1 PENGANTAR TEKNIK PENGENDALIAN OTOMATIS

1 PENGANTAR TEKNIK PENGENDALIAN OTOMATIS Gambaran Umum

Kerangka Bahasan

Bab ini akan membahas dasar-dasar sistem pengendalian modern. Pembahasan dimulai dari sejarah perkembangan teknologi pengendalian, prinsip-prinsip pengendalian, serta komponen-komponen penting dalam sistem pengendalian. Juga dijelaskan beberapa aplikasi teknologi pengendalian modern dalam berbagai bidang, diantaranya adalah dalam bidang manufakturing, robotik, automotif, pengkondisian udara (AC), dll. Pada akhir bab ini pembaca akan disajikan beberapa contoh blok diagram sistem pengendalian cerdas; Fuzzy Logic Controller, Jaringan Syaraf Tiruan, dan kombinasi keduanya yang dikenal dengan pengendalian Neuro-Fuzzy. Bab ini juga dilengkapi dengan beberap contoh, soal latihan dan beberapa pertanyaan untuk aktivitas asesmen. Jangan lewatkan bab ini, karena Anda akan termotivasi untuk mempelajari sistem pengendalian modern lebih dalam dan lebih komprehensif.

1. Sejarah perkembangan teknik pengendalian otomatis, 2. Pengertian dasar sistem pengendalian otomatis, 3. Apa yang harus dikendalikan dan bagaimana cara mengendalikan, 4. Strategi dalam teknik pengendalian otomatis.

Capaian Pembelajaran 1. 2. 3. 4.

Mampu menjelaskan pengertian tentang sistem pengendalian automatis, Mampu menjelaskan bagian-bagian penting dalam sistem pengendalian, Mampu menjelaskan berbagai aplikasi pengendalian di industri dan di masyarakat. Membuka wawasan pembelajar menuju pada pengertian tentang sistem-sistem pengendalian cerdas berbasis pada pengolahan pengetahuan (knowledge base).

1 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Dalam kehidupan kita sehari-hari seringkali kita ingin mengendalikan segala sesuatu agar berjalan sesuai dengan apa yang kita kehendaki. Tujuan utamanya adalah agar hidup kita terasa nyaman dan memudahkan pekerjaan kita. Beberapa contoh pentingnya sebuah pengendalian otomatis yang kita temui sehari – hari.

Contoh

Sebuah bak penampung air, yang diisikan air dari sumber untuk memenuhi air sampai pada ketinggian tertentu. Apabila kran dibiarkan akan menyebabkan air meluber dan tumpah ke sekitarnya. Demikian pula apabila isi air pada bak tandon kosong, maka orang akan membuka nya untuk mengisi air sampai penuh. Hal ini terlihat bahwa setiap saat manusia diharapkan melihat isi bak air pada bak tandon

Kran air

Pelampung

Sumber: https://www.google.com /search?q=gambar +bak+penampung+air

Apa yang terjadi apabila tidak ada kran otomatis ini? Saat kran terbuka, menyebabkan air akan mengalir secara terus menerus dan akan meluber. Dan saat kran tertutup, maka apabila air dalam tendon digunakan sampai habis, menyebabkan tidak ada air yang bisa mengalir untuk mengisi tandon tersebut.

Sebuah pelampung yang bekerja membuka dan menutup kran dapat berfungsi sebagai pengganti mata manusia dalam melihat ketinggian air dan gerakan tangan untuk membuka dan menutup kran. Kita ingin mengendalikan sistem pengkondisian udara dirumah kita, agar kita selalu mendapatkan udara segar dan sehat. Kemudian kita merancang sistem ventilasi untuk aliran udara masuk dan


keluar, agar lancar dan berkecukupan untuk penghuninya. Tidak jarang kemudian kita memasang AC (mesin pengkondisi udara) untuk mengatur suhu udara dalam ruangan, agar diperoleh tingkat kenyamanan alami. Contoh yang lain adalah dalam bidang transportasi, kita menghendaki kendaraan kita dapat kita kendalikan sepenuhnya terkait dengan kecepatan, penggunaan bahan bakar dan tingkat keamanannya. Maka kita perlu memastikan sistem pengendali mesin berjalan dengan baik dan efisien, sistem kemudi mempunyai akurasi dan kehandalan untuk mengendalikan kecepatan dan arah mobil, dan sistem pengereman ABS misalnya, dapat bekerja dengan baik dan efisien sehingga dapat dipastikan tingkat keselamatan dijalan dapat dijamin. Sistem pengendalian saat ini juga masuk pada era pengendalian cerdas. Kita menginginkan sistem pengendalian dapat bekerja secara automatis sekaligus berperilaku layaknya manusia ahli yang sedang mengendalikan sesuatu sistem. Prinsipnya adalah sistem pengendalian tersebut bekerja berdasarkan logika kepakaran, dapat mengakomodasi ketidak lengkapan data, ‘mengerti’ masukan linguistik, serta keberhasilan capaian tujuan pengendalian lebih utama, dibandingkan akurasi sistem. Sistem pengendalian cerdas sangat sesuai untuk sistem-sistem yang berproses secara non-linier, dengan ketidak pastian yang tinggi, serta berbasis pada pengolahan pengetahuan. Contoh adalah bidang robot cerdas, pengendalian pesawat terbang (fly by ware), kamera, mesin cuci, otomotif, dll. Pengembangan sistem pengendalian diberbagai bidang di Indonesia sudah masuk dalam produkproduk masal, mulai dari produk berteknologi sederhana dan sedang, sampai pada produk berteknologi tinggi. Namun sayang kita masih menjadi masyarakat pengguna, belum menjadi produsen yang mandiri, saatnya Anda bersungguh-sunguh untuk belajar, lalu dimasa depan mengambil peranan penting sebagai produsen.

