BAB I

BAB 1SISTEM PENGONTROLAN SECARA UMUM

(1) Pendahuluan(2) Definisi-definisi(3) Sistem Pengontrolan Untai Terbuka(4) Sistem Pengontrolan Untai Tertutup(5) Linear Time Invariant Plant(6) Analog versus Digital Processing(7) Pertimbangan Fisolosofis++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

1.1PendahuluanSepanjang sejarah, manusia selalu berusaha mengatur kekuatan-kekuatan alam, berusaha membuat alat bantu yang membantunya dalam melakukan pekerjaan yang berada di luar kemampuan dirinya sendiri. Imajinasi yang telah ditulis/diramalkan oleh pengarang science fiction telah banyak menjadi kenyataan dalam abad ini. Keberhasilan manusia mendarat di bulan merupakan salah satu contoh. Perang dunia kedua (ke-2), dimana manusia dipojokkan untuk memilih survival yang menyebabkan kemajuan pesat dalam pengetahuan dan pengembangan konsep perencanaan sistem pengontrolan. Implementasi dalam kehidupan sehari-hari dimana teori pengontrolan mempunyai sumbangan yang sangat besar. Pembangkitan listrik, alat pendarat otomatis pesawat udara, dan alat pengontrolan suhu, adalah beberapa contoh saja.Susunan, kerumitan, dan rupa fisik sistem pengontrolan mungkin berbeda menurut tujuan dan fungsinya. Elemen-elemen elektris dan mekanis sering pula saling berkaitan dalam suatu sistem pengontrolan. Secara umum sistem pengontrolan dapat digolongkan ke dalam sistem opened loop dan closed loop. Perbedaan secara singkat, yaitu sistem closed loop memakai perbandingan feedback, dimana keluaran (output) dibandingkan dengan nilai yang dikehendaki dan perbedaannya (error signal) dipakai untuk mengatur keluaran menuju nilai yang dikehendaki. Perkembangan teori pengontrolan dalam dekade terakhir amat pesat, sedangkan dalam mata kuliah ini dibatasi pada teori servomekanika klasik saja dan konsep pengontrolan modern dibicarakan pada mata kuliah lanjutan secara terpisah.

1.2Definisi-definisi1.2.1 Sistem pengontrolan:adalah susunan komponen-komponen fisik yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga memerintah, mengarahkan atau mengatur diri sendiri atau sistem lain. Jadi pengontrolan terkait dengan hal mengatur, mengarahkan atau memerintah secara aktif (dinamis). Sistem pengontrolan terdiri atas:(i) sistem untaian terbuka (opened loop), yaitu suatu sistem yang tindakan pengontrolannya tidak tergantung pada atau terbebas dari pengaruh keluarannya dan (ii) sistem untaian tertutup (closed loop), yaitu suatu sistem yang tindakan pengontrolannya tergantung pada keluarannya.Sistem untaian terbuka mempunyai keuntungan, yaitu:(i) kemampuan beroperasi dengan teliti ditentukan oleh kalibrasinya dan(ii) tidak ada masalah dengan ketidakstabilan.Ciri-ciri umpan balik, yaitu: (i) meningkatkan ketelitian; (ii) mengurangi kepekaan perbandingan keluaran terhadap masukan untuk perubahan ciri-ciri sistem; (iii) mengurangi akibat-akibat ketidaklinieran dan distorsi; (iv) memperbesar lebar pita (bandwidth). Lebar pita dari suatu sistem adalah jangkauan frekuensi (dari masukannya) dimana sistem akan memberikan tanggapan secara memuaskan; dan (v) kecenderungan menuju osilasi atau ketidakstabilan.Tanggapan bebas dari suatu Persamaan Deferensial (PD), adalah jawaban dari PD itu apabila masukan x(t) sama dengan nol.Catatan:(i)PD dengan akar-akar berbeda:D1 dan D2. Himpunan dasar untuk Persamaan Deferensial Homogen:Y1=eD1tdanY2=eD2t (ii)PD dengan akar-akar sama (berulang). Bila persamaan karakteristik merupakan akar-akar berulang, maka himpunan dasar penyelesaiannya:Y1=e-tdanY2=t e-t(iii)PD dengan akar-akar kompleks dan riil: misal:D1 = -2D2=-1+jD3=-1-jTanggapan bebasnya:Ya(t)=C1 e-2t + C2 e-t cos t + C3 e-t sin t

