MODUL 2 SISTEM KENDALI KECEPATAN Muhammad Aldo Aditiya Nugroho (13213108) Asisten: Jedidiah Wahana(13212141) Tanggal Percobaan: 12/03/16 EL3215 Praktikum Sistem Kendali Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak praktikum kali pengendalian terhadap kecepatan motor DC. Praktikum kali menggun Modular Servo System MS-150, multimeter, osiloskop, dan jumper. Percobaan- yang pada praktikum yaitu mengamati pengendalian kecepatan menggun sistem lingkar terbuka dan mengamati pengendalian kecepatan menggun sistem lingkar tertutup. Kata kunci: motor, MS-150, kecepatan, PID. terhadap error dan noise karena tidak adanya pembandingan terhadap referensi. Gambar 2-1 Diagram Blok Sistem Loop Terbuka pengendalian loop tertutup output dari sistem diumpan balikkan untuk dibandingkan sinyal referensi. Sistem pengendalian loop tertutup lebih tahan terhadap error dibandingkan sistem loop terbuka 1. PENDAHULUAN Praktikum kali diad tujuan agar praktikan memahami konsep sistem pegendalian kecepatan motor DC secara umum, baik menggun sistem loop terbuka maupun loop tertutup, memahami sistem PID dalam pengendalian kecepatan motor DC, dan mampu melakukan analisis kinerja terhadap suatu sistem kontrol. Gambar 2-2 Diagram Blok Sistem Loop Tertutup 2.2 PENGENDALI PID praktikum kali, kami melakukan 2 buah, yaitu mengamati pengendalian kecepatan menggun sistem loop terbuka dan mengamati pengendalian kecepatan sistem loop tertutup. Sistem pengendali PID adalah sistem yang digun secara luas pada berbagai bidang industri. Pengendali PID terdiri dari 3 komponen, yaitu proporsional, integral, dan derivatif. laporan dipaparkan tata cara secara singkat untuk melakukan pada praktikum kali dan juga hasil yang kami dapat beserta analisisnya. 2.2.1 PROPORSIONAL u ( t ) =Kpe ( t ) 2. STUDI PUSTAKA 2.1 Hubungan antara sinyal error e sinyal kontrol u adalah sebagai JENIS SISTEM PENGENDALIAN dasarnya ada dua jenis sistem pengendalian, yaitu pengendalian loop terbuka dan pengendalian loop tertutup. pengendalian loop terbuka output dari sistem tidak di umpan balikkan untuk dibandingkan sinyal referensi. Sistem pengendalian loop terbuka rentan Komponen proporsional digun untuk meningkatkan penguatan dan mempercepat respon transien. 2.2.2 INTEGRAL Hubungan antara sinyal error e sinyal kontrol u adalah sebagai 1
Gambar 3-1 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Terbuka, t u ( t ) =Ki e ( t ) dt 0 Komponen integral digun untuk menghilangkan steady state error, walaupun menghasilkan overshoot sehingga keadaan steady state lebih lama dicapai Bisa dilihat bahwa diperlukan waktu untuk motor mencapai keadaan steady state, dimana nilai tegangannya dan kecepatannya tetap (kecuali diberikan gaya eksternal). 2.2.3 DERIVATIF Hubungan antara sinyal error e sinyal kontrol u adalah sebagai u ( t ) =Kd de(t ) dt Komponen derivatif digun untuk mempercepat respon transien, walaupun komponen meningkatkan derau pada sistem. 3. HASIL DAN ANALISIS Berikut adalah beserta langkahlangkah yang praktikan lakukan ketika praktikum 3.1 SISTEM PENGENDALI KECEPATAN : PENGENDALIAN LINGKAR TERBUKA pengamatan pada pengendalian lingkar terbuka, yaitu hubungan umpan balik dari tegangan tachogen ke unit op-amp tidak disambungkan. Pertama- tama diamati nilai tegangan deadband, yaitu tegangan dimana motor tepat berputar. Didapatkan tegangan deadband = 4.48V. Setelah didapatkan data tegangan deadband, saklar dibuka dan tegangan pada AU diatur sehingga berada pada 6 7V. Tegangan yang praktikan gun adalah 6.5 V. Tegangan keluaran tachogen dihubungkan pada osiloskop dan saklar-1 ditutup. Didapatkan hasil sebagai Gambar 3-2 