Sejarah Perkembangan Teknik Pengendalian Modern. Di beberapa industri seperti industri proses, manufaktur dan sistem yang lain, membutuhkan suatu sistem yang mampu untuk mengendalikan satu / beberapa variabel agar proses terjamin keberlangsungannya. Ada beberapa kejadian di industri yang menunjukkan bahwa pentingnya sistem pengendalian pada proses di industri, seperti meledaknya tangki NH3 di pabrik Petrokimia, suhu gas yang terlalu tinggi yang keluar dari cerobong di pabrik Semen, terjadinya tabrakan kapal pada sistem transportasi laut, terjadinya perubahan fungsi rem pada mobil dan sebagainya. Kejadian tersebut menunjukkan bahwa tidak baiknya dan mungkin tidak adanya sistem pengendalian tekanan


dan suhu pada tangki, pengendali suhu pada proses semen, pengendali arah pada kemudi kapal, pengendali pada rem, dan sebagainya. Pada awal penggunaan teknik pengendalian secara otomatis ini, adalah lahir pada pengembangan mekanisme yang mengatur pelampung mulai kira kira 300 SM sampai 1 M di Yunani. Dan kemudian dalam perkembangannya digunakan sistem berumpan balik yang pertama di Eropa, pada sistem pengatur suhu dari Cornelis Drebbel (1572 – 1633) dari Belanda. Dennis Papin (1647 – 1712) adalah yang pertama kali menemukan pengatur tekanan untuk pembangkit uap pada tahun 1681. Pengatur tekanan ini bentuknya mirip pengatur keselamatan (safety regulator) pada katup pemasak bertekanan (pressure cooker). Dan kemudian pengatur berumpan balik pertama kali yang digunakan di industri adalah bola pengatur dari James Watt yang dikembangkan tahun 1769 untuk mengendalikan mesin uap. Alat yang sepenuhnya mekanis ini mengatur kecepatan poros penggerak (shaft) dan menggunakan gerakan bola (flyball) untuk mengatur bukaan katup sehingga bola pemberatnya akan naik, dan sejumlah uap akan masuk ke mesin. Bila kecepatan bertambah, bola pemberat akan naik, dan bergerak menjauhi poros penggerak sehingga menyebabkan katup menutup. Bola pemberat ini membutuhkan daya yang diambil dari mesin untuk membuatnya berputar, dan ini membuat pengukuran kecepatan menjadi kurang teliti. Masa – masa sebelum tahun 1868 ditandai oleh perkembangan Sistem Pengaturan Otomatis yang ditemukan secara intuitif. Untuk mempertinggi ketelitian sistem pengaturan membawa sistem ke arah peredaman, atenuasi, osilasi transien yang lebih sedikit dan bahkan menjadikannya tidak stabil. Hal inilah yang menyebabkan para ahli mengembangkan teori tentang pengendalian automatis, seperti J.C Maxwell merumuskan dalam teori matematik, yang berhubungan dengan teori pengendalian dengan menggunakan bentuk persamaan differensial untuk governor. Dalam waktu bersamaan I. A Vyshnegradskii merumuskan pula bentuk model matematis dari berbagai regulator. Perkembangan teori pengendalian otomatis dan aplikasinya sebelum perang Dunia II di Amerika berbeda dengan di Eropa dan Uni Sovyet. Adanya sistem telepon dan penguat elektronik menyebabkan munculnya teori yang dikemukakan oleh Bode, Nyquist dan Black di Laboratorium Bell Telephone. Dalam kawasan frekuensi , telah digunakan terutama untuk menggambarkan penguat berumpan balik yang dirumuskan dalam bentuk bandwidth dan variabel frekuensi yang lain. Sedangkan di Uni Sovyet, perkembangan teori pengendalian ini diilhami oleh para ahli bidang mesin, sehingga cenderung dalam analisa kawasan waktu. Selama perang Dunia II, dirasakan kebutuhan tentang pengendalian otomatis semakin meningkat, hal ini saat dilakukan perancangan pesawat berpilot automatis, sistem pangarah senjata, sistem pengendalian untuk arah antena radar, dan penerapan lain dalam bidang militer. Tentu saja hal ini membutuhkan teori baru untuk


perkembangan perancangan sistem pengendalian, hingga sampai dengan tahun 1940 an, dilakukan metode trial eror dalam aplikasinya. Selama dasawarsa 50 an, titik berat teori pengendalian otomatis terletak pada metode bidang s (variabel komplek), terutama pendekatan root locus karena memungkinkan dilakukan dengan bantuan komputer. Tabel 1-1 Sejarah teknik pengendalian Tahun Penemu 300 SM Greece 1770

James Watt

1868

James Maxwell (Cambridge University) E.J Routh (Soviet union) A.M. Lyapunov

1893 1893 1927 1930 1932 1936

HS Black dan HW Bode (AT & T Bell Lab). Norbert Wiener (MIT) H Nyquist (AT & T Bell Lab).

