1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-

sama dan melakukan suatu sasaran tertentu, sedangkan pengendalian diartikan

sebagai mengekang dan menguasai. Jadi sistem pengendali proses adalah sistem

pengendalian suatu parameter dari berbagai macam proses.

Era modernisasi ikut berimbas terhadap modernisasi alat baik di industri kecil

maupun di industri besar. Peralatan di sebuah industri yang dulunya digerakkan

manual oleh manusia kini mulai terotomatisasi yakni dikendalikan secara otomatis

oleh mesin itu sendiri. Proses otomatisasi mesin dikenal dengan istilah sistem

kontrol atau ada juga yang menyebut sistem pengendalian. Pentingnya

mempelajari sistem pengendalian ini erat kaitannya dengan mengefisiensikan dan

mengoptimalkan kerja mesin agar mampu kita atur sesuai dengan apa yang kita

harapkan.

Perancangan dan pengoperasian yang sukses dari sebuah pabrik memerlukan

pemiliahan instrumentasi dan peralatan control yang optimum dan keahlian

menginstal, memonitor dan memelihara peralatan tersebut. Teknisi dan ahli teknik

memerlukan training dalam bidang instrumentasi dan control, terutama dengan

semakin majunya teknologi pengendalian dan elektronika saat ini. Untuk itu

penulis menulis makalah ini agar dapat mengetahui mode pengendalian yang akan

digunakan saat proses.

1.2 Tujuan Penulisan

1. Mengetahui macam-macam mode pengendalian

2. Mengetahui perbedaan metode tidak kontinyu dan metode kontinyu

3. Mengetahui proses kerja mode pengendalian

2

1.3 Rumusan Masalah

1. Apa saja macam-macam mode pengendalian?

2. Apa perbedaan antara metode pengendalian tidak kontinyu dan kontinyu?

3. Bagaimana proses yang terjadi pada mode pengendalian?

1.4 Metode Penulisan

Penulisan makalah ini didasarkan pada sumber-sumber yang yang

terpercaya yang diambil dengan mengakses situs-situs internet dan beberapa

buku atau silabus yang ada.

3

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pendahuluan

Sistem kendali dapat dikatakan sebagai hubungan antara komponen yang

membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem

yang diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem

fisis, yang biasa disebut dengan kendalian (plant).

Masukan dan keluaran merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran

merupakan hal yang dihasilkan oleh kendalian artinya yang dikendalikan

sedangkan masukan adalah yang mempengaruhi kendalian yang mengatur

keluaran. Kedua dimensi masukan dan keluaran tidak harus sama.

Pada sistem kendali dikenal sistem lup terbuka (open loop system) dan

sistem lup tertutup (closed loop system). Sistem kendali lup terbuka atau umpan

maju (feed forward control) umumnya mempergunakan pengatur (controller)

serta aktuator kendali (control actuator) yang berguna untuk memperoleh respon

sistem yang baik. Sistem kendali ini keluarannya tidak diperhitungkan ulang oleh

controller. Suatu keadaan apakah plant benar-benar telah mencapai target seperti

yang dikehendaki masukan atau referensi, tidak dapat mempengaruhi kinerja

kontroler.

Gambar 1. Sistem pengendalian lup terbuka

Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali lup tertutup (closed

loop system) memanfaatkan variabel yang sebanding dengan selisih respon yang

terjadi terhadap respon yang diinginkan. Sistem seperti ini juga sering dikenal

dengan sistem kendali umpan balik. Aplikasi sistem umpan balik banyak

4

dipergunakan untuk sistem kemudi kapal laut dan pesawat terbang. Perangkat

sehari-hari yang juga menerapkan sistem ini adalah penyetelan temperatur pada

almari es, oven, tungku, dan pemanas air.

Gambar 2. Sistem pengendalian lup tertutup

Dengan sistem kendali gambar 2, kita bisa ilustrasikan apabila keluaran

aktual telah sama dengan referensi atau masukan maka input kontroler akan

bernilai nol. Nilai ini artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal aktuasi

kepada plant, karena target akhir perintah gerak telah diperoleh. Sistem kendali

loop terbuka dan tertutup tersebut merupakan bentuk sederhana yang nantinya

akan mendasari semua sistem pengaturan yang lebih kompleks dan rumit.

