PENGENDALIAN PROSES. Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T. Pengendalian Proses 1

Transkripsi

1 PENGENDALIAN PROSES Disusun oleh Ir. HERIYANTO, M.T Pengendalian Proses 1

2 KATA PENGANTAR Buku ini disusun dengan dua tujuan yaitu, sebagai buku egangan kuliah mahasiswa dan sebagai referensi bagi teknisi dan oerator abrik. Buku berisi konse, rinsi, rosedur dan erhitungan yang diakai oleh ahli teknik atau teknisi untuk menganalisa, memilih, merancang sistem engendalian. Setelah memahami isi buku ini diharakan daat memiliki engetahuan dan emahaman engendalian roses sehingga mamu menerakan ada kondisi nyata. Pengendalian roses umumnya sarat dengan matematika. Tetai dalam buku ini matematika tidak menjadi landasan utama, meskiun tidak daat dihindari. Oleh sebab itu endekatan yang dilakukan bukan dengan analisis transformasi Lalace seerti yang biasa dilakukan di hamir seluruh erguruan tinggi. Ini atas dasar ertimbangan, bahwa dalam kondisi nyata, ada saat oerator berhadaan langsung dengan sistem engendalian di abrik, mereka tidak memerlukan analisis transformasi Lalace. Transformasi Lalace hanya diakai untuk emodelan dan analisis sistem linier. Sasaran emakai buku ini adalah untuk mahasiswa Diloma III atau Politeknik Jurusan Teknik Kimia dan Kimia Inudstri serta umumnya untuk mahasiswa dari bidang yang berkaitan atau sedang memelajari teknologi roses misalnya Teknik Mesin, Teknik Energi, dan Teknik Refrigerasi. Penulis mengucakan terima kasih keada Politeknik Negeri Bandung atas Penyusunan Bahan Ajar dalam Kurikulum Berbasis Kometensi (Kurikulum 2007) yang dibiayai dari DIPA tahun anggaran 2010, sehingga enulisan Buku Ajar ini daat dilaksanakan. Tidak lua enulis juga mengucakan terima kasih keada semua fihak, baik yang langsung mauun tidak langsung telah membantu enulisan buku ini. Penulis menyadari seenuhnya bahwa buku ini masih kurang semurna. Oleh sebab itu segala saran dan kritik yang bersifat membangun sangat dinantikan. Semoga buku ini bermanfaat. Bandung, Juni 2010 Ir. Heriyanto, M.T. Pengendalian Proses 2

3 DAFTAR ISTILAH Gangguan yaitu besaran yang menyebabkan enyimangan keadaan roses. Mengendalikan (kata kerja) adalah memeroleh keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem. Offset adalah selisih antara nilai setoint dan variabel roses setelah tercaat kondisi tunak (steady state). Pengendalian roses adalah cara memeroleh keadaan roses agar sesuai dengan yang diinginkan. Pengendalian uman balik adalah engendalian yang memakai variabel keluaran sistem untuk memengaruhi masukan dari sistem yang sama. Pengendalian uman maju (feedforward control) adalah engendalian yang memakai variabel masukan untuk memengaruhi variabel masukan lain dalam sistem. Proortional gain atau sensitivitas roorsional adalah erbandingan antara erubahan sinyal kendali (u) dan erubahan error (e). Proortional band (PB), yaitu ersentase erubahan error atau engukuran yang menghasilkan erubahan sinyal kendali atau maniulated variable sebesar 100%. Proses dalam kata engendalian roses dan industri roses menunjuk ada cara erubahan materi atau energi untuk memeroleh roduk akhir. Setoint adalah nilai variabel roses yang diinginkan. Sistem roses adalah rangkaian oerasi yang menangani erubahan material dan/atau energi secara fisiko-kimia sehingga dieroleh roduk atau keadaan yang diingink. Variabel keadaan adalah besaran yang menyatakan keadaan dinamik sistem Variabel roses (rocess variable, PV) adalah besaran yang menyatakan keadaan roses. Variabel engendali atau variabel termaniulasi (maniulated variable, MV) yaitu besaran yang diakai untuk mengendalikan atau memertahankan keadaan roses. Pengendalian Proses 3

4 BAB-1 PENDAHULUAN TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM Mengenal dasar-dasar engendalian roses secara kualitatif. TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharakan daat: 1.1 menjelaskan alasan mengaa roses erlu dikendalikan. 1.2 menjelaskan rinsi engendalian roses 1.3 membedakan jenis engendalian lingkar terbuka dan tertutu 1.4 menyebutkan hakikat utama tujuan engendalian roses 1.5 menjelaskan kriteria engendalian yang baik. Pengendalian Proses 4

5 1.1 SISTEM PROSES DAN PENGENDALIAN Sistem engendalian banyak ditemui dalam kehiduan sehari-hari. Beberaa contoh misalnya memertahankan suhu tubuh 37 o C oleh usat kendali hiotalamus; memertahankan arah kendaraan bermotor dalam jalur yang benar; memertahankan suhu ruangan dalam kisaran 18 hingga 22 o C; dan masih banyak lagi. Dalam industri roses, sistem engendalian bertujuan untuk mencaai kondisi roses agar dieroleh roduk akhir yang sesuai. Namun, aakah memang betul-betul dierlukan engendalian roses? Proses tidak erlu dikendalikan jika memang tujuan roses tercaai tana aksi engendalian. Contoh sederhana memertahankan suhu air ada titik didih. Meskiun tana engendalian suhu air akan teta. Sebaliknya, roses erlu dikendalikan jika untuk mencaai tujuan erlu engawasan terus-menerus. Misalnya memertahankan suhu air ada 40 o C dalam kondisi lingkungan normal. Proses dalam kata engendalian roses dan industri roses menunjuk ada cara erubahan materi atau energi untuk memeroleh roduk akhir. Dalam industri roses modern terdaat eralatan roses yang bekerja ada suhu dan tekanan ekstrem. Rangkaian eralatan sudah sedemikian komleks. Sementara kondisi roses bersifat dinamik. Dari waktu ke waktu daat berubah-ubah. Perubahan sedikit ada kondisi roses bisa berakibat fatal. Inilah yang menjadi alasan mengaa dierlukan suatu sistem engendalian. Mengendalikan (kata kerja) adalah memeroleh keadaan yang diinginkan dengan cara mengatur variabel tertentu dalam sistem. Sistem engendalian atau sistem kontrol adalah susunan beberaa komonen yang terangkai membentuk aksi engendalian. Sistem engendalian yang diterakan dalam teknologi roses disebut sistem engendalian roses. Dalam bidang ini, engendalian roses diterakan ada reaktor, enukar anas (heat exchanger), kolom emisahan (misalnya distilasi, absorsi, ekstraksi), tangki enamung cairan, aliran fluida, dan masih banyak lagi. Pengendalian roses adalah cara memeroleh keadaan roses agar sesuai dengan yang diinginkan 1.2 PERANAN PENGENDALIAN PROSES Peranan engendalian roses dalam abrik kimia mecaku tiga kelomok yaitu keamanan (safety), kehandalan oerasi (oerability), dan keuntungan eknomi (rofitability) Keamanan (safety) Dalam kelomok ini, keamanan meliuti: keselamatan manusia, erlindungan eralatan, dan erlindungan lingkungan. Pengendalian Proses 5