1948

A Calleneder, DR Hartee dan A Porter (Inggris) Claude Shannon (MIT)

1948 1940

WR Evans Bell Lab ( MIT)

1959

HM Payneter (MIT)

1965

LA Zadeh

1970an

1980an 1990an

Keterangan Valve apung dan regulator untuk pengendalian ketinggian fluida Mesin uap, governor untuk pengendalian kecepatan Teori tentang governor Kriteria kestabilan Teori kestabilan, berdasar formulasi state space Feedback amplifier elektronik Teori proses stokastik Kriteria kestabilan dari gain Nyquist atau plot phase Pengendali PID Teori matematika tentang komunikasi Metode root locus Teori dan aplikasi servomekanisme, cybernetik dan pengendalian Teknik Grafik Bond untuk pemodelan sistem Teori Himpunan Fuzzy dan Logika Fuzzy Pengendalian cerdas pengembangan dari jaringan syaraf tiruan: pada robot dan otomasi di industri (Amerika Utara, Jepang, Eropa) Pengendalian robust : pada robot atomasi secara fleksibel di berbagai bidang Aplikasi produksi smart : pengembangan mekatronika

Di Uni Sovyet lain lagi, dalam perkembangan teori pengendalian otomatis, domain waktu dan domain frekuensi digunakan secara serentak untuk menganalisa sistem pengendalian. Sedangkan sistem pengendalian modern yaitu sistem yang bertujuan untuk teknik pengendalian yang berkaitan dengan


analisa

dan

rancangan

yang

berkepentingan

dengan

sistem

yang

mempunyai

sifat

mengorganisasikan sendiri, mudah menyerap dan menyesuaikan diri dengan keadaan sekelilingnya serta bersifat optimal. Dampak dari teknik pengendalian modern adalah produktivitas di dindustri meningkat. Tabel 1-2 Perkembangan Industri Instrumen dan Pengendalian Tahun Nama Perusahaan Produksi 1844 Siemens Governor cronometrik dengan aksi integral 1800 Brown Instrumen Pirometer untuk alat ukur suhu 1880 Taylor Instrumen Termometer dan barometer 1888 Fisher Governor Pengendali 1885 Butz Thermo - electric Thermo – electric regulator 1913 Honeywell Heating Speciality Sistem pemanas air untuk rumah tangga 1903,1915 Bristol Company Pengendali suhu, indikator tekanan dan perekam 1899 Morris Leeds Co Instrumen untuk laboratorium: galvanometer, instrumentasi industri (1920) 1900 Tagliabue Co Pengontrol suhu udara 1916 Bailey Meter Co Instrumen untuk operasi boiler 1937 Fisher & Porter Rotameter 1934 Billman Control Motor Valve Feedforward variator Sistem elektrik pada HVAC Selanjutnya berkembang beberapa teknik pengendalian otomatis dengan berbagai metode, baik yang dinamakan sebagai metode klasik, metode adaptif, modern maupun menggunakan logika penalaran seperti manusia. Demikian pula hampir semua industri proses maupun industri manufaktur seperti industri : pengecoran logam, pulp dan kertas, pembangkit daya, perminyakan, kimia, kayu, keramik dan glas , perakitan, peralatan rumah tangga, dsb. Sejarah dari teknik pengendalian dapat dilihat pada tabel 1.1 di atas.

Gambar 1-1 Governor untuk sistem pengendali kecepatan buatan J. Watt, merupakan suatu sistem pengendali primitif. Gambar disamping menunjukkan skema dari governor.


Sebagai ilustrasi dari sejarah perkembangan instrumen dan sistem pengendalian di beberapa industri dapat dilihat pada Tabel 1.2 di atas.

Gambar 1-2 Diagram sistem pengendalian modern Mengapa perlu mempelajari teori tentang sistem pengendalian ? Tentu saja ini berkaitan dengan apa tujuan yang hendak dicapai, diantaranya yaitu : 

Momodifikasi atau meningkatkan performansi keluaran (baik statik maupun dinamik) dari suatu sistem (robot, proses di industri pesawat terbang, manufaktur dll), caranya adalah dapat dilakukan dengan merubah respon sistem atau menstabilkan plant yang tidak stabil. Pada tujuan yang pertama ini dilakukan strategi yang dinamakan pengendali servo.



Menjaga kondisi operasi pada susatu sistem adalah “fixed” (misalkan, laju aliran pada pipa, kecepatan motor, ketinggian pesawat terbang, arah dari kapal dsb) dengan adanya gangguan dari luar (seperti adanya kebocoran pada pipa, gangguan angin, arus laut dan gelombang dsb). Pada strategi kedua dinamakan kita merancang suatu regulator.



Membuat proses / plat tidak sensitif terhadap perubahan sifat internalnya atau dikatakan kekokohan – robustness.




Mencapai suatu kondisi yang lebih ekonomis (misalkan energi, waktu, bahan bakar dsb) dengan cara meningkatkan operasi pada plant. Startegi seperti ini dikatakan sebagai optimasi.

