JUDUL PERCOBAAN

MODUL PERCOBAAN 2SISTEM KENDALI KECEPATAN DAN PENGENDALI PIDPraktikan: Jauzie Arief (11-2011-001) Asisten: Harry Guswanto (1320910)Waktu Percobaan: 12 Juni 2013EL-3120 Praktikum Sistem Kendali Control System LaboratoryLaboratorium Dasar Teknik ElektroSekolah Teknik Elektro dan Informatika ITBHalaman 10

AbstrakBeberapa peralatan yang dibuat oleh manusia diantaranya menggunakan sebuah motor listrik, misalnya pada peralatan rumah tangga seperti mixer, blender dan pada industriindustri seperti bor listrik. Untuk mengatur kecepatan motor sedemikian rupa dapat menggunakan sistem pengendali dengan metode PID dengan menguhubungkan unit-unit yang membentuk modular servo system MS 150. Setelah melakukan percobaan dengan nilai kontroler proporsional = 5 dan 1 serta integral time = 0.2s dan 50 ms, dan diberi pembebanan pada motor. Hasil yang diperoleh semakin kecil nilai kp dan Ti overshoot sama dengan 0 dan semakin besar beban perubahan posisi rem kecepatan putaran motor semakin pelan.Kata kunci: modular servo system MS 150, kontroler proporsional, kontroler integral, pembebanan.

Pendahuluan Pada praktikum modul 2 dengan judul Sistem Kendali Kecepatan dan Pengendalian PID dilatar belakangi beberapa industri yang menggunakan motor-motor listrik yang dikendalikan dengan metode digital yaitu dengan cara program. Oleh sebab itu, pada praktikum ini sangat diperlukan untuk menunjang wawasan praktikan dibidang ilmu pengetahuan teknologi.Adapun tujuan dari praktikum ini sebagai berikut:a. Memahami kelebihan dan kekurangan system control lingkar tertutup dibandingakan system control terbuka.b. Mampu melakukan analisa kinerja suatu system konrol.c. Mengetahui pengaruh kontroler proporsional, kontroler integral, kontroler derivative pada system control.d. Memahami system control kecepatan sederhana.

Dasar TeoriBanyak sekali alat atau proses yang bergantung pada kecepatan putar sebuah motor listrik, misalnya mixer yang sering digunakan oleh ibu rumah tangga, mesin bor di bengkel seorang montir, sabuk berjalan di industri perakitan mobil, bahkan juga pembangkitan tegangan di PLTA1 . Pengaturan kecepatan motor, dengan demikian, menjadi sangat penting.Untuk kepentingan kendali kecepatan, suatu motor listrik dapat direpresentasikan sebagai sistem dengan satu masukan dan satu keluaran :

Sistem kendali seperti di atas, dengan masukan plant yang tidak tergantung dari keluaran, dikenal dengan sistem kontrol lingkar terbuka (open - loop control system)2Agar keluaran sistem tidak mudah terganggu, dapat ditambahkan komponen lain yang mengukur keluaran sistem dan kemudian membandingkannya dengan keluaran yang diinginkan (= masukan acuan). Inilah yang disebut sistem kontrol lingkar tertutup (closed - loop control system),

2.1 Sub-bab Dasar TeoriA. Motor DC Pada prinsipnya mesin listrik dapat berlaku sebagai motor maupun sebagai generator. Perbedaannya hanya terletak dalam konversi dayanya. Generator adalah suatu mesin listrik yang mengubah daya masuk mekanik menjadi daya keluar listrik, sedangkan seballiknya motor mengubah daya masuk lestrik menjadi daya keluar mekanik. Maka dengan membalik generator arus searah, sekarang tegangan Vt menjadi sumber dan tegangan jangkar Ea merupakan ggl lawan, mesin arus searah ini akan berlaku sebagai motor. Oleh karena itu hubungan antara tegangan Vt dan Ea dapat dituliskan sebagai :Ea = Vt (Ia.Ra )

