Sistem Kontrol Loop Terbuka (Open-Loop)
Konfigurasi loop terbuka tidak memantau atau mengukur kondisi sinyal outputnya karena tidak ada umpan balik (feedback).
Dalam tutorial sebelumnya tentang Sistem Elektronik, kami melihat bahwa suatu sistem dapat didefinisikan sebagai kumpulan subsistem yang mengarahkan atau mengendalikan sinyal input untuk menghasilkan kondisi output yang diinginkan.
Fungsi dari setiap sistem elektronik adalah untuk secara otomatis mengatur output dan menyimpannya dalam nilai input atau "set point" sistem yang diinginkan. Jika input sistem berubah karena alasan apa pun, output sistem harus merespons sesuai dan mengubahnya sendiri untuk mencerminkan nilai input baru.
Demikian juga, jika terjadi sesuatu yang mengganggu output sistem tanpa perubahan pada nilai input, output harus merespons dengan kembali ke nilai yang ditetapkan sebelumnya. Di masa lalu, sistem kontrol listrik pada dasarnya adalah manual atau apa yang disebut Sistem Loop Terbuka dengan sangat sedikit fitur kontrol otomatis atau umpan balik yang dibangun untuk mengatur variabel proses sehingga dapat mempertahankan tingkat atau nilai output yang diinginkan.
Misalnya, pengering pakaian listrik. Tergantung pada jumlah pakaian atau seberapa basah mereka, pengguna atau operator akan mengatur timer (pengontrol) untuk mengatakan 30 menit dan pada akhir 30 menit pengering akan secara otomatis berhenti dan mati meskipun pakaian di mana masih basah atau lembab. Dalam hal ini, tindakan kontrol adalah operator manual yang menilai kebasahan pakaian dan mengatur prosesnya (pengering).
Jadi dalam contoh ini, pengering pakaian akan menjadi sistem loop terbuka karena tidak memantau atau mengukur kondisi sinyal output, yang merupakan kekeringan pakaian. Maka keakuratan proses pengeringan, atau keberhasilan mengeringkan pakaian akan tergantung pada pengalaman pengguna (operator).
Namun, pengguna dapat menyesuaikan atau menyempurnakan proses pengeringan sistem kapan saja dengan menambah atau mengurangi waktu pengontrol waktu pengeringan, jika mereka berpikir bahwa proses pengeringan asli tidak akan terpenuhi. Misalnya, menambah pengontrol waktu hingga 40 menit untuk memperpanjang proses pengeringan. Pertimbangkan diagram blok loop terbuka berikut.
Kemudian sistem loop terbuka, juga disebut sebagai sistem non-umpan balik (non-feedback), adalah jenis sistem kontrol kontinu di mana output tidak memiliki pengaruh atau efek pada tindakan kontrol sinyal input. Dengan kata lain, dalam sistem kontrol loop terbuka, output tidak diukur atau “diumpankan kembali” untuk dibandingkan dengan input. Oleh karena itu, sistem loop terbuka diharapkan dengan setia mengikuti perintah input atau set point-nya terlepas dari hasil akhirnya.
Juga, sistem loop terbuka tidak memiliki pengetahuan tentang kondisi output sehingga tidak dapat memperbaiki sendiri kesalahan yang bisa terjadi ketika nilai preset melayang, bahkan jika ini menghasilkan penyimpangan besar dari nilai preset.
Kerugian lain dari sistem loop terbuka adalah bahwa mereka tidak dilengkapi dengan baik untuk menangani gangguan atau perubahan kondisi yang dapat mengurangi kemampuannya untuk menyelesaikan tugas yang diinginkan. Misalnya, pintu pengering terbuka dan panas hilang. Pengontrol waktu terus berlanjut terlepas selama 30 menit penuh tetapi pakaian tidak dipanaskan atau dikeringkan pada akhir proses pengeringan. Ini karena tidak ada informasi yang diumpankan untuk menjaga suhu konstan.
