1 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

1 PENGANTAR TEKNIK PENGENDALIAN OTOMATIS

Gambaran Umum Kerangka Bahasan Bab ini akan membahas dasar-dasar sistem pengendalian modern. Pembahasan dimulai dari sejarah perkembangan teknologi pengendalian, prinsip-prinsip pengendalian, serta komponen-komponen penting dalam sistem pengendalian. Juga dijelaskan beberapa aplikasi teknologi pengendalian modern dalam berbagai bidang, diantaranya adalah dalam bidang manufakturing, robotik, automotif, pengkondisian udara (AC), dll. Pada akhir bab ini pembaca akan disajikan beberapa contoh blok diagram sistem pengendalian cerdas; Fuzzy Logic Controller, Jaringan Syaraf Tiruan, dan kombinasi keduanya yang dikenal dengan pengendalian Neuro-Fuzzy. Bab ini juga dilengkapi dengan beberap contoh, soal latihan dan beberapa pertanyaan untuk aktivitas asesmen. Jangan lewatkan bab ini, karena Anda akan termotivasi untuk mempelajari sistem pengendalian modern lebih dalam dan lebih komprehensif.

1. Sejarah perkembangan teknik pengendalian otomatis,

2. Pengertian dasar sistem pengendalian otomatis, 3. Apa yang harus dikendalikan dan bagaimana

cara mengendalikan, 4. Strategi dalam teknik pengendalian otomatis.

Capaian Pembelajaran 1. Mampu menjelaskan pengertian tentang sistem pengendalian automatis, 2. Mampu menjelaskan bagian-bagian penting dalam sistem pengendalian, 3. Mampu menjelaskan berbagai aplikasi pengendalian di industri dan di masyarakat. 4. Membuka wawasan pembelajar menuju pada pengertian tentang sistem-sistem

pengendalian cerdas berbasis pada pengolahan pengetahuan (knowledge base).

2 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Dalam kehidupan kita sehari-hari seringkali kita ingin mengendalikan segala sesuatu agar berjalan

sesuai dengan apa yang kita kehendaki. Tujuan utamanya adalah agar hidup kita terasa nyaman dan

memudahkan pekerjaan kita.

Beberapa contoh pentingnya sebuah pengendalian otomatis yang kita temui sehari – hari.

Contoh Sebuah bak penampung air, yang diisikan air dari sumber untuk memenuhi

air sampai pada ketinggian tertentu. Apabila kran dibiarkan akan

menyebabkan air meluber dan tumpah ke sekitarnya. Demikian pula

apabila isi air pada bak tandon kosong, maka orang akan membuka nya

untuk mengisi air sampai penuh. Hal ini terlihat bahwa setiap saat manusia

diharapkan melihat isi bak air pada bak tandon

Sumber: https://www.google.com /search?q=gambar

+bak+penampung+air

Apa yang terjadi apabila tidak ada kran otomatis ini?

Saat kran terbuka, menyebabkan air akan mengalir secara terus menerus dan akan meluber. Dan saat

kran tertutup, maka apabila air dalam tendon digunakan sampai habis, menyebabkan tidak ada air

yang bisa mengalir untuk mengisi tandon tersebut.

Sebuah pelampung yang bekerja membuka dan menutup kran dapat berfungsi sebagai pengganti

mata manusia dalam melihat ketinggian air dan gerakan tangan untuk membuka dan menutup kran.

Kita ingin mengendalikan sistem pengkondisian udara dirumah kita, agar kita selalu mendapatkan

udara segar dan sehat. Kemudian kita merancang sistem ventilasi untuk aliran udara masuk dan

Pelampung

Kran air

3 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

keluar, agar lancar dan berkecukupan untuk penghuninya. Tidak jarang kemudian kita memasang AC

(mesin pengkondisi udara) untuk mengatur suhu udara dalam ruangan, agar diperoleh tingkat

kenyamanan alami.

Contoh yang lain adalah dalam bidang transportasi, kita menghendaki kendaraan kita dapat kita

kendalikan sepenuhnya terkait dengan kecepatan, penggunaan bahan bakar dan tingkat

keamanannya. Maka kita perlu memastikan sistem pengendali mesin berjalan dengan baik dan

efisien, sistem kemudi mempunyai akurasi dan kehandalan untuk mengendalikan kecepatan dan

arah mobil, dan sistem pengereman ABS misalnya, dapat bekerja dengan baik dan efisien sehingga

dapat dipastikan tingkat keselamatan dijalan dapat dijamin.

Sistem pengendalian saat ini juga masuk pada era pengendalian cerdas. Kita menginginkan sistem

pengendalian dapat bekerja secara automatis sekaligus berperilaku layaknya manusia ahli yang

sedang mengendalikan sesuatu sistem. Prinsipnya adalah sistem pengendalian tersebut bekerja

berdasarkan logika kepakaran, dapat mengakomodasi ketidak lengkapan data, ‘mengerti’ masukan

linguistik, serta keberhasilan capaian tujuan pengendalian lebih utama, dibandingkan akurasi sistem.

Sistem pengendalian cerdas sangat sesuai untuk sistem-sistem yang berproses secara non-linier,

dengan ketidak pastian yang tinggi, serta berbasis pada pengolahan pengetahuan. Contoh adalah

bidang robot cerdas, pengendalian pesawat terbang (fly by ware), kamera, mesin cuci, otomotif, dll.

