Download - SISTEM KONTROL
Institut Teknologi Telkom 1
CHAPTER IINTRODUCTION
- Syllabus
- SAP (Satuan Acara Perkuliahan
1.1. Latar Belakang.
1.2. Konsep Sistem Kontrol.
1.3. Contoh Berbagai Sistem Kontrol
1.4. Problem Desain Sistem Kontrol
Institut Teknologi Telkom 2
SAPMgg Pokok Bahasan Sub Pokok bahasan
1 Pendahuluan Konsep sistem Kontrol ; Kontrol Problem;
2Dasar matematika u' Analisa Design sistem kontrol Otomatis
Persamaan diffefrensial ; Transformasi Laplace; & fungsi transfer. Pemodelan Sistem Fisik
3Model sistem : Open Loop & Closed Loop
Model Blok Diagram; Model Flow Diagram; Model Ruang keadaan
4Analisa Respon/tanggapan Sistem Orde Satu
Fungsi impulse Respon; System orde - I; System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;
5Analisa Respon/tanggapan Sistem Orde Dua
Fungsi impulse Respon; System orde - I; System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;
6Kriteria Kestabilan Routh-
Hurwitz
Karakteristik Tanggapaan Steady State ( Mantap ) ; Analisa kesalahan kondisi mantap
7 Analisa Kesalahan steady state
Kriteria stabilitas BIBO & Routh-Hurwitz; Root Locus Plot; Aturan Root Locus Plot; Analisa & Desain sistem kontrol ( root locus metode); Analisa & Desain dalam Ruang keadaan.
Institut Teknologi Telkom 3
SAP
8 Root Locus
Root Locus Plot; Aturan Root Locus Plot; Analisa & Desain sistem kontrol ( root locus metode); Analisa & Desain dalam Ruang keadaan.
9 Analisa Respon Frekuensi
Respon Frekuensi system; Bode Diagram; Polar Diagram; Nyquist Plot; Kriteria stabilitas Nyquist
10 Analisa Respon Frekuensi
Respon Frekuensi system; Bode Diagram; Polar Diagram; Nyquist Plot; Kriteria stabilitas Nyquist
11 Aksi Dasar kontrol
Aksi kontrol dasar; Aksi Kontroler ;Effect Integral dan Derivative terhadap aksi kontrol pada performansi sistem ; Reduksi variasi parameter menggunakan Feed-Back.
12 Desain Kontroler/KompensatorSpesifikasi Desain System Kontrol; Pengenalan Kompensator
13 Desain Kontroler/KompensatorDesain PID/Kompensator : Empiris dan matematis
14 Desain Kontroler/Kompensator Implementasi PID analog
Institut Teknologi Telkom 4
I.1 Latar belakang
Aksi kemudi mobil untuk menentukan arah gerakan yang ditetapkan oleh pengemudi, mengikuti aturan sistem kontrol umpan balik.
Dalam gambar tersebut arah ditentukan berdasarkan referensi input (garis arah).
Mata pengemudi membentuk fungsi pembanding arah gerakan sebenarnya terhadap ketentuan arah (output) diharapkan. Mata pengemudi mentransmisi sinyal ke otak, yang menginterpretasikan sinyal dan mentransmisi sinyal ke lengan untuk memutar roda kemudi, menyesuaikan arah sebenarnya di arahkan ke sesuai jalur arah diharapkan.
Mengapa diperlukan sistem kontrol ?- Lihat kasus seperti pada gambar disamping
Institut Teknologi Telkom 5
Institut Teknologi Telkom 6
Contoh Sistem kontrol pada Pesawat 117 – Squadron.
Masalah :Bagaimana spesifikasi kinerja pesawat ?Apa saja yang dikontrol ?Bagaimana aturan & mekanisme kontrol ?
Berikan beberapa contoh sederhanaPerangkat yang memerlukan Sistem kontrol !
Institut Teknologi Telkom 7
Contoh Klasik-Open loop
Pemanggang Roti otomatisMotor listrik
Blok diagram sistem loop
terbuka
Institut Teknologi Telkom 8
Historical Review (1)• 200 SM Jam air dgn cara mengatur level air oleh
pelampung agar tetesan airnya konstan.• Cornelis Drebbel (1572-1633) pengatur suhu dalam
ruangan dengan cara mengalirkan udara panas• William Henry (1729-786) pengatur suhumenggunakan
peredam FLUE yang dimanipulasi secara otomatis untuk mengendalikan pengapian.
• Denis Papi (1674-1712), Robert Delap (1799), Matthew Murray (1799) pengatur tekanan mesin uap
• Matthew Boulton dan James Watt (1788) kendali kecepatan pada kincir angin dan mesin uap. Gorvernor Sentrifugal
Institut Teknologi Telkom 9
Historical Review (2)
• Minorsky (1922) Penggunaan persamaan diferensial untuk menunjukkan kestabilan sistem.
