MEKATRONIKA Disusun oleh : REZAN NURFADLI EDMUND NIM. 125060200111075 KEMENTERIAN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS BRAWIJAYA FAKULTAS TEKNIK MALANG 2014
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Respon berasal dari kata response, yang berarti balasan atau tanggapan (reaction). Respon adalah istilah yang digunakan untuk menamakan reaksi terhadap rangsang yang di terima oleh komponen pada mekatronika. Hal yang menunjang dan melatarbelakangi ukuran sebuah respon adalah aksi yang diberikan. Respon pada prosesnya didahului karena adanya aksi yang mempengaruhi untuk suatu sistem meneruskan sebuah reaksi. Tanggapan (respon) output system yang muncul akibat diberikannya suatu sinyal masukan tertentu yang khas bentuknya (disebut sebagai sinyal uji). B. Rumusan Masalah 1. Penerapan sistem respon pada mekatronika? 2. Definisi steady satate error dan contohnya? 3. Siklus tertutup pada siklus respon? 4. Perbedaan sistem respon dan sensor? 5. Penjelasan grafik sistem respon? 6. Kapan penggunaan impuls signal, step signal dan ramp signal? C. Tujuan 1. Untuk mengetahui penerapan sistem respon. 2. Untuk mengetahui sistem steady state dengan contohnya. 3. Untuk mengetahui siklus tertutup pada siklus respon. 4. Untuk mengetahui perbedaan sistem dan sensor. 5. Untuk mengetahui grafik sistem peralihan pada sistem respon. 6. Untuk mengetahui penggunaan 3 input sinyal pada sistem respon.
BAB II PEMBAHASAN A. Penerapan Sistem Respon dalam Mekatronika Model pengendalian tinggi air tangki terdiri dari sistem tangki air, sensor strain gage, penguat sensor, rangkaian penggerak motor pompa dan komputer PC yang berisi program akusisi data dan program kendali. Skema perangkat ini bisa dilihat pada Gambar 1. Sistem tangki air terdiri dari satu reservoar dan satu tangki air. Sistem pengaturan ini terdapat pada tangki air. Model tangki air berupa gelas ukur yang dilengkapi dengan sebuah katup dan slang. Katup yang digunakan adalah katup bola (ball valve) yang berfungsi sebagai pengatur keluarnya air dari tangki. Sebagai pendeteksi ketinggian air pada pengujian ini digunakan sensor strain gage jenis foil dengan sensitivitas 2.14 ±1%dan tahanan 120 ± 0.5%. Sensor ini dipasang pada sebuah balok kantilever dengan material pelat aluminium dan diletakkan pada bagian bawah tangki agar memudahkan sensor mendeteksi perubahan tinggi air. Sinyal analog dari strain gage dikondisikan dengan menggunakan sebuah rangkaian jembatan wheatstone dan dikuatkan dengan menggunakan strainmeter amplifier jenis TML Strainmeter model DC-92D. Pengolahan data dalam format analog dan digital dilakukan oleh sebuah kartu akusisi. Kartu akusisi ini memiliki 16 channel masukan ADC (Analog to Digital Converter) dan 1 channel keluaran DAC (Digital to Analog Converter), masingmasing memiliki resolusi 12 bit. Kartu akusisi data ini dipasang pada slot ISA komputer PC pentium I 100 Mhz. Gambar 1. Perangkat pengujian.
Keterangan : 1. Komputer PC 2. Kartu akusisi AD/DA 3. Box berisikan motor amplifier dan power supply 4. Pompa motor DC 5. Sensor strain gage 6. Jembatan wheatsone 7. Strainmeter amplifier 8. Katup 9. Tangki 10. Reservoar Untuk menaikkan air dari reservoar ke tangki, digunakan sebuah aktuator berupa pompa. Pompa ini digerakkan oleh sebuah motor DC yang dikendalikan oleh algoritma pengendali. Pompa motor DC ini memiliki masukan tegangan listrik maksimum 12 volt. Tegangan listrik di atas 12 volt tidak boleh diberikan ke motor karena dapat menyebabkan kerusakan (terbakar). Namun tegangan yang diterima motor berada dalam batasan 8.5 volt yang disesuaikan dengan tegangan maksimum yang mampu diterima kartu akusisi. Debit yang berubah-ubah akan dikeluarkan oleh pompa sesuai dengan variasi tegangan masukan ke motor pompa sebagai akibat dari aksi kendali melalui komputer. Pompa dan motor (tidak dapat dipisahkan) dilengkapi dengan sebuah rangkaian penggerak motor (driver motor). Rangkaian ini berfungsi memperkuat arus keluaran DAC sebelum masuk ke motor pompa. Komputer PC berisi program akusisi data dan algoritma pengendali. Bahasa pemrograman yang digunakan adalah Turbo Basic V.1. Tegangan analog dari sensor akan dibaca oleh program kendali, kemudian dikonversikan ke dalam format digital, selanjutnya dilakukan analisis fuzzy berdasarkan tegangan yang terbaca dari sensor. Hasil analisis adalah berupa perintah pada sistem aktuator untuk menurunkan dan menaikkan tegangan listrik agar mencapai kenaikan air yang diinginkan dalam tangki. Pengendalian sistem tangki air merupakan sistem pengendalian lup tertutup.
