Pengantar Sistem Kendali

BAB I

PENGANTAR SISTEM KENDALI

A. Sejarah Sistem Kendali

      Seiring berkembangnya teknologi terutama pada bidang komputer, tek-nik kendali juga mengalai perkembangan yang sangat pesat pada berbagai bidang. Perkembangan teknik kendali pada dewasa ini lebih terfokus pada kendali digital yang mudah dalam penggunaanya yang sering disebut mik-roprosesor atau mikrokontroller. Dengan besarnya perkembangan ini me-nyebabkan penggunaan Teknik kendali digital di berbagai teknik kendali, baik dalam skala yang sangat besar, maupun skala kecil.

     Pada skema sistem kendali yang dapat memuat suatu komputer digital dalam sebuah lup kendali untuk memproses sebuah sinyal biasa disebut suatu kendali digital langsung (direct control digital), atau sering disingkat menjadi kendali digital.

Kendali digital merupakan sistem yang terpadu yang memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan kendali analog diantaranya :

• Pada teknologi kendali digital menawarkan data yang diproses seca-ra langsung, memungkinkan pengenalan layanan-layanan lansung, dan perhitungan-perhitungan kendali kompleks yang dapat dilakukan de-ngan mudah.
• Pada penulisan program kendali dapat diubah dengan mudah dan da-pat memperlihatkan kesalahan sesuai kebutuhan
• Pada sistem pengendali digital memiliki keunggulan dibandingkan de-ngan pengendali analog dalam hal mengatasi nois ,panas, dan derau-derau interna.

Selain memiliki kelebihan,kendali digital juga memiliki beberapa kele-mahan dalam penggunaannya diantaranya :

• Proses cupllik dan kuantisasi cenderung menimbulkan galat(error) yang akan mengurangi performa pada sebuah sistem kendali digital
• Perancangan untuk memperbaiki degradasi performa tersebut lebih rumit jika dibandingkan dengan sistem analog untuk skala yang sama

B. Masalah Kendali

       Sistem kendali merupakan sebuah proses sik secara teliti yang dikendalikan melalui operasi simpal tertutup atau balikan. Variabel keluaran, disebut se-bagai tanggapan, diatur oleh sinyal galat. Sinyal galat ini adalah perbedaan antara tanggapan sistem, yang diukur oleh sensor, dan sinyal acuan, yang mewakili tanggapan sistem yang diinginkan.

Penyelesain masalah pada kendali umumnya meliputi beberapa hal yaitu:

• Memilih-milih sensor untuk mengukur keluaran kendalian Memilih penggerak untuk menjalankan kendalian
• Mengembangkan persamaan (model-model) kendalian, penggerak dan sensor
• Merancang pengendali berdasarkan pada mmodel-model yang dikem-bangkan dan kriteria kendali
• Mengevaluasi rancangan secara analitis, dengan cara simulasi, dan akhirnya menguji dengan sistem sik
• Jika tes sik tidak memuaskan, langkah diatas diulangi kembali (ite-raasi).

Gambar:1.1.Solusi Matematik dari Permasalahan Fisik (Phillips: 999)

     Karena ketidaktelitian model-model, pengujian dari sistem kendali sik biasanya tidak memuaskan. Insinyur kendali harus melakukan pengulangan (iterasi) prosedur perancangan ini, dengan menggunakan semua cara yang ada, untuk memperbaiki sistem. Naluri umum,yang dikembangkan pada saat melakukan percobaan dengan sistem sik, memegang peranan penting dalam proses-proses perancangan.

          Hubungan antara analisis matematik dan perancangan dengan prosedur-prosedur perancangan sistem sik diperlihatkan pada Gambar 1.1. Semua fasa yang diperlihatkan pada gambar diutamakan pada bagian konsep da-ri prosedur-prosedur yaitu aplikasi konsep matematik menjadi model-model matematik. Namun untuk perancangan praktis, kesulitan utamanya adalah


C. Contoh-contoh Sistem Kendali

a). Sistem Pengiriman Obat Lup Tertutup

     Beberapa penyakit kronis memerlukan regulasi tingkat darah pasien dari obat. Sebagai contoh, beberapa penyakit menyebabkan kerusakan kendali lup tertutup tubuh secara alami. Paling umum di antaranya adalah penya-kit diabetes, di mana produksi hormon insulin yang mengendalikan kadar glukosa darah terganggu.

Untuk merancang sebuah lup tertutup sistem pengiriman obat, sensor yang digunakan untuk mengukur kadar obat atau nutrisi diatur dalam da-rah. Pengukuran ini diubah menjadi bentuk digital dan diumpankan ke komputer kendali yang mendorong pompa yang menyuntikkan obat ke da-lam darah pasien.

Gambar 1.2: Sistem pengendali digital pengiriman obat (Azwardi and Cekmas Cekdin: 2015)

b). Kendali Komputer Mesin Pesawat Turbojet.

