Bab 4: Analisis Sistem Kendali EL303 Sistem Kendali ANALISIS SISTEM KENDALI o PENDAHULUAN o ANALISIS WAKTU ALIH

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

ANALISIS SISTEM KENDALI

o

PENDAHULUAN

o

ANALISIS WAKTU ALIH
♦ Tanggapan Waktu Alih Orde 1
♦ Tanggapan Waktu Alih Orde 2
♦ Spesifikasi Tanggapan Waktu Alih
♦ Penurunan Rumus Spesifikasi
♦ Tanggapan Waktu Alih Orde Tinggi

o


ANALISIS GALAT KEADAAN TUNAK
♦ Klasifikasi Sistem Kendali
♦ Konstanta Galat Statik

o

ANALISIS KEPEKAAN

o

ANALISIS KESTABILAN
♦ Prinsip Dasar Kestabilan
♦ Metoda Kestabilan Routh Hurwitz

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 1 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali


EL303 Sistem Kendali

o PENDAHULUAN
♦ Langkah pertama analisis : penurunan model matematis sistem.
♦ Ada beberapa metoda analisis unjuk kerja sistem :
− Analisis Kestabilan : Routh Hurwith, Root Locus, Bode Plot,
Nyquist Plot.
− Analisis Waktu Alih : spesifikasi koefisien redaman dan
frekuensi natural.
− Analisis Keadaan Tunak : Kosntanta tunak statik
− Analisis Kepekaan
♦ Untuk memudahkan analisis, digunakan beberapa sinyal uji dengan
fungsi waktu sederhana.
♦ Sinyal-Sinyal Pengujian :
− fungsi step
: ganguan yang muncul tiba-tiba
− fungsi ramp
: fungsi berubah bertahap terhadap waktu
− fungsi percepatan

− fungsi impuls
: gangguan sesaat yang muncul tiba-tiba
− fungsi sinusoidal : linearitas sistem
♦ Pemilihan sinyal uji harus mendekati bentuk input sistem pada kondisi
kerjanya.
♦ Tanggapan waktu :
− waktu alih : keadaan awal hingga keadaan akhir.
− keadaan tunah : tanggapan pada waktu t → ∼
♦ Kriteria Unjuk Kerja Sistem Kendali :
♦ Kestabilan mutlak : sistem stabil bila keluarannya dapat kembali ke
nilai semula setelah ada gangguan.
♦ Kestabilan relatif (tanggapan waktu alih) : sistem harus cukup cepat
tanggapannya terhadap perubahan masukan dan kembali ke keadaan
mantapnya.
♦ Galat keadaan mantap : perbedaan antara keluaran dengan masukan
yang menunjukkan ketelitian sistem.
♦ Kepekaan sistem terhadap perubahan karakteristik komponennya.

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]

hal 2 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

o ANALISIS WAKTU ALIH
Fungsi alih sistem linear invarian waktu :
Y ( s)
X ( s)

G ( s) =

sehingga

Y ( s) = G ( s) X ( s)

Dalam domain waktu
t


y ( t ) = ∫ x ( τ ) g ( t − τ ) dτ
0
t

= ∫ g ( τ ) x ( t − τ ) dτ
0

dengan

g(t) = x(t) = 0 untuk t < 0

(kondisi mula = 0)

Tanggapan Impuls :
X(s) = 1
Y(s) = G(s)
atau
y(t) = g(t) = fungsi tanggapan impuls.


Kesimpulan :
• Informasi lengkap tentang karakteristik dinamis sistem dapat diperoleh
dengan mengukur tanggapan sistem tersebut terhadap impuls.
• Pembangkitan Impuls secara praktis dilakukan dengan membuat pulsa
dengan lebar yang sangat sempit dibandingkan dengan konstanta waktu
sistem.

memadai untuk t1 < 0,1 T

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 3 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

♦ Tanggapan Waktu Alih Sistem Orde –1


Fungsi alih :

C( s)
1
=
R( s) Ts + 1

♦ untuk input unit step : R( s) =
C(s) =

T 1 1
T
⋅ = −
Ts + 1 s s Ts + 1

1
s

(


)

sehingga c(t ) = 1 − e − t / T u(t )

• Untuk t = T : C(T) = 0,632
• Makin kecil T, makin cepat
tanggapan sistem
• Kemiringan kurva pada t = 0 :
dc 1
=
dt T

• Galat lebih kecil 2 % dicapai pada t
=4T
• Bila Kurva log c(t ) − c(~) ≡ garis lurus, maka sistem orde-1
• Konstanta waktu T ditentukan dari
c(T ) − c(~) = 0,368[c(0) − c(~) ]

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]

hal 4 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

♦ Untuk input unit ramp R (s) =

1
s2

(

)

1
1 1 T
T2
−t / T

u( t )
⋅ 2= 2− +
C(s) =
sehingga c( t ) = t − T + Te
Ts + 1 s
s Ts + 1
s

Galat keadaan mantap : e(~)=T

♦ Untuk input unit Impuls : R(s) = 1
C( s) =

1
Ts + 1

sehingga

1
C( t ) =  e − t / T  u ( t )


T

Sifat Penting Sistem Linear Invarian-Waktu : Fungsi Singular.

(
)
: C(t ) = (1 − e t / T )u(t ) (turunkan dari tanggapan unit ramp)

Tanggapan unit ramp: C(t ) = t − T + Te − t / T u(t )
Tanggapan unit step

1
T




Tanggapan unit impuls: C(t ) =  e − t / T  u(t ) (turunkan dari tanggapan unit
step)
Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 5 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

♦ Tanggapan Waktu alih Sistem Orde-2
• Sistem Kendali Posisi

Error Detector :
er = K 0 r
ec = K 0 c

dengan K0 = konstanta proporsionalitas arm detector
Torsi motor :
T = K2 ia
dengan K2 = konstanta torsi motor
ia = arus jangkar
Rangkaian jangkar :
La

dia

+ Ra ia + K 3
= K1e
dt
dt

(1)

dengan K3 = konstanta back emf motor
θ = sudut putaran poros motor
Persamaan Torsi :
(2)

dengan :
J0 = momen inersi motor + beban + roda gigi terhadap poros motor
b0 = koefisien gesekan motor + beban + roda gigi terhadap poros
motor
Dari (1) dan (2) diperoleh :
Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 6 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

Output :

Dengan

Maka :

Mengingat La = kecil, maka diperoleh penjabaran sebagai berkut

Daya penyederhanaan diperoleh :
G ( s) =

K
Js 2 + Bs

Atau :

Definisikan :
Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 7 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

ω n = frekuensi natural tak teredam
σ
ζ

= redaman (attenuation)

= faktor / koefisien redaman
B
B
ζ =
=
Bc 2 JK

Diperoleh :

K
= ω n2
J

dan

B
= 2ζω n = 2σ
J

Sehingga diperoleh bentuk umum fungsi alih orde-2 balikan satuan :

ω n2
C ( s)
=
R( s) s 2 + 2ζω n s + ω n2
Perilaku dinamis sistem orde-2 dapat dijelaskan melalui ζ dan ω n .

Tiga kasus tanggapan :
1. Teredam kurang
2. Teredam kritis
3. Teredam lebih

(0 < ζ < 1)
(ζ = 1)
(ζ > 1)

• Teredam kurang
C ( s)
ωn2
=
R( s) ( s + ζωn + jωd )( s + ζωn + jωd )

dengan
ωd = ωn 1 − ζ 2

= frekuensi natural teredam
jωd

X

− ξωn

Untuk input unit step :

σ
X

− jωd

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 8 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

C ( s) =

EL303 Sistem Kendali

ωn2

(s2 + 2ζωn s + ωn2 )s

=

s + ζωn
ζωn
1


2
2
s ( s + ζω ) + ω
( s + ζωn )2 + ωd2
n
d

sehingga



sin ωd t 

2
1− ζ

ζ

c(t ) = 1 − e −ζωnt  cos ωd t +



2

−1 1 − ζ 

sin ωd t + tan
= 1−


ζ
1−ζ2



e −ζωnt

(t ≥ 0)

• Waktu setting tercepat bila 0,5 < ζ < 0,8
• sistem teredam kritis lebih cepat dari pada sistem dengan ζ > 1.
• Sistem orde-2 dengan ζ sama dan ωn berbeda : bertanggapan sama untuk
simpangan dan pola osilasi, disebut memiliki kestabilan relatif sama.
• Sinyal galat :
e( t ) = r ( t ) − c( t )
=e

untuk




cos ωd t +
sin ωd t 


2
1−ζ



−ζω n t 

ζ

( t ≥ 0)

ζ = 0 : sistem berosilasi pada amplitudo tetap

c( t ) = 1 − cos ωnt

t≥0

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 9 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali



EL303 Sistem Kendali

Teredam Kritis

bid-s

σ
− ωn

Respon unit step :
C ( s) =

sehingga

ωn2

(s + ωn )2 s

c( t ) = 1 − e−ω nt (1 + ωnt )

t≥0

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 10 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

ƒTeredam lebih
Letak pole-pole

bid-s

σ
− s1 =
− ζω n − ω n ζ 2 − 1

− s2 =
− ζωn + ωn ζ 2 − 1

Respon unit step :

sehingga

dengan

s1 =  ζ + ζ 2 − 1 ω n
s2 = ζ − ζ 2 − 1 ω n

Bila s2 1,
c( t ) =

ωn
2 ζ 2 −1

e

(ζ − ζ 2 −1)



ωn
2 ζ 2 −1

e

−(ζ − ζ 2 −1)ω n t

(t ≥ 0)

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 19 dari 20
_______________________________________________________________________________

Bab 4: Analisis Sistem Kendali

EL303 Sistem Kendali

Teknik Elektro ITB
[EYS-1998]
hal 20 dari 20
_______________________________________________________________________________