SISTEM KENDALI TEORI DASAR ELEMEN-ELEMEN KOREKSI

BAB VI 

ELEMEN-ELEMEN KOREKSI 

1. Pendahuluan 

Elemen koreksi atau elemen kontrol final adalah elemen mesin dalam sistem kontrol yang bertanggung jawab terhadap transformasi keluaran pengontrol menjadi suatu perubahan dalam proses yang ditunjukan untuk mengoreksi perubahan dalam variable yang dikontrol. Contoh sebuah motor yang mengambil keluaran listrik dari sebuah pengontrol dan mentransformasikan menjadi putaran untuk menggerakan beban dan mengontrol posisinya. 

2. Sistem Pneumatik dan Hidrolik 

Sistem kontrol proses sering kali merupakan sebuah kontrol terhadap aliran fluida. Katup-katup yang digunakan sebagai elemen koreksi dalam situasi-situasi semacam ini sering kali merupakan katup-katup yang dioprasikan secara pneumatik. Kekurangan utama sistem pneumatik adalah sifat kompresibilitas udarannya. Kekurangan ini mengakibatkan sistem ini memerlukan reservoir penyimpan untuk menghindari perubahan tekanan akibat pembebanan yang diberikan. 

a. Konverte Arus ke Tekanan 

Umumnya sinyal yang dibutuhkan oleh elemen koreksi pneumatik berada dalam kisaran tekanan 20 hingga 100 kPa, yaitu tekanan di atas tekanan atmosfir. Gambar 6.1 menunjukkan prinsip satu bentuk arus untuk konverter tekanan yang dapat digunakan untuk mengkonversi output arus dari pengontrol, biasanya dalam rentang 4 hingga 20 mA, ke pneumatik sinyal tekanan 20 hingga 100 kPa untuk mengoperasikan elemen kontrol akhir. Arus dari pengontrol melewati koil yang dipasang pada pivot balok. Sebagai akibatnya, kumparan kemudian tertarik ke arah magnet, sejauh mana daya tarik tergantung pada ukuran arus. Itu gerakan kumparan menyebabkan tuas berputar tentang pivot dan sebagainya mengubah pemisahan flapper dari nosel. Posisi dari flapper dalam kaitannya dengan nosel menentukan ukuran output tekanan dalam sistem.

Gambar 6.1 konverter arus ke tekanan

b. Sumber-sumber Tekanan 

Dengan sistem pneumatik dibutuhkan sumber udara bertekanan. Ini bisa disediakan oleh motor listrik yang menggerakkan kompresor udar (Gambar 6.2). Udara diambil dari atmosfer melalui filter. Karena udara kompresor meningkatkan suhu udara, sistem pendingin cenderung mengikuti dan, karena udara juga mengandung jumlah yang signifikan kelembaban, pemisah kelembaban untuk menghilangkan kelembaban dari udara. SEBUAH reservoir penyimpanan digunakan untuk menghaluskan semua fluktuasi tekanan karena kompresibilitas udara. Katup pelepas tekanan memberikan perlindungan terhadap tekanan dalam sistem naik di atas tingkat yang aman.

Gambar 6.2 Sumber udara bertekanan

Akumulator adalah pada dasarnya hanya sebuah wadah di mana minyak dipegang di bawah tekanan kekuatan eksternal dan ada untuk memuluskan segala fluktuasi jangka pendek dalam tekanan oli output. Jika tekanan minyak naik maka piston akan bergerak untuk meningkatkan volume yang dapat diisi minyak sehingga mengurangi tekanan. Jika tekanan oli jatuh maka piston bergerak masuk untuk mengurangi volume ditempati oleh minyak dan meningkatkan tekanannya.

Gambar 6.3 Sumber minyak bertekanan

c. Katup Kontrol 

Sistem pneumatik dan hidrolik menggunakan katup kontrol untuk memberikan arah aliran fluida melalui suatu sistem. mengendalikan tekanannya dan mengendalikan laju aliran. Jenis katup ini dapat disebut kontrol arah katup, katup kontrol tekanan dan katup kontrol aliran. Katup kontrol tekanan, sering disebut katup pengatur tekanan, bereaksi terhadap perubahan tekanan dalam mengaktifkan atau menonaktifkan aliran, atau memvariasikannya. Katup kontrol aliran, kadang-kadang Katup posisi yang tak terhingga, memvariasikan laju saat cairan mengalir melalui pipa dan digunakan untuk mengatur aliran material yang sedang diproses sistem kontrol. Katup dibahas secara lebih rinci nanti di bab ini. 

d. Aktuator 

Aktuator daya fluida dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok: aktuator linier yang digunakan untuk memindahkan objek atau menerapkan gaya dalam garis lurus dan aktuator rotari yang digunakan untuk memindahkan objek dalam jalur melingkar. Silinder hidrolik atau pneumatik adalah aktuator linier, yang prinsip dan bentuk yang sama untuk kedua versi dengan perbedaan menjadi masalah ukuran semata sebagai konsekuensi dari tekanan yang lebih tinggi digunakan dengan hidrolika.