• Nyquist (1932) penentuan kestabilan suatu sistem closed loop dengan respon tunak dari input sinusoidal pada bagian open loop sistem.
• 1940 frekuensi respon untuk keperluan desain sistem kontrol closed loop yang linier
• 1940-1950 root locus
Institut Teknologi Telkom 10
Institut Teknologi Telkom 11
1.2. Konsep sistem Kontrol
• KONTROL Kendali
• OTOMATIS
Tanpa campur tangan manusia
Institut Teknologi Telkom 12
1.2.1 Bentuk dasar sistem kontrol
1. bentuk open loop ( kalang terbuka ).
2. bentuk closed loop ( kalang terturup ).
Institut Teknologi Telkom 13
Open Loop
Institut Teknologi Telkom 14
Closed Loop
Institut Teknologi Telkom 15
Sinyal pada sistem kontrol
Institut Teknologi Telkom 16
• Sistem Kombinasi sejumlah komponen yang bekerja bersama membentuk suatu fungsi, tidak bisa dengan sebuah bagian individual.
• Sistem Kontrol / Pengaturan Sistem yang terdiri dari beberapa elemen sistem yang dapat mengendalikan/mengatur suatu besaran fisis plant tertentu.
• Elemen Sistem Kontrol Plant, Proses, Sensor, Aktuator dll
• Command input : – sinyal input yang menyebabkan sistem secara independent
memberikan output, dan sinyal itu akan melakukan kontrol lengkap pada sistem (jika sistem secara lengkap bisa dikontrol).
• Reference input Sebuah signal referensi yang dihasilkan oleh reference selector, yaitu sinyal input ke sistem kontrol.
• Reference selector (elemen input referensi) Unit yang menetapkan/membentuk nilai input referensi. Reference selector disesuaikan dengan nilai output sistem diharapkan.
Pengertian (1/5)
Institut Teknologi Telkom 17
Pengertian (2/5)
• Plant Objek yang akan dikontrol• Actuator Suatu perangkat yang
memberikan aksi kepada plant• Controller pengontrol/pengendali• Controlled Variable kuantiti atau
kondisi yang terukur dan terkontrol• Manipulated Variable kuantiti atau
kondisi yang dapat berubah oleh pengaruh pengontrol
Institut Teknologi Telkom 18
Pengertian (3/5)
• Process Suatu operasi yang akan dikontrol• System Kombinasi dari beberapa komponen
yang berkerja secara bersama dalam mencapai suatu tujuan.
• Disturbance Suatu sinyal yang mempengaruhi keluaran dari sistem yang kemunculannya tidak diinginkan.
• Feedback Umpan balik, memasukkan sinyal keluaran sistem ke bagian sebelumnya atau bagian awal proses dari suatu sistem.
Institut Teknologi Telkom 19
Pengertian (4/5)
• Sensor komponen untuk mengukur suatu kuantiti atau kondisi
• Loop suatu aliran proses
• Open loop aliran yang tidak memiliki feedback
• Close loop aliran proses yang memiliki feedback. Kontrol Otomatis
Institut Teknologi Telkom 20
•Sistem kontrol Closed-loop Sebuah sistem yang outputnya memberikan efek pada kuantitas input untuk menjaga nilai output yang diharapkan.
•Elemen forward (sistem dinamik) Unit yang bereaksi dengan sinyal penggerak, menghasilkan output yang diharapkan. Unit ini bekerja mengontrol output, biasanya bisa suatu power amplifier.
•Output (variabel terkontrol) Kuantitas yang harus di jaga pada nilai tertentu, yaitu mengikuti command input tanpa respon input gangguan.
•Feedback element Unit yang memberikan umpan balik kuantitas output, atau fungsi dari output, guna dibandingkan dengan input referensi.
•Sinyal penggerak Sinyal yang membedakan antara input referensi dengan sinyal umpan balik. It is the input to the control unit that causes the output to have the desired value.
Pengertian (5/5)
Institut Teknologi Telkom 21
1.3. Contoh System Kontrol
•Sistem tersebut bisa diterapkan
•Metode kontrol lup terbuka / tertutup
•Mempertimbangkan faktor gangguan
Institut Teknologi Telkom 22
Blok Diagram Sistem Kontrol Posisi Azimuth pada Antena
Institut Teknologi Telkom 23
Institut Teknologi Telkom 24
Institut Teknologi Telkom 25
Institut Teknologi Telkom 26
Institut Teknologi Telkom 27
Institut Teknologi Telkom 28
Institut Teknologi Telkom 29
Institut Teknologi Telkom 30
Institut Teknologi Telkom 31
Institut Teknologi Telkom 32
1.4 Problem Desain Sistem KontrolSecara umum, persoalan kontrol dapat di bagi dalam tahap berikut :1. Sekelompok spesifikasi kinerja sistem yang ditetapkan.2. Penentuan spesifikasi kinerja suatu problem kontrol .3. Sekelompok Persamaan diferensial linear, menggambarkan sistem fisik
dirumuskan atau teknik identifikasi sistem diterapkan guna mendapatkan model fungsi transfer plant
4. Desain dengan pendekatan teori kontrol, dengan bantuan komputer meliputi :(a) Suatu kinerja sistem dasar (asli tanpa kompensator) ditentukan dengan
aplikasi salah satu metode tersedia untuk analisa (atau kombinasi).(b) Jika kinerja dari sistem dasar (asal) tidak diperoeh spesifikasi diperlukan,
sebuah metode kontrol desain dipilih yang akan memperbaiki respon sistem.
(c) Untuk plant yang memiliki struktur parameter tidak tentu, bisa digunakan teknik desain quantitative feedback theory (QFT).
5. Simulasi desain sistem .6. Implementasi dan test sistem nyata.
Institut Teknologi Telkom 33
Design sistem untuk mendapatkan kinerja diharapkan dari sistem, itulah masalah sistem kontrol.
Keperluan dasar perangkat adalah kemudian dirakit menjadi sistem untuk membentuk fungsi kontrol diharapkan. Kebanyakan sistem adalah nonlinear, dalam banyak kasus Nonlinearitas cukup kecil untuk diabaikan, batas operasi cukup kecil maka digunakan analisa secara linear.
Institut Teknologi Telkom 34
Diagram Problem Desain Sistem Kontrol Kebutuhan
Fungsional :
Pernyataan problem meliputi sasaran
operasi dari sistem kontrol dan lingkungan
operasi Spesifiasi kinerja :
Ekspresi matematik menggambarkan
kebutuhan fungsional
Model dinamika :
Model matematik dari sistem yang
dikontrol Alokasi kontrol :
Algoritma optimasi menggunakan kontrol untuk
efisiensi
Desain sistem kontrol :
Algoritma prosedur Kontrol
Institut Teknologi Telkom 35
Tahapan Pengembangan
PEMODELAN
SIMULASI
PROTOTYPE
Institut Teknologi Telkom 36
A general procedure for theoretical modeling
1. Definition of flows• energy fl ow (electrical, mechanical, thermal conductance)• energy and material fl ow (fl uidic, thermal transfer, thermodynamic, chemical)
2. Definition of process elements: flow diagrams• sources, sinks (dissipative)• storages, transformers, converters
3. Graphical representation of the process model• multi-port diagrams (terminals, flows, and potentials, or across and through variables)• block diagrams for signal flow• bond graphs for energy flow
Institut Teknologi Telkom 37
A general procedure for theoretical modeling (cont)
4. Statement of equations for all process elements(i) Balance equations for storage (mass, energy, momentum)(ii)Constitutive equations for process elements (sources, transformers, converters)(iii)Phenomenological laws for irreversible processes (dissipative systems: sinks)
5. Interconnection equations for the process elements• continuity equations for parallel connections (node law)• compatibility equations for serial connections (closed circuit law)
6. Overall process model calculation• establishment of input and output variables• state space representation• input/output models (differential equations, transfer functions)
Institut Teknologi Telkom 38
Simulation
Institut Teknologi Telkom 39
Simulation
Institut Teknologi Telkom 40
Real-time simulation: hybrid structures (a) Hardware-in-the-loop simulation. (b) Control prototyping
Institut Teknologi Telkom 41
Hardware-in-the-Loop Simulation• Design and testing of the control hardware and software without
operating a real process (“ moving the process field into the laboratory”);
• Testing of the control hardware and software under extreme environmental conditions in the laboratory (e.g., high/low temperature, high accelerations and mechanical shocks, aggressive media, electro-magnetic compatibility);
• Testing of the effects of faults and failures of actuators, sensors, and computers on the overall system;
• Operating and testing of extreme and dangerous operating conditions;
• Reproducible experiments, frequently repeatable;• Easy operation with different man-machine interfaces (cockpit-
design and training of operators);• Saving of cost and development time.
Institut Teknologi Telkom 42
Control Prototyping
• For the design and testing of complex control systems and their algorithms under real-time constraints, a real-time controller simulation (emulation) with hardware (e.g., off-the-shelf signal processor) other than the final series production hardware (e.g., special ASICS) may be performed. The process, the actuators, and sensors can then be real.
• This is called control prototyping. • However, parts of the process or actuators may
be simulated, resulting in a mixture of HIL-simulation and control prototyping.
Institut Teknologi Telkom 43
The advantages of control prototyping
• early development of signal processing methods, process models, and control system structure, including algorithms with high level software and high performance off-the-shelf hardware;
• testing of signal processing and control systems, together with other design of actuators, process parts, and sensor technology, in order to create synergetic effects;
• reduction of models and algorithms to meet the requirements of cheaper mass production hard-ware;
• defining the specifications for final hardware and software.