Pengembangan sistem pengendalian diberbagai bidang di Indonesia sudah masuk dalam produk-

produk masal, mulai dari produk berteknologi sederhana dan sedang, sampai pada produk

berteknologi tinggi. Namun sayang kita masih menjadi masyarakat pengguna, belum menjadi

produsen yang mandiri, saatnya Anda bersungguh-sunguh untuk belajar, lalu dimasa depan

mengambil peranan penting sebagai produsen.

Sejarah Perkembangan Teknik Pengendalian Modern.

Di beberapa industri seperti industri proses, manufaktur dan sistem yang lain, membutuhkan suatu

sistem yang mampu untuk mengendalikan satu / beberapa variabel agar proses terjamin

keberlangsungannya. Ada beberapa kejadian di industri yang menunjukkan bahwa pentingnya

sistem pengendalian pada proses di industri, seperti meledaknya tangki NH3 di pabrik Petrokimia,

suhu gas yang terlalu tinggi yang keluar dari cerobong di pabrik Semen, terjadinya tabrakan kapal

pada sistem transportasi laut, terjadinya perubahan fungsi rem pada mobil dan sebagainya. Kejadian

tersebut menunjukkan bahwa tidak baiknya dan mungkin tidak adanya sistem pengendalian tekanan

4 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

dan suhu pada tangki, pengendali suhu pada proses semen, pengendali arah pada kemudi kapal,

pengendali pada rem, dan sebagainya.

Pada awal penggunaan teknik pengendalian secara otomatis ini, adalah lahir pada pengembangan

mekanisme yang mengatur pelampung mulai kira kira 300 SM sampai 1 M di Yunani. Dan kemudian

dalam perkembangannya digunakan sistem berumpan balik yang pertama di Eropa, pada sistem

pengatur suhu dari Cornelis Drebbel (1572 – 1633) dari Belanda. Dennis Papin (1647 – 1712) adalah

yang pertama kali menemukan pengatur tekanan untuk pembangkit uap pada tahun 1681. Pengatur

tekanan ini bentuknya mirip pengatur keselamatan (safety regulator) pada katup pemasak

bertekanan (pressure cooker). Dan kemudian pengatur berumpan balik pertama kali yang digunakan

di industri adalah bola pengatur dari James Watt yang dikembangkan tahun 1769 untuk

mengendalikan mesin uap. Alat yang sepenuhnya mekanis ini mengatur kecepatan poros penggerak

(shaft) dan menggunakan gerakan bola (flyball) untuk mengatur bukaan katup sehingga bola

pemberatnya akan naik, dan sejumlah uap akan masuk ke mesin. Bila kecepatan bertambah, bola

pemberat akan naik, dan bergerak menjauhi poros penggerak sehingga menyebabkan katup

menutup. Bola pemberat ini membutuhkan daya yang diambil dari mesin untuk membuatnya

berputar, dan ini membuat pengukuran kecepatan menjadi kurang teliti. Masa – masa sebelum tahun

1868 ditandai oleh perkembangan Sistem Pengaturan Otomatis yang ditemukan secara intuitif.

Untuk mempertinggi ketelitian sistem pengaturan membawa sistem ke arah peredaman, atenuasi,

osilasi transien yang lebih sedikit dan bahkan menjadikannya tidak stabil. Hal inilah yang

menyebabkan para ahli mengembangkan teori tentang pengendalian automatis, seperti J.C Maxwell

merumuskan dalam teori matematik, yang berhubungan dengan teori pengendalian dengan

menggunakan bentuk persamaan differensial untuk governor. Dalam waktu bersamaan I. A

Vyshnegradskii merumuskan pula bentuk model matematis dari berbagai regulator.

Perkembangan teori pengendalian otomatis dan aplikasinya sebelum perang Dunia II di Amerika

berbeda dengan di Eropa dan Uni Sovyet. Adanya sistem telepon dan penguat elektronik

menyebabkan munculnya teori yang dikemukakan oleh Bode, Nyquist dan Black di Laboratorium

Bell Telephone. Dalam kawasan frekuensi , telah digunakan terutama untuk menggambarkan

penguat berumpan balik yang dirumuskan dalam bentuk bandwidth dan variabel frekuensi yang lain.

Sedangkan di Uni Sovyet, perkembangan teori pengendalian ini diilhami oleh para ahli bidang mesin,

sehingga cenderung dalam analisa kawasan waktu. Selama perang Dunia II, dirasakan kebutuhan

tentang pengendalian otomatis semakin meningkat, hal ini saat dilakukan perancangan pesawat

berpilot automatis, sistem pangarah senjata, sistem pengendalian untuk arah antena radar, dan

penerapan lain dalam bidang militer. Tentu saja hal ini membutuhkan teori baru untuk

5 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

perkembangan perancangan sistem pengendalian, hingga sampai dengan tahun 1940 an, dilakukan

metode trial eror dalam aplikasinya. Selama dasawarsa 50 an, titik berat teori pengendalian otomatis

terletak pada metode bidang s (variabel komplek), terutama pendekatan root locus karena

memungkinkan dilakukan dengan bantuan komputer.

