DEFINISI DAN JENIS-JENIS SISTEM KENDALI

       Seiring dengan perkembangan ilmu dan teknologi dewasa ini sistem kendali manual maupun automatik memiliki peran yang sangat penting. Peranan sistem kendali automatik adalah paling menonjol dalam berbagai keperluan hajat manusia atau bangsa yang telah maju peradabannya. Contoh konkrit dapat kita temui pada pengendalian pesawat ruang angkasa, peluru kendali, sistem pengemudi pesawat, satelit, dan sebagainya. Sementara di industri diperlukan untuk pengendalian mesin-mesin produksi bidang manufaktur dan pengendalian proses seperti tekanan, temperatur, aliran, gesekan, kelembaban, dan sebagainya.

     Kemajuan sistem kendali automatic dalam bentuk teori maupun praktik akan memberikan kemudahan dalam mendapatkan unjuk kerja sistem dinamik, mempertinggi kualitas, menurunkan biaya produksi dan penghematan energi. Tingkat kemajuan ini dicapai tidak secara tiba-tiba, melainkan melalui sejarah perkembangan yang cukup panjang. Tepatnya adalah sejak ditemukannya governor sentrifugal sebagai pengendalian kecepatan mesin uap yang dibuat oleh James Watt pada abad ke-18. Pada tahun 1922, Minorsky membuat alat kendali automatik untuk pengemudian kapal dan menunjukkan cara menentukan kestabilan dari persamaan diferensial yang melukiskan sistem. Pada tahun 1932, Nyquist mengembangkan suatu prosedur yang relative sederhana untuk menentukan kestabilan loop tertutup. Pada tahun 1934, Hazen memperkenalkan servomekanik untuk sistem kendali posisi. Pada tahun 1940 hingga 1950 kendali linier berumpan balik dan metode tempat kedudukan akar dalam desain sistem
kendali.

       Metode respon frekuensi dan tempat kedudukan akar yang merupakan inti teori sistem kendali klasik, akan mendasari pembahasan sistem yang stabil yang memenuhi persyaratan unjuk kerja untuk sembarang sistem pengendalian. Sejak akhir tahun 1950, penekanan desain sistem kendali telah beralih kesalah satu dari beberapa sistem yang bekerja menjadi desain satu sistem optimal. Teori klasik yang membahas sistem satu masukan satu keluaran, semenjak tahun 1960 sudah tidak dapat digunakan untuk sistem multi masukan dan multi keluaran. Dengan kata lain bahwa sistem kendali multi masukan-multi keluaran menjadi semakin kompleks, sehingga pemecahannya memerlukan banyak persamaan. Lebih jauh dari itu, logis bila memerlukan peralatan Bantu yang memadai seperti penggunaan komputer analog maupun digital secara langsung. Semenjak itu pulalah sistem kendali modern dikembangkan guna mengatasi kompleksitas yang dijumpai pada berbagai sistem pengendalian yang menuntut ketelitian tinggi dan cepat dengan hasil akhir (output) optimal. Oleh sebab itu wajar bila suatu industri besar dan modern sangat memerlukan tenaga ahli dalam perencanaan sistem kendali dan teknisi profesional sebagai operator dari berbagai disiplin ilmu yang saling terkait.

       Sistem kendali yang akan dibahas disini penekanannya pada teori klasik, yaitu sistem satu masukan-satu keluaran berumpan-balik maupun tanpa umpan-balik. Namun demikian sistem kendali multi masukan-multi keluaran yang melibatkan peralatan mikroprosesor/mikrokomputer pun akan disajikan pula dengan porsi yang relative sedikit. Dengan demikian materi sistem kendali yang dibahas di sini sebagian besar berfokus pada sistem loop tertutup (closed-loop system).

2. Kendali Loop Tertutup Dan Loop Terbuka

a. Sistem Kendali Loop Tertutup.