6 (a) Keselamatan Manusia Sistem engendalian bertugas menjaga keselamatan kerja. Beberaa sistem roses di abrik memiliki kondisi oerasi yang berbahaya bagi keselamatan manusia. Kondisi oerasi ada suhu dan tekanan tinggi dengan bahan kimia berbahaya sangat berotensi menimbulkan kecelakaan. Perlengkaan sistem alarm dan safety valve daat memerkecil kemungkinan kecelakaan akibat kondisi ekstrem terlamaui. (b) Perlindungan Peralatan Sistem engendalian bertugas memertahankan batas aman oerasi. Peralatan industri biasanya mahal dan sulit dieroleh. Jika terjadi kondisi darurat, sistem daat melakukan enghentian (automatic shutdown) dan enguncian darurat (automatic emergency interlock) sehingga kegagalan satu eralatan tidak menjalar ke eralatan lain. Sistem ini selain melindungi eralatan juga melindungi manusia dari kecelakaan. (c) Perlindungan Lingkungan Sistem engendalian bertugas memertahankan batas aman encemaran. Proses industri daat menghasilkan bahan berbahaya bagi lingkungan. Kebocoran gas, cairan, atau adatan beracun dan yang merusak lingkungan erlu dihindari. Gas-gas yang berbahaya dan mudah terbakar disalurkan ke menara embakar (flare). Jika menara embakar tidak mamu menangani, gas teraksa dibuang ke atmosfer melalui ressure safety valve untuk menghindari kondisi ekstrem yang membahayakan eralatan dan manusia Kehandalan Oerasi (oerability) Kehandalan oerasi meliuti ketahanan terhada gangguan roduktivitas dan kualitas roduk. Sistem engendalian roses harus mamu menekan engaruh gangguan sehingga daat memertahankan kondisi oerasi yang manta (steady oeration) dalam batas oerasional (oerational constraint). Dengan erkataan lain, engendalian roses mamu memerkecil keragaman kualitas dan roduktivitas. Kualitas dan roduktivitas sesuai sesifikasi dengan tingkat keragaman (variability) sekecil mungkin Keuntungan Ekonomi (rofitability) Keuntungan ekonomi menjadi tujuan akhir dari roses roduksi. Proses yang tidak aman dengan kondisi oerasi tidak otimal, akan memerkecil keuntungan. Oleh sebab itu sistem engendalian bertujuan menghasilkan kondisi oerasi otimum. Ini mengandung arti kuantitas dan kualitas roduk utama (yield) maksimum dengan biaya roduksi minimum. Kuantitas dan kualitas (atau sesifikasi) roduk ditetakan oleh ermintaan asar. Jika terjadi enyimangan dari sesifikasi akan menurunkan nilai jual roduk. Misalnya, sesifikasi roduk dengan batas maksimum engotor, maksimum viskositas, minimum ketebalan, minimum konsentrasi, dsb. Pengendalian roses bekerja untuk menghasilkan kualitas roduk sedekat mungkin dengan batas sesifikasi agar keuntungan maksimum. Pada roses tana engendalian Pengendalian Proses 6

7 keragaman roduk lebih besar. Sehingga rata-rata kualitas roduk lebih jauh dari sesifikasi agar tidak ada roduk yang keluar batas. Sebaliknya dengan engendalian roses yang baik, roduk lebih seragam, sehingga rata-rata kualitas roduk bisa lebih dekat dengan batas sesifikasi. (1) Keamanan (safety). Menjaga dan memertahankan batas aman keselamatan kerja, oerasi, dan encemaran; (2) Kehandalan oerasi (oerability). Memertahankan kondisi teta manta dalam batas oerasional (oerational constraint) sehingga roduktivitas dan kualitas roduk terjaga (3) Keuntungan (rofitability): roses berjalan otimum dengan keuntungan maksimum. Semua tujuan engendalian roses seerti yang telah diuraikan adalah untuk abrik secara keseluruhan. Sementara itu, engendalian abrik kimia daat dirinci ke dalam engendalian unit-unit roses atau oerasi secara individual. Oleh sebab itu embahasan dalam buku ini difokuskan ada metode engendalian untuk variabel roses individual. Batas sefisikasi Batas sefisikasi Keuntungan Rata-rata roduk Keuntungan Rata-rata roduk Waktu (a) Tana Pengendalian Waktu (b) Dengan Pengendalian Gambar 1.1 Peranan engendalian dalam industri roses. 1.3 PRINSIP PENGENDALIAN PROSES Langkah ertama dalam memahami engendalian roses daat dimulai dengan memelajari contoh roses emanasan dalam alat enukar anas seerti dilukiskan ada gambar 1.2. Tujuan roses adalah memanaskan aliran minyak hingga suhu tertentu. Minyak dingin masuk enukar anas dan dianaskan oleh aliran air anas. Suhu minyak keluar menunjukkan hasil kerja roses emanasan. Oleh sebab itu suhu minyak keluar disebut sebagai nilai roses (rocess value), variabel roses (rocess variable), atau variabel keluaran (outut variable) sistem roses. Pada roses emanasan, minyak dingin menjadi anas karena terjadi erindahan anas dari aliran air anas ke minyak dingin. Proses ini diengaruhi oleh: (1) laju aliran minyak masuk, (2) suhu minyak masuk, (3) laju alir air anas, (4) suhu air anas, dan (5) kehilangan anas ke lingkungan. Dengan kata lain, suhu minyak keluar diengaruhi oleh ke lima besaran tersebut. Ke lima besaran itu sebagai variabel masukan sistem roses yaitu besaran yang memengaruhi variabel keluaran (suhu minyak keluar). Pengendalian Proses 7

8 Gambar 1.2 Proses emanasan cairan dalam enukar anas Laju dan suhu aliran minyak masuk serta kehilangan anas bersifat membebani roses, sehingga disebut beban roses. Perubahan ada beban bersifat sebagai gangguan beban (load disturbance) atau variabel gangguan beban. Berbeda dengan ketiganya, erubahan suhu air anas bersifat sebagai gangguan murni (bukan beban roses) karena bertindak sebagai emanas. Sedangkan laju alir air anas yang digunakan sebagai engendali suhu disebut sebagai variabel engendali atau termaniulasi (maniulated variable). Gambar 1.3 Diagram blok sistem roses emanasan minyak. Pengendalian roses bertujuan menjaga suhu minyak keluar (variabel roses) ada nilai yang diinginkan (setoint). Ini dilakukan karena adanya gangguan yang berua erubahan suhu aliran air anas, laju aliran minyak masuk, suhu minyak masuk, dan/atau kehilangan anas. Suhu minyak keluar disebut juga sebagai variabel terkendali (controlled variable) karena nilainya dikendalikan. Mekanisme engendalian dimulai dengan mengukur suhu minyak keluar. Hasil engukuran dibandingkan dengan nilai yang diinginkan (setoint). Berdasar erbedaan keduanya ditentukan tindakan aa yang akan dilakukan. Bila suhu minyak keluar lebih rendah dibanding suhu yang diinginkan, maka laju aliran air anas dierbesar. Dan sebaliknya, laju aliran air anas dierkecil. Mekanisme demikian disebut engendalian uman balik (feedback control). Pengendalian Proses 8

9 Pada engendalian otomatik, yang menjalankan mekanisme engendalian dierankan oleh instrumen. Instrumen yang dierlukan dalam engendalian suhu adalah unit engukuran suhu (berisi sensor dan transmitter suhu), engendali suhu (temerature controller) dan katu kendali (control valve). Ketiga komonen ini bersama dengan sistem roses (enukar anas) membentuk lingkar engendalian uman balik (feedback control loo) atau sistem lingkar tertutu (closed-loo system). Mekanisme engendalian lingkar tertutu daat dijelaskan melalui gambar 1.4. (a) (b) Gambar 1.4 Pengendalian uman balik ada roses emanasan cairan. (a) Hubungan antar komonen sistem engendalian. (b) Diagram instrumentasi engendalian. Sensor mengindera variabel roses (suhu minyak keluar, T). Informasi suhu dari sensor selanjutnya diolah oleh transmitter dan dikirimkan ke engendali dalam bentuk sinyal listrik atau neumatik. Dalam engendali, variabel roses terukur dibandingkan dengan setoint (T r ). Perbedaan antara keduanya disebut error (e). Berdasar besar error, lamanya error, dan keceatan error, engendali suhu (temerature controller) melakukan erhitungan sesuai algoritma kendali untuk menghasilkan sinyal kendali (controller outut, u) yang berua sinyal listrik atau neumatik yang dikirimkan ke elemen kendali akhir (final control element biasanya berua katu kendali atau control valve). Perubahan ada sinyal kendali menyebabkan erubahan bukaan katu kendali. Perubahan ini menyebabkan erubahan maniulated variable (laju alir air anas, S). Jika erubahan maniulated variable dalam arah dan nilai yang benar, maka variabel roses terukur daat dijaga ada nilai setoint. Dengan cara demikian akan tercaai tujuan engendalian. Pengendalian uman balik adalah engendalian yang memakai variabel keluaran sistem untuk memengaruhi masukan dari sistem yang sama. Prinsi engendalian suhu tersebut di atas berlaku umum untuk semua engendalian roses uman balik. Di sini terdaat emat fungsi dasar, yaitu: mengukur (measurement), membandingkan (comarision), menghitung (comutation, decision, atau evaluation) dan mengoreksi (correction atau action). Pengendalian Proses 9