Kemudian kita dapat melihat bahwa kesalahan sistem loop terbuka dapat mengganggu proses pengeringan dan karenanya membutuhkan perhatian pengawas tambahan dari pengguna (operator). Masalah dengan pendekatan kontrol antisipatif ini adalah bahwa pengguna perlu sering melihat suhu proses dan mengambil tindakan kontrol korektif setiap kali proses pengeringan menyimpang dari nilai yang diinginkan dari pengeringan pakaian. Jenis kontrol loop terbuka manual yang bereaksi sebelum kesalahan sebenarnya terjadi disebut Feed forward Control.
Tujuan dari kontrol umpan maju, juga dikenal sebagai kontrol prediktif, adalah untuk mengukur atau memprediksi gangguan loop terbuka yang potensial dan mengkompensasinya secara manual sebelum variabel terkontrol menyimpang terlalu jauh dari titik setel semula. Jadi untuk contoh sederhana kami di atas, jika pintu pengering terbuka maka akan terdeteksi dan ditutup sehingga proses pengeringan berlanjut.
Jika diterapkan dengan benar, penyimpangan dari pakaian basah ke pakaian kering pada akhir 30 menit akan menjadi minimal jika pengguna menanggapi situasi kesalahan (pintu terbuka) dengan sangat cepat. Namun, pendekatan umpan maju ini mungkin tidak sepenuhnya akurat jika sistem berubah, misalnya penurunan suhu pengeringan tidak diperhatikan selama proses 30 menit.
Kemudian kita dapat mendefinisikan karakteristik utama dari "sistem loop terbuka" sebagai:
Secara umum, kita tidak perlu memanipulasi diagram blok loop terbuka untuk menghitung fungsi transfer yang sebenarnya. Kita hanya dapat menuliskan hubungan atau persamaan yang tepat dari setiap diagram blok, dan kemudian menghitung fungsi transfer akhir dari persamaan ini seperti yang ditunjukkan.
Fungsi Transfer dari masing-masing blok adalah:
Fungsi transfer keseluruhan diberikan sebagai:
Kemudian Gain Open-loop diberikan hanya sebagai:
Ketika G merupakan Fungsi Transfer dari sistem atau subsistem, ia dapat ditulis ulang sebagai: G (s) = θo (s)/θi (s)
Sistem kontrol loop terbuka sering digunakan dengan proses yang membutuhkan urutan kejadian dengan bantuan sinyal "ON-OFF". Misalnya mesin cuci yang mengharuskan air untuk dinyalakan "ON" dan kemudian ketika penuh diaktifkan "OFF" diikuti oleh elemen pemanas yang dinyalakan "ON" untuk memanaskan air dan kemudian pada suhu yang sesuai diaktifkan "OFF", dan seterusnya.
Jenis kontrol loop terbuka "ON-OFF" ini cocok untuk sistem di mana perubahan beban terjadi secara lambat dan proses kerjanya sangat lambat, sehingga diperlukan perubahan yang jarang terjadi pada tindakan kontrol oleh operator.
Jika Potensiometer dipindahkan ke bagian atas resistansi, tegangan positif maksimum akan diberikan ke penguat (amplifier) yang mewakili kecepatan penuh. Demikian juga, jika wiper potensiometer dipindahkan ke bagian bawah resistansi, tegangan nol akan disupply mewakili kecepatan yang sangat lambat atau berhenti.
Dalam tutorial sebelumnya tentang Sistem Elektronik, kami melihat bahwa suatu sistem dapat didefinisikan sebagai kumpulan subsistem yang mengarahkan atau mengendalikan sinyal input untuk menghasilkan kondisi output yang diinginkan.
Fungsi dari setiap sistem elektronik adalah untuk secara otomatis mengatur output dan menyimpannya dalam nilai input atau "set point" sistem yang diinginkan. Jika input sistem berubah karena alasan apa pun, output sistem harus merespons sesuai dan mengubahnya sendiri untuk mencerminkan nilai input baru.
Demikian juga, jika terjadi sesuatu yang mengganggu output sistem tanpa perubahan pada nilai input, output harus merespons dengan kembali ke nilai yang ditetapkan sebelumnya. Di masa lalu, sistem kontrol listrik pada dasarnya adalah manual atau apa yang disebut Sistem Loop Terbuka dengan sangat sedikit fitur kontrol otomatis atau umpan balik yang dibangun untuk mengatur variabel proses sehingga dapat mempertahankan tingkat atau nilai output yang diinginkan.
Misalnya, pengering pakaian listrik. Tergantung pada jumlah pakaian atau seberapa basah mereka, pengguna atau operator akan mengatur timer (pengontrol) untuk mengatakan 30 menit dan pada akhir 30 menit pengering akan secara otomatis berhenti dan mati meskipun pakaian di mana masih basah atau lembab. Dalam hal ini, tindakan kontrol adalah operator manual yang menilai kebasahan pakaian dan mengatur prosesnya (pengering).
Jadi dalam contoh ini, pengering pakaian akan menjadi sistem loop terbuka karena tidak memantau atau mengukur kondisi sinyal output, yang merupakan kekeringan pakaian. Maka keakuratan proses pengeringan, atau keberhasilan mengeringkan pakaian akan tergantung pada pengalaman pengguna (operator).
Namun, pengguna dapat menyesuaikan atau menyempurnakan proses pengeringan sistem kapan saja dengan menambah atau mengurangi waktu pengontrol waktu pengeringan, jika mereka berpikir bahwa proses pengeringan asli tidak akan terpenuhi. Misalnya, menambah pengontrol waktu hingga 40 menit untuk memperpanjang proses pengeringan. Pertimbangkan diagram blok loop terbuka berikut.
Sistem Pengeringan Loop Terbuka
Kemudian sistem loop terbuka, juga disebut sebagai sistem non-umpan balik (non-feedback), adalah jenis sistem kontrol kontinu di mana output tidak memiliki pengaruh atau efek pada tindakan kontrol sinyal input. Dengan kata lain, dalam sistem kontrol loop terbuka, output tidak diukur atau “diumpankan kembali” untuk dibandingkan dengan input. Oleh karena itu, sistem loop terbuka diharapkan dengan setia mengikuti perintah input atau set point-nya terlepas dari hasil akhirnya.
Juga, sistem loop terbuka tidak memiliki pengetahuan tentang kondisi output sehingga tidak dapat memperbaiki sendiri kesalahan yang bisa terjadi ketika nilai preset melayang, bahkan jika ini menghasilkan penyimpangan besar dari nilai preset.
Kerugian lain dari sistem loop terbuka adalah bahwa mereka tidak dilengkapi dengan baik untuk menangani gangguan atau perubahan kondisi yang dapat mengurangi kemampuannya untuk menyelesaikan tugas yang diinginkan. Misalnya, pintu pengering terbuka dan panas hilang. Pengontrol waktu terus berlanjut terlepas selama 30 menit penuh tetapi pakaian tidak dipanaskan atau dikeringkan pada akhir proses pengeringan. Ini karena tidak ada informasi yang diumpankan untuk menjaga suhu konstan.
Tujuan dari kontrol umpan maju, juga dikenal sebagai kontrol prediktif, adalah untuk mengukur atau memprediksi gangguan loop terbuka yang potensial dan mengkompensasinya secara manual sebelum variabel terkontrol menyimpang terlalu jauh dari titik setel semula. Jadi untuk contoh sederhana kami di atas, jika pintu pengering terbuka maka akan terdeteksi dan ditutup sehingga proses pengeringan berlanjut.
Kemudian kita dapat mendefinisikan karakteristik utama dari "sistem loop terbuka" sebagai:
- Tidak ada perbandingan antara nilai aktual dan yang diinginkan.
- Sistem loop terbuka tidak memiliki pengaturan diri atau tindakan kontrol atas nilai output.
- Setiap pengaturan input menentukan posisi operasi tetap untuk pengontrol.
- Perubahan atau gangguan dalam kondisi eksternal tidak menghasilkan perubahan output langsung (kecuali jika pengaturan pengontrol diubah secara manual).
Secara umum, kita tidak perlu memanipulasi diagram blok loop terbuka untuk menghitung fungsi transfer yang sebenarnya. Kita hanya dapat menuliskan hubungan atau persamaan yang tepat dari setiap diagram blok, dan kemudian menghitung fungsi transfer akhir dari persamaan ini seperti yang ditunjukkan.
Sistem Loop Terbuka
Fungsi Transfer dari masing-masing blok adalah:
Sistem kontrol loop terbuka sering digunakan dengan proses yang membutuhkan urutan kejadian dengan bantuan sinyal "ON-OFF". Misalnya mesin cuci yang mengharuskan air untuk dinyalakan "ON" dan kemudian ketika penuh diaktifkan "OFF" diikuti oleh elemen pemanas yang dinyalakan "ON" untuk memanaskan air dan kemudian pada suhu yang sesuai diaktifkan "OFF", dan seterusnya.
Jenis kontrol loop terbuka "ON-OFF" ini cocok untuk sistem di mana perubahan beban terjadi secara lambat dan proses kerjanya sangat lambat, sehingga diperlukan perubahan yang jarang terjadi pada tindakan kontrol oleh operator.
Ringkasan Sistem Kontrol Loop Terbuka
Kita telah melihat bahwa pengontrol dapat memanipulasi inputnya untuk mendapatkan efek yang diinginkan pada output suatu sistem. Salah satu jenis sistem kontrol di mana output tidak memiliki pengaruh atau efek pada tindakan kontrol sinyal input disebut sistem loop terbuka.
Sistem loop terbuka didefinisikan oleh fakta bahwa sinyal atau kondisi output tidak diukur atau “diumpankan” untuk perbandingan dengan sinyal input atau titik setel sistem. Oleh karena itu sistem loop terbuka umumnya disebut sebagai "sistem non-umpan balik".
Juga, karena sistem loop terbuka tidak menggunakan umpan balik (feedback) untuk menentukan apakah output yang diperlukan tercapai, itu "mengasumsikan" bahwa tujuan yang diinginkan dari input berhasil karena tidak dapat memperbaiki kesalahan yang dibuatnya, sehingga tidak dapat mengkompensasi setiap gangguan eksternal ke sistem.
Kontrol Motor Loop Terbuka
Jadi misalnya, anggap pengontrol motor DC seperti yang ditunjukkan. Kecepatan putaran motor akan tergantung pada tegangan yang disupply ke amplifier (pengontrol) oleh potensiometer. Nilai tegangan input bisa sebanding dengan posisi potensiometer.
Kemudian posisi slider potensiometer mewakili input, θi yang diperkuat oleh amplifier (pengontrol) untuk menggerakkan motor DC (proses) pada kecepatan yang ditetapkan N yang mewakili output, θo dari sistem. Motor akan terus berputar pada kecepatan tetap yang ditentukan oleh posisi potensiometer.
Karena jalur sinyal dari input ke output adalah jalur langsung yang tidak membentuk bagian dari loop apa pun, gain keseluruhan sistem akan nilai-nilai berjenjang dari gain individu dari potensiometer, amplifier, motor dan beban. Jelas diinginkan bahwa kecepatan output motor harus identik dengan posisi potensiometer, memberikan gain keseluruhan sistem sebagai kesatuan.
Namun, gain individu dari potensiometer, penguat dan motor dapat bervariasi dari waktu ke waktu dengan perubahan tegangan atau suhu supply, atau beban motor dapat meningkat yang mewakili gangguan eksternal ke sistem kontrol motor loop terbuka.
Tetapi pengguna pada akhirnya akan menyadari perubahan dalam kinerja sistem (perubahan dalam kecepatan motor) dan dapat memperbaikinya dengan menambah atau mengurangi sinyal input potensiometer sesuai untuk mempertahankan kecepatan asli atau yang diinginkan.
Keuntungan dari jenis "kontrol motor loop terbuka" ini adalah bahwa itu berpotensi murah dan sederhana untuk diterapkan membuatnya ideal untuk digunakan dalam sistem yang didefinisikan dengan baik adalah hubungan antara input dan output langsung dan tidak dipengaruhi oleh gangguan luar. Sayangnya sistem loop terbuka jenis ini tidak memadai karena variasi atau gangguan pada sistem mempengaruhi kecepatan motor. Maka diperlukan bentuk kontrol lain.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Sistem Elektronik, kita akan melihat efek mengumpankan kembali beberapa sinyal output ke input sehingga kontrol sistem didasarkan pada perbedaan antara nilai aktual dan yang diinginkan. Jenis sistem kontrol elektronik ini disebut Kontrol Loop Tertutup.