teknik sistem pengaturan

1

Mochammad RAMELITeknik Sistem Pengaturan

Jurusan Teknik Elektro FTI�ITS

2011

� Buku-Ajar:

� Mochammad RAMELI. Pengantar Teknik Elektro, Perkembangan Automatic Control Systems, Teknik Sistem Pengaturan – Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 2011.

� Buku Referensi:

John J.D’Azzo. Linear Control System Analysis and � John J.D’Azzo. Linear Control System Analysis and Design

� Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Modern Control Systems （Ninth Edition)

� xxxxxxxxxxxxxx

� Obyektif perkuliahan :Memperkenalkan peran Teknik Sistem Pengaturan dalam sejarah peradaban manusia melalui dua pendekatan:Pertama, membahas sejarah singkat perkembangan Teknologi terkait dengan Automatic Control Theory Teknologi terkait dengan Automatic Control Theory (Teori Pengaturan Automatis).Kedua, menjelaskan filosofi teori pengaturan klasik dan modern.Penyusunan model mathematical satu sistem fisika sederhana. Identifikasi atau mengenali komponen-komponen sistem pengaturan.

Contoh: Feedback control in everyday life

Cruise control - pengaturan kecepatan mobil

4

Intelijensi

Pengemudi

Mekanisme

kemudi Automobile

Sensor

Visual &

Tactile

+

-

Jalur

dikehendaki

Jalur aktualError

Gangguan

Definition:� Control engineering or Control systems engineering is the

engineering discipline that applies control theory to design systems with predictable behaviors.

� Dalam praktek, menggunakan sensor untuk mengukur kinerja

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

� Dalam praktek, menggunakan sensor untuk mengukur kinerja keluaran dari obyek yg dikontrol dan hasil pengukuran digunakan memberi umpan-balik ke aktuator masukan, dan dipakai untuk melakukan mengkoreksi obyek ke arah kinerja yg dikehendaki.

� Bila satu alat dirancang untuk bekerja tanpa perlu intervensi manusia untuk mengkoreksi, maka alat ini disebut kontrol otomatis.

� Contoh: cruise control untuk pengaturan kecepatan mobil.

5

Pendahuluan:

� 1. Pengaturan Otomatis (Automatic Control)

� 2. Sistem Pengaturan Untai-terbuka (Open-loop) & � 2. Sistem Pengaturan Untai-terbuka (Open-loop) & Sistem Pengaturan Untai-tertutup (Closed-loop)

� 3. Menyusun Sistem Pengaturan Umpan-balik atau Feedback Control Systems

� 4. Klasifikasi Sistem Pengaturan

� 1. Automatic Control� 1. Automatic Control Systems mendorong dan

menyebar ke semua tingkat kehidupan masyarakat maju saat ini. Kemajuan teknologi memungkinkan untuk:Pergi ke bulan;Eksplorasi ruang-angkasa. DanSukses mengoperasikan pesawat ruang-angkasa;Eksplorasi ruang-angkasa. DanSukses mengoperasikan pesawat ruang-angkasa;Pesawat ulang-alik (space shuttle); space station;Robotika;Pengaturan industri proses spt. Pengaturan temperatur, tekanan, fluida, pesawat-angkat, dsb.

� 2. Terminologi� Sistem pengaturan (control system)--------

Satu sistem pengaturan (control system) adalah satu interkoneksi komponen-komponen, membentuk satu konfigurasi sistem yang akan memberikan satu respons dikehendaki dari sistem.sistem.

� Masukan referensi (Keluaran dikehendaki)-----Eksitasi yang diberikan ke satu sistem kontrol-pengaturan dari satu sumber luar. Sinyal referensi diproduksi oleh selektor referensi, yang merupakan masukan sinyal aktual ke sistem pengaturan.

� Masukan gangguan (Disturbance input)----Satu sinyal masukan gangguan ke sistem, yang memiliki satu pengaruh tak-dikehendaki pada keluaran sistem.

� Keluaran-Output (controlled variable)-----Besaran yang harus dijaga pada satu nilai yang telah ditentukan, yaitu besaran ini Besaran yang harus dijaga pada satu nilai yang telah ditentukan, yaitu besaran ini harus mengikuti perintah masukan tanpa menghiraukan masukan gangguan.

� Umpan-balik (Feedback)---------------Keluaran dari satu sistem yang harus dikembalikan untuk memodifikasi masukan.

� Error (Kesalahan) ----------------------Perbedaan antara masukan dan keluaran.

� Sistem pengaturan untai-terbuka (Open-loop control system) – Satu sistem dimana keluaran tidak memiliki pengaruh terhadap sinyal masukan.

