Kendali Proses Industri

Sistem – Sebuah susunan komponen – komponen fisik yang saling terhubung dan membentuk satu kesatuan untuk melakukan aksi tertentu – Contoh : tubuh, pemerintahan, motor Kendali – mengatur, mengarahkan, memerintahkan Input (Set Point, Reference) – Respon sistem yang diinginkan Output – Respon sistem sebenarnya Plant – Obyek yang dikendali 2 Terminologi Pada Sistem Kendali

Input : lantai 4 Output (elevator response) : lantai – lantai yang dilewati elevator – Transient response – Steady state response  steady state error 3 Contoh Sistem Kendali - Elevator

Diagram Blok dan Komponen 4 Plant/ Proses inputoutput Plant/ Proses input output + - Plant/ Proses inputoutput + - Input sensor Output sensor Plant/ Proses inputoutput + - Input sensor Output sensor kendaliAktuator

5 + - Error detector (comparator) Set Point (input) Sinyal feedback Sensor Sinyal error kendali Sinyal kendali Aktuator Energy Variabel yg dimanipulasi Plant/ Process Variabel yg dikendali (output) Disturbances /gangguan Variabel yg. diukur Diagram Blok dan Komponen e(t) u(t) r(t) y(t)

Variabel yang dikendali – Variabel aktual yang diawasi dan dijaga pada nilai tertentu yang diinginkan di dalam proses. Variabel yang diukur – Kondisi dari controlled variable pada saat tertentu dalam pengukuran Sensor – “Mata” sistem, mengukur controlled variable dan menghasilkan sinyal output yang mewakili statusnya Sinyal feedback – Output dari measurement device. Set Point – Nilai dari controlled variable yang diinginkan Error detector – Pembanding set point dengan sinyal feedback, dan menghasilkan sinyal output yang sesuai dengan perbedaan tersebut 6 Diagram Blok dan Komponen

Sinyal error – Output dari error detector Kendali – “Otak” dari sistem. Ia menerima error sebagai input dan menghasilkan sinyal kendali yang menyebabkan controlled variable menjadi sama dengan set point Aktuator – “Otot” dari sistem. Ia adalah alat yang secara fisik melakukan keinginan kendali dengan suntikan energi tertentu Variabel yang dimanipulasi – Besaran fisik yang merupakan hasil dari kerja yang dilakukan aktuator. Plant/proses – Proses tertentu yang dikendali oleh sistem Disturbances/gangguan – Faktor pengganggu, menyebabkan perubahan pada variabel yang dikendali 7 Diagram Blok dan Komponen

Sistem kendali open loop Aksi kendalinya tidak tergantung dari output sistem. Tidak dapat memberikan kompensasi/koreksi jika ada gangguan (lihat gambar a). – Contoh : mesin cuci, oven, AC, dll. Ketepatan hasil bergantung pada kalibrasi. Sederhana dan murah. Sistem kendali close loop Aksi kendalinya bergantung pada output sistem (melalui feedback). Mengatasi kelemahan sistem open loop karena bisa memberikan koreksi saat ada gangguan Mungkin terjadi “overkoreksi”, sehingga sistem justru menjadi tidak stabil Kompleks dan mahal, karena komponen lebih banyak – Contoh : pengaturan kecepatan motor, pendingin-pemanas ruangan 8 Open Loop vs Close Loop

9 Catatan : gambar di atas disebut Diagram Blok Sistem kendali Feedback path

10 Contoh Close Loop CS - Antenna The search for extraterrestrial life is being carried out with radio antennas like the one pictured here. A radio antenna is an example of a system with position controls. a. Konsep sistem b. Layout detail

11 Contoh Close Loop CS - Antenna d. Blok Diagram Fungsional

Kendali PID 12 PROSES Proportional Integral Derivative sensor CV = Controlled variable SP = Set pointE Final element Process variable MV = Manipulated Variable Catatan: Error = E  SP - CV Tiga “jenis”: Tiga cara menggunakan perilaku variasi waktu dari variabel yang diukur