Gambar 1. Kontruksi Motor DcPrinsip kerja pada motor Dc adalah Motor DC terdapat dalam berbagai ukuran dan kekuatan, masing- masing didisain untuk keperluan yang berbeda-beda namun secara umum memiliki berfungsi dasar yang sama yaitu mengubah energi elektrik menjadi energi mekanik. Sebuah motor DC sederhana dibangun dengan menempatkan kawat yang dialiri arus di dalam medan magnet.kawat yang membentuk loop ditempatkan sedemikian rupa diantara dua buah magnet permanen.Bila arus mengalir pada kawat, arus akan menghasilkan medan magnet sendiri yang arahnya berubah-ubah terhadap arah medan magnet permanen sehingga menimbulkan putaran.

Gambar 2. Prinsip Kerja Motor DCPada gambar diatas sebuah loop ABCD berada dalam satu medan magnet. Jika arah flux magnet B berasal dari kutub U ke kutub S dari magnet permanen dan pada loop dialiri arus listrik dengan arah ABCD maka pada sisi AB akan terjadi gaya F1 yang mengarah kebawah, dan pada sisi CD juga terjadi gaya F2 yang mengarah keatas sesuai dengan aturan tangan kanan. Gaya F1 dan F2 tersebut menyebabkan loop berputar berlawanan dengan arah jarum jam. Peroses tersebut terjadi terus-menerus dan merupakan dasar dari pembentukan sebuah motor.

Gambar 3. Torsi Mesin DCGambar diatas Torsi pada Loop Torsi yang dihasilkan oleh gaya F1 dan F2 sehingga menyebabkan loop berputar dapat dihitung dengan persamaan berikut: = B.I.A.N sin Dimana:B = densitas fluks magnetic yang berasal dari kutub U ke S magnet permanen (Wb/m2)A = luas loop yang mengalir pada ABCD = sudut antara bidang normal loop ABCD dengan BN = jumlah lilitan yang membenruk loop Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut fluks medan utama. Bila motor listrik dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut fIuks medan jangkar. Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sudut . Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator. Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu). Akibat dari reaksi jangkar adalah terjadinya percikan api (sparking) yang dikarenakan perubahan normal medan rotor yang semakin dekat dengan statornya sehingga jika jarak makin dekat akan ada loncatan-loncatan elektron yang terjadi,awalnya sedikit namun seiring dengan berjalannya waktu elektronnya akan semakin banyak sehingga akan timbul loncatan elektron.

B. Pengendali PIDSistem pengendali PID adalah suatus pengendalian untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut. PID merupakan singkatan dari Proportional Integral Derivative. Sistem pengendali PID terdiri dari tiga jenis yang sesuai dengan singkatanya Proportional Integral dan Derivative. Ketiganya digunakana secara bersamaan atau masing-masing, tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plan. PID kontroler sebenarnya terdiri dari 3 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu P (proportional) controller, D (derivative) controller, dan I (integral) controller. Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing, hal ini dapat dilihat pada tabel dibawah ini :Tabel 1 Respon PID Controller Terhadap Perubahan KonstantaClosed-Loop ResposeRise TimeOvershootSettling TimeSS Eror

KpDecreaseIncreaseSmall ChangeDecrease

KiDecreaseIncreaseIncreaseEliminate

KdSmall ChangeDecreaseDecreaseSmall Change

1. Proportional ControllerDari table 1 diketahui bahwa P controller dapat mengurangi rise time, menambah overshoot, dan mengurangi steady state error. Diagram blok system pengendali adalah sebagi berikut:

Jika fungsi transfer motor DC sama dengan Maka closed-loop fungsi transfer sistem di atas dengan menggunakan P controller adalah sebagi berikut:

2. Proportional-Derivative ControllerDiagram blok system pengendali adalah sebagai berikut :

Closed-Loop transfer function system di atas dengan PD controller adalah :

3. Proportional-Integral ControllerDiagram blok sistem pengendali adalah sebagi berikut:

Closed-Loop transfer function sistem di atas dengan PI controller adalah :

4. Proportional-Integral-Derivative ControllerDiagram blok sistem pengendali adalah sebagai berikut:Close-Loop transfer function sistem di atas dengan PID controller adalah :

MetodologiA. Alat PercobaanDalam praktikum kali ini digunakan alat-alat sebagai berikut:1. PS150E (Power Supply) Unit ini menyediakan tegangan dc terlegulasi sebesar +15V dan -15V srta tegangan ac 22V.1. AU150B (Attenuator Unit) Berupa 2 buah potensiometer putar 10K yang dipergunakan sebagai pengeontrol tegangan (biasanya sebagai masukkan acuan dalam sistem kontrol pada motor), jika dihubungkan ke sumber tegangan atau sebagai pengontrol penguatan jika dihubungkan dengan unit amplifier. (menggunakan potensio sebagai pembagi tegangan).OA150A(Unit Op-Amp) Berupa rangkaian penguat operasional dengan konfigurasi inverting. Terdapat feedback selector yang dapat membuat unit ini befungsi sebagai penjumlah, integrator penjumlah (summing integrator). PID150Y (PID Unit)Unit ini terdiri dari 3 bagian utama: penguat inverting sebagai kontroler propotional, inverting integrator sebagai kontroler integral, inverting differensiator sebagai kontroler derivative.SA150D (Servo Amplifier)Merupakan alat yang akan mengatur arah dan besar putaran motor, tergantung tegangan masukkan servo amplifier (terminal 1 dan 2).MT150F (Motor DC + Tachogenerator)Berupa motor dc dengan kumparan medan terpisah, memiliki perpanjangan sumbu putar utama yang dapat dipasangi rem magnetic atau lempengan inersia. Tardapat juga sumbu putar tambahan dengan kecepatan 1:30 kali kecepatan putar sumbu utama. Sumbu tambahan ini biasa digunakan dalam sistem pengaturan posisi.LU150L (Load Unit)Terdiri dari lempengan inersia, lempengan alumunium tipis, dan rem magnetik.Recoder X-YMerupakan unit yang digunakan untuk mengetahui bentuk sinyal gelombang output pada rangkaian.MultimeterBerfungi untuk mengukur tegangan, arus maupun tahanan pada setiap unit.

B.Langkah-langkah Melakukan PercobaanPada praktikum di bagi menjadi 2 percobaan, yaitu praktikumn A merupakan persiapan alat dan praktikum B merupakan praktikan melakukan percobaan sistem control kecepatan dan pengendalian PID.A.Praktikum PersiapanPada praktikum ini praktikan melakukan pengaturan peralatan yang akan di gunakan pada kendali kecepatan dengan umpan balik. Pengaturan ini penting untuk memastikan Praktikum B (sistem kendali kecapatan, kendali lup tertutup, sistem pengendali P, PI, PD) berjalan dengan baik.A1. Kalibrasi Alat:1.Melakukan kalibrasi multimeter.2.Selanjutnya melakukan pengaturan zero-set pada unit Op-Amp.A2.Rangkaian Sistem Kontrol Kecepatan:1.Membuat rangkaian seperti berikut:

2. Kemudian, menghubungkan terminal 3 s/d 8 pada SA-150D membentuk konfigurasi motor kendali jangkar.3.Mengatur keluaran dc variabel 0Vs/d 15V dengan posisi awal potensio pada nol (dengan output: 0V).4.Memposisikan saklar pada keadaan terbuka.5.Mengatur PID150Y agar menjadi kontroler propotional dengan penguatan 1. Selanjutnya menghubungkan kedua masukkan SA150D ke kedua terminal keluaran (0 dan 180).6.Memasangkan alumunium tipis pda sebuah sumbu motor, kemudian memasang magnetic sehingga:a. Pada posisi rem = nol, putaran motor tidak direm.b. Pada posisi sepuluh, motor direm maksimum.c. Posisi rem dapat diputar dengan lancar tanpa menghalangi perputaran lempeng (tanpa menyentuh magnet pada celah magnet).7.Mencatat posisi awal (=Po), dengan posisi rem seperti pada keadaan pada nomer 6.8.Memberika umpan balik, dengan cara:a. Mengatur motor agar kecepatan motor berputar dengan kecepatan sedang saat loop terbuka.b. Mengukur serta menentukan tanda (+/-) tegangan masuk Op-Amp.c. Menghubungkan salah satu terminal tacho dengan 0V. Kemudian mengukur tegangan terminal lain (terhadap 0V). Menghubungkan terminal ke masukan op-amp, jika polaritas sesuai dengan yang diinginkan, atau membalikkan hubungan terminal tacho.

B. Praktikum B Sistem Kontrol Kecepatan dan Pengendali PIDPada praktikum B praktikan melakukan percobaan dengan berbagai macam bentuk sistem pengendali. Praktikan diharapkan dapat membandingkan kelebihan dan kekuranan masing-masing sistem dilihat dari respon waktu dan efek pembebanan.B1. Sistem Kendali Kecepatan Loop Terbuka:1.Merangkai seperti pada percobaan A-2. Kemudian melepas umpan balik negative (dengan tidak menghubungkan tegangan tachogenerator ke unit Op-Amp).

Pengukuran Deadband2.Menutup saklar 1. Kemudian memutar potensio pada AU secara perlahan hingga motor tepat mulai berputar. Selanjutnya mengukur tegangan AU pada saat memutar potensio pada AU.Respon Waktu Tegangan Tachogenerator3.Memposisikan saklar pada posisi terbuka. Kemudian mengatur potensio agar tegangan keluaran AU sebesar 6 sampai 7V (nilai harus konsisten dari awal hingga akhir percobaan).4.Menjalankan recorder dengan timebase kira-kira 0,25 s/cm (melakukan dengan cepat agar mudah mengamati peralihan).Menutup saklar. Kemudian mendapatkan grafik-1aPembebanan5. Mengubah selector timebase recorder XY ke posisi cukup lambat, kira-kira 1 s/cm sampai 5 s/cm. Memposisikan rem pada Po.6. Menutup saklar 1 dan mendapatkan respon waktu Vtacho. Setelah mengubah posisi rem ke saklar baru setelah mencapai keadaan tunak. Selanjutnya memperhatikan perubahan pada respon waktu. Mengubah kembali posisi rem ke skala baru lagi, tepat setelah mencapai keadaan tunak.7. Melakukan hingga tiga kali perubahan posisi rem dengan nilai 20, 40 dan 60. Menuggu hingga mncapai keadaan tunak. Mengembalikan rem pada posisi awal, kemudian mendapatkan grafik 1b.B2. Sistem Kendali Kecepatan Loop Tertutup:1.Merangkai seperti pada percobaan A2. Memberikan tegangan tachgenerator sebagai umpan balik negatif ke unit op-amp.Deadband, Respon Waktu Vtacho & pembebanan2. Mengulang percobaan seperti pada B1, kemudian mencatat data tegangan ddeadband Vd, grafik 2a, grafik 2b

B3. Sistem Kendali Kecepatan Loop Tertutup:Penambahan Gain (Pengendali Proposional)1.Merangkai seperti pada percobaan A2, dengan mengatur PID150Y menjadi proposional dengan kekuatan Kp=5.Deadband, Respon Waktu Vtacho & Pembebasan2.Mengulang seperti percobaan B2, kemudian mencatat data tegangan deadband Vd, grafik 3a, grafik 3b.B4. Sistem Kendali Kecepatan Loop Tertutup:Pengendali Proposional + Integral1. Merangkai seperti percobaan A2, dengan mengatur PID150Y menjadi kontroler PI dengan Kp=1 dan integral time = 0,2s.Deadband1. Menutup saklar 1, dengan menuggu beberapa lama.Respon Waktu Vtacho2.Melakukan prosedur seperti pada percobaan B1. Mencatat grafik 4a.Respon Waktu Verror3.Melakukan prosedur eperti pada saat mendapatkan respon waktu Vtacho, dengan mnghubungkan Verror ke recorder XY. Mencatat grafik 4b.Pembebanan4.Melakukan prosedur psepserti percobaan B1. Mencatat grafik 4c.B5. Sistem Kendali Loop Tertutup:Pengendali Proposional + Derivative1.Merangkai seperti pada percobaan A2, dengan mengatur PID150Y menjadi kontroler PD dengan Kp=1 dan derivative =50ms.Deadband, Respon Waktu Vtacho & Pembebanan2.Melakukan prosedur percobaan seperti percobaan B2. Kemudian catat data tegangan deadband Vd, grafik 5a, grafik 5b.

