Sistem Kontrol Loop Tertutup
Sistem Loop Tertutup menggunakan umpan balik di mana sebagian dari sinyal output diumpankan kembali ke input untuk mengurangi kesalahan dan meningkatkan stabilitas Sistem di mana kuantitas output tidak berpengaruh pada input ke proses kontrol disebut sistem kontrol loop terbuka, dan bahwa sistem loop terbuka hanya itu, sistem non-umpan balik terbuka berakhir.
Tetapi tujuan dari setiap sistem kontrol listrik atau elektronik adalah untuk mengukur, memantau, dan mengendalikan suatu proses dan salah satu cara di mana kita dapat secara akurat mengontrol proses tersebut adalah dengan memantau hasilnya dan "memberi makan" beberapa di antaranya kembali untuk membandingkan output yang sebenarnya dengan output yang diinginkan untuk mengurangi kesalahan dan jika terganggu, kembalikan output sistem ke respons semula atau yang diinginkan.
Kuantitas output yang diukur disebut "sinyal umpan balik", dan jenis sistem kontrol yang menggunakan sinyal umpan balik untuk mengontrol dan menyesuaikan sendiri disebut Sistem Loop Tertutup.
Sebuah Sistem Kontrol Loop Tertutup, juga dikenal sebagai sistem kontrol umpan balik (feedback) merupakan sistem kontrol yang menggunakan konsep sistem loop terbuka sebagai jalan ke depan tetapi memiliki satu atau lebih loop umpan balik atau jalur antara output dan inputnya. Referensi untuk "umpan balik", hanya berarti bahwa sebagian dari output dikembalikan "kembali" ke input untuk membentuk bagian dari eksitasi sistem.
Sistem loop tertutup dirancang untuk secara otomatis mencapai dan mempertahankan kondisi output yang diinginkan dengan membandingkannya dengan kondisi aktual. Ini dilakukan dengan menghasilkan sinyal kesalahan yang merupakan perbedaan antara output dan input referensi. Dengan kata lain, "sistem loop tertutup" adalah sebuah sistem kontrol otomatis penuh yangmana tindakan kontrolnya bergantung pada output pada beberapa hal/cara.
Jadi misalnya, pertimbangkan pengering pakaian listrik kami dari tutorial Sistem Kontrol Loop Terbuka sebelumnya. Misalkan kita menggunakan Sensor / Transduser (perangkat input) untuk terus memantau suhu atau kekeringan pakaian dan memberi sinyal yang berkaitan dengan kekeringan kembali ke pengontrol seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Sensor ini akan memantau kekeringan aktual dari pakaian dan membandingkannya dengan (atau mengurangi dari) referensi input. Sinyal kesalahan (kesalahan = kekeringan yang diperlukan - kekeringan aktual) diperkuat oleh pengontrol, dan output pengontrol membuat koreksi yang diperlukan untuk sistem pemanas untuk mengurangi kesalahan. Misalnya jika pakaian terlalu basah, pengontrol dapat meningkatkan suhu atau waktu pengeringan. Demikian juga, jika pakaian hampir kering dapat mengurangi suhu atau menghentikan proses agar tidak terlalu panas atau membakar pakaian, dll.
Kemudian konfigurasi loop tertutup ditandai oleh sinyal umpan balik, yang berasal dari sensor dalam sistem pengeringan pakaian kita. Besarnya dan polaritas sinyal kesalahan yang dihasilkan, akan langsung terkait dengan perbedaan antara kekeringan yang diperlukan dan kekeringan aktual dari pakaian. Juga, karena sistem loop tertutup memiliki pengetahuan tentang kondisi output, (melalui sensor) lebih baik dilengkapi untuk menangani gangguan sistem atau perubahan kondisi yang dapat mengurangi kemampuannya untuk menyelesaikan tugas yang diinginkan.
Misalnya, seperti sebelumnya, pintu pengering terbuka dan panas hilang. Kali ini penyimpangan suhu terdeteksi oleh sensor umpan balik dan pengontrol mengoreksi kesalahan untuk mempertahankan suhu konstan dalam batas nilai yang telah ditetapkan. Atau mungkin menghentikan proses dan mengaktifkan alarm untuk memberi tahu operator.
