PENALAAN KENDALI PID UNTUK PENGENDALI PROSES

Transkripsi

1 PENALAAN KENDALI PID UNTUK PENGENDALI PROSES Raita.Arinya Universitas Satyagama Jakarta Abstrak Penalaan parameter kontroller PID selalu iasari atas tinjauan terhaap karakteristik yang iatur (Plant). Dengan emikian betapapun rumitnya suatu plant, perilaku plant tersebut harus iketahui terlebih ahulu sebelum penalaan parameter PID itu ilakukan. Karena penyusunan moel matematik plant tiak muah, maka ikembangkan suatu metoe eksperimental. Metoe ini iasarkan paa reaksi plant yang ikenai suatu perubahan. Dengan menggunakan metoe itu moel matematik perilaku plant tiak iperlukan lagi, karena engan menggunakan ata yang berupa kurva keluaran, penalaan kontroler PID telah apat ilakukan. Penalaan bertujuan untuk menapatkan kinerja sistem sesuai spesifikasi perancangan. Latar Belakang Elemen-elemen sistem pengenalian otomatis aalah sebagai berikut : Controller : Elemen yang membaningkan sinyal feeback engan set point an memeberikan sinyal koreksi ke elemen final control element Final control element : Elemen yang merubah besarnya nilai measurement variable engan memanipulasi manipulate variable berasarkan sinyal koreksi ari controller Plant : Elemen yang ikenalikan konisinya Feeback : Elemen umpan balik teriri ari elemen sensing, transmitter, sb Salah satu tugas komponen kontroler aalah mereuksi sinyal kesalahan, yaitu perbeaan antara sinyal setting an sinyal aktual. Hal ini sesuai engan tujuan sistem kontrol aalah menapatkan sinyal aktual senantiasa (iinginkan) sama engan sinyal setting. Semakin cepat reaksi sistem mengikuti sinyal aktual an semakin kecil kesalahan yang terjai, semakin baiklah kinerja sistem kontrol yang iterapkan.apabila perbeaan antara nilai setting engan nilai keluaran relatif besar, maka kontroler yang baik seharusnya mampu mengamati perbeaan ini untuk segera menghasilkan sinyal keluaran untuk mempengaruhi plant. Dengan emikian sistem secara cepat mengubah keluaran plant sampai iperoleh selisih antara setting engan besaran yang iatur sekecil mungkin. Elemen yang ikenalikan konisinya (Plant) aalah berupa Separator 3 phasa.fungsi utama separator aalah : a. Unit pemisahan utama antara cairan an gas b. Melanjutkan proses engan memisahkan gas ikutan ari cairan c. Untuk mengontrol penghentian kemungkinan pelepasan gas ari cairan. Memberikan waktu yang cukup pemisahan antara minyak an air yang ikut terprouksi Separator menurut jenisnya ibagi menjai ua, yaitu : 1. Separator ua fasa : Memisahkan fluia formasi menjai cairan an gas, gas keluar ari bagian atas seangkan cairan keluar ari bagian bawah. 2. Separator Tiga Fasa : 30

