Fundamental Pengendalian Proses

8/18/2019 Fundamental Pengendalian Proses

1/21

PETUNJUK PRAKTIKUM

PENGENDALIAN PROSES

Disusun Oleh

Ir. Heriyanto, M.T.

JURUSAN TEKNIK KIMIA

POLITEKNIK NEGER BANDUNG

2016


2/21

Pengendalian Proses 1

FUNDAMENTAL PENGENDALIAN PROSES

1.

TUJUAN PENGENDALIAN

Tujuan ideal pengendalian proses adalah mempertahankan nilai variabel proses (misalnya:

suhu, lajun alir, tekanan, level) agar sama dengan nilai yang diinginkan ( setpoint ). Tetapi

tujuan tersebut sukar dipenuhi karena keterbatasan operasi dan kemampuan sistem

pengendalian. Oleh sebab itu, tujuan praktis atau tujuan nyata pengendalian proses adalah

mempertahankan nilai variabel proses di sekitar nilai yang diinginkan dalam batas-batas

toleransi. Namun perlu diingat bahwa hakikat utama pengendalian proses dalam industri

adalah untuk memperoleh hasil akhir proses produksi agar sesuai target. Makna dari

pernyataan ini adalah, satu atau beberapa nilai variabel proses mungkin perlu dikorbankan

semata-mata untuk mencapai tujuan yang lebih besar yaitu hasil akhir proses produksi.

Tujuan pengendalian erat berkaitan dengan kualitas pengendalian yang didasarkan

atas tanggapan variabel proses bila ada perubahan setpoint atau beban. Jika terjadi

perubahan setpoint atau beban, variabel proses diharapkan:

secepat mungkin mencapai kondisi mantap ( settling time sekecil mungkin); setepat mungkin mencapai setpoint (offset sekecil mungkin); dan sekecil mungkin terjadi osilasi (maximum error sekecil mungkin).

Dengan kata-kata yang singkat, kualitas pengendalian proses yang dihasilkan adalah

respons yang cepat, tepat, dan stabil.

2.

PRINSIP PENGENDALIAN UMPAN BALIK

2.1 Pengendalian Umpan Balik dan Umpan Maju

Pengendalian proses adalah usaha atau cara memperoleh kondisi proses agar sesuai dengan

yang diinginkan. Strategi pengendalian proses dapat dilakukan dengan cara pengendalian

umpan balik ( feedback control ) atau umpan maju ( feedforward control ).

Gambar 1. Strategi Pengendalian Proses


3/21


Pengendalian umpan balik ( feedback control) adalah pengendalian yang memakai

variabel keluaran sistem (variabel proses) untuk mengatur masukan (manipulated variable)

dari sistem yang sama agar nilai variabel keluaran sesuai yang diinginkan. Artinya ada

umpan balik dari variabel keluaran ke masukan sistem. Pengendalian umpan maju adalah pengendalian yang memakai variabel masukan sistem (gangguan atau beban) untuk

mengatur masukan lain (manipulated variable) dari sistem yang sama. Artinya tidak ada

umpan balik dari variabel keluaran ke masukan sistem.

2.2 Pengendalian Umpan Balik

Mekanisme pengendalian umpan balik melalui empat fungsi dasar yaitu:

1) mengukur (measurement ),

2) membandingkan (comparision),

3)

menghitung (computation, decision, atau evaluation); dan4) mengoreksi (correction atau action).

Pengendalian proses dimulai dari sensor yang mengindera variabel proses (suhu, tekanan,

level, aliran). Informasi variabel proses (PV) dari sensor selanjutnya diolah oleh

transmitter dan dikirimkan ke pengendali. Dalam pengendali, variabel proses terukur

dibandingkan dengan setpoint (SP). Perbedaan antara keduanya disebut error . Berdasar

besar error , lamanya error , dan kecepatan error , pengendali (controller ) melakukan

perhitungan sesuai algoritma kendali untuk menghasilkan sinyal kendali (controller

output ) yang dikirimkan ke elemen kendali akhir ( final control element biasanya berupa

katup kendali atau control valve). Perubahan pada sinyal kendali menyebabkan perubahan

bukaan katup kendali. Perubahan ini menyebabkan perubahan manipulated variable (MV).

Jika perubahan manipulated variable dalam arah dan nilai yang benar, maka variabel

proses terukur dapat dijaga pada nilai setpoint .

Tabel 1. Empat fungsi dasar pengendalian proses (pengendali reverse acting )

Mengukur Membandingkan Menghitung Mengoreksi

Variabel proses (PV)

PV dengan SPJika PV > SP perkecil sinyal kendali Perkecil MV

Jika PV < SP perbesar sinyal kendali Perbesar MV

Contoh: pengendalian proses pemanasan.

Gambar 2. Diagram blok pengendalian umpan balik reverse acting .

(MV – manipulated variable dan PV – Process variable).