Seperti yang dapat kita lihat, dalam sistem kontrol loop tertutup sinyal kesalahan, yang merupakan perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik (yang mungkin merupakan sinyal output itu sendiri atau fungsi dari sinyal output), diumpankan ke pengontrol sehingga dapat mengurangi kesalahan sistem dan membawa output sistem kembali ke nilai yang diinginkan. Dalam kasus kami kekeringan pakaian. Jelas, ketika kesalahannya nol, pakaiannya kering.
Istilah kontrol loop tertutup selalu menyiratkan penggunaan tindakan kontrol umpan balik untuk mengurangi kesalahan dalam sistem, dan "umpan balik" yang membedakan perbedaan utama antara loop terbuka dan sistem loop tertutup. Keakuratan Jadi output tergantung pada jalur umpan balik, yang secara umum dapat dibuat sangat akurat dan dalam sistem kontrol elektronik dan rangkaian, kontrol umpan balik lebih umum digunakan daripada loop terbuka atau kontrol umpan maju.
Sistem loop tertutup memiliki banyak keunggulan dibandingkan sistem loop terbuka. Keuntungan utama dari sistem kontrol umpan balik loop tertutup adalah kemampuannya untuk mengurangi sensitivitas sistem terhadap gangguan eksternal, misalnya pembukaan pintu pengering, memberikan sistem kontrol yang lebih kuat karena setiap perubahan pada sinyal umpan balik akan menghasilkan kompensasi dengan pengontrol.
Kemudian kita dapat mendefinisikan karakteristik utama Sistem Kontrol Loop Tertutup sebagai:
Simbol yang digunakan untuk mewakili titik penjumlahan dalam diagram-blok sistem loop tertutup adalah lingkaran dengan dua garis silang seperti yang ditunjukkan. Titik penjumlahan dapat menambahkan sinyal bersama-sama di mana simbol Plus ( + ) digunakan menunjukkan perangkat menjadi "summer" (digunakan untuk umpan balik positif), atau dapat mengurangi sinyal dari satu sama lain dalam hal Minus ( - ) simbol digunakan untuk menunjukkan bahwa perangkat adalah "pembanding/komparator" (digunakan untuk umpan balik negatif) seperti yang ditunjukkan.
Mengatur ulang di atas memberi kita fungsi transfer loop tertutup:
Persamaan di atas untuk fungsi transfer sistem loop tertutup menunjukkan tanda Plus ( + ) pada penyebut yang menunjukkan umpan balik negatif. Dengan sistem umpan balik positif, penyebut akan memiliki tanda Minus ( - ) dan persamaannya menjadi: 1 - GH.
Juga, ketika sistem stabil memperoleh G berkurang, ekspresi: G/(1 + G) berkurang jauh lebih lambat. Dengan kata lain, sistem ini cukup tidak sensitif terhadap variasi dalam perolehan sistem yang diwakili oleh G, dan yang merupakan salah satu keunggulan utama dari sistem loop tertutup.
Setiap blok mengalir seperti G1 dan G2 dapat dikurangi, serta fungsi transfer loop inner seperti yang ditunjukkan.
Setelah pengurangan lebih lanjut dari blok kita berakhir dengan diagram blok akhir yang menyerupai sistem loop tertutup loop tunggal sebelumnya.
Dan fungsi transfer sistem multi-loop ini menjadi:
Kemudian kita dapat melihat bahwa diagram blok multi-blok atau multi-loop yang kompleks dapat dikurangi untuk memberikan satu diagram blok tunggal dengan satu fungsi transfer sistem yang umum.
Tetapi tujuan dari setiap sistem kontrol listrik atau elektronik adalah untuk mengukur, memantau, dan mengendalikan suatu proses dan salah satu cara di mana kita dapat secara akurat mengontrol proses tersebut adalah dengan memantau hasilnya dan "memberi makan" beberapa di antaranya kembali untuk membandingkan output yang sebenarnya dengan output yang diinginkan untuk mengurangi kesalahan dan jika terganggu, kembalikan output sistem ke respons semula atau yang diinginkan.
Kuantitas output yang diukur disebut "sinyal umpan balik", dan jenis sistem kontrol yang menggunakan sinyal umpan balik untuk mengontrol dan menyesuaikan sendiri disebut Sistem Loop Tertutup.
