TE091346 Dasar Sistem Pengaturan
Pengantar Dasar Sistem Pengaturan Ir. Jos Pramudijanto, M.Eng. Jurusan Teknik Elektro FTI ITS Telp. 5947302 Fax.5931237 Email:
[email protected] Dasar Sistem Pengaturan - 01
1
Objektif: Peranan Sistem Pengaturan Sejarah Perkembangan Istilah dan Definisi Manual dan Otomatis Sistem Pengaturan Lup Terbuka Sistem Pengaturan Lup Tertutup
Dasar Sistem Pengaturan - 01
2
Peranan Sistem Pengaturan Pengaturan otomatis memainkan peranan vital dalam kemajuan rekayasa (engineering) dan ilmu. Sangat penting, contoh pengaturan untuk pesawat angkasa luar, peluru kendali/rudal, sistem pengemudian pesawat terbang. Penting dan merupakan bagian integral (tak terpisahkan) dalam proses industri dan perpabrikan modern. Peranan dalam industri : pengaturan tekanan, suhu, kelembaban, viskositas, flow/aliran, kecepatan, posisi, dan lain-lainnya.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
3
Keunggulan Sistem Pengaturan Kemajuan dalam segi teoritis dan praktis :
mencapai penampilan (performance) optimal dari sistem dinamis memperbaiki kualitas produksi menurunkan biaya produksi mengembangkan laju produksi mengurangi/menghilangkan kebosanan dari kerutinan dan operasi manual yang berulang-ulang.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
4
Sejarah Perkembangan (1) Float regulator mechanism in ancient Greece (similar to water tank level regulator of ordinary flush toilet) [300-1BC] to regulate a water clock and wine vessel First feedback system invented in modern Europe (Holland) by Cornelis Drebbel (1572-1633) for temperature regulation of a furnace used to heat an incubator Dennis Papin (1647-1712) invented the first pressure regulator for steam boilers in 1681 (similar to a pressurecooker 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
5
Watt’s fly ball governor
Dasar Sistem Pengaturan - 01
6
Flyball in a Cotton Factory
This photograph shows a flyball governor used on a steam engine in a cotton factory near Manchester in the United Kingdom. Of course, Manchester was at the centre of the industrial revolution. Actually, this cotton factory is still running today. Dasar Sistem Pengaturan - 01
7
This flyball governor is in the same cotton factory in Manchester. However, this particular governor was used to regulate the speed of a water wheel driven by the flow of the river. The governor is quite large as can be gauged by the outline of the door frame behind the governor.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
8
Sejarah Perkembangan (2) J.C.Maxwell (1868) formulated the first mathematical study of the stability of feedback control applied to a governor E.J.Routh determined a criteria for stability analysis in1877 Lyapunov (1893) studies stability of motion (ODEs) Sperry (1910) works on gyroscopes and autopilots Minorsky (1922) automatic control for steering ship Black proposes feedback electronic amplifier in 1927 Nyquist derives a frequency domain stability criterion in 1932 Hazen (1934) propose position control with servomechanisem servomekanik Bode develops frequency response methods in 1938 Dasar Sistem Pengaturan - 01
9
Sejarah Perkembangan (3) Ziegler-Nichols develop a method for PID tuning and Wiener develops optimal filter design in 1942 Evans develops the Root Locus in 1948 Pontryagin formulates the Maximum Principle in 1956 Bellman develops Dynamic Programming in 1957 Kalman formulates Optimal Estimation in 1960 Hoff invents the Microprocessor in 1969
Dasar Sistem Pengaturan - 01
10
Sejarah Perkembangan (4) State variable methods and optimal control are further developed in 1970-1980 Robust Control is developed in 1980-1990 Nonlinear control, switched control, hybrid control, and control using convex optimization methods is developed in 1990-2000 Feedback control is widely used in automobiles and reliable, robust systems are heavily demanded in manufacturing starting in 1994 First ever autonomous rover vehicle, known as Sojourner explores successfully the Martian surface in 1997 Control 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