Hubungan antara masukan (input) dengan keluaran (output) menggambarkan

korelasi antara sebab dan akibat proses yang berkaitan. Masukan juga sering

diartikan tanggapan keluaran yang diharapkan.

Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kendali tentunya

diperlukan pemahaman yang cukup tentang hal-hal yang berhubungan dengan

sistem kontrol. Mode pengendalian berdasarkan gerakan dibagi menjadi 2 yaitu,

mode pengendalian tidak kontinyu dan mode pengendalian kontinyu.

2.2 Pengendalian Tidak Kontinyu

Mode pengendali tidak kontinyu juga diklasifikasikan dalam dua kelas

yaitu manual dan otomatis. Mode pengendali tidak kontinyu secara manual yang

berperan disini adalah manusia (MAN) yang akan melakukan evaluasi dan

menentukan tindakan yang harus dilakukan apabila harga dari pengukuran

5

(control point) tidak sama denga harga yang telah ditetapkan (set point)

sedangkan pada pengendali tidak kontinyu otomatis, harga kontrol point tersebut

diberikan kepada kontroler yang kemudian mengevaluasi dan menentukan

tindakan yang perlu dilakukan agar harga control point tersebut mendekati atau

sama dengan harga set point.

Pengendali tidak kontinyu melakukan evaluasi berdasarkan error dari kontrol

point terhadap set point. Perbedaan harga kontrol point terhadap set point tersebut

atau error kemudian dikeluarkan sebagai output dari kontroller ke element kontrol

akhir dalam bentuk % output. Disini dikenal persen error skala penuh, yaitu

persentase error terhadap skala penuh range pengendalian.

% error = (cp – Sp ) / ( range pengendalian ) x100 %

Contoh apabila diketahui set point adaah 50 % dan kontrol point adalah 45 %

untuk range pengendalian dari 0 % - 100 %, maka error adalah :

% error = (45 % - 50 % ) / (100 % - 0 %) x 100 %

= 5 %

Pada pengendali tidak kontinyu % P ( % output) hanya berupa dua harga,

0% dan 100 % dengan ketentuan sebagai berikut :

%P adalah 0% pada saat % EP > 0

%P adalah 100% pada saat % EP < 0

Dengan ketentuan diatas maka apabila Cp < Sp maka output akan menjadi

100%. Dalam pemanasan maka pemanas (heater) akan hidup. Apabia Cp >Sp

maka output akan menjadi 0%.

Bentuk diagram pengendalian akan berupa kotak-kotak bersusun,

menyatakan daerah hidup dan daerah matinya aliran listrik pemanas.

6

2.2.1 Pengendalian Manual

Sistem Pengendalian Manual adalah sistem pengendalian dengan subyek

adalah makhluk hidup, contohnya oleh manusia. Biasanya sistem ini dipakai pada

beberapa proses-proses yang tidak banyak mengalami perubahan beban ( load )

atau pada proses yang tidak kritis. Sistem pengendalian dimana faktor manusia

sangat dominan dalam aksi pengendalian yang dilakukan pada sistem tersebut.

Peran manusia sangat dominan dalam menjalankan perintah, sehingga hasil

pengendalian akan dipengaruhi pelakunya. Pada sistem kendali manual ini juga

termasuk dalam kategori sistem kendali jerat tertutup. Tangan berfungsi untuk

mengatur permukaan fluida dalam tangki. Permukaan fluida dalam tangki

bertindak sebagai masukan, sedangkan penglihatan bertindak sebagai sensor.

Operator berperan membandingkan tinggi sesungguhnya saat itu dengan tinggi

permukaan fluida yang dikehendaki, dan kemudian bertindak untuk membuka

atau menutup katup sebagai aktuator guna mempertahankan keadaan permukaan

yang diinginkan.

