PERBAIKAN SIMULATOR PLANT ORDE SATU DAN ORDE DUA UNTUK MODUL PRAKTIKUM INSTRUMENTASI DAN SISTEM KENDALI
IMPROVEMENT OF THE PLANT SIMULATOR ORDE ONE AND ORDE TWO FOR PRACTICUM INSTRUCTORS MODULE CONTROL SYSTEM AND INSTRUMENTATION
* DIBYAGITA EFENDI ** DEDI NONO S, Ir., M.T ** SARJONO WAHYU J, S., M.Eng * Mahasiswa Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung
** Dosen Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung ABSTRAK
Pada proyek akhir ini akan dibahas mengenai perbaikan simulator plant orde satu dan dua untuk modul praktikum instrumentasi dan sistem dimana dilakukan perbaikan simulator plant yang mengalami kerusakan menjadi simulator yang dapat digunakan kembali. Adapun dalam pengerjaan perbaikan simulator plant akan dilakukan beberapa langkah –langkah perbaikan meliputi:
1. Pengujian simulator plant yang mengalami kerusakan dan dalam keadaan baik,
2. Dapat teridentifikasi kesalahan gelombang pada simulator plant dilakukan identifikasi pada komponen yang mengalami kerusakan
3. Pengecekan komponen
4. Dilakukan penggantian komponen yang mengalami kerusakan.
setelah dilakukan perbaikan maka simulator plant akan dibandingkan karakteristik plant orde satu dan orde dua dengan menggunakan cassy pack dan matlab.
Kata Kunci : Perbaikan Simulator Plant, Karateristik Plant Orde satu dan Orde dua, Cassy Pack, dan Matlab
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Dalam sistem kendali, kita mengenal adanya plant Dalam sistem kendali, kita mengenal adanya plant pada suatu sistem pengendalian, atau suatu objek yang di kendalikan oleh sistem kendali PID. Simulator plant orde satu dan orde dua adalah salah satu simulasi dari plant – plant yang ada pada suatu industri. Dari setiap plant – plant di industri tersebut diambil beberapa karakteristik yang berbeda pada setiap orde sehingga muncul plant orde satu dan orde dua. Kebutuhan akan simulator plant orde satu dan orde dua pun berfungsi agar mempermudah dalam pengendalian simulator PID. Dari simulator plant orde satu dan orde dua tersebut dapat digunakan untuk mengetahui karakteristik gelombang pada orde satu dan orde dua. Dan di laboratorium sistem kendali memiliki simulator plant orde satu dan orde dua dalam kerusakan.
Berdasarkan hal tersebut diatas maka penulis tertarik menulis Proyek Akhir ini dengan judul “Perbaikan Simulator Plant Orde satu dan Orde dua Untuk Modul Praktikum Instrumentasi Dan Sistem Kendali”.
1.2 Tujuan
Tujuan dari Proyek akhir ini :
1. Memperbaiki modul simulator plant orde satu dan orde dua agar dapat digunakan kembali
2. Agar memperoleh karkateristik yang diinginkan pada simulator plant dibandingkan pada cassy pack dan matlab
3. Rancang Bangun perangkat keras power supply ± 15V
1.3 Perumusan masalah
Berdasarkan uraian diatas dapat dirumuskan suatu masalah yang relevan dengan judul yang ada yaitu:
1. Memperbaiki modul simulator plant orde satu dan orde dua agar dapat digunakan kembali 2. Bagaimana perancang perangkat keras power
supply ± 15V 1.4 Batasan Masalah
1. Pengujian simulator plant terhadap gelombang keluar dari simulator tersebut
2. Agar memperoleh karkateristik yang diinginkan pada simulator plant dibandingkan pada cassy pack dan matlab
3. Rancang bangun power supply ±15V
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem Kontrol
Sistem kontrol adalah proses pengaturan ataupun pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter) sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu. Di dalam dunia industri, dituntut suatu proses kerja yang aman dan berefisiensi tinggi untuk menghasilkan produk dengan kualitas dan kuantitas yang baik serta dengan waktu yang telah ditentukan. Otomatisasi sangat membantu dalam hal kelancaran operasional, keamanan (investasi, lingkungan), ekonomi (biaya produksi), mutu produk, dll.
2.2 Sistem Kontrol Otomatis
Suatu sistem kontrol otomatis dalam suatu proses kerja berfungsi mengendalikan proses tanpa adanya campur tangan manusia (otomatis). Ada dua sistem kontrol pada sistem kendali/kontrol otomatis yaitu :
2.2.1 Sistem Pengendalian Loop Terbuka
Sistem pengendalian loop terbuka merupakan sistem pengendalian yang keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi selanjutnya ( aksi kontroler ). Atau dengan kata lain, sistem ini tidak memiliki umpan balik ( feed back ), sehingga keluarannya tidak bisa dijadikan perbandingan antara umpan balik dan masukan yang menentukan aksi berikutnya. Oleh karena itu, sistem pengendalian loop terbuka hanya bisa digunakan jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak ada gangguan eksternal dan internal.
Diagram blok sistem pengendalian loop terbuka mirip dengan diagram blok sistem, yaitu lurus tanpa adanya umpan balik. Hanya saja, komponen penyusunnya berbeda. Pada sistem pengendalian loop terbuka komponennya hanya ada masukan kontroler, aktuator dan keluaran
Kelebihan sistem ini diantaranya konstruksinya sederhana, tidak memerlukan banyak komponen sehingga lebih ekonomis, tidak memiliki persoalan stabilitas, dll. Sedangkan kelemahanya diantaranya adalah keluaran sistem kemungkinan besar berbeda dengan yang diinginkan, kalibrasi harus sering dilakukan, dll.
