model matematik untuk sistem termal tugas 2

11
Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) Page | 1 November 24, 2009 Model Matematik Untuk Sistem Termal Sumber : Advanced Control Engineering by : ROLAND S. BURNS 1. Thermal Resistance (pada dinding) Keterangan : Q t = Laju Aliran Panas (Heat Flow) (Joule/Sec) = Watt A = luas penampang (m 2 ) θ 1 θ 2 = Beda Temperatur (K) l = ketebalan dinding K = Konduktivitas Thermal Berdasarkan Fourier’s Law, laju aliran panas konduksi dapat ditulis sebagai berikut : = 1 2 Persamaan di atas dapat dituliskan dalam bentuk : 1 2 = .............................................(1) Dengan : R T adalah thermal resisteance = = 2. Thermal Capacitance C T : Panas yang tersimpan dalam dinding = = Dengan : H = Kalor yang tersimpan (Joule) A Qt l θ 1 θ 2

Upload: muhammad-ar

Post on 24-Jun-2015

3.088 views

Category:

Education


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 1

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

Model Matematik Untuk Sistem Termal

Sumber : Advanced Control Engineering by : ROLAND S. BURNS

1. Thermal Resistance (pada dinding)

Keterangan :

Qt = Laju Aliran Panas (Heat Flow) (Joule/Sec) =

Watt

A = luas penampang (m2)

θ1 – θ2 = Beda Temperatur (K)

l = ketebalan dinding

K = Konduktivitas Thermal

Berdasarkan Fourier’s Law, laju aliran panas konduksi dapat ditulis sebagai berikut :

𝑄𝑡 =𝐾𝐴 𝜃1 – 𝜃2

Persamaan di atas dapat dituliskan dalam bentuk :

𝜃1 𝑡 − 𝜃2 𝑡 = 𝑅𝑇𝑄𝑇 𝑡 .............................................(1)

Dengan : RT adalah thermal resisteance =

𝑅𝑇 = 𝑙

𝐾𝐴

2. Thermal Capacitance CT :

Panas yang tersimpan dalam dinding =

𝐻 𝑡 = 𝑚𝐶𝑝 𝜃 𝑡

Dengan :

H = Kalor yang tersimpan (Joule)

A Qt

t

l

θ1

θ2

Page 2: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 2

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

m = massa dinding (kg)

Cp = Spesific heat = Kalor spesific (Joule/Kg K)

Θ = Kenaikan temperatur

Jika dideferensialkan :

𝑑𝐻

𝑑𝑡= 𝑚 𝐶𝑝

𝑑𝜃

𝑑𝑡

Atau dapat ditulis sebagai :

𝑄𝑇 𝑡 = 𝐶𝑇 𝑑𝜃

𝑑𝑡 ..............................................................(2)

Dengan CT = Kapitas panas = m x Cp

Contoh Sistem dinding dengan sumber panas heat sink :

Kalor yang melewati dinding = kalor yang tersimpan dalam heat sink

Dari persamaan (1) dan (2) dapat dituliskan :

𝜃1 𝑡 −𝜃2 𝑡

𝑅𝑇= 𝐶𝑇

𝑑𝜃2

𝑑𝑡 𝑡 ............................................................(3)

𝑅𝑇𝐶𝑇

𝑑𝜃2

𝑑𝑡+ 𝜃2 = 𝜃1

Persamaan dalam domain s menjadi :

𝑅𝑇𝐶𝑇 𝑠 + 1 𝜃2 = 𝜃1

Fungsi transfer

𝐺 𝑠 =𝜃1(𝑠)

𝜃2(𝑆)=

1

𝑅𝑇𝐶𝑇 𝑆 + 1

Page 3: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 3

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

Yang merupakan fungsi transfer orde 1

Jika diketahui

Termal resistance : RT = 0,5 X 10-3 min K/J

Dan Termal Capacitance CT = 1 X 104 J/K

Persamaan fungsi transfernya menjadi :

𝐺 𝑠 =𝜃1(𝑠)

𝜃2(𝑆)=

1

0,5 𝑋 10−3 𝑋 104 𝑋 𝑆 + 1

=1

5𝑆 + 1

Permodelan dengan input step :

Respon sistem terhadap masukan step adalah sebagai berikut :

Page 4: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 4

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

Perbaikan yang dilakukan bertujuan untuk mempercepat respon step sistem dengan menambahkan

blok pengontrol di depan blok plan dan menambahkan feedback kontrol.