4/21


Tabel 2. Empat fungsi dasar pengendalian proses (pengendali direct acting )

Mengukur Membandingkan Menghitung Mengoreksi

Variabel

proses (PV)PV dengan SP

Jika PV > SP perbesar sinyal kendali Perbesar MV

Jika PV < SP perkecil sinyal kendali Perkecil MVContoh: pengendalian proses pendinginan.

Gambar 3. Diagram blok pengendalian umpan balik direct acting .

Perhatikan tanda (+) dan (-).

3. INSTRUMEN SISTEM PENGENDALIAN

Instrumen atau piranti utama dalam pengendalian proses adalah: sensor, transmiter,

pengendali, transduser/konverter (bila diperlukan), dan katup kendali. Pada pengendali pneumatik, seluruh sinyal pengendalian memakai tekanan udara. Sehingga instrumen

pengendalian hanya terdiri atas tiga macam yaitu: sensor/transmiiter , pengendali, dan

katup kendali pneumatik.

Gambar 4. Instrumen atau piranti pengendali pneumatik.


5/21


Pada pengendali elektronik, sinyal pengendalian memakai arus listrik. Jika katup

kendali jenis pneumatik, maka diperlukan konverter atau transduser I/P (arus ke

pneumatik). Sehingga instrumen yang diperlukan adalah: sensor/transmiiter , pengendali,

transduser I/P, dan katup kendali pneumatik.

Gambar 5. Instrumen atau piranti pengendali elektronik.

3.1 Unit Pengukuran

Unit pengukuran berfungsi mengubah informasi besaran fisik terukur (variabel proses)

menjadi sinyal standar. Unit ini terdiri atas dua bagian besar yaitu sensor dan transmiter.

Sensor (elemen perasa atau pengindera) adalah piranti yang merespon rangsangan

fisik (variabel proses). Sensor berhubungan langsung atau paling dekat dengan

variabel proses. Disebut juga dengan detecting element (elemen pendeteksi) atau

elemen primer.

Transmiter yaitu piranti yang berfungsi mengubah energi atau informasi yangdatang dari sensor menjadi sinyal standar. Dua macam sinyal standar yang sering

dapat dipakai yaitu sinyal listrik dan pneumatik.

Tabel 3. Sinyal standar dalam pengendalian proses.

SINYALNILAI

MINIMUM

NILAI

MAKSIMUMSIMBOL

Pneumatik

(udara tekan)3 psi(g)

20 kPa(g)

15 psi(g)

100 kPa(g)

Listrik 4 mA 20 mA

Umum 0% 100%


6/21


Dalam beberapa hal lebih sederhana dengan memasukkan sensor dalam blok transmiter.

Sehingga dalam arti sempit, transmiter adalah instrumen yang mengukur besaran fisik dan

mengirimkannya dalam bentuk sinyal pengukuran standar.

3.2 Unit Kendali Akhir

Unit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan

koreksi melalui pengaturan variabel pengendali atau manipulatd variable. Unit ini terdiri

atas dua bagian besar, yaitu actuator dan elemen regulasi. Actuator atau penggerak adalah

piranti yang mampu melakukan aksi fisik. Fungsinya mengubah sinyal kendali menjadi

pengaturan fisik untuk pengendalian variabel proses. Jenis penggerak yang penting dalam

industri proses adalah pneumatik, elektrik, dan hidrolik.

Katup kendali (control valve) merupakan unit kendali akhir yang terdiri atas

penggerak (actuator ) dan katup (valve). Sebagai energi penggerak yang umum adalah

udara tekan (pneumatik). Selain udara tekan juga bisa memakai penggerak listrik, baik

motor listrik (motorized valve) maupun solenoida ( solenoide valve). Bukaan katup diatur

oleh penggerak.

Fungsi katup kencali adalah mengatur laju alir. Prinsipnya adalah bertindak sebagai

penyempitan variabel (variable restriction) dalam perpipaan proses. Dengan mengubah

bukaan akan mengubah hambatan (juga menguba beda tekanan), sehingga laju alir

berubah. Gambar 6 dan 7 manampilkan sebuah katup kencali dengan penggerak pneumatik

jenis air-to-close. Sinyal kendali 4-20 mA yang berasal dari pengendali elektronik

memerlukan sebuah konverter yang mengubah sinyal arus menjadi sinyal tekanan udara

(pnuematik) 3-15 psig (0,2-1 bar atau 20 - 100 kPa).

Gambar 6. Katup kendali pneumatik. Gambar 7 Rangkaian unit kendali akhir.


7/21


Penggerak pneumatik berisi diafragma yang terbuat dari karet sintetis (misalnya

neoprena) dan pegas. Tekanan udara dari atas atau bawah diafragma akan melawan gaya

pegas. Gerakan penuh stem terjadi pada rentang tekanan udara 3-15 psig. Oleh tekanan

udara yang dikenakan pada diafragma stem bergerak dan katup membuka atau menutup.Berdasar aksi katup oleh adanya perubahan tekanan udara, katup kencali dibedakan

menjadi dua macam, yaitu air-to-open (AO) atau disebut fail-closed (FC) dan air-to-close

(AC) atau disebut fail-open (FO). Pada jenis air-to-open, katup akan membuka jika

mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan pasokan udara

hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan menutup. Sebaliknya, pada jenis air-to-

close, katup akan menutup jika mendapat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila

terjadi kegagalan pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan

membuka.