Gambar 3. Sistem pengendalian level cairan secara manual

2.2.2 Pengendalian Otomatis

Sistem Pengendalian Otomatis adalah sistem pengendalian dimana

subyeknya digantikan oleh suatu alat yang disebut controller. Dimana tugas untuk

membuka dan menutup valve tidak lagi dikerjakan oleh operator, tetapi atas

perintah controller. (Gunterus, 1994). Sistem pengendalian dimana faktor

7

manusia tidak dominan dalam aksi pengendalian yang dilakukan pada sistem

tersebut. Peran manusia digantikan oleh sistem kontroler yang telah diprogram

secara otomatis sesuai fungsinya sehingga bisa memerankan seperti yang

dilakukan manusia. Di dunia industri modern banyak sekali sistem kendali yang

memanfaatkan kontrol otomatis apalagi untuk industri yang bergerak pada bidang

yang prosesnya membahayakan keselamatan jiwa manusia.

Gambar 4. Sistem pengendalian level cairan secara otomatis

Mode on/off

Pengendali yang paling dasar adalah mode on-off atau sering disebut

metode dua posisi. Jenis pengendali on-off ini merupakan contoh dari mode

pengendali tidak terus menerus (diskontinyu). Mode ini paling sederhana, murah

dan seringkali bisa dipakai untuk mengendalikan proses-proses yang

penyimpanannya dapat ditoleransi. Keluaran pengendali hanya memiliki dua

kemungkinan nilai, yaitu nilai maksimum (100%) dan nilai minimum (0%).

Sebagai contoh adalah pengendali temperature ruangan dengan memakai AC,

setrika listrik menggunakan sakelar temperature.

Tipe pengendali ON-OFF merupakan cara sederhana untuk

mengimplementasikan kontrol otomatis menggunakan aktuator dua posisi

controller dengan open-close position atau berdasarkan terminology biasa,

ON-OFF position. Aksi pengendali dapat terlihat seperti berikut ini :

0 per e < -D

Xi = 1 per e < D

8

Xi = -1 per e > D

Dimana : Xi = sinyal controller output pada waktu i

E = nilai perbedaan aliran (error), e = Y' – SP

D = hysterisis pada controller

Xi-1 = nilai sinyal pada waktu tertentu ( 0 atau 1)

Perubahan dari level terbuka “ke level tertutup” atau sebaliknya,

secara normal membutuhkan waktu tertentu, T sesuai dengan motorized

valve. Dalam kasus software ON-OFF, untuk mengeset semua parameter,

contohnya :

SP = Set point (%)

D = Hysterisis (%)

T = Open / closes time

G = Gain

Gambar Pengendali On-Off

u(t) = U1 untuk e(t) > 0

= U2 untuk e(t) < 0

Umumnya : U2 = 0 atau -U1.

Pada pengendalian ON-OFF, penggerak (actuator) hanya berada

pada dua keadaan posisi ON (hidup) atau posisi OFF (mati). Pada keadaan

ini, katup akan terbuka apabila level air berada dibawah dari level yang

9

diinginkan (set-point) atau katup penutup apabila level air melebihi dari set

point. Disini akan terdapat batasan level (level threshold) yang

berhubungan dengan set point, apabila batasan ini dilampaui karena level

bertambah atau berkurang, katup juga berubah posisinya, hal ini akan

menimbulkan perubahan posisi katup disekitar batasan level, yang timbul

pada pengoperasian normal. Ketika level sedikit di bawah set point, katup

akan terbuka sehingga level melebihi set point dengan cepat, kemudian

katup menutup dan level berkurang kembali dan seterusnya berulang-

ulang.

Untuk mengatasi masalah ini dan mencegah ausnya penggerak

(katup), ada baiknya diberikan dua batasan level yang diatur secar simetris

diatas dan dibawah set point.

Batasan atas dilampaui apabila level meningkat, katup akan

menutup.

Batasan bawah dilampaui apabila level berkurang, katup akan

terbuka.

Interval antara level yang dikehendaki dengan salah satu batas level

dinamakan HISTERISIS. Semakin besar histerisis, semakin rendah

tekanan pada actuator.

