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]
Objektif:
Peranan Sistem Pengaturan Sejarah Perkembangan
Istilah dan Definisi
Manual dan Otomatis
Sistem Pengaturan Lup Terbuka
Sistem Pengaturan Lup Tertutup
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.
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.
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 pressure- cooker 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
Watt’s fly ball governor
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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.
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 angka- angka.
Sistem Pengaturan Komputer (computer control system) : sistem
pengaturan yang melibatkan komputer sebagai bagian dari loop pengatur (estimasi parameter, statistik, …)
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
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
Closed Loop (Feedback system)
Sensor
Desired output
+
-
Error signal
Controller Plant
Actuating signal Control
signal
Plant output
Actuator
Desired output
Controller Plant
Actuating signal Control
signal
Actuator
Plant output
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.
Sistem Kontrol Kecepatan
Sistem Pengaturan Loop Tertutup
Kebaikan:
Ketelitian lebih baik (kualitas produksi lebih baik).
Sensitivitas yang lebih rendah dari ratio terhadap variasi-variasi 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.
input output
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
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
temperature sensor
Desired temp.
+
-
Error signal
gain house
heat Gas valve
signal
temp.
furnace
Contoh 2: Cruise Control
If the vehicle speed is lower than the desired speed the controller acts on the throttle to increase speed
If the vehicle speed is higher than the desired speed, the speedometer
Desired speed
+
-
Error signal
controller vehicle
traction force
throttle speed
engine
Diagram Sistem Pengaturan Otomatis
Energy input
Process under control
Actuator Actual
output
Power interface
Transmission
Sensor
Signal conditioner
Process variable
Set point