Berdasar aksi penggerak (actuator ) oleh adanya perubahan tekanan udara, katup

kendali dibedakan menjadi dua macam, yaitu: direct acting dan reverse acting . Pada

modus direct acting , sinyal tekanan udara masuk dari atas. Dengan kenaikan sinyaltekanan udara, stem bergerak ke bawah. Sebaliknya, pada modus reverse acting , sinyal

masuk dari bawah. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke atas.

Gambar 8. Sketsa dan simbol katup kendali pneumatik.(FO – fail-open, FC – fail-closed ).

Di kalangan praktisi industri telah berlaku kaidah umum bahwa kenaikan stem

berarti katup membuka. Operator lebih berminat untuk mengetahui dan mengatur posisi

katup, dan bukan nilai sinyal kendali. Sehingga nilai sinyal kendali 0% pada tampilan

panel kendali selalu berarti katup kendali menutup, dan 100% membuka penuh, tanpa

peduli jenis katup kendali. Oleh sebab itu jenis katup kendali yang populer adalah jenis

direct acting air-to-close dan reverse acting air-to-open.


8/21


3.3 Unit Pengendali

Unit pengendali merupakan otak dalam sistem pengendalian. Pengendali adalah piranti

yang melakukan perhitungan atau evaluasi nilai error menurut algoritma kendali. Evaluasiyang dilakukan berupa operasi matematika seperti, penjumlahan, pengurangan, perkalian,

pembagian, integrasi dan diferensiasi. Hasil evaluasi berupa sinyal kendali yang dikirim ke

unit kendali akhir. Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal

pengukuran.

Pengendali paling tidak memiliki tampilan nilai variabel proses (PV), tombol

pengatur dan tampilan setpoint (SP), pengatur dan tampilan nilai variabel pengendali

(MV), serta sakelar AUTO/MANUAL. Yang terakhir merupakan satu sakelar penting.

Sakelar ini menentukan operasi pengendali. Ketika sakelar pada posisi AUTO (otomatik),

sinyal kendali diperoleh dari hasil pengolahan nilai error . Ketika sakelar pada posisi

MANUAL, pengendali menghentikan pengolahan. Sinyal kendali diperoleh dari

penyetelan manual oleh operator. Hanya dalam posisi auto pengendali memberi manfaat pengendalian proses.

Penentuan aksi algoritma pengendali, memerlukan pengetahuan bagaimana

kebutuhan proses yang dikendalikan dan aksi katup kendali (control valve). Kedua

pengetahuan tersebut mutlak harus dimiliki. Ahli proses dapat bertanya kepada diri sendiri,

misalnya, apa aksi pengendali yang tepat untuk pengendalian tinggi permukaan cairan jika

dipakai katup air-to-close dengan aliran keluar sebagai variabel pengendali. Aksi

pengendali biasanya dapat disetel dengan sakelar pada sisi panel pengendali pneumatik

atau elektronik.

Gambar 9. Skema dasar unit pengendali.

Blok algoritma kendali dapat berupa perangkat keras atau perangkat lunak. Sinyal

kendali yang diperoleh selanjutnya diproses menjadi sinyal kendali standar (4 - 20 mA

DC). Hubungan antara pengukuran dan sinyal kendali bergantung pada modus langsung

(direct acting ) atau berlawanan (reverse acting ).


9/21


Tabel 4. Aksi pengendali.

Aksi Variabel Proses (PV)Variabel Pengendali (MV)

atau Sinyal Kendali

Direct acting Naik | Turun Naik | Turun

Reverse acting Naik | Turun Turun | Naik

Tabel 5. Aksi sistem proses, pengendali, dan katup kendali.

Aksi Sistem Proses Aksi Pengendali Aksi Katup Kendali

Direct acting Reverse acting Biasanya FC

Reverse acting Direct acting Biasanya FO

Pada sistem pengendali digital pada umumnya memisahkan kebutuhan aksi direct

atau reverse dari posisi kegagalan katup kendali (control valve). Sinyal kendali ataucontroller output signal pada sistem kendali digital berkisar dari 0 hingga 100%, yang

merepresentasikan “persen bukaan” katup kendali (control valve). Oleh sebab itu, aksi

direct atau reverse merepresentasikan arah perubahan variabel proses dan katup (valve),

tanpa memperhatikan apakah katup kendali jenis fail-open atau fail-closed .

4. RESPONS SISTEM PENGENDALIAN

Sistem pengendalian terdiri atas: plant yang dikendalikan; sensor dan transmitter;

pengendali; serta control valve. Keluaran sistem adalah variabel proses terkendali.