10 Tabel 1.1 Contoh emat fungsi dasar engendalian. Mengukur Membandingkan Menghitung Mengoreksi Suhu cairan Suhu T dengan Jika T > T r erkecil emanas Perkecil bukaan katu keluar (T) nilai setoint (T r ) Jika T < T r erbesar emanas Perbesar bukaan katu Gambar 1.5 Diagram blok roses emanasan minyak dalam enukar anas Keterangan T r setoint (suhu minyak yang diinginkan) T suhu minyak keluar (variabel terkendali) T m suhu minyak keluar terukur e error (= T r T m ) u sinyal kendali (controller outut) F laju alir minyak masuk T o suhu minyak masuk T h suhu air anas S laju air anas (maniulated variable) Diagram blok engendalian roses emanasan minyak dingin dengan enukar anas dilukiskan ada gambar 1.5. Termokoel (sebagai sensor) mengukur variabel roses terukur (suhu minyak keluar) kemudian dikirimkan oleh transmitter dan diuman-balikkan ke engendali. Sinyal engukuran yang diuman-balikkan dikurangkan dari setoint untuk menghasilkan error. Oleh engendali, error dihitung melalui algoritma tertentu untuk menghasilkan sinyal kendali (controller signal atau controller outut). Sinyal kendali diakai untuk melakukan aksi mekanik katu kendali yang akan mengubah maniulated variable. Perubahan maniulated variable diakai untuk menjaga variabel roses terukur ada nilai setoint dari adanya erubahan ada variabel gangguan Pengendalian Lingkar Tertutu, Lingkar Terbuka dan Manual Terdaat dua metode engendalian, yaitu engendalian uman balik (feedback control) dan uman maju (feedforward control). Pengendalian uman balik bekerja berdasar erubahan variabel roses terkendali yaitu enyimangan variabel roses terhada setoint. Sedangkan engendalian uman maju bekerja berdasar erubahan gangguan yang masuk sistem. Pengendalian uman balik yang dilakukan oleh instrumen kendali disebut engendalian lingkar tertutu (closed loo control) atau engendalian otomatik. Jika tidak ada uman balik oleh instrumen kendali, disebut engendalian lingkar terbuka (oen loo control). Besar nilai sinyal kendali yang dikirimkan ke elemen kendali akhir ditetakan berdasar erhitungan atau skala kebutuhan roses. Pada engendalian lingkar terbuka (oen loo control) jika tindakan uman balik dilakukan oleh manusia, disebut engendalian manual (manual control). Perlu ditegaskan, ada engendalian manual, teta Pengendalian Proses 10

11 terjadi mekanisme uman balik. Peran engendali digantikan oleh oerator (manusia). Oerator melihat variabel roses terkendali, membandingkan dengan nilai yang diinginkan dan akhirnya memutuskan untuk memerbesar atau memerkecil bukaan katu kendali. Posisi manual dierlukan ada saat mengatur arameter engendali ketika enalaan (tuning). Pergantian dari otomatik ke manual juga umum dikerjakan ada saat darurat, bilamana engendali menimbulkan masalah kestabilan oerasi Pengendalian Uman Maju Instrumen yang dierlukan dalam engendalian uman maju adalah unit engukuran gangguan (sensor dan transmitter), engendali (controller) dan katu kendali (control valve). Susunan ketiga komonen ini bersama dengan sistem roses (misalnya enukar anas) membentuk lingkar engendalian uman maju (feedforward control loo). Mekanisme engendalian uman daat dijelaskan melalui gambar 1.7. Pengendalian uman maju (feedforward control) adalah engendalian yang memakai variabel masukan untuk memengaruhi variabel masukan lain dalam sistem. Gambar 1.7 Diagram instrumentasi engendalian uman maju ada roses emanasan (FT flow transmitter dan TT temerature transmitter). Prinsi engendalian uman maju dimulai dari mengukur gangguan, mengevaluasi dan selanjutnya melakukan koreksi besar variabel engendali. Sensor-sensor FT dan TT berturut-turut menerima rangsangan dari gangguan yaitu laju alir cairan masuk, suhu cairan masuk, dan suhu emanas. Informasi tersebut selanjutnya diolah oleh engendali uman maju. Dalam engendali, dilakukan erhitungan untuk menentukan laju aliran emanas (maniulated variable) yang dibutuhkan berdasar erubahan beban atau gangguan yang terjadi. Hasil erhitungan dikirimkan ke katu kendali agar daat mengalirkan aliran emanas sesuai kebutuhan. Pengendalian uman maju tidak mengukur variabel roses melainkan gangguan. Padahal tidak semua gangguan daat atau mudah diukur. Sebagai contoh, kehilangan anas ke lingkungan termasuk besaran yang sukar diukur. Karena tidak semua gangguan Pengendalian Proses 11

12 daat diukur, maka hasil engendalian uman maju tidak terlalu bagus. Lebih jauh, tidak ada jaminan bahwa nilai variabel roses sama dengan setoint. Oleh sebab itu engendalian uman maju hamir selalu diakai bersama engendalian uman balik. Pengendalian uman balik bertugas mengantisisai gangguan tak terukur serta memastikan nilai variabel roses sesuai yang diharakan. Pengendalian uman maju diakai untuk mengantisiasi gangguan sebelum berengaruh ke variabel roses. Satu-satunya keunggulan engendalian uman maju adalah kestabilan sistem. Gambar 1.8 Diagram blok engendalian uman maju ada roses emanasan. Keterangan F laju alir cairan masuk S aliran emanas sebagai maniulated variable T o suhu cairan masuk T h suhu aliran emanas u sinyal kendali (controller outut) 1.4 TANGGAPAN TRANSIEN SISTEM PENGENDALIAN Dalam sistem engendalian uman balik, variabel roses terkendali diengaruhi oleh setoint dan beban (gangguan). Perubahan setoint daat dilakukan oleh oerator atau engendali lain. Sedangkan beban daat berubah secara acak tergantung sistem roses dan lingkungannya. Jika terjadi erubahan setoint atau beban, idealnya nilai variabel roses terkendali selalu sama dengan setoint. Tetai kondisi demikian tidak selalu daat dieroleh. Variabel roses mungkin akan mengalami beberaa cara erubahan, yaitu: sangat teredam (overdamed), redaman kritik (critically damed), teredam (underdamed), osilasi kontinyu (sustained oscillation), atau tidak stabil (amlitudo membesar). Tanggaan tana osilasi bersifat lambat namun stabil. Tanggaan redaman kritik meruakan batas mulai terjadi osilasi teredam. Sedangkan tanggaan osilasi teredam mengalami sedikit gelombang di awal erubahan, dan selanjutnya amlitudo mengecil dan akhirnya hilang. Tanggaan ini cuku ceat meskiun sedikit terjadi ketidakstabilan. Pada tanggaan dengan osilasi kontinyu, variabel roses secara terus menerus bergelombang dengan amlitudo dan frekuensi yang teta. Terakhir, tanggaan tak stabil, memiliki amlitudo membesar. Kondisi denikian sangat berbahaya karena daat merusak sistem keseluruhan. Pengendalian Proses 12

13 Gambar 1.9 Bentuk resons variabel roses ada erubahan nilai setoint. Dari keemat kemungkian tadi, yang aling dihindari, bahkan sama sekali tidak boleh terjadi adalah tanggaan tidak stabil (amlitudo membesar). Sedangkan tanggaan osilasi kontinyu dalam beberaa hal masih bisa diterima, meskiun cuku berbahaya. 1.5 TUJUAN PENGENDALIAN Tujuan ideal engendalian roses adalah memertahankan nilai variabel roses agar sama dengan nilai yang diinginkan (setoint). Tetai tujuan tersebut sering tidak daat atau sukar dienuhi karena keterbatasan oerasi dan kemamuan sistem engendalian. Oleh sebab itu, tujuan raktis atau tujuan nyata engendalian roses adalah memertahankan nilai variabel roses di sekitar nilai yang diinginkan dalam batas-batas yang ditetakan. Namun erlu diingat bahwa hakikat utama engendalian roses dalam industri adalah untuk memeroleh hasil akhir roses roduksi agar sesuai target. Makna dari ernyataan ini adalah, satu atau beberaa nilai variabel roses mungkin erlu dikorbankan sematamata untuk mencaai tujuan yang lebih besar yaitu hasil akhir roses roduksi. Tujuan Ideal Memertahankan nilai variabel roses agar sama dengan setoint. Tujuan Praktis Memertahankan nilai variabel roses di sekitar setoint dalam batas yang ditetakan. Tujuan engendalian erat berkaitan dengan kualitas engendalian yang didasarkan atas tanggaan variabel roses bila ada erubahan setoint atau beban. Jika terjadi erubahan setoint atau beban, variabel roses diharakan: seceat mungkin mencaai kondisi manta (settling time sekecil mungkin); seteat mungkin mencaai setoint (offset sekecil mungkin); dan sekecil mungkin terjadi osilasi (maximum error sekecil mungkin). Kualitas engendalian Setelah terjadi erubahan beban atau seoint, diharakan; settling time sekecil mungkin (ceat) offset sekecil mungkin (teat) maximum error sekecil mungkin (stabil) Pengendalian Proses 13

14 1.6 KRITERIA KUALITAS PENGENDALIAN Evaluasi kinerja sistem engendalian memerlukan dua hal, yaitu jenis uji dan kriteria yang teat. Jenis uji yang sering diakai adalah dengan cara mengubah nilai setoint atau beban (ste resonse test). Dari hasil uji, selanjutnya dianalisa aakah memenuhi kriteria atau tidak. Kriteria yang umum diakai adalah: redaman seeremat amlitudo, redaman kritik, dan nilai minimum dari integral galat absolut (integral absolute error, IAE). Kriteria Redaman Seeremat Amlitudo Kriteria ini cuku ouler, sebab mamu mengakomodasikan ketiga tujuan engendalian sebagaimana tersebut di atas. Arti kriteria ini adalah, besar amlitudo berikutnya adalah seeremat dari sebelumnya. Atau decay ratio sebesar 0,25. Gambar Tanggaan sistem engendalian lingkar tertutu ada erubahan setoint. Gambar Tanggaan sistem engendalian lingkar tertutu ada erubahan beban. Pengendalian Proses 14

15 Kriteria Nilai Minimum dari Integral Galat (Error) Absolut Kriteria integral galat (error) absolut menunjukkan luas total galat (error). Kriteria IAE lebih disukai di kalangan raktisi industri karena kemudahan dalam mengukur. Gambar Kriteria redaman seeremat amlitudo dan IAE. Kriteria Redaman Kritik Kriteria ini diakai variabel roses tidak boleh melebihi batas sesifikasi yang ditetakan. Kondisi redaman kritik meruakan batas osilasi teredam. 1.7 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN Perancangan sistem engendalian sebenarnya tidak bisa dileaskan dari erancangan roses. Sebab sistem roses yang telah dibangun tana memertimbangkan metode engendaliannya tidak daat menghasilkan kinerja yang baik. Antara kebutuhan engendalian dan roses kadang-kadang bertentangan. Sebagai contoh, katu kendali yang diakai mengatur laju alir fluida. Bagi roses, katu sebaiknya memunyai hambatan sekecil mungkin, sehingga menghemat energi. Sebaliknya bagi engendalian roses, katu sebaiknya memunyai hambatan besar, agar daat dicaai engendalian yang baik. Langkah erancangan sistem engendalian sekaligus bisa dijadikan urutan embelajaran. Langkah ertama adalah memeroleh model roses baik dari analisis matematika mauun emirik melalui identifikasi sistem. Dari model roses dieroleh arameter roses atau diubah ke dalam bentuk fungsi transfer (transformasi Lalace atau z). Atas dasar model roses dianalisis erilaku dinamik atau digunakan untuk sintesis engendalian. Bagaimana reson model terhada masukan daat dielajari. Dari hasil analisis daat ditentukan batas-batas dan cara mengendalikan. Sintesis sistem engendalian dibuat dari model roses dengan kriteria yang ditetakan. Hasilnya dianalisa aakah memenuhi kinerja yang diinginkan atau tidak. Pada saat ini daat ditentukan arameter engendali yang cocok. Bilamana hasilnya teta belum memuaskan tetai masih memungkinkan dari sisi teknologi dan ekonomi, erlu dicari strategi engendalian lain yang lebih komleks. Pengendalian Proses 15

16 Sistem fisik sebenarnya PEMODELAN MATEMATIKA Model teoritik TRANSFORMASI (LAPLACE atau Z) Fungsi transfer IDENTIFIKASI SISTEM Model emirik ANALISIS DINAMIKA Perilaku sistem SINTESIS PENGENDALIAN Sistem engendalian Imlementasi engendalian roses PENALAAN PARAMETER Perilaku dinamik ANALISIS SISTEM PENGENDALIAN Gambar 1.13 Diagram langkah erancangan atau embelajaran engendalian roses. 1.8 TERMINOLOGI Variabel keadaan adalah besaran yang menyatakan keadaan dinamik sistem Variabel roses (rocess variable, PV) adalah besaran yang menyatakan keadaan roses. Variabel Terkendali (controlled variable) adalah variabel yang secara langsung dikendalikan. Variabel Tak Dikendalikan (uncontrolled variable) adalah variabel roses yang tidak dikendalikan atau tidak langsung dikendalikan. Variabel engendali atau variabel termaniulasi (maniulated variable, MV) yaitu besaran yang diakai untuk mengendalikan atau memertahankan keadaan roses. Gangguan adalah besaran yang menyebabkan enyimangan keadaan roses. Beban (load) atau gangguan beban (load disturbance) adalah besaran yang membebani roses dalam mencaai tujuan. Setoint, Titik Setel, atau Nilai Acuan (reference) adalah nilai variabel roses yang diinginkan atau nilai acuan variabel roses Pengendalian Proses 16

17 SOAL-SOAL A. ULANGAN 1. Aa eranan engendalian roses di abrik kimia? 2. Perhatikan engendalian suhu ada setrika listrik. (a) Aa yang dikendalikan? (b) Aa yang diakai mengendalikan? (c) Jelaskan mekanisme kerja engendaliannya! 3. Aa hakikat utama dan tujuan engendalian roses? 4. Aa arti kriteria redaman seeremat amlitudo, redaman kritik, dan IAE? B. PILIHAN GANDA Pilih satu jawab yang benar. 1. Hal berikut bukan meruakan sebab mengaa roses erlu dikendalikan, A. Agar PV sesuai yang diinginkan B. Agar MV di sekitar 50% C. Keamanan roses D. Efisiensi energi 2. Hal berikut bukan alasan mengaa erlu engendalian roses A. roses berlangsung aman B. oerasi berlangsung halus (tidak berfluktuasi) C. keuntungan yang besar D. variabel engendali tidak berfluktuasi 3. Tersebut di bawah alasan sistem roses erlu dikendalikan, kecuali A. nilai variabel roses teta B. nilai maniulated variable teta C. nilai variabel roses dan setoint sama D. energi minimum 4. Arti kriteria redaman seeremat amlitudo adalah A. erbandingan uncak dan uncak yang berurutan = 0,25 B. erbandingan uncak dan lembah yang berurutan = 0,25 C. erbandingan lembah dan uncak yang berurutan = 0,25 D. ersentase overshoot = 25% 5. Kriteria kontrol yang menunjukkan error maksimum adalah A. settling time B. offset C. overshoot dan offset D. overshoot 6. Kriteria kontrol meliuti besaran yang berkaitan dengan keteatan resons adalah A. overshoot B. settling time C. offset D. offset dan settling time Pengendalian Proses 17

18 7. Kriteria kontrol meliuti besaran: (1) overshoot, (2) settling time, dan (3) offset. Dari ketiga besaran, yang menunjukkan keceatan reson adalah A. 1 B. 2 C. 3 D. 1 dan 3 8. Diameter maksimum roduk 0,5 mm. Kriteria engendalian yang cocok adalah A. redaman seeremat amlitudo B. redaman kritik C. nilai minimum dari integral error absolut D. redaman seeremat amlitudo dan redaman kritik 9. Sistem engendalian dilakukan dengan mengatur besar maniulated variable tana mengukur variabel roses. Ini adalah sistem engendalian... A. uman balik B. lingkar tertutu C. lingkar terbuka D. otomatik 10. Pada contoh engendalian roses yang telah dibahas, ternyata suhu aliran roses keluar diengaruhi oleh kehilangan anas ke lingkungan. Maka kehilangan anas termasuk... A. variabel roses B. maniulated variable C. error D. gangguan beban Pengendalian Proses 18

19 BAB-2 INSTRUMEN SISTEM PENGENDALIAN Instrumen atau iranti utama dalam engendalian roses adalah: sensor, transmiter, engendali, transduser/konverter (bila dierlukan), dan katu kendali. Pada engendali neumatik, seluruh sinyal engendalian memakai tekanan udara. Sehingga insteumen engendalian hanya terdiri atas tiga macam. Sensor/transmiiter, engendali, dan katu kendali neumatik. Berbeda dengan sistem engendalian neumatik, ada engendali elektronik, sinyal engendalian memakai arus listrik. Oleh karena katu kendali biasanya jenis neumatik, maka dierlukan konverter atau transduser I/P (arus ke neumatik). Sehingga instrumen yang dierlukan adalah: sensor/transmiiter, engendali, transduser I/P, dan katu kendali neumatik. Gambar 2.1 Instrumen atau iranti engendali neumatik. Gambar 2.2 Instrumen atau iranti engendali elektronik. Pengendalian Proses 19

20 1.8.1 Unit Pengukuran Unit engukuran berfungsi mengubah informasi besaran fisik terukur (variabel roses) menjadi sinyal standar. Unit ini terdiri atas dua bagian besar yaitu sensor dan transmiter. Sensor (elemen erasa atau engindera) adalah iranti yang mereson rangsangan fisik. Sensor berhubungan langsung atau aling dekat berhubungan dengan variabel roses. Disebut dengan detecting element (elemen endeteksi) atau elemen rimer. Transmiter yaitu iranti yang berfungsi mengubah energi atau informasi yang datang dari sensor menjadi sinyal standar. Dua macam sinyal standar yang sering daat diakai yaitu sinyal listrik dan neumatik. Tabel 2.1 Sinyal standar dalam engendalian roses. NILAI SINYAL MINIMUM Pneumatik (udara tekan) 3 si(g) 20 kpa(g) NILAI MAKSIMUM 15 si(g) 100 kpa(g) Listrik 4 ma 20 ma SIMBOL Umum 0% 100% Dalam beberaa hal lebih sederhana dengan memasukkan sensor dalam blok transmiter. Sehingga dalam arti semit, transmiter adalah instrumen yang mengukur besaran fisik dan mengirimkannya dalam bentuk sinyal engukuran standar. Bila besaran fisik bertambah besar, maka sinyal engukuran juga akan bertambah besar (bersifat direct acting). (a) Gambar lengka (b) Penyederhanaan gambar (sensor termasuk dalam transmiter). Gambar 2.3 Unit engukuran terdiri atas sensor dan transmiter Unit Kendali Akhir Unit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali menjadi aksi atau tindakan koreksi melalui engaturan variabel engendali atau variabel termaniulasi. Unit ini terdiri Pengendalian Proses 20

21 atas dua bagian besar, yaitu actuator dan elemen regulasi. Actuator atau enggerak adalah iranti yang mamu melakukan aksi fisik. Fungsinya mengubah sinyal kendali menjadi engaturan fisik untuk engendalian variabel roses. Jenis enggerak yang enting dalam industri roses adalah neumatik, elektrik, dan hidrolik. Katu kendali (control valve) meruakan unit kendali akhir yang aling banyak diakai di industri kimia. Piranti ini terdiri atas enggerak (actuator) dan katu (valve). Sebagai energi enggerak adalah udara tekan (neumatik). Meskiun demikian kadang-kadang memakai enggerak listrik, baik motor listrik (motorized valve) mauun solenoida (solenoide valve). Bukaan katu diatur oleh enggerak. Gambar 2.4 Penggerak (actuator) dan elemen regulasi. Fungsi katu kencali adalah mengatur laju alir. Prinsinya adalah bertindak sebagai enyemitan variabel (variable restriction) dalam eriaan roses. Dengan mengubah bukaan akan mengubah hambatan, sehingga laju alir berubah. Gambar 2.12 dan 2.13 manamilkan sebuah katu kencali dengan enggerak neumatik jenis air-to-close. Sinyal kendali 4-20 ma yang berasal dari engendali elektronik memerlukan sebuah transduser yang mengubah sinyal arus ke tekanan udara (I/P) yaitu mengubah sumber udara tekan sig ( kpa) menjadi 3-15 sig ( kpa). Gambar 2.5 Katu kendali neumatik. Gambar 2.6 Rangkaian unit kendali akhir. Pengendalian Proses 21

22 Gambar 2.7 Sketsa dan simbol katu kendali neumatik. (FO fail-oen, FC fail-closed). Penggerak neumatik berisi diafragma yang terbuat dari karet sintetis (misalnya neorena) dan egas. Tekanan udara dari atas atau bawah diafragma akan melawan gaya egas. Gerakan enuh stem terjadi ada rentang tekanan udara 3-15 sig. Oleh tekanan udara yang dikenakan ada diafragma stem bergerak dan katu membuka atau menutu. Berdasar aksi katu oleh adanya erubahan tekanan udara, katu kencali dibedakan menjadi dua macam, yaitu air-to-oen (AO) atau disebut fail-closed (FC) dan air-to-close (AC) atau disebut fail-oen (FO). Pada jenis air-to-oen, katu akan membuka jika mendaat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan asokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katu akan menutu. Sebaliknya, ada jenis air-toclose, katu akan menutu jika mendaat tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan asokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katu akan membuka. Berdasar aksi enggerak (actuator) oleh adanya erubahan tekanan udara, katu kendali dibedakan menjadi dua macam, yaitu: direct acting dan reverse acting. Pada modus direct acting, sinyal tekanan udara masuk dari atas. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke bawah. Sebaliknya, ada modus reverse acting, sinyal masuk dari bawah. Dengan kenaikan sinyal tekanan udara, stem bergerak ke atas. Di kalangan raktisi industri telah berlaku kaidah umum bahwa kenaikan stem berarti katu membuka. Oerator lebih berminat untuk mengetahui dan mengatur osisi katu, dan bukan nilai sinyal kendali. Sehingga nilai sinyal kendali 0% ada tamilan anel kendali selalu berarti katu kendali menutu, dan 100% membuka enuh, tana eduli jenis katu kendali. Oleh sebab itu jenis katu kendali yang ouler adalah jenis direct acting air-to-close dan reverse acting air-to-oen. Kenaikan stem katu kendali, berarti katu membuka. Sinyal kendali 0 % berarti katu menutu, dan 100% katu membuka enuh Pengendalian Proses 22

23 1.8.3 Unit Pengendali Unit engendali meruakan "otak" sistem dalam engendalian. Pengendali adalah iranti yang melakukan erhitungan atau evaluasi nilai error menurut algoritma kendali. Evaluasi yang dilakukan berua oerasi matematika seerti, enjumlahan, engurangan, erkalian, embagian, integrasi dan diferensiasi. Hasil evaluasi berua sinyal kendali yang dikirim ke unit kendali akhir. Sinyal kendali berua sinyal standar yang serua dengan sinyal engukuran. Gambar 2.8 Skema dasar unit engendali. Pengendali aling tidak memiliki tamilan nilai variabel roses (PV), engatur dan tamilan setoint (SP), engatur dan tamilan nilai variabel engendali (MV), serta sakelar AUTO/MANUAL. Yang terakhir meruakan satu sakelar enting. Sakelar ini menentukan oerasi engendali. Ketika sakelar ada osisi AUTO (otomatik), sinyal kendali dieroleh dari hasil engolahan nilai error. Ketika sakelar ada osisi MANUAL, engendali menghentikan engolahan. Sinyal kendali dieroleh dari enyetelan manual oleh oerator. Hanya dalam osisi auto engendali memberi manfaat engendalian roses. Penentuan aksi algoritma engendali, memerlukan engetahuan bagaimana kebutuhan roses yang dikendalikan dan aksi katu kendali (control valve). Kedua engetahuan tersebut mutlak harus dimiliki. Ahli roses daat bertanya keada diri sendiri, misalnya, aa aksi engendali yang teat untuk engendalian tinggi ermukaan cairan jika diakai katu air-to-close dengan aliran keluar sebagai variabel engendali. Aksi engendali biasanya daat disetel dengan sakelar ada sisi anel engendali neumatik atau elektronik. Blok algoritma kendali daat berua erangkat keras atau erangkat lunak. Sinyal kendali yang dieroleh selanjutnya diroses menjadi sinyal kendali standar (4-20 ma DC). Hubungan antara engukuran dan sinyal kendali bergantung ada modus langsung (direct acting) atau berlawanan (reverse acting). Pengendalian Proses 23

24 Tabel 2.2 Aksi engendali. Aksi Variabel Proses (PV) Variabel Pengendali (MV) atau Sinyal Kendali Direct acting Naik Turun Naik Turun Reverse acting Naik Turun Turun Naik Tabel 2.3 Aksi sistem roses, engendali, dan katu kendali. Aksi Sistem Proses Aksi Pengendali Aksi Katu Kendali Direct acting Reverse acting Biasanya FC Reverse acting Direct acting Biasanya FO Gambar 2.9 Pengendali direct acting dan katu kendali fail-oen (air-to-close). Gambar 2.10 Pengendali reverse acting dan katu kendali fail-closed (air-to-oen). Pada sistem engendali digital ada umumnya memisahkan kebutuhan aksi direct atau reverse dari osisi kegagalan katu kendali (control valve). Sinyal kendali atau controller outut signal ada sistem kendali digital berkisar dari 0 hingga 100%, yang mereresentasikan ersen bukaan katu kendali (control valve). Oleh sebab itu, aksi direct atau reverse mereresentasikan arah erubahan variabel roses dan katu (valve), tana memerhatikan aakah katu kendali jenis fail-oen atau fail-closed. Pengendalian Proses 24

25 1.9 DIAGRAM BLOK Penggambaran suatu sistem atau komonen dari sistem engendalian daat berbentuk blok (kotak) yang dilengkai dengan anak anah masuk dan keluar. Anak anah menggambarkan informasi besaran fisik dan atau sinyal. Informasi yang dimaksud daat berua nilai suhu, laju alir, tekanan, tinggi ermukaan, konsentrasi, bukaan katu, dan lainlain. Sedangkan sinyal yang diakai dalam sistem engendalian daat berua sinyal listrik (4-20 ma atau 1-5 V) dan sinyal neumatik ( kpa). Sinyal ini menunjukkan informasi besaran fisik. Sinyal kendali Control Laju emanas (4-20 ma) valve (0-500 kg/jam) Gambar 2.11 Diagram blok. Titik enjumlahan atau engurangan (summing junction) sinyal digambarkan sebagai bulatan dengan anak anah masuk dan keluar. Gambar 2.12 Titik enjumlahan dan engurangan sinyal. Gambar Diagram blok engendalian uman balik reverse acting. (MV maniulated variable dan PV Process variable). Pengendalian Proses 25

26 Gambar Diagram blok engendalian uman balik direct acting. Perhatikan tanda (+) dan (-). Gambar Diagram blok engendalian uman maju. Diagram blok sistem engendalian uman balik secara umum dierlihatkan seerti ada gambar Perhatikan tanda (+) dan (-) ada bagian enjumlah antara setoint sinyal engukuran untuk membedakan antara engendali direct acting dan reverse acting. Bila tidak ada keterangan lain, engendali adalah reverse acting sesuai gambar DIAGRAM INSTRUMENTASI Simbol instrumen untuk diagram instrumentasi telah dibakukan oleh ISA (Instrumentation System and Automation), yang di uraikan dalam Instrumentation Symbols and Identifications ANSI/ISA-S Penulisan label yang diletakkan dalam simbol ada tabel di atas mengikuti standar ANSI/ISA S (R 1992) seerti ada tabel berikut. Pengendalian Proses 26

27 Tabel 2.4 Simbol Instrumen Menurut Standar ISA S Lokasi Instrumen Diskret Tamilan ada DCS (Distributed Control System) Diasang di laangan secara langsung ada eralatan Diasang di ruang kendali usat atau anel kendali utama Diasang di belakang anel kendali utama atau tak ditamilkan ada layar monitor Tabel 2.5 Simbol instrumentasi dan standar identifikasi ANSI/ISA S (R 1992) Variabel Proses Tie Elemen Transmitter Indicator Indicator controller Controller Ratio Controller Recorder Control Valve Calculation Ratio Calculation Kode T I IC C FC R V Y FY Analisis (konsentrasi) A AT AI AIC AC AFC AR AV AY AFY Aliran (flow) F FT FI FIC FC FFC FR FV FY FFY Level L LT LI LIC LC LFC LR LV LY LFY Tekanan (ressure) P PT PI PIC PC PFC PR PV PY PFY Suhu (temerature) T TT TI TIC TC TFC TR TV TY TFY Gambar 2.16 Simbol fungsi dan koneksi instrumen Pengendalian Proses 27

28 Contoh-2.2: Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu. Pemanasan aliran minyak dalam sebuah alat enukar anas memakai aliran steam sebagai emanas. Variabel terkendali adalah suhu minyak keluar. Variabel engendali (maniulated variable) adalah aliran steam. (laju anas yang diindahkan ke minyak dingin). Aksi enukar anas terhada erubahan aliran steam adalah diret acting, sehingga engendali harus reverse acting. (a) Diagram lengka. (b) Diagram sederhana (TV sudah termasuk FY) (c) Diagram aling sederhana (TC sudah termasuk TT) Gambar 2.17 Diagram instrumentasi engendalian suhu minyak. Pengendalian Proses 28

29 Contoh-2.3: Diagram Instrumentasi Pengendalian Suhu dan Level Reaktor. (a) Diagram lengka (b) Diagram disederhanakan (c) Diagram aling sederhana Gambar 2.18 Diagram instrumentasi lengka engendalian suhu dan level reaktor tangki. Aksi reaktor (suhu) terhada erubahan aliran steam adalah direct ating, sehingga engendali suhu harus reverse ating. Aksi reaktor (level) terhada erubahan aliran roduk adalah reverse ating, sehingga engendali level harus direct ating. Pengendalian Proses 29