Sebuah Sistem Kontrol Loop Tertutup, juga dikenal sebagai sistem kontrol umpan balik (feedback) merupakan sistem kontrol yang menggunakan konsep sistem loop terbuka sebagai jalan ke depan tetapi memiliki satu atau lebih loop umpan balik atau jalur antara output dan inputnya. Referensi untuk "umpan balik", hanya berarti bahwa sebagian dari output dikembalikan "kembali" ke input untuk membentuk bagian dari eksitasi sistem.
Sistem loop tertutup dirancang untuk secara otomatis mencapai dan mempertahankan kondisi output yang diinginkan dengan membandingkannya dengan kondisi aktual. Ini dilakukan dengan menghasilkan sinyal kesalahan yang merupakan perbedaan antara output dan input referensi. Dengan kata lain, "sistem loop tertutup" adalah sebuah sistem kontrol otomatis penuh yangmana tindakan kontrolnya bergantung pada output pada beberapa hal/cara.
Jadi misalnya, pertimbangkan pengering pakaian listrik kami dari tutorial Sistem Kontrol Loop Terbuka sebelumnya. Misalkan kita menggunakan Sensor / Transduser (perangkat input) untuk terus memantau suhu atau kekeringan pakaian dan memberi sinyal yang berkaitan dengan kekeringan kembali ke pengontrol seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangakain Sistem Kontrol Loop Tertutup
Sensor ini akan memantau kekeringan aktual dari pakaian dan membandingkannya dengan (atau mengurangi dari) referensi input. Sinyal kesalahan (kesalahan = kekeringan yang diperlukan - kekeringan aktual) diperkuat oleh pengontrol, dan output pengontrol membuat koreksi yang diperlukan untuk sistem pemanas untuk mengurangi kesalahan. Misalnya jika pakaian terlalu basah, pengontrol dapat meningkatkan suhu atau waktu pengeringan. Demikian juga, jika pakaian hampir kering dapat mengurangi suhu atau menghentikan proses agar tidak terlalu panas atau membakar pakaian, dll.
Kemudian konfigurasi loop tertutup ditandai oleh sinyal umpan balik, yang berasal dari sensor dalam sistem pengeringan pakaian kita. Besarnya dan polaritas sinyal kesalahan yang dihasilkan, akan langsung terkait dengan perbedaan antara kekeringan yang diperlukan dan kekeringan aktual dari pakaian. Juga, karena sistem loop tertutup memiliki pengetahuan tentang kondisi output, (melalui sensor) lebih baik dilengkapi untuk menangani gangguan sistem atau perubahan kondisi yang dapat mengurangi kemampuannya untuk menyelesaikan tugas yang diinginkan.
Misalnya, seperti sebelumnya, pintu pengering terbuka dan panas hilang. Kali ini penyimpangan suhu terdeteksi oleh sensor umpan balik dan pengontrol mengoreksi kesalahan untuk mempertahankan suhu konstan dalam batas nilai yang telah ditetapkan. Atau mungkin menghentikan proses dan mengaktifkan alarm untuk memberi tahu operator.
Seperti yang dapat kita lihat, dalam sistem kontrol loop tertutup sinyal kesalahan, yang merupakan perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik (yang mungkin merupakan sinyal output itu sendiri atau fungsi dari sinyal output), diumpankan ke pengontrol sehingga dapat mengurangi kesalahan sistem dan membawa output sistem kembali ke nilai yang diinginkan. Dalam kasus kami kekeringan pakaian. Jelas, ketika kesalahannya nol, pakaiannya kering.
Istilah kontrol loop tertutup selalu menyiratkan penggunaan tindakan kontrol umpan balik untuk mengurangi kesalahan dalam sistem, dan "umpan balik" yang membedakan perbedaan utama antara loop terbuka dan sistem loop tertutup. Keakuratan Jadi output tergantung pada jalur umpan balik, yang secara umum dapat dibuat sangat akurat dan dalam sistem kontrol elektronik dan rangkaian, kontrol umpan balik lebih umum digunakan daripada loop terbuka atau kontrol umpan maju.
Sistem loop tertutup memiliki banyak keunggulan dibandingkan sistem loop terbuka. Keuntungan utama dari sistem kontrol umpan balik loop tertutup adalah kemampuannya untuk mengurangi sensitivitas sistem terhadap gangguan eksternal, misalnya pembukaan pintu pengering, memberikan sistem kontrol yang lebih kuat karena setiap perubahan pada sinyal umpan balik akan menghasilkan kompensasi dengan pengontrol.
Kemudian kita dapat mendefinisikan karakteristik utama Sistem Kontrol Loop Tertutup sebagai:
- Untuk mengurangi kesalahan dengan secara otomatis menyesuaikan input sistem.
- Untuk meningkatkan stabilitas sistem yang tidak stabil.
- Untuk menambah atau mengurangi sensitivitas sistem.
- Untuk meningkatkan ketahanan terhadap gangguan eksternal terhadap proses.
- Untuk menghasilkan kinerja yang andal dan berulang.
Titik Penjumlahan Loop Tertutup
Untuk sistem umpan balik loop tertutup untuk mengatur sinyal kontrol, ia harus terlebih dahulu menentukan kesalahan antara output aktual dan output yang diinginkan. Ini dicapai dengan menggunakan titik penjumlahan, juga disebut sebagai elemen perbandingan, antara loop umpan balik dan input sistem. Titik penjumlahan ini membandingkan sistem yang ditetapkan titik dengan nilai aktual dan menghasilkan sinyal kesalahan positif atau negatif yang juga ditanggapi oleh pengontrol. dimana: Kesalahan = Tetapkan titik - AktualJenis Titik Penjumlahan
Perhatikan bahwa titik penjumlahan dapat memiliki lebih dari satu sinyal sebagai input baik menambah atau mengurangi tetapi hanya satu output yang merupakan jumlah aljabar input. Juga tanda panah menunjukkan arah sinyal. Titik penjumlahan dapat diturunkan bersama-sama untuk memungkinkan lebih banyak variabel input untuk dijumlahkan pada titik tertentu.
Fungsi Transfer Sistem Loop Tertutup
Fungsi Transfer dari setiap sistem kontrol listrik atau elektronik adalah hubungan matematis antara input sistem dan output, dan karenanya menggambarkan perilaku sistem. Perhatikan juga bahwa rasio output perangkat tertentu terhadap inputnya mewakili gain. Kemudian kita dapat dengan benar mengatakan bahwa output selalu merupakan fungsi transfer dari sistem dikalikan input. Pertimbangkan sistem loop tertutup di bawah ini.
Representasi Sistem Loop Tertutup Ideal
Di mana: blok G mewakili gain loop terbuka dari pengontrol atau sistem dan merupakan jalur maju, dan blok H mewakili gain sensor, transduser, atau sistem pengukuran di jalur umpan balik.
Untuk menemukan fungsi transfer dari sistem loop tertutup di atas, pertama-tama kita harus menghitung sinyal output θo dalam hal sinyal input θi. Untuk melakukannya, kita dapat dengan mudah menulis persamaan diagram blok yang diberikan sebagai berikut.
Output dari sistem sama dengan: Output = G x Error
Perhatikan bahwa sinyal error, θe juga merupakan input ke blok umpan-maju: G
Output dari titik penjumlahan sama dengan: Error= Input - H x Output
Jika H = 1 (umpan balik kesatuan) maka:
Output dari titik penjumlahan adalah: Kesalahan (θe) = Input - Output
Menghilangkan istilah kesalahan, lalu:
Outputnya sama dengan: Output = G x (Input - H x Output)
Oleh karena itu: G x Input = Output + G x H x Output
Mengatur ulang di atas memberi kita fungsi transfer loop tertutup:
Kita dapat melihat bahwa ketika H = 1 (umpan balik kesatuan) dan G sangat besar, fungsi transfer mendekati kesatuan sebagai:
Sistem Multi-loop Loop Tertutup
Sementara contoh kami di atas adalah input tunggal, sistem loop tertutup output tunggal, fungsi transfer dasar masih berlaku untuk sistem multi-loop yang lebih kompleks. Sebagian besar rangkaian umpan balik sederhana memiliki beberapa bentuk kontrol loop ganda, dan untuk konfigurasi multi-loop fungsi transfer antara variabel yang dikendalikan dan dimanipulasi tergantung pada apakah loop kontrol umpan balik lainnya terbuka atau tertutup.
Pertimbangkan sistem multi-loop di bawah ini.