Controller Actuator PLANT
+ Error Manipulated Variabel Disturbances R(s) Set- Point Summator E(s) Keluaran C(s)
Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Kontrol Loop Terbuka
2.2.2 Sistem Pengendalian Loop Tertutup
Sistem pengendalian loop tertutup merupakan sistem pengendalian yang keluarannya berpengaruh terhadap aksi selanjutnya ( aksi kontroler ). Berbeda dengan loop terbuka, pada loop tertutup sistem memiliki feed back, sehingga keluarannya bisa dijadikan perbandingan umpan balik dan masukan untuk menentukan aksi berikutnya.
Seperti pada pengertiannya, diagram blok sistem pengendalian loop tertutup memiliki feed back.
Perhatikan gambar dibawah ini
Controller Actuator PLANT
Sensor -+ Error Manipulated Variabel Disturbances R(s) Set- Point Summator E(s) Keluaran C(s)
Gambar 2.2 Diagram Blok Sistem Kontrol Loop Tertutup
Dari gambar di atas terlihat bahwa diagram blok sistem pengendalian loop tertutup memiliki komponen umpan balik. Pada referensi lain sinyal informasi dari kontroler dikirim dulu ke elemen kontrol akhir ( Final Control Element) sebelum dikirim ke plant, misal control valve. Sistem ini merupakan dasar sistem pengendalian yang ada di industri, hanya saja lebih komplek. Di industri bisa saja sistem pengendaliannya bertingkat dan saling berhubungan antara satu loop dengan loop lainnya.
Dibandingkan dengan loop terbuka kelebihan dari sistem ini diantaranya adalah dapat mengatasi ketidakpastian karakteristik plant dan hubungan antara masukan dan keluaran dari plant, ketelitian dapat selalu terjaga dll. Disamping kelebihan itu, ada beberapa kekurangan dari sistem ini, yaitu perlengkapan lebih rumit jadi lebih mahal, instalasi sulit, respon cenderung berosilasi hingga mencapai keadaan steady state-nya.
Masukan pada sistem pengendalian, baik loop terbuka maupun tertutup terdapat komponen set point, yaitu nilai keluaran yang diharapkan dari proses yang nantinya akan dibandingkan dengan umpan balik pada loop tertutup. Sehingga loop tertutup ada error yang menyebabkan aksi kontroler berbeda untuk tiap waktu bergantung pada error yang ada. Error merupakan selisih antara set point dan umpan balik dari keluaran sebelumnya. Dengan adanya perbandingan ini ( error ) membuat sistem ini bisa mencapai nilai keluaran yang diinginkan tidak seperti pada loop terbuka.
2.3 Fungsi Alih
Secara umum, ketika terdapat masukan dan keluaran sistem sebagai fungsi waktu, maka relasi antara keluaran dan masukan akan muncul dalam bentuk dalam bentuk diferensial. Jika terjadi sebuah sistem yang terbentuk dari dua buah elemen dalam hubungan seri di mana masing – masing elemen memiliki relasi masukan –
keluaran yang dideskripsikan oleh persamaan differensial, maka tidak akan mudah untuk melihat bagaimana keluaran sistem tersebut dapat secara keseluruhan direlasikan terhadap masukannya. Dalam teori kontrol, fungsi alih digunakan untuk mencirikan hubungan masukan dan keluaran dari komponen atau sistem yang dapat digambarkan dengan persamaan diferensial linear, invarian-waktu.
Fungsi alih persamaan diferensial linear, invarian waktu suatu sistem didefinisikan sebagai perbandingan antara transformasi Laplace keluaran (fungsi tanggapan) terhadap transformasi Laplace masukan (fungsi penentu dengan anggapan bahwa semua syarat awal nol.
Kegunaan konsep fungsi alih terbatas pada sistem linear persamaan diferensial, waktu tidak berubah. Namun pendekatan fungsi alih digunakan secara ekstensif dalam analisis dan desain sistem demikian. Berikut ini kita akan mendaftar komentar penting mengenai fungsi alih. (Perhatikan bahwa dalam daftar tersebut sebuah sistem adalah sistern linear yang dijelaskan oleh persamaan diferensial, waktu tidak berubah).
1. Fungsi alih dari sistem adalah model matematika yang merupakan metode operasional dari pernyataan persamaan diferensial yang menghubungkan variabel keluaran dengan variabel masukan.
2. Fungsi alih adalah sifat dari sistem tersebut sendiri, tidak tergantung dari besaran dan sifat dari masukan atau fungsi penggerak.
3. Fungsi alih termasuk unit yang diperlukan untuk menghubungkan masukan dengan keluaran; namun, ia tidak memberikan informasi apapun mengenai struktur fisik dari sistem tersebut. (Fungsi alih dari banyak sistem yang secara fisik berbeda dapat identik).
4. Jika fungsi alih dari sistem diketahui, keluaran atau tanggapan dapat ditelaah untuk berbagai macam bentuk masukan dengan pandangan terhadap pengertian akan sifat dari sistem tersebut. 5. Jika fungsi alih dari sistem tidak diketahui, ia mungkin dapat diadakan secara percobaan dengan menggunakan masukan yang diketahui dan menelaah keluaran dari sistem tersebut. Sekali diadakan, fungsi alih memberikan penjelasan penuh dan karakteristik dinamika dari sistem, yang berbeda dan penjelasan fisiknya.
Istilah gain digunakan untuk menunjukkan relasi antara masukan dan keluaran sebuah sistem, dimana gain G = keluaran/masukan. Bila masukan dan keluaran sistem yang dinyatakan dalam bentuk fungai s, maka fungsi alih atau
transfer function G(s) didefinisikan sebagai [ keluaran Y(s)/ masukan X(s) ] ketika semua kondisi mula sebelum masukan dikenakan adalah sama dengan nol. Fungsi alih = G(s) =
... (2.1)
Gambar 2.3 Blok Diagram Fungsi Alih
Suatu fungsi alih dapat direpresentasikan sebagai sebuah blok diagram dengan X(s) sebagai masukan, Y(S) sebagai keluaran, dan fungsi alih G(S) sebagai operator di dalam kotak yang mengkonversikan masukan menjadi keluaran. Blok akan merepresentasikan perkalian masukan. Jadi, dengan menggunakan transformasi Laplace masukan dan keluaran, maka fungsi alih dapat digunakan sebagai sebuah faktor pengali sederhana. 2.4 Tanggapan Sistem Kendali secara Umum
Ketelitian adalah menunjukkan deviasi keluaran sebenarnya terhadap nilai yang diinginkan. Umumnya ketelitian sistem pengaturan diperbaiki dengan menggunakan mode pengontrol seperti integrasi atau integrasi proporsional.
Kestabilan adalah suatu sistem dikatakan stabil jika keluarannya tetap pada nilai tertentu dalam jangka waktu yang ditetapkan setelah diberi masukan. Keluaran suatu sistem tak stabil akan terus naik atau dan turun hingga kondisi break down.
Kecepatan respon (response) adalah mengukur kecepatan keluaran dalam menanggapi perubahan nilai masukan. Pada sistem orde dua, tanggapan sistem kendali terbagi menjadi tiga berdasarkan konstanta peredamannya, yaitu sistem kurang teredam/under damped (ζ < 1), teredam kritis/critical damped (ζ = 1) dan teredam lebih/over damped (ζ > 1).
Gambar 2.4 Kurva Peredaman
2.4.1 Tanggapan Transien
Tanggapan transien adalah tanggapan sistem yang berlangsung dari awal dikenai perubahan masukan atau gangguan sampai keadaan akhir atau kondisi tunak (steady state).
Gambar 2.5 Kurva Tanggapan Sistem
Beberapa Parameter yang penting untuk diketahui dalam tanggapan Transien, yaitu
Kesalahan keadaan tunak (Steady State Error), adalah perbedaan antara keluaran yang dicapai saat tunak dengan nilai yang diinginkan
2.4.2 Tanggapan Tunak (Steady State)
`
Tanggapan Tunak (Steady State) adalah kondisi sewaktu sifat-sifat suatu sistem tak berubah dengan berjalannya waktu atau dengan kata lain, konstan. Pada kebanyakan sistem, keadaan tunak baru akan dicapai beberapa waktu setelah sistem dimulai atau diinisiasi. Kondisi awal ini sering disebut sebagai keadaan transien, dibawah ini bentuk gambar tanggapan keadaan tunak (steady state) :Gambar 2.6 Tangapan Tunak (Steady State) 2.5 Simulaotor Plant
Gambar 2.7 Plant
Plant adalah bagian sistem fisis yang diatur/dikendalikan. Pada sistem pengaturan selalu ada “sesuatu” yang diatur. Dalam bidang teknik, “sesuatu” itu adalah suatu sistem fisis yang merupakan sekumpulan peralatan mekanis, elektris, pneumatic, hidraulics ( yang sering disebut : hardware ).
Besaran fisis yang dihasilkan oleh plant, disebut keluaran (output ).
Variable atau besaran yang memberikan suatu aksi/pengaruh terhadap plant,disebut masukan ( input ).
Analisa Plant, yaitu analisa mengenai hubungan antara sinyal input dan output. Sinyal adalah besaran yang merupakan fungsi waktu.
Jaringan penunda orde satu digunakan pada sistem pengendalian otomatik dalam kapasitas yang berbeda – beda. Sebagai contoh, jaringan ini dipakai sebagai simulator jaringan yang dikontrol dan juga digunakan sebagai cabang umpan balik dalam rangkaian pengendalian yang lainnya. Jaringan penunda orde dua dapat dipakai sebagai satu simulator dari jaringan yang akan dikontrol dengan pendekatan yang baik dan juga dapat digunakan sebagai penghubungan umpan balik. 2.5.1 Plant Orde Satu
Pada plant memiliki model matematik pendekatan sistem orde 1, jika uji sinyal step respon output sistem/plant menyerupai atau dapat didekati dengan respon sistem orde satu. Oleh karena itu model pendekatan atau model reduksi sistem/plant dapat dinyatakan sebegai berikut:
... (2.2)
Tampak bahwa terdapat dua parameter ( ) yang perlu ditentukan berdasarkan spesifikasi respon. Apabila sistem orde satu dikenakan pada sinyal masukan maka transformasi keluaranya adalah :
Y(s) = G(s) X(s) = = ⁄
⁄ ... (2.3)
Karena terdapat transformasi yang berbentuk a/s(s+a), sehingga persamaanya seperti:
Y = k(1-
Pada gambar grafik diatas menunjukkan keluaran sistem berubah terhadap waktu, mula – mula pada t=0, keluaran akan sama dengan 0, selanjutnya nilai keluaran sistem naik sebesar 0,63 dan dalam keadaan tunak setelah 1τ. Kemudian nilai keluarannya akan mencapai 0,86 dari keadaan tunak setelah 2τ dan akan mencapai 0,95 dari nilai keadaan tunak setelah 3τ, setelah 4τ, keluaraan sistem secara efektif akan sama dengan dari nilai keadaan tunaknya, k. suku eksponesial pada persamaan di atas akan sama dengan nol jika waktu t menuju tak hingga
a
2.5.1.1 Menentukan Parameter (Gain)
Jika sistem adalah linier, hubungan Y(s) dengan X(s)dapat dituliskan sebagai hubungan linier :
Y(s) = KX(s) atau =
... (2.4)
Sedangkan jika pada sistem/plant non-linier, hubungkan dapat tersebut dapat dinyatakan dalam hubungan non-linier, yaitu :
Y(s) = f (X(s)) sehingga K dapat dirumuskan : =
f
X(s)) ... (2.5) Algoritma menentukan nilai gain K (metode grafis)
1. Memberikana beberapa masukan step pada sistem/Plant, selanjutnya dilakukan pengukuran harga steady state output untuk tiap masukan. 2. Membuat kurva kerja dengan Yss sebagai ordinat
dan Xss sebagai absis
3. Meletakkan titik kerja yang telah ditentukan pada kurva kerja
4. Menarik garis singgung kurva melalui titik kerja yang dipilih
5. Mengukur koefesien arah dari garis singgung 6. Nilai gain K adalah koefisien arah singgung.
2.5.1.2 Menetukan Parameter τ (Time Constant) Time constant τ ditentukan melalui pengukuran respon output sistem/plant untuk masukan step pada titik kerja yang dipilih. Algoritma menentukan nilai time constant ini dapat dituliskan sebagai berikut:
Algoritma menentukan nilai Time constant τ (metoda grafis)
1. Memberikan masukan step pada sistem/plant dengan sinyal step sesuai titik kerja yang dipilih 2. Mengamati respon output melalui plotter,
selanjutnya membuat kurva respon transient dengan y(t) sebagai ordinat dan waktu t sebagai absis
3. Mengukur nilai steady state, selanjutnya mengukur waktu yang diperlukan untuk mencapai 63,2% dari keadaan steady state. 4. Nilai Time constant adalah waktu yang
diperlukan respon untuk mencapai 63,2% dari keadaan steady state.
5. Waktu naik (td) adalah waktu yang dibutuhkan oleh keluaran sistem untuk mencapai 50% dari nilai keadaan tunaknya. Jadi karena k adalah nilai akhir maka waktu yang diperlukan untuk mencapai 50% dari nilai ini adalah dirumuskan sebagai berikut:
6. Waktu naik adalah waktu yang dibutuhkan oleh keluaran sistem untuk naik dari 10% nilai keadaan tunaknya hingga mencapaui 90% nilai keadaan tunaknya,
2.5.2 Plant Orde Dua
Pada plant memiliki model matematik pendekatan sistem orde dua, jika uji sinyal step respon output sistem/plant menyerupai atau dapat didekati dengan respon sistem orde dua. Oleh karena itu model pendekatan atau model reduksi sistem/plant dapat dinyatakan sebegai berikut:
... (2.6)
Tampak bahwa terdapat tiga parameter (K,ξ, dan ) yang perlu di tentukan berdasarkan spesifikasi respon.
2.5.2.1
Menentukana Parameter ξ (Koefisien Redaman) dan (Frekuensi Natural) Koefisien redaman ξ dan frekuensi natural dapat ditentukan melalui pengukuran respon output sistem/plant untuk masukan step pada titik kerja yang dipilih. Algoritma menentukan nilai koefisien redaman ξ dan frekuensi natural ini dapat dituliskan sebagai berikut:Algoritma menentukan nilai ξ dan (metode grafis) 1. Memberikan masukan step pada sistem/plant
dengan sinyal step sesuai titik kerja yang dipilih. 2. Mengamati respon output melalui plotter, selanjutnya membuat kurva respon transient dengan y(t) sebagai ordinat dan waktu t sebagai absis
3. Mengukur steady state Y(s) serta nilai peak overshoot Yp serta time peak Tp
4. Menghitung harga ξ dan dengan formulasi sebagai berikut. ξ = √ ( ) ... (2.7) = √ ... (2.8) BAB III PERENCANAAN PENGUJIAN 3.1 Pendahuluan
Perencanaan adalah proses untuk mempersiapkan suatu ide dan gagasan berdasarkan teori – teori yang mendukung untuk melakukan pengujian. Perencanaan dibuat sebgai dasar - dasar utama dalam melakukan langkah – langkah pengujian alat yang sudah ada dan merupakan tahap awal dalam pengerjaan proyek akhir ini. Tahapan perancangan dilakukan sedemikian rupa sehingga dapat mengetahui hasil keluaran menggunakan program pada komputer,
3.2 Tujuan Perencanaan
Tujuan dari perencanaan ini yaitu untuk menyiapkan segala sesuatu yang diperlukan untuk
melakukan pengujian yang akan dicapai berdasarkan teori yang telah didapat dengan memperhatikan semua aspek yang berkaitan..
Dalam perencanaan suatu alat, ada beberapa faktor yang harus dipertimbangkan, baik aspek teknis maupun aspek non-teknis. Aspek teknis dalam arti alat dibuatkan berdasarkan kebutuhan untuk menunjang suatu fungsi kerja tertentu dan memenuhi persyaratan tertentu. Sedangkan aspek non-teknis diartikan sebagai aspek diluar teknis seperti segi ekonomi dan komersial.
3.3 Langkah Perancangan
Langkah-langkah perancangan secara umum tergambarkan pada flowchart gambar 3.1.
`
Gambar 3.1 Flow Chart Perbaikan
3.4 Spesifikasi Alat
Pada perencanaan perbaikan simulator plant orde satu dan orde dua pada Proyek Akhir ini, terdapat beberapa modul yang sudah ada dan modul yang di buat, modul yang di buat yaitu power supply ±15 V. Beberapa komponen pada simulator plant orde satu dan orde dua yang memiliki fungsi dan rangkaian yang berbeda – beda.