    Untuk mencapai kinerja tinggi yang diperlukan untuk pesawat terkini, mesin turbojet menggunakan strategi kendali komputer canggih. Diagram blok sederhana untuk kendali komputer turbojet ditunjukkan pada Gambar 1.3 . Kendali membutuhkan umpan balik dari keadaan mesin (kecepatan, suhu, dan tekanan), pengukuran keadaan pesawat terbang (kecepatan dan arah), dan perintah pilot

Gambar 1.3: Sistem kendali mesin turbojet pada Pesawat terbang pemburu militer (Azwardi and Cekmas Cekdin: 2015)

C). Kendali Manipulator Robot

    Manipulator robot mampu melakukan tugas berulang dengan kecepatan dan akurasi yang jauh melebihi operator/manusia. Manipulator robot secara luas digunakan dalam proses manufaktur, seperti pengelasan dan pengecatan. Untuk melakukan tugas secara akurat dan andal, posisi tangan manipulator dan kecepatan dikendalikan secara digital. Setiap gerakan atau derajat kebebasan dan manipulator diposisikan dengan menggunakan sistem kendali posisi terpisah. Semua gerakan yang dikoordinasikan oleh sebuah komputer pengawas untuk mencapai kecepatan dan posisi yang diinginkan. Algoritma kendali di-download dari komputer pengawas ke komputer kendali yang bi-asanya berupa mikroprosesor khusus yang dikenal sebagai chips pemroses sinyal digital.

     Chips pemroses sinyal digital mengeksekusi algoritma kendali dan me-nyediakan kendali lup tertutup untuk manipulator. Sebuah manipulator robot sederhana ditunjukkan pada Gambar1.4. Untuk kesederhanaan hanya satu gerakan kendali lup ditunjukkan pada Gambar 1.4, tetapi sebenarnya ada n lup untuk n pemroses sinyal digital manipulator.

Gambar 1.4: Sistem kendali manipulator robot (Azwardi and Cekmas Cekdin: 2015)

D. Istilah-Istilah Sistem Kendali

     Sistem kendali atau pengendalian khususnya pada pengendalian otomatis dan pengendalian digital memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi. Sistem kendali dapat dikatakan sebagai hubungan antara komponen yang membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan. 

    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.

     Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kendali tentunya diperlukan pemahaman yang cukup tentang hal-hal yang berhubungan dengan sistem kendali digital. Oleh karena itu selanjutnya akan dikaji beberapa istilah-istilah yang dipergunakan untuk menjelaskan sistem pengendalian sehingga pemahaman tentang bidang ini menjadi lebih mudah.

Sistem merupakan kumpulan komponen-komponen yang saling berhubungan dan bekerja sama untuk mencapai suatu tujuan tertentu. 

Contoh Sistem: Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air, Komponen { komponen Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air terdi-ri dari air terjun, turbin, dan generator Hal ini mengantarkan para pembaca pada istilah lain yaitu proses dan plant

Proses adalah nama lain untuk sistem. Kamus Merriam-Webster mende ni-sikan proses sebagai operasi atau perkembangan alamiah yang berlangsung secara kontinyu yang ditandai oleh suatu deretan perubahan kecil yang beru-rutan dengan cara yang relatif tetap dan menuju ke suatu hasil atau keadaan akhir tertentu.Pada umumnya, setiap operasi yang dikontrol disebut proses. Sebagai contoh adalah proses kimia, ekonomi, dan biologi.

Plant adalah nama lain untuk sistem. Plant adalah seperangkat peralatan mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama, yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Pada sistem pengendalian, setiap obyek sik yang dikontrol disebut plant, msalnya pa-brik, reaktor nuklir, mobil, sepeda motor, pesawat terbang, pesawat tempur, kapal laut, kapal selam, mesin cuci, mesin pendingin (sistem AC, kulkas, fre-ezer), penukar kalor (heat exchanger), bejana tekan (pressure vessel), robot dan sebagainya.

Sistem pengendalian Sebelum menjelaskan apakah yang dimaksud dengan sistem pengendalian, terlebih dahulu perlu diketahui arti dari kata pengendalian. 

Pengendalian atau kontrol adalah upaya yang dilakukan untuk menja-ga/mencapai kondisi yang diinginkan pada sistem sik dengan mengubah - ubah variabel tertentu yang dipilih. Pengendalian dapat juga berarti meng-ukur nilai dari variabel sistem yang dikontrol dan menerapkan variabel yang dimanipulasi ke sistem untuk mengoreksi atau membatasi penyimpangan nilai yang diukur dari nilai yang dikehendaki.

Sistem Pengendalian Digital Dalam sistem pengendalian otomatis terdapat komponen -komponen utama seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmit-ter), elemen controller (control unit), dan nal control element (control value ).