Gambar 1-3 Diagram sebuah sistem pengendalian. Dalam dunia industri sistem pengendalian automatik sangat penting keberadaannya, tidak saja untuk menjamin keberhasilan pencapaian tujuan dari suatu proses, tetapi juga untuk menjaga kualitas, menghemat energi, menekan biaya. Untuk memahami pentingnya suatu sistem pengendalian automatis ini, dapat dilihat dari skematik pada Gambar 1 di bawah ini. Dunia nyata (sistem, plant, proses)

Pemodelan

Abstraksi secara matematis

Simulasi Implementasi

Analisa Iterasi Prediksi secara teoritis (karakterisasi)

Perancangan Pengendali

Interprestasi dan perancangan

Gambar 1-4 Prinsip dalam perancangan sistem pengendalian

Pengertian Dasar Sistem Pengendalian Automatis. Hal dasar yang terlebih dahulu perlu dipahami dalam mempelajari sistem pengendalian automatis adalah pengertian tentang sistem, plant, dan proses secara jelas.


Definisi Dasar Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja secara bersama-sama dan melakukan sasaran tertentu. Plant adalah seperangkat peralatan, mungkin hanya terdiri dari beberapa bagian mesin yang bekerja bersama-sama, dan yang digunakan untuk melakukan suatu operasi tertentu. Proses adalah setiap operasi dari plant yang dikendalikan, yang terpenting dari proses ini adalah adanya perubahan variabel proses.

Plant dan Instrument di Industri Beberapa plant di industri yang dikenal, misalkan boiler yang berfungsi memanaskan gas / fluida dengan bahan bakar tertentu, dan gas / fluida panas ini digunakan untuk proses berikutnya. Berikut ini contoh beberapa tipe boiler yang ada di industri.

Gambar 1-5 Fire tube boiler


Gambar 1-6 Water tube Boiler

Gambar 1-7 Paket boiler 3 pass, bahan bakar minyak (Spirax Sarco)

Sistem pengendalian open loop 10 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Gambar berikut merupakan blok diagram pada proses yang dikenal sebagai sistem pengendalian open loop. Pada sistem pengendalian jenis ini, tidak ada sinyal feedback ke pengendali. Model seperti ini tidak menguntungkan, karena banyak ditemui kesalahan yang terjadi, misalkan pada keluaran yang tidak sesuai dengan performansi yang diharapkan, munculnya kecelakaan pada proses dsb.

Gangguan

Set Point

Pengendali

Aksi pengen dali

Aktuator

Plant / Proses

Valve

Keluaran

Gambar 1-8 Sistem pengendalian untai terbuka – open loop Gambar berikut merupakan suatu blok diagram dari sistem pengendalian pada proses, sistem atau plant, yang dinamakan sistem pengendalian untai tertutup – close loop. Sinyal kontrol

eror

Load / Beban

Set point

Komp arator

Pengendali

Aktuator

Transmiter

Proses / Sistem / Plant

Sensor

Gambar 1-9 Blok diagram dasar sistem pengendalian automatis Perhatikan blok diagram pada Gambar 1.9 di atas, terdapat beberapa istilah yang perlu dipahami, yaitu: 1. Eror adalah selisih harga antara sinyal keluaran sistem yang terukur dengan sinyal setpoint. Atau selisih Antara set point dengan nilai dari variable proses 2. Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal keluaran sistem, dan mengubah menjadi sinyal yang dimengerti oleh pengendali. 3. Aktuator adalah alat daya yang menghasilkan masukan ke plant sesuai dengan sinyal pengendalian sedemikian hingga sinyal umpan balik akan berkaitan dengan sinyal masukan acuan (set point).


4. Sensor atau elemen pengukur adalah alat yang mengubah variabel keluaran menjadi variabel yang sesuai dengan sinyal masukan acuan (set point). Variabel proses adalah variable adalah sebuah kondisi yang dapat berubah dalam beberapa cara. Pada contoh Gambar 1.6, dengan melakukan perubahan seting terhadap laju udara dan laju bahan bakar, maka akan merubah suhu fluida. Dalam contoh ini variable proses adalah suhu fluida. Variabel proses yang umum, meliputi:  tekanan  laju aliran  Level fluida  suhu  rapat massa  PH  massa  konduktivitas

Sistem pengendalian dapat diklasifikasikan dengan cara sebagai berikut : Sistem pengendalian umpan maju, adalah sistem pengendalian yang bekerja hanya berdasarkan sinyal umpan maju dari setpoint. Contoh : mesin cuci, setrika, kipas dengan pengatur waktu. Pada sistem pengendalian ini , kerja aktuator tanpa sensor, pengetahuan tentang dinamika sistem harus sesuai dengan perhitungan input dan membutuhkan model dinamika plant yang sangat akurat. Sistem pengendalian umpan balik, adalah sistem pengendalian yang bekerja berdasarkan sinyal eror yang merupakan selisih antara setpoint dengan keluaran sistem. Contoh : Mesin pendingin ruangan (AC-Ruangan). Sistem pengendalian SISO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-tunggal-keluaran- tunggal (Single Input Single Output - SISO). Sistem pengendalian MIMO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-banyak-keluaranbanyak (Multi Input Multi Output - MIMO). Sistem pengendalian MISO, adalah sistem pengendalian dengan masukan-banyak-keluaran-tunggal (Multi Input Single Output - MISO). Sistem pengendalian diterministik, adalah sistem pengendalian yang tanggapan terhadap masukan dapat diperkirakan, sedangkan sebaliknya jika tanggapan terhadap terhadap masukan tidak dapat diperkirakan dikenal sebagai sistem pengendalian stokastik.


Apa yang Harus Dikendalikan dan Bagaimana Cara Mengendalikan Untuk lebih memahami tentang sistem pengendalian automatik, berikut beberapa ilustrasi sistem pengendalian automatik yang sering dijumpai di industri.

Sistem Pengendalian Kecepatan Mesin Gambar dibawah adalah prinsip dasar dari governor Watt mesin. Kecepatan governor disetel sesuai dengan kecepatan yang diinginkan dan tidak terdapat tekanan minyak yang masuk sisi silinder. Jika kecepatan yang sebenarnya turun dari yang diinginkan, maka gaya sentrifugal governor mengecil, menyebabkan katup pengendali bergerak ke bawah, mencatu bahan bakar lebih banyak sehingga kecepatan mesin membesar sampai dicapai harga yang diinginkan. Sebaliknya, jika kecepatan mesin melebihi nilai yang diinginkan, maka gaya sentrifugal dari governor membesar, menyebabkan katup pengontrol bergerak ke atas. Hal ini akan memperkecil catu bahan bakar sehingga kecepatan mesin mengecil sampai dicapai nilai yang diinginkan.

Gambar 1-10 Sistem pengendalian kecepatan.

Pada sistem pengendalian kecepatan ini, Plant (sistem yang dikendalikan) adalah mesin dan variabel yang dikendalikan adalah kecepatan dari mesin tersebut. Perbedaan antara kecepatan yang dikehendaki dan kecepatan yang sebenarnya adalah sinyal eror. Sinyal kendali (jumlah bahan bakar) yang akan diberikan ke plant (mesin) adalah sinyal aktuasi. Masukan eksternal yang akan mengganggu variabel yang dikendalikan adalah gangguan. Perubahan beban yang tidak diharapkan adalah gangguan.


Sistem Pengendalian Lengan Robot Lengan robot sering digunakan di industri untuk memperbaiki produktivitas, meningkatkan kapasitas, dan efisiensi terhadap tenaga manusia. Robot dapat bekerja baik operasi yang bersifat rutin dan rumit, maupun pekerjaan-pekerjaan yang memerlukan akurasi yang sangat tinggi. Robot terdiri dari kombinasi elektrik dan mekanik yang kemudian sering dikenal dengan istilah mekatronika. Yang diperhatikan sebagai plant adalah lengan robot, yang terdiri dari motor-motor, lengan tangan, pergelangan. Sebagai sensor untuk mengetahui gerakan tangan robot, digunakan kamera yang memberikan sinyal umpan balik pada pengendali. Jika ada perbedaan dari yang diharapkan, pengendali akan menggerakkan aktuator dan aktuator menggerakkan lengan robot kearah yang dikehendaki.

motor lengan

Gambar 1-11 Sistem pengendalian lengan robot


Mesin Kerja

Perangkat PPI

Aktuator

Sumber Daya

Perangkat Input Pengen dali

Perangkat Output

Gambar 1-12 Blok diagram sistem pengendalian robot.

Sistem Pengendalian Suhu Gambar dibawah menunjukan gambar skematik pengendalian suhu kompor listrik. Suhu didalam kompor listrik diukur oleh termokopel analog. Suhu analog dirubah menjadi suhu digital oleh konverter A/D. Suhu digital tersebut dimasukkan ke pengendali melalui sebuah antarmuka. Suhu digital ini dibandingkan dengan suhu masukan yang diprogram, dan jika terdapat eror atau penyimpangan (kesalahan), pengendali mengirim sinyal ke pemanas, malalui sebuah antarmuka, penguat, dan relai, untuk membawa suhu kompor ke nilai yang dikehendaki. Sensor suhu

Konver ter A/D

Interface

Furnace elektrik Relai

Amplifier

Gambar 1-13 Sistem pengendalian suhu.

Sistem Pengendalian Suhu Ruang Penumpang Mobil 15 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

Interface

Input program

Gambar 1-13 di bawah menunjukkan diagram sistem pengendalian suhu ruangan penumpang mobil. Suhu ruangan yang dikehendaki (setpont) dikonversi menjadi tegangan, dimasukkan ke pengendali. Suhu sesungguhnya dari ruang penumpang dikonversikan ke tegangan melalui sensor dan dimasukan kembali ke pengendali untuk dibandingkan dengan setpoint. Suhu ruangan dan radiasi panas dari luar (matahari) adalah gangguan terhadap sistem. Sistem ini menggunakan pengendali umpan balik maupun pengendali umpan maju. Pengendali umpan maju memberikan aksi koreksi sebelum gangguan mempengaruhi keluaran. Distribusi suhu ruangan penumpang biasanya tidak merata (terjadi perbedaan yang cukup besar), kondisi ini akan memerlukan pemasangan sensor suhu, dan tidak ekonomis. Untuk mengatasinya dipasang sedotan udara di posisi terdekat dari penumpang, dan didalam sedotan udara tersebut dipasang sensor suhu. Suhu udara dari sedotan penghembus adalah petunjuk suhu ruangan penumpang dan ditinjau sebagai keluaran sistem. Pengendali menerima sinyal masukan, sinyal keluaran dan sinyal dari sensor sumber gangguan. Pengendali mengirimkan sinyal pengendali optimal ke alat pengatur udara (air conditioner) untuk mengontrol jumlah udara penyejuk sedemikian rupa sehingga suhu ruangan penumpang sama dengan suhu yang dikehendaki. Matahari

