MODUL PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL

(1)

MODUL PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL

LABORATORIUM DASAR SISTEM KONTROL FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS KRISNADWIPAYANA

JAKARTA

(2)

i

DAFTAR ISI

PERCOBAAN I ... 1

Kecepatan Motor Terhadap Karakteristik Masukan ... 1

PERCOBAAN 2 ... 5

Kecepatan Motor Terhadap Karakteristik Beban ... 5

PERCOBAAN 3 ... 10

Respon Transien Motor DC ... 10

PERCOBAAN 4 ... 14

Dasar Kontrol Kecepatan Loop Tertutup ... 14

PERCOBAAN 5 ... 18

Penguatan Sistem Terhadap Kontrol Kecepatan ... 18

PERCOBAAN 6 ... 24

Kontrol Kecepatan Dua Arah... 24

(3)

1

PERCOBAAN I

Kecepatan Motor Terhadap Karakteristik Masukan

I. Maksud dan Tujuan

1. Mempelajari prinsip kerja kecepatan motor terhadap karakteristik masukan.

2. Mempelajari pengaruh input tegangan terhadap kecepatan putar motor.

II. Alat-alat

1. Motor Drive Amp (U-154) 2. Tacho-Amp (U-155) 3. DC Power Supply (U-156) 4. Potensiometer (U-157) 5. Tacho Meter (U-159) 6. Servo Meter (U-161) 7. Volt Meter DC 8. Ampere Meter DC 9. Kabel penghubung III. Latar Belakang Teori

Sebuah motor arus searah menggabungkan sebuah belitan jangkar yang terhubung dengan sebuah komulator dan kutub-kutub magnet yang mana dibangkitkan dari sumber DC atau magnet permanen. Torsi mekanik yang dihasilkan ketika arus mengalir melewati belitan. Rangkaian magnet yang digunakan dalam motor DC pada ED-1-100 adalah magnet permanen (medan magnet permanen). Oleh karena itu, kecepatan dari motor sangat tergantung dari sejumlah tegangan yang diterapkan ke belitan jangkar (lihat Gambar 1.1).

Gambar 1.1 Tegangan Input VS Kecepatan Motor

(4)

2 Sebagaimana ditunjukkan oleh titik a pada sumbu x, motor menginginkan input tegangan minimum untuk memulai aksi putar. Ini menyebabkan gesekan mekanik yang datang dari sikat, bantalan dan lain-lain dalam mesin. Peningkatan tegangan masuk menaikkan arus yang melewati belitan dan oleh karena itu, kecepatan motor. Namun demikian, GGL lawan pada gulungan jangkar juga meningkat sebagaimana kecepatan motor meningkat dan akhirnya motor mencapai titik saturasi dimana setiap penambahan dalam tegangan tidak lagi menyebabkan kenaikan kecepatan.

Motor dalam sistem dikendalikan oleh U-154 kontrol tegangan masuk dihasilkan melalui U-151. Kecepatan motor, dalam RPM, ditunjukkan pada U-159 dengan mendeteksi keluaran dari tacho generator.

Gambar 1.2. Ekivalen Diagram Sistem Percobaan 1

IV. Tugas Pendahuluan

Tanyakan pada asisten yang bersangkutan!

(5)

3 Gambar 1.2. Rangkaian Percobaan

(6)

4 V. Prosedur Percobaan

1. Buat rangkaian seperti gambar 1.2.

2. Hubungkan tacho meter melalui terminal-terminal dari motor dan ground pada U-155.

3. Atur pemutar pada U-157 pada 0^o.

4. Hubungkan kabel power pada U-156 dan nyalakan saklar power.

5. Atur pemutar pada U-157 secara perlahan berlawanan dengan arah jarum jam hingga motor mulai berputar.

6. Catat setiap pemutaran pemutar, input tegangan dan arus motor.

7. Atur pemutar U-157 searah jarum jam dan naikkan tegangan input dengan kenaikan penambahan 1 Volt dan catat kecepatan motor sebagaimana ditunjukkan pada U-159 dan arus motor.

