Bab 5 Perilaku Sistem Proses yang Khas Ir. Abdul Wahid, MT. Departemen Teknik Kimia FTUI Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukan Tujuan Pembelajaran Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukan hal-hal berikut. Memprediksi output untuk input yang khas untuk sistem dinamik Menurunkan dinamik sistem tersebut untuk struktur penting dari sistem dinamik sederhana Mengetahui efek yang besar pada proses dinamik yang disebabkan oleh struktur proses. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Kerangka Kuliah Sistem dinamik sederhana - First order -Second order - Dead time - (Non) Self-regulatory Struktur penting dari sistem yang sederhana - Series - Parallel - Recycle - Staged Workshop CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Orde 1 Persamaan dasarnya adalah: K = s-s gain  = konstanta waktu Output is smooth, monotonic curve 1.8 1.6 Maximum slope at » 63% of steady-state D C At steady state Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? 1.4 A tank concentration “t=0” 1.2 D Y = K D X 1 t 0.8 20 40 60 80 100 120 time Output changes immediately 2 1.5 D X = Step in inlet variable inlet concentration 1 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 0.5 20 40 60 80 100 120 time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Orde 1 Ini beberapa contoh sistem orde satu CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Tiga jenis proses orde dua: 1. Proses multi-kapasitas Proses yang terdiri dari dua atau lebih kapasitas secara berseri Contoh: Dua stirred tank heater berurutan 2. Proses orde dua inheren Proses mekanika fluida atau padatan yang memiliki kelembaman dan dikenakan pada beberapa percepatan. Contoh: Valve pneumatik 3. Sistem pemrosesan dengan sebuah kontroler Adanya kontroler menyebabkan perilaku osilasi Contoh: Sistem kontrol berumpan-balik CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Proses Orde Dua Multi-kapasitas Secara alami muncul dari dua proses orde satu yang berseri (mis. dua tangki yang dihubungkan secara berseri) Dengan mengalikan sifat dari fungsi alih CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Proses orde dua Bentuk umumnya: dengan: Rasio redaman  menunjukkan jumlah redaman dalam sistem. Yaitu derajat osilasi pada respon proses setelah terjadi gangguan. Harga  yang kecil berarti redamannya kecil. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Respon step sebesar M CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Catatan: proses kimia umumnya overdamped atau redaman kritis Proses Orde Dua Tiga keluarga proses Catatan: proses kimia umumnya overdamped atau redaman kritis CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Observasi Respon menunjukkan overshoot ( y(t)/KM>1) saat  <1  yang besar menghasilkan respon yang agak pelan Sistem dengan =1 menghasilkan respon tercepat tanpa overshoot Semakin kecil  (dengan <1) sistem semakin berosilasi Jika <0, sistem berosilasi tanpa batas (tidak stabil) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Proses Orde Dua Karakteristik proses orde dua redaman kurang (underdamped) 1. Waktu naik (rise time) 2. Waktu puncak (peak time) 3. Overshoot 4. Decay ratio 5. Periode 6. Settling time CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Contoh 1 Tinjau sistem pada gambar di bawah ini, di mana  = 0,6 dan n = 5 rad/detik. Cari waktu naik, waktu puncak, lewatan maksimum, dan waktu penetapan jika sistem dikenai masukan tangga satuan. + R(s) E(s) C(s) CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Jawaban Dari harga  dan n yang diberikan: dan Waktu naik: tr = 0,55 detik Waktu puncak: Lewatan maksimum: Waktu penetapan: untuk kriteria 2%: ts = 4/ = 4/3 = 1,33 detik untuk kriteria 5%: ts = 3/ = 3/3 = 1 detik CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Contoh 2 Untuk sistem yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, diinginkan untuk menentukan harga penguatan (gain) K dan konstanta umpan-balik kecepatan Kh sedemikian rupa sehingga lewatan maksimum berharga 0,2 dan waktu puncaknya 1 detik. Dengan harga-harga K dan Kh ini diinginkan untuk memperoleh waktu naik dan waktu penetapan. 