Suhu Ruangan

Sensor

Sensor Panas Radiasi

Suhu yang dikehendaki

(masukan)

Pengendali

Pengatur Udara

Ruang Penumpang

Suhu ruang penumpang

(keluaran)

Sensor

Gambar 1-14 Sistem pengendalian suhu ruang mobil. Pada uraian diatas dalam beberapa contoh sistem pengendalian kecepatan mesin, sistem pengendalian lengan robot, sistem pengendalian suhu, dan sistem pengendalian ruang penumpang mobil merupakan sebuah sistem pengendalian yang akan mengendalikan kecepatan mesin, posisi dan arah gerak lengan robot, suhu pada furnace dan suhu ruangan penumpang mobil. Variabel inilah


yang harus dikendalikan dengan menggunakan berbagai perangkat pengendali. Variabel yang dikendalikan dikatakan sebagai variabel proses.

Sistem pengendalian rem kereta api Beberapa sistem kereta api otomatis dirancang untuk menjalankan kereta api, selang 2 menit pada kecepatan tinggi. Pengendalian secara otomatis untuk memberikan lalu lintas kereta api yang tetap, untuk perlambatan dan pengereman yang tak mengganggu penumpang pada stasiun kereta api. Pengukuran jarak dari stasiun dan kecepatan kereta api digunakan untuk menentukan sinyal kesalahan, dalam hal ini sinyal untuk pengereman. Suatu ruang pengatur pusat Sistem Transit Cepat, menggunakan komputer untuk mengatur lalu lintas kereta api.

Sistem pengendalian manuvering kapal Kapal yang sedang bergerak dilautan bisa jadi bergerak sesuai dengan arah arus air laut, atau sesuai dengan arah angin bagi kapal layar. Pada umunya kapal-kapal modern menggunakan mesin sebagai tenaga penggeraknya. Maka untuk mengarahkan pergerakan (manuvering) kapal diperlukan kemudi kapal yang dikendalikan oleh nahkoda. Sistem pengendalian manuvering kapal akan menjalankan fungsi nahkoda dalam beberapa keadaan untuk mengendalikan arah pergerakan kapal. Berikut adalah blok diagram sistem pengendalian manuvering kapal yang dimaksud,

Gambar 1-15 Blok diagram sistem pengendalian konvensional pada manuvering kapal Blok diagram pada Gambar 1-15 di atas menunjukkan sistem pengendalian pada manuvering kapal, dengan sistem penggerak adalah rudder. Kompas berfungsi mengukur sudut yaw (heading) kapal , dan sistem pengendalian bekerja berdasarkan eror dari heading kapal. Keluaran dari


pengendali adalah sinyal yang akan menggerakkan sistem kemudi kapal. Tipe pengendali ini merupakan tipe pengendali konvensional, dan beberapa perkembangan dari penelitian dalam perancangan pengendalian modern salah satunya dinyatakan seperti blok diagram Gambar 1-16 di bawah ini.

Gambar 1-16 Blok diagram sistem pengendalian modern pada manuvering kapal Pada strategi pengendalian modern manuvering kapal yang digambarkan pada Gambar 1-16 di atas, sensor yang digunakan adalah kompas dan giro kompas, yang mengukur sudut yaw (heading) dan yawrate (laju yaw). Kedua informasi ini digunakan oleh observer dan filter gelombang untuk mengestimasi sudut yaw dan yawrate yang sebernarnya (tanpa ada gangguan). Dari hasil estimasi dapat digunakan untuk menentukan gain pengendali.

Beberapa Strategi Dalam Teknik Pengendalian Modern Dalam merancang sistem pengendalian ada berbagai macam strategi. Strategi tersebut dikatakan sebagai strategi konvensional, strategi modern dan strategi berbasis kepakaran. Pada strategi konvensional yang dikenal sebagai perancangan sistem pengendalian didasarkan pada model matematik dari sistem yang dikendalikan. Dan strategi dikatakan modern, merupakan strategi yang menggunakan perangkat komputer, dan dengan cara ini perlu dilakukan transformasi model dari sistem yang dikendalikan dalam bentuk model yang dipahami oleh sebuah komputer. Sedangkan strategi berbasis kepakaran merupakan strategi yang menggunakan kaidah / aturan – aturan yang mengikuti pola pikir dari kepakaran. Yang termasuk dalam strategi konvensional adalah pengendali P (Proportional), I (Integral), D (Derivatif) dan atau kombinasi dari ketiganya tersebut, dan pula sistem pengendalian yang dikatakan sebagai adaptif. Untuk sistem pengendalian modern, dikenal dalam beberapa contoh kasus


adalah sistem pengendalian optimal, dan robust / kokoh. Sistem pengendalian modern ini didasarkan pada model sistem yang dikendalikan dinyatakan dalam bentuk persamaan state space ruang keadaan. Sedangkan untuk sistem pengendalian kepakaran sebagai contoh adalah sistem pengendalian logika fuzzy (Kontrol Logika Fuzzy - KLF), sistem pengendalian dengan jaringan syaraf tiruan (Neural Network - NN) maupun kombinasi dari keduanya dan algoritma genetika.

