1.1 Sistem Pengaturan

Suatu sistem kendali/pengaturan adalah hubungan timbal balik antara komponen-

komponen yang membentuk suatu konfigurasi sistem yang memberikan suatu hasil yang

dikehendaki. Hasil ini dinamakan RESPON sistem termaksud. Dasar untuk menganalisa

suatu sistem adalah landasan yang diberikan oleh teori sistem linier, yang menganggap

adanya hubungan linier antara sebab dan akibat suatu sistem. Karena itu, maka komponen

atau proses yang akan diatur dapat digambarkan dalam suatu balok (block) seperti pada

Gambar 1.

Masukan Keluaran

Gambar 1. Proses yang diatur

Secara sederhana dapat disebutkan, sistem kendali/pengaturan adalah proses

pengaturan/pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel, parameter)

sehingga berada pada suatu harga atau dalam suatu rangkuman harga (range) tertentu.

Dalam istilah lain disebut juga teknik pengaturan, sistem pengendalian atau sistem

pengontrolan. Ditinjau dan segi peralatan, sistem kendali/pengaturan terdiri dan berbagai

susunan komponen fisis yang digunakan untuk mengarahkan aliran energi ke suatu mesin

atau proses agar dapat menghasilkan prestasi yang diinginkan.

Tujuan utama dari suatu sistem pengaturan/kendali adalah untuk mendapatkan optimisasi

dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan fungsi daripada sistem pengaturan/kendali itu

sendiri, yaitu:

Secara umum sistem pengaturan/kendali dapat dikelompokkan sebagai berikut:

a. Dengan operator (manual) dan otomatik

b. Janingan tertutup (closed-loop) dan jaringaii terbuka (open-loop)

c. Kontinyu (analog) dan diskontinyu (digital, diskrit.

d. Menurut sumber penggerak: elektris, pneumatis (udara, angin), hidraulis (cairan)

dan mekanis.

Di antara keempat jenis dan kelompok (e), pengontrolan secara elektris dan pneumatis

atau koinbinasinya lebih banyak ditemukan dalam industri rnaupun aplikasi teknis

lainnya. Hal mi disebabkan beberapa kelebihan yang diberikannya yaitu pemakaian daya

Proses

yang lebih kecil, kemampuan untuk pengontrolan jarak jauh, lebih mudah diperoleh dan

responsnya lebih cepat. Di samping itu dimensi peralatan dapat dibuat lebth kecil.

1.2 Beberapa Contoh Ilustrasi Sistem Pengaturan

Sistem Pengontrolan Kecepatan.

Prinsip dasar dari governor Watt untuk mesin dilukiskan dengan diagram

skematik pada Gambar 2. Besarnya laju aliran bahan bakar yang masuk ke silinder

mesin diatur sesuai dengan selisih antara kecepatan mesin yang diinginkan dan

kecepatan mesin yang sebenarnya.

Uraian dari aksi pengontrolan dapat dinyatakan sebagai berikut: Kecepatan governor

disetel sesuai dengan kecepatan yang diinginkan dan tidak terdapat tekanan minyak

yang masuk dalam sisi silinder. Jika kecepatan yang sehenarnva turun di bawah harga

yang diinginkan, maka gaya sentrifugal governor kecepatan mengecil, menyebabkan

katup pengontrol bergerak ke bawah, mencatu bahan bakar yang lebih banyak

sehingga kecepatan rne rnemhe sampai dicapai harga yang diinginkan. Sebaliknya,

jika kecepatan mesin melebihi nilai yang diinginkan, maka gaya sentrifugal dan

governor kecepatan membesar menyebabkan katup pengontrol bergerak ke atas. Hal

ini akan memperkecil catu bahan bakar sehingga kecepatan mesin mengecil sampai

dicapai nilai yang diinginkan.

Pada sistem kontrol kecepatan ini, “plant” (sistem yang dikontrol) adalah mesin dan

variabel yang dikontrol adalah kecepatan dari mesin tersebut. Perbedaan antara

kecepatan yang dikehendaki dan kecepatan sebenarnya adalah sinyal, kesalahan.

Sinyal kontrol (jumlah bahan bakar) yang akan diterapkan ke “plant” (mesin) adalah

sinyal aktuasi. Masukan eksternal yang akan mengganggu variabel yang dikontrol

adalah gangguan. Perubahan beban yang tidak diharapkan adalah gangguan.

