurasi komponenkomponen yang tepat untuk mencapai obyek performansi. 6. Kontroler Kontroler adalah komponen dalam sistem pengendalian yang menghasilkan sinyal kontrol. Dalam sistem pengendalian khususnya sistem pengendalian loop tertutup, kontroler akan membandingkan setpoint dengan variabel keluaran (keluaran terukur), menghitung berapa banyak koreksi yang perlu dilakukan, dan mengeluarkan sinyal koreksi (sinyal kontrol) sesuai dengan perhitungan tadi. Contoh kontroler adalah kontroler on-off, kontroler PID, kontroler logika fuzzy, dan lain-lain. 5 1.2 Istilah dalam SPO
7. Sistem Pengendalian Umpanbalik Sistem pengendalian umpanbalik adalah sistem yang cenderung mempertahankan suatu hubungan yang telah ditentukan antara keluaran sistem dan masukan acuan (setpoint) dengan membandingkan keduanya dan menggunakan perbedaannya sebagai sinyal kontrol. Pada sistem pengendalian umpan balik, keluaran sistem berpengaruh terhadap aksi pengendalian. Sistem pengendalian umpan balik tidak terbatas di bidang rekayasa, tetapi dapat juga ditemukan diberbagai macam bidang bukan rekayasa. Contohnya : tubuh manusia. Tubuh manusia adalah sistem pengendalian umpanbalik yang sangat maju. Baik suhu tubuh maupun tekanan darah dijaga tetap konstan dengan alat umpan balik faal tubuh. Contoh sistem pengendalian umpanbalik lainnya : sistem pengendalian temperatur pada oven listrik. Diagram blok dari sistem pengendalian temperatur pada oven listrik adalah sebagai berikut : Sensor temperatur Termom eter oven Kompor listrik Pemanas Konverter A/D Antar muka Relai Penguat Interfac e Input terprogram Gambar 1.6. Diagram blok sistem pengendalian temperatur oven listrik Temperatur di dalam oven listrik diukur oleh sensor temperatur, yang merupakan alat analog. Temperatur analog dikonversi menjadi temperatur digital oleh konverter A/D. Temperatur digital tersebut dimasukkan ke kontroler melalui sebuah antarmuka. Temperatur digital ini dibandingkan dengan temperatur masukan yang diprogram, dan jika terdapat kesalahan, kontroler mengirim sinyal ke pemanas, melalui sebuah antarmuka, penguat, dan relai untuk membawa temperatur oven listrik ke nilai yang dikehendaki. 6 1.2 Istilah dalam SPO
8. Sistem Pengendalian Sekuensial Sistem pengendalian sekuensial adalah sistem yang melakukan beberapa operasi secara otomatis step by step yang bekerja sesuai dengan aturan (sequence) yang telah ditentukan. Kebanyakan pengendalian sekuensial hanya melaksanakan perintah yang mempunyai dua keadaan (state) secara berurutan; misalnya : start/stop, up/down, tutup/buka, sinyal on/off dan lain-lain. Pengendalian sekuensial dapat dibagi menjadi tiga kategori sebagai berikut : 1. Sistem melakukan urutan berikutnya jika kondisi yang ditentukan sebelumnya terpenuhi (conditional control) 2. Sistem melaksanakan urutan berikutnya jika telah mencapai waktu yang telah ditentukan (time schedule control). 3. Sistem di mana waktu pelaksanaan atau interval waktu tidak penting, hanya urutan operasi yang telah ditetapkan yang dipentingkan (executive control). Contoh sistem pengendalian sekuensial : sistem pengendalian pada lampu lalu lintas, konveyor, lift, mesin cuci dan lain-lain. 9. Sistem Pengendalian Proses Sistem pengendalian proses merupakan sistem pengendalian otomatis dimana keluarannya adalah suatu variabel seperti temperatur, tekanan, aliran, level cairan atau ph. Pengendalian proses secara luas digunakan di industri. Contoh sistem pengendalian proses adalah : 1. Pengendalian temperatur pada oven listrik 2. Pengendalian level air pada tandon air, dan lain-lain 10. Servomekanik Servomekanik merupakan sistem pengendalian umpanbalik dimana keluarannya adalah variabel berupa posisi, kecepatan, atau percepatan. Oleh karena itu, istilah servomekanisme dan sistem pengendalian posisi adalah sinonim. Pada umumnya, keluaran pada servomekanik diharapkan dapat mengikuti perubahan masukannya. Contoh servomekanik : 1. Sistem kontrol lengan robot, dimana lengan robot harus mengikuti jalan tertentu di ruangan yang telah ditentukan 2. Sistem pendaratan otomatis pesawat udara, dimana pesawat udara harus mengikuti 7 1.2 Istilah dalam SPO
jalan di angkasa yang telah ditentukan, dan lain-lain 11. Sistem pengendalian loop terbuka Sistem pengendalian loop terbuka merupakan suatu sistem pengendalian yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Pada sistem pengendalian loop terbuka tidak terdapat jaringan umpan balik. Dengan kata lain, pada sistem pengendalian loop terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan acuan (setpoint). Contoh sistem pengendalian loop terbuka adalah sistem pengendalian nyala api pada kompor gas. Diagram blok dari sistem pengendalian nyala api pada kompor gas adalah sebagai berikut: Valve input Pin Pressure Ps Lidah api Regulator Gambar 1.7. Diagram blok sistem pengendalian nyala api pada kompor gas Besar kecilnya nyala api pada kompor gas tergantung pada tinggi rendahnya tekanan gas P s yang diatur melalui valve input. Sehingga bisa dikatakan bahwa output nyala api open loop terhadap valve input. 12. Sistem Pengendalian Loop Tertutup Sistem pengendalian loop tertutup merupakan suatu sistem pengendalian dimana sinyal keluaran mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi kontrol. Pada sistem pengendalian loop tertutup terdapat jaringan umpanbalik karenanya sistem pengendalian loop tertutup seringkali disebut sebagai sistem pengendalian umpanbalik. Praktisnya, istilah pengendalian loop tertutup dan pengendalian umpanbalik dapat saling dipertukarkan penggunaannya. Contoh sistem pengendalian loop tertutup adalah sistem pengendalian temperatur pada oven listrik. Penjelasan lebih detail tentang sistem pengendalian temperatur pada oven listrik dapat dilihat pada bagian sistem pengendalian umpan balik. CONTOH SOAL 8 1.2 Istilah dalam SPO
... RINGKASAN... LATIHAN... 9 1.2 Istilah dalam SPO