1. CHAPTER I
INTRODUCTION
- 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 1
2. SAP
Mgg Pokok Bahasan Sub Pokok bahasan
1 Pendahuluan Konsep sistem Kontrol ; Kontrol Problem;
Institut Teknologi Telkom 2
2
Dasar matematika u' Analisa
Design sistem kontrol Otomatis
Persamaan diffefrensial ; Transformasi
Laplace; & fungsi transfer. Pemodelan Sistem
Fisik
3
Model sistem : Open Loop &
Closed Loop
Model Blok Diagram; Model Flow Diagram;
Model Ruang keadaan
4
Analisa Respon/tanggapan
Sistem Orde Satu
Fungsi impulse Respon; System orde - I;
System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;
5
Analisa Respon/tanggapan
Sistem Orde Dua
Fungsi impulse Respon; System orde - I;
System Orde - II; Time Respon Spesifikasi;
6
Kriteria 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.
3. SAP
Institut Teknologi Telkom 3
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/Kompensator
Spesifikasi Desain System Kontrol;
Pengenalan Kompensator
13 Desain Kontroler/Kompensator
Desain PID/Kompensator : Empiris dan
matematis
14 Desain Kontroler/Kompensator Implementasi PID analog
4. I.1 Latar belakang
Mengapa diperlukan sistem kontrol ?
- Lihat kasus seperti pada gambar disamping
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.
Institut Teknologi Telkom 4
6. Contoh
Sistem kontrol pada Pesawat 117 – Squadron.
Masalah :
Bagaimana spesifikasi kinerja pesawat ?
Apa saja yang dikontrol ?
Bagaimana aturan & mekanisme kontrol ?
Berikan beberapa contoh sederhana
Perangkat yang memerlukan
Sistem kontrol !
Institut Teknologi Telkom 6
7. Contoh Klasik-Open loop
Pemanggang Roti otomatis
Institut Teknologi Telkom 7
Motor listrik
Blok diagram
sistem loop
terbuka
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 8
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 9
11. 1.2. Konsep sistem Kontrol
• KONTROL Kendali
• OTOMATIS
Tanpa campur tangan manusia
Institut Teknologi Telkom 11
12. 1.2.1 Bentuk dasar sistem kontrol
1. bentuk open loop ( kalang terbuka ).
2. bentuk closed loop ( kalang terturup ).
Institut Teknologi Telkom 12
16. Pengertian (1/5)
• 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.
Institut Teknologi Telkom 16
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 17
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 18
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 19
20. Pengertian (5/5)
•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.
Institut Teknologi Telkom 20
21. 1.3. Contoh System Kontrol
•Sistem tersebut bisa
diterapkan
•Metode kontrol lup terbuka /
tertutup
•Mempertimbangkan faktor
gangguan
Institut Teknologi Telkom 21
22. Blok Diagram Sistem Kontrol Posisi
Azimuth pada Antena
Institut Teknologi Telkom 22
32. 1.4 Problem Desain Sistem Kontrol
Secara 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 32
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 33
34. Diagram Problem Desain Sistem Kontrol
Kebutuhan
Fungsional :
Pernyataan problem
meliputi sasaran
operasi dari sistem
kontrol dan lingkungan
Spesifiasi kinerja : operasi
Ekspresi matematik
menggambarkan
kebutuhan fungsional
Model dinamika :
Model matematik
dari sistem yang
Institut Teknologi Telkom 34
dikontrol
Alokasi kontrol :
Algoritma optimasi
menggunakan
kontrol untuk
efisiensi
Desain sistem kontrol :
Algoritma prosedur Kontrol
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 36
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 37
40. Real-time simulation: hybrid structures
(a) Hardware-in-the-loop simulation. (b) Control prototyping
Institut Teknologi Telkom 40
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 41
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 42
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.
Institut Teknologi Telkom 43