Tabel 3.1 Spesifikasi Alat
Modul Spesifikasi
Power Supply
- ± 15V - Vout = ±15V
Modul Plant Orde satu dan Orde 2
- Vin = ± 15V - Vstep = 0 ~ 10V - τ1 = 1s ~ 10s - τ2 = 1s ~ 10s - α = 0 ~ 1
Tabel 3.2 Spesifikasi Komponen
Modul Komponen Spesifikasi
Mudol Power Supply - ± 15V - Dioda - Kapasitor - IC Regulator 100v/6a 2200µF/25V 10µF/25V - 7815 Vi = 15 V Vo = 14,4-15,6 V I = 1 A - 7915 Vi = -15V Vo = 14,4-15,6 V I = 1 A - Transformator - CT Vi = 220V AC Vo= ± 15 V DC ; 3A - Transistor - TIP 2955 dan TIP3055 Vcb = 100 v Vce = 60 v Ic = 15A Ib = 7 A Modul Plant
Orde satu dan Orde 2 - IC OP AMP - LM 741 Vsupply = ±22v Vcc = ±15v Mulai Studi Pustaka Perencanaan Perbaikan Pengujian Simulator Identifikasi Kerusakan Penggantian Komponen Pengujian Simulator
Ya
Benar Analisis a Kesimpulan a Selesai Penentuan Spesifikasi Alat- LM 1458 Vsupply = ±22v Vcc = ±15v - LF 356 Vsupply = ±18v Vcc = ±15v 3.5 Deskripsi Kerja A B C
Gambar 3.2 Rangkaian Simulator Plant
Deskripsi kerja :
Pada proyek akhir ini akan dibahas mengenai simulator plant orde satu dan orde dua, pada power mengeluarkan tegangan ±15V untuk membangkit rangkaian pada simulator plant karena IC Op - Amp membutuhkan tegangan sumber sebesar ±15V, power supply ±15V masukan ke step input dan dari step input di atur tegangan untuk diberikan ke simulator plant sebagai set point atau step input dan hasil keluaran dari plant orde satu dan orde dua masuk ke cassy pack untuk di tampilkan gelombangnya.
Blok A adalah power supply DC (± 15 Volt) yang digunakan untuk membangkitkan Op-Amp pada simulator plant dan sumator.
Blok B adalah tegangan referensi, tegangan referensi digunakan sebagai set point yang diinginkan pada simulator plant orde satu dan orde dua. Beban pada blok b berupa tegangan 0 – 15 Volt, step input yang digunakan adalah 0 – 5 Volt.
Blok C adalah Simulator Orde satu dan Orde dua
3.6 Metodologi Perencanaan Perbaikan
Pada proyek ini dilakukan perencanaan perbaikan karena sebelum melakukan pengujian kita harus melakukan beberapa hal agar pengujian berjalan dengan lancar, karena simulator yang digunakan dalam keadaan tidak optimal sehingga harus dilakukan perbaikan. Dibawah ini beberapa tahapan Perbaikan:
1. Uji kerusakan pada modul simulator plant orde satu dan orde dua pada cassy pack.
Bandingkan Simulator plant yang rusak dengan simulator plant baik Pada bagian ini simulator plant akan dibandingan simulator yang mengalami kerusakan dengan sampel simulator plant yang baik, dimana dengan menggunakan cassy pack akan dibandingkan. Dan akan terlihat bentuk gelombang yang mengalami kerusakan dengan bentuk gelombang yang baik.
2. Identifikasi kerusakan pada komponen
Pada bagian ini dilakukan pengidentifikasian setiap komponen dengan cara mengetahui karakteristik setiap komponen. Dengan menggunakan multimeter lakukan pengecekan setiap komponen.
3.7 Perancangan Power Supply ±15V
Catu daya yang dipakai adalah catu daya DC untuk catu daya simulator plant orde satu dan orde dua adalah tegangan ±15V. Sumber tegangan ±15V berfungsi untuk mengaktifkan ic op – amp yang berada pada simulator plant orde satu dan orde dua.
3.7.1 Gambar Konfigurasi Rangkaian
Gambar konfigurasi 3.3 merupakan gambar konfigurasi rangkaian DC supply ±15V.
Gambar 3.3 Konfigurasi Rangkaian DC Supply ±15V Digunakan penyearah setengah gelombang. Berikut merupakan penentuan nilai sekunder trafo CT.
Maka nilai sekunder trafo seharusnya lebih besar dari 15V. Penulis memilih sekunder trafo yang 18V hal ini disebabkan karena besar tegangan output setelah melewati penyearah menjadi naik, untuk mengatasi hal tersebut maka dipilihlah sekunder trafo 18V. DC supply
yang dibutuhkan adalah sebesar +15V dan -15V, maka digunakan LM 7815 dan LM 7915.
Nilai dioda yang digunakan adalah 50V (karena setelah melihat Vm maka tegangan diode harus >Vm dan dicari yang mudah ditemukan dipasaran), 6A (I trafo adalah 3A, karena Id > It dan setelah melihat pasaran, maka yang digunakan adalah 6A).
Nilai kapasitor yang dipasang harus diperhitungkan. Kapasitor ini digunakan untuk menghilangkan ripple. Berikut ini merupakan perhitungan nilai kapasitor. Nilai asumsi ripple yang digunakan adalah nilai ripple maksimum yang diperbolehkan untuk menghasilkan catu daya yang baik (±3%).
3.7.2 Perancangan Modul
Gambar 3.4 Rangkaian DC Supply ±15V
3.8 Realisasi perangkat Keras Simulator Plant Orde Satu dan Orde Dua
Pada sub bab ini penulis membahas tentang rangkaian simulator plant orde satu dan orde dua, dibawah ini rangakian simulator plant yang dihubungkan pada ke software cassy pack.
