kontrol proses

Sukarman

Latar belakang• Pengamatan proses kimia di pabrik /lab :• Aliran vesel to vessel, gelembung cairan, material viscositas

dan terjadi perubahan secara kontinu.• Dengan perubahan sedikit berakibat fatal• Jadi dunia bersifat dinamik perlu ada kontrol proses (sistem)• Perlu memahami perilaku sistem (dinamiknya).• Perlu teknik pengontrolan, desain, membangun,

mengoperasikan sistem fisik.• Teknik kontrol : analisis matematik dan praktek

teknik,untuk memahami tujuan dari kontrol proses

Filosofi Dasar Sistem Kontrol

• Obyektif Sistem Kontrol Automatis

chemical plant susunan unit-unit prosesreaktor

pompa

kolom destilasi

absorber

evaporator

tangki

terintegrasi

sistematik rasional

Obyektif keseluruhan pabrik

bahan baku tertentu (input feedstock)produkProses

Filosofi Dasar Sistem KontrolTujuan

ProfitMonitoring,diagnosis

Target 2. komposisi produk, warna, dll. pada keadaan yang kontinyu dan dengan biaya

minimum

1. (safety) baik bagi buruh maupun peralatan

3. limbah yang dihasilkan oleh proses tersebut tidak melebihi ambang batas lingkungan

Peralatan memiliki batasan (constraint) untuk operasi peralatan : -pompa harus menjada net positive suction head-tangki seharusnya tidak overflow atau menjadi kering-kolom distilasi seharusnya tidak terjadi banjir (flood)- suhu pada sebuah reaktor katalitik seharusnya tidak melebihi batas atasnya

sehingga katalis menjadi rusak

4. Operasi pabrik sesuai dengan kondisi pasar, : - ketersediaan bahan baku- energi, modal-- tenaga kerja

tingkat yang optimum

biaya operasi yang minimum

keuntungan yang maksimum

Jenis Sistem Kontrol

• Sistem kontrol lup tertutup (closed-loop control system).

• Sistem kontrol lup terbuka (open-loop control system).

Diagram blok sistem kontrol lup tertutup

Contoh Sistem termal

AC, kulkas, seterika automatik, pompa automatik

sistem kontrol lup terbuka

Diagram blok sistem kontrol lup terbuka

Kelebihan:

konstruksinya sederhana dan perawatannya mudahlebih murahtidak ada persoalan kestabilancocok untuk keluaran yang sukar diukur /tidak ekonomis

Kelemahan:

gangguan dan perubahan kalibrasiuntuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu

Klasifikasi Kebutuhan Sistem Kontrol

• Menekan pengaruh gangguan (disturbance/upset) eksternal

• Memastikan kestabilan suatu proses• Optimisasi performansi suatu proses

Aspek-aspek Disain Sistem Kontrol

• Variabel masukan (input):– manipulated (adjustable) variable– disturbance:• (measured), suhu masuk, laju alir masuk, dll• (unmeasured), Noise

• Variabel keluaran (output):– (measured): suhu produk, laju alir produk, dll– (unmeasured)

Elemen-elemen disain sistem kontrol

1. Mendefinisikan obyektif pengontrolan2. Menyeleksi Jenis pengukuran3. Menyeleksi variabel yang dimanipulasikan4. Menyeleksi konfigurasi kontrol5. Mendisain kontroler

Obyektif pengontrolan

• Memastikan kestabilan proses• Menekan pengaruh gangguan luar• Optimisasi kinerja plant secara ekonomis• Kombinasi dari semua yang di atas

Jenis pengukuran

· Primary measurement: variabel yang dimonitor secara langsung dan dapat diukur secara kuantitaif

· Secondary measurement: variabel lain yang dapat diukur, secara mudah dalam rangka memonitor variabel keluaran yang tak dapat diukur

· Pengukuran gangguan: pengukuran gangguan secara langsung dipakai dalam kontrol umpan-maju.

Obyektif kontrol , mengukur harga variabel proses

Tekanan, suhu, konsentrasi , dll

Menyeleksi manipulated variabel

Apakah manipulated variable yang digunakan untuk mengontrol proses?

Biasanya dalam sebuah proses kita memiliki sejumlah variabel masukan yang dapat disetel secara bebas.

Variabel-variabel manakah yang gunakan sebagai manipulated variable adalah pilihan yang sangat penting karena akan mempengaruhi kualitas aksi pengontrolannya.