Tabel 1-1 Sejarah teknik pengendalian Tahun Penemu Keterangan

300 SM Greece Valve apung dan regulator untuk pengendalian ketinggian fluida

1770 James Watt Mesin uap, governor untuk pengendalian kecepatan

1868 James Maxwell (Cambridge University)

Teori tentang governor

1893 E.J Routh (Soviet union) Kriteria kestabilan 1893 A.M. Lyapunov Teori kestabilan, berdasar formulasi

state space 1927 HS Black dan HW Bode (AT & T Bell

Lab). Feedback amplifier elektronik

1930 Norbert Wiener (MIT) Teori proses stokastik 1932 H Nyquist (AT & T Bell Lab). Kriteria kestabilan dari gain Nyquist

atau plot phase 1936 A Calleneder, DR Hartee dan A

Porter (Inggris) Pengendali PID

1948 Claude Shannon (MIT) Teori matematika tentang komunikasi

1948 WR Evans Metode root locus 1940 Bell Lab ( MIT) Teori dan aplikasi servomekanisme,

cybernetik dan pengendalian 1959 HM Payneter (MIT) Teknik Grafik Bond untuk

pemodelan sistem 1965 LA Zadeh Teori Himpunan Fuzzy dan Logika

Fuzzy 1970an Pengendalian cerdas pengembangan

dari jaringan syaraf tiruan: pada robot dan otomasi di industri (Amerika Utara, Jepang, Eropa)

1980an Pengendalian robust : pada robot atomasi secara fleksibel di berbagai bidang

1990an Aplikasi produksi smart : pengembangan mekatronika

Di Uni Sovyet lain lagi, dalam perkembangan teori pengendalian otomatis, domain waktu dan domain

frekuensi digunakan secara serentak untuk menganalisa sistem pengendalian. Sedangkan sistem

pengendalian modern yaitu sistem yang bertujuan untuk teknik pengendalian yang berkaitan dengan

6 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

analisa dan rancangan yang berkepentingan dengan sistem yang mempunyai sifat

mengorganisasikan sendiri, mudah menyerap dan menyesuaikan diri dengan keadaan sekelilingnya

serta bersifat optimal. Dampak dari teknik pengendalian modern adalah produktivitas di dindustri

meningkat.

Tabel 1-2 Perkembangan Industri Instrumen dan Pengendalian Tahun Nama Perusahaan Produksi

1844 Siemens Governor cronometrik dengan aksi integral

1800 Brown Instrumen Pirometer untuk alat ukur suhu 1880 Taylor Instrumen Termometer dan barometer 1888 Fisher Governor Pengendali 1885 Butz Thermo - electric Thermo – electric regulator 1913 Honeywell Heating Speciality Sistem pemanas air untuk rumah tangga 1903,1915 Bristol Company Pengendali suhu, indikator tekanan dan

perekam 1899 Morris Leeds Co Instrumen untuk laboratorium:

galvanometer, instrumentasi industri (1920)

1900 Tagliabue Co Pengontrol suhu udara 1916 Bailey Meter Co Instrumen untuk operasi boiler 1937 Fisher & Porter Rotameter 1934 Billman Control Motor Valve

Feedforward variator Sistem elektrik pada HVAC

Selanjutnya berkembang beberapa teknik pengendalian otomatis dengan berbagai metode, baik yang

dinamakan sebagai metode klasik, metode adaptif, modern maupun menggunakan logika penalaran

seperti manusia. Demikian pula hampir semua industri proses maupun industri manufaktur seperti

industri : pengecoran logam, pulp dan kertas, pembangkit daya, perminyakan, kimia, kayu, keramik

dan glas , perakitan, peralatan rumah tangga, dsb. Sejarah dari teknik pengendalian dapat dilihat

pada tabel 1.1 di atas.

Gambar 1-1 Governor untuk sistem pengendali kecepatan buatan J. Watt, merupakan suatu sistem pengendali primitif. Gambar disamping menunjukkan skema dari governor.

7 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Sebagai ilustrasi dari sejarah perkembangan instrumen dan sistem pengendalian di beberapa

industri dapat dilihat pada Tabel 1.2 di atas.

Gambar 1-2 Diagram sistem pengendalian modern

Mengapa perlu mempelajari teori tentang sistem pengendalian ? Tentu saja ini berkaitan

dengan apa tujuan yang hendak dicapai, diantaranya yaitu :

Momodifikasi atau meningkatkan performansi keluaran (baik statik maupun dinamik) dari suatu

sistem (robot, proses di industri pesawat terbang, manufaktur dll), caranya adalah dapat

dilakukan dengan merubah respon sistem atau menstabilkan plant yang tidak stabil. Pada tujuan

yang pertama ini dilakukan strategi yang dinamakan pengendali servo.

Menjaga kondisi operasi pada susatu sistem adalah “fixed” (misalkan, laju aliran pada pipa,

kecepatan motor, ketinggian pesawat terbang, arah dari kapal dsb) dengan adanya gangguan dari

luar (seperti adanya kebocoran pada pipa, gangguan angin, arus laut dan gelombang dsb). Pada

strategi kedua dinamakan kita merancang suatu regulator.

Membuat proses / plat tidak sensitif terhadap perubahan sifat internalnya atau dikatakan

kekokohan – robustness.

8 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Mencapai suatu kondisi yang lebih ekonomis (misalkan energi, waktu, bahan bakar dsb) dengan

cara meningkatkan operasi pada plant. Startegi seperti ini dikatakan sebagai optimasi.