       Sistem kendali loop tertutup (closed-loop control system) adalah sitem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi pengendaliannya. Dengan kata lain sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali berumpan-balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran dan turunannya), diumpankan ke elemen kendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa pemakaian aksi umpan-balik pada loop tertutup bertujuan untuk memperkecil kesalahan sistem.

       Diagram yang menyatakan hubungan antara masukan dan keluaran dari suatu sistem loop tertutup ditunjukkan pada Gambar 1. 1 a. Sementara untuk memahami konsep sistem kendali loop tertutup, perhatikan sistem pengaturan tegangan keluaran generator de dengan penggerak mula turbin uap sebagaimana ditujukkan pad a Gambar 1. 1 b. 

        Melalui observasi mata terhadap voltmeter yang terpasang pada terminal keluaran generator, operator dengan cepat mengetahui penyimpangan (kesalahan) jarum penunjuk tegangan dari tegangan kerja yang diharapkan dan secepat itu pulalah ia harus segera bertindak untuk mengatasi pada kedudukan normalnya. Walhasil operator harus berusaha membuat penyimpangan atau kesalahan jarum penunjuk voltmeter sekecil mungkin bahkan nol, dengan memutar handle katup pengatur catu uap ke kanan atau ke kiri tergantung arah simpangan jarum penunjuk yang sesekali lebih besar atau lebih kecil dari tegangan yang ditetapkan. Mengingat balikan keluaran (tegangan generator de) selalu dibandingkan dengan masukan acuan dan aksi pengendalian terjadi melalui aksi operator, maka sistem ini disebut sistem kendali manual berumpan-balik (manual feedback control system) atau sistem kendali manual loop tertutup (manual closed-loop control system).

 

Gambar 1.1 Sistem Kendali berumpan-balik dari sebuah PLTU (a) dan diagram blok sistem loop (b) 

         Seandainya elemen kendali automatik digunakan untuk menggantikan operator manusia seperti ditunjukkan pada Gambar I. 2, sistem kendali tersebut menjadi automatik, yang biasa disebut sistem kendali automatik berumpan-balik atau sistem kendali automatik loop tertutup. Posisi katup pengatur laju aliran uap (elemen kendali) automatik akan mengatur tekanan aliran uap gun a memperoleh putaran turbin dan poros generator sehingga didapat tegangan keluaran yang diharapkan. Tegangan keluaran generator yang sebenarnya diukur dengan menggunakan voltmeter untuk dibandingkan dengan tegangan yang telah ditetapkan (sinyal referensi) sehingga dihasilkan sinyal kesalahan penggerak. Sinyal kesalahan yang dihasilkan elemen kendali automatik diperkuat, dan keluaran elemen kendali dikirim ke motor kecil mengubah posisi katup aliran catu uap pengatur putaran turbin dan poros generator untuk mengoreksi tegangan keluran yang sebenarnya. Jika tidak terdapat penyimpangan atau kesalahan tegangan, maka tidak terjadi perubahan posisi katup pengatur aliran catu uap.

          Sistem kendali manual berumpan-balik dan sistem kendali automatik berumpan-balik tersebut di atas rnerniliki prinsip kerja yang sarna. Garis pandang rnata operator analog dengan detektor kesalahan, otaknya analog dengan elernen kendali autornatik dan tangannya analog dengan aktuator.

 

Gambar 1.2. Pengaturan tegangan sederhana

         Pengendalian suatu sistem yang kompleks dengan operator manusia sungguh tidak efektif, karena terdapat beberapa timbal-balik antara beberapa variable. Kita ketahui bahwa, dalam sistem yang sederhanapun sistem kendali automatik dapat menghilangkan setiap kesalahan operasi yang disebabakan oleh manusia. Dengan kata lain bila memerlukan pengendalian presisi tinggi, pengendalian sistem harus automatik. Beberapa contoh antara lain semua sistem servomekanisme, sistem pengendali proses, pemanas air automatik, almari es, sistem pemanas ruangan automatik dengan termostatik, dan sebagainya.

b. Sistem Kendali Loop Terbuka. 

