Dasar Sistem Pengaturan - 01 1

TE091346 Dasar Sistem Pengaturan

Pengantar Dasar Sistem Pengaturan

Ir. Jos Pramudijanto, M.Eng.Jurusan Teknik Elektro FTI ITS

Telp. 5947302 Fax.5931237Email: pramudijanto@gmail.com

Dasar Sistem Pengaturan - 01 2

Objektif:Peranan Sistem PengaturanSejarah Perkembangan Istilah dan DefinisiManual dan OtomatisSistem Pengaturan Lup TerbukaSistem Pengaturan Lup Tertutup

Dasar Sistem Pengaturan - 01 3

Peranan Sistem Pengaturan

Pengaturan otomatis memainkan peranan vital dalamkemajuan rekayasa (engineering) dan ilmu.

Sangat penting, contoh pengaturan untuk pesawatangkasa luar, peluru kendali/rudal, sistem pengemudianpesawat terbang.Penting dan merupakan bagian integral (tak terpisahkan)dalam proses industri dan perpabrikan modern. Peranandalam industri : pengaturan tekanan, suhu, kelembaban,viskositas, flow/aliran, kecepatan, posisi, dan lain-lainnya.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 4

Keunggulan Sistem Pengaturan

Kemajuan dalam segi teoritis dan praktis :mencapai penampilan (performance) optimal dari sistemdinamismemperbaiki kualitas produksimenurunkan biaya produksimengembangkan laju produksimengurangi/menghilangkan kebosanan dari kerutinan danoperasi manual yang berulang-ulang.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 5

Sejarah Perkembangan (1)

Float regulator mechanism in ancient Greece (similar to watertank level regulator of ordinary flush toilet) [300-1BC] toregulate a water clock and wine vesselFirst feedback system invented in modern Europe (Holland) by Cornelis Drebbel (1572-1633) for temperature regulation of a furnace used to heat an incubatorDennis Papin (1647-1712) invented the first pressure regulator for steam boilers in 1681 (similar to a pressure-cooker valve)First automatic feedback controller used in an industrial process invented by James Watt in 1769 – the flyball governor – used to mantain the rotating speed of a shaft in a steam engine

Dasar Sistem Pengaturan - 01 6

Watt’s fly ball governor

Dasar Sistem Pengaturan - 01 7

Flyball in a Cotton Factory

This photograph shows a flyballgovernor used on a steam enginein a cotton factory near Manchesterin the United Kingdom. Of course,Manchester was at the centre of theindustrial revolution. Actually, thiscotton factory is still running today.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 8

This flyball governor is in the same cotton factory in Manchester.However, this particular governorwas used to regulate the speed ofa water wheel driven by the flow ofthe river. The governor is quite large as can be gauged by the outlineof the door frame behind the governor.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 9

Sejarah Perkembangan (2)

J.C.Maxwell (1868) formulated the first mathematical study of the stability of feedback control applied to a governorE.J.Routh determined a criteria for stability analysis in1877Lyapunov (1893) studies stability of motion (ODEs)Sperry (1910) works on gyroscopes and autopilotsMinorsky (1922) automatic control for steering shipBlack proposes feedback electronic amplifier in 1927Nyquist derives a frequency domain stability criterion in 1932Hazen (1934) propose position control with servomechanisemservomekanikBode develops frequency response methods in 1938

Dasar Sistem Pengaturan - 01 10

Sejarah Perkembangan (3)

Ziegler-Nichols develop a method for PID tuning and Wiener develops optimal filter design in 1942Evans develops the Root Locus in 1948Pontryagin formulates the Maximum Principle in 1956Bellman develops Dynamic Programming in 1957Kalman formulates Optimal Estimation in 1960Hoff invents the Microprocessor in 1969

Dasar Sistem Pengaturan - 01 11

Sejarah Perkembangan (4)

State variable methods and optimal control are further developed in 1970-1980Robust Control is developed in 1980-1990Nonlinear control, switched control, hybrid control, and control using convex optimization methods is developed in 1990-2000Feedback control is widely used in automobiles and reliable, robust systems are heavily demanded in manufacturing starting in 1994First ever autonomous rover vehicle, known as Sojournerexplores successfully the Martian surface in 1997Control abstractions and control of piecewise-affine systems are developed starting in 1998-1999 and are still research topics as well as hybrid control

Dasar Sistem Pengaturan - 01 12

Istilah dan Definisi (1)Plant : suatu peralatan atau obyek fisik yang harus diatur.

Proses : suatu operasi yang harus/akan diatur.

Sistem : suatu gabungan komponen yang bekerja bersama-sama(bekerjasama) dan melaksanakan suatu tujuan tertentu.

Gangguan (disturbance) : suatu sinyal (internal maupun eksternal) yangcenderung merugikan output sistem.

Pengaturan Umpan balik (feedback control) : suatu operasi, di manadengan adanya gangguan, cenderung mengurangi perbedaan antara outputsistem dan input referensi.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 13

Istilah dan Definisi (2)Sistem Pengaturan Umpan balik (feedback control system) : sistem yang cenderung mempertahankan suatu hubungan yang telah ditentukan antara output sistem dan input referensi dengan membandingkan keduanya dan menggunakan perbedaannya sebagai sinyal pengatur.

Servomekanik : suatu sistem pengatur umpan balik dalam mana output-nyamerupakan posisi (mekanis), kecepatan (mekanis), atau percepatan(mekanis). Pada umumnya output diharapkan dapat mengikuti perubahaninput.

Sistem Regulasi Otomatis (Automatic Regulating System) atau regulator :suatu sistem pengaturan umpan balik dalam mana input referensi atau outputyang diinginkan adalah konstan atau berubah perlahan-lahan terhadap waktudan tugas utama adalah untuk mempertahankan output sistem pada hargayang diinginkan dengan adanya gangguan.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 14

Istilah dan Definisi (3)

Sistem Pengaturan Proses (process control system) : sistem regulasi otomatis dalam mana output adalah suatu variabel seperti temperatur, tekanan, aliran, level cairan atau pH.

Sistem Pengaturan Loop Tertutup (closed loop control system) : sistem pengaturan dalam mana sinyal output mempunyai efek langsung terhadap sinyal pengatur (control action).

Sistem Pengaturan Loop Terbuka (open loop control system) : sistem pengaturan dalam mana output tidak mempunyai efek langsung terhadap sinyal pengatur.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 15

Istilah dan Definisi (4)

Sistem Pengaturan Adaptif (adaptive control system) : sistem pengaturan yang mempunyai kemampuan beradaptasi dalam keadaan bebas.

Sistem Pengaturan dengan Penalaran (learning control system) : sistem pengaturan yang mempunyai kemampuan untuk menalar.

Sistem Pengaturan Numerik (numerical control system) : sistem pengaturan gerak dari komponen mesin dengan menggunakan angka-angka.

Sistem Pengaturan Komputer (computer control system) : sistem pengaturan yang melibatkan komputer sebagai bagian dari loop pengatur (estimasi parameter, statistik, …)

Dasar Sistem Pengaturan - 01 16

Manual versus Automatic Control

Control: is the process of causing a system variable (e.g, temperature, position) to conform to some desired value or trajectory, called reference value or trajectory

Example: driving a car implies controlling the vehicle to follow the desired path and arrive safely at a planned destination

If you drive the car yourself, you are performing a manual control of the car. If you design a machine to do it then you build an automatic control system

Dasar Sistem Pengaturan - 01 17

Open Loop/Closed Loop SystemsA control system is an interconnection of components. Each component is represented by a block in a diagram.Open Loop

Closed Loop (Feedback system)

Sensor

Desiredoutput

+-

Errorsignal

Controller Plant

Actuatingsignal

Controlsignal

Plantoutput

Actuator

Desiredoutput

Controller Plant

Actuatingsignal

Controlsignal

Actuator

Plantoutput

Dasar Sistem Pengaturan - 01 18

Sistem Pengaturan Loop Terbuka

Kebaikan:Konstruksi sederhana dan mengurangi pemeliharaan.Lebih murahTidak ada persoalan stabilitasCocok apabila output sulit diukur atau secara ekonomis tidak fisibel

Kekurangan :Gangguan atau perubahan dalam kalibrasi menyebabkan kesalahan dan output mungkin berbeda terhadap apa yang diinginkanUntuk mempertahankan kualitas yang dibutuhkan pada output, rekalibrasi (kalibrasi kembali) harus dilakukan dari waktu ke waktu.

Dasar Sistem Pengaturan - 01 19

Sistem Kontrol Kecepatan

Dasar Sistem Pengaturan - 01 20

Sistem Pengaturan Loop Tertutup

Kebaikan:Ketelitian lebih baik (kualitas produksi lebih baik).Sensitivitas yang lebih rendah dari ratio terhadap variasi-variasidalam karakteristik sistemMengurangi efek nonlinieritas dan distorsi/gangguanMemperbesar bandwidth sistem (bandwidth sistem adalah daerah/rangefrekwensi dari input dalam mana sistem akan memberikan respons yangmemuaskan)

Kekurangan :Konstruksi lebih rumit dan pemeliharaan lebih mahalLebih mahalKecenderungan ke arah osilasi atau ketidakstabilan.

inputoutput

Dasar Sistem Pengaturan - 01 21

Contoh 1: Pemanas RuanganIf temperature inside the house is below the desired temperature, furnace turns on until the temperature inside the house is slightly higher than the desired temperature

If temperature inside the house is above the desired temperature, furnace turns off until the temperature inside the house is slightly lower than the desired temperature

temperaturesensor

Desiredtemp.

+-

Errorsignal

gain house

heatGas valvesignal

temp.

furnace

Dasar Sistem Pengaturan - 01 22

Contoh 2: Cruise ControlIf the vehicle speed is lower than the desired speed the controller acts on the throttle to increase speed

If the vehicle speed is higher than the desired speed, the controller acts on the throttle to reduce speed

speedometer

Desiredspeed

+-

Errorsignal

controller vehicle

tractionforce

throttle speed

engine

Dasar Sistem Pengaturan - 01 23

Diagram Sistem Pengaturan OtomatisEnergyinput

Processundercontrol

Actuator Actualoutput

Powerinterface

Transmission

Sensor

Transmission

Signalconditioner

ControllerProcess variable(actual output)

Set point(desired output)

Dasar Sistem Pengaturan - 01 24

Sistem Kontrol Posisi

Dasar Sistem Pengaturan - 01 25

Sistem Kontrol Numerik

Dasar Sistem Pengaturan - 01 26

Sistem Kontrol Proses

Dasar Sistem Pengaturan - 01 27

Sistem Kontrol Proses