Proporsional 13 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV K C = controller gain “koreksi proporsional terhadap error.” Konstanta inisialisasi

Proporsional 14 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV

Proporsional 15 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Physical Device: v1

Proporsional 16 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Final value after disturbance:

Proporsional 17 Kc = 0 Kc =10 Kc = 100 Kc = 220

Karakteristik kendali P Overshoot tinggi Waktu penetapan besar Periode osilasi sedang Adanya offset/droop/steady-state error: beda antara setpoint dan control point (harga controlled variable pada kesetimbangan baru); offset terjadi karena aksi kendali proporsional dengan error. Gainnya: kc  sangat mempengaruhi error, makin besar kc makin kecil offsetnya, meski ada harga kc maksimum. Istilah lain gain: proportional band (pb);  kc yang besar sama dengan pb yang kecil Definisi lain PB: error yang dibutuhkan untuk menghasilkan keluaran tambahan dari kendali ke control valve 18

How can we eliminate the steady-state error? steady-state error settling time rise time overshoot overshoot -- % of final value exceeded at first oscillation rise time -- time to span from 10% to 90% of the final value settling time -- time to reach within 2% of the final value ss error -- difference from the system’s desired value

Integral 20 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV T I = controller integral time (dalam penyebut) “The persistent mode”

Integral 21 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Slope = K C E/T I MV(t) time Perilaku saat E(t) = konstan

Integral 22 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Final value after disturbance: Fitur kunci menggunakan model dinamik lup tertutup

Derivatif 23 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV “The predictive mode” T D = controller derivative time

Derivatif 24 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Final value after disturbance: Fitur kunci menggunakan model dinamik lup tertutup

Derivatif 25 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV

Derivatif 26 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV X Kita tidak ingin mengambil derivatif dari set point; oleh karena itu, kita hanya menggunakan CV ketika menghitung mode derivatif

Karakteristik kendali PI Aksi integral bukan untuk mengembalikan ke error nol, tapi menjaga pada harga yang ia muncul di sepanjang waktu, sehingga ada output yang cukup untuk membuka control valve Tidak ada offset Respon lebih lambat, karena error tidak dapat dihilangkan dengan cepat Harga overshoot paling tinggi Dipakai bila kelemahan di atas ditoleransi sementara offset tidak Disebut pula reset action Gainnya: dengan = waktu reset/integral 27

Karakteristik kendali PD Disebut juga anticipatory/rate control Aksi kendali didasarkan pada mode derivatif yang terjadi hanya saat error berubah Efeknya mirip dengan proporsional dengan gain yang tinggi Respon sangat cepat Overshoot sangat rendah Ada offset tapi lebih kecil Gainnya: dengan = waktu derivatif 28

kendali PID 29 PROCESS Proportional Integral Derivative CV SP E MV Note: Error = E  SP - CV Mari kita kombinasikan jenis-jenis kendalier untuk merumuskan kendali PID!

Karakteristik kendali PID Paling baik, tapi paling mahal Mengkompromi antara keuntungan dan kerugian kendali di atas Offset dihilangkan dengan aksi integral, sedangkan aksi derivatif menurunkan overshoot dan waktu osilasi Digunakan pada sistem yang agak lamban Kendali sering dipasang karena berbagai kepandaian yang dimilikinya dan bukan karena analisis sistem mengindikasikan kebutuhan akan ketiga mode kendali di atas 30

Perbandingan PID 31

Evaluating the response How can we eliminate the steady-state error? steady-state error settling time rise time overshoot

Control Performance, P-type K p = 20 K p = 200 K p = 50 K p = 500

Steady-state Errors, P-type K p = 200K p = 50

Control Performance, PI - type K p = 100 K i = 50K i = 200

You’ve been integrated... K p = 100 instability & oscillation

Control Performance, PID-type K p = 100 K i = 200K d = 2 K d = 10K d = 20 K d = 5

PID final control