11
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) yang cenderung merugikan output sistem. Pengaturan Umpan balik (feedback control) : suatu operasi, di mana dengan adanya gangguan, cenderung mengurangi perbedaan antara output sistem dan input referensi.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
12
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-nya merupakan posisi (mekanis), kecepatan (mekanis), atau percepatan (mekanis). Pada umumnya output diharapkan dapat mengikuti perubahan input. Sistem Regulasi Otomatis (Automatic Regulating System) atau regulator : suatu sistem pengaturan umpan balik dalam mana input referensi atau output yang diinginkan adalah konstan atau berubah perlahan-lahan terhadap waktu dan tugas utama adalah untuk mempertahankan output sistem pada harga yang diinginkan dengan adanya gangguan. Dasar Sistem Pengaturan - 01
13
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
14
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 angkaangka. Sistem Pengaturan Komputer (computer control system) : sistem pengaturan yang melibatkan komputer sebagai bagian dari loop pengatur (estimasi parameter, statistik, …)
Dasar Sistem Pengaturan - 01
15
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
16
Open Loop/Closed Loop Systems A control system is an interconnection of components. Each component is represented by a block in a diagram. Open Loop Control signal
Desired output
Actuating signal
Controller
Actuator
Plant output
Plant
Closed Loop (Feedback system) Desired output
Error signal
Control signal
Controller
+
Actuating signal
Actuator
Plant output
Plant
Sensor Dasar Sistem Pengaturan - 01
17
Sistem Pengaturan Loop Terbuka Kebaikan: Konstruksi sederhana dan mengurangi pemeliharaan. Lebih murah Tidak ada persoalan stabilitas Cocok apabila output sulit diukur atau secara ekonomis tidak fisibel
Kekurangan : Gangguan atau perubahan dalam kalibrasi menyebabkan kesalahan dan output mungkin berbeda terhadap apa yang diinginkan Untuk mempertahankan kualitas yang dibutuhkan pada output, rekalibrasi (kalibrasi kembali) harus dilakukan dari waktu ke waktu.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
18
Sistem Kontrol Kecepatan
Dasar Sistem Pengaturan - 01
19
Sistem Pengaturan Loop Tertutup Kebaikan: Ketelitian lebih baik (kualitas produksi lebih baik). output Sensitivitas yang lebih rendah dari ratio terhadap variasi-variasi input dalam karakteristik sistem Mengurangi efek nonlinieritas dan distorsi/gangguan Memperbesar bandwidth sistem (bandwidth sistem adalah daerah/range frekwensi dari input dalam mana sistem akan memberikan respons yang memuaskan)
Kekurangan : Konstruksi lebih rumit dan pemeliharaan lebih mahal Lebih mahal Kecenderungan ke arah osilasi atau ketidakstabilan.
Dasar Sistem Pengaturan - 01
20
Contoh 1: Pemanas Ruangan If 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 Desired temp.
Error signal
Gas valve signal
gain
+
heat
furnace
temp.
house
temperature sensor 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 Dasar Sistem Pengaturan - 01
21
Contoh 2: Cruise Control If the vehicle speed is lower than the desired speed the controller acts on the throttle to increase speed Error signal
Desired speed
controller
+
traction force
throttle
engine
speed
vehicle
speedometer If the vehicle speed is higher than the desired speed, the controller acts on the throttle to reduce speed Dasar Sistem Pengaturan - 01
22
Diagram Sistem Pengaturan Otomatis Energy input
Process under control
Actuator
Power interface
Sensor
Transmission
Set point (desired output)
Controller
Actual output
Signal conditioner
Process variable (actual output)
Dasar Sistem Pengaturan - 01
Transmission
23
Sistem Kontrol Posisi
Dasar Sistem Pengaturan - 01
24
Sistem Kontrol Numerik
Dasar Sistem Pengaturan - 01
25
Sistem Kontrol Proses
Dasar Sistem Pengaturan - 01
26
Sistem Kontrol Proses
Dasar Sistem Pengaturan - 01
27