R

Gambar. Pengendali dua posisi pada proses pengendalian tinggi air.

R

10

Mekanisme pengendali ini mudah difahami bila ditinjau pengatur

tinggi air dalam tangki. Air dalam tangki secara terus menerus dikeluarkan

dengan laju tetap. Apabila permukaan air turun melebihi titik acuan R,

maka sensor tinggi air akan memberi sinyal bahwa terjadi penurunan

permukaan air melebihi batas. Sinyal ini masuk ke pengendali dan

pengendali memerintah pompa untuk bekerja. Dengan bekerjanya pompa,

air akan masuk ke tangki dan permukaan air akan naik kembali. Pada saat

tinggi air tepat mencapai R pompa berhenti.Akibat terjadi pengosongan

tangki, dan proses di atas berulang lagi. Dengan demikian pompa akan

selalu mati-hidup secara periodic seiring dengan perubahan tinggi

permukaan air. Peristiwa ini disebut cycling atau osilasi.

Pengendali dua posisi mencatu energi atau massa ke dalam proses

dengan bentuk pulsa-pulsa, sehingga menimbulkan osilasi atau cycling

pada variabel proses. Amplitudo cycling bergantung pada tiga factor,

yaitu:

• Konstanta waktu proses

• Waktu mati, dan

• Besarnya perubahan beban.

Amplitudo osilasi menjadi kecil jika konstanta waktu proses besar,

waktu mati pendek, atau perubahan beban proses kecil.

Untuk mencegah osilasi terlalu cepat pada pengendalian on-off dua

posisi, perlu dibuat lebih dari satu batas yaitu batas atas (BA) dan batas

bawah (BB). Adapun langkah pengerjaan pengendalian on-off dengan

hysterisis :

Dibuat lebih dari satu batas atas (BA) dan batas bawah (BB)

Batas atas adalah batas tertinggi variabel proses saat naik.

Batas bawah adalah batas terbawah variabel proses saat turun.

Lebar celah antara

BA dan BB disebut celah diferensial (differential gap), daerah

netral, atau histerisis.

11

Fungsi celah diferensial adalah untuk memperlambat periode-

periode cycling.

Fungsi Pengendali otomatik:

1. Membandingkan output plant (nilai aktual) dengan input referensi

(nilai diinginkan),

2. Menentukan simpangan sinyal,

3. Mengeluarkan sinyal kontrol untuk menghilangkan/mengurangi

simpangan tsb.

Karakteristik pengendali :

Hanya memiliki dua nilai keluaran, maksimum (100%) atau minimum

(0%).

Selalu terjadi cycling (perubahan periodic pada nilai PV)

Cocok dipakai untuk respon PV yang lambat

Tidak cocok jika terdapat waktu mati.

Implementasi fisik sederhana dan murah

Terdapat efek histerisis dalam implementasi praktisnya.

Dapat menimbulkan efek cycling (osilasi disekitar nilai set point).

Differential gap: adakalanya digunakan untuk menghindari terlalu

seringnya terjadi mekanisme on-off.

Aplikasi : Sistem skala besar dengan laju proses lambat (sistem

pendingin/pemanas ruangan).

Contoh implementasi: Katup yang digerakkan oleh solenoid.

12

13

Mode Tiga Posisi

Mode tiga posisi adalah perbaikan dari mode dua posisi atau mode

on/off yang hanya mempunyai dua posisi elemen control akhir, yaitu

maksimum dan minimum atau hidup/mati. Pada proses yang memiliki

konstanta waktu relative kecil, osilasi yang terjadi makin besar. Keadaan

ini dapat mempercepat kerukan peralatan dan sistem proses. Untuk proses

demikian lebih baik memakai pengendali tiga posisi jika waktu mati cukup

besar. Pada mode tiga posisi, controller memberikan tiga output berbeda

berdasarkan rentang error yang dapat dituliskan persamaannya sebagai

berikut :

