ELEKTRO INDONESIA Edisi ke Enam, Februari 1997
Sebagai kontroller saklar yang berfungsi untuk menanggapi perubahan temperatur ruangan, pengatur itu ditaruh tepat pada selisih antara temperatur 'setting' dengan temperatur yang terukur. Keluaran termostat (saklar) itu kemudian menggerakkan kipas dan pemanas untuk menghasilkan udara panas ke ruangan. Sebagai gangguan terhadap sistem adalah temperatur rata rata dari lingkungan rumah hunian ditambah dengan perubahan temperatur harian yang mungkin terjadi dikarenakan pergantian iklim atau kejadian kejadian lainnya.
Kelemahan kontroller saklar terletak pada ketakmampuan merubah temperamen sistem secara keseluruhan. Prilaku sistem sangat tergantung pada komponen yang diatur (pemanas dan ruangan). Dengan menggunakan prototipe modul pengaturan ruangan yang ada di laboratorium Sistem Pengaturan-Teknik Elektro- Faklutas Teknik Universitas Brawijaya, tulisan berikut ini akan menguraikan dan menunjukkan secara simulasi kelemahan-kelemahan Controller saklar. Salah satu perbaikan kelemahan Controller saklar adalah dengan menyisipkan Compensator umpan balik pada kontroler ini. Di tulisan ini juga akan digambarkan prilaku hasil kompensasi tersebut, terutama untuk Compensator yang merupakan rangkaian Op-Amp yang difungsikan sebagai 'low pass filter' orde satu.
Perubahan keadaan keluaran saklar sangat dipengaruhi oleh keadaan sinyal masukan. Secara ideal Controller ini tertutup jika masukan dikenai sebuah tegangan positif dan akan terbuka kalau tidak ada tegangan masukan. Pada kenyataannya saklar ini tidak dapat langsung menutup disaat tegangan masukannya berharga positif. Namun dibutuhkan beberapa level tegangan positif masukan, baru saklar tersebut akan betul-betul tertutup. Demikian pula dengan kondisi terbukanya, diperlukan sedikit tegangan negatif sebelum saklar betul-betul terbuka. Kedua level tegangan inilah yang dinamakan sebagai lebar histeresis Controller saklar.
Kontroller saklar kebanyakan digunakan pada plan yang berprilaku lamban. Plan berprilaku lamban memiliki arti bahwa reaksi perubahan keluaran plan sangat lambat ketika terjadi perubahan pada masukannya. Pada pengaturan temperatur ruang, misalnya, begitu diinginkan perubahan temperatur ruang pada harga tertentu, aktuator akan menyemburkan udara panas ke ruang sekitamya. Udara panas yang mengalir itu tentunya membutuhkan waktu dalam orde menit sampai jam untuk memenuhi ruangan tersebut. Waktu inilah yang menentukan prilaku lamban atau tidaknya sebuah plan.
Sebuah sistem pengaturan dengan Controller saklar tidak akan pemah mencapai keadaan mantap. Keluarannya senantiasa berosilasi pada nilai yang diinginkan. Karena kepresisian keluaran bukanlah tujuan utama pada berbagai aplikasi Controller saklar, maka kriteria kebaikan Controller ini adalah lebar amplitude osilasi (fluktuasi) keluaran dan frekuensi keseringan tertutup dan terbukanya saklar.
Karakteristik pemanas dan ruangan ini diperoleh dengan memutar kipas angin pada t=O dan bersamaan dengan itu dinyalakan pemanas dengan menyulut amplifier pemanas pada harga nominalnya, yaitu 5 Volt. Temyata pada selang waktu sekitar 2 detik, sensor temperatur tidak bereaksi (tegangan masih berharga 3 Volt). Hal ini dikarenakan terdapat jarak antara pemanas dengan sensor, sehingga udara panas yang dihasilkan dari kipas angin membutuhkan waktu untuk mencapai sensor. Temperamen semacam ini umumnya sering dijumpai pada komponen-komponen yang memiliki sifat transportasi. Selang waktu ini dinamakan sebagai waktu tunda.
Setelah selang waktu tunda T, , sensor temperatur perlahan menunjukkan kenaikan temperatur perlahan secara kontinue serta dalam selang waktu tertentu mencapai kondisi mantap - yakni mencapai harga akhir. Kecepatan kenaikan temperatur yang terukur sangat tergantung pada penyetelan sekat ruangan sebelah kanan dan kecepatan kipas angin. Sekat tersebut mengatur adiabatis ruangan. Kecepatan kenaikan temperatur setelah terjadi perubahan pada pemanas dinamakan sebagai konstanta waktu dari pemanas dan ruangan. Umunmya harganya berkisar dari orde menit sampai orde jam, tergantung seberapa besar ruangan yang seharusnya dipanasi. Hasil eksperimen menunjukkan pada selang waktu 2 detik, respon tidak bereaksi naik, sehingga harga TL = 2 detik. Sedangkan konstanta waktu kenaikan temperatur ruangan mencapai harga tetapnya setelah selang waktu 60 detik.
Dari gambar blok diagram pada gambar S. jika temperatur yang terukur melebihi dari nilai setting temperatur, maka kesalahan akan berharga negatif. Jika harga negatif kesalahan itu melebihi lebar histeresis 'saklar', kontroller saklar berubah kondisi menjadi 'off'. Namun jika besaran keluaran tersebut dibawah nilai setting temperatur, serta harga positif kesalahan itu melebihi batas histeresisnya, kontroler saklar tersebut akan dengan sendirinya berubah menjadi kondisi 'on'. Temperatur ruangan Gangguan sistem ini dianggap konstan. Besaran gangguan ini merupakan temperatur kamar yang mempengaruhi temperatur ruangan yang diatur.