Gambar 6.4 (a.) silinder aksi tunggal. (b.) silinder aksi ganga

Gambar 6.4 (a) menunjukkan bentuk aksi tunggal dan Gambar 6.4 (b) bentuk akting ganda. Bentuk aksi tunggal memiliki tekanan kontrol diterapkan hanya pada satu sisi piston, pegas sering digunakan untuk memberikan oposisi terhadap pergerakan piston. 

3. Katup Kontrol Direksional 

Katub kontrol direksional banyak digunakan dalam sistem kontrol sebagai elemen untuk menyalakan ataupun memadamkan tekanan hidroulik atau pnematik yang selatjutnya melalui aktuator, dapat digunakan untuk mengontrol pergerakan dari suatu benda tertentu. 

a. Pengurutan ( sequencing ) 

Dalam raktik sehari-hari sering kali dijumpai situasi dimana pengaktifan sejumlah silinder dilakukan dalam urutan-urutan tertentu atau diistilahkan sebagai pengaktifan berurutan. Sebagai contoh terdapat situasi dimana hanya bila silinder A telah terekspansi penuh. Dan silinder A hanya dapat tertarik kembali, bila silinder B telah terekspansi penuh.

Gambar 6.15 Diagram pergeseran peristiwa

b. Katup shuttle 

Bentuk katup kontrol direksional yang paling umum adalah katup shuttle atau pool Katup shuttle memiliki spool yang bergerak secara horizontal di dalam bodi katup. Mengangkat area, mengistilahkan lahan, memblokir atau membuka port untuk memberikan operasi katup yang dibutuhkan. Gambar 6.18 mengilustrasikan fitur ini dengan 3/2 katup.

Gambar 6.17 Operasi-operasi yang diperlukan untuk sebuah operaasi mesin otomatis

4. Katup Kontrol Aliran 

Dalam banyak sistem kontrol laju aliran cairan didalam pipa dikendalikan oleh sebuah katup yang menggunakan aksi pneumatik untuk memindahkan batang katup dan karenanya steker atau dihubungkan ke jalur aliran, sehingga mengubah ukuran celah melalui mana cairan dapat mengalir (Gambar 6.21).

Gambar 6.21 katup (a) dudukan tunggal, (b) dudukan ganda 

a. Berbagai macam bentuk flug 

Ada banyak bentuk bodi katup dan plug katup. Pemilihan formulir bodi dan plug katup menentukan karakteristik katup kontrol, yaitu hubungan antara posisi batang katup dan laju aliran melaluinya.

1. Plug linear 

2. Plug bukaan cepat 

3. Plug presentase setara 

b. Kemampuan jangkauan dan turndown 

Istilah kemampuan jangkauan R digunakan untuk rasio perbandingan Qnmax/Qmin, yaitu rasio maksimum hingga tingkat minimum aliran terkontrol. Jadi, jika aliran terkendali minimum adalah 2,0% dari aliran terkendali maksimum, maka daya rentangnya adalah 100 / 2,0 = 50. Katup sering tidak diperlukan menangani kemungkinan aliran maksimum dan turndown tenn digunakan untuk perbandingan: Turndown= laju maksimum normal/laju minimum yang dapat dikontrol 

c. Penentuan Ukuran Katup Kontrol 

Istilah ukuran katup kontrol digunakan untuk prosedur penentuan ukuran yang benar, yaitu diameter, dari bodi katup. Sebuah katup kontrol berubah laju aliran dengan memperkenalkan penyempitan di jalur aliran. Tapi memperkenalkan penyempitan seperti itu memperkenalkan perbedaan tekanan antara kedua sisi konstriksi. Persamaan dasar (dari aplikasi persamaan Bernoulli) yang berhubungan dengan laju aliran dan penurunan tekanan adalah: Laju aliran Q=K √jatuh tekanan

d. Pemosisi Katup 

Gaya gesekan dan gaya ketidakseimbangan yang muncul pada flug katup dapat menhalangi diafragma dalam memosisikan plug secara akurat. Untuk mengatasi ini, positioner katup dapat dipasang ke batang katup kontrol. Mereka posisi batang katup lebih akurat dan juga memberikan kekuatan ekstra untuk mengoperasikan katup dan meningkatkan kecepatan gerakan katup. Angka 6.25 menunjukkan elemen-elemen dasar positioner.

Gambar 6.25 Pemosisi Katup

e. Bentuk-bentuk katup kontrol yang lain 

Jenis katup kontrol yang dijelaskan di bab awal dari bagian ini pada dasarnya katup globe split-body dengan plug. Ini adalah bentuk yang paling umum digunakan.

f. Desain fail-safe 

Desain yang tidak aman berarti bahwa desain pabrik harus dipertimbangkan apa yang akan terjadi jika listrik atau pasokan udara gagal sehingga shut-down aman terjadi. Jadi, dalam kasus katup bahan bakar, katup harus menutup jika gagal terjadi, sedangkan untuk katup air pendingin kegagalan harus meninggalkan katup Buka. 