% P = 0 %, saat Ep > + ∆𝐸𝑃

% P = 50 %, saat -∆𝐸𝑃 < Ep < +∆𝐸𝑃

% P = 100 %, saat Ep < -∆𝐸𝑃

Persamaan diatas menyatakan bahwa selama error berada diantara -

∆𝐸𝑃 hingga +∆𝐸𝑃 maka controller akan memberikan output sebesar 50 %,

baru setelah error melewati +∆𝐸𝑃 output berubah menjadi 0 % ketika error

melewati -∆𝐸𝑃 maka output menjadi 100 %. Rentang daerah netral pada

pengendali on/off menjadi rentang -∆𝐸𝑃 hingga +∆𝐸𝑃 yang berarti pada

daerah netral tersebut, controller hanya akan memberikan output sebesar

50 %. Rentang 0 %, 50 % dan 100 % akan membuat elemen control akhir

bergerak lebih cepat dibanding dari 0 % langsung ke 100 % atau dari 100

% ke 0 %.

Ya = Batas atas

Yb = Batas bawah

R = Setpoint

Gambar Keluaran pengendali tiga posisi

14

Gambar 5. Hubungan antara periode osilasi dengan error (%Ep) dan

output controller (%P)

Kelebihan pengendali tiga posisi :

• Memiliki tiga nilai keluaran, yaitu 0% - 50% - 100%.

• Hasil pengendalian lebih halus dibanding dua posisi.

Kelebihan pengendali dua posisi dan tiga posisi

Perancangan mudah,

Murah, dan

Terpercaya

Kekurangan

Terjadi fluktuasi pada variabel proses, terutama bila perubahan beban

cukup besar.

Variasi dari pengendali diskontinyu telah banyak dibuat dengan

tujuan untuk memperbaiki kinerja pengendali dengan tetap memiliki

keunggulan.

15

Contoh :

Sebuah alat penukar panas dikendalikan oleh controller tiga posisi untuk

daerah 4 mA – 20 mA dan daerah pengukuran 100 K – 300 K dengan

ketentuan sebagai berikut :

Pada saat sinyal control < 10 mA, katup kontrol steam terbuka

penuh (100%) dan temperatur naik dengan laju 5 K/menit

Pada saat sinyal control berada antara 10 mA – 14 mA, katup

control steam mulai menutup (50 %) sehingga temperatur naik

perlahan 3 K/menit

Pada saat sinyal control > 14 mA, katup control steam tertutup

(0%), sehingga terjadi penurunan temperatur sebesar 2 K/menit.

Controller tersebut mempunyai control lag sebesar 2 menit,

hitunglah waktu satu periode osilasi dan gambarkan grafik %P dan

temperatur terhadap periode osilasi tersebut apabila temperatur awal

adalah 165 K.

16

17

Gambar 6. Grafik temperatur terhadap waktu periode

osilasi

Gambar 7. Grafik %P terhadap waktu periode osilasi

18

2.3 Pengendalian Kontinyu

Pada pengendali kontinyu keluarannya terus menerus (kontinyu), dimana

setiap menerima masukan error, pengendali memberikan keluaran pada range nilai

0% sampai 100% yang sebanding dengan error. Pengendali kontinyu yang biasa

digunakan adalah jenis proporsional (P), proporsional-integral (PI) dan

proporsional-integral-derivatif (PID). Sistem pengendalian yang berjalan secara

kontinyu, pada setiap saat respon sistem selalu ada. Pada gambar 7. Sinyal e(t)

yang masuk ke kontroler dan sinyal m(t) yang keluar dari kontroler adalah sinyal

kontinyu.

Gambar 8. Sistem pengendalian kontinyu

19

20

Gambar 9. Hubungan % keluaran output terhadap sinyal kontrol

2.4 Istilah-Istilah Dalam Sistem Pengendalian

Beberapa keterangan mengenai elemen-elemen sistem pengendalian

sebagai berikut :

Proses (Process) adalah tatanan peralatan yang mempunyai suatu fungsi

tertentu. Input proses dapat bermacam- macam, yang pasti merupakan

besaran yang dimanipulasi oleh final control element atau control valve

agar variabel yang dimaksud sama dengan set point. Input proses ini juga

disebut variabel yang dimanipulasi.