Sistem Pengendalian Modern Beberapa strategi Pengendalian modern diantaranya adalah :  LQG – Linear Quadratic Gaussian merupakan sistem pengendali LQR – Linear Quadratic Regulator + Filter Kalman, model pengendali ini digunakan untuk input dan pengukuran terdapat noise.  Nonlinier feedback control (Teknik Linierisasi Feedback – FLT) dalam strategi pengendalian ini sinyal umpan balik yang didasarkan pada pengukuran atau model analitik dari plant diaplikasikan untuk mengkompensasi efek non linier.  Pengendali adaptif merupakan strategi dari sebuah pengendali (misalkan PID) dimana gain – gain pengendalinya diatur sesuai dengan kriteria performansi. Strategi ini untuk sistem non linier.  Mode Sliding Pengendali, atau pengendali switching merupakan sistem pengendalian dengan sinyal pengendali di switch antara hukum pengendali untuk mendorong respon menuju daerah yang diharapkan (sliding surface). Strategi ini untuk sistem non linier.  Pengendali H~, sebuah sistem pengendalian dengan cara meminimumisasi kriteria performansi, dan ini digunakan untuk sistem linier.

Pengendalian Jaringan Syaraf Tiruan Pengendalian dengan menggunakan jaringan syaraf tiruan merupakan salah satu sistem pengendalian yang dikatakan cerdas yaitu sistem pengendalian yang berdasarkan pengetahuan (Knowledge Based Control). Pada pengendalian berbasis pengetahuan ini misalkan dengan sekumpulan aturan yang mampu memahami sistem (melalui operasi percobaan, huristik, pakar pengendalian dll). Dan sistem pengendalian cerdas ini dapat digunakan untuk sistem yang komplek dalam skala besar (untuk pemodelan secara analitik sulit, sinyal input output tidak memungkinkan untuk diukur, dsb). Struktur dari jaringan syaraf tiruan, adalah keunikan dalam :  Struktur pararel dengan distribusi penyimpanan dan pemrosesan dari sejumlah informasi.


 Kemampuan pembelajaran dengan mengatur interkoneksi bobot jaringan dan eror yang didasarkan pada algoritma pembelajaran tertentu. Beberapa skema dalam perancangan pengendalian dengan jaringan syaraf tiruan dapat dilihat pada beberapa gambar di bawah ini.

Gambar 1-17 Skema pengendali supervisor Pengendalian jaringan syaraf tiruan dalam suatu sistem digunakan sebagai model inverse yang ditunjukkan pada Gambar 1-17 di atas. Model inverse ini dicascade dengan sistem yang dikendalikan untuk menghasilkan pemetaan antara respons yang diharapkan dengan output sistem yang dikendalikan y. Skema pengendali seperti ini sesuai untuk aplikasi pada robot, autopilot.

Gambar 1-18 Skema pengendali hibrid


Pembelajaran off line merupakan suatu pendekatan kasar terhadap aturan pengendali yang akan digunakan untuk ietrasi pertama kali, dan mekanisme ini dikatakan generalized learning. Selanjutnya jaringan syaraf ini mampu bekerja dalam range operasional tanpa muncul ketidak stabilan. Pada periode on line specialized learning digunakan untuk meningkatkan performansi hasil pengendali. Secara blok diagram ditunjukkan pada Gambar 1-19.

Gambar 1-19 Skema pengendali model referensi

Gambar 1-20 Skema Internal Model Control - IMC


Gambar 1-21 Skema pengendalian adaptif

Gambar 1-22 Skema pengendalian prediktif

Gambar 1-23 Skema pengendalian NN optimal


Sistem Pengendalian Fuzzy Keuntungan dalam menggunakan sistem pengendalian fuzzy adalah :  Aplikasinya didasarkan pada kepakaran operator dimana tidak bisa dinyatakan dalam bentuk parameter persamaan diferensial PID, tetapi lebih kepada situasi / kondisi / aksi yang diinginkan.  Untuk kondisi yang jelek atau model plant yang dikendalikan adalah komplek, pengendali fuzzy mampu bekerja pada range parameter yang lebar dan mampu menghandel akibat adanya gangguan pada plant. Beberapa strategi pengendalian dengan menggunakan logika fuzzy, dapat dilihat secara blok diagram seperti pada beberapa gambar di bawah ini.

Gambar 1-24 Konfigigurasi dasar sistem pengendalian fuzzy

Gambar 1-25 Skema pengendali Fuzzy PD – Proportional Derivatif

Gambar 1-26 Skema pengendali Fuzzy – Hibrid


Gambar 1-27 Skema pengendali fuzzy adaptif

Gambar 1-28 Skema pengendali Sliding Mode Fuzzy

Gambar 1-29 Skema pengendali fuzzy model referensi


Gambar 1-30 Gain skeduling konvensional

Gambar 1-31 Skema pengendali fuzzy gain skedulling


Gambar 1-32 Skema pengendali fuzzy neuro gain skedulling

Gambar 1-33 Hirarki pengendali fuzzy


Gambar 1-34 Skema neuro gain skedulling

Rangkuman Bab ini telah menjelaskan pada Anda sejarah perkembangan sistem pengendalian, mulai dari pengendalian konvensional sampai dengan pengendalian cerdas. Juga telah dijelaskan beberapa strategi pengendalian modern yang banyak digunakan di industri-industri dan disekitar lingkungan tempat tinggal kita. Prinsip-prinsip, komponen-komponen dan fungsi sistem pengendalian telah dijelaskan dengan melibatkan berbagai contoh aplikasi. Pengertian plant bisa berupa sistem mekanik, elektrik, pnumatik, hidraulik, atau kombinasi diantaranya. Terpenting untuk diketahui dari plant adalah variabel input dan output, serta parameter plant yang mempengaruhi proses kinerja. Selanjutnya Anda akan menentukan trategi pengendalian yang mana yang akan digunakan untuk plant yang Anda miliki. Jadi strategi pengendalian sangat bergantung pada plant yang akan Anda kendalikan, dan tujuan pengendalian.