Tanggapan terpaksa Yb(t) dari suatu PD, adalah jawaban PD tersebut, bila semua syarat-syarat awal sama dengan nol.Jumlah dari 2 tanggapan itu membentuk tanggapan total atau jawaban Y(t) dari persamaan itu.Tanggapan keadaan mantap, adalah bagian dari tanggapan total yang tidak mendekati nol, ketika waktu mendekati tak terhingga ().Tanggapan sekilas, adalah bagian dari tanggapan total yang mendekati nol ketika waktu mendekati tak terhingga ().Tanggapan denyut satuan dari suatu sistem linier, adalah keluaran y(t) dari sistem tersebut bila masukannya:x(t)=(t) dan semua syarat awalnya nol.Persamaan:

Integral konvolusi: Tanggapan denyut satuannya, adalah:

Tanggapan tangga satuan, adalah keluaran y(t) apabila masukan x(t) =u(t) dan semua syarat awalnya sama dengan nol.Tanggapan tanjakan satuan, adalah keluaran y(t) bila masukan x(t) = t untuk t > 0 dan x(t) = 0 untuk t 0 serta semua syarat awalnya sama dengan nol.

1.2.2 Masukan (input):adalah rangsangan yang diberikan ke sebuah sistem pengontrolan dari (sumber energi) luar, biasanya untuk menghasilkan suatu tanggapan (respon) tertentu dari sistem pengontrolan itu.

1.2.3 Keluaran (output):adalah tanggapan sebenarnya yang diperoleh dari sebuah sistem pengontrolan. Tanggapan itu dapat juga sama atau tidak sama dengan tanggapan yang ada dalam masukan.

1.2.4 Plant: adalah suatu alat, mungkin juga satu set bagian mesin yang berfungsi bersama atau menunjukkan kerja khusus. Dalam hal ini, plant adalah objek fisik yang akan dikontrolkan, misalnya: reaktor kimia atau pesawat terbang.

1.2.5 Proses:adalah setiap kegiatan operasi yang dikontrolkan, seperti proses kimia.

1.2.6 Sistem:adalah gabungan komponen yang bekerja bersama-sama dan bertujuan mencapai satu objek/tujuan tertentu. Suatu sistem tidak terbatas hanya pada masalah fisik saja, tetapi dapat juga masalah ekonomi.

1.2.7 Gangguan (disturbance):adalah satu sinyal yang akan mempengaruhi keluaran suatu sistem. Apabila gangguan berasal dari sistem itu sendiri, disebut internal disturbance dan yang berasal dari luar sistem disebut external disturbance, serta merupakan suatu masukan.

1.2.8 Servomekanika:adalah suatu sistem kontrol umpan balik dimana keluarannya merupakan posisi mekanik, kecepatan atau percepatan. Servomekanika banyak digunakan dalam industri, misalnya pada operasi komponen-komponen mesin secara otomatik.

(*) Sistem Pengaturan Otomatik (Automatic Regulating System)Adalah suatu sistem kontrol umpan balik dimana masukan referensi atau keluaran yang diiinginkan sifatnya konstan atau berubah-ubah sangat lambat dan tujuan utama adalah mempertahankan keluaran pada besaran yang diiinginkan meskipun ada gangguan. Misalnya, pendingin ruangan, dimana termostat merupakan pengontrol (sistem pengatur otomatik). Dalam sistem ini penyetelan termoostat (suhu yang dikehendaki) dibandingkan dengan suhu ruangan, Perubahan suhu di luar ruangan merupakan gangguan (disturbance) sistem ini. Tujuan sistem pengontrolan ini untuk mempertahankan suhu ruangan sesuai dengan yang diiinginkan, meskipun ada perubahan suhu di luar ruangan.

(**)Sistem Kontrol ProsesAdalah suatu sistem pengontrolan otomatik dimana keluarannya merupakan suatu variabel, seperti: suhu, tekanan, aliran, level cairan atau pH. Perlu dicatat, bahwa pada kebanyakan sistem kontrol proses termasuk juga di dalammya: servomekanika.

1.3Sistem Pengontrolan Untaian TerbukaSistem untai terbuka merupakan sistem pengontrolan yang paling sederhana. Konsep dan cara kerjanya akan digambarkan dengan beberapa contoh.

1.3.1 Pengontrolan tinggi permukaan air dalam suatu bakDiagram skematis pengontrolan tinggi permukaan air dalam suatu bak, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 Diagram skematis pengontrolan tinggi permukaan air dalam suatu bak

Diinginkan tinggi permukaan air dalam bak konstan, setinggi h misalnya. Hal itu dilakukan dengan mengatur kran (valve, berupa gatevalve) V2, kesalahan harus diperbaiki lewat pengontrolan kran V1. Sistem ini tidak mempunyai precision. Tidak terdapat alat yang mengukur cepatnya aliran air, baik yang lewat V1 maupun V2. Sistem tidak mempunyai feedback loop. Diagram skematis pada Gambar 1.1 dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok. Diagram blok pengontrolan tinggi permukaan air dalam suatu bak, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.2.

Gambar 1.2 Diagram blok pengontrolan tinggi permukaan air dalam suatu bak

1.3.2 Motor direct current (dc) dengan pengontrolan medanDiagram skematis motor dc dengan pengontrolan medan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.3.

Tujuan:Membuat kecepatan roda gigi gergaji (potong) konstan.Gambar 1.3 Diagram skematis motor dc dengan pengontrolan medan

Saat kayu yang akan dibelah menyentuh gergaji, maka kopel yang efektif untuk menghasilkan kecepatan akan berkurang. Sistem tersebut dapat digambar dalam bentuk diagram blok [setelah kayu menyentuh mata gergaji]. Diagram blok setelah kayu menyentuh mata gergaji sistem dapat digambarkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4.

Gambar 1.4 Diagram blok setelah kayu menyentuh mata gergaji

Untuk tiap jenis kayu yang dibelah, disturbing torque akan berbeda-beda. Berdasarkan hal itu, setiap saat harus dilakukan perubahan pada sinyal pengatur untuk memperoleh kecepatan yang sama.

1.3.3 Sistem pengontrolan suhu ruanganDiagram skematis sistem pengontrolan suhu ruangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.5.

Gambar 1.5 Diagram skema sistem pengontrolan suhu ruangan

Suhu ruangan dapat diketahui dengan membaca penunjukan termometer. Dalam hal ini, adanya arus listrik yang mengalir pada elemen pemanas R, maka suhu ruangan akan naik terus. Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.6.

Gambar 1.6 Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangan

Ilustrasi untuk plant dari sistem tersebut, adalah ruangan ditambah elemen pemanas. Masukan dan keluaran dari plant, adalah arus listrik dan suhu ruangan yang terjadi. Ditunjukkan, bahwa keluaran (akibat) tidak mempengaruhi masukan (penyebab), oleh karena itu sistem demikian disebut sistem pengontrolan untaian terbuka.Kesimpulan: Dalam suatu sistem untaian terbuka, diperlukan alat-alat dengan ketelitian yang tinggi.

1.4Sistem Pengontrolan Untaian TertutupSistem pengontrolan untaian terbuka tertutup menghasilkan reproduksi masukan secara akurat lewat perbandingan umpan balik (feedback). Suatu error detector menghasilkan sinyal yang berbanding lurus dengan perbedaan antara keluaran yang diiinginkan dengan keluaran sesungguhnya. Sinyal tersebut dipakai untuk mengatur keluaran secara otomatis, sehingga keluaran yang diinginkan sama dengan keluaran sesungguhnya. Beberapa contoh akan memperjelas sistem pengontrolan untaian tertutup.

1.4.1 Sistem pengontrolan suhu ruangan dengan perantara seorang operatorDiagram skematis sistem ini sama dengan gambar sebelumnya (Gambar 1.5), perbedaannya dalam hal penggunaan seorang operator. Misalkan diinginkan suhu ruangan tetap 25 0C. Untuk mendapatkan keadaan demikian, apabila suhu ruangan kurang dari 25 0C, saklar S harus ditutup. Seterusnya, arus listrik mengalir melalui elemen pemanas R dan akan menimbulkan panas, sehingga suhu ruangan akan naik. Sebaliknya, jika suhu ruangan lebih dari 25 0C, saklar S harus dibuka, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir melalui elemen pemanas R. Suhu ruangan akan turun karena pembuangan panas oleh ruangan (berhubung ada heat losses), demikian seterusnya. Dalam hal ini dibutuhkan seorang operator yang akan membuka atau menutup saklar s pada waktu-waktu tertentu. Operator yang bersangkutan melaksanakan hal dimaksud berdasarkan pengamatannya pada termometer. Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangan dengan perantara seorang operator, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.7.

Gambar 1.7 Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangandengan perantara seorang operator

Dalam sistem ini, pengontrolan hanya terjadi dengan bantuan seorang operator. Fungsi operator hanya mengamati keluaran, selanjutnya mengadakan evaluasi (membandingkan keuaran dengan masukan) dan selanjutnya membangkitkan sinyal penggerak (signal error) yang akan menggerakkan sistem, sehingga didapatkan keluaran yang diinginkan. Keluaran di sini ternyata mempengaruhi masukan (melalui operator). Sistem demikian ini dinamakan sistem pengontrolan untaian tertutup. Untuk kondisi dimana, misalnya operator tidak merupakan bagian dari sistem, maka sistem demikian masih dianggap sistem pengontrolan untaian terbuka.Analisis beberapa pengertian tentang variabel-variabel terhadap sistem pengontrolan tersebut dan elemen-elemennya, dimana keluaran sistem adalah suhu ruangan yang diinginkan, sering juga keluaran sistem disebut sebagai variabel yang diatur (controlled variable). Masukan sistem dapat digolongkan, yaitu pertama-tama adalah command input (masukan infomatif/masukan fiktif) yang oleh masukan transduser diubah (apabila perlu) menjadi reference input (masukan fisis/masukan nyata). Reference input bersama-sama dengan feedback signal akan menghasilkan sinyal penggerak (error signal). Error signal merupakan masukan kontroler (pengontrol). Pengontrol tersebutlah yang menghasilkan plant input atau disebut sinyal pengatur (control signal). Peralatan yang mengamati keluaran dan kemudian mengumpan-balikkan ke masukan disebut feedback element. Keluaran dari feedback element disebut feedback signal. Berdasarkan Gambar 1.7, command input sama dengan reference input. Untuk kondisi dimana terdapat suatu komponen (baik elektris, mekanis, maupun kimiawi, dan lain-lain) yang dapat menggantikan fungsi operator, maka sistem akan menjadi sistem pengontrolan tertutup otomatis. Untuk menggantikan operator, dapat saja digunakan saklar bimetal. Diagram skematis sistem pengontrolan suhu ruangan dengan saklar bimetal, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.8.

Gambar 1.8 Diagram skematis sistem pengontrolan suhu ruangan dengan saklar bimetal

Cara kerja sistem: Mula-mula dilakukan kalibrasi terhadap saklar bimetal yang disesuaikan dengan suhu yang diinginkan. Misal diinginkan suhu ruangan tetap 250C. Saklar bimetal dikalibrasi sedemikian rupa sehingga bila suhu di atas 250C saklar sb akan membuka dan bila suhu di bawah 25 0C saklar sb akan menutup. Setelah kalibrasi dilakukan, saklar sb ditutup. Bila suhu ruangan di atas 25 0C, maka sb akan membuka dan bila sebaliknya (suhu ruangan di bawah 25 0C) sb akan menutup. Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangan dengan saklar bimetal, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.9.

Gambar 1.9 Diagram blok sistem pengontrolan suhu ruangandengan saklar bimetal

1.4.2 Pengontrolan otomatis terhadap tinggi permukaan airDiagram skematis pengontrolan otomatis terhadap tinggi permukaan air, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.10.

Gambar 1.10 Diagram skematis pengontrolan otomatis terhadap tinggi permukaan air

Saat dimana tinggi permukaan air sama dengan h, posisi pelampung diatur supaya error signal, e = 0, dimana motor tidak beroperasi pada saat tersebut. Sebelum permukaan air mencapai h, error signal akan positif dan motor akan membuka kran V2 lewat susunan roda gigi. Posisi kran V2 akan tertutup pada waktu e = 0. Diagram blok sistem pengontrolan otomatis tinggi permukaan air, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.11.

Gambar 1.11 Diagram blok sistem pengontrolan otomatis tinggi permukaan air

Sistem seperti Gambar 1.11 tersebut, dimana keluaran yang diinginkan untuk mendapatkan sinyal kesalahan (error signal) digunakan untuk mengatur keluaran ke arah yang diinginkan, dengan demikian disebut sistem pengontrolan untaian tertutup.

1.5Linear - Time Invariant PlantSinyal masukan (input signal) merupakan fungsi waktu [f (t)] atau U(t) dan sinyal keluaran (output signal) juga merupakan fungsi waktu C(t). Diagram blok sebuah plant, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.12.

Gambar 1.12 Diagram blok sebuah plant

Berdasarkan Gambar 1.12, maka untuk plant tersebut dapat dituliskan sebagai U(t) C(t), dengan tanda mempunyai arti operasi yang dilakukan oleh plant terhadap masukan, sehingga menghasilkan keluaran. Untuk kondisi dimana tingkah laku plant akan dianalisis dan suatu pengontrol dirancang untuknya, maka diperlukan suatu anggapan (asumsi) matematis, bahwa plant tersebut adalah: (a) linear atau (b) time invariant. Linearitas dari suatu plant, berarti bahwa plant tersebut mempunyai sifat linear atau superposisi.(i)LinearUntuk kondisi dimana U(t) dan C(t) berturut-turut sinyal masukan dan sinyal keluaran, maka berlaku hubungan:a U(t) a C(t); dengan a = konstanta.(ii)SuperposisiUntuk kondisi U1(t)C1(t)dan U2(t)C2(t), maka berlaku hubungan:u1(t) + u2(t)c1(t) + c2(t).Secara umum dapat dikatakan, bahwa plant tersebut linear jika:[a u1(t) + b u2(t)][a c1(t) + bc2(t)] ; dimana: - < t < dan a, b suatu konstantaSuatu sistem disebut time invariant, apabila: U(t) C(t); dengan - < t < mengandung pengertian, bahwa:U(t + ) C (t + ); dengan - < t < dan- < < . Kondisi mula dan masukan yang sama, akan selalu diperoleh bentuk keluaran yang sama, tidak bergantung pada waktu pengamatan. Misalkan pada saat t = t0 dihasilkan output c(t0). Maka bila input digeser sejauh , maka akan diperoleh bentuk output yang sama dengan semula (pada kondisi mula yang yang sama), tetapi kini telah tergeser sejauh . Namun dalam praktiknya, sifat plant itu pada umumnya adalah non-linear dan time varying, maka dengan pendekatan-pendekatan matematis seperti diuraikan di atas dan menganggap suatu plant itu linear dan time invariant, sangat membantu dalam analisis dan rancangan suatu sistem.

1.6 Analog Versus Digital ProcessingPerkembangan sistem pengontrolan proses tampak jelas dengan masuknya teknologi elektronika ke dalam hampir semua elemen sistem pengontrolan. Hal ini disebabkan harganya yang relatif rendah, dapat diandalkan, kecil, dan mudah diterapkan. Berdasarkan hal itu, perkembangan elektronika sangat pesat dan kini telah memasuki sistem digital dan teknologi komputer, sehingga mau tidak mau pengaruhnya akan masuk juga ke dalam sistem pengontrolan (kontrol) proses. Beberapa parameter pengontrolan proses, seperti variabel dinamik pada awal proses di dalam transduser yang diubah menjadi informasi listrik (dari suara/bunyi, misalnya), merupakan besaran analog. Untuk sistem pengontrolan dengan komputer, besaran analog tersebut harus diubah menjadi bentuk digital.

1.6.1 Proses analogSistem pengontrolan proses analog, dimana temperatur untuk suatu proses dikontrolkan. Diagram skematis sistem pengontrolan proses untuk mengatur temperatur, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.13.

Gambar 1.13 Diagram skematis sistem pengontrolan proses untuk mengatur temperatur

Thermistor (thermal resistor, mempunyai koefisien temperatur tahanan negatif, artinya nilai tahanannya turun bila temperatur naik) dengan tahanan R sebanding dan analog dengan temperatur, dapat dipakai untuk mengukur temperatur. Perubahan tahanan diubah menjadi tegangan V melalui suatu converter. Tegangan ini dibandingkan dengan tegangan referensi (setpoint) oleh differential amplifier (evaluator), keluarannya akan mengaktifkan pemanas atau pendingin (besarnya perubahan temperatur yang ditentukan oleh kemampuan deffrential amplifier dipakai untuk menggerakkan rele pemanas atau pendingin). Temperatur dinyatakan oleh perubahan sinyal listrik yang proporsional atau dengan kata lain, sinyal listrik merupakan temperatur analog. Dalam hal thermistor, resistans merupakan temperatur analog dan keluaran (output) converter, yaitu tegangan juga merupakan temperatur analog.Hal yang sma terjadi juga pada sistem pneumatik, dimana tekanan merupakan variabel dinamik analog. Hubungan analogi antara sinyal proses dan variabel dinamik tidak perlu selalu harus linier dan dalam banyak hal memang banyak yang tidak linier. Faktor penting di sini adalah sinyal proses harus kontinyu (smooth) dan mewakili variabel dinamik. Hubungan antara variabel dinamik C dan keluaran transduser S, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.14.

Gambar 1.14 Hubungan antara variabel dinamik C dan keluaran transduser S

1.6.2 Proses digitalDalam proses digital, semua informasi dalam pengontrolan proses dikodekan (encoded) menjadi sinyal yang bersifat biner (binary). Biner adalah sistem penomoran yang didasarkan pada dua bilangan, yaitu nol dan satu. Sinyal-sinyal listrik dalam satu kawat dapat dinyatakan berdasarkan bilangan biner 0 atau L (low), apabila dipakai TTL (Transistor-transistor Logic) kira-kira 0 volt dan bilangan biner 1 atau H (high) apabila dipakai TTL kira-kira +5 volt. Jadi bila dipakai TTL, tegangan listrik hanya 0 atau 5 volt, sehingga tidak merupakan analog dengan variabel dinamik, sedang variabel dinamik dinyatakan dalam kode berdasarkan level sistem biner. Terdapat bermacam-macam sistem pengkodean dengan dasar satu set bilangan biner yang analog dengan sinyal yang dikodekan. Kode yang merupakan satu set bilangan biner tersebut dikenal sebagai satu word (kata). Jadi satu word mengandung banyak hitungan biner yang disebut bit (binary digit).

a) Binary/decimal encodingKita lihat pengkodean antara 4 bit binary word dan sinyal tegangan desimal. Sistem pengkodean tersebut dapat dilihat pada tabel 1. Jadi bila diinginkan memberi kode (encode) 0. Sinyal 5 volt, maka dengan sistem 4 bit binary word, sinyal tersebut adalah 0101.

Tabel 1.1 Pengkodean desimal-binerTeganganBinary word

00 0 0 0

10 0 0 1

20 0 1 0

30 0 1 1

40 1 0 0

50 1 0 1

60 1 1 0

70 1 1 1

81 0 0 0

91 0 0 1

101 0 1 0

b) Transmisi sinyalPengkodean suatu sinyal menjadi satu kata biner (binary word) mengakibatkan satu urutan level 0 dan 1 menjadi harga sinyal tersebut. Terdapat 2 (dua) cara untuk mentransmisikan sinyal digital tersebut dalam satu sistem pengontrolan proses, yaitu: (i) parallel transmission mode dan (ii) serial transmission mode.

(i) Parallel transmission modeCara ini menggunakan kawat yang terpisah, masing-masing mentransmisikan bilangan biner dalam satu word.

5 volt

ParallelA/DConverter101

Parallel Transmission Mode

5 volt

ParallelA/DConverter

Serial Transmission Mode

clock

1 1 H 0 L timeGambar 1.15 Informasi digital yang ditransmisikan

Berdasarkan Gambar 1.15 ditunjukkan, bahwa informasi digital dapat ditransmisikan pada kawat-kawat paralel, satu kawat untuk setiap bit atau secara seri, dimana informasi tampak pada 1 kawat dalam urutan-urutan (sequences) waktu.(b) Serial Transmission ModeCara ini hanya menggunakan 1(satu) kawat, dimana level binernya ditransmisikan dalam urutan waktu dalam 1 (satu) kawat seperti Gambar 1.15 (ii).