 5. Motor 

Motor listrik sangat sering digunakan sebagai elemen kontrol final dalam sistem kontrol posisi ataupun kecepatan. Prinsip kerja dasar dari sebuah motor listrik adalah gaya yang bekerja pada konduktor yang berada dalam suatu medan magnet ketika ada arus melewati konduktor tersebut. Untuk konduktor dengan panjang L membawa arus / dalam medan magnet dari densitas fluks B pada sudut kanan ke konduktor, gaya F sama dengan BIL . 

a. Motor dc (arus searh) 

Pada suatu motor d.c. kumparan kawat dipasang di slot pada silinder bahan magnet yang disebut angker. Armature sudah terpasang bantalan dan bebas berputar. Itu dipasang di medan magnet diproduksi oleh tiang medan. Medan magnet ini mungkin diproduksi oleh magnet permanen atau elektromagnet dengan magnetnya diproduksi oleh arus yang melewati kumparan. Apakah permanen magnet atau elektromagnet, ini umumnya membentuk casing luar motor dan disebut stator. Gambar 6.28 menunjukkan elemen dasar dari d.c. motor dengan medan magnet stator yang diproduksi oleh arus melalui gulungan kawat. Dalam prakteknya akan ada lebih dari satu armature coil dan lebih dari satu set stator poles.

Gambar6.28 elemen sebuah motor dc

b. Motor dc magnen permanen tanpa sikat 

Permasalahan dari berbagai motor d.c. yang dijelaskan di bagian sebelumnya, adalah itu mereka membutuhkan komutator dan sikat untuk membalikkan secara berkala arus melalui setiap coil angker. Sikat harus dilakukan secara berkala berubah dan komutator muncul kembali karena kuas membuatnya menggeser kontak dengan komutator dan menderita aus. Brushless d.c. motor tidak memiliki masalah ini.

Gambar 6.33 Motor dc permanen tanpa sikat

Gambar 6.33 menunjukkan bentuk dasar dari motor tersebut. Rotor adalah magnet permanen ferit atau keramik. Arus ke stator koil AA, BB dan CC secara elektronik diaktifkan oleh transistor secara berurutan mereka, switching dikendalikan oleh posisi rotor sehingga selalu ada gaya yang bekerja pada magnet yang menyebabkannya berputar di arah yang sama. 

c. Motor langkah 

Motor langkah adalah jeis motor yang dapat menhasilkan putaran melalui pergerakan dengan sudut-sudut yang sama bagi setiap pulsa digital yang dikenakan pada terminal masukanya.

Gambar 6.35 prinsip dasar motor langkah (2 fasa) magnet permanen dengan langkah 90°

Berikut ini disajikan beberapa istilah yang sering kali digunakan dalam menspesifikasi motor langkah. 

1. Fasa 

2. Sudut langkah 

3. Torka penahan 

4. Torka pull-in 

5. Torka Pull-out 

6. Laju pull-in 

7. Laju pull-out 

8. Slew range

6. Studi Kasus 

 Berikut ini disajikan beberapa studi kasus yang dirancang untuk mengilustrasikan penggunaan elemen-elemen koreksi yang dibahas pada bab ke-6 ini. 

a. Sisitem kontrol proses ketinggian cairan 

Gambar 6.41 satu metode tentang bagaimana katup kontrol aliran dapat digunakan mengontrol tingkat cairan dalam wadah. Karena mungkin ada permukaan turbulensi suatu hasil dari cairan yang memasuki wadah atau pengadukan dari cair atau mungkin mendidih, seperti 'kebisingan' frekuensi tinggi dalam sistem sering disaring oleh penggunaan sumur diam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.41. Akan tetapi, harus diakui bahwa sumur diam merupakan tabung-U di mana osilasi frekuensi rendah dari tingkat cair dapat terjadi.

Gambar 6.41 kontrol ketinggian cairan

b. Sistem kontrol robot 

Gambar 6.42 menunjukkan bagaimana katup kontrol arah dapat digunakan untuk sistem kendali robot. Ketika ada input ke solenoid A valve 1, piston bergerak ke kanan dan menyebabkan gripper untuk menutup. Jika solenoid B diberi energi, dengan A de-energi, piston bergerak ke kiri dan gripper terbuka. Ketika kedua solenoida tidak diberi energi, tidak ada udara melewati ke salah satu sisi piston di silinder dan piston terus posisi tanpa perubahan. 

c. Sistem kontrol mesin pabrik 

Gambar 6.43 menunjukkan bagaimana motor stepper dapat digunakan untuk mengontrol pergerakan benda kerja dalam mesin penggilingan otomatis. Itu stepping motor berputar dengan langkah-langkah terkontrol dan memberikan, melalui sekrup dan roda gigi, perpindahan terkendali dari meja kerja dalam arah xx. sebuah pengaturan serupa digunakan untuk perpindahan ke arah yy. Itu sistem kontrol loop terbuka tanpa umpan balik dari posisi meja kerja. Sistem bergantung pada keakuratan yang dapat diatur oleh motor stepper posisi meja kerja.

Gambar 6.43 mesin pabrik otomatis