Variabel yang dimanipulasi adalah input dari suatu proses yang dapat

dimanipulasi atau diubah-ubah besarnya agar process variable atau

variabel yang dikendalikan besarnya sama dengan set point.

Gangguan adalah besaran lain, selain variabel yang dimanipulasi, yang

dapat menyebabkan berubahnya variabel yang dikendalikan. Besaran ini

lazim disebut load.

Elemen Pengukur adalah bagian paling ujung suatu sistem pengukuran

(measuring system). Contoh elemen pengukur yang banyak dipakai

21

misalnya termocouple atau oriface plate. Bagian ini juga biasa disebut

sensor atau primary element.

Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing

element, dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dimengerti oleh

controller.

Transducer adalah unit pengalih sinyal. Kata transmitter, seringkali

dirancukan dengan kata transduser. Keduanya memang mempunyai fungsi

yang serupa, walaupun tidak sama benar. Transducer lebih bersifat umum,

sedangkan transmitter lebih khusus pada pemakaian dalam sistem

pengukuran.

Variabel yang dimaksud atau measured variable adalah sinyal yang

keluar dari transmitter. Besaran ini merupakan cerminan besarnya sinyal

sistem pengukuran.

Set Point adalah besar process variable yang dikehendaki. Sebuah kendali

akan selalu berusaha menyamakan variabel yang dikendalikan dengan set

point.

Error adalah selisih antara set point dikurangivariabel yang dimaksud.

Error bisa negatif, bisa juga positif. Sebaliknya, bila set point lebih kecil

dari variabel yang dimaksud, error menjadi negatif.

Controller adalah elemen yang mengerjakan tiga dari empat tahap

langkah pengendalian yang membandingkan set point dengan

measurement variable, menghitung berapa banyak koreksi yang perlu

dilakukan, dan mengeluarkan sinyal koreksi sesuai dengan hasil

perhitungan tadi. Controller sepenuhnya menggantikan peran manual

dalam mengendalikan sebuah proses. Controller merupakan alat

pengendali.

22

Unit Pengendali adalah bagian dari controller yang menghitung besarnya

koreksi yang diperlukan. Input control unit adalah error, dan outputnya

adalah sinyal yang keluar dari controller (manipulated variable). Unit

Pengendali memiliki fungsi transfer yang tergantung pada jenis controller.

Output unit pengendali adalah hasil penyelesaian matematik fungsi

transfer dengan memasukkan nilai error sebagai input.

Final control element, seperti tercermin dari namanya, adalah bagian

akhir dari instrumentasi sistem pengendalian. Bagian ini berfungsi untuk

mengubah measurement variable dengan cara memanipulasi besarnya

manipulated variable, berdasarkan perintah controller.

23

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

• Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama-

sama dan melakukan suatu sasaran tertentu, sedangkan pengendalian

diartikan sebagai mengekang dan menguasai. Jadi sistem pengendali

proses adalah sistem pengendalian suatu parameter dari berbagai macam

proses.

• Sistem Pengendalian Manual adalah sistem pengendalian dengan subyek

adalah makhluk hidup, contoh oleh manusia. Biasanya sistem ini dipakai

pada beberapa proses-proses yang tidak banyak mengalami perubahan

beban ( load ) atau pada proses yang tidak kritis.

• Sistem Pengendalian Otomatis adalah sistem pengendalian dimana subyek

digantikan oleh suatu alat yang disebut controller. Dimana tugas untuk

membuka dan menutup valve tidak lagi dikerjakan oleh operator, tetapi

atas perintah controller. (Gunterus, 1994)

3.2 Saran

Mahasiswa sebaiknya dapat lebih memahami mengenai sistem

pengendalian. Pentinganya mempelajari sistem pengendalian ini erat

kaitannya dengan mengefisiensikan dan mengoptimalkan kerja mesin agar

mampu kita atur sesuai dengan apa yang kita harapkan sehingga dapat di

aplikasikan di dunia kerja.