30 Contoh-2.4: Pengendalian Suhu Reaktor Tangki Suhu reaksi dikendalilkan oleh aliran steam. Diinginkan suhu reaksi sebesar 120 o C. Gangguan terhada suhu reaksi adalah: suhu dan laju alir uman, konsentrasi uman, suhu steam, dan kehilangan anas ke lingkungan. Gambar 2.19 Diagram instrumentasi engendalian uman balik suhu reaktor tangki. Gambar 2.20 Diagram blok engendalian uman balik suhu reaktor tangki Keterangan: c suhu camuran reaksi. m laju alir steam. r suhu camuran reaksi yang diinginkan. y suhu terukur u sinyal kendali Control valve sebagai unit kendali akhir. Transmiter suhu sebagai unit engukuran. Pengendalian Proses 30

31 Contoh-2.5: Pengendalian Uman Maju Suhu Reaktor Tangki Pengendalian suhu reaktor tangki seerti ada contoh-2.6 akan dikendalikan dengan engendali uman maju. Suhu reaksi dikendalilkan oleh aliran steam. Diinginkan suhu reaksi sebesar 120 o C. Gangguan terukur adalah: suhu dan laju alir uman. Gambar 2.21 Diagram instrumentasi engendalian uman maju suhu reaktor tangki. Strategi Pengendalian Uman Maju. Pengendalian uman maju ada gambar 2.24 dan 2.25 mengangga gangguan hanya berasal dari laju alir uman dan suhu uman. Laju alir dan suhu berturut-turut dideteksi. Oleh transmiter (FT dan TT), dikirimkan sinyal engukuran ke dalam feedforward control (TC). Dalam bagian ini dilakukan erhitungan matematik berdasar hubungan antara laju alir steam, laju alir, dan suhu uman. Perubahan laju alir dan suhu uman menyebabkan erubahan laju steam. Dengan demikian suhu roduk akan teta meskiun terjadi erubahan laju alir dan suhu uman. Gambar 2.22 Diagram blok engendalian uman maju suhu reaktor tangki. Pengendalian Proses 31

32 Contoh-2.6: Pengendalian Uman Balik dan Uman Maju Gabungan dua strategi ini menghasilkan engendalian suhu yang lebih semurna.. Gambar 2.23 Diagram instrumentasi engendalian uman balik dan uman maju. Gambar 2.24 Diagram blok engendalian uman balik dan uman maju. Pengendalian Proses 32

33 SOAL-SOAL A. URAIAN 1. Level Control-1 Sebuah tangki memunyai aliran masuk dan keluar. Laju alir keluar berubah-ubah tergantung ada emakaian. Level cairan dikendalikan dengan cara mengatur laju alir masuk sesuai emakaian aliran keluar. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. Gambar 2.25 Sistem level cairan. 2. Level Control-2 Sebuah tangki memunyai aliran masuk dan keluar. Laju alir masuk berubah-ubah tergantung roses sebelumnya. Level cairan dikendalikan dengan cara mengatur laju alir keluar sesuai erubahan alirna masuk. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. 3. Pressure Control-1 Laju alir gas masuk ke dalam tangki daat berubah-ubah tana diketahui sebabnya. Tekanan dalam tangki gas dikendalikan dengan laju alir keluar. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. Gambar 2.26 Pengendalian tekanan gas. 4. Pressure Control-2 Laju alir gas keluar ke dalam tangki daat berubah-ubah tana diketahui sebabnya. Tekanan dalam tangki gas dikendalikan dengan laju alir masuk. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. 5. Flow Control Beda tekanan antara aliran masuk dan keluar daat beruba-ubah. Laju alir keluar dikendalikan oleh hambatan aliran. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. Pengendalian Proses 33

34 Gambar 2.27 Pengendalian laju alir. 6. Temerature Control Suhu dan laju alir fluida dingin daat berubah-ubah. Suhu ke reaktor dikendalikan oleh aliran fluida anas. (a) Sebutkan aa yang menjadi: variabel roses, maniulated variable, dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. Gambar 2.28 Pengendalian suhu. 7. Perhatikan flash drum berikut. Agar roses daat berjalan dengan baik dierlukan loo engendalian. Level cairan dikendalikan oleh aliran roduk bawah. Tekanan oerasi dikendalian oleh aliran roduk atas. (a) Lengkai gambar di saming dengan diagram instrumentasi untuk engendalian tersebut. (b) Buat diagram blok sistem engendalian tekanan. Gambar 2.29 Pengendalian flash drum. 8. Reaksi olimerisasi monomer A berlangsung dalam reaktor CSTR yang dilengkai jaket endingin. Reaksi berlangsung endotermik. Kondisi roses yang diinginkan: volume konstan 100 L, suhu reaksi 80 o C, dan konversi A 90%. Soal: (a) Sebutkan besaran aa yang menjadi PV, MV, SP, dan gangguan/beban (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. Gambar 2.30 Pengendalian reaktor tangki-1. Pengendalian Proses 34

35 9. Sebuah tangki encamur digunakan untuk mengencerkan larutan asama setat. Karena konsentrasi larutan asam asetat yang masuk berubah-ubah, dierlukan engendali yang mengatur laju alir air yang masuk ke tangki tersebut agar konsentrasi larutan teta 25% dengan mengukur konduktivitas larutan yang keluar tangki. (a) Sebutkan aa yang yang menjadi variabel roses (PV), variabel termaniulasi (MV), nilai acuan (SP), dan gangguan. (b) Buat diagram blok dan diagram instrumentasi sistem engendalian. ` 10. Perhatikan reaktor yang dilengkai emanas berikut. Suhu, tinggi ermukaan cairan, dan konsentrasi roduk, harus dijaga teta. Suhu dikendalikan oleh laju alir steam. Level dikendalikan oleh laju alir reaktan. (a) Gambarkan diagram instrumentasi (b) Gambarkan diagram blok engendalian level Gambar 2.31 Pengendalian reaktor tangki Pengenceran aliran uman dengan elarut dilakukan dengan tangki encamur. Gambar 2.32 Pengendalian engenceran-1. Berdasar gambar yang ada jawablah ertanyaan berikut. (a) Aa tujuan engendalian roses tersebut. (b) Aa variabel keluaran roses yang diukur? (c) Aa variabel masukan roses yang dimaniulasikan? (d) Aa saja gangguan yang mungkin terjadi? (e) Aa aksi sistem roses? (f) Aa aksi control valve yang diilih? Mengaa? (g) Aa aksi engendali yang diilih. (h) Buat diagram blok sistem engendalian Pengendalian Proses 35

36 12. Perhatikan diagram instrumentasi roses engenceran dalam tangki berikut. Dari gambar ini, untuk masing-masing engendalian: Gambar 2.33 Pengendalian engenceran-2. Berdasar gambar yang ada jawablah ertanyaan berikut. (a) Aa tujuan engendalian roses tersebut. (b) Aa variabel keluaran roses yang diukur? (c) Aa variabel masukan roses yang dimaniulasikan? (d) Aa saja gangguan yang mungkin terjadi? (e) Aa aksi sistem roses? (f) Aa aksi control valve yang diilih? Mengaa? (g) Aa aksi engendali yang diilih. (h) Buat diagram blok sistem engendalian 13. Perhatikan diagram instrumentasi roses emekatan cairan encer dalam evaorator. Gambar 2.34 Pengendalian evaorator. Berdasar gambar yang ada jawablah ertanyaan berikut. (a) Aa tujuan engendalian roses tersebut. (b) Aa variabel keluaran roses yang diukur? (c) Aa variabel masukan roses yang dimaniulasikan? (d) Aa saja gangguan yang mungkin terjadi? (e) Aa aksi sistem roses? (f) Aa aksi control valve yang diilih? Mengaa? (g) Aa aksi engendali yang diilih. (h) Buat diagram blok sistem engendalian Pengendalian Proses 36