Hasil dan AnalisisPraktikum A PersiapanPada percobaan ini praktikan hanya melakukan persiapan alat sebelum percobaan B dilaksanakan. Pada praktikum A terdapat umpan balik, umpan balik yang dibentuk adalah umpan balik negatif, caranya atur agar motor berputar dengan kecepatan sedang pada saat lup terbuka, hubungkan salah satu terminal tacho dengan (0V) terminal lainya dihubungkan pada input Op-Amp, bila putaran motor meninggi berarti umpan balik yng dibentuk umpan balik positif, balikkan hubungan terminal tacho, keluaran tacho dihubungakan ke recorder XY untuk mengetahui bentuk sinyal output.Praktukum B Sistem Kontrol Kecepatan Dan Pengendali PIDPraktikum B dilakukan menggunakan rangkaian loop terbuka dan rangkaian loop tertutup. Pada rangkaian loop terbuka tegangan deadband yang dihasilkan (4,22V), artinya bahwa motor akan mulai berputar tegangan tersebut. Semakin meninggi putaran motor tegangan deadband semakin tinggi. Pada rangkaian loop tertutup dipasang feedback, ada 2 hal yang terjadi pada motor tsb. Kondisi pertama terjadi ketika feedback bernilai positif, kecepatan motor terus meningkat mencapai tegangan deadband. Kondisi ke dua ketika feedback bernilai negatif, kecepatan motor akas stabil. B.1 Sistem Kendali Kecepatan Loop TerbukaTegangan Deadband: 4.22 VTegangan Input Pada Motor : 6.01 V

Grafik output tanpa beban

Grafik output pembebanan (20)

Grafik output pembebanan (40)

Grafik output pembebanan (60)Dilihat bentuk sinyal grafik output pada tanpa beban dan pembebanan dengan nilai Kp=1 terjadi overshoot, tetapi kebalikan dari sistem dengan settling time yang cukup lama, sehingga pada system tersebut dikatakan stabil. Pengaruh perubahan posisi rem (pembebana) terjadi pada kecepatan putar motor, semakin besar nilai perubahan posisi rem kecepatan putar putar semakin pelan.

B.2 Sistem Kendali Kecepatan Loop TertutupTegangan Deadband: 4.57 VTegangan Input Motor : 6.06 VGrafik output tanpa beban

Grafik output pembebanan (20)

Grafik output pembebanan (40)

Grafik output pembebanan (60)

Pada percobaan ini dilihat dari grafik output jelas terlihat pada system ini terjadi overshoot tetapi kebalikan dari sistem dengan settling time yang cukup lama seperti pada percobaan B1. Semakin diberi pembebanan dilihat overshoot semakin kecil. Mungkin hal ini dipengaruhi pada tegangan tacho diberikan sebagai umpan balik negative ke unit Op-Amp.B.3 Sistem Kendali Kecepatan Loop TertutupTegangan Deadband: 0.94 VTegangan Input Motor : 6.03 V

Grafik output tanpa Beban

Grafik output pembebanan (20)

Grafik output pembebanan (40)

Grafik output pembebanan (60)Pada percobaan ini dilihat dari grafik output hampir sama dengan percobaan B2, pada percobaan ini nilai Kp = 5.