Pustaka utama :

1. Kuo,B.C.,”Automatic Control Sistem”,6th ed., Printice-Hall, Englewood Cliffs,NJ.,1998, halaman 21 s/d 57. 2. Ogata,K.,”Modern Control Engineering”, 4th ed., Printice-Hall, Englewood Cliff,NJ.,1997, halaman 1 s/d 176.

Pustaka penunjang : 27 |P o k o k B a h a s a n 1 - P e n g a n t a r S P O

1. Bahram Shahian, Michael Hassul,”Control Sistems Using MATLAB”, International Editions, Printice-Hall, 1997. 2. The MathWorks, Inc.,”Control Sistem Toolbox”, Printice-Hall, 1997. 3. Syamsul Arifin, ”Kontrol Automatik II”, Jurusan Teknik Fisika-FTI-ITS, 1997. 4. Syamsul Arifin, “Rancang Bangun Local Control Unit (LCU) Flow Pada Distributed Control Sistems (DCS) Miniplant”, Jurnal Teknik Fisika, Vol. 3 No.2 , Juni 2008, ISSN 1907 – 266 X. 5. Aisjah, A.S., dan Masroeri, AA., (2006c), “Fuzzy Logic Control of Type Sugeno Takagi with The Model Refference of LQG/LTR at Maneuvering Ship Controller”, International Seminar JSPS. 6. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis dan Sutantra, I.N. , (2006d), “Stability Area of Ship Maneuvering using Fuzzy Logic Control”, Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Tekn. Kelautan VI, FTK ITS. 7. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, dan Sutantra, I.N. , (2006e), “Kontrol Cerdas Pada Manuvering Kapal”, Jurnal T. Kelautan, FTK ITS. 8. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2006f), “Dampak Gangguan Laut di Perairan Internasional Pada Sistem Kerja Pengendali Manuvering Kapal”, Seminar Nasional Teknik Fisika FTI ITS. 9. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, A.A., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2007a), “Strategi Kontrol Robust LQG/LTR dalam mengatasi gangguan gelombang dan arus laut pada kapal”, Jurnal GEMATEK STIKOM Sby. 10. Aisjah, A.S., Soegiono, Masroeri, AA., Djatmiko, E.B., Wasis, D.A, dan Sutantra, I.N , (2007b), “Pengendali Logika Fuzzy Pada Manuvering kapal Klas Marine”, Jurnal Industri, Vol. 6 No. 2, 2007.

Soal-Soal Asesmen : 1. Buatlah root map tentang sistem pengendalian modern yang Anda ketahui, dan jelaskan sejarah perkembangannya. 2. Jalaskan apa pengertian sistem, proses, dan plant dalam teknik pengendalian modern, serta berikan contoh apa yang ada disekitar Anda, beserta ulasannya. 3. Jelaskan apa yang dimaksud dengan sistem pengendalian open loop dan close loop dan berikan contoh dalam bentuk blok diagram, sistem pengendalian apa yang ada disekitar rumah Anda? 4. Apa kelebihan dan kekurangan sistem pengendalian open loop dan close loop yang Anda ketahui? 5. Pada diri manusia oleh Tuhan YME telah dikarunia sistem yang terdiri dari indra sensor, prosesor otak dan hati, serta aktuator berupa kaki tangan dll. Buatlah diagram blok sistem pengendalian pada diri manusia tersebut, serta berikan satu contoh dalam satu aktivitas manusia sehari-hari, serta jelaskan masing-masing bagian dari blok diagram tersebut. 6. Sebutkan beberapa produk yang Anda jumpai (misalnya seperti kamera, mesin cuci, AC, mesin bakar, dll) dan jelaskan prinsip kerja sistem pengendaliannya?.


7. Sebutkan produk-produk yang ada di masyarakat, yang menggunakan sistem pengendalian cerdas, jelaskan sistem kerjanya?. 8. Dirumah kita biasanya ada sumber air dari PDAM atau dari Sumur, kemudian air tersebut masuk di tandon air yang ditanam dibawah lantai halaman rumah, kemudian dengan pompa, air tersebut dikirim ke tandon air yang terletak diatas atap rumah, kemudian dari tandon atas tersebut dikirin ke kran-kran (valve) yang berjumlah 10 buah. Gambarkan blok diagram dan jelaskan sistem pengendaliannya sehingga ketinggian permukaan air di tandon atas bisa terjaga pada ‘level atas’ dan ‘level bawah’ tandon atas.


1 PENGANTAR TEKNIK PENGENDALIAN OTOMATIS

Recommend Documents