Nafisah Mardhiyyah - 2-TOI - Laporan Lab Sistem Kendali - Modul05 [PDF]

Citation preview

LAPORAN LAB. SISTEM KENDALI PENGENDALI PROPORSIONAL



Nama



: Nafisah Mardhiyyah



NIM



: 201364017



PROGRAM STUDI D4 – TEKNIK OTOMASI INDUSTRI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2021



I.



Tujuan Percobaan 1. Menjelaskan pengaruh alat kendali P pada sistem kendali otomatis. 2. Menjelaskan hubungan antara magnituda deviasi kendali (offset) dan penguatan alat kendali. 3. Menjelaskan hubungan antara magnituda deviasi kendali dan tegangan referensi. 4. Menjelaskan cara untuk memperkecil deviasi kendali pada sistem kendali otomatis. 5. Menghubungkan (memasukkan) sinyal referensi (acuan) dan sinyal umpan balik ke dalam sistem dengan polaritas yang benar.



II.



Teori Dasar 1. Alat kendali proporsional Alat kendali proporsional (P) merupakan pengembangan dari kendali dua-posisi. Pada alat kendali dua-posisi, keluaran alat kenndali 100% atau 0% tergantung pada sinyal error atau sinyal yang masuk ke alat kendali. Jika sinyal error lebih besar dari daerah netral maka keluaran alat kendali adalah 100 %. Sebaliknya bila sinyal error lebih kecil dari daerah netral, maka keluaran alat kendali 0%. Alat kendali P mempunyai keluaran yang lebih halus dan antara masukan dan keluarannya mempunyai hubungan linier yang berarti bahwa simpangan yang terjadi pada keluaran alat kendali mengikuti simpangan sinyal errornya. Sudah tentu, simpangan keluaran alat kendali, dalam prakteknya selalu dibatasi oleh kondisi saturasi minimum dan maksimum yang telah ditetapkan atau oleh keterbatasan kemampuan perangkat keras yang digunakan. Pembatasan keluaran alat kendali disesuaikan dengan kondisi saturasi yang digerakkannya. Persamaan dasar yang menyatakan hubungan antara masukan dan keluaran alat kendali proporsional dituliskan sebagai : U(t)



= Kp(t)………………………………………………5.1



Dimana : U(t)



= keluaran alat pengendalian



Kp = penguatan E(t)



= sinyal error atau masukan alat pengendalian



Persamaan (5.1) menjelaskan bahwa keluaran alat kendali berbanding lurus (proporsional) terhadap sinyal error dengan ketetapan penguatan Kp yang biasanya dapat diatur. Persamaan (5.1) bisa juga dinyatakan dalam bentuk transformasi Laplace sebagai U(s)



= Kp(E(s)……………………………………………5.2



Dimana : U (s) = Kp; E ( s)



U(s)



= keluaran



E(s)



= error



U(s) dan E(s) adalah transformasi dari u(t) secara berurut dan fungsi alih



U (s ) adalah Kp. E (s )



Berdasarkan kenyatan ini alat kendali P digambarkan dengan diagram kotak seperti terlihat pada gambar 5.1a Rumusan – rumusan kendali diatas biasanya dipergunakan untuk keperluan analisi secara teoritis. Untuk keperluan dilapangan, persamaan-persamaan kendali biasanya dinyatakan dalam bentuk yang lebih sederhana namun lebih komunikatif, yaitu dalam bentuk peresentase. Dalam bentuk persantase alat kendali ini diekspresikan sebagai : U = KpE………………………………………………………5.3 Dimana : U = keluaran (0 – 100%) Kp = penguatan alat kendali E = masukan atau error (%) Alat kendali ini digambarkan dengan diagram kotak seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.1. Isi kotak yang menggambarkan aksi alat kendali, biasanya dituliskan fungsi alih alat kendali (gambar 5.1.), namun tak jarang pula diberi gambar tanggapan alat kendali terhadap masukan step seperti terlihat pada gambar 5.1.



E[s]



U[s] Kp



Kp E



a



U



b



Gambar 5.1. Aksi alat kendali P



Keluaran (output) alat kendali biasa disebut sinyal kendali. Untuk pembahasan selanjutnya, persamaan kendali dalam bentuk persentasi yang akan dipakai, disamping lebih komunikatif untuk keperluan dilapangan, alat bantu yang akan digunakan dalam percobaan menggunakan pendekatan ini. Untuk terapan tertentu seperti yang banyak terdapat pada kendali proses, yaitu dikehendaki agar katup tidak tertutup 100% pada saat E =0, maka perlu adanya modifikasi persamaan kendali (5.3) menjadi U = KpE + P(0)………………………………………………5.4 P(0) adalah keluaran kendali ketika E = 0(t = 0)



2. Proportional band Pada alat kendali proporsional, sebagai ganti Kp biasa digunakan PB. PB (Proportional Band = Pita Proportional) adalah ambang batas error yang menyebabkan keluaran alat kendali 0 – 100%. Pita Proporsional disebut juga daerah Proporsional (proportional region). Pita proporsional disingkat PB dinyatakan dalam bentuk prosentase dan dapat dihitung denggan 100/Kp. Sebagai contoh, bila PB = 100%, maka Kp =1 berarti agar keluaran alat kendali 0 –100% memerlukan sinyal error 0 – 100 %. Jika PB = 50 %, maka Kp = 2 dan diperlukan sinyal error 0 – 50% untuk mendapatkan keluaran alat kendali 0 – 100% (fasilitas yang disediakan pada alat praktikum ini yang dipergunakan untuk mengatur penguatan alat kendali adalah Kp bukan PB) 3.



Kesalahan sisa Karakteristik alat kendali proporsional, di dalam sistem kendali lup tertutup, menunjukkan adanya kesalahan sisa bila ada perubahan beban atau set-point. Kesalahan sisa ini sering



juga disebut kesalahan sisa atau offset, yaitu perbedaan antara variabel yang dikendalikan dan nilai yang dikendaki (set-point) pada keadaan tunak (steady state). Timbulnya kesalahan sisa ini dapat disebabkan karena tidak ada aksi kendali ketika error sama dengan nol (pers 5.3). dengan kata lain, bahwa untuk mempertahankan variabel terkendali pada suatu harga dikehendaki set-point memerlukan sinyal error. Percobaan ini dapat memberikan gambaran tentang kesalahan sisa yang dikaitkan dengan penguatan alat kendali (Kp) dan setpoint (W). dari hasil ercobaan ini, dapat diharapkan mengetahui pengaruh penguatan Kp dan W terhadap kesalahan sisa sistem dan mengetahui metode yang dipakai guna meminimialkan kesalahan sisa.



4. Implementasi alat kendali P secara elektronis Banyak cara untuk dapat mengimplementasikan konsep alat kendali secara elektronis. Implementasi alat kendali secar elektronis adalah cara membangun fungsi kendali yang ditunjukkan pada persamaan kendali dengan menggunakan komponen-komponen elektronis. Impelementasi yang paling mudah menggunakan penguat oprasional (op – amp). Implementasi berikut ini menggunakan op-amp dari bentuknya dibuat sedemikian rupa sehingga mudah untuk dipahami. Gambar 5.2. Implementasi Elektronik kendali P R2 R VE



R



R1



-



+ +



III.



Alat dan Bahan 1. 1 set Komputer



1 buah



2. 1 set printer



1 buah



3. 1 set MATLAB



Vout



IV.



Diagram Rangkaian



V.



Langkah Percobaan 1. Buatlah rangkaian seperti yang ditunjukkan pada diagram rangkaian percobaan. Lakukan pengesetan awal sebagai berikut. a.



“Set point” (=5V)



b.



Alat kendali : penguatan, Kp(P) pada “1”



c.



simulator jaringan terkontrol (kedua–duanya) Ts pada “5”



2. Aturlah set-point potensometer sehingga diperoleh tegangan acuan 5 V (tepat), sebelum melakukan pengukuran pada sistem secara keseluruhan. 3. Periksa penguatan kendali dengan memutuskan umpan balik dari masukan negatif penjumlah (summator), sehingga variabel terkontrol tak dapat mempengaruhi alat kendali. Atur penguatan kendali sehingga keluaran alat alat kendali tepat sama dengan tegangan acuaan atau alat kendali berpenguatan satu. 4. Putuskan tegangan acuan dengan saklar “S”, dan tersambung kembali umpan balik pada masukan negarif penjumlah. 5. Masukkan tegangan step dengan jalan menutup saklar “S”, dan rekam (dengan ploter) reaksi variabel terkontrol 6. Catat hasil variabel terkontrol, X? 7. Ulangi prosedur diatas untuk harga-harga penguatan alat kendali, Kp berikut Kp = 2, 4, 10, 50,100,0,1,dan 0,5. 8. Hitung persentase deviasi kendali sisa, Xwb untuk masing – masing penguatan diatas. 9. Set penguatan kendali pada “1” dan ukur variabel kendali untuk harga-harga tegangan acuan berikut ini sp = 1V, 2,5V, 7,5 V, dan 10 V Hitung deviasi kendali sisa untuk masing – masing tegangan acuan diatas! 10. Balikanlah masukan ke penjumlah, yaitu tegangan referensi ke masukan negatif dan variabel terkontrol ke masukan positif, ulangi percobaan diatas seperti no 5 dan rekam reaksi variabel terkontrol.