Dengan menggunakan paket program MATLAB, ternyata bahwa temperatur sistem akan berosilasi pada harga setting temperatur. Pada eksperimen pertama, setting temperatur diinginkan sebesar 50° C (5 Volt). Artinya bahwa temperatur berubah secara eksponensial yang memiliki nilai konstanta waktu sebesar Te (konstanta waktu pemanas dan ruangan). Ketika temperatur melebihi harga jumlahan nilai setting temperatur dan lebar histeresis saklar, kondisi saklar akan 'off'. Terlihat disitu bahwa sinyal saklar berbentuk sebuah sederetan pulsa. Frekuensi pulsa ini menentukan keseringan tertutup dan terbukanya kontroller saklar. Walaupun temperatur melampaui nilai batasnya, saklar tidak dapat langsung berubah, namun menunggu selama selang waktu tundaT, Kalau fluktuasi temperatur akan diperoleh hubungan yang mengecewakan. Yaitu bahwa harga rata rata fluktuasi temperatur sangat tergantung terhadap harga setting temperatur, dan hanya sedikit dipengaruhi oleh lebar histeresis saklar. Karakteristik sistem semacam ini menggambarkan bahwa kontroller saklar tidak berfungsi sebagaimana mestinya sebagai sebuah kontroller.
Disamping itu lebar osilasi temperatur sangat dipengaruhi oleh perbandingan waktu tunda dan konstanta waktu dari karakteristik pemanas dan ruangan. Jadi kalau diinginkan pengubahan karakteristik sistem pengaturan temperatur ruangan secara keseluruhan, hanya dapat dilakukan dengan mengubah lebar ruangan, jumlah pemanas maupun letak sensornya. Hal ini tentunya tidak praktis. Sebab salah satu fungsi kontroller adalah mampu mengubah karakteristik sistem tanpa harus mengubah komponen yang diaturnya (dalam kasus ini adalah pemanas dan ruangan berlaku sebagai komponen yang diatur).
Dapat disimpulkan bahwa perbandingan waktu tunda dan konstanta waktu tidak boleh lebih dari satu. Kalau perbandingan itu melebihi harga satu, maka lebar osilasi temperatur semakin jelek dan sistem sangat tidak presisi.
Selain itu frekuensi keseringan menutup dan membukanya kontroller saklar sangat tergantung pada setting temperatur. Pada masukan sebesar 5 Volt memiliki frekuensi lebih lambat dibandingkan dengan setting temperatur pada harga 8 Volt (80°C). Dari beberapa kali eksperimen menunjukkan bahwa hubungan antara setting temperatur dengan frekuensi saklar berbentuk parabola. Artinya bahwa terdapat harga frekuensi makaismum. Dari kurva itu dapat disimpulkan, bahwa frekuensi saklar akan maksimum, kalau setting temperatur berharga tepat ditengah tengah nilai maksimum penguatan dari amplifier dan ruangan. Jadi sistem pengaturan ruangan tidaklah cukup hanya digunakan kontroller saklar, karena kelemahan di atas menggambarkan ketidakmampuan kontroller saklar sebagaimana mestinya sebuah kontroller.
Struktur kontroller saklar yang terkompensasi ini kemudian diamati prilakunya jika digabungkan dengan komponen yang diaturnya (pemanas dan ruangan).
Dengan struktur saklar terkompensasi ini dapat diperoleh dua keuntungan sekaligus. Keuntungan pertama bahwa karakteristik sistem pengaturan sekarang dapat ditetapkan dengan hanya mengubah ubah parameter penguatan dan konstanta waktu komponen kompensatornya. Keuntungan yang kedua adalah perhitungan penetapan parameter parameter itu dapat dilakukan dengan menggunakan metode yang sudah umum dipakai pada sistem linear, sehingga perhitungan tidak serumit seperti pada pengatur tak linear umumnya.
Jika diinginkan kriteria perancangan kesalahan keadaan mantap (Steady state) sistem sebesar 12,5% dan frekuensi saklar sebesar 1/25 Hz, maka setelah memalui perhitungan panjang, diperoleh harga penguatan kompensator sebesar 5/7 dan konstanta waktu sebesar 42,52. Ternyata hasil simulasi sistem terkompensasi menunjukkan bahwa harga parancangan yang dicanangkan tersebut terpenuhi. Kurva temperatur dan saklar itu ditunjukkan oleh gambar 9.
Dengan penyisipan sebuah kompensator secara umpan balik pada pengatur saklar ini akan mengakibatkan sistem tak linear ini dapat didekati hanyalah sebagai sebuah sistem linear. Prilaku sistem tidak lagi tergantung terhadap parameter paramater pemanas dan ruangan, namun sangat dipengaruhi langsung oleh parameter pengaturnya (Vy7Ty7E). Dari hasil simulasi memang menunjukkan terdapatnya penyimpangan dari respon dengan spesifikasi yang diinginkan. Namun harga penyimpangan itu berkisar hanya sekitar tidak lebih dari 5%, sehingga kesalahan itu masih dalam skala yang dapat ditolerir.
Mohammad Rusli adalah Tenaga Pengajar untuk mata kuliah sistem Kontrol pada jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang