KAWALAN PROSES GELUNG TERBUKA DAN GELUNG TERTUTUP

Pengkajian yang dilakukan di dalam bidang kejuruteraan kawalan membolehkan sistem kawalan diklasifikasikan kepada dua.

• Sistem kawalan gelung terbuka
• Sistem kawalan gelung tertutup

Sistem Kawalan Gelung Buka. 

Sistem di mana keluarannya tidak memberikan kesan ke atas tindakan kawalan di namakan sistem kawalan gelung buka. Dengan lain perkataan, tindakan kawalan bagi sesuatu sistem tidak bergantung kepada keluarannya.

Sistem Kawalan Gelung Tertutup.  

Sistem kawalan suapbalik seringkali dirujuk sebagai sistem kawalan gelung tertutup. Dalam keadaan praktik, istilah kawalan suapbalik dan kawalan gelung tertutup sering digunakan bertukar ganti.

Terdapat DUA (2) jenis gelung suapbalik iaitu:

• Suapbalik positif
• Suapbalik negatif

Contoh : Gambarajah blok sebuah sistem gelung tertutup suapbalik negatif.

Keluaran C(s) didapati dengan mendarab masukan ,E(s) dengan G(s). Manakala E(s) didapati dengan mendapatkan perbezaan di antara masukan, R(s) dengan hasil darab keluaran dan gandaan tetap, H(s).

C(s)  = E(s) G(s)  …………………… (i)

E(s) = R(s) – C(s)H(s)………………. (ii)

Masukan (ii)  ke dalam (i)

C(s) = [R(s) – C(s) H(s) ]G(s)

C(s) = R(s)G(s) –  C(s) H(s) G(s)

C(s)[ 1 + H(s) G(s)]  = R(s) G(s)

                        C(s)    =            G(s)

	_______      ________________

                        R(s)              1 + H(s) G(s)

C(s)/R(s)  adalah fungsi pemindahan sistem gelung tertutup dengan suapbalik negatif.

Contoh: Gambarajah  1.4.1 menunjukkan gambarajah skematik sebuah sistem kawalan suhu automatik. Lukiskan gambarajah bloknya.

GAMBARAJAH 1.4.1

Untuk mendapatkan gambarajah blok, pertama kita mesti mengetahui pembolehubah dinamik sistem misalnya, bagi proses di atas ialah suhu.  Suhu disukat oleh jangkasuhu rintangan dan nilainya diubahsuai oleh tranducer kepada nilai rintangan.  Nilai rintangan ini dimasukkan  ke titik  perbandingan.  Kemudian nilai rintangan  titik set  dan nilai yang disukat dibandingkan.  Perbezaan  yang didapati dari bandingan ini dinamakan isyarat ralat.  Isyarat ralat disampaikan ke pengawal yang menentukan  tindakan elemen  kawalan  terakhir iaitu pemanas.  Pemanas akan mengawal suhu cecair  mengikut isyarat yang diterima dari pengawal suhu.

Gambarajah blok bagi sistem kawalan automatik

ELEMEN-ELEMEN ASAS DALAM KAWALAN PROSES

Di dalam bahagian ini anda akan di dedahkan kepada contoh-contoh yang berkaitan dengan sistem kawalan proses.

Gambarajah di atas menunjukkan seorang operator mengawal kadar aliran cecair keluaran dengan membuka atau menutup injap dan pada ketika yang sama memerhatikan paras cecair di dalam tangki melalui kaca penglihatan. Cecair di dalam tangki tersebut masuk melalui paip masuk.

Dalam kawalan sistem ini:

• Proses ialah kombinasi cecair, tangki, cecair masukan dan cecair keluaran.
• Pembolehubah dinamik ialah paras di dalam tangki.
• Penyuaitepatan ialah penentuan paras cecair pada satu nilai yang dikehendaki.

Jika  pada satu ketinggian, T, injap keluaran dilaraskan supaya kadar aliran keluaran sama dengan kadar aliran masukan dan keadaan ini berterusan,  ketinggian paras, T tidak berubah.Apabila gangguan berlaku kepada aliran masukan di mana aliran masukan melebihi aliran keluaran, paras cecair akan meningkat.  Sekiranya tidak ada operator untuk mengawal injap supaya paras dikembalikan ke nilai T, air akan terus melimpah keluar.  Sistem ini dinamakan Sistem Gelung Terbuka. Jika ada operator untuk mengawal injap keluaran supaya ketinggian paras dikembalikan pada nilai T, maka keadaan adalah terkawal.  Ini kerana operator menyuapbalik  maklumat paras melalui pemerhatian dan kemudian mengambil kira perbezaan paras untuk bertindak (mengawal).  Sistem ini dipanggil Sistem Gelung Tertutup.  Semua sistem gelung tertutup mempunyai suapbalik.

Dalam hal ini terdapat tiga istilah penting yang digunakan  untuk pengawalan :

• Sukatan
• Penilaian
• Elemen Kawalan

Gambarajah berikut menjelaskan susunatur untuk ketiga-tiga istilah dalam suatu proses.

• SUKATAN:

Pembolehubah dinamik disukat supaya nilainya dapat dibandingkan dengan nilai titik set.  Nilai sukatan adalah dalam voltan, arus, tekanan dan sebagainya.  Selalunya  suatu tranducer digunakan untuk sukatan awal dan sukatan ini ditukarkan kepada isyarat-isyarat tentuan (signal conditioning)

• PENILAIAN:

Sukatan diteliti untuk menentukan tindakan jika perlu. Penelitian ini dilakukan oleh pengawal yang memproses isyarat pneumatik, elektronik atau menggunakan komputer. Penilaian mengandungi satu perbandingan antara nilai titik set dengan nilai yang disukat dan kemudiannya mengeluarkan tindakan supaya nilai pembolehubah dapat dikembalikan  ke titik set.

• ELEMEN KAWALAN

Elemen yang terakhir dalam gelung kawalan ialah elemen kawalan terakhir (final control element) yang bertujuan untuk menetapkan perubahan yang dikehendaki  supaya nilai pembolehubah dikembalikan ke titik set. Elemen ini menerima isyarat masukan dari pengawal dan isyarat ini diubahsuai kepada gerakan yang dikehendaki dalam proses.  Contoh ialah alat pemanas, injap, alat pembesar, motor dan lain-lain lagi.

GAMBA RAJAH BLOK ELEMEN-ELEMEN ASAS KAWALAN PROSES

Gambarajah blok sebuah gelung kawalan proses.

Masukan / Rujukan: 

Isyarat yang disuap kepada sistem dan dikenali juga sebagai rujukan atau titik set.

Isyarat Ralat: 

Perbezaaan di antara isyarat masukan dan isyarat suapbalik / keluaran.

Pengawal: 

Peranti yang mengawal proses sesuatu sistem dan bertindak terhadap isyarat ralat untuk mengurangkan ralat bagi mengeluarkan keluaran seperti yang dikehendaki.

Proses: 

Satu proses yang berterusan yang terdiri daripada pergerakan-pergerakan yang dikawal secara sistematik untuk menghasilkan keputusan yang tertentu.

Keluaran: 

Biasanya terdiri daripada pembolehubah seperti suhu, tekanan, halaju dan lain-lain.

Elemen Pengukuran / Sukatan: 

Peranti yang digunakan untuk mengukur isyarat keluaran.

PERBEZAAN ANTARA SISTEM KAWALAN GELUNG TERBUKA DAN GELUNG TERTUTUP

Sistem Kawalan Gelung Buka:

• Sistemnya mudah
• Ketepatannya ditentukan dengan penentukuran (calibration) elemennya
• Sistem tidak mempunyai masalah dengan ketidakseimbangan

Sistem Kawalan Gelung Tertutup

• Pembinannya lebih  komnplek
• Ketepatannya lebih tinggi
• Ketidak linearan dapat dikurangkan

PENGGUNAAN SISTEM

Gelung Terbuka

• Mesin basuh
• Pemanas
• Lampu

Gelung Tertutup

• Lampu Trafik
• Pendingin udara
• Saterika

ISTILAH-ISTILAH UMUM KAWALAN PROSES

Sistem kawalan suapbalik

Sistem kawalan suapbalik merupakan sebuah sistem di mana keluaran sentiasa dibandingkan dengan titik set masukan dan perbezaan di antara nilai tersebut dijadikan asas untuk kawalan.

Sistem kawalan servo

Sistem kawalan servo merupakan sebuah sistem kawalan suapbalik di mana keluarannya adalah kedudukan, halaju atau pecutan.

Sistem kawalan proses

Sistem kawalan proses merupakan sebuah sistem penyuaitepatan (kawalan automatik) di mana pembolehubah keluarannya berupa suhu, tekanan, aliran, paras, nilai pH atau sebagainya.

Proses

Proses adalah suatu saling tindak  yang komplek yang mengandungi aksi dan reaksi mengikut aturcara yang tertentu.

Pembolehubah

Pembolehubah ialah sebarang parameter fisikal seperrti suhu, tekanan, paras, kadar aliran dan sebagainya.

Pemboleubah dinamik

Pembolehubah dinamik ialah sebarang parameter fisikal yang boleh berubah nilainya secara spontan atau melalui pengaruh luar.

Penyuaitepatan 

Penyuaitepatan adalah suatu operasi untuk menetapkan berbagai nilai pembolehubah dinamik kepada nilai yang dikehendaki atau berhampirannay.

Proses pembolehubah tunggal

Proses pembolehubah tunggal proses yang mempunyai satu pembolehubah sahaja.

Proses pembolehubah majmuk 

Proses pembolehubah majmuk adalah proses yang mengandungi lebih dari satu pembolehubah.

Kawalan proses

Kawalan proses merupakan suatu tindakbalas fisikal di dalam satu proses di mana satu masukan (bahan mentah) boleh menghasilkan beberapa keluaran yang ditetapkan.

Kawalan proses lazim  

Kawalan proses lazim adalah suatu operasi yang menyuaitepat berbagai ciri fisikal yang berlaku dengan sendiri. Contohnya ialah penyuaitepatan suhu dalam badan, perjalanan darah dalam badan, sistem perpeluhan dan sebagainya.

HURAIKAN SISTEM KAWALAN ELEKTRIK,PNEUMATIK DAN HIDRAULIK

KAWALAN ELEKTRIK:

Hukum asas yang menguasai litar elektrik ialah hukum arus dan hukum voltan Kirchoff. Hukum arus Kirchoff, (hukum nod) menyatakan bahawa jumlah aljabar semua arus yang memasuki dan meninggalkan nod adalah sifar. Hukum voltan Kirchoff, (hukum gelung) menyatakan pada mana-mana ketika jumlah aljabar voltan di keliling sebarang gelung dalam litar elektrik adalah sifar. Model matematik litar elektrik boleh diperolehi dengan mengenakan satu atau kedua-dua hukum Kirchoff terhadapnya. Pengkajian terhadap sistem kawalan elektrik melibatkan perintang, pemuat, pearuh dan penguat kendalian.

Contoh 1.1       (a) Litar L-R-C

                         (b) Galangan kompleks

(a) Litar L-R-C

(b) i. Galangan kompleks

(b) ii. Galangan kompleks

KAWALAN PNEUMATIK:

Sebagai bahantara paling cekap untuk menghantar isyarat dan kuasa, bendalir sama ada cecair atau gas, mempunyai penggunaan yang meluas dalam perusahaan. Dalam bidang kejuruteraan, istilah pneumatik memerihal sistem bendalir yang yang menggunakan udara atau gas manakala hidraulik merujuk kepada yang menggunakan minyak.

SISTEM KAWALAN PNEUMATIK

Pneumatik adalah sistem yang digerakkan dengan menggunakan media udara bertekanan. Perkembangan teknologi yang berterusan telah menyaksikan pembangunan yang drastik dalam sistem kawalan pneumatik tekanan rendah bagi sistem kawalan perusahaan. Di antara sebabnya termasuklah ciri tahan letupan, kepermudahan dan mudah senggaraan. Hari ini, perancangan dan pembangunannya dalam bidang automasi membolehkan sistem ini beroperasi untuk menggantikan kerja manusia.

PENGGUNAAN SISTEM PNEUMATIK

1. Proses perindustriane.
2. Sistem kawalan kedudukan dan kelajuan.
3. Sistem brek kenderaan, hon dan hentakan.
4. sistem penyemburan air, lift dan pintu automatik.

KEBAIKAN DAN KEKURANGAN SISTEM PNEUMATIK

KEBAIKAN:

• Bekalan udara yang tidak terputus-putus.
• Pengaruh suhu ke atas kelikatan udara amat kecil.
• Tidak memerlukan saluran balik seperti hidraulik. Udara dibebaskan ke atmosfera selepas digunakan.
• Sistem ini bersih.

KEBURUKAN

• Tidak dapat berperanan sebagai pelincir terhadap bahagian-bahagian yang bergerak.
• Mempunyai ciri masa lengah yang panjang.

KAWALAN HIDRAULIK

Udara termampat jarang digunakan bagi kawalan berterusan pergerakan peranti yang mempunyai jisim yang berkasar disebabkan oleh daya beban dari luar, kecuali untuk pengawal pneumatik bertekanan rendah. Bagi kes sebegini sistem pengawal hidraulik biasanya lebih disukai. Dalam bidang kejuruteraan, istilah hidraulik memerihal sistem bendalir yang menggunakan minyak.

SISTEM KAWALAN HIDRAULIK

Penggunaan meluas litar hidraulik dalam perkakas mesin, sistem kawalan pesawat udara dan pengendalian yang serupa berlaku kerana faktor seperti kepositifan, kejituan, kebolehlenturan, nisbah kuasa kuda berat yang tinggi permulaan cepat, menghenti dan balikan yang lancar dan tepat dan kepermudahkendalian. Gabungan sistem elektronik dan hidraulik digunakan dengan meluas kerana ia menggabungkan kebaikan kedua-dua kawalan elektronik dan kuasa hidraulik.

PENGGUNAAN SISTEM HIDRAULIK

• Stering kuasa dan sistem brek pada kenderaan.
• Mekanisma pemanduan kapal-kapal besar.
• Sistem kawalan mesin.

KEBAIKAN DAN KEKURANGAN SISTEM HIDRAULIK

KEBAIKAN

• Bendalir hidraulik bertindak sebagai pelicin, sebagai tambahan pembawa haba yang sesuai.
• Penggerak hidraulik bersaiz kecil tetapi boleh membina daya atau kilas yang besar.
• Pengerak hidraulik mempunyai laju tindak balas yang lebih tinggi dengan mula, henti dan balikan laju yang pantas.
• Penggerak hidraulik boleh dikendalikan dalam keadaan berterusan, terputus-putus, membalik dan bertegun tanpa rosak.
• Laju jatuh apabila beban dikenakan adalah kecil memandangkan bocoran yang rendah dalam penggerak .

KELEMAHAN

• Kuasa hidraulik tidak mudah terdapat berbanding dengan kuasa elektrik.
• Kos sistem hidraulik lebih tinggi berbanding sistem elektrik untuk fungsi yang serupa.
• Kebakaran dan bahaya letupan melainkan penggunaan bendalir api digunakan.
• Minyak tercemar boleh menyebabkan sistem hidraulik tidak boleh berfungsi dengan baik.
• Sistem ini mudah menjadi serabut kerana kesukaran dalam menyenggara sistem hidraulik yang bebas dari kebocoran.