Elemen umpan-balik (Feedback element) –Unit penyedia nilai pengukuran besarankeluaran untuk diumpan-balikkan, dalamusaha membandingkannya denganreferensi.

� Sinyal-pemicu, Actuating signal (error signal) –Sinyal yang menyatakan beda antara masukan referensi dan sinyal umpan-balik, dan sebagai masukan ke unit kontroler untuk membuat keluaran mencapai nilai yg dikehendaki.

� Umpan-balik negatif (Negative feedback) –Sinyal keluaran diumpan-balikkan untuk mengurangi sinyal masukan.

� Sistem pengaturan untai-tertutup (Closed-loop control system) – Satu sistem dimana keluaran memiliki satu pengaruh pada besaran masukan sedemikian hingga mempertahankan nilai keluaran yg dikehendaki; yaitu satu sistem yg menggunakan yg dikehendaki; yaitu satu sistem yg menggunakan satu pengukuran keluaran dan membandingkannya dgn keluaran yg dikehendaki.

� 3. Sistem pengaturan-Control systemsdigunakan untuk mencapai:

� (1) meningkatkan produktivitas;

� (2) memperbaiki kinerja satu alat atau sistem.

� Pengaturan satu proses industri � Pengaturan satu proses industri (manufacturing, produksi, dsb) secara otomatis bukan cara manual sering disebut otomasi atau automation.

� Automation digunakan untuk memperbaiki produktivitas dan mendapatkan produk kualitas-tinggi (high-quality).

� 4. Sejarah perkembangan automatic control

� (1) Kontroler umpan-balik otomatis pertama yang digunakan pada satu proses industri adalah flyball governor yg diciptakan James Watt’s, dikembangkan di th 1769 untuk mengatur kecepatan satu mesin-uap.

Mesin uap (steam machine)� Mesin uap pertama memberikan satu

keluaran gerakan bolak-balik (reciprocating output motion) yang diatur menggunakan satu alat disebut

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

diatur menggunakan satu alat disebut cataract, sejenis dengan katub-pelampung (float valve).

� Cataract awalnya digunakan pada mesin pompa di tambang batubara Cornwall.

15

� Hasil kerja dari semua peralatan mekanis, diukur dari kecepatan poros keluaran dan digunakan menggerakkan flyball dgn kecepatan utk mengatur katub-uap (valve); yaitu banyaknya uap masuk ke mesin.

� Dengan naiknya kecepatan, bola-baja akan terangkat menjauhi sumbu poros, menutup katub-uap. Bola terbang memerlukan daya dari mesin utk berputar, proses ini mampu menggambarkan pengukuran kecepatan yg cukup teliti.

Centrifugal Governor

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

17

Diagram dasar Sistem Kontrol

Mesin-uapMasukan m

(debit uap)

Keluaran y

(putaran mesin)

Gangguan d

dEnergi

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

01/10/09

TeknikPengaturan

-18

Mekanisme

Valve (katub)

Proses

mesin-uap

Governor

(Controller)

c m yeysp

Sensor-

Transduser

ym

dMekanisme kontrol

+

_

Energi

Mesin Uap & Centrifugal Governor

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

19

Aplikasi Mesin uap (Lokomotip)

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

20

(1) La coulisse, (2) contre-manivelle, (3) tuas pendorong katub-uap,

(4) tuas-maju, (5) simpul artikulasi, (6) katub-uap, (7) piston-silinder.

� (2) J.C.Maxwell menyusun satu teori matematika terkait dengan teori pengaturan (control theory) menggunakan satu model persamaan diferensial dari satu governor. (1868)

� (3)Conventional control theory – Teori pengaturan konvensional cukup efektif utk dipakai menyelesaikan banyak persoalan disain pengaturanpengaturan konvensional cukup efektif utk dipakai menyelesaikan banyak persoalan disain pengaturan(control design problems), terutama untuk sistemSISO (Single-Input Single-Output).

� Dasar matematika yang digunakan utk penyelesaian persoalan demikian adalah metoda transformasi Laplace (Laplace transform).

� Routh 1884; Hurwitz 1895, ���� ����

�------------Algebra stability criterion;

� 1932, Nyquist, ���� ���� ���� ��-----Steady-state frequency-response techniques;

� 1927, Bode and Nichols, ���� ������-------------Frequency-response analysis;------------Frequency-response analysis;

� 1948, Evans, ----- Root-locus theory;

� A.M.Lyapunov, ���� Stability theory:���� Le probleme general de la stabilite du movement, 1892.

� (4) Teori pengaturan modern - Modern control theory(1960) berdasarkan pd metoda variabel-state , untuk disain sistem multiple-input x multiple-output(MIMO).