Gambar 3.8 Realisasi Rangkaian Simulator Plant Pada rangkaian diatas power supply untuk tegangan Vcc dihubungkan kepada set point dan simulator plant untuk membangkitkan tegangan kerja pada op amp yang berada pada simulator plant, lalu step input di masukan ke simulator plant dan keluarannya dimasukan ke modul software cassypack.
Pada simulator plant orde satu dan orde dua ini memiliki rangkaian seperti ini
Gambar 3.9 Realisasi Rangkaian Simulator Plant Menggunakan Program Proteus Dan Rangkaian Pada
Simulatornya
R 6 V o V cc + 1 5 v -1 5 v V cc L F 3 5 6 2 3 7 1 5 4 6 R 4 R 5 C 1 R 3 C 1 R 2 R 1 6 4 5 1 7 3 2 L F 3 5 6 -1 5 v V cc V cc + 1 5 v V i
3.9 Simulator Plant Orde Satu
Rangkaian orde satu terdiri dari dua buah Op-Amp yaitu LM 356 dan LM 1458. Rangkaian Op-Op-Amp pertama menunjukan nilai dari orde satu sedangkan rangkaian Op-Amp yang kedua merupakan rangkaian inverting yang bertujuan untuk menghasilkan nilai positif
V i V c c + 1 5 v -1 5 v V c c L F 3 5 6 L M 1 4 5 8 -1 5 v V c c V c c + 1 5 v 2 3 7 15 4 6 R 1 R 2 R 4 R 5 R 6 V o 2 7 3 4 6 C 1 R 3
Gambar 3.10 Rangkaian SimulatorPlant Orde 1 Rangkaian pada Op-Amp yang kedua (U2A) merupakan rangkaian inverting, penambahan rangkaian inverting dimaksudkan agar output tegangan bernilai positif. Dengan mengatur nilai R2 dan C pada rangkaian Op-Amp pertama (U1) maka dapat merubah nilai dari fungsi alih simulator plant orde satu, sehingga bisa mendapatkan nilai fungsi alih yang diinginkan. Di bawah ini merupakan tabel nilai R1, R2, dan C yang dipakai untuk menentukan nilai fungsi alih yang bermacam – macam.
Tabel 3.3 Persamaan Dasar Plant Orde Satu
Nilai R1 Nilai R2 Nilai R3 Nilai C Persamaan Fungsi Alih 1 KΩ 0,99 M 10 KΩ 1µF 5 KΩ 0,99 M 10 KΩ 1µF 1 KΩ 10 M 10 KΩ 1µF 5 KΩ 10 M 10 KΩ 1µF 1 KΩ 0,09 M 10 KΩ 1µF
3.10 Simulator Plant Orde Dua
Rangkaian simulator orde dua merupakan gabungan antara dua buah rangkaian simulatorplant orde satu yang dirangkai seri, di bawah ini merupakan gambar rangkaian simulatorplant orde dua
Gambar 3.11 Rangkaian Simulator Plant Orde 2 Persamaan fungsi alih diatas digunakan pula untuk rangkaian Op-Amp kedua (U2A), sehingga akan menghasilkan nilai fungsi alih berorde dua. Dibawah ini merupkan blok diagram untuk rangkaian simulator plant orde
.
1
Ts+1
Vi (s)
1
Vo (s)
Ts+1
Gambar 3.12 Blok Diagram Rangkaian Orde Dua
Tabel 3.3 Persamaan Dasar Plant Orde Dua
BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Tujuan Pengujian
Pengujian alat bertujuan untuk mengetahui cara kerja alat yang dibuat dengan mengacu pada karakteristik teoritis dan spesifikasi yang diinginkan sesuai dengan tujuan yang sudah dirancang sebelumnya. Membandingkan simulator yang sudah diperbaiki dengan simulator yang masih mengalami kerusakan.
a Menguji karakteristik simulator plant orde satu dan plant orde dua.
b Menganalisa kerusakan pada komponen yang terdapat pada plant orde satu dan orde dua c Menganalisa data hasil pengujian
4.2 Tahapan Pengujian
4.2.1 Pengujian Simulator Plant Orde Satu dan Plant Orde Dua
Prosedur Pengujian Semikonverter 1) Aktifkan program Cassy pack
2) Masukan sumber DC ± 15, dan 0 Volt ke simulator plant orde satu dan orde dua
3) Beri tegangan input DC pada Vin simulatorplant orde satu dari (0 – 5) Volt
3) Sambungkan set point , output, dan ground simulator ke hardware Cassy pack
4) Atur nilai Ts yang diinginkan.
6) Catat Tegangan output dengan menggunakan Cassy pack.
Data Hasil Pengujian Karakterisitk
Simulator
Plant Orde Satu dan Orde DuaSetelah melakukan pengujian simulator plant orde satu dan orde dua di dapatkan hasil gelombang
keluaran karakteristik simulator plant orde satu yang masih dalam keadaan normal.
Step input = 5v, τ1 = 1; R1=1KΩ; R2= 0.99M; R3= 10KΩ; R4=10KΩ;C=1µF;
Gambar 4.1 Grafik Output Orde 1 Dengan Fungsi Alih
Dibawah ini adalah contoh gambar grafik simulator plant orde dua yang mangalami kerusakan. Pada saat percobaan dari 3 simulator yang mengalami kerusakan karakteristik gelombang yang mengalami kerusakan menyerupai maka hanya beberapa gambar untuk simulator plant yang rusak di cantumkan pada laporan ini.