Gambar 1-3 Diagram sebuah sistem pengendalian. Dalam dunia industri sistem pengendalian automatik sangat penting keberadaannya, tidak saja

untuk menjamin keberhasilan pencapaian tujuan dari suatu proses, tetapi juga untuk menjaga

kualitas, menghemat energi, menekan biaya. Untuk memahami pentingnya suatu sistem

pengendalian automatis ini, dapat dilihat dari skematik pada Gambar 1 di bawah ini.

Gambar 1-4 Prinsip dalam perancangan sistem pengendalian

Pengertian Dasar Sistem Pengendalian Automatis. Hal dasar yang terlebih dahulu perlu dipahami dalam mempelajari sistem pengendalian

automatis adalah pengertian tentang sistem, plant, dan proses secara jelas.

Dunia nyata (sistem, plant,

proses)

Pemodelan Abstraksi

secara

matematis

Analisa

Prediksi secara teoritis

(karakterisasi)

Interprestasi dan

perancangan Perancangan

Pengendali

Implementasi

Simulasi

Iterasi

9 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Definisi Dasar

Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja secara bersama-sama dan

melakukan sasaran tertentu.

Plant adalah seperangkat peralatan, mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja

bersama-sama, dan yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu.

Proses adalah setiap operasi dari plant yang dikendalikan, yang terpenting dari proses ini adalah

adanya perubahan variabel proses.

Plant dan Instrument di Industri

Beberapa plant di industri yang dikenal, misalkan boiler yang berfungsi memanaskan gas /

fluida dengan bahan bakar tertentu, dan gas / fluida panas ini digunakan untuk proses berikutnya.

Berikut ini contoh beberapa tipe boiler yang ada di industri.

Gambar 1-5 Fire tube boiler

10 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-6 Water tube Boiler

Gambar 1-7 Paket boiler 3 pass, bahan bakar minyak (Spirax Sarco)

Sistem pengendalian open loop

11 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar berikut merupakan blok diagram pada proses yang dikenal sebagai sistem

pengendalian open loop. Pada sistem pengendalian jenis ini, tidak ada sinyal feedback ke pengendali.

Model seperti ini tidak menguntungkan, karena banyak ditemui kesalahan yang terjadi, misalkan

pada keluaran yang tidak sesuai dengan performansi yang diharapkan, munculnya kecelakaan pada

proses dsb.

Gambar 1-8 Sistem pengendalian untai terbuka – open loop Gambar berikut merupakan suatu blok diagram dari sistem pengendalian pada proses, sistem

atau plant, yang dinamakan sistem pengendalian untai tertutup – close loop.

Gambar 1-9 Blok diagram dasar sistem pengendalian automatis

Perhatikan blok diagram pada Gambar 1.9 di atas, terdapat beberapa istilah yang perlu dipahami,

yaitu:

1. Eror adalah selisih harga antara sinyal keluaran sistem yang terukur dengan sinyal setpoint.

Atau selisih Antara set point dengan nilai dari variable proses

2. Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal keluaran sistem, dan

mengubah menjadi sinyal yang dimengerti oleh pengendali.

3. Aktuator adalah alat daya yang menghasilkan masukan ke plant sesuai dengan sinyal

pengendalian sedemikian hingga sinyal umpan balik akan berkaitan dengan sinyal masukan

acuan (set point).

Plant / Proses

Aksi pengendali

Gangguan

Keluaran

Pengendali

Set Point Aktuator Valve

Pengendali Aktuator Proses / Sistem /

Plant

Komp

arator

Sensor

Set point

eror

Sinyal kontrol

Transmiter

Load / Beban

12 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

4. Sensor atau elemen pengukur adalah alat yang mengubah variabel keluaran menjadi variabel

yang sesuai dengan sinyal masukan acuan (set point).

Variabel proses adalah variable adalah sebuah kondisi yang dapat berubah dalam beberapa cara.

Pada contoh Gambar 1.6, dengan melakukan perubahan seting terhadap laju udara dan laju bahan

bakar, maka akan merubah suhu fluida. Dalam contoh ini variable proses adalah suhu fluida.

Variabel proses yang umum, meliputi:

tekanan

laju aliran

Level fluida

suhu

rapat massa

PH

massa

konduktivitas

Sistem pengendalian dapat diklasifikasikan dengan cara sebagai berikut :

Sistem pengendalian umpan maju, adalah sistem pengendalian yang bekerja hanya berdasarkan

sinyal umpan maju dari setpoint. Contoh : mesin cuci, setrika, kipas dengan pengatur waktu. Pada

sistem pengendalian ini , kerja aktuator tanpa sensor, pengetahuan tentang dinamika sistem harus

sesuai dengan perhitungan input dan membutuhkan model dinamika plant yang sangat akurat.

Sistem pengendalian umpan balik, adalah sistem pengendalian yang bekerja berdasarkan sinyal

eror yang merupakan selisih antara setpoint dengan keluaran sistem. Contoh : Mesin pendingin

ruangan (AC-Ruangan).

Sistem pengendalian SISO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-tunggal-keluaran- tunggal

(Single Input Single Output - SISO).

Sistem pengendalian MIMO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-banyak-keluaran-

banyak (Multi Input Multi Output - MIMO).

Sistem pengendalian MISO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-banyak-keluaran-tunggal

(Multi Input Single Output - MISO).