Masukan sistem adalah SP (nilai variabel proses yang diinginkan) dan gangguan (beban).Dalam sistem pengendalian umpan balik, variabel proses terkendali (PV) dipengaruhi oleh

setpoint dan/atau beban (gangguan). Perubahan setpoint dapat dilakukan oleh operator atau

pengendali lain. Sedangkan beban dapat berubah secara acak tergantung sistem proses dan

lingkungannya. Pada perubahan pada setpoint atau beban, variabel proses mungkin akan

mengalami beberapa cara perubahan, yaitu: sangat teredam (overdamped ), redaman kritik

(critically damped ), teredam (underdamped ), osilasi kontinyu ( sustained oscillation), atau

tidak stabil (amplitudo membesar).

Gambar 10. Bentuk respons variabel proses pada perubahan nilai setpoint .


10/21


Respons tanpa osilasi (sangat teredam) bersifat lambat namun stabil. Tanggapan

redaman kritik merupakan batas akan mulai terjadi osilasi teredam. Sedangkan tanggapan

osilasi teredam mengalami sedikit gelombang di awal perubahan, dan selanjutnya

amplitudo mengecil dan akhirnya stabil. Tanggapan ini cukup cepat meskipun sedikit

terjadi ketidakstabilan. Pada tanggapan dengan osilasi kontinyu, variabel proses secara

terus menerus bergelombang dengan amplitudo dan frekuensi yang tetap. Terakhir,

tanggapan tak stabil, memiliki amplitudo membesar. Kondisi yang terakhir ini sangat

berbahaya karena dapat merusak sistem keseluruhan.

Evaluasi kinerja sistem pengendalian memerlukan dua hal, yaitu jenis uji dan

kriteria yang tepat. Uji dilakukan dengan cara memberi masukan berubah pada nilai

setpoint atau beban. Jenis masukan uji dapat berupa: impuls, step, sinusoida, atau acak

(random). Cara uji yang mudah adalah dengan memberi masukan step, yaitu mengubah

dari satu kondisi steady-state ke kondisi steady-state baru. Dari hasil uji, selanjutnyadianalisa apakah memenuhi kriteria atau tidak. Kriteria yang umum dipakai adalah:

redaman seperempat amplitudo dan nilai dari integral galat absolut (integral absolute

error , IAE). Di samping itu terdapat kriteria lain seperi redaman kritik, integral kuadrat

error (ISE), dan lain-lain.

4.1 Respons Terhadap Perubahan Setpoint

Nilai setpoint diubah dari satu nilai ke nilai lain ( step input ). Respons PV diamati.

Bilamana terjadi respons teredam, maka terdapat besaran sebagaimana dalam Gambar 11.

Gambar 11. Respons teredam pada variabel proses.

Kriteria Redaman Seperempat Amplitudo. Kriteria ini cukup populer, sebab mampu

mengakomodasikan ketiga tujuan pengendalian yaitu cepat, tepat dan stabil. Arti kriteria


11/21


ini adalah, besar amplitudo berikutnya adalah seperempat dari sebelumnya (decay ratio

sebesar 0,25).

Kriteria Nilai dari Integral Galat ( Error ) Absolut. Kriteria integral galat (error ) absolutmenunjukkan luas total galat (error ). Kriteria IAE lebih disukai di kalangan praktisi

industri karena kemudahan dalam mengukur.

Gambar 12. Nilai Integ Absolute Error (IAE).

4.2

Respons Terhadap Perubahan Beban

Perubahan beban dapat menghasilkan respons seperti Gambar 13. Kriteria redaman

seperempat amplitudo dan IAE dapat diterapkan di sini.

Gambar 13. Respons variabel proses pada perubahan beban.


12/21


5. KARAKTERISITK STATIK DAN DINAMIK

Karakteristik atau perilaku sistem adalah bagaimana respons variabel keluaran (variabel

proses) terhadap variabel masukan (manipulated variable dan/atau gangguan).

5.1 Karakteristik Statik

Gain Proses. Karakteristik statik atau perilaku statik adalah perilaku sistem yang tidak

dipengaruhi waktu. Secara numerik dinyatakan oleh steady-state gain atau static-gain (di

kalangan praktisi disebut dengan process gain atau gain saja), yaitu perbandingan antara

perubahan keluaran dan perubahan masukan setelah tercapai keadaan tunak ( steady-statei).

Dengan mengetahui karakteristik statik maka batas pengendalian dapat diketahui.

Gambar 15. Contoh Kurva Karakteristik Statik.

(a) Proses direct acting . (b) Proses reverse acting .

Gambar 16. Kurva karakteristik statik.


13/21


Direct Acting dan Reverse Acting . Satu hal penting lainnya adalah arah kemiringan

perubahan variabel proses, yaitu langsung (direct acting atau respon positif) atau

berlawanan (reverse acting atau respon negatif). Pada direct acting , kenaikan sinyal

kendali menghasilkan kenaikan variabel proses. Dan sebaliknya, pada reverse acting kenaikan sinyal kendali menghasilkan penurunan variabel proses.