Gambar 2. Sistem pengontrolan kecepatan

Contoh lain dari suatu perangkat yang dapat di-identifikasi sebagai suatu sistem

kendali adalah perangkat penyejuk ruangan (Air Conditioning Unit, AC). Luaran

yang diharapkan akan dihasilkan adalah suhu ruangan yang sejuk. Perangkat AC

ini akan menyala bila suhu ruangan memanas, dan akan padam jika sudah cukup

sejuk. Pengguna cukup mengatur “set-point” suhu ruangan yang diinginkan pada

bagian pengendali (ada juga yang berupa remote control seperti pada pesawat

televisi), kemudian suatu sistem kendali yang disebut “thermostat” akan mengatur

nyala dan padam-nya pendingin ruangan secara otomatis.

Sistem Pengaturan pada Microwave oven.

Listrik dari stopkontak di dinding perjalanan melalui kabel listrik dan masuk

microwave oven melalui serangkaian sirkuit sekering perlindungan dan

keselamatan. Sirkuit ini termasuk berbagai sekering dan pelindung termal yang

dirancang untuk menonaktifkan oven dalam hal suatu arus pendek atau jika

kondisi terlalu panas terjadi.

Jika semua sistem normal, listrik melewati ke sirkuit Interlock dan timer. Ketika

kemudian pintu oven ditutup, jalur listrik juga dibentuk melalui serangkaian switch

Interlock keselamatan.Mengatur timer oven dan memulai operasi memasak memperluas

jalan ini tegangan untuk rangkaian kontrol.

Umumnya, sistem kontrol mencakup baik sebagai relay elektromekanis atau

sakelar elektronik disebut triac seperti yang ditunjukkan pada Figure 2. Merasa bahwa

semua sistem yang “pergi,” menghasilkan rangkaian kontrol sinyal yang menyebabkan

relay atau triac untuk mengaktifkan, sehingga menghasilkan jalur tegangan transformator

tegangan tinggi. Dengan menyesuaikan rasio on-off aktivasi sinyal ini, sistem kontrol

dapat mengatur penerapan tegangan transformator tegangan tinggi, dengan demikian

mengendalikan rasio on-off dari tabung magnetron dan karena itu daya output dari

microwave oven. Beberapa model menggunakan relay power-kontrol cepat bertindak

dalam rangkaian tegangan tinggi untuk mengontrol output daya.

Pada bagian tegangan tinggi (Figure 3), transformator tegangan tinggi bersama

dengan dioda khusus dan pengaturan kapasitor berfungsi untuk meningkatkan tegangan

rumah tangga khas, dari sekitar 115 volt, dengan jumlah yang sangat tinggi sekitar 3000

volt! Meskipun hal ini tegangan yang kuat akan sangat tidak sehat – bahkan mematikan –

bagi manusia, itu hanya apa yang tabung magnetron perlu melakukan tugasnya – yaitu,

untuk secara dinamis mengubah tegangan tinggi ke bergelombang gelombang

elektromagnetik energi memasak.

Energi gelombang mikro ditransmisikan ke saluran logam disebut Waveguide,

yang feed energi menjadi area memasak dimana menemukan pisau logam perlahan-lahan

bergulir dari pisau pengaduk. Beberapa model menggunakan jenis antena berputar

sementara yang lain memutar makanan melalui gelombang energi pada korsel bergulir.

Dalam hal apapun, efeknya adalah merata membubarkan energi gelombang mikro di

seluruh wilayah di kompartemen memasak. Beberapa gelombang langsung menuju

makanan, yang lain memantul dari logam dinding dan lantai, dan, berkat layar logam

khusus, microwave juga mencerminkan dari pintu. Jadi, energi gelombang mikro

mencapai semua permukaan makanan dari segala arah.

Semua energi gelombang mikro tetap dalam rongga memasak. Ketika pintu

dibuka, atau timer mencapai nol, berhenti microwave energi – sama seperti mematikan

tombol lampu berhenti cahaya lampu

Dengan demikian, bagi seorang ahli Teknik Kendali (Control Engineer), banyak hal

dalam hidup ini yang dapat dilihat sebagai suatu sistem kendali. Dalam analisis dan

desain sistem-sistem kendali amat penting terlebih dahulu mengidentifikasi mana bagian

yang menjadi sub-sistem kendalian (plant) dan mana yang menjadi sub-sistem pengendali

(controller) dalam sistem kendali yang sedang di-analisis atau di-desain tersebut.

Biasanya lebih mudah meng-identifikasi terlebih dahulu sub-sistem kendalian-nya, yaitu

sub-sistem yang menghasilkan luaran (output). Setelah itu, dengan mudah dapat diketahui

(isyarat) kendali (control)-nya, yaitu yang menjadi masukan (input) dari sub-sistem

kendalian. Isyarat kendali ini dihasilkan dari bagian atau sub-sistem pengendali

berdasarkan masukan acuan dan umpan-balik, sedemikian rupa sehingga jika diberikan

pada bagian kendalian, akan dihasilkan luaran yang diharapkan. Dalam sistem kendali

pada umumnya, bagian kendalian sudah “given” (tersedia apa adanya), tidak bisa “diapa-

apakan” lagi sehingga pada dasarnya suatu pengendali dirancang untuk menghasilkan

isyarat kendali yang sesuai supaya kendalian menghasilkan luaran yang diharapkan.