Persamaan Dasar Rangkaian U1 Persamaan Dasar Rangkaian U2
Fungsi Alih 1xFungsi Alih 2
Nilai R1 Nilai
R2
Nilai
C1 Fungsi Alih 1 Nilai R3 Nilai R4 Nilai C2 Fungsi Alih 2
10 KΩ 10 KΩ 100 µF
10 KΩ 10 KΩ 100 µF
10 KΩ 5 KΩ 100 µF
10 KΩ 5 KΩ 100 µF
10 KΩ 3,3 KΩ 100 µF
10 KΩ 3,3 KΩ 100 µF
10 KΩ 2,5 KΩ 100 µF
10 KΩ 2,5 KΩ 100 µF
10 KΩ 2 KΩ 100 µF
10 KΩ 2 KΩ 100 µF
Gambar 4.6 Grafik Output Orde 1 Rusak Dengan Fungsi Alih
Gambar 4.7 Grafik output orde 1 yang rusak dengan fungsi alih
Gambar 4.8 Grafik Output Orde 2 Dengan Fungsi Alih
Untuk kerusakan pada plant orde sama dengan kerusakan pada plant orde satu
Sama seperti pada plant orde satu Dibawah ini adalah contoh gambar grafik simulator plant orde dua yang mangalami kerusakan. Pada saat percobaan dari 3 simulator yang mengalami kerusakan karakteristik gelombang yang mengalami kerusakan menyerupai maka hanya beberapa gambar untuk simulatorplant yang rusak di cantumkan pada laporan ini.
Setelah mengetahui hasil keluaran gelombang plant orde satu dan orde dua dalam kondisi normal
maupun dalam kondisi rusak, maka dilakukan perbaikan untuk simulator plant orde satu dan orde dua ini, dengan cara melakukan pengecekan pada setiap komponen – komponen yang berada pada simulator plant tersebut.
1. Melakukan pengecekan pada diode yang berada pada simulator tersebut, dengan cara menggunakan avometer untuk mengecek kaki katoda dan anodanya
2. Melakukan pengecekan pada resistor tetap dan variable, dengan cara menyambungkan kaki – kaki resistor kepada avometer. Pada resistor tetap akan muncul nilai tahanan pada resistor tersebut lalu bandingkan dengan pita warna yang tertera pada resistor tersebut. Untuk resistor variable dengan cara menghubungkan kaki resistor yang tetap dan variable lalu putar saklar untuk menentukan nilai resistor tersebut, bila berubah nilainya tahan berarti dalam keadaan baik, sedangkan bila tidak berubah maka resistor tersebut tidak rusak.
3. Melakukan pengecekan pada kapasitor dengan cara mengisi kapasitor tersebut dengan tegangan lalu cek dengan avometer bila nilai tegangan capasitor muncul dan bila diukur akan semakin kecil nilai tegangan maka kapasitor tersebut dalam keadaan baik.
4. Melakukan pengecekan pada IC Op Amp dengan cara mencobakannya langsung pada rangkaian, bila hasil dari rangkaian Vo tidak sesuai maka IC tersebut rusak.
Pada simulator plant ini komponen yang mengalami kerusakan adalah diode zener dan ic LM 741. Pada contoh simulator yang mengalami kerusakan pada grafik pertama, komponen yang mengalami kerusakan ada diode zener, sehingga step input tetap di 5V sedangakan untuk gelombang karakteristik plant orde satu dan orde dua mencapai 12V,
Lalu pada gambar grafik kerusakan plant orde satu dan orde dua pada grafik yang kedua, komponen yang mengalami kerusakan adalah IC LM 741, karena IC LM 741 ada rangkaian pembangkit gelombang orde satu dan orde dua sehingga gambar grafik gelombang pada simulator tersebut tidak beraturan.
4.2.2 Perbandingan Pengujian Antara Cassy Pack Dengan Matlab Plant Orde Satu
Selain diuji menggunakan Cassy pack, pengujian karakteristik plant orde satu dapat diuji dengan menggunakan matlab. Di bawah ini merupakan tabel perbandingan percobaan antara Cassy pack dan Matlab
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (second)
Tabel 4.1 Perbandingan Percobaan Simulator Plant Orde satu Dengan Menggunakan Cassy
pack Dan Simulasi Matlab Fungsi Alih Percobaan Menggunakan Cassy Pack Percobaan Menggunakan Matlab Analisa :
Berdasarkan hasil pengujian simulator plant orde satu dengan menggunakan cassy pack menunjukkan bahwa output yang dihasilkan sebanding dengan output yang dihasilkan oleh simulasi software matlab
4.2.3 Perbandingan Pengujian Antara Cassy Pack Dengan Matlab Plant Orde dua
Tabel 4.2 Perbandingan Percobaan Simulator Plant Orde Dua Dengan Menggunakan Cassy Pack Dan Simulasi Matlab
Fungsi Alih Percobaan Menggunakan Cassy Pack Percobaan Menggunakan Matlab Analisa :
Berdasarkan hasil pengujian simulator plant orde dua dengan menggunakan cassy pack menunjukkan bahwa output yang dihasilkan sebanding dengan output yang dihasilkan oleh simulasi software matlab
TR
4.2.4 Indetifikasi Grafik Plant Orde Satu
Pada bagian ini akan membahas tentang menentukan τ gambar grafik yang di tampilkan di program cassy pack.
