BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem proses di pabrik hampir dapat dipastikan merupakan sistem kompleks.

Hal demikian menyebabkan perilaku sistem memiliki orde tinggi dan waktu mati

besar yang berakibat tanggapan variabel proses menjadi lambat. Belum lagi adanya

gangguan yang sukar diatasi dengan pengendalian umpan balik. Persoalan makin

rumit disebabkan adanya kenyataan bahwa sistem proses memiliki banyak masukan

dan banyak keluaran. Menghadapi persoalan demikian ternyata sistem pengendalian

sederhana kurang dapat diterapkan dengan baik. Bahkan terhadap sistem yang

memiliki banyak masukan dan banyak keluaran tidak dapat dipakai pengendali PID

(proportional-integral-derivative) biasa.

Konfigurasi pengendalaian umpan balik melibatkan satu proses variabel terukur

(output) dan satu variabel manifulated dalam satu kalang tunggal (single loop). Ada

konfigurasi pengendali yang menggunakan lebih dari satu pengukuran variabel dan

satu manipulasi atau satu pengukuran dan beberapa variabel manipulated yang

kemudian muncul pengendalian dengan multi loop (kalang jamak) seperti

pengendalian cascade, umpan maju, selektif dan split range, rasio, adaptif serta

pengendalian berbasis computer.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan pada makalah ini sebagai berikut:

1. Apakah yang dimaksud dengan pengendali cascade?

2. Bagaimana aplikasi dari sistem pengendali cascade 1?

3. Bagaimana system kerja dari pengendali cascade?

1

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dalam pembuatan makalah ini yaitu untuk mengetahui pengertian

pengendali cascade dan aplikasi pengendali cascade pada kehidupan sehari-hari.

Selain itu makalah ini dibuat untuk memenuhi tugas kelompok sistem kontrol

distribusi.

1.4 Manfaat

Adapun manfaat dari makalah ini bagi penulis adalah menambah pengetahuan

mengenai pengendali cascade. Manfaat yang didapatkan bagi pembaca yaitu dapat

dijadikan referensi dan bahan dalam membuat makalah mengenai hal yang berkaitan

dengan pengendali cascade.

1.5 Batasan Masalah

Adapun batasan masalah pada makalah ini sebagai berikut:

1. Penulis hanya menjelaskan sistem dari pengendali cascade secara umum.

2. Penulis hanya menjelaskan aplikasi dari pengendali cascade 1.

3. Tidak menjelaskan bagaimana pengendali cascade dibuat/dibentuk.

4. Tidak menjelaskan perbedaan sistem pengendali cascade dengan sistem

pengendali yang lain.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian Sistem Pengendali

Sistem kontrol terdistribusi (DCS) pada dasarnya digunakan untuk suatu sistem

pengendalian proses produksi yang bersifat kontinu. Artinya, proses produksi ini

berlangsung secara terus-menerus dalam waktu yang lama atau setidaknya suatu

proses yang berlangsung secara batch dimana proses akan berhenti jika proses

produksi dalam batch berakhir.

2.1.1 Sistem kendali loop tertutup.

Sistem kendali loop tertutup (closed-loop kontrol sistem) adalah sitem

kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung terhadap aksi

pengendaliannya. Dengan kata lain sistem kendali loop tertutup adalah sistem

kendali berumpan-balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih

antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik (yang dapat berupa sinyal

keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran dan turunannya), diumpankan ke

elemen kendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem

mendekati harga yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa pemakaian aksi umpan-

balik pada loop tertutup bertujuan untuk memperkecil kesalahan sistem.

Diagram yang menyatakan hubungan antara masukan dan keluaran dari

suatu sistem loop tertutup ditunjukkan pada Gambar 2.1 (a). Sementara untuk

memahami konsep sistem kendali loop tertutup, perhatikan sistem pengaturan

tegangan keluaran generator dengan penggerak mula turbin uap sebagaimana

ditujukkan pada Gambar 2.1 (b). 