� Wiener(1949), Optimum design.

� Bellman(1957), Dynamic programming.� Bellman(1957), Dynamic programming.

� Pontryagin(1962), Maximum principle.

� Kalman(1960),Controllability dan observability

� Kalman and Bucy(1961), Kombinasi optimal filter dan optimal controller, Linear quadratic Gaussian(LQG) control.

Teori Kontrol Klasik Teori Kontrol Modern

• SISO, linear ,time-invarying system

• MIMO,nonlinear,time-varying system

• Transformasi Laplace • Matrik, vektor, aljabar-linier

• Transformasi Laplacealjabar-linier

• Waktu, bilangan komplek,

domain frekuensi.

• Domain waktu.

• Keluaran (Output). • State-variabel

� (5) Advanced Control Theory(1980)

� Robust theory.(1980s)

� Intelligent control theory:

Artificial Neural Networks(ANNS);

Fuzzy Control(FC);Fuzzy Control(FC);

Expert System(ES).

GA, GP, EC, Chaos etc.

RETURN

�1.2 Open-loop control systems & Closed-loop Control Systems

� Satu sistem pengaturan (control system) adalah satu interkoneksi sejumlah komponen membentuk satu konfigurasi sistem yg akan membentuk satu konfigurasi sistem yg akan memberikan satu respon sistem dikehendaki.

� Satu komponen proses yg dikontrol disajikan dalam satu blok :

RETURN

Proses Masukan m Keluaran y

Gangguan d

(Stimulus) (Response)

Proses (Mesin-uap)

Masukan m

(debit uap)

Keluaran y

(putaran mesin)

Sebab(Respons dikehendaki)

Akibat(Respons aktual)

Proses yg dikontrol

Sistem Kontrol Untai-terbuka� Terdiri dari kontroler, rangkaian signal

conditioning, aktuator, dan satu proses.� Masukan kontroler adalah hanya set-point,

maka sistem mengkontrol proses secara

Pengantar DSK -28 10/03/08

M.

RAMELI:

Dasar

Sistem

Kontrol

maka sistem mengkontrol proses secara membuta; yaitu kontroler tidak menerimainformasi tentang status aktual dari proses yang dikontrol.

� Akurasi sistem tergantung pada kalibrasikontroler.

� Sistem sederhana dan murah.

SistemSistem KontrolKontrol UntaiUntai--terbukaterbuka & & UntaiUntai--tertutuptertutup

Kontroler ProsesPengkondisi

sinyalAktuator

Set-point

Gangguana) Pengaturan Untai-terbuka (open-loop control)

b) Pengaturan Untai-tertutup (closed-loop control)

Pendahuluan DSK -29 10/03/08

M.

RAMELI:

Dasar

Sistem

Kontrol

Pengkondisi

sinyal

Pengkondisi

sinyal

Kontroler Aktuator Proses

Sensor

Feedback path

Forward pathGangguan

Set-pointSinyal Error

Process VariableSinyal variabel proses

+

–

b) Pengaturan Untai-tertutup (closed-loop control)

Sistem Kontrol Untai-tertutup� Terdiri dari kontroler, rangkaian signal conditioning,

aktuator, satu proses, dan sensor.

� Kontroler menerima informasi dari set-point dan

30 10/03/08 l

� Kontroler menerima informasi dari set-point danstatus-keluaran proses berupa sinyal error, dan diolahuntuk membangkitkan sinyal kontrol yang dikirim keaktuator untuk mempengaruhi proses agar keluaransistem mendekati set-point.

� Dapat mereduksi pengaruh gangguan lingkungan.

Contoh: Sistem kontrol temperature air

1.6

Intelijensi

Pengemudi

Mekanisme

kemudi Automobile+

� Pengaturan umpan-balik dapat didefinisikan sebagai penggunaan sinyal beda, diperoleh dengan membandingkan nilai aktual variabel sistem dengan nilai dikehendaki, sebagai sarana untuk mengatur satusistem.

Pengaturan Umpan-balik

M. RAMELI: Perkembangan Sistem Pengaturan

Pengemudi kemudi Automobile

Sensor

Visual &

Tactile

-� Contoh satu feedback control system adalah pengaturan kecepatan

mobil (automobile speed control), yang menggunakan beda antara kecepatan aktual dan yang dikehendaki untuk merubah debit aliran bahan bakar.

� Karena keluaran sistem dipakai untuk mengatur masukannya, maka peralatan demikian disebut sebagai satu sistem pengaturan untai-tertutup (closed-loop control system).

32

Stability

�Terimakasih