2 Memisahkan fluia formasi menjai minyak, air an gas. Gas keluar i bagian atas, minyak i tengah an air i bagian bawah. 1. Pengenalian PID 1.1. Kontroler Proposional (P) Kontroler proposional memiliki keluaran yang sebaning/proposional engan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang iinginkan engan harga aktualnya). Secara lebih seerhana apat ikatakan, bahwa keluaran kontroller proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional engan masukannya. Perubahan paa sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya. Kontroler proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional (proportional ban) an konstanta proporsional. Daerah kerja kontroller efektif icerminkan oleh Pita proporsional, seangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhaap sinyal kesalahan, K p. Hubungan antara pita proporsional (PB) engan konstanta proporsional (K p ) itunjukkan secara prosentasi oleh persamaan berikut: Gambar 1 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran kontroler an kesalahan yang merupakan masukan kontroler. Ketika konstanta proporsional bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang ikuatkan akan semakin sempit. Ciri-ciri kontroler proporsional harus iperhatikan ketika kontroler tersebut iterapkan paa suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroller proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini: 1. Kalau nilai K p kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. 2. Kalau nilai K p inaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keaaan mantabnya. 3. Namun jika nilai K p iperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tiak stabil, atau respon sistem akan berosilasi. 1.2 Kontroler Integral (I) Kontroller integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keaaan mantap nol. Kalau sebuah plant tiak memiliki unsur integrator (1/s ), kontroller proporsional tiak akan mampu menjamin keluaran sistem engan kesalahan keaaan mantabnya nol. Dengan kontroller integral, respon sistem apat iperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keaaan mantapnya nol. Kontroler integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroller sangat ipengaruhi oleh perubahan yang sebaning engan nilai sinyal kesalahan. Keluaran kontroler ini merupakan jumlahan yang terus menerus ari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tiak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keaaan seperti sebelum terjainya perubahan masukan. Sinyal keluaran kontroler integral merupakan luas biang yang ibentuk oleh kurva kesalahan penggerak- lihat konsep numerik. Sinyal keluaran akan berharga sama engan harga sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. ilai laju perubahan keluaran kontroler berubah menjai ua 31

3 kali ari semula. Jika nilai konstanta integrator berubah menjai lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif kecil apat mengakibatkan laju keluaran menjai besar.ketika igunakan, kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: 1. Keluaran kontroler membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenerung memperlambat respon. 2. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan paa nilai sebelumnya. 3. Jika sinyal kesalahan tiak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang ipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan an nilai K i. 4. Konstanta integral K i yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta K i akan mengakibatkan peningkatan osilasi ari sinyal keluaran kontroler. 1.3 Kontroler Diferensial (D) Keluaran kontroler iferensial memiliki sifat seperti halnya suatu operasi erivatif. Perubahan yang menaak paa masukan kontroler, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar an cepat. Ketika masukannya tiak mengalami perubahan, keluaran kontroler juga tiak mengalami perubahan, seangkan apabila sinyal masukan berubah menaak an menaik (berbentuk fungsi step), keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah naik secara perlahan (fungsi ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar magnitunya sangat ipengaruhi oleh kecepatan naik ari fungsi ramp an faktor konstanta iferensialnya T. Karakteristik kontroler iferensial aalah sebagai berikut: 1. Kontroler ini tiak apat menghasilkan keluaran bila tiak aa perubahan paa masukannya (berupa sinyal kesalahan). 2. Jika sinyal kesalahan berubah terhaap waktu, maka keluaran yang ihasilkan kontroler tergantung paa nilai T an laju perubahan sinyal kesalahan. 3. Kontroler iferensial mempunyai suatu karakter untuk menahului, sehingga kontroler ini apat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan menjai sangat besar. Jai kontroler iferensial apat mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat korektif, an cenerung meningkatkan stabilitas sistem. Berasarkan karakteristik kontroler tersebut, kontroler iferensial umumnya ipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tiak memperkecil kesalahan paa keaaan tunaknya. Kerja kontrolller iferensial hanyalah efektif paa lingkup yang sempit, yaitu paa perioe peralihan. Oleh sebab itu kontroler iferensial tiak pernah igunakan tanpa aa kontroler lain sebuah sistem. 1.4 Kontroler PID Setiap kekurangan an kelebihan ari masing-masing kontroler P, I an D apat saling menutupi engan menggabungkan ketiganya secara paralel menjai kontroler proposional plus integral plus iferensial (kontroller PID). Elemen-elemen kontroller P, I an D masingmasing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset an menghasilkan perubahan awal yang besar.berikut ini gambar blok iagram kontroler PID. Keluaran kontroller PID merupakan jumlahan ari keluaran kontroler proporsional, keluaran kontroler integral. Karakteristik kontroler PID sangat ipengaruhi oleh kontribusi besar ari ketiga parameter P, I an D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, an T akan mengakibatkan penonjolan sifat ari masing-masing elemen. Satu atau ua ari ketiga konstanta tersebut apat isetel lebih menonjol ibaning yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh paa respon sistem secara 32

4 keseluruhan. Paa aplikasi ilapangan kontroler PID apat kita ientikan engan : P : gain (pertambahan / pencapaian), I : reset,d : rate (laju / kecepatan). 2. Simulasi engan BESTune Gambar 17. Stanar Inepenent PID Controller Metoa Stanar Inepenent PID Controller Untuk aplikasi ini kita memilih tipe / moel kontroler : Stanar Inepenent PID Controller 3 persamaan untuk perhitungan inepenent PID control aalah sebagai berikut: Type A: CO K e K et K p i e t Type B: CO K p e K i et K ( PV ) t Type C: CO K p ( PV ) K i et K ( PV ) t Kita merekomenasikan untuk menggunakan tipe C (sebagian besar inustri menggunakan perhitungan salah satu ari tipe A atau tipe B) Tipe A : Semua batas P, I an D membuat error = SP PV Tipe B : P&I membuat error = SP PV, Batas D paa PV Tipe C : I paa error = SP PV, P an D paa PV Persamaan iferensiasi ari perhitungan tipe C aalah sbb : CO K et K i p PV K 2 PV t Persamaan iskrit ari persamaan iatas engan waktu sampling Ts untuk apat ipergunakan alam computer igital 33

5 K CO( k) CO( k 1) Kie( k) Ts K p[ PV ( k) PV ( k 1)] [ PV ( k) 2PV ( k 1) PV ( k 2)] Ts imana Ts: Sampling perio secons Kp: Proportional gain No unit Ki: Integral grain (1/secon) K: Derivative gain secons Hal yang perlu iperhatikan walau sering iabaikan : Ketika CO(k)>CO, kita harus memberi nilai CO(k)=CO s ; an Ketika CO(k)<, Kita harus membuat CO(k)=CO s. Set Point (berwarna merah) harus sama engan Proses variabel (berwarna biru). Sebagai contoh, jika CO(k)=100 menanakan control valve (proses variable) 100% open an CO=10 menanakan control valve (proses variabel) masih tertutup, kemuian nilai CO(k) ihitung engan persamaan PID lebih besar 100, kita harus mengganti nilai CO(k)=100 an ketika nilai CO(k) ihitung persamaan PID kurang ari 10, kita harus memberi nilai CO(k)=10. Dari percobaan Tuning PID yang telah ilakukan engan menggunakan software BESTune engan memasukan nilai: Kp : 1 Ki : 0.5 K : 0 iapatkan ata yang irepresentasikan alam bentuk grafik sebagai berikut: Terlihat paa grafik bahwa sebelum harga PV menyesuaikan SP, terjai overshoot (lonjakan) engan waktu tuna. Kita coba menaikan nila Kp menjai 10, nilai Ki an K tetap Kp : 10 Ki : 0.5 K : 0 34

6 Terlihat paa grafik bahwa sebelum harga PV menyesuaikan SP, tiak terjai overshoot (lonjakan) an waktu tuna (T) lebih cepat ibaningkan percobaan pertama. Kita coba menaikan nilai Ki menjai 2 Kp : 10 Ki : 2 K : 0 Terlihat paa grafik bahwa sebelum harga PV menyesuaikan SP, terjai overshoot (lonjakan) an waktu tuna (T) lebih cepat ibaningkan percobaan keua. Kita coba memberi nilai K menjai 100 Kp : 10 Ki : 2 K :

7 Terlihat bahwa terjai overshoot an respon PV menjai lebih lambat. Penilaian untuk karakteristik pengenalian isini iasarkan atas nilai Maksimum Overshoot (Mp) an Time Settling (Ts). Hal ini ikarenakan keua nilai parameter tersebut mempunyai pengaruh yang sangat signifikan sekali alam grafik osilasi PID. Dengan mengetahui Maksimum Overshoot an Time Settling, maka kita apat menentukan respon ari pengenalian yang terbaik ari masing-masing percobaan. Secara teori Makasimum Overshoot an Settling Time mempunyai hubungan yang bertolak belakang. Artinya, ketika suatu pengenalian mempunyai Maksimum Overshoot yang tinggi maka pengenalian tersebut biasanya mempunyai Settling time yang penek, begitu juga engan sebaliknya. Paa bagian ini kita akan mencoba menerangkan pengaruh ari masing-masing parameter PID yaitu Kp, Ti, T paa respon pengenalian secara utuh. Parameter Kp ientik sekali engan pengenalian Proporsional. Nilai Kp ini sangat berpengaruh kepaa sensitifitas ari kontroler, artinya semakin besar nilai Kp maka kontroller akan semakin sensitif, begitu juga engan sebaliknya. Parameter Ti ientik sekali engan pengenalian Integral. Pengenalian Integral ini memupunyai sifat apat mengeluarkan output paa saat input sama engan nol. Jika nilai Ti mempunyai harga yang besar maka reaksi pengenali akan semakin cepat atau pengenali semakin sansitif, bengitu juga engan sebaliknya.parameter T ientik sekali engan Pengenalian Diferensial. Pengenalian Diferensial ini mempunyai sifat yang tiak apat mengeluarkan output jika tiak terapat perubahan input. Nilai output berbaning lurus engan nilai T, artinya semakin besar nilai T maka akan semakin besar pula nilai output yang ihasilkan. Jai parameter Kp, Ti, T paa respon pengenalian yang menggunakan PID aalah saling memberikan aksi yang apat mengatasi kekurangan ari masing masing pengenali P, I, an D. Unsur P, I, an D masing-masing berguna untuk mempercepat reaksi sistem, menghilangkan offset, an menapatkan energi ekstra isaat-saat awal perubahan loa atau set point. Sayangnya semua kelebihan pea pengenali PID tiak apat ipakai untuk mengenalikan semua process variable. Hanya Process Variable yang tiak menganung riak saja yang boleh ikenalikan engan unsur D. Oleh karena itu, pengenali PID biasanya hanya ipakai untuk pengenalian temperatur. Penyetelan salah satu ari Kp, Ti, T apat ibuat lebih menonjol aripaa yang lain. Unsur yang menonjol itulah yang kemuian akan membawa pengaruh paa respon sistem secara keseluruhan. Kesimpulan 1. Parameter Kp ientik sekali engan pengenalian Proporsional. Nilai Kp ini sangat berpengaruh kepaa sensitifitas ari kontroler, artinya semakin besar nilai Kp maka kontroller akan semakin sensitif, begitu juga engan sebaliknya. 2. Parameter Ti ientik sekali engan pengenalian Integral. Pengenalian Integaral ini mempunyai sifat apat mengeluarkan output paa saat input sama engan nol. Jika nilai Ti mempunyai harga yang besar maka reaksi pengenali akan semakin cepat atau pengenali semakin sansitif, bengitu juga engan sebaliknya 3. Parameter T ientik sekali engan Pengenalian Diferensial. Pengenalian Diferensial ini mempunyai sifat yang tiak apat mengeluarkan output jika tiak terapat perubahan input. Nilai output berbaning lurus engan nilai T, artinya semakin besar nilai T maka akan semakin besar pula nilai output yang ihasilkan 4. Jai parameter Kp, Ti, T paa respon pengenalian yang menggunakan PID aalah saling memberikan aksi yang apat mengatasi kekurangan ari masing masing pengenali P, I, an D. Unsur P, I, an D masing-masing berguna untuk mempercepat reaksi sistem, menghilangkan offset, an menapatkan energi ekstra isaat-saat awal perubahan loa atau set point 36

8 Daftar Pustaka George.Ellis, Control System Design Guie, 3 r eition, Elsevier Acaemic Press, 2004 John A.Shaw, The PID Control algorithm : How it works an how to tune it, Process Control Solutions, November 7, 2001 Katsuhiko Ogata, Moern Control Engineering,3 r eition, Prentice Hall, Raita Arinya, Instrumentasi an Kontrol Proses, Penerbit Graha Ilmu,