Pemodelan dan Disain Kontroler Kaskade Pada Sistem Pressure Process Trainer Feedback Risfendra, Sukardi. Abstract

Transkripsi

1 Pemodelan dan Disain Kontroler Kaskade Pada Sistem Pressure Process Trainer Feedback Risfendra, Sukardi Abstract This articel aim to design cascade controller in pressure control trainer, Feedback The device has been equipped with PID controller which is a single-loop controller structure applied widely in industry. The controller is easily implemented and relatively easy in tuning. However, in the other hand, it is unable to reduce load disturbance effect. In process control system, load disturbance becomes a main problem. Cascade control can be used to overcome the problem. The design begin with plant identification to find the mathematical model and calculate the controller parameter. The structure of controller is PI-PI cascade whole most popular cascade controller structure in process control systems. The simulation result shown that design of closed-loop system with cascade PI-PI controller is better than single PI and single PID controller. This design have ability to reduce load disturbance until %. Key words : cascade control, load disturbance, pressure control trainer. PENDAHULUAN Sistem kontrol pneumatik bertekanan rendah secara luas telah diterapkan pada teknologi sistem kontrol industri. Adapun alasan pemakaian yang luas ini termasuk antara lain sifat tahan ledakan, kesederhanaan dan perawatan yang mudah [5]. Katup pneumatik banyak digunakan untuk pengaturan aliran fluida pada berbagai industri proses. Hal ini karena konstruksinya yang memungkinkan untuk melakukan aksi kontrol yang bagus. Katup pneumatik bekerja dengan mengatur tekanan sehingga dia dapat melakukan aksi buka tutup. Perkembangan teknologi sistem kontrol proses di industri dewasa ini menuju penerapan teknologi elektro-pneumatik, yaitu pengendalian sinyal dan komponen pneumatik melalui sinyal listrik. Dengan demikian pengendalian dapat dilakukan secara elektrik dengan bantuan rangkaian elektronik atau komputer. Dalam sistem pengendalian proses, masalah gangguan beban menjadi perhatian utama, oleh sebab itu diperlukan suatu disain kontroler yang memiliki performansi bagus dan mampu mereduksi pengaruh gangguan yang terjadi akibat perubahan beban. Struktur kontroler single loop, khususnya PID, telah menjadi standar otomasi industri karena kelebihannya yang mudah diimplementasikan dan relatif mudah pula untuk ditala, namun di sisi lain tidak mampu mengeliminasi pengaruh gangguan yang terdapat pada sistem proses. Struktur kontrol kaskade (Cascade control) sangat efektif dalam mereduksi efek gangguan yang terjadi pada sistem proses [3]. Di samping itu kontrol kaskade juga memiliki kelebihan untuk meningkatkan respon sistem [7].. Pressure Control Trainer Procon 38 Series System adalah peralatan yang digunakan untuk menunjukkan segala sesuatu tentang pengendalian proses. Pada panel depan trainer yang diperlihatkan pada Gambar, terdapat skema yang menunjukkan komponen-komponen utama beserta Vol. IX, No. Agustus 008

2 instalasinya dalam notasi pneumatik. Pada trainer terdapat pneumatic control valve, orifice block, dan pressure tappings yang terhubung pada saluran pipa udara. Setelah melewati keseluruhan proses, aliran udara dapat dibuang langsung keluar atau ditampung ke air receiver yang terdapat pada bagian belakang trainer untuk pengamatan respon proses yang lebih lambat. Pemasangan air receiver dapat dilakukan secara seri ataupun paralel. Pengoperasian process control trainer memerlukan beberapa peralatan pendukung lainnya yaitu Process Interface 38-00, Process Controller , Pressure Transmitter 38-46, Differential Pressure Transmitter 38-46, Digital Display Module dan Compressor Unit Katup pneumatik pada trainer dioperasikan dari current to pressure converter (I/P) yaitu alat pengubah sinyal listrik menjadi sinyal pneumatik. I/P Converter menerima sinyal kontrol sebesar 4-0 ma dari process interface dan mengubahnya menjadi sinyal pneumatik sebesar 3-5 psi. Berikutnya adalah sensor direct pressure untuk mengukur tekanan udara dan sensor differential pressure sebagai pengukur aliran udara (flow). Masing-masing sensor tersebut sudah dilengkapi dengan rangkaian pengkondisi sinyal (signal conditioning and 38-46) agar sesuai dengan tegangan dan arus kerja Process Interface Struktur Kontroler Kaskade Kontroler kaskade (Cascade controler) merupakan teknik kontrol yang sering digunakan pada pengendalian proses karena memungkinkan untuk memperoleh performansi kontroler yang lebih baik bila dibandingkan dengan kontroler tunggal (single controller)[9]. Ada dua tujuan dari kontroler kaskade: () untuk mengeliminasi pengaruh gangguan () meningkatkan atau memperbaiki kedinamisan performansi control loop. [3] Gambar. Diagram blok sistem Cascade Control [9] Gambar. Bagian depan dari pressure control trainer Feedback [] Diagram blok sistem kontrol kaskade diilustrasikan pada Gambar. Kontroler yang terdapat pada outer loop, Gc, biasanya disebut sebagai master atau primary controller (kontroler primer) dan yang terdapat pada inner loop, Gc, disebut sebagai auxiliary atau secondary controller (kontroler sekunder). Dengan kata lain dapat diilustrasikan, bahwa karakteristik dasar dari kontrol kaskade adalah konfigurasi dari dua kontroler, di mana output kontroler yang pertama merupakan setpoint untuk kontroler berikutnya. Secara umum, sistem kontrol kaskade memiliki beberapa kelebihan dari sistem kontroler single loop, yaitu [7] Vol. IX, No. Agustus 008

3 Gangguan yang terjadi pada inner loop dapat dikoreksi melalui auxiliary controller sebelum berpengaruh terhadap variabel y yang dikendalikan. Koreksi yang dilakukan akan menjadi lebih baik apabila respon inner loop lebih cepat dari pada outer loop. Kecepatan respon sistem dapat ditingkatkan apabila kecepatan respon yang dihasilkan auxiliary control loop melebihi kecepatan respon proses G. Karena keberadaan auxiliary feedback control, maka variasi parameter yang terjadi pada proses G dapat dikoreksi langsung pada inner loop tersebut. Dari Gambar., fungsi alih dari inner loop, yang dinotasikan sebagai G i, memiliki persamaan Y GcG G i () R GcG dengan demikian maka fungsi alih yang dimiliki sistem closed-loop tersebut menjadi Y GGcG G p R GGcG () GcGcGG GcG GcGcGG Untuk sistem yang diberi gangguan, misalnya pada d (gangguan pada inner loop), dan d = 0, maka fungsi alih keluaran sistem adalah Y G D GcG GcGcGG (3) Jika umpan balik pada inner loop ditiadakan maka tentulah kontroler Gc tidak diperlukan, maka fungsi alih keluaran sistem menjadi Y G (4) D Gc G G terdapat perbedaan pada penyebut pers. (3) dan (4) yang merupakan persamaan karakteristik masing-masing sistem. Hal ini berarti bahwa terdapat perbedaan respon terhadap gangguan antara sistem kontrol kaskade dengan sistem single loop. IDENTIFIKASI MODEL Secara umum sistem pengendalian kaskade untuk proses tekanan ini dapat diilustrasikan pada Gambar 3. Sistem proses dioperasikan menggunakan air receiver (V, V dibuka dan V3 ditutup) dengan beban nominal ( V4 dibuka, V5 dibuka, V6 ditutup). respon sistem terhadap tekanan dikendalikan oleh kontroler primer dan keluarannya menjadi setpoint bagi kontroler sekunder yang mengendalikan respon sistem terhadap laju aliran, dengan demikian respon sistem terhadap tekanan dinamakan sebagai plant primer dan respon sistem terhadap laju aliran dinamakan sebagai plant sekunder. Gambar 3. Sistem pengendalian proses tekanan udara Feedback dengan kontroler kaskade Kendala yang sering dijumpai dalam pembelian peralatan dari luar negeri, baik untuk keperluan laboratorium maupun untuk keperluan industri adalah bahwa pihak vendor asing hanya Vol. IX, No. Agustus 008

4 menyertakan dokumen manual pemakaian alat, tidak disertai transfer ilmu yang dapat berupa model matematis peralatan dan cara menala parameter pengendali untuk memenuhi target pengendalian yang diinginkan [8]. Oleh sebab itu diperlukan identifikasi sistem untuk mendapatkan model matematis dari plant. Sebagaimana yang telah dibahas pada sub-bab., bahwa plant ini menggunakan katup pneumatik yang dioperasikan melalui current to pressure converter (I/P). Dengan kata lain operasional sistem ini berdasarkan sumber arus listrik (4-0 ma), sedangkan proses akusisi data memerlukan sumber tegangan listrik (0-5 V) agar dapat dibaca komputer. Oleh sebab itu dalam proses identifikasi ini diperlukan pengubah arus ke tegangan dan sebaliknya ( V/I dan I/V converter). Adapun konfigurasi fisik identifikasi sistem diilustrsikan pada Gambar Struktur dan Estimasi Parameter Model Hasil identifikasi dinamis yang diperoleh berupa kumpulan data keluaran tegangan sensor tekanan dan sensor laju aliran seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5. Gambar 4. Konfigurasi fisik identifikasi sistem 3. Sinyal Uji Proses identifikasi yang dilaksanakan adalah identifikasi dinamis. Proses identifikasi ini memerlukan sinyal uji yang memiliki spektrum frekuensi yang lebar. Oleh sebab itu digunakan sinyal pseudo random binary sequence (PRBS). Dengan demikian respon keluaran pressure process trainer dapat memberikan informasi yang cukup untuk menentukan model dari plant secara akurat. Pada penelitian ini dipilih sinyal PRBS 0 bit (0000), katup kontrol dioperasikan disekitar 50 persen dengan tegangan antara 3 sampai volt. Gambar 5. Hasil identifikasi dinamis Data hubungan respon keluaran dan sinyal masukan digunakan dalam estimasi untuk mendapatkan model matematik plant. Adapun struktur model yang digunakan adalah struktur ARX, yaitu struktur model yang digunakan untuk menunjukan efek dari kontrol dan disturbance pada output dari plant. ARX artinya proses AR dengan exogenus (eksternal) input, dalam kasus ini u(t). Pembangkitan proses ARX diilustrasikan sebagai berikut : n y( t) a y( t ) e( t) (5) i i Persamaan tersebut dapat ditulis : A(Q - )y(t)=e(t) Vol. IX, No. Agustus 008

5 Dengan Gambar 6. Pembangkitan Proses Random ARX [] A Q n a Q ( ) merupakan suatu polinominal sehingga i i semua akar-akarnya yang terletak dalam unit circle (A(Z - ) = 0 Z <). Struktur model ARX dapat dijelaskan sebagai berikut: A( Q) y( t) B( Q) u( t nk) e( t) (6) Model ARX diperoleh menggunakan estimasi dengan metode least square, dengan A(Q) = + a Q a n Q -n, dan B(Q) = + b Q b n Q -n. Sekumpulan model ARX dengan orde yang berbeda diestimasi untuk mendapatkan model yang benar-benar mendekati respon keluaran plant. Dengan bantuan matlab diperoleh model dengan norm error terkecil untuk masing-masing model outer plant (tekanan) dan model inner plant (laju aliran) adalah : Model outer plant : u(t) 0.8 G( s) 30s Model inner plant: s G ( s) s 63s 8.4 q d E(t) B( q ) A( q ) y(t) DISAIN KONTROLER Kombinasi PI-PI merupakan kombinasi kontroler yang sering digunakan, hal ini disebabkan karena kombinasi ini dapat menjamin kondisi respon inner-loop lebih cepat dari respon outerloop, di samping tetap menjaga agar keluaran masing-masing loop berada pada error steady state (e ss ) yang benar-benar mendekati nol. Adapun persamaan fungsi alih ideal untuk kedua kontroler tersebut adalah Gc ( s) Kp p Ti p s dan Gc ( s) Kpq Tiq s di mana Kp p adalah proportional gain primer, Ti p integral time primer, Kp q proportional gain sekunder, dan Ti q adalah integral time sekunder. Penalaan parameter kontroler untuk sistem kaskade melalui dua tahap[4]: pertama, menala parameter kontroler sekunder ( Gc ); selanjutnya, menala parameter kontroler primer (Gc ). Adapun metoda penalaan parameter kontroler yang digunakan adalah metoda stability margin yang diperkenalkan oleh Zieglar and Nichols[6], dan untuk memperoleh nilai penguatan batas kestabilan digunakan metoda direct substitutions. Hasil penalaan paramater kontroler kaskade dan kontroler single-loop secara rinci dapat dilihat pada Tabel. HASIL SIMULASI Performansi hasil disain dilihat melalui simulasi, dengan model matematik respon sistem terhadap tekanan ( G ) sebagai plant primer dan model matematik respon sistem terhadap laju aliran ( G ) Vol. IX, No. Agustus 008

6 sebagai plant sekunder. Gangguan terhadap masukan diberikan dengan sinyal step sebesar 00 pada saat t 50. Uji coba yang dilakukan melalui simulasi menunjukkan hasil yang sangat memuaskan, performansi sistem dengan kontroler kaskade jauh lebih baik ketika dibandingkan dengan kontroler single PI dan single PID. Di samping itu kontroler kaskade mampu mereduksi gangguan yang masuk ke plant mencapai 99.99%. Secara rinci hasil simulasi diperlihatkan pada Gambar 7 dan disajikan pada Tabel. Tabel. Parameter kontroler Kontroler Proses Parameter K p T i T d Kaskade 0.8 G Gc ( s) 30s Kaskade s Gc G ( s) s 63s Single PI 9.6s 0.8 G( s) 3 30s 89s 55s Single PID 9.6s 0.8 G( s) 3 30s 89s 55s Tabel. Hasil simulasi Kontroler Performansi Reduksi gangguan t r (dt) t s (dt) t p (dt) M p (%) (%) Kaskade PI-PI Single PID Single PI Gambar 7. Respon keluaran sistem untuk masing-masing kontroler SIMPULAN Kontroler kaskade menunjukkan hasil yang signifikan dalam hal mereduksi gangguan yang terdapat pada masukan plant. Dalam hal peningkatan performansi, kontroler kaskade juga menunjukkan hasil yang lebih baik bila dibandingkan dengan kontroler single PI dan single PID. Dalam proses identifikasi, untuk memudahkan dalam mendapatkan model yang sesuai dengan perilaku plant yang sebenarnya, maka data respon keluaran sedapat mungkin sudah tidak mengandung noise (baik yang berasal dari sensor maupun dari proses pengukuran) Vol. IX, No. Agustus 008

7 DAFTAR PUSTAKA [] Feedback instrument Ltd, (003), PROCON Pressure Control Trainer Instruction Manual, Feedback instrument Ltd., UK [] Landu, Ioan Dore, (990), System Identification and Control Design Using P.I.M + Software, Prentice Hall Inc. [3] Luyben, William L., (997), Essentials Process Control, McGraw- Hill, Singapore [4] Marlin, Thomas E., (000), Process Control: Designing Process and system for dynamic performance, nd edition, McGraw-Hill, Singapore. [5] Ogata, Katsuhito, (997), Modern Control Engineering, Prentice- Hall, New Jersey. [6] Ogunneike, Babatunde A., (994), Process Dynamic Modelling and Control, Oxford University press, New York. [7] Shinskey, F.G., (979), Process Control Systems- nd ed, McGraw- Hill, New York [8] Subiantoro, Aries, (006), Disain dan Implementasi P engendali GPC Swa-tala Pada Sistem Pressure Process Rig, Proceedings of International Electronics Seminar, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS [9] Zhuang, M dan Atherton, D.P., (994), Optimum Cascade PID Controller Design For SISO System, IEEE Conference Publication No March Tentang Penulis Penulis adalah Dosen pada jurusan Teknik Elektro FT-UNP Bidang Keahlian yang digeluti Penulis adalah Elektronika dan Teknik Sistem Pengaturan. Penulis salah seorang anggota R&D pada Labor Kontrol dan Instrumentasi Jurusan Teknik Elektro F-UNP. 087