Sistem kendali dapat dikategorikan dalam beberapa kategori yaitu sistem kendali

secara manual dan otomatis, sistem kendali jaringan tertutup (closed loop) dan jaringan

terbuka (open loop), kontinyu (analog) dan diskontinyu (digital).

Pengontrolan secara manual yaitu pengontrolan yang dilakukan oleh manusia yang

bertindak sebagai operator, sedang pengontrolan secara otomatis yaitu pengontrolan yang

dilakukan oleh mesin-mesin/peralatan yang bekerja secara otomatis dan operasinya di

bawah pengawasan manusia.

Suatu konfigurasi Sistem Kendali/pengaturan dapat digambarkan seperti Gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3. Konfigurasi dasar sistem kendali

1.3 Sistem Kendali

Merupakan fokus pengkajian bidang Teknik Kendali, pada umumnya

digambarkan sebagai sistem apa saja (tidak terbatas hanya sistem-sistem yang terkait

langsung dengan bidang kajian Teknik Elektro) yang dapat di-identifikasi atau ditengarai

terdiri dari minimal 2 (dua) bagian utama, yaitu:

1.     Bagian (atau Sub-Sistem) Kendalian atau yang dikendalikan (Plant), yang bisa

merupakan peralatan, perangkat, atau proses yang menghasilkan luaran (output,

hasil, produk, isyarat luaran, output signal) karena dikendalikan oleh bagian

pengendali.

2.     Bagian (atau Sub-Sistem) Pengendali (Controller), yang juga bisa merupakan

peralatan, perangkat, atau proses yang menghasilkan isyarat kendali (control

signal) untuk mengendalikan kendalian.

Jadi secara konseptual, konfigurasi dari sistem kendali dapat digambarkan seperti pada

Gambar 3 Selain isyarat luaran (output signal) dan isyarat kendali (control signal) suatu

sistem kendali sering dilengkapi (walau pun tidak harus demikian) dengan isyarat umpan-

balik (feedback signal) yang dalam operasinya dibandingkan dengan suatu isyarat

masukan acuan (reference input signal) atau perintah (command) atau set-point, agar

pengendali dapat menghasilkan isyarat kendali yang mengendalikan kendalian sampai

menghasilkan luaran yang diharapkan. Sistem kendali demikian biasa dikategorikan

sebagai Sistem Kendali (dengan) Umpan-Balik (Feedback Control Systems). Tidak

semua sistem kendali merupakan sistem kendali dengan umpan-balik, banyak juga sistem

kendali yang beroperasi tanpa umpan-balik.

a. Pengaturan Loop Tertutup

Setiap proses kontrol terdiri dari unit yang membentuknya yang disebut elemen

sistem; dan selanjutnya elemen ini terdiri dan komponen.komponen. Suatu proses kontrol

secara fungsional dapat dinyatakan oleh blok diagram yang bentuknya bergantung pada

jumlah elemen.

b. Sistem Kontrol Umpan Balik.

Sistem yang mempertahankan hubungan yang ditentukan antara keluaran dan

beberapa masukan acuan, dengan membandingkannya dan dengan menggunakan

perbedaan sebagai alat kontrol dinamakan sistern kontrol umpan balik. Contohnya adalah

sistem kontrol suhu ruangan. Dengan mengukur suhu ruangan sebenarnya dan

membandingkannya dengan suhu acuan (suhu yang dikehendaki), termostat menjalankan

alat pemanas atau pendingin, atau mematikannya sedemikian rupa sehingga memastikan

bahwa suhu ruangan tetap pada suhu yang nyaman tidak tergantung dari keadaan di luar.

c. Sistem Kendali Loop Tertutup.

Sistem kontrol umpan balik seringkali disebut sebagai sistem kontrol loop

tertutup. Praktisnya, istilah kontrol umpan balik dan kontrol loop tertutup dapat saling

dipertukarkan penggunaannya. Pada sistem kontrol loop tertutup, sinyal kesalahan yang

bekerja, yaitu perbedaan antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik (yang mungkin

sinyal keluarannya sendiri atau fungsi dari sinyal keluaran dan turunannya), disajikan ke

kontroler sedemikian rupa untuk. mengurangi kesalahan dan membawa keluaran sistem

ke nilai yang dikehendaki. Istilah kontrol loop tertutup selalu berarti penggunaa: aksi

kontrol umpan balik untuk mengurangi kesalahan sistem. Atau dengan kata lain, Sistem

Kendali Loop Tertutup adalah sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan

efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikontrol dapat dibandingkan

terhadap harga yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator / sensor). Selanjutnya

perbedaan harga yang terjadi antara besaran yang dikontrol dan penunjukan alat pencatat

digunakan sebagai koreksi yang pada gilirannya akan merupakan sasaran pengaturan.