Melalui observasi mata terhadap voltmeter yang terpasang pada terminal

keluaran generator, operator dengan cepat mengetahui penyimpangan

(kesalahan) jarum penunjuk tegangan dari tegangan kerja yang diharapkan dan

secepat itu pulalah ia harus segera bertindak untuk mengatasi pada kedudukan

normalnya. Hasil operator harus berusaha membuat penyimpangan atau

kesalahan jarum penunjuk voltmeter sekecil mungkin bahkan nol, dengan

memutar handle katup pengatur catu uap ke kanan atau ke kiri tergantung arah

simpangan jarum penunjuk yang sesekali lebih besar atau lebih kecil dari

3

tegangan yang ditetapkan. Mengingat balikan keluaran (tegangan generator)

selalu dibandingkan dengan masukan acuan dan aksi pengendalian terjadi

melalui aksi operator, maka sistem ini disebut sistem kendali manual berumpan-

balik (manual feedback control sistem) atau sistem kendali manual loop tertutup

(manual closed-loop kontrol sistem).

Gambar 2.1 (a) Sistem Kendali berumpan-balik dari sebuah PLTU dan (b) diagram blok sistem loop.

Seandainya elemen kendali automatik digunakan untuk menggantikan

operator manusia seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2, sistem kendali tersebut

menjadi automatik, yang biasa disebut sistem kendali automatik berumpan-balik

atau sistem kendali automatik loop tertutup. Posisi katup pengatur laju aliran uap

(elemen kendali) automatik akan mengatur tekanan aliran uap guna memperoleh

putaran turbin dan poros generator sehingga didapat tegangan keluaran yang

diharapkan. Tegangan keluaran generator yang sebenarnya diukur dengan

menggunakan voltmeter untuk dibandingkan dengan tegangan yang telah

ditetapkan (sinyal referensi) sehingga dihasilkan sinyal kesalahan penggerak.

Sinyal kesalahan yang dihasilkan elemen kendali automatik diperkuat, dan

keluaran elemen kendali dikirim ke motor kecil mengubah posisi katup aliran

catu uap pengatur putaran turbin dan poros generator untuk mengoreksi

tegangan keluran yang sebenarnya. Jika tidak terdapat penyimpangan atau

kesalahan tegangan, maka tidak terjadi perubahan posisi katup pengatur aliran

catu uap.

Sistem kendali manual berumpan-balik dan sistem kendali automatik

berumpan-balik tersebut di atas rnerniliki prinsip kerja yang sama. Garis

4

pandang rnata operator analog dengan detektor kesalahan, otaknya analog

dengan elernen kendali autornatik dan tangannya analog dengan aktuator.

 

Gambar 2.2 Pengaturan tegangan sederhana.

Pengendalian suatu sistem yang kompleks dengan operator manusia

sungguh tidak efektif, karena terdapat beberapa timbal-balik antara beberapa

variabel. Kita ketahui bahwa, dalam sistem yang sederhanapun sistem kendali

automatik dapat menghilangkan setiap kesalahan operasi yang disebabakan oleh

manusia. Dengan kata lain bila memerlukan pengendalian presisi tinggi,

pengendalian sistem harus automatik. Beberapa contoh antara lain semua sistem

servomekanisme, sistem pengendali proses, pemanas air automatik, almari es,

sistem pemanas ruangan automatik dengan termostatik, dan sebagainya.

2.1.2 Sistem kendali loop terbuka. 

Sistem kendali loop terbuka (open-loop kontrol sistem) adalah sistem

kendali yang sinyal keluarannya tidak berpengaruh terhadap aksi

pengendaliannya. Dalam hal ini sinyal keluaran tidak diukur atau

diumpanbalikan untuk dibandingkan dengan sinyal masukannya. Gambar 2.3

menunjukkan hubungan masukan-keluaran suatu sistem kendali loop terbuka.

Sebuah contoh praktis adalah mesin cuci (washing machine). Sejak perendaman,

pencucian dan pembilasan pada mesin cuci ini tidak mengukur sinyal keluaran,

misalnya kebersihan pakaian yang dicuci. Contoh lain yaitu pengendalian atau

pengaturan lampu lalu-lintas yang operasinya juga berdasarkan basis waktu.

Pada sistem ini tidak memperhitungkan perubahan arus lalu-lintas yang terjadi

pada setiap persimpangan jalan. Tepatnya adalah kendaraan yang dapat lewat

saat lampu hijau menyala tidak harus sarna dengan banyaknya kendaraan yang

masuk atau antri pada ruas jalan yang bersangkutan, karena dibatasi oleh waktu

nyala lampu yang sudah ditetapkan.

5

 

Gambar 2.3 Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka

Jadi pada sistem kendali loop terbuka, keluaran tidak dibandingkan dengan

masukan acuannya. Oleh sebab itu, untuk setiap masukan acuan terdapat suatu

kondisi operasi yang tetap. Perlu diketahui bahwa sistem kendali loop terbuka

harus dikalibrasi dengan hati-hati, agar ketelitian sistem tetap terjaga dan

berfungsi dengan baik. Dengan adanya gangguan (disturbances), sistem kendali

loop terbuka tidak dapat bekerja seperti yang diharapkan. Kendali loop terbuka

dapat digunakan dalam praktek hanya jika hubungan masukan dan keluaran

diketahui dan jika tidak terdapat gangguan internal maupun gangguan eksternal.

Dengan demikian jelas bahwa sistem semacam ini bukan sistem kendali

berumpan-balik. Demikian pula bahwa setiap sistem kendali yang bekerja

berdasar basis waktu adalah sistem loop terbuka.

2.2 Pengendali Cascade

Pengendalian umpan balik secara umum digunakan untuk mengatasi perubahan

variabel proses akibat pengaruh gangguan yang masuk. Tetapi, pengendalian umpan

balik hanya memberi tanggapan setelah terjadi perubahan variabel proses terukur.

Padahal gangguan sudah terlanjur masuk dan sebelum berpengaruh pada variabel

proses dapat berakibat fatal pada sistem proses. Jika gangguan dapat diredam oleh

pengendali umpan balik lain (pengendali sekunder) sebelum masuk ke dalam sistem

proses maka gangguan dapat mudah ditangani secara efisien dan tanggapan sistem

menjadi lebih cepat.

Kontrol cascade atau kontrol bertingkat adalah sistem pengendalian yang dapat

dilakukan oleh sistem DCS dimana hal ini diperlukan pada suatu loop kontrol yang

membutuhkan satu sistem pengontrolan yang bertingkat. Pengendalian cascade

(cascade control) diperlukan pada sistem yang memiliki tanggapan variable (proses)

sangat lambat dan sistem yang memiliki gangguan atau perubahan beban cukup besar

6

sehingga mudah mengacaukan atau bahkan merusak sistem peralatan proses. Dengan

demikian akan diperoleh pengendalian yang halus, akurat, dan cepat sehingga

keuntungan pengendalian cascade adalah:

1. Meredam gangguan sebelum berpengaruh pada variabel proses

2. Menambah keamanan operasi

3. Memperluas pengendalian (memperbaiki linearitas)

4. Menambah akurasi pengendalian

5. Mempercepat tanggapan sistem pengendalian (memperbaiki dinamika sistem)

6. Respon keluaran dari single control tidak sesuai dengan yang diharapkan.

7. Terdapat penambahan variabel sekunder di dalam pengendalian plant.

Sedang alasan tidak digunakannya pengendalian bertingkat (cascade control) adalah:

1. Biaya atau rugi-rugi pengukuran variable sekunder.

2. Keruwetan pada pengendaliannya.

Pengendalian cascade memerlukan dua pengendali. Satu pengendali bertindak

sebagai induk (master control, primary control atau outer loop) dan yang lain

sebagai hamba (slave control, secondary control, atau inner loop) yang mendapat

signal input remote dari master loop. Hal penting di sini, tanggapan loop dalam

(inner loop) harus lebih cepat paling tidak tiga kali loop luar (outer loop) tetapi

biasanya 10 sampai 20 kalinya. Dengan kata lain konstanta waktu loop sekunder

harus jauh lebih kecil dibanding loop primer.

Berikut ini adalah contoh blok diagram suatu sistem control bertingkat dimana

terdapat primary control sebagai pengontrol utama dan secondary control sebagai

pengendali kedua.

7

Gambar 2.4 Gambar system control cascade 1 dan 2

8

BAB III

PEMBAHASAN

Ciri khas sistem pengendalian ccascade (bertingkat) adalah adanya

manipulated variable (variabel yang dimanipulasi) sebuah pengendali yang menjadi

set point dari pengendali lain. Diagram blok pengendalian bertingkat dapat dilihat

pada gambar 3.1 dibawah ini.

Gambar 3.1 Diagram blok sistem pengendalian bertingkat (cascade).

Dari Gambar 3.1 terlihat bahwa ada dua jalur umpan balik pada sistem

pengendalian bertingkat (cascade control), sehingga terbentuk dua mata rantai

pengendalian (kalang). Mata rantai atau kalang bagian luar (outer loop) disebut

primary loop atau master, dan mata rantai atau kalang bagian dalam (inner loop)

disebut secondary loop atau slave. Master atau primary loop mengendalikan proses

variabel primer (proses suhu fluida). Sedangkan slave atau secondary loop

mengendalikan proses variabel sekunder (aliran uap).

3.1 Aplikasi

Beberapa contoh aplikasi alat yang menggunakan pengendali cascade adalah

heat exchanger dan Pengendalian suhu reactor.

Contoh: Pengendalian suhu reactor

Pengendalian suhu dalam reaktor dengan memakai air sebagai medium

pendingin. Suhu reaktor dikendalikan dengan memanipulasi laju alir air. Di sini

terdapat gangguan, yang bila tidak diperhatikan bisa menjadi masalah serius, yaitu

suhu. Begitu terjadi perubahan, pengendali suhu tidak segera merasakan perubahan,

sampai reaktor benar-benar berubah. Perubahan suhu jaket dapat diatasi bila terhadap

9

laju alir juga dilakukan pengendalian. Dengan demikian terdapat dua pengendali.

Pertama, pengendali suhu reaktor (TC-1) sebagai pengendali induk (master

controller atau primary controller). Kedua, pengendali suhu jaket (TC-2) sebagai

pengendali hamba (slave controller atau secondary controller). Suhu jaket

dikendalikan dengan mengatur laju alir air. Jika suhu air masuk jaket berubah, suhu

jaket berubah meskipun laju alirnya tetap. Perubahan suhu jaket menunjukkan

perubahan gangguan.

Gambar 3.2 Diagram Instrumentasi Pengendalian Cascade pada Reaktor

Keterangan:

TT-1: Transmitter Suhu Reaktor

TT-2: Transmitter Suhu Jaket

TC-1: Pengendali Suhu Reaktor

TC-2: Pengendali Suhu Jaket

10

Setpoint Suhu Jaket

Air Pendingin Masuk

Setpoint Suhu Reaktor

Produk

Air Pendingin Keluar

Gambar 3.3 Diagram Blok Pengendalian Cascade pada Reaktor

Beberapa bagian penting pada implementasi pengendalian cascade.

1. Loop dalam (sekunder) harus lebih cepat paling tidak tiga kali loop luar (primer)

2. Pengendalian loop dalam (sekunder) tidak perlu akurat, yang penting memiliki

tanggapan cepat terhadap gangguan atau setpoint. Oleh sebab itu pengendali

prporsional (P) biasanya mencukupi.

3. Dalam beberapa hal, jika loop dalam (sekunder) tidak dapat mengikuti setpoint

dalam waktu yang lama diperlukan reset feedback untuk penjejakan keluaran

(output tracking) semacam anti-reset windup.

4. Sistem pengendalian cascade akan menaikkan frekuensi alami dan memperkecil

konstanta waktu sistem. Keduanya merupakan keuntungan sistem ini. Tetapi

keuntungan utama adalah kemampuan mengurangi pengaruh gangguan.

5. Pengendalian cascade dapat menyempurnakan kinerja sistem pengendalian

umpan balik secara dramatic, jika dirancang dan diterapkan dengan benar.

11

SuhuReaktor

-

+

-

Suhu JaketLaju Alir

+

Setpoint Suhu Jaket

Transmitter Jaket

Pengendali Primer

ReaktorJaket

Transmitter Reaktor

Katup Kendali

Pengendali Sekunder

Setpoint Suhu Reaktor

BAB IV

PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan pembahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Kontrol ccascade atau control bertingkat adalah sistem pengendalian yang

dapat dilakukan oleh sistem DCS dimana hal ini diperlukan pada suatu loop

kontrol yang membutuhkan satu sistem pengontrolan yang bertingkat.

2. Pengendalian cascade diperlukan pada sistem yang memiliki tanggapan

variabel proses sangat lambat dan sistem memiliki gangguan atau perubahan

beban yang cukup besar sehingga mudah atau bahkan merusak sistem peralatan

proses.

3. Pada pengendali cascade memerlukan dua pengendali yaitu master control dan

slave control.

4. Contoh aplikasi alat yang menggunakan pengendali cascade 1 adalah heat

exchanger dan Pengendalian suhu reactor.

12