5.2 Karakteristik Dinamik

Perilaku dinamik atau karakteristik dinamik adalah perilaku sistem yang dipengaruhi

waktu. Karakteristik dinamik dinyatakan oleh dynamic gain. Dengan mengetahui

karakteristik dinamik maka bagaimana cara mengendalikan sistem proses dapat diketahui.

Salah satu cara mengetahui karakteristik dinamik suatu sistem adalah dengan uji respon

frekuensi ( frequency response). Masukan sistem berupa sinusoida. Keluaran sistem

dibandingkan dengan masukan. Dari sini diperoleh dua besaran, yaitu perbandinganamplitudo ( Ar ) dan kelambatan atau beda fase ( ) antara masukan dan keluaran.

Gambar 17. Uji Respon Sinusoida.

6. IDENTIFIKASI SISTEM PROSES

Identifikasi sistem proses adalah menentukan parameter proses yang dipakai untuk

menentukan nilai parameter pengendali. Parameter sistem proses dapat disederhanakan

menjadi tiga jenis.

1) Steady-state gain (K p), yang menentukan sensitivitas respons.

2)

Time constant (τ p), yang menentukan kecepatan respons.3)

Dead time ( p), yang menentukan besar tundaan respons.Model sistem proses dengan tiga parameter itu dikenal dengan model FOPDT ( first order

plus dead time).

6.1 Metode Kurva Reaksi atau Step-Response

Masukan sistem diubah dari satu nilai steady-state ke nilai steady-state lain. Penentuan

parameter sistem poses dapat dilakukan dengan metrode garis singgung atau metode

Smith. Disarankan memakai metode Smith karena lebih teliti dalam analisisnya.


14/21


a) Metode Garis Singgung

Hasil respons step pada vairabel proses disajikan pada Gambar 18. Parameter konstanta

waktu diambil dari nilai terkecil antara t1 dan t2. Biasanya t1 lebih kecil dibanding t2. Bilait1 lebih besar dibanding t2 berarti respon sangat cepat, kemudian melambat. Hal ini terjadi

jika terdapat susunan paralel beberapa waktu mati.

Gambar 18. Penentuan waktu mati dan konstanta waktu dengan metode garis singgung-1.

b)

Metode Smith

Mungkin model ini yang paling baik dikerjakan secara manual (Smith, 1985). Menurut

Smith, diperlukan dua pengukuran nilai waktu, yaitu y mencapai 28,3% dan 63,2% dari

rentang perubahan (Gambar 19). Waktu t1 dan t2 dihitung sejak masukan mulai berubah.

Gambar 19. Grafik respon step metode Smith (1985).


15/21


Dari data tersebut diperoleh,

time constant , p = 1,5 (t 2 - t 1) deadtime, p = t 2 - p

Jika p negatif, maka

time constant , = t 2

deadtime, p = 0

7. PENGENDALIAN PROPORSIONAL-INTEGRAL-DERIVATIF (PID)

Pengendali membandingkan nilai sinyal pengukuran (variabel proses) dengan setpoint

untuk memutuskan tindakan yang tepat. Jika ada error , pengendali mengatur nilai keluaran

berdasar pada nilai parameter yang telah ditetapkan dalam pengendali. Sehingga perlu

menetapkan parameter pengendali. Penetapan parameter dibutuhkan untuk menentukan:

Seberapa besar koreksi harus dilakukan. Besar koreksi atau perubahan nilai sinyalkendali ditentukan oleh bagian proporsional.

Seberapa lama koreksi harus dilakukan. Lamanya koreksi ditentukan oleh bagian

integral.

Seberapa cepat koreksi harus dilakukan. Kecepatan koreksi ditentukan oleh bagianderivatif.

Pengendali ditala dalam usaha menjodohkan antara karakteristik peralatan kendali dan

sistem proses, sehingga sistem mampu merespon error secara cepat (variabel proses cepat

mencapai setpoint ), tepat (variabel proses sama dengan setpoint ), dan stabil (variabel

proses tak berosilasi di sekitar setpoint ).

7.1 Pengendalian Proporsional

Karakteristik Pengendali. Pengendali proporsional menghasilkan sinyal kendali yang

besarnya “sebanding” (proporsional) dengan sinyal galat (error ). Sehingga terdapat

hubungan tetap dan linier antara variabel proses (PV) dan sinyal kendali (posisi elemen

kendali akhir). Persamaan pengendali proporsional adalah,

oc ue K u (1)

dengan,

u = sinyal kendali (%),

K c = proportional gain (tanpa satuan)

e = error (%)

= (r – y) untuk reverse acting

= ( y – r ) untuk direct acting

uo = bias, yaitu nilai (u) pada saat pengukuran sama dengan setpoint (%)

Variabel pengukuran ( y) dan setpoint (r ) diubah ke dalam persentase dari lebar rentang

pengukuran ( span). Sehingga dari persamaan di atas, satuan sinyal kendali adalah persen.Tanggapan sinyal kendali terhadap perubahan error disajikan pada gambar berikut.


16/21


Terlihat bahwa keluaran pengendali sebanding dengan besar error . Tanggapan sinyal

kendali terjadi seketika tanpa ada keterlambatan atau pergeseran fase (c = 0).

Gain Proporsional. Adalah perbandingan antara perubahan sinyal kendali dan error . Pada

proses cepat (kapasitansi kecil), perlu gain lebih kecil agar diperoleh kestabilan.

Sebaliknya pada proses lambat (kapasitansi besar), perlu gain lebih besar agar diperoleh

respon yang baik.

Proportional Band (PB). Adalah persentase perubahan error (atau variabel proses) yang

menghasilkan perubahan sinyal kendali (atau manipulated variable) sebesar 100%. Secaramatematik, dirumuskan sebagai

ProportionalBband , PB =c K

100

% (2)

Besaran ini lebih mencerminkan kebutuhan pengendalian dibanding gain proporsional,

sebab PB pada menunjukkan lebar rentang variabel proses yang dapat dikendalikan.

Offset . Adalah residual error atau steady-state error yaitu sisa error yang ada setelah

tercapai steady state baru. Masalah ini terjadi pada pengendalian proporsional jika ada

perubahan beban atau setpoint . Dengan perubahan beban, diperlukan nilai sinyal kendali

yang berbeda. Nilai sinyal kendali baru diperoleh dari penambahan atau pengurangan nilai

bias sebesar kelipatan offset yaitu sebesar gain proporsional dikalikan offset .

Gambar 20. Tanggapan variabel proses (PV) pada perubahan setpoint .

Gambar 21. Respons variabel proses (PV) pada perubahan beban.


17/21


Offset pada pengendalian proporsional dapat diperkecil dengan memperbesar gain

proporsional atau memperkecil proportional band . Semakin kecil nilai proportional band

atau semakin besar gain, pengendali semakin peka dan respons variabel proses semakin

cepat, offset semakin kecil, tetapi sistem cenderung tidak stabil. Sebaliknya, dengan proportional band yang besar sistem menjadi stabil tetapi pengendali tidak peka dan offset

besar. Pada proportional band sama dengan nol (secara nyata tidak dapat dilakukan)

perilaku pengendali proporsional sama dengan pengendali dua posisi (on-off ). Diperlukan

kompromi terhadap nilai PB sehingga diperoleh respons cepat, offset dapat diterima, tetapi

sistem cukup stabil.

Offset dapat dihilangkan dengan mengubah nilai bias (uo) pada pengendali

proporsional. Oleh sebab itu, agar offset hilang, perlu ditambahkan mekanisme

penambahan atau pengurangan nilai bias secara otomatik.

7.2

Pengendalian Proporsional-Integral (PI)

Karakteristik Pengendali. Besar keluaran pengendali proporsional-integral (PI)

sebanding dengan besar galat (error ) dan integral galat (error ). Persamaan pengendali PI

ideal (standar ISA) adalah sebagai berikut.

o

i

cc udt e

K e K u (3)

dengan i adalah waktu integral atau waktu reset. Pada pengendali PI, suku bias (uo) bisa

ditiadakan. Sebab suku integral mampu memberikan nilai bias baru.Sebuah integrator adalah piranti ideal untuk mengatur nilai bias. Jika pengaturan

nilai bias dilakukan secara manual, disebut manual reset . Sebaliknya, jika dilakukan secara

otomatik dengan memakai integrator, disebut automatic reset atau lebih populer dengan

reset saja. Dengan demikian fungsi utama bagian integral adalah menghilangkan offset .

Pengendalian Proporsional-Integral. Pada pengendali PI terjadi penambahan atau

pengurangan sinyal kendali hingga error hilang. Penambahan atau pengurangan dilakukan

melalui mekanisme integrasi error atau dikenal sebagai aksi reset. Artinya mampu

melakukan reset pada variabel proses hingga nilainya sama dengan setpoint . Karena

memakai mekanisme integral oleh sebab itu disebut juga aksi integral.

Aksi integral menyebabkan keluaran pengendali (u) berubah terus selama ada error (e) sampai error hilang. Aksi integral pada pengendali PI secara kontinyu menggeser letak

proportional-band (PB) dalam usaha mengubah bias. Penggeseran letak PB tidak

mengubah besar PB. Mekanisme ini menyebabkan variabel proses selalu sama dengan

setpoint (SP) untuk segala perubahan beban dalam batas pengendalian. Tetapi penambahan

aksi integral menambah kelambatan dan ketidakstabilan sistem.

Pengaturan waktu integral tergantung pada kecepatan respons sistem proses. Waktu

integral tidak terlalu kecil karen pengendali terlalu cepat berubah dibanding respons sistem

proses. Hal ini mengakibatkan overshoot dan osilasi berlebihan.