1 + Khs R(s) E(s) C(s) + CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Jawaban maka: = 1,61  = 0,456 = 1 detik, maka d = 3,14 n = K maka K = n2 = 12,5  Waktu naik: tr = 0,65 detik Waktu penetapan: ts = 2,48 detik (2%) ts = 1,86 detik (5%) CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Contoh 3 Contoh sistem orde dua: Sebuah stirred-tank heater dengan sebuah sistem kontrol Sistem kontrolnya adalah orde satu Keseluruhan sistem dari aliran umpan w sampai suhu T dalam tangki adalah sistem redaman lebih orde dua 1) Perubahan w yang mendadak dari 0.4 kg/s ke 0.5 kg/s menyebabkan perubahan dinamik dari T dari keadaan tunak 100 ke 102 0C. Berapa gain dari fungsi alih proses? CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Proses Orde Dua 2) Operator mencatat bahwa respon yang dihasilkan adalah berosilasi tipis dengan maksimum 102.5 dan 102.1 oC yang terjadi pada 1000 detik dan 3060 detik setelah perubahan dimulai. Apa fungsi alih proses yang sempurna? CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Penulisan Fungsi Alih di MATLAB G = tf (Kp,[tau 1])  ORDE 1 G = tf (Kp,[tau^2 2*zetta*tau 1])  ORDE 2 G = tf (Kp,[a b c 1])  ORDE 3 G = tf (Kp,[a b c d 1])  ORDE 4 CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Proses Orde Dua Gambar di bawah adalah sebuah sistem orde satu dengan sebuah kontroler setelah terjadi perubahan mendadak pada variabel masukan sebesar 1 satuan. Tentukan: Overshoot Fungsi alih keseluruhan sistem tersebut. CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Sistem Proses Sederhana : Orde 2 Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? Persamaan dasarnya adalah : K = s-s gain  = konstanta waktu  = faktor redaman overdamped underdamped CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Orde 2 Ini adalah beberapa contoh sistem sederhana berorde 2 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Dead Time Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? Xout  Xin CHS31024 Edisi 8 Nop '06 time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Integrator pump valve Level sensor Liquid-filled tank Pabrik memiliki banyak inventori yang mempunyai aliran masuk dan keluar tidak tergantung pada inventorinya (saat kita menerapkan tanpa kontrol atau koreksi manual) Sistem ini sering diistilahkan dengan “pure integrators” karena sistem ini mengintegrasikan perbedaan antara aliran masuk dan aliran keluar. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Integrator pump valve Level sensor Liquid-filled tank Plot level untuk skenario ini Fin Fout CHS31024 Edisi 8 Nop '06 time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Integrator pump valve Level sensor Liquid-filled tank Level Fin Fout CHS31024 Edisi 8 Nop '06 time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sistem Proses Sederhana : Integrator pump valve Level sensor Liquid-filled tank Mari kita lihat kapan kita harus melakukan kontrol. Variabel Non-self-regulatory : cenderung untuk mengarahkan jauh dari nilai yang diinginkan. Kita harus mengontrol variabel ini. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Integrating Process Fungsi alih sistem terintegrasi CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

NON-SELF-REGULATING SYSTEM Integrating Process Input step sebesar M Sebuah sistem terintegrasi tidak mencapai ss yang baru ketika dikenai perubahan step. NON-SELF-REGULATING SYSTEM CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Integrating Process Respon unit impulsa CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Integrating Process Respon pulsa segiempat CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses RANGKAIAN TANPA INTERAKSI Output dari satu elemen tidak mempengaruhi input ke elemen yang sama Contohnya tangki yang disusun seri Block diagramnya : T Gvalve(s) Gtank2(s) Gtank1(s) Gsensor(s) v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING Gvalve(s) Gtank2(s) Gtank1(s) Gsensor(s) v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) Persamaan umumnya : Gain keseluruhan adalah hasil dari beberapa gain Bukan sistem orde satu lagi Lebih lambat dari dapa elemen tunggal apa saja Tiap elemen berorde satu : CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING 0.10/(5s+1) 1/(5s+1) -1.2/(5s+1) 3.5/(5s+1) v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) 10 20 30 40 50 60 70 -5 -4 -3 -2 -1 Time Controlled Variable 2 4 6 8 Manipulated Variable Step Response Lihat beberapa terjadi dead time Mulus, monoton, bukan orde satu Lebih pelan dari pada elemen apa saja K =  (Ki) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING Gvalve(s) Gtank2(s) Gtank1(s) Gsensor(s) v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) Setiap elemen sistem orde 1 dengan dead time : Prtunjuk pada step response Dibentuk sigmoidal (“S”) t63%  (i + i) [not rigorous!] K =  (Ki) [rigorous!] Biasanya, terjadi beberapa “dead time berdekatan” CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step dari sistem dibawah ini.  = 2  = 2 ? CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step-nya untuk sistem dibawah ini. DYNAMIC SIMULATION 5 4 3 Controlled Variable 2 1 5 10 15 20 25 Time 5 4 3 Manipulated Variable 2 1 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 5 10 15 20 25 Time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step dari setiap sistem dibawah ini dan bandingkan hasilnya. Kasus 1  = 2  = 2  = 2  = 2 Kasus 2  = 2 CHS31024 Edisi 8 Nop '06  = 2 &  = 2  = 1  = 1 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses Dua pabrik dapat mempunyai variabel antara yang berbeda dan mempunyai perilaku input-output yang sama! 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1 3 time case 1 responses case 2 responses Case1 Step Case2 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL dihasilkan lebih dari satu hubungan kausal antara input dan output. Dapat berupa laju alir yang displit, dapat juga dari hubungan antara proses lainnya. Contoh sistem proses Diagram block A  B  C G1(s) G2(s) X(s) Y(s) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL G1(s) G2(s) X(s) Y(s) Jika kedua elemen berorde 1, maka model overall-nya adalah : Latihan : Turunkan fungsi transfer ini. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL dapat mengalami dinamik kompleks. Parameter adalah “zero” dalam fungsi alih. Sample step response at t=0 1.5 4 3 1 2 G1(s) G2(s) X(s) Y(s) 1 Yang mana yang Mudah/sulit dikendalikan? output variable, Y’(t) 0.5 -1 -2 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 -0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 time Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL Latihan : Jelaskan dinamika temperatur keluaran setelah perubahan pada rasio laju alir, jika total laju alirnya tetap. T CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTURE PARALEL : Jelaskan dinamika temperatur keluaran setelah perubahan step pada rasio laju alir. 5 10 15 20 25 89 90 91 92 93 time mixing temperature 0.4 0.5 0.6 0.7 fraction by-pass senor output T Kenapa overshoot? CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTURE PARALEL Latihan : Jelaskan dinamika konsentrasi keluaran setelah perubahan step pada laju alir solven. reaktan FA CA0 CA1 V1 solven FS CA2 V2 CAS=0 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses PARALLEL STRUCTURE Latihan : Jelaskan dinamika konsentrasi keluaran setelah perubahan step pada laju alir solven. 10 20 30 40 50 60 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 time solvent flow 0.39 0.4 0.41 0.42 0.43 tank 2 concentration Kenapa sebuah respon berlawanan? CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE dihasilkan dari material dan energi yang diambil kembali. Hal ini merupakan hal yang penting untuk operasi yang menguntungkan, tapi sangat besar efeknya pada kedinamikan. Contoh Proses Diagram block T0 T3 T4 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE T1(s) T3(s) GH1(s) GR(s) T0(s) T4(s) T2(s) GH2(s) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE Latihan kelas : Jelaskan efek dari recycle pada dinamika reaktor kimia (lebih cepat atau lambat?) Reaksi eksotermis preheater pada feed/effluent T0 T3 T4 CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses Latihan : Jelaskan efek dari recycle pada dinamika reaktor kimia (lebih cepat atau lambat?) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.5 1 1.5 2 2.5 time T4 without recycle T4 is a deviation variable 100 150 200 250 300 350 400 450 500 T4 with recycle Tanpa recycle, lebih cepat dan efeknya kecil Dengan recycle, lebih lambat dan efeknya besar Skala yg berbeda! CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Contoh CHS31024 Edisi 8 Nop '06