Menyeleksi konfigurasi kontrol• Konfigurasi/struktur kontrol:

Alternatif skema kontrol level-cairan

1. Manipulated variable dengan aliran-aliran informasi yang sama

Menyeleksi konfigurasi kontrol

Kontrol suhu berumpan-balik Kontrol suhu berumpan-maju

2. Informasi (pengukuran) melalui manipulated variable yang sama

stirred tank heater

Berdasarkan berapa keluaran yang dikontrol dan masukan yang dimanipulasikan, proses konfigurasi kontrol dibagi :

• sistem kontrol SISO• sistem kontrol MIMO

Mendisain kontroler

ProsesSensorTransduser Transmiter Kontroler Elemen kontrol akhir Recorder

Operasi Dasar Sistem Kontrol

tiga operasi dasar yang harus ada di setiap sistem kontrol :

• Measurment (M), sensor dan transmittervariabel yang dikontrol

• Decision (D), untuk menjaga variabel tersebut pada harga yang diinginkan

• Action (A), sebagai hasil dari keputusan kontroler, dilakukan oleh elemen kontrol akhir

Pemodelan matematik

Sinyal Transmisi• Sinyal pneumatic atau tekanan udara, normalnya 3 -15 psig

• Sinyal elektrik (elentric) atau elektronik, normalnya antara 4 dan 20 mA.

• Sinyal digital atau diskret (nol dan satu)

Transduser I/P

Istilah • Controlled variable (variabel yang dikontrol): Variabel yang harus

dijaga atau dikendalikan pada harga yang diinginkan. Contoh:laju alir, komposisi, suhu, level, dan tekanan

• Setpoint: Harga yang diinginkan dari controlled variable

• Manipulated variable (variabel yang diubah-ubah): Variabel yang digunakan untuk menjaga contolled variable berada pada setpointnya; biasanya berupa laju alir dari aliran tertentu yang masuk atau

meninggalkan suatu proses• Uncontrolled variable: Variabel di dalam proses yang tidak bisa

dikontrol. Contohnya: suhu dari sebuah tray dalam kolom distilasi• Disturbance atau upset (gangguan): Variabel yang dapat

menyebabkan controlled variable berubah dari harga setpointnya;

Klasifikasi gangguan

• Bentuk: step, pulse, impulse, ramp, sinusoidal, dsb.• Lokasi di feedback loop:– load disturbance, (perubahan komposisi umpan, suplai

tekanan uap air, suhu air pendingin, dsb.). fungsi kontroler: mengembalikan controlled variable pada setpoint-nya dengan perubahan yang tepat pada manipulated variable

– setpoint disturbance, perubahannya dapat dibuat, khususnya dalam proses batch atau dalam merubah dari satu kondisi ke kondisi lain dalam proses kontinyu). fungsi kontroler: mendorong controlled variable mencapai setpoint yang baru

Teknik untuk analisis dinamika proses

• Transformasi Laplace, PD nonlinear linearisasi TL

• Simulasi komputer,

Contoh

go is taken as the output,

qi is input and h the output,

we have used the relationship

TRANSFORMASI LAPLACE

sinyal uji

• Unit step function

Fungsi impuls

Transformasi Laplace Sinyal Uji

Transformasi Laplace Sinyal Uji

CONTOH:

Contoh Cari c(t)

EIGENVALUES DAN KESTABILAN• Persamaan Karakteristik dari PD dan dari sistem yang memiliki

respon dinamik,• Eigenvalues: eigen (Jerman) berarti karakteristik atau diri,

merupakan akar-akar persamaan karakteristik

1. Merupakan definisi sifat PD.2. Tidak tergantung masukan forcing function.3. Menentukan apakah respon waktunya monoton (kasus 1 dan 3) atau

berosilasi (kasus 2).4. Menentukan apakah respon tersebut stabil atau tidak.

PD disebut stabil bila respon waktunya tetap terbatas

Contoh

LINEARISASI DAN VARIABEL DEVIASI

• Transformasi Laplace (TL) hanya dipakai pada PD linear

• Proses di industrinonlinear

CONTOH

• Tentukan aproksimasi linear dari fungsi non-linear:

Contoh

SISTEM DINAMIK ORDE SATU

RESPON PROSES ORDE-SATU

FUNGSI ALIH DAN DIAGRAM BLOK• rasio antara TL variabel keluaran dan TL variabel masukan

• Fungsi alih mendefinisikan dengan sempurna karakteristik ss dan dinamik, respon total, sistem pada PD.

DIAGRAM BLOK

• representasi secara grafik pengontrolan suatu proses

DIAGRAM BLOK

Contoh

Contoh

next

Sistem orde-dua

respon sistem tergantung pada rasio redaman

PERFORMANSI SISTEM KONTROL

fungsi alih sistem orde 2:

Overshoot (lewatan maksimum, Mp):

Decay ratio:

Peak time (waktu puncak, tp)

Rise time (waktu naik, tr):

Periode osilasi (T):

Setting time (waktu penetapan, ts)

Delay time (waktu tunda): waktu yang diperlukan respon untuk mencapai setengahharga akhir yang pertama kali.