B.4 Sistem Kendali Kecepatan Loop TertutupTegangan Deadband: 0.52 VTegangan Input Motor : 6.06 VGrafik output tanpa beban

Grafik output pembebanan (20)

Grafik output pembebanan (40)

Grafik output pembebanan (60)

Grafik output V errorPada percobaan ini, dilihat daro grafik output tanpa beban dan V error sistem terjadi overshoot, tetapi kebalikan dari system. Dengan menggunakan pengendali proporsional dan integral time. Pengendali integral akan menjumlahkan sinyal error sehingga tercapainya keadaan stabil. Dilihat juga terdapat rise time mulai dari (t=-0) sampai dengan respon memotong sumbu steady state, dan juga terlihat bahwa, sistem membutuhkan waktu setlingtime yg cukup singkat meskipun terjadi sedikit osilasi. Ketika diberi pembebanan grafik output terlihat sama pada percobaan sebelumya terjadi overshoot, namun kebalikan dari system dan terdapat settling time yang lama B.5 Sistem Kendali Kecepatan Loop TertutupTegangan Deadband: 4.37 VTegangan Input Motor : 6.08 V

Grafik output tanpa beban

Grafik output pembebanan (20)

Grafik output pembebanan (40)

Grafik output pembebanan (60)Pada percobaan terakhir ini menggunakan kendali proporsional dan derivative, dengan nilai Kp = 1 dan derivative time = 50 ms. Dilihat pada grafik output terjadi kebalikan overshoot dari system dan settling time yang cepat. Tidak ada noise pada percobaan tanpa beban maupun pemeberian beban, seharusnya dilihat dari sifat derivatid yang sensitive terhadap noise dan sulit untuk menyesuaikan dengan frekuensi yang tinggi.

KesimpulanKesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan, dapat diambil dari tujuan percobaan system kendali kecepatan dan pengendali PID diantaranya:1. Dapat memahami kelebihan dan kekurangan system control lingkat tertutup dibandingkan system lingkaran terbuka. Perbandinganya pada system control tertutup memiliki feedback yang hanya membutuhkan waktu singkat menuju steadt state, berbeda pada system control lingkat terbuka mempunya settling time yang lama menuju steady state.2. Kontrol proporsional memiliki keluaran yang sebanding atau proporsional dengan besarnya sinyal kesalahn (selisih antara besaran yang di inginkan dengan harga actual). Secara lebih sederhana dapat dikatakan keluaran pengontrol proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukanya. Perubahan pad sinyal masukan akan segera menyebabkan system secara langsung mengeluarkan output sinya sebesar konstanta pengalinya3. Kontrol integral berfungsi menghasilkan respon system yang memiliki kesalahan keadaan stabil (0). Jika sebuah plant tidak memiliki unsur integrator (1/s), pengontrol proporsional tidak akan mampu menjamin keluaran system dengan kesalahan keadaan stabilnya (0). Dengan pengontrok integral, respon system dapat diperbaiki, yaitu mempunyau kesalahan keadaan stabilnya (0).4. Kontrol derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi differensial. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Ketika masukan tidak mengalami perubahan , keluaran pengontrol juga tidak mengalami perubahan. Jika sinyal masukan berubah naik secara perlahan (fungsi ramp), keluaranya justru merupakan fungsi step yang besat magnitudenya sangat dipegaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp.5. Tegangan Deadband merupakan tegangan minimum ketika suatu motor saat awal berputar, diukur pada terminal output attenuator unit.

Daftar PustakaA. S. Sedra et.al., Microelectronic Circuits, Hal. 427-428, Saunders College Publising, Toronto, 1991H. S. Jackstar, Panduan Penulisan Laporan, Jacks Publishing, Bandung, 2008http://2.b-.blogspot.com/_8TwySHINLow/SateaSGPm7l/AAAAAAAANM/yQCvu6elFZ8/s1600-h/7414.bmp.14 juli 2013Modul Praktikum Sistem Kendali, Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer, STEI, ITB, 2011Zuhal, Dasar Tenaga Listrik, 148-150, ITB, Bandung, 1991