c) Analog dan digital converterTransducer pada umumnya adalah suatu alat yang mengubah suatu variabel dinamik menjadi suatu analog listrik atau pneumatik. Sebaliknya, elemen pengontrolan (kontrol, control) akhir (misalnya: rele, valve) adalah alat yang mengubah sinyal analog suatu pengontrol menjadi gerakan apda variabel dinamik dalam suatu proses. Apabila dipakai proses digital, maka harus ada alat yang dapat mengubah variabel dinamik dalam sinyal analog dan digital dari outputs (keluaran-keluaran) pengontrol (controller). Alat-alat tersebut adalah ADC (Analog to Digital Converter) dan DAC (Digital to Analog Converter). ADC akan mengubah input (masukan) analog menjadi sinyal digital. Alat ini di disain untuk menghasilkan output (keluaran) digital word yang telah dikodekan sesuai dengan sinyal input (masukan).Contoh:ADC dapat menerima masukan 0-10 volt yang dikodekan dalam 4 (empat) bit word. Empat bit word dapat menyatakan 16 keadaan (states) yang berbeda, sehingga setiap bit bernilai10 volt/16 states=0,625volt/states atauvolt/bit. Untuk kondisi dimana digunakan 6 bit word, maka terdapat 64 states dan setiap bit, adalah 10 volt/64 states=0,15625volt/bit. Berdasarkan hasil tersebut, sistem 6 bit word mempunyai resolusi yang lebih baik, karena kenaikannya lebih kecil, sedangkan DAC bekerja dalam arah sebaliknya, yaitu mengubah digital word menjadi keluaran analog yang berarti melakukan decode (menguraikan kode). Sinyal analog yang diubah menjadi sinyal digital tidak hanya tegangan listrik saja, tetapi dapat juga frekuensi, arus listrik, atau resistans. Terdapat 2 (dua) cara pemrosesan digital di dalam lapangan sistem pengontrolan industri, yaitu: (i) penggunaan rangkaian logika digital atau komputer untuk mengawasi sistem pengontrolan proses atau sistem itu disebut Supervisory Digital Control (SDC) dan (ii) pengontrolan digital secara langsung terhadap variabel dinamik atau sistem itu disebut Direct Digital Control (DDC)

c.1) Supervisory Digital Control (SDC)Supervisory Digital Control (SDC) digunakan untuk menggambarkan situasi, dimana teknik digital mengawasi kontrol analog. Komputer dipakai untuk membenarkan (mengoreksi) setpoint pengontrol (controller) analog, sehingga kinerjanya menjadi lebih baik. Komputer dapat memeriksa banyak variabel dan memecahkan persamaan-persaman sistem pengontrolan yang rumit (complicated) untuk menentukan dan membentuk setpoint optimum beberapa sistem analog dalam suatu proses. Hal itu penting, terutama apabila terdapat interaksi antara variabel-variabel, seperti perubahan setpoint suhu (temperatur) akan menyebabkan perubahan tekanan. Diagram blok sistem pengontrolan proses berbasis komputer atau satuan logika sebagai supervise, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.16.

Gambar 1.16 Diagram blok sistem pengontrolan proses berbasis komputer atau satuan logika sebagai supervisi

Peranan supervisi satuan logika atau komputer akan memasukkan besaran-besaran hasil pengukuran dan memprogramnya dan menghasilkan keluaran yang merupakan setpoint yang telah dikalkulasi. Bentuk hibrid pengontrol temperatur seperti ditunjukkan pada Gambar 13 dengan penambahan Analog to Digital Converter (ADC) dan Digital to Analog Converter (DAC) merupakan implementasi sistem SDC. Diagram skematis implementasi SDC pada pengontrolan temperatur, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.17.

Gambar 1.17 Diagram skematis implementasi SDC pada pengontrolan temperatur

c.2) Direct Digital Control (DDC)Direct Digital Control (DDC), adalah sistem pengontrolan proses dimana rangkaian logika digital atau komputer merupakan bagian integral sistem pengontrolan tersebut. Diagram blok sistem pengontrolan proses berbasis DDC, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.18.

Gambar 1.18 Diagram blok sistem pengontrolan proses berbasis DDC

Gambar 1.18 merupakan contoh DDC dengan prinsip kerja, bahwa evaluasi dan fungsi pengontrol diambil alih oleh rangkaian logika atau program komputer. Terdapat 2 (dua) macam pendekatan sistem DDC, yaitu: (i) metode dengan rangkaian logika, disebut hardware program controlling dan (ii) metode dengan komputer, disebut software program controlling. Diagram skematis implementasi DDC pada pengontrolan temperatur, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.19.

Gambar 1.19 Diagram skematis implementasi DDC pada pengontrolan temperaturBerdasarkan Gambar 19 ditunjukkan, bahwa kontrol temperatur dilakukan dengan cara DDC. Fungsi kontrol, setpoint, dan deviasi semuanya diatur dalam program. DDC mempunyai kemampuan untuk mengontrol proses-proses multivariabel yang elemen-elemennya berinteraksi. Sistem ini memerlukan metode backup untuk menghindari shutdown process yang disebabkan oleh kegagalan komputer.

1.7 Pertimbangan FilosofisHubungan antara perilaku manusia dan beroperasinya sistem feedback (untaian tertutup) telah banyak menarik perhatian. Cabang pengetahuan ini disebut cybernatics. Beberapa sifat untaian tertutup dapat dihubungkan dengan tingkah laku manusia. Dalam batas-batas tertentu, sistem pengontrolan untaian tertutup dianggap dapat berfikir, tetapi kemampuan berfikirnya sudah dibatasi oleh perencananya dan pun menurut cara yang sudah ditentukan sebelumnya. Akhir-akhir ini terdapat kemajuan di bidang sistem pengontrolan adaptif, dimana suatu sistem pengontrolan dapat mengubah kinerjanya secara otomatis dalam lingkungan yang berbeda-beda. Sistem tersebut sudah satu langkah mendekati kemampuan (berfikir) manusia. Kemajuan di bidang komputer amat membantu perkembangan teori pengontrolan, sehingga yang menjadi pemikiran, mungkinkah pada suatu saat sistem pengontrolan dapat menggantikan manusia?

7

h

V1

V2

SISTEM PENGATURAN(Kran V1, V2, dan operator)

keluaran (output)

masukan (input)

permukaan diinginkan

permukaan sebenarnya

MOTOR DC

keluaran

sinyal

pengatur

(kecepatan)

+V

-V

BEBAN(roda gergaji)

kopel

(torque)

MOTOR DC

keluaran

sinyal

pengatur

(kecepatan)

+V

-V

BEBAN(roda gergaji)

kopel

(torque)

+

-

disturbing torque

E

S

R

r

T

Keterangan:E = bateraiS = saklar (switch)R = elemen pemanasT = termometerr = ruangan

ruangan dan elemen pemanas

keluaran (output)

masukan (input)

arus listrik

suhu ruangan yang terjadi

plant

suhu ruangan yang diinginkan

RUANGAN dan ELEMEN PEMANAS

SAKLAR BIMETAL

error detector

arus listrik

(masukan)

(keluaran)

SAKLAR BIMETAL

elemen feedback

kontroler

RANGKAIAN LISTRIK

operator atau saklar

plant

+

-

termometer

merupakan command input atau reference input

E

S

R

r

T

Keterangan:E = bateraiS = saklar (switch)SB = saklar bimetalR = elemen pemanasT = termometerr = ruangan

SAKLAR BIMETAL

elemen feedback

kontroler

RANGKAIAN LISTRIK

kontak

plant

+

-

suhu ruangan yang diinginkan

RUANGAN dan ELEMEN PEMANAS

SAKLAR BIMETAL

error detector

posisi

(masukan)

(keluaran)

h

V1

V2

+V

-V

penguat

pelampung

e

keluaran

SISTEM PENGONTROLAN(penguat, motor, dan kran)

+

-

masukan

e

U (t)

C (t)

plant

1

Z

+

-

R to V conversion

process

T

heater

cooler

differential amplifier

error signal

reference voltage, Vref.

electrical power

relai

relai

R

V

C

S

variabel dinamik

keluaran transduser

case 1: linear relationship

case 2: non-linear relationship

Z

controller

CR

C

D/A

setpoint CSP

summing point

final control element

measurement

process

computerorlogic unit

A/D

programming

1

Z

+

-

R to V conversion

process

T

heater

cooler

differential amplifier

error signal

reference voltage, Vref.

electrical power

relai

relai

DAC

computerorlogic unit

ADC

programming of setpoint

R

V

Z

D/A

measurement

process

final control element

computerorlogic unit

A/D

programming of setpoint, deviation control equation, and so on

Z

electronic switches

R to V conversion

process

T

heater

cooler

electrical power

electronic switches

computerorlogic unit

ADC

programming of setpoint and so on

R

V