1.1
Sejarah SPO
MK. Sistem Pengendalian Otomatis
4 sks – Teknik Fisika ITS
MK Daring Terbuka dan Terpadu www.pditt.belajar.kemdikbud.go.ig
SEJARAH PERKEMBANGAN TEKNIK PENGENDALIAN OTOMATIS
PENGANTAR 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 berkwalitas. Pada bagian ini akan dijelaskan sejarah perkembangan teknik pengendalian otomatis.
SEJARAH OTOMATIS
PERKEMBANGAN
TEKNIK
PENGENDALIAN
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 NH 3 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 otomatik 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 Otomatik 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 otomatik 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 otomatik 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 otomatik terletak pada metode bidang s (variabel komplek), terutama pendekatan root locus karena memungkinkan dilakukan dengan bantuan komputer.
Tabel Error! No text of specified style in document.-1Sejarah teknik pengendalian Tahun Penemu Keterangan Greece Valve apung dan regulator untuk 300 pengendalian ketinggian fluida SM James Watt Mesin uap, governor untuk 1770 pengendalian kecepatan James Maxwell (Cambridge Teori tentang governor 1868 University) E.J Routh (Soviet union) Kriteria kestabilan 1893 A.M. Lyapunov Teori kestabilan, berdasar formulasi 1893 state space HS Black dan HW Bode (AT & T Feedback amplifier elektronik 1927 Bell Lab). Norbert Wiener (MIT) Teori proses stokastik 1930
1932
H Nyquist (AT & T Bell Lab).
1936 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
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 dapat digunakan untuk pengendali 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 otomatik, 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 Error! No text of specified style in document.-2 Perkembangan Industri Instrumen dan Pengendalian Tahun 1844
Nama Perusahaan Siemens
1800 1880 1888 1885 1913 1903,1915
Brown Instrumen Taylor Instrumen Fisher Governor Butz Thermo - electric Honeywell Heating Speciality Bristol Company
1899
Morris Leeds Co
Produksi Governor cronometrik dengan aksi integral Pirometer untuk alat ukur suhu Termometer dan barometer Pengendali Thermo – electric regulator Sistem pemanas air untuk rumah tangga Pengendali suhu, indikator tekanan dan perekam Instrumen untuk laboratorium: galvanometer, instrumentasi industri (1920)
1900 1916 1937 1934
Tagliabue Co Bailey Meter Co Fisher & Porter Billman Control
Pengontrol suhu udara Instrumen untuk operasi boiler Rotameter Motor Valve Feedforward variator Sistem elektrik pada HVAC
Selanjutnya berkembang beberapa teknik pengendalian otomatik 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 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 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 3 Diagram sebuah sistem pengendalian.
Dalam dunia industri sistem pengendalian otomatis 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.
Gambar 4 Prinsip dalam perancangan sistem pengendalian