Blok diagram loop tertutup yang umum diberikan pada Gambar 4

Gambar 4.Diagram blok sistem kontrol loop tertutup

Secara umum, elemen dari sebuah sistem kontrol rangkaian tertutup terdiri dari:

a. Masukan (reference input element, Gv).

Elemen ini berfungsi untuk mengubah besaran yang dikontrol menjadi sinyal masuk

an acuan (r) bagi sistem kontrol.

b. Pengontrol (controller, G1). Berfungsi untuk memproses kesalahan (error. e) yang

terjadi dan setelah kesalahan tersebut dilewatkan (dimasukkan) melalui elemen pe

ngontrol, akan dihasilkan sinyal yang berfungsi sebagai pengontrol proses.

c. Sistem (proses), G2

Elemen ini dapat berupa proses mekanis, elektris, hidraulis, pneumatis maupun

kombinasinya.

d. Jalur umpan balik (feedback element, H).

Bagian sistem yang mengukur keluaran yang dikontrol dan kemudian mengubahnya

menjadi sinyal umpan balik (feedback signal).

e. Elemen/jalur maju (forward gain).

Bagian daripada sistem kontrol tanpa elemen umpan balik.

Berdasarkan jumlah elemen yang menyusun suatu sistem kontrol, terdapat beberapa

variabel pengontrolan, yaitu:

a. Set Point(command input, v): adalah harga yang diinginkan bagi variabel yang di

kontrol selama pengontrolan. Harga ini tidak tergantung dari keluaran sistem.

b. Masukan acuan (refecence input, r). Sinyal aktual yang masuk ke dalam sistern

kontrol. Sinyal ini diperoleh dengan menyetel harga v melaui Gv sehingga dapat

dipakai dalam sistem kontrol.

c. Keluaran yang dikontrol (controlled output, c): merupakan harga/nilai yang akan

dipertahankan bagi vaniabel yang dikontrol, dan merupakan hanga yang ditunjukkan

oleh alat pencatat.

d. Variabel yang dimanipulasi (manipulated variable, m). Sinyal yang keluar dari

elemen pengontrol (controller) dan berfungsi sebagai sinyal pengontrol tanpa adanya

ganggu an U.

e. Sinyal umpan balik (feedback signal, b). Sinyal yang merupakan fungsi dari keluaran

yang dicatat oleh alat pencatat.

f. Kesalahan (error, actuating signal, e): adalah selisih antara sinyal acuan r dan sinyal

b. Sinyal ini adalah sinyal yang dimasukkan ke elemen pengontrol (controller) G1 dan

harganya diinginkan sekecil mungkin. Pengurangan r dan b adalah secara aljabar.

Sinyal e ini menggerakkan unit pengontrol untuk menghasilkan/mendapatkan

keluaran pada suatu harga yang dünginkan.

g. Sinyal gangguan (disturbance, U). Merupakan sinyal-sinyal tambahan yang tidak

diinginkan. Gangguan ini cenderung mengakibatkan harga c berbeda dengan harga

yang disetel melalui masukan r. Gangguan ini disebabkan oleh perubahan beban

sistem; misalnya perubahan kondisi lingkungan, derau (noise), getaran, dan lain-lain.

Catatan:

Dalam diagram, variabel dinyatakan dengan huruf kecil sedang elemen dengan hurut

besar.

d. Sistem Kontrol Loop Terbuka.

Suatu sistem yang keluarannva tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol

disebut sistem kontror loop terbuka. Dengan kata lain, sistem kontrol loop terbuka

merupakan sistem kontrol dimana keluaran tidak memberikan efek terhadap besaran

masukan, sehingga variabel yang dikontrol tidak dapat dibandingkan terhadap harga yang

diinginkan. Secara umum diagram kotak ( block diagram) diperlihatkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram kotak sistem kontrol loop terbuka

Suatu contoh sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian, dan pembilasan

dalam mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran

yaitu tingkat kebersihan pakaian.

Dalam suatu sistem kontrol loop terbuka. keluaran tidak dapat dibandingkan dengan

masukan acuan. Jadi, untuk tiap masukan acuan berhubungan dengan kondisi operasi

tertentu; sebagai akibat, ketetapan dan sistem tergantung pada kalibrasi. Dengan adanva

gangguan, sistem kontrol loop terbuka tidak dapat melaksanakan tugas seperti yang

diharapkan. Sistem kontrol loop terbuka dapat digunakan, hanya jika hubungan antara

masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal.