Pertemuan-1: Pengenalan Dasar Sistem Kontrol

Tujuan Instruksional Khusus (TIK): Mengerti filosopi sistem control dan aplikasinya serta memahami istilah-

istilah/terminology yang digunakan dalam system control Pokok Pembahasan:

1. Persamaan diferensial/transformasi Laplace 2. Transfer function 3. Diagram blok 4. Diagram aliran sinyal (signal flow diagram

Pendahuluan

Sistem kontrol merupakan hal penting di dunia industri dan di era teknologi informasi saat ini.

Proses produksi dan manufacturing dituntut kestabilannya dan setiap perubahan dapat direspon

secara cepat dan real time. Hal ini karena adanya tuntutan kualitas produk dan proses yang

konsisten dari pasar dan dunia industri itu sendiri. Contoh sistem control industri seperti

pengontrolan variabel-variabel temperatur (temperature), tekanan (pressure), aliran (flow), level

(level), dan kecepatan (speed). Variabel-variabel ini adalan parameter-parameter keluaran

(output) yang harus dijaga tetap sesuai dengan keinginan yang telah ditetapkan terlebih dahulu

oleh operator yang disebut dengan setpoint/set value (SV) sementara nilai actual proses disebut

Process Value (PV). Sistem yang dikontrol (bangunan) agar variabel keluaran dijaga tetap pada

kondisi tertentu disebut dengan plant.

Implementasi teknik sistem kontrol (System Control Engineering) melibatkan multidisiplin ilmu

seperti bidang: teknik mesin (mechanical engineering), teknik elektrik (electrical engineering),

elektronik (electronics) dll dimana kolariborasi keilmuan tersebut lazim disebut Mekatronika

(Mechatronics)

Sistem kontrol berdasarkan aliran sinyal control dibagi atas dua:

1. Sistem kontrol secara manual (Open Loop Controls).

Sistem kontrol secara manual, proses pengaturannya dilakukan secara manual oleh

operator dengan mengamati keluaran secara visual, kemudian dilakukan koreksi variabel-

variabel kontrolnya untuk mempertahankan hasil keluarannya. Sistem kontrol itu sendiri

bekerjanya secara open loop, artinya sistem kontrol tidak dapat melakukan koreksi variabel

untuk mempertahankan hasil keluarannya. Perubahan ini dilakukan secara manual oleh

operator setelah mengamati hasil keluarannya melalui alat ukur atau indikator.

2. Sistem Kontrol otomatis (Closed Loop Controls)

Sistem kontrol otomatis dapat melakukan koreksi variabel-variabel kontrolnya secara

otomatis, dikarenakan ada untai tertutup (closed loop) sebagai umpan balik (feedback) dari

hasil keluaran menuju ke masukan setelah dikurangkan dengan nilai setpointnya.

Pengaturan secara untai tertutup ini (closed loop controls), tidak memerlukan operator untuk

melakukan koreksi variabel-variabel kontrolnya karena dilakukan secara otomatis dalam

sistem kontrol dalam sistem kontrol itu sendiri. Dengan demikian keluaran akan selalu

dipertahankan berada pada kondisi stabil sesuai dengan setpoint yang ditentukan.

Kebutuhan dalam Sistem Kontrol Otomatis

Terdapat tiga alasan utama, mengapa plant proses atau bangunan memerlukan kontrol secara

otomatis:

1. Keamanan (Safety). Pada kondisi kompleksitas yang tinggi atau plant/proses yang

berbahaya, pada akhirnya dibutuhkan kontrol otomatis dan protokol untuk menjaga

keamanan.

2. Stabilitas (Stability). Plant atau proses harus bekerja secara mantap (steadily), dapat

diprediksi (predictably) dan keterulangan (repeatably), tanpa fluktuasi atau kegagalan

yang tidak terencana.

3. Ketelitian (Accuracy)

Hal ini utamanya diperlukan dalam industri dan ini adalah suatu kebutuhan utama dalam pabrik-

pabrik dan bangunan untuk mencegah produksi cacat, untuk menaikkan mutu dan tingkat

produksi, dan memelihara kenyamanan. Ini adalah pokok dari efisiensi secara ekonomis.

Contoh Sederhana Sistem Kontrol

Agar mudah dimengerti tentang sistem kontrol berikut ini dijelaskan sebuah sistem kontrol yang

dioperasikan oleh operator secara manual seperti yang diperlihatkan dalam gambar berikut ini.

Gambar 1. Model Sistem Kontrol Sederhana (manual control system)

Contoh proses yang diperlihatkan dalam gambar di atas, operator mengoperasikan secara

manual (dengan tangan) agar membuat variasi aliran air melalui variasi pembukaan atau

penutupan Klep Masukan untuk memastikan bahwa:

1. Permukaan air tidaklah terlalu tinggi; atau dijalankan dengan membuang sampah

melalui pelimpah.

2. Permukaan air tidaklah terlalu rendah; atau tidak sampai pada bagian dasar dari

tangki.

Hasil dari sistem kontrol ini adalah air keluar dari tangki pada tingkat rate yang berada pada

daerah cakupan yang diperlukan. Jika air keluar pada rate terlalu tinggi atau rendah, proses

pengaliran air melalui klep masukan dikatakan tidak beroperasi secara benar.

Pada kondisi awal, klep pengosongan pada pipa produk akhir berada pada posisi yang tetap.

Pada contoh sistem kontrol dalam Gambar 1 di atas akan mendemontrasikan bahwa:

1. Operator mengarahkan untuk menjaga kondisi air didalam tangki melalui klep

masukan agar berada pada level antara 1 dan 2. Level permukaan air pada

kondisi tersebut disebut sebagai Kondisi Terkontrol (Controlled Condition).

2. Kondisi Terkontrol atau Daerah Kontrol yang dapat dicapai dengan pengendalian

aliran air melalui klep pipa masukan. Aliran arus air (flowrate) tersebut dikenal

sebagai Variabel Manipulasi (Manipulated Variable), dan klep masukan disebut

sebagai Perangkat Kontrol (Controlled Device).

3. Air itu sendiri disebut sebagai Agen Kontrol (Control Agent).

4. Pengendalian aliran air kedalam tangki, maka level air akan berubah. Perubahan

level air dalam tangki dikenal sebagai Variabel Kontrol (Controlled Variable).

5. Sedangkan air dalam tangki dikenal sebagai Media Terkontrol (Controlled

Medium).

6. Level air diusahakan dipelihara yang dapat dilihat pada indikator secara visual

disebut sebagai Setpoint (Set Point atau Set Value).

7. Level air yang dipelihara pada titik diantara 1 dan 2 yang terlihat pada indikator

secara visual dan parameter kontrol masih diperkenankan yaitu berada sedikit

diatas dasar tangki dan tidak melimpah. Nilai pada daerah ini disebut sebagai

Nilai yang diinginkan (Desired Value).

8. Diasumsikan bahwa level dirawat secara ketat agar berada pada titik antara 1

dan 2. Level air ini berada pada keadaan Mantap (Steady State), dikenal sebagai

Nilai Kontrol (Control Value) atau Nilai Nyata (Actual Value).

Catatan: Melihat pada point 7 dan 8 di atas, level air secara ideal dipelihara pada

titik 3. Tetapi pada kenyataannya level akan berada diantara 1 dan 2, namun

masih bekerja dengan baik. Perbedaan antara Setpoint dan Nilai Nyata disebut

sebagai Deviasi (Deviation).

9. Jika klep masukan ditutup pada posisi baru, level air dalam tangki akan menurun

dan deviasi akan berubah. Ayunan deviasi (Sustained Deviation) ini disebut

sebagai Offset.

Elemen-elemen kontrol otomatis

Elemen-elemen dari sistem kontrol otomatis secara blok diagram diperlihatkan dalam Gambar 2

berikut ini:

Gambar 2. Elemen-elemen dari sistem kontrol otomatis

Dari Gambar 1 di atas terdapat elemen-elemen kontrol seperti yang diperlihatkan dalam Gambar

2. Elemen-elemen kontrol tersebut adalah:

1. Mata operator mendeteksi adanya pergerakan level air melalui skala yang telah

ditandai terlebih dahulu. Mata operator dikatakan sebagai Sensor.

2. Sinyal dari mata (sensor) menuju ke otak, yang mana akan mengetahui adanya

deviasi. Otak dapat dikatakan sebagai Kontroler (Controller).

3. Arm Muscle (Lengan dari klep masukan) dan tangan (aktuator, actuator) memutar

klep, disebut sebagai Perangkat Pengontrol (Controlled Device).

Cara penjelasan yang berbeda diperlihatkan kempbali dalam Gambar 2, sebagai penjelasan dari

Gambar 1 yaitu:

Secara sederhana operator dalam Gambar 1 akan menahan air dalam tangki pada kondisi level

yang telah didefinisikan atau ditentukan. Level 3 dapat disebut sebagai target dari operator atau

disebut sebagai Setpoint.

Operator secara fisik memanipulasi level dengan menyetel klep masukan (sebagai perangkat

pengontrol). Selanjutnya operasi yang sangat penting adalah kompetensi dan konsentrasi

operator. Sebab, tidak akan mungkin secara nyata air akan berada pada level 3 secara terus

menerus. Umumnya, level air akan berada di bawah atau diatas level 3. Posisi atau level yang

tetap ini disebut sebagai Nilai Kontrol atau Nilai Nyata.

Besarnya kesalahan (error) atau perbedaan antara setpoint dan nilai nyata disebut sebagai

deviasi. Jika deviasi konstan atau disebut kondisi matap, hal ini disebut sebagai Ayunan Deviasi

atau Ofset.

Operator memanipulasi level air, pada akhirnya diarahkan untuk menghasilkan keluaran, pada

kasus ini, adalah sebuah kebutuhan aliran air yang keluar dari tangki.

Ukuran Keselamatan (Safety), Stabilitas (Stability) dan Ketelitian (Accuracy)

Hal ini dapat diasumsikan bahwa sebuah proses secara tipikal dari Gambar 1 berisi materi yang

tidak berbahaya. Oleh karena itu, limpahan air yang keluar dari pelimpah menjadikan aman bagi

operator akan tetapi tidak ekonomis atau tidak produktif. Dalam kaitannya dengan stabilitas,

operator akan mampu menangani proses ini, yaitu dengan penuh perhatian mengamati setiap

perubahan lever yang terjadi dalam tangki. Ketelitian tidak akan ada pada proses ini sebab

operator hanya dapat merespon terhadap kisaran nilai level yang dapat diterima dan kesalahan

yang diperbolehkan.

Kesimpulan Terminologi

Dalam sistem kontrol terdapat istilah-istilah yang sering dipakai dan memiliki arti tersendiri.

Untuk memudahkan pembahasan dalam sistem kontrol perlu didefinisikan sebuah terminologi

dari istilah-istilah tersebut yaitu:

Setpoint (Set Point): Nilai set dalam skala sistem kontrol dalam hal untuk memperoleh

kondisi yang diinginkan

Nilai yang diinginkan

(Desired Value):

Nilai yang diinginkan dan diperbolehkan berayun disekitar kondisi

ideal

Nilai Kontrol (Control

Value):

Nilai dari kondisi kontrol pada kenyataannya dipelihara agar menjadi

kondisi matap

Deviasi (Deviation): Perbedaan antara nilai setpoint dan nilai kontrol

Offset (Offset): Ayunan dari deviasi

Sensor (Sensor): Elemen yang merespon secara langsung

Media Terkontrol

(Controlled Medium):

Media yang dikontrol oleh sistem. Media yang terkontrol dalam

contoh di atas adalah air dalam tangki

Kondisi Terkontrol

(Controlled Condition):

Kondisi fisik dari media terkontrol. Dalam contoh diatas adalah level

air dalam tangki

Kontroler (Controller): Perangkat yang menerima sinyal dari sensor dan mengirimkan

sinyal koreksi (atau pengontrolan) ke aktuator

Aktuator (Actuator): Elemen yang menyetel perangkat terkontrol dalam hal merespon

sinyal dari kontroler

Perangkat Terkontrol

(Controlled Device):

Elemen pengontrolan paling akhir didalam sebuah sistem kontrol,

sperti pengontrolan klep atau variabel kecepatan pompa

Elemen Sistem Kontrol Temperatur

Berikut ini akan dijelaskan sistem kontrol yang lainnya yaitu sistem kontrol temperatur. Jika

dioperasikan secara manual diperlihatkan dalam Gambar 3 berikut ini:

Gambar 3. Sistem kontrol temperatur secara manual

Ukuran Keselamatan (Safety), Stabilitas (Stability) dan Ketelitian (Accuracy)

Melihat dari operasi secara manual yang dapat mengontrol level air seperti dalam Gambar 1,

pengontrolan secara manual dari temperatur adalah lebih sulit seperti yang diperlihatkan dalam

Gambar 3.

Jika aliran dari air bervariasi, kondisi ini akan menyebabkan perubahan secara cepat dari jumlah

panas yang tertahan dalam uap air. Operator merespon perubahan posisi dari klep uap masuk

yang tidak dapat dilakukan secara cepat. Bahkan setelah klep tertutup, coil akan masih berisi

sejumlah sisa uap air, yang akan berlanjut melepaskan panasnya melalui kondensasi.

Antisipasi perubahan

Pengalaman akan banyak membantu, tetapi secara umum operator tidak akan mampu

mengantisipasi perubahan. Ia harus mengamati perubahan terlebih dahulu sebelum membuat

suatu keputusan dan melakukan suatu tindakan.

Hal ini dan lain faktor, seperti hal yang tidak menyenangkan dan biaya seorang operator secara

permanen untuk melakukan pengontrolan, potensi kesalahan operator, kebutuhan variasi

proses, ketelitian, perubahan cepat dalam semua kondisi dan keterlibatan beberapa proses,

semua mendorong kearah kebutuhan akan sistem kontrol secara otomatis.

Demi keselamatan, dipasang sebuah alarm yang dapat didengar, seperti yang diperlihatkan

dalam Gambar 3 untuk memperingatkan adanya temeratur lebih. Ini merupakan alasan lainnya

dalam sistem pengaturan otomatis.

Kontrol Otomatis

Suatu kondisi terkontrol (controlled condition) boleh jadi temperatur, tekanan, kelembaban, level,

atau aliran. Hal ini mengartikan bahwa elemen pengukuran dapat berupa sensor temperatur,

transduser tekanan atau tramitter, detektor level, sensor kelembaban atau sensor aliran.

Variabel manipulasi dapat berupa uap air, air, udara, listrik, minyak atau gas, sedangkan

perangkat terkontrol dapat berupa sebuah klep, damper (penghadang), pompa atau kipas angin.

Untuk kepentingan agar dapat menunjukkan prinsip dasar, penjelasan ini akan berkonsentrasi

pada klep sebagai perangkat terkontrol dan temperatur sebagai kondisi terkontrol, dengan

sensor temperatur sebagai elemen pengukur.

Komponen Sistem Kontrol Otomatis

Dalam Gambar 4 mengillustrasikan bagian dari komponen dasar dari sistem pengaturan

otomatis. Sinyal dari sensor menuju ke kontroler. Kontroler, dimungkinkan dapat mengambil

sinyal dari beberapa sensor, akan menentukan apakah suatu perubahan variabel manipulasi

diperlukan berdasarkan dari sinyal tersebut. Hal itu akan memerintahkan aktuator untuk

mengubah perbedaan posisi dari klep, terbuka penuh atau tertutup penuh tergantung dari

kebutuhan.

Gambar 4. Komponen kontrol dalam sistem kontrol otomatis

Kontroler biasanya dapat diklasifikasikan berdasarkan sumber energi yang dipergunakan untuk

menggerakkannya bisa listrik, pneumatik (tekanan udara), hidrolik (tekanan cairan biasanya oli)

atau mekanik. Aktuator dapat berupa motor listrik. Aktuator juga dapat diklasifikasikan

berdasarkan sumber energi yang dipergunakan untuk menggerakkannya, hal ini sama dengan

kontroler. Klep digolongkan berdasarkan aksinya yang digunakan untuk membuat posisi buka

atau tutup dari aliran, dan oleh konfigurasi bentuknya, sebagai contoh apakah terdiri dari spindel

gelinding atau gerakan putar.

Secara keseluruhan dari sistem kontrol otomatis, kadang-kadang merupakan kombinasi dari

beberapa komponen kontrol dengan klasifikasi yang berbeda, misalnya gabungan antara

hidrolik, elektrik dan mekanik. Dalam gambar 5 diperlihatkan gabungan beberapa komponen

dan elemen kontrol untuk membentuk sistem kontrol proses secara otomatis.

Gambar 5. Secara tipikal: Gabungan perangkat kontrol dengan elemen-elemen sistem