      Sistem kendali loop terbuka (open-loop control system) adalah sistem kendali yang sinyal keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi pengendaliannya. Dalam hal ini sinyal keluaran tidak diukur atau diumpanbalikan untuk dibandingkan dengan sinyal masukannya. Gambar I. 3. menunjukkan hubungan masukan-keluaran suatu sistem kendali loop terbuka. Sebuah contoh praktis adalah mesin cuci (washing machine). Sejak perendaman, pencucian dan pembilasan pada me sin cuci ini tidak mengukur sinyal keluaran, misalnya kebersihan pakaian yang dicuci. Contoh lain yaitu pengendalian atau pengaturan lampu lalu-lintas yang operasinya juga berdasarkan basis waktu. Pada sistem ini tidak memperhitungkan perubahan arus lalu-lintas yang terjadi pada setiap persimpangan jalan. Tepatnya adalah kendaraan yang dapat lewat saat lampu hijau menyala tidak harus sarna dengan banyaknya kendaraan yang masuk atau antri pada ruas jalan yang bersangkutan, karena dibatasi oleh waktu nyala lampu yang sudah ditetapkan.

 

Gambar 1.3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka

     Jadi pada sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dibandingkan dengan masukan acuannya. OIeh sebab itu, untuk setiap masukan acuan terdapat suatu kondisi operasi yang tetap. Perlu diketahui bahwa sistem kendali loop terbuka harus dikalibrasi dengan hati-hati, agar ketelitian sistem tetap terjaga dan berfungsi dengan baik. Dengan adanya gangguan (disturbances), sistem kendali loop terbuka tidak dapat bekerja seperti yang diharapkan. Kendali loop terbuka dapat digunakan dalam praktek hanya jika hubungan masukan dan keluaran diketahui dan jika tidak terdapat gangguan internal maupun gangguan eksternal. Dengan demikian jelas bahwa sistem semaeam ini bukan sistem kendali berumpan-balik. Demikian pula bahwa setiap sistem kendali yang bekerja berdasar basis waktu adalah sistem loop terbuka.

3. Sistem Kendali Automatik

 

Gambar 1.4. Diagram Blok Umum Sistem Kendali Automatik

Diagram blok umum dari sistem kendali automatik ditunjukkan pada Gambar 1.4. Detektor kesalahan akan membandingkan sinyal yang diperoleh melalui elemen umpan-balik sebagai fungsi dari respons keluaran dengan sinyal referensi masukannya. Perbedaan antara sinyal referensi masukan dan sinyal

keluaran ini disebut sinyal kesalahan atau sinyal penggerak, yang akan mengaktifkan elemen kendali. Selanjutnya elemen kendali ini akan memperkuat sinyal kesalahan gun a mengurangi kesalahan yang terjadi untuk kembali ke kondisi sistem seperti semula (kondisi normal).

      Untuk lebih memudahkan pemahaman mengenai interaksi yang terjadi pada sistem kendali automatik ini ada baiknya kita bahas sebuah contoh pengendaiian keeepatan motor de sederhana seperti ditunjukkan pada Gambar 1.5. Motor de dan beban adalah proses yang dikendalikan, dalam hal ini keeepatan putar poros (N). Kecepatan putar poros ini diraba/dideteksi oleh tachogenerator yang terpasang seporos dengan motor dan bebannya. Tegangan yang dikeluarkan merupakan tegangan umpan-balik (V f = kTN), guna dibandingkan dengan tegangan referensi masukan (Vr). Perbedaan dari kedua besaran inilah yang disebut tegangan kesalahan (8 = v, - Vr), yang selanjutnya siap untuk dikuatkan oleh elemen kendalinya guna mereduksi kesalahan yang terjadi pada proses yang dikendalikan (keluaran). 

