Pendahuluan 1 Pengantar Sistem Pengaturan Sistem pengaturan memiliki peranan penting dalam perkembangan dan kemajuan peradaban dan teknologi modern. Dalam prakteknya, setiap aspek aktivitas sehari-hari dipengaruhi oleh beberapa model sistem pengaturan. Sistem kontrol banyak ditemukan di setiap sektor industri, seperti pengendalian kualitas dari suatu produk yang dihasilkan, lajur pemasangan otomatik, pengendalian mesin, teknologi luar angkasa dan sistem persenjataan, pengendalian komputer, sistem transportasi, sistem daya, robotik, dan lain-lain. Agus Susanto, S.T., M.Kom Pendahuluan Apakah yang dimaksud dengan sistem pengaturan atau sistem kontrol atau sistem kendali? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kita dapat mengatakan bahwa dalam kehidupan sehari-hari terdapat sejumlah tujuan yang harus dicapai, misalnya Temperatur dan kelembaban ruangan perlu diatur untuk agar ruangan menjadi nyaman. Kecepatan mobil atau motor perlu dikendalikan untuk bergerak dari satu lokasi ke lokasi lainnya dengan aman dan tepat waktu. Pada bidang industri, proses manufaktur mempunyai sejumlah tujuan untuk mendapatkan hasil-hasil yang akan memuaskan permintaan, ketelitian dan keefektifan biaya Pendahuluan Manusia mempunyai kemampuan untuk melakukan tugas dalam ruang lingkup yang luas, termasuk di dalamnya adalah membuat keputusan. Beberapa tugas ini seperti mengambil benda dan berjalan dari satu tempat ke tempat lainnya, sering dikerjakan dengan cara yang biasa. Pada kondisi tertentu, beberapa dari tugas ini dilakukan dengan cara sebaik mungkin, misalnya Seorang pelari cepat 100 m mempunyai tujuan untuk berlari dalam jarak tersebut dalam waktu yang sesingkatnya. Seorang pelari maraton, tidak hanya berlari dalam jarak tertentu secepat mungkin, tetapi untuk mencapai hal tersebut dia harus mengatur pemakaian energi dan memikirkan cara terbaik untuk memenangkan perlombaan tersebut. Cara untuk mencapai tujuan ini biasanya melibatkan penggunaan sistem pengaturan untuk melaksanakan strategi pengaturan tertentu. Sekilas Sejarah Sistem Pengaturan Sebelum abad ke-17 telah ditemukan pada orang-orang muslim suatu sistem pengendalian clepsydra atau jam air. Clepsydra telah diakui sebagai pencatat waktu akurat sebelum ditemukan jam mekanik pada abad ke-17. Karya pertama yang penting dalam pengembangan awal teori kendali adalah centrifugal governor oleh James Watt untuk pengontrolan kecepatan mesin uap pada abad ke-18. Pada 1922, Minorsky membuat kontroler otomatis untuk pengemudian kapal dan menunjukkan cara menentukan kestabilan dari persamaan diferensial yang melukiskan sistem. Tahun 1932, Nyquist mengembangkan prosedur sederhana untuk menentukan kestabilan sistem loop tertutup pada basis respons loop terbuka terhadap masukan tunak (steady state) sinusoida. Pada tahun 1934, Hazen memperkenalkan istilah servomekanisme untuk sistem kendali posisi, membahas disain servomekanisme relai yang mampu mengikuti dengan baik masukan yang berubah. Sekilas Sejarah Sistem Pengaturan Selama dekade 1940-an, dengan metode tanggapan frekuensi para insinyur telah dapat merancang sistem pengaturan/kendali umpan balik linier yang dapat memenuhi kinerja yang diinginkan. Di akhir 1940-an sampai awal 1950-an metode root locus telah sepenuhnya dikembangkan. Dengan metode tanggapan frekuensi dan root locus, yang merupakan bagian penting dari teori klasik, telah dapat dirancang sistem yang stabil dan memenuhi beberapa kinerja yang hampir seimbang. Namun, sistem semacam ini umumnya tidak optimal. Semenjak akhir tahun 1950, perancangan sistem kendali mengutamakan perancangan yang optimal. Seiring dengan makin kompleksnya sistem yang akan dikendalikan, dengan banyak masukan dan keluaran, maka bentuk matematik dari sistem tersebut memerlukan banyak persamaan. Teori kendali klasik hanya mampu untuk menangani sistem dengan masukan dan keluaran tunggal dan tidak mampu menangani sistem dengan masukan dan keluaran yang banyak. 1
Sekilas Sejarah Sistem Pengaturan Sejak 1960-an, teori kendali modern mulai dikembangkan untuk menangani rumitnya sistem modern dengan bermacam-macam kebutuhan ketepatan, bobot, biaya, dan sebagainya. Dengan makin berkembangnya teknologi komputer analog, digital atau hybrid yang dapat melakukan perhitungan yang rumit, maka penggunaan komputer untuk perancangan maupun sebagai kontroler bukan merupakan barang asing lagi. Perkembangan terakhir dari teori kendali modern dapat dikatakan adalah pada optimasi sistem deterministik maupun stokastik, serta kendali adaptif dan kendali ajar (learning control) atau kecerdasan buatan (artificial intelligent) pada sistem yang kompleks. Komponen Dasar Sistem Kendali Komponen dasar sebuah sistem kendali adalah sebagai berikut : Tujuan Komponen Hasil atau keluaran Tujuan (Sinyal Aktuasi, u) Sistem Kendali Hasil (variabel yang Dikendalikan, y) Tujuan sistem kendali adalah untuk mengendalikan keluaran dengan berbagai masukan tertentu melalui komponen dalam sistem kendali. Tujuan dapat dihubungkan erat dengan masukan atau sinyal penggerak (aktuasi), u. Hasilnya disebut dengan keluaran atau variabel yang dikontrol, y. Prinsip Sistem Kendali Prinsip Sistem Kendali Seorang operator sedang menjaga ketinggian (level) suatu tangki. Jika ketinggian tangki kurang dari yang semestinya, operator akan membuka keran (valve) masukan, dan sebaliknya, jika ketinggian air melebihi dari yang semestinya, operator akan menutup keran masuk, demikian seterusnya. Dari kejadian ini, dapat dinyatakan bahwa sebenarnya yang terjadi adalah pengukuran terhadap tinggi cairan di dalam tangki, kemudian membandingkannya terhadap harga tertentu dari tinggi cairan yang dikehendaki (set point), lalu melakukan koreksi yakni dengan mengatur bukaan keran masukan cairan ke dalam tangki. Prinsip Sistem Kendali Dapat disimpulkan bahwa sebuah sistem kendali, melakukan urutan kerja sebagai berikut: Pengukuran (Measuring) Perbandingan (Comparison) Perbaikan (Correction) Sistem tersebut dapat berjalan baik, jika dianggap sistem bekerja secara ideal dan sederhana. Namun, masalah akan timbul jika diteliti lebih lanjut, seperti: Keadaan proses yang lebih kompleks dan sulit Pengukuran yang lebih akurat dan presisi Jarak proses yang tidak mudah dijangkau Maka diperlukan modifikasi terhadap sistem tersebut. Dalam hal seperti inilah diperlukan sebuah sistem kendali otomatik Sistem Kendali Otomatik Agar suatu proses itu berjalan sesuai dengan target-target yang ditentukan, maka proses itu harus dikendalikan secara otomatis. Contoh kasus: Suatu industri pemotongan kertas dimana ukuran kertas yang dipotong harus sama untuk semua hasil dengan ketelitian yang tinggi. Manusia boleh jadi bisa melakukannya, tapi karena keterbatasan manusia maka hasilnya tidak akan dapat sama persis dengan apa yang diinginkan untuk semua hasil produksi. Untuk itulah sistem kendali otomatis dapat digunakan, dimana terdapat peralatan untuk mengetahui ukuran kertas yang ingin dipotong dengan ketelitian tinggi, dan peralatan itu juga yang akan melakukan pemotongan sehingga hasilnya akan seragam untuk semua hasil produksi. Disamping itu juga kecepatan proses akan berbeda seandainya digunakan sistem kendali otomatis dibanding dengan cara manual. 2
Sistem Kendali Otomatik Manfaat pada penggunaan sistem kendali otomatik pada sebuah proses, yaitu: Terjaminnya keselamatan (safety) baik bagi pekerja maupun peralatan yang ada. Terjaganya kualitas produk, misalnya komposisi produk, warna, dan lain-lain pada keadaan yang kontinyu dan dengan biaya minimum. Proses berlangsung sesuai dengan batasan lingkungan, maksudnya adalah limbah yang dihasilkan oleh proses tersebut tidak melebihi ambang batas lingkungan. Proses berlangsung sesuai dengan batasan-batasan operasinya. Istilah-istilah dalam sistem kendali Plant Adalah seperangkat peralatan mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Dalam hal ini, setiap objek fisik yang dikontrol seperti tungku pemanas, reaktor kimia dan pesawat ruang angkasa dapat disebut plant. Proses : Adalah 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 Atau suatu operasi yang sengaja dibuat, berlangsung secara kontinyu, yang terdiri dari beberapa aksi atau perubahan yang dikendalikan, diarahkan secara sistematis menuju ke suatu hasil atau keadaan akhir tertentu. Dalam hal ini, setiap operasi yang dikontrol dapat disebut dengan proses. Istilah-istilah dalam sistem kendali Sistem Adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersamasama dan saling berkaitan untuk melakukan suatu sasaran tertentu. Gangguan Adalah suatu sinyal yang cenderung mempunyai pengaruh yang merugikan pada harga keluaran sistem. Kendali Berumpan Balik Adalah suatu operasi yang dengan adanya beberapa gangguan, cenderung memperkecil selisih antar keluaran sistem dan masukan acuan (atau suatu keadaan yang diinginkan) dan bekerja berdasarkan selisih tersebut. Sistem Kendali Berumpan Balik Adalah sistem kendali yang cenderung menjaga hubungan yang telah ditentukan antara keluaran dan masukan acuan dengan cara membandingkannya, dan selisih yang dihasilkan digunakan sebagai alat pengontrolan. Istilah-istilah dalam sistem kendali Servomekanisme Adalah sistem kendali berumpan-balik dengan keluaran berupa posisi, kecepatan atau percepatan mekanik. Sistem Regulator Otomatis Adalah sistem kendali berumpan-balik dengan masukan acuan atau keluaran yang diinginkan konstan atau berubah terhadap waktu dengan lambat dan tugas utamanya adalah menjaga keluaran yang sebenarnya pada harga yang diinginkan walaupun adanya gangguan. Sistem Pengontrolan Proses Adalah sistem pengontrolan dengan regulator otomatis yang mempunyai keluaran berupa besaran seperti temperatur, tekanan, aliran, tinggi muka cairan atau ph. Kategori Sistem Kendali Hingga saat ini kendali otomatis digunakan di berbagai bidang, sehingga banyak sekali klasifikasi kendali yang didefinisikan. Secara garis besar sistem kendali dapat dibagi menjadi dua kategori : Sistem Kendali Loop Terbuka (open-loop control system) Sistem Kendali Loop Tertutup (close-loop control system) Sistem Kendali Loop Terbuka Sistem kendali loop terbuka adalah suatu sistem kendali yang tindakan pengendaliannya tergantung pada keluarannya. Pada sistem ini, keluaran sistem tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Dengan kata lain, sistem kendali loop terbuka keluarannnya tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Pada sistem kendali loop terbuka ini, keluaran aktual sistem tidak diukur dan tidak ada koreksi untuk mendapatkan keluaran yang sesuai dengan yang diinginkan. Contoh dari sistem kendali loop terbuka ini adalah mesin cuci, dimana perendaman, pencucian dan pembilasan dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran, yaitu tingkat kebersihan pakaian. 3
Sistem Kendali Loop Terbuka Unsur sistem kendali loop terbuka biasanya dibagi atas dua bagian yaitu pengendali dan proses yang dikontrolkan (kontrolan atau plant) Masukan Referensi, r Pengendali Sinyal Aktuasi, u Plant variabel yang Dikendalikan, y Sistem Kendali Loop Terbuka Sistem kendali loop terbuka memiliki karakteristik sebagai berikut Tidak terdapat proses pengukuran Variabel yang dikontrol tidak mempengaruhi aksi pengontrolan Banyak didasari oleh waktu atau urutan proses Kurang akurat, lebih stabil, murah Sinyal masukan referensi atau perintah, r diberikan ke pengendali, dimana keluarannya bertindak sebagai sinyal penggerak, u. Sinyal penggerak tersebut kemudian mengendalikan proses yang dikendalikan (plant) sehingga variabel yang dikendalikan, y akan menghasilkan keluaran yang sesuai dengan persyaratan yang telah ditentukan. Sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan (referensi). Jadi, untuk tiap masukan acuan berhubungan dengan kondisi operasi tertentu. Akibatnya ketepatan dari sistem tergantung pada kalibrasi. Sistem Kendali loop terbuka dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan Sistem Kendali Loop Tertutup Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang mempertahankan hubungan antara keluaraan dan beberapa masukan acuan yaitu dengan membandingkan antara masukan dengan keluaran dan menggunakan perbedaaan antara keduanya sebagai alat kontrol. Perbedaan antara sinyal masukan dengan keluaran disebut dengan sinyal kesalahan atau galat, e (error). Contoh : sistem kendali suhu ruangan. Dengan mengukur suhu ruangan yang sebenarnya dan membandingkannya dengan suhu acuan (suhu yang dikehendaki), thermostat menjalankan alat pemanas atau pendingin, atau mematikannya sedemikian rupa sehingga memastikan bahwa suhu ruangan tetap pada suhu yang nyaman tidak tergantung dari keadaan di luar. Sistem Kendali Loop Tertutup Galat, e diberikan ke pengendali (controller) sedemikian rupa untuk mengurangi kesalahan dan membawa keluaran sistem ke nilai yang dikehendaki. Jadi pada sistem kendali loop tertutup ini selalu berarti pengunaan aksi kendali umpan balik untuk mengurangi kesalahan sistem. Sistem Kendali Loop Tertutup Sistem kendali loop tertutup memiliki karakteristik sebagai berikut Terdapat proses pengukuran Variabel yang dikontrol mempengaruhi aksi pengontrolan (feed back) Lebih akurat, dapat terjadi ketidakstabilan Mahal Contoh Sistem Kendali 4
Sistem Kendali Robot Sistem Kendali Robot Robot industri sering kali digunakan dalam industri untuk memperbaiki produktifitasnya. Robot dapat menangani baik pekerjaan yang monoton maupun pekerjaan rumit tanpa kesalahan dalam operasi. Robot dapat bekerja dalam lingkungan yang tidak dapat ditoleransi oleh manusia, misalnya, bekerja pada suhu yang ekstrim (baik tinggi maupun rendah) atau dalam lingkungan dengan tekanan tinggi, tekanan rendah, di dalam air, di luar angkasa dan lain-lainnya. Karena robot industri harus menangani bagian-bagian mekanika yang mempunyai bentuk dan berat tertentu, maka ia harus mempunyai paling sedikit sebuah lengan, sebuah pergelangan, dan sebuah tangan, sehingga ia harus mempunyai daya yang cukup untuk melakukan tugas walaupun kemampuan pergerakan sangat terbatas. Supaya dapat melakukan tugas seperti di atas maka robot industri harus mempunyai beberapa alat sensor. Pada robot tingkat rendah, microswitch dipasang pada lengan sebagai sensor. Robot tersebut pertama kali menyentuh suatu objek dan kemudian melalui microswitch, mengkonfirmasikan adanya objek dalam ruangan dan melanjutkan ke langkah berikut untuk mengambilnya. Sistem Kendali Robot Sistem Kendali Suhu Pada robot tingkat tinggi, alat optik (seperti halnya sistem televisi) digunakan untuk melakukan scan terhadap latar belakang objek. Ia dapat mengenali pola dan dapat menentukan ada tidaknya objek serta orientasi dari objek. Untuk melakukan itu komputer diperlukan untuk memroses sinyal dalam proses pengenalan pola. Pada beberapa aplikasi, robot yang dikomputerisasi mengenali adanya masing-masing bagian mekanika dan orientasinya dengan proses pengenalan pola yang terdiri dari pembacaan kode nomor yang tertera padanya. Kemudian robot mengambil bagian tersebut dan memindahkannya ke tempat yang sesuai untuk perakitan, sehingga dari beberapa bagian digabung menjadi sebuah komponen. Di sini komputer yang diprogram dengan baik berfungsi sebagai kontroler. Contoh : kendali suhu pada kompor listrik. Sistem Kendali Suhu Suhu di dalam kompor listrik diukur oleh termometer, yang merupakan alat analog. Kemudian suhu analog, dikonversi menjadi suhu digital oleh konverter analog ke digital (ADC). Suhu digital tersebut dimasukkan ke kontroler melalui sebuah antarmuka, dan suhu digital ini dibandingkan dengan suhu masukan yang diprogram jika terdapat penyimpangan (kesalahan) dari hasil perbandingan, konverter akan mengirim sinyal ke pemanas, melalui sebuah antarmuka, penguat, dan relai, untuk menghasilkan suhu kompor ke nilai yang dikehendaki. Sistem kendali Numerik Kendali numerik adalah suatu metode pengontrolan gerak dari komponen mesin dengan mengunakan angka-angka. Pada kendali numerik, gerak benda kerja dapat dikontrol dengan informasi biner yang disimpan dalam sebuah cakram. 5
Sistem kendali Numerik Cakram magnetik yang disiapkan dalam bentuk biner menyatakan bagian P yang diharapkan. Untuk memulai sistem, disket cakram dimasukkan pada reader (alat pembaca). Pulsa sinyal masukan yang dimodulasi frekuensinya dibandingkan dengan pulsa sinyal umpan balik. Operasi matematik kontroler diperoleh dari perbedaan pulsa sinyal. Pulsa keluaran kontroler diubah oleh konverter digital-analog ke dalam sinyal analog yang menyatakan besar tegangan tertentu dan menyebabkan berotasi. Posisi kepala pemotong dikontrol sesuai masukan servomotor. Transduser digunakan untuk mengubah gerak kepala pemotong menjadi sinyal listrik, yang kemudian diubah menjadi sinyal pulsa oleh konverter analog-digital. Kemudian sinyal ini dibandingkan dengan sinyal pulsa masukan. Jika ada perbedaan antara keduanya, kontroler mengirimkan sinyal ke servomotor untuk mereduksinya, seperti dinyatakan di depan. Salah satu keuntungan kendali numerik adalah bagian kompleks dapat dihasilkan dengan toleransi seragam pada kecepatan putaran maksimum. 6