B. Steady State Error Spesifikasi Respon Steady State, adalah spesifikasi respon sistem yang diamati mulai saat respon masuk dalam keadaan steady state sampai waktu tak terbatas (dalam praktek waktu pengamatan dilakukan saat T S t 5T S ). Tolok ukur yang digunakan untuk mengukur kualitas respon steady state ini antara lain; eror steady state baik untuk eror posisi, eror kecepatan maupun eror percepatan. Suatu sistem dikatakan mencapai steady state jika sistem dapat mempertahankan kestabilannya pada saat t = tidak terhingga. Karena suatu sistem kontrol melibatkan penyimpanan energi, maka output tidak dapat langsung mengikuti perilaku input tetapi dapat memperlihatkan respon peralihan (transient response) sebelum sistem mencapai kestabilannya. Respon peralihan ini dapat menyebabkan error pada sistem. Jika output pada steady state tidak sama dengan perilaku input, maka sistem dikatakan berada dalam keadaan error (steady state error). Kesalahan sistem (system error) : untuk sistem kontrol umpan-balik didefinisikan sebagai selish antara keluaran yang diharapkan (r(t)) dan keluaran aktuan (c(t)) Steady-state error : Didefinisikan sebagai selisih antara keluaran yang diharapkan dan keluaran actual pada t Dari sejumlah sinyal uji (test input) untuk analisis sistem kontrol, yang telah dibahas sebelumnya, yaitu impuls, step, ramp, parabola, dan sinusoidal, akan digunakan tiga sinyal uji untuk menilai kinerja steady-state sistem kontrol dan hubungannya dengan steady-state error. Ketiga sinyal input tersebut adalah input step input ramp, dan input parabolik
Contoh 1: Gambar 2 menunjukkan sistem dengan gain pada forward loop. Bagaimana steady- state error-nya untuk input step. Jawab : Gambar 2. Sistem closed-loop dengan gain dalam forward-loop Digunakan input step r(t) = u(t), c(t) = Kc(t), sehingga steady-state error 0 jika c(t) 0. Semakin besar nilai K, semakin kecil steady-state error (1/(1 + K)), Gambar 3. Sistem closeloop dengan integrator dalam forward loop tetapi tidak pernah menjadi nol. Dengan demikian, untuk sistem dengan gain murni pada arah maju (forward), steady-state-error tidak nol untuk input step. Contoh 2: Integrator dalam forward-loop terlihat pada gambar 4. Tentukan steady-state error- nya. Gambar 3. Sistem closed-loop dengan integrator dalam forward loop Jawab : Digunakan input step. Steady-state-error sekarang bernilai nol. Ini karena keluaran blok, c(t) = K e(t) dt, dapat bernilai bukan nol, meskipun inputnya bernilai nol. Jika c(t) naik, c(t) = r(t) - c(t) turun. Jika c(t) = 0, masih bisa terdapat ouput untuk c(t) (K 0 dt = 0 + bil.konstan). Sebaliknya, jika tidak ada error, integrator akan membentuk lerengan naik dan turun (K a dt = at + bil. konstan), meningkatkan c(t) yang kembali akan menurunkan e(t) hingga nol.
C. Siklus Tertutup pada Sistem Respon Siklus tertutup pada suatu sistem respon tidak akan berpengaruh dengan lingkungan sekitar namun hanya pada linhgkup sistem tersebut. Sistem tertutup sering digunakan pada sistem respon dengan aksi yang konstan dan tidak berubah-ubah meskipun mengalami penambahan waktu. Maka dari itu pada sistem respon dengan siklus tertutup tidak terlalu sensitive terhadap perubahan karena cenderung terjadi feedback/monitoring balik. D. Perbedaan Sistem Respon dan Sensor Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia. Variabel keluaran dari sensor yang diubah menjadi besaran listrik disebut Transduser. Pada saat ini, sensor tersebut telah dibuat dengan ukuran sangat kecil dengan orde nanometer. Ukuran yang sangat kecil ini sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi. Sensor akan bereaksi jika diberi aksi, aksi tersebut dapat berbagai wujud seperti gerakan sentuhan atau yang lain dimana sensor tersebut akan menerima aksi tersebut yang disebut respon sehingga sensor dapat merealisasikan respon tersebut untuk menjadi reaksi. Sedangkan apabila sistem respon adalah sistem yang dilakukan oleh suatu komponen yang ada pada sensor atau pada sistem kontrol yang ada pada mekatronika ketika komponen tersebut diberi aksi dari luar. E. Sinyal Input Sinyal input pada sistem control dan sistem respon terbagi menjadi 3 yaitu : input step input ramp, dan input parabolic a. Input Step Sinyal adalah Sinyal input ini merepresentasikan kebutuhan akan posisi yang konstan dan sangat berguna untuk melihat kemampuan sistem kontrol dalam memposisikan dirinya relatif terhadap "target" stasioner, seperti satelit geostasioner
Gambar 4 : Sinyal Input Step Jadi sinyal input step berlangsung ketika suatu posisi benda mengalami perubahan yang konstan terhadap sistem kontrolnya. b. Input Ramp Sinyal adalah Sinyal input ini merepresentasikan kebutuhan akan kecepatan dan sangat berguna untuk melihat kemampuan sistem kontrol dalam melacak target yang bergerak dengan kecepatan konstan. Sebagai contoh, pesawat ruang angkasa yang bergerak dengan kecepatan konstan di orbit. Gambar 5 : Sinyal Input Ramp Jadi sinyal input ramp berlangsung ketika suatu kemampuan sistem kontrol dalam melacak target yang bergerak dengan kecepatan konstan.
c. Input Parabolik Sinyal adalah Sinyal input ini merepresentasikan kebutuhan akan akselerasi dan pengujian kemampuan sistem kontrol untuk melacak obyek yang bergerak dengan kecepatan berubah-ubah. Sebagai contoh, pelacakan peluru kendali yang sedang terbang. Gambar 6 : Sinyal Input Parabolik Jadi sinyal input ramp berlangsung ketika kemampuan sistem kontrol dalam melacak target yang bergerak dengan kecepatan yang berubah-ubah. F. Grafik Sistem Respon Peralihan Spesifikasi Respon Transient, adalah spesifikasi respon sistem yang diamati mulai saat terjadinya perubahan sinyal input/gangguan/beban sampai respon masuk dalam keadaan steady state. Tolok ukur yang digunakan untuk mengukur kualitas respon transient ini antara lain; rise time, delay time, peak time, settling time, dan overshoot. 1. Rise Time (TR) : Ukuran waktu yang di ukur mulai respon mulai t= 0 s/d respon memotong sumbu steady state yang pertama. 2. Settling Time (TS): Ukuran waktu yang menyatakan respon telah masuk 5% atau 2% atau 0,5% dari respon steady state
3. Delay Time (TD) : Ukuran waktu yang menyatakan faktor keterlambatan respon output terhadap input, di ukur mulai t = 0 s/d respon mencapai 50% dari respon steady state. 4. Overshoot (MP) : Nilai relatif yang menyatakan perbandingan harga maksimum respon yang melampaui harga steady state dibanding dengan nilai steady state. 5. Time Peak (TP) : Ukuran waktu diukur mulai t = 0 s/d respon mencapai puncak yang pertama kali (paling besar). Ketika input sebuah sistem berubah secara tiba-tiba, keluaran atau output membutuhkan waktu untuk merespon perubahan itu. Bentuk respon transient atau peralihan bisa digambarkan seperti berikut: Gambar 6 Jenis-jenis Respon peralihan: overdamped, underdamped, critical damped dan overshoot Bentuk sinyal respond transient ada 3: 1. Underdamped response, output melesat naik untuk mencapai input kemudian turun dari nilai yang kemudian berhenti pada kisaran nilai input. Respon ini memiliki efek osilasi
2. Critically damped response, output tidak melewati nilai input tapi butuh waktu lama untuk mencapai target akhirnya. 3. Overdamped response, respon yang dapat mencapai nilai input dengan cepat dan tidak melewati batas input. 4. Overshoot, Adalah nilai relatif yang menyatakan perbandingan harga maksimum respon yang melampaui harga steady state. 5. Steady state error, apabila output pada steady state tidak sama dengan perilaku input yang diberikan pada sistem Fasa peralihan kemudian akan berhenti pada nilai dikisaran input/target dimana selisih nilai akhir dengan target disebut steady state error.jika dengan input atau gangguan yang diberikan pada fasa transient kemudian tercapai output steady state maka dikatakan sistem ini stabil. Jika sistem tidak stabil, output akan meningkat terus tanpa batas sampai sistem merusak diri sendiri atau terdapat rangkaian pengaman yang memutus sistem.