 

Gambar 1.5. Sistem KendaliLoop Tertutup (a), Diagram Blok (b) dan Respons Sistem

        Dimisalkan kecepatan putaran tetapnya (N) = 1000 rpm dan tegangan refensi masukan (Vr) = 100 volt. Seandainya konstanta tachogenerator kT = 0,1 volt/rpm, maka tegangan kesalahan e = Vr - Vf = Vr - kTN, atau e = 100 V - 10 V = 90 V. Apabila beban berkurang kecepatan putar poros bertambah, demikian pula V f akan naik, sedang e akan berkurang akibatnya If turun. Akhimya

kecepatan putaran normal kembali.

Contoh:

Dari Gambar I. 5. a, dimisalkan tegangan referensi masukan = 100 V, konstanta tachogenerator = 0,1 V/rpm, elemen penguat = 10 V/V, dan kecepatan putaran motor = 100 rpm/V. Hitunglah tegangan kesalahan dan tl y1'ng sebenamya serta gambarlah respons sistem tersebut.

Penyelesaiannya: Untuk memudahkan analisis perhatikan Gambar 1. 5. b.

Adapun respons sistem tersebut seperti pada Gambar. I. 5. c.

4. Sistem Servomekanik 

       Pengendalian sistem servomekanik (modular servo system), pada dasamya masih merupakan konsep sistem kendall berumpan-balik, dimana variabel yang dikendalikan mekanisme posisi atau derivatif waktu dari posisi seperti kecepatan dan percepatan. Pengendalian sistem servo berupa posisi poros motor dan beban umumnya direduksi melaui gerigi mekanik seperti ditunjukkan pada Gambar 1. 6. Posisi poros keluaran yang dikendalikan (80) dan posisi poros referensi masukan (8i) diukur dan dibandingkan menggunakan sepasang potensiometer. Tegangan kesalahan yang terjadi selalu sebanding dengan kesalahan posisi sudut putamya 8 e = 8i - 80, Tegangan kesalahan (Ve = Kp 8e) dikuatkan guna mengendalikan arus medan (Ir) generator de yang disiapkan untuk meneatu tegangan motor penggeraknya. 

     Untuk memahami operasi dari sistem tersebut katakanlah K, = 100 V/rad, posisi poros keluarannya = 0,5 rad. Dari kondisi seperti ini "Slider" potensiometer keluaran (B) bertegangan +50 V, sementara "Slider" potensiometer masukan (A) kebetulan diset pada +50 V juga. Ini berarti tidak ada sinyal penggerak (V, = 0). Oleh karena itu torsi keluaran motor akan nol dan beban tetap diam pada posisi 0,5 rad.

        Sekarang, katakanlah posisi beban baru dikehendaki pada 0,6 rad. Dalam hal ini potensiometer keluaran (B) sesaat itu pula tetap pad a posisinya semula, yaitu +50 V. Dari kondisi baru ini terjadi kesalahan tegangan sebesar +)0 V, yang selanjutnya tegangan kesalahan terse but siap dikuatkan oleh amplifier guna meneatu motor servo yang membangkitkan torsi keluaran untuk mengembalikan beban ke posisinya semula. Torsi-meter hanya akan berubah bila sinyal penggerak berubah menjadi nol, yaitu bila lengan potensiometer B dan beban berubah posisi dengan kedudukan 0,6 rad atau posisi +60 Volt.

Gambar 1.6. Pengendalian Posisi Sistem Servo Sederhana

     Aplikasi pengendalian posisi sistem servo sebagaimana dijelaskan di atas banyak dijumpai di sembarang industri. Sasaran aplikasi tersebut antara lain pada pengendalian posisi mesin perkakas, tekanan/tarikan konstan penggulung plat baja, pengendalian ketebalan lembaran metal, sistem gerakan radar, sistem peluncur peluru kendali, pengatur arah laju kapal api, dan lain sebagainya.