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Terbuka, untuk Variasi Posisi Rem grafik tersebut ada 3 level tegangan, yaitu level 1 dimana posisi rem magnetik pada skala 3, level 2 dimana posisi rem magnetik pada skala 6, dan level 3 dimana posisi rem magnetik pada skala 9. Perlu dicatat bahwa posisi-posisi yang sama digun untuk berikutnya. Apabila kita perhatikan pada gambar grafik di atas, bisa dilihat bahwa semakin besar skala yang digun pada rem magnetik, semakin kecil tegangan yang terbaca pada tachogenerator. Untuk menjelaskan mengapa hal terjadi, kita harus mengetahuiprinsip kerja motor DC terlebih dahulu. Motor DC dapat berputar karena dialiri arus listrik pada sautu konduktor, dimana konduktor tersebut berada pada daerah yang memiliki medan magnet dari magnet permanen. Berdasarkan hukum Lorentz, apabila ada suatu arus yang melewati medan magnet maka terjadi gaya lorentz, sehingga motor DC memutar. Apabila kita memberikan rem magnetik, timbul suatu arus yang disebut eddy current, yang dihasilkan karena suatu konduktor bergerak melewati sebuah medan magnet. Berdasarkan hukum Lenz, arus tersebut menghasilkan medan magnet sendiri yang melawan arah medan magnet rem. Tegangan pada tachogenerator berkurang karena sebagian energinya digun untuk melawan tegangan hasil ggl induksi. Hasilnya tegangan pada tachogen semakin kecil dan ger motor 2
melambat. Bisa disimpulkan bahwa hasil yang didapatkan sesuai. 3.2 SISTEM PENGENDALI KECEPATAN : PENGENDALIAN LINGKAR TERTUTUP pengamatan pada pengendalian lingakr tertutup, yaitu hubungan umpan balik dari tegangan tachogen ke unit op-amp disambungkan. Umpan balik yang digun adalah umpan balik negatif. Tegangan pada AU di set sehingga bernilai sama seperti sebelumnya, yaitu 6.5 V. Grafik yang pertama kali diamati adalah ketika nilai Kp = 1 dan komponen integrator serta derivatif tidak aktif. Hal pertama yang diperhatikan adalah grafik setting motor, yaitu dari keadaan mati hingga keadaan steady state (tunak). Grafik tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah : Gambar 3-3 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 1. Apabila kita membandingkan grafik di atas grafik pada saat lingkar terbuka, bisa dilihat bahwa pada kondisi loop tertutup waktu untuk mencapai steady state lebih cepat dibandingkan pada kondisi loop terbuka. magnetik yang diberikan, maka tegangan pada tachogenerator semakin kecil, dan ger motor semakin lambat. Perbedaannya terletak pada fungsi transfer. Persamaan sistem loop tertutup feedback negatif adalah sebagai K ωm ( s) 1+ K K tcg = V m (s) τ s+ 1 1+ K K tcg 3.2.1 VARIASI NILAI KP Untuk berikutnya hal yang sama, mengubah nilai Kp menjadi 2, 4, dan 6. Kp = 2 Percobaan yang sama seperti sebelumnya, tetapi nilai Kp yang berbeda, yaitu Kp = 2. Grafik yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-5 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 2. Kemudian pengamatan pada beberapa nilai posisi rem yang berbedabeda. Hasil yang didapatkan adalah sebagai Berikutnya diamati tegangan apabila posisi rem diubah-ubah. Hasil yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-4 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 1, Variasi Posisi Grafik yang dihasilkan serupa grafik 3-2, dimana semakin besarnya rem 3
Gambar 3-6 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 2 Variasi Posisi Kp = 4 Percobaan yang sama seperti sebelumnya, tetapi nilai Kp yang berbeda, yaitu Kp = 4. Grafik yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-9 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 6. Kemudian pengamatan pada beberapa nilai posisi rem yang berbedabeda. Hasil yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-7 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 4. Kemudian pengamatan pada beberapa nilai posisi rem yang berbedabeda. Hasil yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-10 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 6 Variasi Posisi Gambar 3-8 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, Kp = 4 Variasi Posisi Kp = 6 Percobaan yang sama seperti sebelumnya, tetapi nilai Kp yang berbeda, yaitu Kp = 2. Grafik yang didapatkan adalah sebagai Bila kita membandingkan grafik-grafik yang didapatkan, dapat disimpulkan bahwa semakin besar nilai Kp, semakin besar tegangan yang terbaca pada tachogen. hal dikaren sinyal dikalikan sebesar Kp, jadi semakin besar Kp maka nilai tegangan sinyal semakin besar. Selain itu, efek pembebanan dapat terlihat berapapun nilai Kp yang digun. Apabila kita bandingkan grafik-grafik hasil keluaran di atas grafik hasil loop terbuka, bisa dilihat bahwa menambahkan komponen proporsional kita bisa mempercepat respon transiennya. Hal dikaren tegangan steady state semakin tinggi dinaikkannya nilai Kp. Sehingga bisa disimpulkan bahwa komponen proporsional dapat digun utnuk mempercepat respon transien. 4
Bila kita bandingkan keadaan steady state pada grafik komponen Kp dan grafik pada keadaan open loop, bisa dilihat bahwa pada grafik berkomponen Kp grafik steady statenya lurus (bernilai tetap). Sedangkan pada grafik keadaan open loop, nilai steady statenya tidak lurus, sehingga nilainya menyimpang dari harapan. Hal dikaren pada sistem open loop tidak ada cara untuk memperbaiki error dari output sistem, sedangkan pada sistem closed loop output dari sistem digun untuk memperbaiki sinyal masukan, sehingga sinyal output dapat diperbaiki. 3.2.2 Gambar 3-12 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.2, Variasi Posisi τi = 0.4 Berikut adalah gambar grafik tegangan tachogenerator untuk τi = 0.4 s. VARIASI NILAI ΤI pengamatan yang sama seperti sebelumnya, tetapi mengeset niali Kp = 1 dan memvariasikan nilai τi. Nilai-nilai τi yang digun adalah 0.2, 0.4, dan 0.6. τi = 0.2 Berikut adalah gambar grafik tegangan tachogenerator untuk τi = 0.2 s. Gambar 3-11 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.2 Sedangkan berikut adalah gambar tegangan tachogenerator τi = 0.2 s untuk posisi rem yang diubah-ubah. Gambar 3-13 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.4 Sedangkan berikut adalah gambar tegangan tachogenerator τi = 0.4 s untuk posisi rem yang diubah-ubah. Gambar 3-14 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.4, Variasi Posisi τi = 0.6 Berikut adalah gambar grafik tegangan tachogenerator untuk τi = 0.6 s. 5
mengeset Kp = 1 dan τd = 0.2 s. Grafik yang didapatkan adalah sebagai Gambar 3-15 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.6 Sedangkan berikut adalah gambar tegangan tachogenerator τi = 0.2 s untuk posisi rem yang diubah-ubah. Gambar 3-16 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.6, Variasi Posisi gambar grafik di atas, tidak terlihat efek overshoot. Hal tidak sesuai karakteristik komponen integrator pada umumnya, dimana sinyal naik turun sebelum pada akhirnya sampai ke steady state. Apabila overshoot dapat terlihat, hasil yang diharapkan yaitu semakin tinggi integral time τi, semakin kecil overshoot yang dihasilkan, sehingga sistem mencapai steady state lebih cepat. Gambar 3-17 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τd = 0.2. Sedangkan grafik yang didapatkan memvariasikan posisi rem adalah sebagai Gambar 3-18 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τd = 0.2, Variasi Posisi Efek dari penggunaan komponen drivatif tidak terlihat begitu jelas pada gambar di atas, karena nilai Kp yang kurang besar untuk dapat melihat jelas drau pada grafik. Penggunaan komponen derivatif mempercepat respon transien dari suatu sistem, tetapi meningkatkan derau dari sistem tersebut. Bila kita lihat pada grafik di atas, bisa didapatkan bahwa apabila kita menaikkan posisi rem, tegangan berkurang untuk sementara, lalu naik lagi (kecuali untuk rem pada posisi 9). Hal dikaren komponen integrator, yang berfungsi untuk memperbaiki error steady state. 3.2.4 3.2.3 τi = 0.2 dan Kp = 2 NILAI ΤD = 0.2 S pengamatan yang sama seperti sebelumnya, tetapi VARIASI NILAI ΤI DAN KP pengamatan pada sistem memvariasikan niali τi dan Kp. Pasangan nilai τi dan Kp yang digun adalah τi = 0.2 dan Kp = 2, τi = 0.4 dan Kp = 4, serta τi = 0.6 dan Kp = 6. Grafik yang didapatkan untuk nilai τi dan Kp yang bersangkutan adalah sebagai 6
Gambar 3-21 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.4, Kp = 4. Sedangkan grafik yang didapatkan memvariasikan posisi rem adalah sebagai Gambar 3-19 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.2, Kp = 2. Sedangkan grafik yang didapatkan memvariasikan posisi rem adalah sebagai Gambar 3-22 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.4 Kp = 4, Variasi Posisi Rem τi = 0.6 dan Kp = 6 Grafik yang didapatkan untuk nilai τi dan Kp yang bersangkutan adalah sebagai Gambar 3-20 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.2, Kp = 2, Variasi Posisi Rem τi = 0.4 dan Kp = 2 Grafik yang didapatkan untuk nilai τi dan Kp yang bersangkutan adalah sebagai Gambar 3-23 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.6, Kp = 6. Sedangkan grafik yang didapatkan memvariasikan posisi rem adalah sebagai 7
Dengan mengerem motor, tegangan yang dihasilkan pada tachogenerato motor berkurang Sistem loop terbuka lebih rentan terhadap noise dan error steady state dibandingkan sistem loop tertutup Komponen P (Proportional) bisa kita gun untuk menaikkan besar kecepatan motor serta kecepatan transient responsenya Komponen I (Integrator) bisa kita gun untuk menekan error steady state, tradeoff adanya overshoot Untuk memperbaiki overshoot dari komponen Integrator kita bisa menggun komponen proporsional, sehingga steady state lebih cepat dicapai Gambar 3-24 Grafik Tegangan Tachogen Lingkar Tertutup, τi = 0.6, Kp = 6, Variasi Posisi Rem Dengan membandingkan grafik tegangan tachogen pada yang hanya menggun komponen proporsional, terlihat bahwa menambahkan komponen integrator kita bisa mempercepat transient responsenya. Semakin tinggi nilai Kp dan nilai integral time yang digun, semakin cepat transient response yang dihasilkan. Apabila kita bandingkan grafik pada sistem hanya komponen integrator, dapat terlihat bahwa menambahkan komponen proporsional error pada steady state dapat diperbaiki lebih cepat dibandingkan tanpa komponen proporsional. Dengan menaikkan nilai Kp dan integral time, pembetulan error steady state semakin cepat. Daftar Pustaka [1] Modul Praktikum Sistem Kendali EL3215, Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer, ITB, 2016. pada grafik tidak terlihat adanya overshoot. tetapi apabila overshoot dapat diamati, hasil yang didapatkan seharusnya overshoot semakin berkurang seiring naiknya nilai Kp dan integral time. Sehingga bisa disimpulkan, bahwa untuk mendapatkan transient response yang cepat serta mengurangi overshoot, kita bisa menggun komponen proporsional dan integrator. 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang saya dapatkan setelah melewati modul 2 adalah sebagai 8