18/21


Gambar 21. Respons loop tertutup pengendali proporsional-integral pada perubahan beban.

7.3 Pengendalian Proporsional-Integral-Derivatif (PID)

Karakteristik Pengendali. Besar sinyal kendali yang yang dihasilkan sebanding dengan

besar error , integral error , dan derivasi error . Suku derivatif bereaksi terhadap kecepatan

perubahan error . Persamaan pengendali PID adalah,

od c

i

cc u

dt

de K dt e

K e K u (4)

dengan d adalah waktu derivatif.

Pengendalian Proporsional-Integral-Derivatif . Kelambatan akibat aksi integral dapat

dihilangkan dengan menambah aksi derivatif ( preact ). Aksi derivatif bertujuan untuk

mempercepat tanggapan sekaligus memperkecil overshoot variabel proses. Hal ini dapat

terjadi, karena suku derivatif sebanding dengan kecepatan perubahan error . Oleh sebab itu

dengan penambahan derivatif pengendali dapat mengantisipasi perubahan beban yang

cepat.

Penambahan derivatif tidak dapat menghilangkan offset . Penambahan derivatif

hanya memperbaiki perilaku lingkar (loop) pengendalian. Aksi derivatif tidak diperlukan

atau tidak boleh dipakai dalam lingkar pengendalian dengan banyak noise atau perubahan

cepat variabel proses. Penambahan derivatif menyebabkan sistem menjadi peka terhadapnoise. Ini disebabkan karena derivatif memperkuat noise dan muncul dalam sinyal kendali.

Dengan demikian lingkar pengendalian laju alir dan level tidak cocok memakai derivatif.

Proses yang memiliki karakterisitk cepat tidak perlu memakai derivatif untuk lebih

mempercepat respons. Sehingga laju alir dan tekanan gas tidak perlu memakai derivatif.

Sebaliknya proses dengan respons lambat dan bebas noise, seperti pada pengendalian suhu

dan komposisi, perlu memakai derivatif. Demikian juga pada proses tak stabil, seperti

reaktor eksotermik, pengendalian suhunya lebih baik jika ditambahkan derivatif untuk

menstabilkan sistem. Tetapi, penambahan aksi derivatif tidak sesuai untuk proses yang

memiliki waktu mati dominan yaitu lebih dari setengah konstanta waktu.

Keterangan:

(1) i terlalu besar(2) i cukup

(3) i terlalu kecil

1

2

3


19/21


7.4 Pengendalian Proporsional-Derivatif (PD)

Karakteristik Pengendali. Bentuk persamaan pengendali PD adalah,

od cc udt

de K e K u (5)

Respons terahadp masukan step diperlihatkan pada gambar di bawha ini.

Pengendalian Proporsional-Derivatif . Mode ini hampir tidak pernah dipakai di industri.

Disebabkan kepekaan terhadap noise dan tidak sesuai untuk proses yang memiliki waktu

mati dominan, pengendali PD banyak menimbulkan masalah dalam pengendalian.

Meskipun demikian, sebenarnya pengendali PD sesuai untuk proses multikapasitas, proses

tumpak (batch), dan proses lain yang memiliki tanggapan lambat.

Pada proses yang memiliki konstanta waktu jauh lebih besar dibanding waktu mati,

penambahan aksi derivatif dapat memperbaiki kualitas pengendalian. Proses dengan waktu

mati dominan, penambahan aksi derivatif dapat menyebabkan ketidakstabilan, sebab

adanya keterlambatan (lag ) respons pengukuran.

8. PENALAAN PENGENDALI (Controller Tuning )

Penalaan pengendali adalah pekerjaan untuk mendapatkan nilai paramater pengendali yang

sesuai dengan kebutuhan proses. Parameter pengendali yang ditentukan meliputi gain ( K c)atau proportional band (PB), waktu integral ( i), dan waktu derivatif ( d ).

8.1 Metode Kurva Reaksi

Metode kurva reaksi didasarkan atas tanggapan undak sistem proses. Asumsi yang

digunakan adalah, proses sebagai sistem orde satu disertai waktu mati. Langkah metode

kurva reaksi adalah sebagai berikut.

Pengendali disetel pada posisi manual.

Dilakukan sedikit perubahan mendadak pada sinyal kendali (sebaiknya kurang dari

10%), sehingga terjadi perubahan variabel proses (PV) yang dapat diamati. Tanggapan variabel proses direkam dan dari hasil yang diperoleh ditentukan nilai

waktu mati ( p), konstanta waktu sistem ( p), dan steady-state gain ( K p).

Dari uji tersebut di atas diperoleh:u

y K p

,

p

p R

, dan

p

y N

8.2 Metode Ziegler-Nichols I, Cohen-Coon dan Kriteria IAE

Penentuan pengendali dengan metode Ziegler-Nichols I, Cohen-Coon dan IAE disajikan

pada Tabel 6.


20/21


Tabel 6. Persamaan penalaan pengendali memakai data kurva reaksi.

PENGENDALI ZIEGLER-NICHOLS COHEN-COON IAE

Proporsional(P)

K c p p

p

K

31 R

K p p

p

985,0

902,0

p

p

p K

Proporsional

+

Integral (PI)

K c p p

p

K

9,0

121

9,0 R

K p p

p

986,0

984,0

p

p

p K

i 3,3 p

R

R p

109

330

293,0

645,1

p

p

p

Proporsional+

Integral

+

Derivatif

(PID)

K c

p p

p

K

2,1

43

4 R

K p p

p

921,0

435,1

p

p

p K

i 2 p

R

R p

813

632

251,0

139,1

p

p

p

d 0,5 p

R p 2114

137,0

482,0

p

p

p

8.2 Metode Osilasi Lingkar Tertutup

Metode osilasi lingkar tertutup dikenal dengan metode Ziegler-Nichols II. Pada prinsipnya

dalam lingkar tertutup dibuat kondisi osilasi alami. Ini terjadi ketika pergeseran fase hanya

disebabkan oleh sistem proses. Dengan kata lain pengendali pada modus proporsional saja.

Adapun langkah penalaan adalah sebagai berikut.

1) Pengendali disetel pada posisi automatik.

2) Aksi integral dan derivatif dimatikan, dengan membuat waktu integral maksimum,

waktu derivatif nol, dan proportional band (PB) maksimum.

3) Secara berangsur PB diperkecil setengahnya, sambil diadakan perubahan kecil pada

gangguan (beban) atau setpoint .

4) Langkah nomor (3) diulang terus sampai muncul osilasi kontinyu pada variabel proses

(PV). Pada keadaan ini, proportional band sebagai proportional band kritik (PBu) atau proportional gain sebagai proportional gain kritik (K cu), dan periode osilasi sebagai

periode osilasi kritik (Tu). Selanjutnya parameter pengendali mengikuti tabel berikut.

Tabel 4.3 Parameter pengendali dengan metode Zigler-Nichols II

PENGENDALI K c i d

P 0 5, K cu 0

PI 0 45, K cu T u

1 2, 0

PID 0 6, K cu 0 5, T u 0125, T u


21/21


8.3 Metode Coba-Coba

Metode coba-coba (trial and error ) sangat efektif jika dikerjakan oleh operator yang berpe-

ngalaman. Dengan bekal pengalaman bekerja dalam pengendalian proses, biasanyaoperator memiliki intuisi tajam dan mampu melakukan penyetelan yang tepat. Meskipun

demikian, metode ini dapat dicoba oleh mereka yang belum berpengalaman dengan

melaksanakan langkah berikut.

Pengendali PI 1) Pertama-tama pengendali disetel ke posisi manual.

2) Manipulated variable (MV) diubah sebesar 5 - 10%. Kemudian diukur waktu yang

dibutuhkan variabel proses saat mulai memberi tanggapan. Watu integral (T i) dibuat

lima kali waktu tersebut.

3)

Proportional band dibuat maksimum, dan pengendali di taruh ke posisi automatik.

4)

Sambil memberi gangguan perubahan setpoint , PB diperkecil sepertiganya.5)

Langkah nomor (4) diulang terus hingga diperoleh tanggapan variabel proses yang

dikehendaki.

6) Waktu integral diperkecil sehingga diperoleh tanggapan secepat mungkin tetapi

overshoot masih dapat diterima.

Pengendali PID 1) Proportional band dibuat maksimum, waktu integral maksimum, dan waktu derivatif

minimum (nol).

2) Perlahan-lahan PB diperkecil hingga diperoleh cukup overshoot pada variabel proses

jika sistem proses diberi gangguan.3)

Waktu derivatif dinaikkan, hingga overshoot hilang.

4)

Langkah (2) dan (3) diulang, hingga diperoleh tanggapan transien sesuai yang

diinginkan.

5) Waktu integral diperkecil, hingga diperoleh cukup overshoot pada variabel proses jika

sistem proses diberi gangguan.

6) Waktu derivatif dinaikkan hingga diperoleh tanggapan transien yang diinginkan.

Tabel 4.4 Parameter pengendali pada berbagai proses.

SISTEM PROSES PROPORTIONAL

BAND

WAKTU

INTEGRAL

WAKTU

DERIVATIF

Tekanan Gas 2 - 5 % Tidak perlu -

Tekanan Cair 50 - 200% 0,1 – 0,25 menit -

Tekanan Uap 10 – 50% 2 - 10 0,1 – 2,0

Suhu 10 – 50 % 2 - 10 menit ≤ 2 menit

Aliran 150 - 250 % 0,1 – 0,25 menit -

Komposisi 100 - 1000 % 10 - 30 menit Bervariasi

Level 2 maxh - -

Keterangan: maxh adalah persen penyimpangan maksimum level yang diinginkan.

Fundamental Pengendalian Proses

Documents

Transcript of Fundamental Pengendalian Proses