CONTOH

contoh

KOMPONEN DASAR SISTEM KONTROL

• SENSOR DAN TRANSMITER1) Range of the instrument: harga yang rendah dan

tinggiMisal: sensor/transmiter tekanan yang telah dikalibrasi

untuk mengukur tekanan proses antara 20 psig dan 50 psig

2) Span of the instrument: beda antara harga tinggi dan rendah; dari contoh berarti spannya 30 psi.

3) Zero of the instrument: harga range yang rendah; dari contoh berarti zeronya 20 psig.

Untuk menggambarkan perilaku sensor/transmiter:• Gain of a sensor/transmitter (rasio antara span keluaran dan span masukan).1) Gain yang konstan• sensor/transmiter tekanan elektronik yang memiliki range 0-200 psig dengan

sinyal keluarannya 4-20 mA,

• 2) Gain sebagai sebuah fungsi, sensor tekanan differensial yang digunakan untuk mengukur tekanan differensial (h) yang melalui orifis. Persamaan sinyal keluaran dari transmiter tekanan differensial elektronik:

• Respon dinamik dari sensor/transmiter lebih cepat dari pada proses, sehingga konstanta waktu dan dead time diabaikan. Fungsi alihnya hanya berisi gain yang murni.

• Karena sifatnya dinamik, maka fungsi alih instrument dinyatakan dalam sistem orde-satu atau orde-dua:

• CONTROL VALVEControl valve merupakan elemen kontrol akhir yang

umum. Ia bekerja sebagai sebuah pembatasan yang berubah-ubah (variable restricton) dalam pipa proses.

KONTROLER

• Kontroler adalah otak lup kontrol. Ia membuat keputusan dalam sistem kontrol dengan melakukan:

1. Membandingkan sinyal proses dari transmiter, variabel yang dikontrol, dengan setpointnya.

2. Mengirim sinyal yang cocok ke control valve; atau elemen kontrol akhir lainnya dalam rangka menjaga variabel yang dikontrol pada setpoint-nya.

jenis aksi kontroler

1. Aksi berlawanan (reverse action) atau turun: bila harga output naik maka kontroler mengurangi sinyal output (udara tekan atau arus )-nya.

2. Aksi searah (direct action) atau naik: sebaliknya.

Jenis Kontroler

1. Kontroler Proporsional (P).2. Kontroler Proporsional Integral (PI).3. Kontroler Proporsional Deravatif (PD).4. Kontroler Proporsional Integral Deravatif (PID).

Kontroler Proporsional (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 kontrol proporsional dengan error.

· gainnya: Kc sangat mempengaruhi error, makin besar Kc makin kecil offsetnya, meski ada harga Kc maksimum.

. proportional band (PB);

• definisi lain PB: error yang dibutuhkan untuk menghasilkan keluaran tambahan dari kontroler ke control valve

Kontroler Proporsional Integral (PI)

. aksi integral bukan untuk mengembalikan ke error nol, tapi menjaga pada harga yang ia meuncul di sepanjang waktu, sehingga ada output yang cukup untuk membuka control valve

· tidak ada offset· respon lebih lambat, karena error tidak dapat dihilang-kan

dengan cepat· harga overshoot paling tinggi· dipakai bila kelemahan di atas ditoleransi sementara offset tidak· disebut pula reset action. gainnya

Kontroler Proporsional Derivatif (PD)

· disebut juga anticipatory/rate control· aksi kontrol 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

Kontroler Proporsional Integral Derivatif (PID)

· paling baik, tapi paling mahal· mengkompromi antara keuntungan dan kerugian kontroler di

atas· offset dihilangkan dengan aksi integral, sedangkan aksi derivatif

menurunkan overshoot dan waktu osilasi· digunakan pada sistem yang agak lamban/melempem· kontroler sering dipasang karena berbagai kepandaian yang

dimilikinya dan bukan karena analisis sistem mengindikasikan kebutuhan akan ketiga mode kontrol di atas

· gainnya:

Teknik Respon Frekuensi

Bode Plot : penggambaran grafik fungsi AR (MR) dan sudut fasa (q) yang palingumum. (1) log AR (or log MR) vs. log w

(2) q vs. Log w

(1) Garis pada MR, masukkan:

(2). Garis pada q, masukkan:

Contoh

Kreiteria Kestabilan Respon Frekuensi• Agar sistem kontrol stabil maka ratio amplitudo (AR) harus lebih kecil dari 1

(satu) pada .

Sistem akan stabil bila Kc lebih kecil dari 1