Struktur Sistem Proses STAGED STRUCTURES FR FV xB xD Liquid Vapor Tray n Liquid Vapor CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Struktur Sistem Proses STAGED STRUCTURES 10 20 30 40 50 0.965 0.97 0.975 0.98 0.985 0.99 Time (min) XD (mol frac) 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 XB (mol frac) 8530 8530.5 8531 8531.5 8532 8532.5 R (mol/min) 1.35 1.355 1.36 1.365 1.37 x 10 4 V (mol/min) Struktur komplek, dinamika yg mulus “Steps” karena analyzer melakukan pengukuran hanya setiap 2 menit. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Overview Sistem Proses Bahkan elemen sederhana dapat menghasilkan dinamika yang kompleks saat dikombinasikan dalam struktur proses Kita dapat Memperkirakan respon dinamik berdasarkan pada setiap elemennya dan strukturnya Mengenali range dari efek yang mungkin Mengaplikasikan metoda analisis untuk mendapat kan model dinamik. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Bab 5: Sistem Proses – Workshop 1 Empat sistem diberi input berupa impulse pada t=2. Jelaskan apa yang dapat kamu pelajari tentang setiap sistem dari gambar dibawah ini. 5 10 15 20 25 30 1 2 3 output (a) -1 (b) time (c) 0.5 1.5 2.5 (d) CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Bab 5: Sistem Proses – Workshop 2 Menggunakan panduan dari chapter ini, gambarkan respon dari temperatur yang terukur dibawah ini dengan step +5% pada bukaan valve. T CHS31024 Edisi 8 Nop '06 (Time in seconds) Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Bab 5: Sistem Proses – Workshop 3 Sensor menyediakan sebuah estimasi variabel proses yang sebenarnya karena pengukuran dikacaukan oleh error. Diskusikan sumber gangguan pada pengukuran. Definisikan istilah berikut dalam sensor - Akurasi - Reproducibility Jelaskan sebuah proses pengukuran yang membutuhkan (a) keakuratan yg bagus dan (b) reproducibility yg baik Sarankan sebuah pendekatan untuk mengoperasikan sebuah proses saat sifat materi kunci (komposisi, dll) tidak dapat diukur menggunakan sebuah onstream analyzer. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Bab 5: Sistem Proses – Workshop 4 Kita mendisain sebuah reaktor dengan recycle. Kita memiliki dua pilihan konversi pada reaktor. Akankah pemilihan itu berpengaruh pada dinamika plan? Produk murni Laju alir umpan konstan X = 50% X = 95% Murni, umpan yg belum bereaksi CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Bab 5: Sistem Proses yang Khas Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukan hal-hal berikut. Memprediksi output untuk input yang khas untuk sistem dinamik Menurunkan dinamik sistem tersebut untuk struktur penting dari sistem dinamik sederhana Mengetahui efek yang besar pada proses dinamik yang disebabkan oleh struktur proses. Banyak kemajuan, tapi kita perlu belajar lagi! Baca textbook Tinjau catatannya, khususnya tujuan pembelajaran dan workshop Uji coba nasihat-nasihat belajar mandiri Bagusnya, kita seharusnya punya tugas (assignment)! CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Sumber Pembelajaran SITE PC-EDUCATION WEB - Instrumentation Notes - Interactive Learning Module (Chapter 5) - Tutorials (Chapter 5) Software Laboratory - S_LOOP program Textbook - Chapter 18 on level modelling and control - Appendix I on parallel structures CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Saran Belajar Mandiri 1. Perluas Figure 5.1 di dalam buku ajar untuk fungsi input baru (anak panah tambahan) : impulse dan ramp. 2. Tentukan yang mana sistem pada Figure 5.3 dalam buku ajar yang dapat menjadi underdamped. 3. Jelaskan bentuk amplitude ratio sebagai kenaikan frekuensi untuk tiap sistem yang ada di Figure 5.1 dari buku ajar. 4. Diskusikan kesamaan/ketidaksamaan antara self regulation dan feedback. 5. Jelaskan textbook Figure 5.5. 6. Diskusikan kesamaan antara recycle dan feedback. CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid

Saran Belajar Mandiri 7. Diskusikan bagaimana dinamika dari elemen proses yang khas dan strukturnya akan mempengaruhi kemampuan kita untuk mengendalikan sebuah proses. Pikirkan tentang sebuah mobil dengan tiap dinamikanya antara steering wheel dan arahnya sehingga perjalanannya otomatis. 8. Rumuskan satu pertanyaan masing-masing tiga kategori (B/S, pilihan ganda, dan pemodelan) dengan solusi dan pertukarkan dengan teman-teman dalam kelompok tugasmu CHS31024 Edisi 8 Nop '06 Bab 5 Perilaku Proses -- Abdul Wahid