Sistem pengendalian diterministik, adalah sistem pengendalian yang tanggapan terhadap masukan

dapat diperkirakan, sedangkan sebaliknya jika tanggapan terhadap terhadap masukan tidak dapat

diperkirakan dikenal sebagai sistem pengendalian stokastik.

13 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Apa yang Harus Dikendalikan dan Bagaimana Cara

Mengendalikan

Untuk lebih memahami tentang sistem pengendalian automatik, berikut beberapa ilustrasi

sistem pengendalian automatik yang sering dijumpai di industri.

Sistem Pengendalian Kecepatan Mesin

Gambar dibawah adalah prinsip dasar dari governor Watt mesin. Kecepatan governor disetel

sesuai dengan kecepatan yang diinginkan dan tidak terdapat tekanan minyak yang masuk sisi

silinder. Jika kecepatan yang sebenarnya turun dari yang diinginkan, maka gaya sentrifugal governor

mengecil, menyebabkan katup pengendali bergerak ke bawah, mencatu bahan bakar lebih banyak

sehingga kecepatan mesin membesar sampai dicapai harga yang diinginkan. Sebaliknya, jika

kecepatan mesin melebihi nilai yang diinginkan, maka gaya sentrifugal dari governor membesar,

menyebabkan katup pengontrol bergerak ke atas. Hal ini akan memperkecil catu bahan bakar

sehingga kecepatan mesin mengecil sampai dicapai nilai yang diinginkan.

Gambar 1-10 Sistem pengendalian kecepatan.

Pada sistem pengendalian kecepatan ini, Plant (sistem yang dikendalikan) adalah mesin dan variabel

yang dikendalikan adalah kecepatan dari mesin tersebut. Perbedaan antara kecepatan yang

dikehendaki dan kecepatan yang sebenarnya adalah sinyal eror. Sinyal kendali (jumlah bahan bakar)

yang akan diberikan ke plant (mesin) adalah sinyal aktuasi. Masukan eksternal yang akan

mengganggu variabel yang dikendalikan adalah gangguan. Perubahan beban yang tidak diharapkan

adalah gangguan.

14 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Sistem Pengendalian Lengan Robot

Lengan robot sering digunakan di industri untuk memperbaiki produktivitas, meningkatkan

kapasitas, dan efisiensi terhadap tenaga manusia. Robot dapat bekerja baik operasi yang bersifat

rutin dan rumit, maupun pekerjaan-pekerjaan yang memerlukan akurasi yang sangat tinggi. Robot

terdiri dari kombinasi elektrik dan mekanik yang kemudian sering dikenal dengan istilah

mekatronika. Yang diperhatikan sebagai plant adalah lengan robot, yang terdiri dari motor-motor,

lengan tangan, pergelangan. Sebagai sensor untuk mengetahui gerakan tangan robot, digunakan

kamera yang memberikan sinyal umpan balik pada pengendali. Jika ada perbedaan dari yang

diharapkan, pengendali akan menggerakkan aktuator dan aktuator menggerakkan lengan robot

kearah yang dikehendaki.

Gambar 1-11 Sistem pengendalian lengan robot

lengan

motor

15 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-12 Blok diagram sistem pengendalian robot.

Sistem Pengendalian Suhu

Gambar dibawah menunjukan gambar skematik pengendalian suhu kompor listrik. Suhu

didalam kompor listrik diukur oleh termokopel analog. Suhu analog dirubah menjadi suhu digital

oleh konverter A/D. Suhu digital tersebut dimasukkan ke pengendali melalui sebuah antarmuka.

Suhu digital ini dibandingkan dengan suhu masukan yang diprogram, dan jika terdapat eror atau

penyimpangan (kesalahan), pengendali mengirim sinyal ke pemanas, malalui sebuah antarmuka,

penguat, dan relai, untuk membawa suhu kompor ke nilai yang dikehendaki.

Gambar 1-13 Sistem pengendalian suhu.

Sistem Pengendalian Suhu Ruang Penumpang Mobil

Aktuator

Sumber Daya

Pengen dali

Perangkat

Input

Perangkat Output

Perangkat

PPI Mesin

Kerja

Furnace elektrik

Relai Amplifier Interface

Input

program

Konver

ter A/D Interface

Sensor

suhu

16 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-13 di bawah menunjukkan diagram sistem pengendalian suhu ruangan

penumpang mobil. Suhu ruangan yang dikehendaki (setpont) dikonversi menjadi tegangan,

dimasukkan ke pengendali. Suhu sesungguhnya dari ruang penumpang dikonversikan ke tegangan

melalui sensor dan dimasukan kembali ke pengendali untuk dibandingkan dengan setpoint. Suhu

ruangan dan radiasi panas dari luar (matahari) adalah gangguan terhadap sistem. Sistem ini

menggunakan pengendali umpan balik maupun pengendali umpan maju. Pengendali umpan maju

memberikan aksi koreksi sebelum gangguan mempengaruhi keluaran.

Distribusi suhu ruangan penumpang biasanya tidak merata (terjadi perbedaan yang cukup

besar), kondisi ini akan memerlukan pemasangan sensor suhu, dan tidak ekonomis. Untuk

mengatasinya dipasang sedotan udara di posisi terdekat dari penumpang, dan didalam sedotan

udara tersebut dipasang sensor suhu. Suhu udara dari sedotan penghembus adalah petunjuk suhu

ruangan penumpang dan ditinjau sebagai keluaran sistem.

Pengendali menerima sinyal masukan, sinyal keluaran dan sinyal dari sensor sumber

gangguan. Pengendali mengirimkan sinyal pengendali optimal ke alat pengatur udara (air

conditioner) untuk mengontrol jumlah udara penyejuk sedemikian rupa sehingga suhu ruangan

penumpang sama dengan suhu yang dikehendaki.

Gambar 1-14 Sistem pengendalian suhu ruang mobil.

Pada uraian diatas dalam beberapa contoh sistem pengendalian kecepatan mesin, sistem

pengendalian lengan robot, sistem pengendalian suhu, dan sistem pengendalian ruang penumpang

mobil merupakan sebuah sistem pengendalian yang akan mengendalikan kecepatan mesin, posisi

dan arah gerak lengan robot, suhu pada furnace dan suhu ruangan penumpang mobil. Variabel inilah

Pengendali Pengatur

Udara Ruang

Penumpang

Sensor Panas Radiasi

Sensor

Matahari Suhu

Ruangan

Sensor

(masukan)

Suhu yang dikehendaki

(keluaran)

Suhu ruang penumpang

17 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

yang harus dikendalikan dengan menggunakan berbagai perangkat pengendali. Variabel yang

dikendalikan dikatakan sebagai variabel proses.

Sistem pengendalian rem kereta api

Beberapa sistem kereta api otomatis dirancang untuk menjalankan kereta api, selang 2 menit

pada kecepatan tinggi. Pengendalian secara otomatis untuk memberikan lalu lintas kereta api yang

tetap, untuk perlambatan dan pengereman yang tak mengganggu penumpang pada stasiun kereta

api. Pengukuran jarak dari stasiun dan kecepatan kereta api digunakan untuk menentukan sinyal

kesalahan, dalam hal ini sinyal untuk pengereman. Suatu ruang pengatur pusat Sistem Transit Cepat,

menggunakan komputer untuk mengatur lalu lintas kereta api.

Sistem pengendalian manuvering kapal

Kapal yang sedang bergerak dilautan bisa jadi bergerak sesuai dengan arah arus air laut, atau sesuai

dengan arah angin bagi kapal layar. Pada umunya kapal-kapal modern menggunakan mesin sebagai

tenaga penggeraknya. Maka untuk mengarahkan pergerakan (manuvering) kapal diperlukan kemudi

kapal yang dikendalikan oleh nahkoda. Sistem pengendalian manuvering kapal akan menjalankan

fungsi nahkoda dalam beberapa keadaan untuk mengendalikan arah pergerakan kapal. Berikut

adalah blok diagram sistem pengendalian manuvering kapal yang dimaksud,

Gambar 1-15 Blok diagram sistem pengendalian konvensional pada manuvering kapal

Blok diagram pada Gambar 1-15 di atas menunjukkan sistem pengendalian pada manuvering

kapal, dengan sistem penggerak adalah rudder. Kompas berfungsi mengukur sudut yaw (heading)

kapal , dan sistem pengendalian bekerja berdasarkan eror dari heading kapal. Keluaran dari

18 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

pengendali adalah sinyal yang akan menggerakkan sistem kemudi kapal. Tipe pengendali ini

merupakan tipe pengendali konvensional, dan beberapa perkembangan dari penelitian dalam

perancangan pengendalian modern salah satunya dinyatakan seperti blok diagram Gambar 1-16 di

bawah ini.

Gambar 1-16 Blok diagram sistem pengendalian modern pada manuvering kapal

Pada strategi pengendalian modern manuvering kapal yang digambarkan pada Gambar 1-16

di atas, sensor yang digunakan adalah kompas dan giro kompas, yang mengukur sudut yaw (heading)

dan yawrate (laju yaw). Kedua informasi ini digunakan oleh observer dan filter gelombang untuk

mengestimasi sudut yaw dan yawrate yang sebernarnya (tanpa ada gangguan). Dari hasil estimasi

dapat digunakan untuk menentukan gain pengendali.

Beberapa Strategi Dalam Teknik Pengendalian Modern

Dalam merancang sistem pengendalian ada berbagai macam strategi. Strategi tersebut

dikatakan sebagai strategi konvensional, strategi modern dan strategi berbasis kepakaran. Pada

strategi konvensional yang dikenal sebagai perancangan sistem pengendalian didasarkan pada

model matematik dari sistem yang dikendalikan. Dan strategi dikatakan modern, merupakan strategi

yang menggunakan perangkat komputer, dan dengan cara ini perlu dilakukan transformasi model

dari sistem yang dikendalikan dalam bentuk model yang dipahami oleh sebuah komputer. Sedangkan

strategi berbasis kepakaran merupakan strategi yang menggunakan kaidah / aturan – aturan yang

mengikuti pola pikir dari kepakaran.

Yang termasuk dalam strategi konvensional adalah pengendali P (Proportional), I (Integral),

D (Derivatif) dan atau kombinasi dari ketiganya tersebut, dan pula sistem pengendalian yang

dikatakan sebagai adaptif. Untuk sistem pengendalian modern, dikenal dalam beberapa contoh kasus

19 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

adalah sistem pengendalian optimal, dan robust / kokoh. Sistem pengendalian modern ini

didasarkan pada model sistem yang dikendalikan dinyatakan dalam bentuk persamaan state space -

ruang keadaan. Sedangkan untuk sistem pengendalian kepakaran sebagai contoh adalah sistem

pengendalian logika fuzzy (Kontrol Logika Fuzzy - KLF), sistem pengendalian dengan jaringan syaraf

tiruan (Neural Network - NN) maupun kombinasi dari keduanya dan algoritma genetika.

Sistem Pengendalian Modern

Beberapa strategi Pengendalian modern diantaranya adalah :

LQG – Linear Quadratic Gaussian merupakan sistem pengendali LQR – Linear Quadratic Regulator

+ Filter Kalman, model pengendali ini digunakan untuk input dan pengukuran terdapat noise.

Nonlinier feedback control (Teknik Linierisasi Feedback – FLT) dalam strategi pengendalian ini

sinyal umpan balik yang didasarkan pada pengukuran atau model analitik dari plant diaplikasikan

untuk mengkompensasi efek non linier.

Pengendali adaptif merupakan strategi dari sebuah pengendali (misalkan PID) dimana gain – gain

pengendalinya diatur sesuai dengan kriteria performansi. Strategi ini untuk sistem non linier.

Mode Sliding Pengendali, atau pengendali switching merupakan sistem pengendalian dengan

sinyal pengendali di switch antara hukum pengendali untuk mendorong respon menuju daerah

yang diharapkan (sliding surface). Strategi ini untuk sistem non linier.

Pengendali H~, sebuah sistem pengendalian dengan cara meminimumisasi kriteria performansi,

dan ini digunakan untuk sistem linier.

Pengendalian Jaringan Syaraf Tiruan

Pengendalian dengan menggunakan jaringan syaraf tiruan merupakan salah satu sistem

pengendalian yang dikatakan cerdas yaitu sistem pengendalian yang berdasarkan pengetahuan

(Knowledge Based Control). Pada pengendalian berbasis pengetahuan ini misalkan dengan

sekumpulan aturan yang mampu memahami sistem (melalui operasi percobaan, huristik, pakar

pengendalian dll). Dan sistem pengendalian cerdas ini dapat digunakan untuk sistem yang komplek

dalam skala besar (untuk pemodelan secara analitik sulit, sinyal input output tidak memungkinkan

untuk diukur, dsb).

Struktur dari jaringan syaraf tiruan, adalah keunikan dalam :

Struktur pararel dengan distribusi penyimpanan dan pemrosesan dari sejumlah informasi.

20 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Kemampuan pembelajaran dengan mengatur interkoneksi bobot jaringan dan eror yang

didasarkan pada algoritma pembelajaran tertentu.

Beberapa skema dalam perancangan pengendalian dengan jaringan syaraf tiruan dapat dilihat pada

beberapa gambar di bawah ini.

Gambar 1-17 Skema pengendali supervisor

Pengendalian jaringan syaraf tiruan dalam suatu sistem digunakan sebagai model inverse yang

ditunjukkan pada Gambar 1-17 di atas. Model inverse ini dicascade dengan sistem yang dikendalikan

untuk menghasilkan pemetaan antara respons yang diharapkan dengan output sistem yang

dikendalikan y. Skema pengendali seperti ini sesuai untuk aplikasi pada robot, autopilot.

Gambar 1-18 Skema pengendali hibrid

21 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Pembelajaran off line merupakan suatu pendekatan kasar terhadap aturan pengendali yang akan

digunakan untuk ietrasi pertama kali, dan mekanisme ini dikatakan generalized learning. Selanjutnya

jaringan syaraf ini mampu bekerja dalam range operasional tanpa muncul ketidak stabilan. Pada

periode on line specialized learning digunakan untuk meningkatkan performansi hasil pengendali.

Secara blok diagram ditunjukkan pada Gambar 1-19.

Gambar 1-19 Skema pengendali model referensi

Gambar 1-20 Skema Internal Model Control - IMC

22 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-21 Skema pengendalian adaptif

Gambar 1-22 Skema pengendalian prediktif

Gambar 1-23 Skema pengendalian NN optimal

23 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Sistem Pengendalian Fuzzy

Keuntungan dalam menggunakan sistem pengendalian fuzzy adalah :

Aplikasinya didasarkan pada kepakaran operator dimana tidak bisa dinyatakan dalam bentuk

parameter persamaan diferensial PID, tetapi lebih kepada situasi / kondisi / aksi yang diinginkan.

Untuk kondisi yang jelek atau model plant yang dikendalikan adalah komplek, pengendali fuzzy

mampu bekerja pada range parameter yang lebar dan mampu menghandel akibat adanya

gangguan pada plant.

Beberapa strategi pengendalian dengan menggunakan logika fuzzy, dapat dilihat secara blok diagram

seperti pada beberapa gambar di bawah ini.