Gambar 4.13 Grafik Plant Orde Satu τ = 1s
Gambar 4.14 Grafik Plant Orde Satu τ = 5s Pertama tentukan dahulu K (Gain Over all) dimana rumus adalah input dari plan dibagi dengan output dari plan sehingga seperti ini :
K =
K =
= 1
Pada plan orde satu ini cara mengidentifikasi yaitu untuk mendapatkan τ (time konstan) adalah 63,2% dari keadaan tunak (state steady) sehingga hasilnya yaitu :
Τ = 63.2% x Keadaan State steady
= 63,2% x 5v = 3,16 V
Setelah menemukan tegangan yang mencapai 63,2% lalu tarik garis dari tegang tersebut ke gelombang plant orde satu lalu dari gelombang tersebut tarik kebawah ke fungsi waktu sehingga dapat ditentukan time konstan-nya, seperti gambar di atas, sehingga dapat ditentukan τ = 1, dan persamaannya adalah
=
Rise Time (TR) : Ukuran waktu yang menyatakan keberadaan suatu respon, yang di ukur mulai respon 5% s/d 95% dari respon steady state dapat pula 10% s/d 90% TR = t Ln 19 (5%–95%), atau TR = t Ln 9 (10%-90%) Respon 5% Respon 95% = 5% x 5v = 95% x 5v = 0.25 v = 4.75 v TR = t Ln 19 (5%–95%) = 1 Ln 19 (0.25 – 4.75 ) = 4.44 s
Settling Time (TS): Ukuran waktu yang menyatakan respon telah masuk ±5% atau ±2% atau ±0,5% dari respon steady state.
Ts(± 5%) = 3t ; Ts(± 2%) = 4t atau Ts(± 0,5%)=5t
63,2% dari
keadaan
tunak
τ
=1
Delay Time (TD) : Ukuran waktu yang menyatakan factor keterlambatan respon output terhadap input, di ukur mulai t = 0 s/d respon mencapai 50% dari
respon steady state. TD = t Ln2 4.2.5 Indetifikasi Grafik Plant Orde Dua
Pada bagian ini akan membahas tentang menentukan τ gambar grafik yang di tampilkan di program cassy pack
Gambar 4.15 Grafik Plant Orde Dua τ = 1s; τ = 1s
Gambar 4.16 Grafik Plant Orde Dua τ = 5s; τ = 5s Pada Plant orde dua cara mengidentifikasi gelombang orde dua berbeda dengan orde satu yaitu :
1. Tarik garis miring dari titik nol “0”, menyinggung lengkungan gelombang orde dua hingga berhenti di step input
1. Lalu tarik garis dari singgungan antar garis miring dengan garis gelombang orde dua. Tarik garis ke bawah di tengah – tengah garis singgungan tersebut sampai ke garis waktu 2. Setelah menemukan waktu yang tertera pada
garis keterangan waktu bagi 2 sehingga menemukan τ (time konstan) yang sesuai dengan persamaan matematisnya.
Dibawah ini dibahas tentang perbandingan hasil pengaturan pada resistor yang diatur dengan dengan hasil tampilan pengukuran pada program cassy pack. Tabel 4.3 Perbandingan Pengukuran Dengan Simulator Plant Dengan Software Cassy Pack.
Tabel 4.4 Perbandingan Pada Simulator Dengan Software Cassy Pack
Dari hasil pengujian yang dilakukan, masih adanya perbedaan dari pengaturan resistor pada simulator dengan hasil dikeluarkan pada software cassy pack, dan ada beberapa hasil pengaturan pada simulator yang sesuai dengan keluaran pada cassy pack.
Simulator Plant Orde Satu Cassy Pack (τ) R1(k Ω) R2(MΩ) (τ) 1 1 0.99 3 5 5 0.99 5,2 9 9 0.99 8 10 1 10 9,5 50 5 10 50 90 9 10 89 0.1 1 0.09 0.2 0.5 5 0.09 0.52 0.9 9 0.09 0.87
Simulator Plant Orde Dua Cassy Pack (τ1) (τ2) R1(k Ω) R2(MΩ) R1(k Ω) R2(MΩ) (τ) 1 1 1 0.99 1 0.99 2.5 5 5 5 0.99 5 0.99 5 0.1 0.1 1 0.09 1 0.09 0,2 0.5 0.5 5 0.09 5 0.09 0.5
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil uraian dan pengujian proyek akhir ini dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Perbandingan karakteristik gelombang plant orde satu dan orde dua melalui pengujian secara hardware menggunakan Cassy Pack dan menggunakan software Matlab terjadi perbedaan Time Konstan (τ) yang kurang karena penunjukan Time Konstan tidak presisi dengan simulator yang di uji. Pada time constan sama dengan 1 pada cassy pack melebihan dari time constan yang sesuai simulator.
2. Pada saat pembeban pada power supply ±15V terjadi drop tegangan di sisi positif maupun sisi negatif,
5.2 Saran
Keseluruhan sistem yang dirancang dan direalisasikan oleh penulis memiliki beberapa kekurangan, oleh karena itu terdapat beberapa hal yang dapat dijadikan saran untuk proses pengembangan selanjutnya, sebagai berikut:
1. Pada simulator plant orde satu dan orde dua range untuk konstan α = 0 ~1. Belum mencapai α>1
2. Masih ada ketidak sesuaian pada simulator plant orde satu dan orde dua dengan software Cassy Pack.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Rahmat, Basuki. 2004. Diktat Dasar Sistem Kontrol EE-3133. Bandung: Sekolah Tinggi Teknologi Telekomunikasi.
[2]. Surya, Hasan. 2004. Elektronika Daya. Bandung:Politeknik Negeri Bandung
[3]. Woollard, Barry. 1999. Elektronika Praktis. Jakarta: PT Pertja.
[4]. Bolton, W. 2006. Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol.Bandung: Pernerbit Erlangga.
[5]. _____. “ Indentifikasi Plant orde satu dan orde dua
https://fahmizaleeits.wordpress.com/2011/02/25/ identifikasi-plant/
[6] Budiyanto, Eko Nugroho. 2011. Rancang Bangun Simulator Plant Orde 1 Dan Plant Orde 2 Dengan Pengujian Menggunakan Kontroler Pi
Berbasis Plc. Bandung: Politeknik Negeri Bandung