VI. Tugas Akhir

1. Gambar grafik antara kecepatan terhadap tegangan masukan.

2. Gambar grafik tegangan masukan terhadap arus.

3. Gambar grafik kecepatan terhadap arus motor. Amati hubungan antara keduanya.

4. Berikan kesimpulan dari percobaan yang saudara lakukan.

(7)

5

PERCOBAAN 2

Kecepatan Motor Terhadap Karakteristik Beban

I. Maksud dan Tujuan

1. Mempelajari prinsip kerja kecepatan motor terhadap karakteristik beban.

2. Mempelajari pengaruh perubahan beban terhadap kecepatan motor.

II. Alat-alat

1. Dual Attenuator (U-151) 2. Pre Amp (U-153)

3. Motor Drive-Amp (U-154) 4. Tacho-Amp (U-155) 5. DC Power Supply (U-156) 6. Potensiometer (U-157) 7. Tacho Meter (U-159) 8. Servo Meter (U-161) 9. Magnet Brake (U-163) 10. Piringan Beban

11. Kabel Penghubung III. Latar Belakang Teori

Nilai output dasar dari motor DC dengan magnet permanen berkisar dari beberapa watt sampai hampir 100 watt. Motor jenis ini memiliki efisiensi yang relatif tinggi. Fluks magnet dalam motor adalah tetap sebab magnet permanen sebagai kutub magnet. Oleh karena itu, torsi motor sebanding pada arus masukan dalam belitan jangkar. GGL lawan sebanding dengan kecepatan dari motor pada saat yang sama. Hubungan di atas dalam motor menetapkan persamaan berikut.

Kϕ = konstan (2-1)

Ea = Kϕϖm (Volt) (2-2) T = KϕIa (N.m) (2-3)

(8)

6 Dimana

Kϕ = Fluks magnet dari magnet permanen Ea = GGL lawan (Volt)

ϖm = Kecepatan sudur dari motor (rad/sec) T = Torsi (N.m)

Ia = Arus masukan (Ampere)

Hubungan antara tegangan masukan dengan arus masukan serta antara kecepatan dengan torsi adalah sbb.

Vt = Ea + RaIa (Volt) (2-4) ϖm = Vt/Kϕ – RaT/( Kϕ) (2-5 dimana

Vt = tegangan masukan (Volt) Ra = tahanan gulungan jangkar

Dari persamaan-persamaan di atas, dapat dilihat bahwa untuk tegangan masukan yang diberikan, seperti torsi atau peningkatan beban, kecepatan motor berkurang. Juga, ketika torsi dinaikkan, banyak arus yang mengalir melewati gulungan. Hubungan antara kecepatan motor dengan beban ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Kecepatan Motor VS Karakteristik Beban

(9)

7 Gambar 2.3. Ekivalen Diagram Sistem Percobaan 2

(10)

8 Gambar 2.1. Rangkaian Percobaan 2

(11)

9 IV. Tugas Pendahuluan

Tanyakan asisten yang bersangkutan V. Prosedur Praktikum

2. Atur ATT pada U-151 posisi 8. Nyalakan power. Atur U-157 dengan demikian U-159 menunjukkan kecepatan maksimum. Pastikan motor tidak dalam keadaan saturasi.

3. Naikkan posisi rem pada saat U-161 pada poros kecepatan tinggi dari 0 sampai 10 setiap kali dan catat RPM dari U-159 dan arus motor dari U- 156.

4. Turunkan posisi rem dari 10 hingga 0 dan catat RPM dari U-159 dan arus motor dari U-156.

VI. Tugas Akhir

1. Gambar grafik posisi rem terhadap tegangan keluar.

2. Gambar grafik posisi rem terhadap arus motor.

3. Dari hasil ini plot setting tegangan dan arus tacho terhadap skala rem.

4. Berikan kesimpulan dari percobaan yang anda lakukan.

(12)

10

PERCOBAAN 3

Respon Transien Motor DC

1. Mempelajari transien motor DC

2. Mempelajari pengaruh pembebanan terhadap respons transien motor DC.

II. Alat-alat

1. Dual Attenuator (U-151) 2. Pre Amp (U-153)

3. Motor Drive-Amp (U-154) 4. Tacho-Amp (U-155) 5. DC Power Supply (U-156) 6. Tacho Meter (U-159) 7. Servo Meter (U-161)

8. Function Generator (U-162) 9. Piringan Beban

10. Storage Oscilloscope 11. Kabel Penghubung III. Latar Belakang Teori

Masukan yang diterapkan ke motor dalam percobaan terdahulu adalah gradual, jadi motor merespon tanpa mengalami distorsi. Namun demikian, ketikan bentuk gelombang masukan adalah fungsi step, motor dapat merespon hanya dengan karakteristik eksponensial. Lebih jauh, ketika inersia tambahan dipasang ke poros putar dengan cara menambah sebuah roda terbang, motor merespon dengan tambahan tunda. Tunda pada kasus ini adalah bi-directional;

ketika masukan dikurangi, kecepatan motor berkurang dengan tunda pula.

Gambar 3.1 dan 3.2 menggambarkan hubungan antara kecepatan dan waktu dengan nilai inertia yang berbeda-beda.

(13)

11 Gambar 3.1.

Kecepatan motor VS waktu dengan momen inertia kecil

Gambar 3.2.

Kecepatan motor VS waktu dengan momen inertia besar

Karakteristik keluaran di atas adalah hasil pada oscilloscope (x-input) sebagaimana ditunjukan pada gambar 3.4.

(a) Input ke motor (b) Input ke Channel X Oscilloscope Gambar 3.4. bentuk gelombang sinyal input

IV. Tugas Pendahuluan

Tanyakan pada asisten yang bersangkutan.

V. Prosedur Praktikum

2. Siapkan Oscilloscope (osc) dengan dua channel. Hubungkan keluaran Ramp dari U-162 ke channel x dari osc.

3. Atur frekuensi dari U-162 ke 0.1 Hz..

4. Nyalakan U-156.

(14)

12 5. Atur tampilan osc dengan pengatur channel.

6. Atur U-151 dan jaga agar motor tidak saturasi.

7. Atur tampilan di OSC

8. Amati tampilan dari hasil resultan x-y di osc. Matikan power (U-156) . hubungkan piringan ke poros kecepatan tinggi dari U-161. Nyalakan power dan amati tampilan di osc.

9. Ulangi percobaan di atas dengan piringan bergerak ke poros kecepatan rendah.

VI. Tugas Akhir

1. Gambar grafik berdasarkan data dari langkah 7 sampai 9.

2. Berikan kesimpulan dari percobaan yang anda lakukan.

(15)

(16)

14

PERCOBAAN 4

Dasar Kontrol Kecepatan Loop Tertutup

1. Mempleajari dasar kontrol kecepatan loop tertutup.

2. Mempelajari pengaruh pembebanan terhadap kontrol kecepatan.

II. Alat-alat

1. Dual Attenuator (U-151) 2. Summing Amp (U-152) 3. Pre Amp (U-153)

4. Motor Drive-Amp (U-154) 5. Tacho Amp (U-155) 6. DC Power Supply (U-156) 7. Potensiometer (U-157) 8. Tacho Meter (U-159) 9. Servo Meter (U-161) 10. Magnet Brake (U-163) 11. Piringan beban

12. Kabel penghubung III. Latar Belakang Teori

Agak sering, dibutuhkan kenaikan dalam aplikasi motor-motor DC seperti saat kecepatan motor ditetapkan, motor mempertahankan kecepatan yang sama tanpa menghiraukan perubahan-perubahan dalam beban. Dalam sistem kontrol kecepatan loop tertutup sinyal kesalahan dibangun antara kecepatan yang diinginkan dengan kecepatan motor yang sebenarnya kapan saja waktu yang diberikan. Sinyal kesalahan dikuatkan dan umpan balik ke input untuk melawan output.

Sistem yang memiliki mekanisme umpan balik seperti itu disebut sistem loop tertutup. Dalam percobaan terdahulu, sistem tanpa umpan balik dan sistem ini

(17)

15 disebut sistem loop terbuka. Gambar 5.1. memperlihatkan perbedaan dasar antara dua sistem.

(a) Loop terbuka (b) Loop tertutup Gambar 5.1 Beban VS Kecepatan dalam sebuah motor

Sebagaimana dapat kita lihat, sistem dengan umpan balik yang tepat menawarkan kecepatan yang konstan tanpa menghiraukan perubahan- perubahan beban pada motor.

Dalam sistem umpan balik, penting untuk memiliki penguatan yang cukup dari sinyal kesalahan. Dalam sistem kita, harus ada gain yang cukup untuk sinyal kesalahan sebelum tibat diinput U-154 servo driver. Gain yang tidak cukup akan menghasilkan situasi dalam “deadband” dimana kontrol otomatis tidak dapat mengambil alih (tidak berfungsi).

Gambar 4.2. Ekivalen diagram sistem percobaan 4

(18)

16 IV. Tugas Pendahuluan

Tanyakan pada asisten yang bersangkutan!

1. Buat rangkaian sesuai gambar 4.2.

2. Atur sakelar pemilih “U-152” ke posisi a.

3. Atur ATT-2 pada U-151 ke posisi 10. Ini akan menjaga output tacho dari keadaan penguatan. Atur ATT-1 ke posisi 5.

4. Nyalakan U-156.

5. Atur U-157 sehingga kecepatan motor kira-kira ½ kecepatan maksimum (kira-kira mendekati 2500 RPM pada U-159).

6. Naikkan setting rem dengan kenaikan 1 setiap kali dan catat RPM dari U- 159.

7. Catat tegangan kesalahan sebagai fungsi dari sistem rem.

8. Kurangi ATT-2 ke posisi 5. Atur U-157 untuk menghasilkan kecepatan yang sama seperti langkah 5 (2500 RPM).

9. Ubah-ubah setting rem, dan pada tiap saat, catat nilai pada motor kecepatan dan tegangan kesalahan.

10. Atur ATT-2 ke 0. Atur kembali U-157 untuk menjaga kecepatan yang sama.

11. Ulangi langkah 9.

12. Bandingkan hasil dari langkah 3 hingga 7 dengan hasil yang diperoleh langkah 8 hingga 9 dan langkah 10-11.

VI. Tugas Akhir

1. Gambar grafik kecepatan VS. rem dan tegangan VS. kecepatan sesuai tabel 1, 2, dan tabel 3.

2. Dari hasil grafik di atas, tentukan sistem kontrol kecepatannya.

3. Jelaskan mengapa pada pengaturan rem yang berubah-ubah, kecepatan motor tetap.

4. Bandingkan hasil yang didapat dari langkah 3 hingga langkah 7 dengan hasil yang diperoleh dari langkah 8 hingga 9.

5. Buat kesimpulan dari percobaan di atas

(19)

(20)

18

PERCOBAAN 5

Penguatan Sistem Terhadap Kontrol Kecepatan

1. Mempelajari penguatan sistem terhadap kontrol kecepatan.

2. Mempelajari pengaruh perubahan gain terhadap kontrol kecepatan.

II. Alat-alat

12. Volt meter digital 13. Storage Oscilloscope 14. Kabel penghubung III. Latar Belakang Teori

Dalam kontrol motor loop tertutup diulangi dalam gambar 5.1. Ketika sebuah tegangan input (kadang-kadang disebut tegangan referensi) diterapkan ke summing amp, motor mulai berputar pada beberapa RPM dimana perbedaan berasal dari nilai yang diinginkan. Tacho generator yang secara mekanik tergabung ke motor menghasilkan sinyal AC yang sesuai ke RPM. Sinyal AC dikonversi ke tegangan DC dan tegangan DC diterapkan kembali ke summing amp seperti sebuah sinyal umpan balik.

(21)

19 Sinyal umpan balik bersama dengan tegangan input menghasilkan sebuah sinyal error yang dikuatkan kemudian diterapkan ke motor. Proses ini berlanjut sampai kecepatan motor mencapai RPM yang diinginkan. Agar untuk merubah kecepatan motor, tegangan input harus dirubah.

Gambar 5.1. Dasar Loop Umpan Balik untuk Kontrol Kecepatan Konstan

Kecepatan motor sebagai sebuah fungsi dari sinyal error diekspresikan seperti sebuah sistem ideal berikut.

Θo = KE (5-1)

Dimana

Θo = kecepatan motor K = penguatan sistem E = sinyal kesalahan

Sinyal kesalahan adalah fungsi dari sinyal input dan output tacho.

E = Vref – KgΘo (5-2)

Dimana Vref adalah sinyal referensi atau input ke summing amp.

Kg adalah ketetapan tacho generator. KgΘo mewakili tegangan output dari tacho generator. Dari persamaan (5-1) dan (5-2),

Θo = K (Vref − KgΘo) (5-3) Θo = K. Vref − K. KgΘo

1 = ^K.Vref

Θo − K. Kg

(22)

20

K.Vref

Θo = 1 − K. Kg Θo = ^K.Vref

1+ K.Kg (5-4)

Jika K >> 1 Θo ≈^Vref

Kg (5-5)

Persamaan di atas secara jelas menyatakan bahwa ketika gain dari sistem jauh lebih besar dari 1, kecepatan motor adalah sebuah fungsi dari hanya tegangan input. Hubungan antara kesalahan dan gain dibangun dalam cara yang sama.

𝐸 = Vref – Kg. K. E (5-6) 𝐼 =^Vref

𝐸 − 𝐾𝑔. 𝐾

Vref

𝐸 = 𝐼 + 𝐾𝑔. 𝐾 𝐸 = ^Vref

𝐼+𝐾𝑔.𝐾 (5-7)

Persamaan 5-7 menunjukkan bahwa tegangan error dapat dikurangi ketika gain dari sistem dinaikkan. Dalam sistem servo sebenarnya, ini berarti bahwa lebar deadband menjadi lebih besar seperti gain dinaikkan dan oleh karena itu fluktuasi dari kecepatan diminimalisasi di atas rentang lebar variasi beban.

Namun demikian terlalu banyak gain juga tidak baik. Gain yang berlebihan menyebabkan kecepatan motor bervariasi tidak beraturan. Oleh karena itu, gain dari sistem harus dimaksimalisasi tanpa menyebabkan situasi gain yang berlebihan. Hubungan di atas telah disimpulkan dalam gambar 5.2.

Gambar 5.2. Hubungan antara beban, sinyal error dan kecepatan Dalam gambar 5.3, U-155 menyediakan sinyal DC yang sesuai untuk kecepatan motor. Output yang cukup dari U-155 sangat penting untuk menjaga

(23)

21 kontrol kecepatan konstan. Setting gain U-153 sama penting, gain terlalu rendah akan menurunkan respon sistem, sementara gain terlalu tinggi menyebabkan ketidakstabilan dalam sistem.

Gambar 5.3. Ekivalen diagram sistem percobaan 5

Tanyakan pada asisten yang bersangkutan V. Prosedur praktikum

1. Buat rangkai sesuai gambar 5.4

2. Atur sakelar pemilih U-152 ke posisi a.

3. Atur ATT-1 dari U-151 ke posisi 9 (sinyal input minimum) dan ATT-2 ke posisi 10 (tidak ada feedback).

4. Nyalakan U-156. Atur U-157 dengan demikian motor mendekati 2500 RPM.

5. Naikkan setting rem, dengan kenaikan 1 dan ukur kecepatan serta sinyal kesalahan pada tiap-tiap setting rem.

6. Ubah ATT-2 ke posisi 5. Jaga kecepatan motor 2500 RPM. Ubah-ubah setting rem dan ukur kecepatan motor serta sinyal error pada setiap setting rem.

(24)

22 7. Posisi ATT-2 pada 5, ubah ATT-1 dari 0 sampai 9 dan ukur tegangan kesalahan pada tiap-tiap saat.jaga kecepatan motor pada 2500 RPM (atur U-157 jika perlu).

8. Ulangi langkah 7. Namun pada saat ini, hentikan motor tiba-tiba dengan menahan poros motor menggunakan tangan tiap posisi ATT-1. Ukur tegangan kesalahan.

VI. Tugas Akhir

1. Gambar grafik yang menampilkan hubungan antara setting rem, kecepatan motor dan sinyal error.

2. Gambarkan grafik tegangan kesalahan terhadap posisi ATT-1.

3. Gambar grafik rasio tegangan kesalahan terhadap posisi sebagai fungsi dari ATT-1, dimana rasio tegangan kesalahan ditetapkan sebagai berikut.

𝑟𝑎𝑠𝑖𝑜 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 =𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑒𝑟ℎ𝑒𝑛𝑡𝑖 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑒𝑟𝑝𝑢𝑡𝑎𝑟

(25)

(26)

24

PERCOBAAN 6

Kontrol Kecepatan Dua Arah

1. Mempelajari cara kerja kontrol kecepatan dua arah.

2. Mempelajari pengaruh pembebanan terhadap kontrol kecepatan dua arah.

II. Alat-alat

12. Volt meter digital 13. Storage Oscilloscope 14. Kabel penghubung III. Latar Belakang Teori

Percobaan kontrol kecepatan telah dibatasi untuk putaran satu arah. Di muka, sebuah motor DC dapat berputar dalam salah satu arah dan kontrol kecepatan tetap tersedia dalam salah satu arah. Dalam percobaan ini, kita akan melihat teknik kontrol kecepatan dua arah. Motor yang digunakan dalam sistem ini adalah dua arah; arah rotasi tergantung pada polaritas dari sinyal input.

Polaritas dari sinyal kesalahan juga tergantung pada polaritas dari sinyal input.

Polaritas dari sinyal input ditentukan oleh setting sakelar dari potensiometer U- 157, dipusatkan tengah-tengah dan sakelar (yaitu 0 V), arah motor dengan

(27)

25 sakelar diatur ke arah ⊕15 V akan berlawanan terhadap arah motor ketika sakelar diarahkan ⊝15V. Respon dua arah dari motor dengan input gelombang persegi ditunjukkan dalam gambar 6.1.

Gambar 6.1. Respon dua arah dari motor DC dengan input gelombang persegi

Seperti yang diharapkan, respon maju dan respon balik simetris satu sama lain, tanpa menghiraukan arah dari motor. Output dari tacho generator adalah sinyal AC yang tidak membawa informasi tentang polaritas dari sinyal. Masalah ini diselesaikan dengan menyediakan terminal input polaritas pada U-155 tacho amplifier.

Tanyakan pada asisten yang bersangkutan.

1. Buat rangkaian seperti gambar 6.2. Atur sakelar U-152 pada posisi a.

2. Atur ATT-1 pada U-151 ke posisi 10 dan ATT-2 pada posisi 7. Atur posisi U-157 pada posisi tengah (180^o). Nyalakan U-156.

3. Putar pemutar U-157 berlawanan jarum jam hingga kecepatan motor mencapai ½ dari kecepatan maksimum. Naikkan setting rem dari 0 sampai 10 dan ukur kecepatan motor pada tiap-tiap setting rem. Dengan meter arus pengendali motor dari U-156, ukur arus tiap setting rem dan kecepatan putaran.

(28)

26 4. Kembalikan pemutar U-157 ke posisi 180^o. Atur frekuensi U-162 0.2 Hz.

Kembalikan ATT-1 dari 10 turun ke 5 ini akan membuat motor berhenti tiap 2.5 second.

5. Hubungkan output ke U-155 ke channel Y oscilloscope dan bentuk gelombang triangular dari U-162 ke channel X. atur oscilloscope sehingga didapat gambar yang baik.

6. Sementara mengamati gambar di osc, naikkan setting rem. Atur U-157 perlahan ke kiri atau ke kanan kemudian kembali ke posisi 180^o.

7. Ulangi langkah 7 hingga 9 dengan U-152 pada posisi b. Amati perbedaan pola gambar pada layar

VI. Tugas Akhir

1. Gambarkan grafik dari hasil langkah 3 dan 4.

(29)