VI. Hasil Percobaan dan Analisa



Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat dilihat bahwa system dengan nilai P (gain) yang berbeda memiliki grafik yang berbeda pula. Semakin besar nilai P maka grafik akan semakin naik dan memili amplitude yang lebih besar. Dengan semakin besar juga nilai P (gain) maka nilai steady state yang dicapai semakin mendekati set point.



Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat dilihat bahwa saat polaritas summator terbalik, yakni input setpoint masuk pada negatif summator dan feedback masuk pada positif summator, maka yang terjadi adalah respon sistem akan turun dengan cepat menuju nilai negatif, tanpa berujung. Kecepatan perubahan nilainya akan proporsional dengan nilai Kp. Semakin besar nilai Kp, semakin cepat respon sistem akan turun ke nilai yang negatif. 1. Percobaan dengan Nilai P (Kp) = 1



•



Steady state



= 2.5 volt



•



Tr



= 7.502 s



•



Tp



= 15.689 s



•



Ts (5%)



= 10.36



•



Ts (2%)



= 12.09



•



OS



= 4.737%



•



Ess



= 50%



2. Percobaan dengan Nilai P (Kp) = 4



•



Steady state



= 4 volt



•



Tr



= 3.404 s



•



Tp



= 7.839 s



•



Ts (5%)



= 11.733 s



•



Ts (2%)



= 18.67 s



•



OS



= 21.341 %



•



Ess



= 20%



3. Percobaan dengan Nilai P (Kp) = 10



•



Steady state



= 4.545 volt



•



Tr



= 1.961



•



Tp



= 4.989



•



Ts (5%)



= 15.187



•



Ts (2%)



= 16.929



•



OS



= 38.194%



•



Ess



= 9.1%



4. Percobaan dengan Nilai P (Kp) = 50



•



Steady state



= 4.9025 volt



•



Tr



= 784.038 ms



•



Ts (5%)



= 13.889%



•



Ts (2%)



= 18.356



•



OS



= 65.833 %



•



Ess



= 1.95%



5. Percobaan dengan Nilai P (Kp) = 100



•



Steady state



= 4.9505



•



Tr



= 538.793 ms



•



Ts (5%)



= 14.4233 s



•



Ts (2%)



= 19.112 s



•



OS



= 74.561%



•



Ess



= 0.99%



VII. Tabel Data Hasil Percobaan No



Nilai Kp



Steady



Tr (s)



Tp (s)



Ts 5% (s)



Ts 2% (s)



Overshoot(%)



Ess (%)



State (Volt) 1



1



2.5



7.502



15.689



10.36



21.09



4.737



50



2



4



4



3.404



7.839



11.733



18.675



21.34



20



3



10



4.545



1.961



4.989



15.187



16.929



38.194



9.1



4



50



4.9025



0.784



2.239



13.889



18.356



65.833



1.95



5



100



4.9505



0.538



1.589



14.4223



19.1122



74.516



0.99



Dari tabel tersebut, dapat disimpulkan bahwa: 1.



Semakin besar nilai Kp, semakin rendah nilai Tr dan Tp, sehingga respon waktu sistem lebih cepat.



2.



Semakin besar nilai Kp, semakin tinggi amplitudo overshoot/osilasinya dan juga semakin lama sistem berosilasi.



3.



Semakin besar nilai Kp, semakin rendah nilai Ess nya, sehingga steady state sistem lebih dekat dengan setpoint.



4.



Tidak ada sistem yang tidak memiliki overshoot dan tidak ada sistem yang nilai steady state nya tepat pada setpoint.



5.



Nilai Ts terlihat menurun tapi hingga Kp = 10, kemudian kembali naik.



6.



Bila polaritas summator terbalik, maka sistem akan merespon dengan output yang negatif turun dengan cepat, sesuai dengan besarnya nilai Kp.



VIII. Kesimpulan Hubungan alat kendali KP dengan Deviasi sisa yaitu bahawa untuk mempertahankan variabel terkendali pada suatu harga yang dikehendaki setpoint memerlukan sinyal error, sinyal error ini dikeluarkan oleh penguatan alat kendali (KP) dan set-Point.



Hubungan tegangan referensi W dan deviasi sisa sama seperti pernyataan diatas yaitu untuk mempertahankan variabel terkendali pada suatu harga yang dikehendaki set-point memerlukan sinyal error.



Kontroler P (Proporsional) adalah kontroler dengan penguatan murni KP.Persamaan karakteristik sistem lup tertutup dengan kontroler P adalah: 1 + 𝐾𝑝 . 𝐺(𝑠) . 𝐻(𝑠) Kontroler P ini digunakan dalam keadaan yang mana tanggapan peralihan (transien) yang diinginkan dipenuhi cukup dengan menyetel penguatan sistem saja