Kontroler adalah komponen dalam sistem pengendalian yang menghasilkan sinyal kontrol. Dalam sistem pengendalian khususnya sistem pengendalian loop tertutup, kontroler akan membandingkan setpoint dengan variabel keluaran (keluaran terukur), menghitung berapa banyak koreksi yang perlu dilakukan, dan mengeluarkan sinyal koreksi (sinyal kontrol) sesuai dengan perhitungan tadi. 

Sistem pengendalian umpan balik adalah sistem yang cenderung mempertahankan suatu hubungan yang telah ditentukan antara keluaran sistem dan masukan acuan (setpoint) dengan membandingkan keduanya dan menggunakan perbedaannya sebagai sinyal kontrol. 

Sistem pengendalian sekuensial adalah sistem yang melakukan beberapa operasi secara otomatis step by step yang bekerja sesuai dengan aturan (sequence) yang telah ditentukan. Kebanyakan pengendalian sekuensial hanya melaksanakan perintah yang mempunyai dua keadaan (state) secara berurutan; misalnya : start/stop, up/down, tutup/buka, sinyal on/off dan lain-lain.

Sistem pengendalian proses merupakan sistem pengendalian otomatis dimana keluarannya adalah suatu variabel seperti temperatur, tekanan, aliran, level cairan atau pH. Pengendalian proses secara luas digunakan di industri.

Sistem pengendalian loop terbuka merupakan suatu sistem pengendalian yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Pada sistem pengendalian loop terbuka tidak terdapat jaringan umpan balik. Dengan kata lain, pada sistem pengendalian loop terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan acuan (setpoint).

Sistem pengendalian loop tertutup merupakan suatu sistem pengendalian dimana sinyal keluaran mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi kontrol.

Pada sistem pengendalian loop tertutup terdapat jaringan umpanbalik karenanya sistem pengendalian loop tertutup seringkali disebut sebagai sistem pengendalian umpanbalik. Praktisnya, istilah pengendalian loop tertutup dan pengendalian umpanbalik dapat saling dipertukarkan penggunaannya.

Contoh sistem pengendalian loop tertutup adalah sistem pengendalian temperatur pada oven listrik. Penjelasan lebih detail tentang sistem pe-ngendalian temperatur pada oven listrik dapat dilihat pada bagian sistem pengendalian umpan balik.

Gangguan (disturbance)Suatu sinyal yang mempunyai k ecenderungan untuk memberikan efek yang melawan terhadap keluaran sistem pengendalian(variabel terkendali). Be-saran ini juga lazim disebut load.

Sensing element Bagian paling ujung suatu sistem pengukuran ( measuring system) atau sering disebut sensor. Sensor bertugas mendeteksi gerakan atau fenomena lingkungan yang diperlukan sistem kontroler. Sistem dapat dibuat dari sis-tem yang paling sederhana seperti sensor on/o menggunakan limit switch, sistem analog, sistem bus paralel, sistem bus serial serta si stem mata kame-ra. Contoh sensor lainnya yaitu thermocouple untuk pengukur temperatur, accelerometer untuk pengukur getaran, dan pressure gauge untuk pengukur tekanan.

Transduser Piranti yang berfungsi untuk mengubah satu bentuk energi menjadi energi bentuk lainnya atau unit pengalih sinyal. Suatu contoh mengubah sinyal ge-rakan mekanis menjadi energi listrik yang terjadi pada peristiwa pengukuran getaran. Terkadang antara transmiter dan tranduser dirancukan, keduanya memang mempunyai fungsi serupa. Transduser lebih bersifat umum, namun transmiter pemakaiannya pada sistem pengukuran.

Error Selisih antara set point dikurangi variabel terkendali. Nilainya bisa positif atau negatif, bergantung nilai set point dan variabel terkendali. Makin kecil error terhitung, maka makin kecil pula sinyal kendali kontroler terhadap plant hingga akhirnya mencapai kondisi tenang ( steady state)

Final Controller Element Bagian yang berfungsi untuk mengubah measurement variable dengan memanipulasi besarnya manipulated variable atas dasar perintah kontroler.

Sistem Pengendalian Manual 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 uida dalam tangki. Permukaan uida dalam tangki bertindak sebagai masukan, sedangkan penglihatan bertindak sebagai sensor. Operator berperan membandingkan tinggi sesungguhnya saat itu dengan tinggi permukaan uida yang dikehendaki, dan kemudian bertindak untuk membuka atau menutup katup sebagai aktuator guna mempertahankan keadaan permukaan yang diinginkan.

Sistem Pengendalian Otomatis Sistem pengendalian dimana faktor 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 ken dali yang memanfaatkan kontrol otomatis,

Sistem Pengendalian Kontinyu Sistem pengendalian yang ber jalan secara kontinyu, pada setiap saat respon sistem selalu ada. Pada Gambar dibawah Sinyal e(t) yang masuk ke kontroler dan sinyal m(t) yang keluar dari kontroler adalah sinyal kontinyu.