Model tersebut digambarkan sebagai berikut :

Input step, dengan

final value = 1

Respon step, over damped, exponential,

dengan error steady state = 0, tetapi

respon tampak lambat karena mencapai

settling time sekitar 25 sec. Time Constant

τ = +/- 6 sec, Rise time +/- 12 sec, Delay

time +/- 4 sec

τ

Page 5: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 5

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

1. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 1

Respon step, over damped, exponential, dengan

error steady state = 0,5, tetapi respon tampak

menjadi lebih cepat karena mencapai settling

time sekitar 12 sec. Time constant τ = +/- 3 sec,

Rise time +/- 6 sec, Delay time +/- 2,5 sec

τ

Page 6: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 6

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

2. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 5

Respon step, over damped, exponential, dengan

error steady state = 0,18, tetapi respon tampak

menjadi lebih cepat karena mencapai settling

time sekitar 5 sec. Time Constant τ = +/- 1,5 sec,

Rise time +/- 4 sec, Delay time +/- 1 sec

τ

Page 7: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 7

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

3. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 10

Catatan :

Dengan memperbesar Kp (Konstanta Proporsional) pada pengontrol, respon

step sistem menjadi lebih cepat dan error steady state menjadi lebih kecil.

Arti fisis dari pengujian ini adalah : jika kita menginginkan suatu tinggi

temperatur tertentu pada suatu ruangan (sebagai setpoint) dengan dinding

yang memiliki spesifikasi tertentu, maka akan tetap terjadi error (tidak sesuai

dengan setpoint yang diharapkan), namun perubahan temperatur menuju

pada setpoint tersebut dapat dipercepat dengan memperbesar pengontrol P.

Respon step, over damped, exponential,

dengan error steady state = 0,1, tetapi respon

tampak menjadi semakin cepat karena

mencapai settling time sekitar 3 sec. Time

Constant τ = +/- 0,5 sec, Rise time +/- 2 sec,

Delay time +/- 1 sec

Page 8: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 8

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

4. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 10 dan Ki = 1

Respon step, over damped, dengan error steady

state = 0, tetapi respon tampak menjadi lebih

lambat karena mencapai settling time sekitar 15

sec. Time Constant τ = +/- 1 sec, Rise time +/- 2

sec, Delay time +/- 0,5 sec

Page 9: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 9

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

5. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 10 dan Ki = 5

Respon step, dengan overshoot sekitar

10%, dengan error steady state = 0, tetapi

respon tampak menjadi lebih cepat

karena mencapai settling time sekitar 8

sec, Rise time +/- 1 sec, Delay time +/- 0,5

sec

Overshoot

+/- 10%

Page 10: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 10

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

6. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 10 dan Ki = 10

Dengan menambahkan konstanta Ki : error steady state menjadi

0, respon sistem menjadi lebih cepat namun dapat

menyebabkan timbulnya overshoot.

Overshoot

+/- 10%

Respon step, dengan overshoot sekitar

10%, dengan error steady state = 0, tetapi

respon tampak menjadi lebih cepat

karena mencapai settling time sekitar 4

sec, Rise time <1 sec, Delay time <0,5 sec

Page 11: Model Matematik Untuk Sistem Termal Tugas 2

Tugas 2 Teknik Otomasi Muhammad Arman (TIKM-MST UGM 2009) P a g e | 11

No

ve

mb

er

24

, 2

00

9

7. Respon step sistem loop tertutup dengan Kp = 10 dan Ki = 10 Kd = 1

Penambahan pengontrol PID akan mempengruhi respon sistem secara keseluruhan, dengan

melakukan setting pada besarnya Kp, Ki, Kd maka akan diperoleh respon sistem yang optimal

dengan memperhatikan : error steady state, respon time, rise time dan overshoot.

Overshoot

+/- 20%

Respon step, dengan overshoot sekitar

20%, dengan error steady state = 0, tetapi

respon tampak menjadi lebih cepat

karena mencapai settling time sekitar 4

sec, Rise time <1 sec, Delay time <0,5 sec