Gambar 1-24 Konfigigurasi dasar sistem pengendalian fuzzy

Gambar 1-25 Skema pengendali Fuzzy PD – Proportional Derivatif

Gambar 1-26 Skema pengendali Fuzzy – Hibrid

24 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-27 Skema pengendali fuzzy adaptif

Gambar 1-28 Skema pengendali Sliding Mode Fuzzy

Gambar 1-29 Skema pengendali fuzzy model referensi

25 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-30 Gain skeduling konvensional

Gambar 1-31 Skema pengendali fuzzy gain skedulling

26 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-32 Skema pengendali fuzzy neuro gain skedulling

Gambar 1-33 Hirarki pengendali fuzzy

27 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar 1-34 Skema neuro gain skedulling

Rangkuman

Bab ini telah menjelaskan pada Anda sejarah perkembangan sistem pengendalian, mulai dari

pengendalian konvensional sampai dengan pengendalian cerdas. Juga telah dijelaskan beberapa

strategi pengendalian modern yang banyak digunakan di industri-industri dan disekitar lingkungan

tempat tinggal kita. Prinsip-prinsip, komponen-komponen dan fungsi sistem pengendalian telah

dijelaskan dengan melibatkan berbagai contoh aplikasi. Pengertian plant bisa berupa sistem

mekanik, elektrik, pnumatik, hidraulik, atau kombinasi diantaranya. Terpenting untuk diketahui dari

plant adalah variabel input dan output, serta parameter plant yang mempengaruhi proses kinerja.

Selanjutnya Anda akan menentukan trategi pengendalian yang mana yang akan digunakan untuk

plant yang Anda miliki. Jadi strategi pengendalian sangat bergantung pada plant yang akan Anda

kendalikan, dan tujuan pengendalian.

Pustaka utama : 1. Kuo,B.C.,”Automatic Control Sistem”,6th ed., Printice-Hall, Englewood Cliffs,NJ.,1998, halaman

21 s/d 57. 2. Ogata,K.,”Modern Control Engineering”, 4th ed., Printice-Hall, Englewood Cliff,NJ.,1997,

halaman 1 s/d 176.

Pustaka penunjang :

28 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

1. Bahram Shahian, Michael Hassul,”Control Sistems Using MATLAB”, International Editions, Printice-Hall, 1997.

2. The MathWorks, Inc.,”Control Sistem Toolbox”, Printice-Hall, 1997. 3. Syamsul Arifin, ”Kontrol Automatik II”, Jurusan Teknik Fisika-FTI-ITS, 1997. 4. Syamsul Arifin, “Rancang Bangun Local Control Unit (LCU) Flow Pada Distributed Control

Sistems (DCS) Miniplant”, Jurnal Teknik Fisika, Vol. 3 No.2 , Juni 2008, ISSN 1907 – 266 X. 5. Aisjah, A.S., dan Masroeri, AA., (2006c), “Fuzzy Logic Control of Type Sugeno Takagi with The

Model Refference of LQG/LTR at Maneuvering Ship Controller”, International Seminar JSPS. 6. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis dan Sutantra, I.N. , (2006d),

“Stability Area of Ship Maneuvering using Fuzzy Logic Control”, Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Tekn. Kelautan VI, FTK ITS.

7. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, dan Sutantra, I.N. , (2006e), “Kontrol Cerdas Pada Manuvering Kapal”, Jurnal T. Kelautan, FTK ITS.

8. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2006f), “Dampak Gangguan Laut di Perairan Internasional Pada Sistem Kerja Pengendali Manuvering Kapal”, Seminar Nasional Teknik Fisika FTI ITS.

9. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2007a), “Strategi Kontrol Robust LQG/LTR dalam mengatasi gangguan gelombang dan arus laut pada kapal”, Jurnal GEMATEK STIKOM Sby.

10. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, AA., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2007b), “Pengendali Logika Fuzzy Pada Manuvering kapal Klas Marine”, Jurnal Industri, Vol. 6 No. 2, 2007.

Soal-Soal Asesmen :

1. Buatlah root map tentang sistem pengendalian modern yang Anda ketahui, dan jelaskan

sejarah perkembangannya.

2. Jalaskan apa pengertian sistem, proses, dan plant dalam teknik pengendalian modern, serta

berikan contoh apa yang ada disekitar Anda, beserta ulasannya.

3. Jelaskan apa yang dimaksud dengan sistem pengendalian open loop dan close loop dan

berikan contoh dalam bentuk blok diagram, sistem pengendalian apa yang ada disekitar

rumah Anda?

4. Apa kelebihan dan kekurangan sistem pengendalian open loop dan close loop yang Anda

ketahui?

5. Pada diri manusia oleh Tuhan YME telah dikarunia sistem yang terdiri dari indra sensor,

prosesor otak dan hati, serta aktuator berupa kaki tangan dll. Buatlah diagram blok sistem

pengendalian pada diri manusia tersebut, serta berikan satu contoh dalam satu aktivitas

manusia sehari-hari, serta jelaskan masing-masing bagian dari blok diagram tersebut.

6. Sebutkan beberapa produk yang Anda jumpai (misalnya seperti kamera, mesin cuci, AC,

mesin bakar, dll) dan jelaskan prinsip kerja sistem pengendaliannya?.

29 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

7. Sebutkan produk-produk yang ada di masyarakat, yang menggunakan sistem pengendalian

cerdas, jelaskan sistem kerjanya?.

8. Dirumah kita biasanya ada sumber air dari PDAM atau dari Sumur, kemudian air tersebut

masuk di tandon air yang ditanam dibawah lantai halaman rumah, kemudian dengan pompa,

air tersebut dikirim ke tandon air yang terletak diatas atap rumah, kemudian dari tandon atas

tersebut dikirin ke kran-kran (valve) yang berjumlah 10 buah. Gambarkan blok diagram dan

jelaskan sistem pengendaliannya sehingga ketinggian permukaan air di tandon atas bisa

terjaga pada ‘level atas’ dan ‘level bawah’ tandon atas.