Kontrol Motor Loop Tertutup
Jadi bagaimana kita dapat menggunakan Sistem Loop Tertutup dalam Elektronik. Pertimbangkan juga pengontrol motor DC kami dari tutorial loop terbuka sebelumnya. Jika kita menghubungkan transduser pengukur kecepatan, seperti Tachometer ke poros motor DC, kita dapat mendeteksi kecepatannya dan mengirimkan sinyal yang proporsional ke kecepatan motor kembali ke penguat (amplifier). Sebuah Tachometer, juga dikenal sebagai tacho-generator hanyalah generator DC magnet permanen yang memberikan tegangan output DC sebanding dengan kecepatan motor.
Kemudian posisi slider potensiometer mewakili input, θi yang diperkuat oleh amplifier (pengontrol) untuk menggerakkan motor DC pada kecepatan yang ditetapkan N yang mewakili output, θo dari sistem, dan tachometer T akan menjadi loop tertutup. kembali ke pengontrol. Perbedaan antara pengaturan tegangan input dan level tegangan umpan balik memberikan sinyal kesalahan seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Kontrol Motor Loop Tertutup
Setiap gangguan eksternal pada sistem kontrol motor loop tertutup seperti peningkatan beban motor akan menciptakan perbedaan dalam kecepatan motor aktual dan titik set input potensiometer.
Perbedaan ini akan menghasilkan sinyal kesalahan yang mana pengontrol akan merespons secara otomatis terlalu menyesuaikan kecepatan motor. Kemudian pengontrol berfungsi untuk meminimalkan sinyal kesalahan, dengan nol kesalahan yang menunjukkan kecepatan aktual yang sama dengan set point.
Secara elektronik, kita dapat menerapkan rangkaian kontrol motorik umpan balik-tachometer loop-tertutup sederhana menggunakan Penguat Operasional (Op-amp) untuk pengontrol seperti yang
ditunjukkan.
Rangkaian Pengontrol Motor Loop Tertutup
Pengontrol motor loop tertutup sederhana ini dapat direpresentasikan sebagai diagram blok seperti yang ditunjukkan.
Blok Diagram untuk Pengontrol Umpan Balik
Pengontrol motor loop tertutup adalah cara umum untuk mempertahankan kecepatan motor yang diinginkan dalam berbagai kondisi beban dengan mengubah tegangan rata-rata yang diterapkan pada input dari pengontrol. Tachometer dapat diganti dengan encoder optik atau sensor efek Hall tipe posisional atau sensor putar.
Ringkasan Sistem Loop Tertutup
Kita telah melihat bahwa sistem kontrol elektronik dengan satu atau lebih jalur umpan balik disebut Sistem Loop Tertutup. Sistem kontrol loop tertutup juga disebut "sistem kontrol umpan balik" yang sangat umum dalam kontrol proses dan sistem kontrol elektronik. Sistem umpan balik memiliki bagian dari sinyal outputnya "diumpankan" ke input untuk perbandingan dengan kondisi titik setel yang diinginkan. Jenis sinyal umpan balik dapat menghasilkan umpan balik positif atau umpan balik negatif.
Dalam sistem loop tertutup, pengontrol digunakan untuk membandingkan output suatu sistem dengan kondisi yang diperlukan dan mengubah kesalahan menjadi aksi kontrol yang dirancang untuk mengurangi kesalahan dan membawa output sistem kembali ke respons yang diinginkan. Kemudian sistem kontrol loop tertutup menggunakan umpan balik untuk menentukan input aktual ke sistem dan dapat memiliki lebih dari satu loop umpan balik.
Sistem kontrol loop tertutup memiliki banyak keunggulan dibandingkan sistem loop terbuka. Satu keuntungan adalah fakta bahwa penggunaan umpan balik membuat respons sistem relatif tidak sensitif terhadap gangguan eksternal dan variasi internal dalam parameter sistem seperti suhu. Dengan demikian dimungkinkan untuk menggunakan komponen yang relatif tidak akurat dan murah untuk mendapatkan kontrol yang akurat dari proses atau pabrik yang diberikan.
Namun, stabilitas sistem dapat menjadi masalah besar terutama dalam sistem loop tertutup yang dirancang dengan buruk karena mereka dapat mencoba untuk memperbaiki kesalahan yang dapat menyebabkan sistem kehilangan kontrol dan terombang-ambing.
Dalam tutorial berikutnya tentang Sistem Elektronik, kita akan melihat berbagai cara di mana kita dapat memasukkan titik penjumlahan ke dalam input sistem dan cara-cara berbeda di mana kita dapat memberi sinyal kembali ke sana. Dalam tutorial Sistem Umpan balik (feedback).