SISTEM KONTROL

43
Institut Teknologi Telkom 1 CHAPTER I INTRODUCTION - Syllabus - SAP (Satuan Acara Perkuliahan 1.1. Latar Belakang. 1.2. Konsep Sistem Kontrol. 1.3. Contoh Berbagai Sistem Kontrol 1.4. Problem Desain Sistem Kontrol

Transcript of SISTEM KONTROL

Page 1: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 1

CHAPTER IINTRODUCTION

- Syllabus

- SAP (Satuan Acara Perkuliahan

1.1. Latar Belakang.

1.2. Konsep Sistem Kontrol.

1.3. Contoh Berbagai Sistem Kontrol

1.4. Problem Desain Sistem Kontrol

Page 2: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 2

SAPMgg Pokok Bahasan Sub Pokok bahasan

1 Pendahuluan Konsep sistem Kontrol ; Kontrol Problem;

2Dasar matematika u' Analisa Design sistem kontrol Otomatis

Persamaan diffefrensial ; Transformasi Laplace; & fungsi transfer. Pemodelan Sistem Fisik

3Model sistem : Open Loop & Closed Loop

Model Blok Diagram; Model Flow Diagram; Model Ruang keadaan

4Analisa Respon/tanggapan Sistem Orde Satu

Fungsi impulse Respon; System orde - I; System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;

5Analisa Respon/tanggapan Sistem Orde Dua

Fungsi impulse Respon; System orde - I; System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;

6Kriteria Kestabilan Routh-

Hurwitz

Karakteristik Tanggapaan Steady State ( Mantap ) ; Analisa kesalahan kondisi mantap

7 Analisa Kesalahan steady state

Kriteria stabilitas BIBO & Routh-Hurwitz; Root Locus Plot; Aturan Root Locus Plot; Analisa & Desain sistem kontrol ( root locus metode); Analisa & Desain dalam Ruang keadaan.

Page 3: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 3

SAP

8 Root Locus

Root Locus Plot; Aturan Root Locus Plot; Analisa & Desain sistem kontrol ( root locus metode); Analisa & Desain dalam Ruang keadaan.

9 Analisa Respon Frekuensi

Respon Frekuensi system; Bode Diagram; Polar Diagram; Nyquist Plot; Kriteria stabilitas Nyquist

10 Analisa Respon Frekuensi

Respon Frekuensi system; Bode Diagram; Polar Diagram; Nyquist Plot; Kriteria stabilitas Nyquist

11 Aksi Dasar kontrol

Aksi kontrol dasar; Aksi Kontroler ;Effect Integral dan Derivative terhadap aksi kontrol pada performansi sistem ; Reduksi variasi parameter menggunakan Feed-Back.

12 Desain Kontroler/KompensatorSpesifikasi Desain System Kontrol; Pengenalan Kompensator

13 Desain Kontroler/KompensatorDesain PID/Kompensator : Empiris dan matematis

14 Desain Kontroler/Kompensator Implementasi PID analog

Page 4: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 4

I.1 Latar belakang

Aksi kemudi mobil untuk menentukan arah gerakan yang ditetapkan oleh pengemudi, mengikuti aturan sistem kontrol umpan balik.

Dalam gambar tersebut arah ditentukan berdasarkan referensi input (garis arah).

Mata pengemudi membentuk fungsi pembanding arah gerakan sebenarnya terhadap ketentuan arah (output) diharapkan. Mata pengemudi mentransmisi sinyal ke otak, yang menginterpretasikan sinyal dan mentransmisi sinyal ke lengan untuk memutar roda kemudi, menyesuaikan arah sebenarnya di arahkan ke sesuai jalur arah diharapkan.

Mengapa diperlukan sistem kontrol ?- Lihat kasus seperti pada gambar disamping

Page 5: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 5

Page 6: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 6

Contoh Sistem kontrol pada Pesawat 117 – Squadron.

Masalah :Bagaimana spesifikasi kinerja pesawat ?Apa saja yang dikontrol ?Bagaimana aturan & mekanisme kontrol ?

Berikan beberapa contoh sederhanaPerangkat yang memerlukan Sistem kontrol !

Page 7: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 7

Contoh Klasik-Open loop

Pemanggang Roti otomatisMotor listrik

Blok diagram sistem loop

terbuka

Page 8: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 8

Historical Review (1)• 200 SM Jam air dgn cara mengatur level air oleh

pelampung agar tetesan airnya konstan.• Cornelis Drebbel (1572-1633) pengatur suhu dalam

ruangan dengan cara mengalirkan udara panas• William Henry (1729-786) pengatur suhumenggunakan

peredam FLUE yang dimanipulasi secara otomatis untuk mengendalikan pengapian.

• Denis Papi (1674-1712), Robert Delap (1799), Matthew Murray (1799) pengatur tekanan mesin uap

• Matthew Boulton dan James Watt (1788) kendali kecepatan pada kincir angin dan mesin uap. Gorvernor Sentrifugal

Page 9: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 9

Historical Review (2)

• Minorsky (1922) Penggunaan persamaan diferensial untuk menunjukkan kestabilan sistem.

• Nyquist (1932) penentuan kestabilan suatu sistem closed loop dengan respon tunak dari input sinusoidal pada bagian open loop sistem.

• 1940 frekuensi respon untuk keperluan desain sistem kontrol closed loop yang linier

• 1940-1950 root locus

Page 10: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 10

Page 11: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 11

1.2. Konsep sistem Kontrol

• KONTROL Kendali

• OTOMATIS

Tanpa campur tangan manusia

Page 12: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 12

1.2.1 Bentuk dasar sistem kontrol

1. bentuk open loop ( kalang terbuka ).

2. bentuk closed loop ( kalang terturup ).

Page 13: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 13

Open Loop

Page 14: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 14

Closed Loop

Page 15: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 15

Sinyal pada sistem kontrol

Page 16: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 16

• Sistem Kombinasi sejumlah komponen yang bekerja bersama membentuk suatu fungsi, tidak bisa dengan sebuah bagian individual.

• Sistem Kontrol / Pengaturan Sistem yang terdiri dari beberapa elemen sistem yang dapat mengendalikan/mengatur suatu besaran fisis plant tertentu.

• Elemen Sistem Kontrol Plant, Proses, Sensor, Aktuator dll

• Command input : – sinyal input yang menyebabkan sistem secara independent

memberikan output, dan sinyal itu akan melakukan kontrol lengkap pada sistem (jika sistem secara lengkap bisa dikontrol).

• Reference input Sebuah signal referensi yang dihasilkan oleh reference selector, yaitu sinyal input ke sistem kontrol.

• Reference selector (elemen input referensi) Unit yang menetapkan/membentuk nilai input referensi. Reference selector disesuaikan dengan nilai output sistem diharapkan.

Pengertian (1/5)

Page 17: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 17

Pengertian (2/5)

• Plant Objek yang akan dikontrol• Actuator Suatu perangkat yang

memberikan aksi kepada plant• Controller pengontrol/pengendali• Controlled Variable kuantiti atau

kondisi yang terukur dan terkontrol• Manipulated Variable kuantiti atau

kondisi yang dapat berubah oleh pengaruh pengontrol

Page 18: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 18

Pengertian (3/5)

• Process Suatu operasi yang akan dikontrol• System Kombinasi dari beberapa komponen

yang berkerja secara bersama dalam mencapai suatu tujuan.

• Disturbance Suatu sinyal yang mempengaruhi keluaran dari sistem yang kemunculannya tidak diinginkan.

• Feedback Umpan balik, memasukkan sinyal keluaran sistem ke bagian sebelumnya atau bagian awal proses dari suatu sistem.

Page 19: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 19

Pengertian (4/5)

• Sensor komponen untuk mengukur suatu kuantiti atau kondisi

• Loop suatu aliran proses

• Open loop aliran yang tidak memiliki feedback

• Close loop aliran proses yang memiliki feedback. Kontrol Otomatis

Page 20: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 20

•Sistem kontrol Closed-loop Sebuah sistem yang outputnya memberikan efek pada kuantitas input untuk menjaga nilai output yang diharapkan.

•Elemen forward (sistem dinamik) Unit yang bereaksi dengan sinyal penggerak, menghasilkan output yang diharapkan. Unit ini bekerja mengontrol output, biasanya bisa suatu power amplifier.

•Output (variabel terkontrol) Kuantitas yang harus di jaga pada nilai tertentu, yaitu mengikuti command input tanpa respon input gangguan.

•Feedback element Unit yang memberikan umpan balik kuantitas output, atau fungsi dari output, guna dibandingkan dengan input referensi.

•Sinyal penggerak Sinyal yang membedakan antara input referensi dengan sinyal umpan balik. It is the input to the control unit that causes the output to have the desired value.

Pengertian (5/5)

Page 21: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 21

1.3. Contoh System Kontrol

•Sistem tersebut bisa diterapkan

•Metode kontrol lup terbuka / tertutup

•Mempertimbangkan faktor gangguan

Page 22: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 22

Blok Diagram Sistem Kontrol Posisi Azimuth pada Antena

Page 23: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 23

Page 24: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 24

Page 25: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 25

Page 26: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 26

Page 27: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 27

Page 28: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 28

Page 29: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 29

Page 30: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 30

Page 31: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 31

Page 32: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 32

1.4 Problem Desain Sistem KontrolSecara umum, persoalan kontrol dapat di bagi dalam tahap berikut :1. Sekelompok spesifikasi kinerja sistem yang ditetapkan.2. Penentuan spesifikasi kinerja suatu problem kontrol .3. Sekelompok Persamaan diferensial linear, menggambarkan sistem fisik

dirumuskan atau teknik identifikasi sistem diterapkan guna mendapatkan model fungsi transfer plant

4. Desain dengan pendekatan teori kontrol, dengan bantuan komputer meliputi :(a) Suatu kinerja sistem dasar (asli tanpa kompensator) ditentukan dengan

aplikasi salah satu metode tersedia untuk analisa (atau kombinasi).(b) Jika kinerja dari sistem dasar (asal) tidak diperoeh spesifikasi diperlukan,

sebuah metode kontrol desain dipilih yang akan memperbaiki respon sistem.

(c) Untuk plant yang memiliki struktur parameter tidak tentu, bisa digunakan teknik desain quantitative feedback theory (QFT).

5. Simulasi desain sistem .6. Implementasi dan test sistem nyata.

Page 33: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 33

Design sistem untuk mendapatkan kinerja diharapkan dari sistem, itulah masalah sistem kontrol.

Keperluan dasar perangkat adalah kemudian dirakit menjadi sistem untuk membentuk fungsi kontrol diharapkan. Kebanyakan sistem adalah nonlinear, dalam banyak kasus Nonlinearitas cukup kecil untuk diabaikan, batas operasi cukup kecil maka digunakan analisa secara linear.

Page 34: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 34

Diagram Problem Desain Sistem Kontrol Kebutuhan

Fungsional :

Pernyataan problem meliputi sasaran

operasi dari sistem kontrol dan lingkungan

operasi Spesifiasi kinerja :

Ekspresi matematik menggambarkan

kebutuhan fungsional

Model dinamika :

Model matematik dari sistem yang

dikontrol Alokasi kontrol :

Algoritma optimasi menggunakan kontrol untuk

efisiensi

Desain sistem kontrol :

Algoritma prosedur Kontrol

Page 35: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 35

Tahapan Pengembangan

PEMODELAN

SIMULASI

PROTOTYPE

Page 36: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 36

A general procedure for theoretical modeling

1. Definition of flows• energy fl ow (electrical, mechanical, thermal conductance)• energy and material fl ow (fl uidic, thermal transfer, thermodynamic, chemical)

2. Definition of process elements: flow diagrams• sources, sinks (dissipative)• storages, transformers, converters

3. Graphical representation of the process model• multi-port diagrams (terminals, flows, and potentials, or across and through variables)• block diagrams for signal flow• bond graphs for energy flow

Page 37: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 37

A general procedure for theoretical modeling (cont)

4. Statement of equations for all process elements(i) Balance equations for storage (mass, energy, momentum)(ii)Constitutive equations for process elements (sources, transformers, converters)(iii)Phenomenological laws for irreversible processes (dissipative systems: sinks)

5. Interconnection equations for the process elements• continuity equations for parallel connections (node law)• compatibility equations for serial connections (closed circuit law)

6. Overall process model calculation• establishment of input and output variables• state space representation• input/output models (differential equations, transfer functions)

Page 38: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 38

Simulation

Page 39: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 39

Simulation

Page 40: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 40

Real-time simulation: hybrid structures (a) Hardware-in-the-loop simulation. (b) Control prototyping

Page 41: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 41

Hardware-in-the-Loop Simulation• Design and testing of the control hardware and software without

operating a real process (“ moving the process field into the laboratory”);

• Testing of the control hardware and software under extreme environmental conditions in the laboratory (e.g., high/low temperature, high accelerations and mechanical shocks, aggressive media, electro-magnetic compatibility);

• Testing of the effects of faults and failures of actuators, sensors, and computers on the overall system;

• Operating and testing of extreme and dangerous operating conditions;

• Reproducible experiments, frequently repeatable;• Easy operation with different man-machine interfaces (cockpit-

design and training of operators);• Saving of cost and development time.

Page 42: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 42

Control Prototyping

• For the design and testing of complex control systems and their algorithms under real-time constraints, a real-time controller simulation (emulation) with hardware (e.g., off-the-shelf signal processor) other than the final series production hardware (e.g., special ASICS) may be performed. The process, the actuators, and sensors can then be real.

• This is called control prototyping. • However, parts of the process or actuators may

be simulated, resulting in a mixture of HIL-simulation and control prototyping.

Page 43: SISTEM KONTROL

Institut Teknologi Telkom 43

The advantages of control prototyping

• early development of signal processing methods, process models, and control system structure, including algorithms with high level software and high performance off-the-shelf hardware;

• testing of signal processing and control systems, together with other design of actuators, process parts, and sensor technology, in order to create synergetic effects;

• reduction of models and algorithms to meet the requirements of cheaper mass production hard-ware;

• defining the specifications for final hardware and software.