37 14. Sebuah sistem engendalian level berikut. Gambar 2.35 Pengendalian level cairan dalam tangki. Berdasar gambar yang ada jawablah ertanyaan berikut. (a) Aa tujuan engendalian roses tersebut. (b) Aa variabel keluaran roses yang diukur? (c) Aa variabel masukan roses yang dimaniulasikan? (d) Aa saja gangguan yang mungkin terjadi? (e) Aa aksi sistem roses? (f) Aa aksi control valve yang diilih? Mengaa? (g) Aa aksi engendali yang diilih. (h) Buat diagram blok sistem engendalian 15. Sebuah tanur (furnace) diakai untuk memanaskan aliran fluida roses dari suhu kamar hingga 300 o C. Suhu fluida roses keluar dikendalikan oleh laju alir bahan bakar.. Gambar 2.36 Pengendalian tanur. Berdasar gambar yang ada untuk setia nomor soal di atas, jawablah ertanyaan berikut. Pengendalian Proses 37

38 (a) Aa tujuan engendalian roses tersebut. (b) Aa variabel keluaran roses yang diukur? (c) Aa variabel masukan roses yang dimaniulasikan? (d) Aa saja gangguan yang mungkin terjadi? (e) Aa aksi sistem roses? (f) Aa aksi control valve yang diilih? Mengaa? (g) Aa aksi engendali yang diilih? (h) Buat diagram blok sistem engendalian 16. Perhatikan tiga metode engendalian enukar anas (heat exchanger). Tujuan engendalian adalah menjaga suhu roses keluar enukar anas ada nilai tertentu. Fluida roses keluar menjadi uman reaktor. Suhu tersebut tidak boleh melebihi setoint. (a) Pengendalian Dasar Aakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan maniulated variable bernilai ositif atau negatif? Aksi katu kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-oen (FO)? Mengaa? Gambar 2.37 Pengendalian dasar enukar anas. (b) Pengendalian dengan Aliran Pintas (byass) Memakai Fluida Panas Aakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan maniulated variable bernilai ositif atau negatif? Aksi katu kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-oen (FO)? Mengaa? Gambar 2.38 Pengendalian dengan aliran intas fluida anas. Pengendalian Proses 38

39 (c) Pengendalian dengan Aliran Pintas (byass) Memakai Aliran Fluida Dingin Aakah gain antara suhu fluida ke reaktor dan maniulated variable bernilai ositif atau negatif? Aksi katu kencali jenis fail-closed (FC) atau fail-oen (FO)? Mengaa? Gambar 2.39 Pengendalian dengan aliran intas fluida dingin. (d) Dari ketiga strategi engendalian tersebut di atas, manakah yang memunyai resons aling ceat? Mengaa? 17. Pneumatic control valves diakai untuk mengatur aliran ada eneraan berikut. (a) Tekanan steam dalam koil emanas reaktor. (b) Laju alir reaktan ke dalam reaktor olimerisasi. (c) Aliran keluaran engolah tangki limbah ke sungai.. (d) Aliran air endingin untuk kondensor distilasi. Tentukan aksi control valve, air-to-oen (AO) atau air-to-close (AC) dan jelaskan. 18. Diagram instrumentasi roses dierlihatkan ada gambar berikut. Steam diakai menguakan sebagian uman dan roduk cair dikeluarkan degan oma. Terdaat control valve untuk steam (FV-2), roduk ua (LV-1), roduk cair (PV-1), aliran uman (FV-1), dan steam chest (FV-3) yang diakai untuk mengalirkan ua secara ceat ada kondisi darurat. Tentukan aksi kelima control valve aakah fail-closed (FC) atau fail-oen (FO) untuk kondisi berikut. (a) Kondisi aling aman dicaai ketika tekanan dan suhu dalam bejana aling rendah. (b) Aliran ua dan cair ke eralatan beriktunya daat menyebabkan situasi berbahaya Uman Steam FT 1 FT 2 FV-2 FC 2 FV-3 FC 1 FV-1 Kondensat PT 1 LT 1 PC 1 PV-1 LC 1 LV-1 Ua Cair Gambar 2.40 Pengendalian searator ua-cair. Pengendalian Proses 39

40 BAGIAN-2: SOAL PILIHAN GANDA Sistem Proses 1. Variabel yang menjadi masukan sistem roses adalah A. variabel keadaan B. variabel roses C. variabel terkendali D. variabel tak dikendalikan E. variabel engendali 2. Besaran yang menunjukkan keadaan roses adalah. A. Variabel roses B. Maniulated variable C. Gangguan D. Beban E. setoint 3. Besaran yang digunakan untuk mengendalikan keadaan roses adalah A. Variabel roses B. Maniulated variable C. Gangguan D. Beban E. setoint 4. Besaran yang menjadi nilai acuan atau target yang diinginkan adalah A. variabel roses B. setoint C. maniulated variable D. gangguan E. beban 5. Anak anah ada diagram blok menunjukkan A. aliran roses B. aliran informasi atau sinyal C. aliran variabel roses D. tindakan E. besaran variabel roses 6. Yang bukan sifat variabel roses A. menyatakan keadaan sistem roses. B. sebagai variabel masukan. C. diengaruhi oleh gangguan D. bersifat dinamik. E. sebagai variabel engendali. 7. Yang bukan beban adalah A. gangguan yang erlu dihilangkan B. dierlukan dalam roses C. memengaruhi keceatan resons variabel roses D. selalu ada dalam roses E. besarnya daat berubah. Pengendalian Proses 40

41 Instrumentasi 8. Piranti yang secara langsung memungut informasi dari medium terukur adalah A. transduser B. transmiter C. sensor D. elemen konversi. E. control valve 9. Piranti yang mengubah bentuk energi atau besaran fisik menjadi sinyal standar adalah A. sensor B. transduser C. transmiter D. elemen elektromekanik E. elemen konversi 10. Dalam sistem engendalian roses dikenal unit atau iranti berikut. (1) Unit engukuran (2) Unit engendali (3) Unit kendali akhir (4) Unit konversi Untuk daat mengendalikan roses, aling sedikit membutuhkan... A. 1, 2, dan 3 B. 1 dan 3 C. 2 dan 4 D. 4 E. 1,2,3, dan Transmiter berfungsi sebagai A. engubah besaran fisis B. embawa singal kontrol C. mengirim sinyal kontrol D. mengirimkan sinyal engukuran E. mengirim sinyal setoint. 12. Unit kendali akhir dalam sistem engendalian roses, berfungsi sebagai A. engubah sinyal kendali menjadi aksi engendalian B. engubah sinyal kendali menjadi aksi emantauan C. engubah sinyal engukuran menjadi sinyal kendali D. engubah sinyal engukuran menjadi aksi engendalian E. enerima sinyal setoint 13. Pada katu kendali jenis direct acting air-to-oen, jika tekanan udara naik, A. stem ke atas, valve menutu B. stem ke atas, valve membuka C. stem ke bawah, valve menutu D. stem ke bawah, valve membuka E. stem ke atas saja Pengendalian Proses 41

42 14. Jika asokan tekanan udara hilang, maka lug dari control valve jenis air-to-close akan A. membuka B. menutu C. setengah membuka D. membuka lantas menutu E. tak terengaruh 15. Jika stem ada katu kendali bergerak ke atas maka... A. katu membuka. B. katu menutu. C. bersifat fail closed D. bersifat fail oen E. bersifat air-to-oen 16. Arti istilah direct-acting ada engendali, adalah bila A. PV naik, MV turun B. PV turun, MV turun C. PV naik, SP naik D. PV naik, SP turun E. SP naik, MV turun 17. Pengendalian tinggi ermukaan cairan memakai aliran keluar sebagai variabel engendali. Maka aksi engendali dan katu kendali berturut-turut adalah A. direct acting dan FO B. direct acting dan FC C. reverse acting dan FO D. reverse acting dan FO atau FC E. reverse acting dan FC 18. Tamilan maniulated variable terbaca 60%. Ini berarti bukaan katu sebesar A. 40% B. 40% untuk aksi reverse acting C. 60% D. 60% untuk aksi reverse acting E. tergantung nilai variabel roses Pengendalian Uman Balik 19. Pengendalian roses ada dasarnya adalah bertujuan untuk menjaga variabel A. keadaan roses. B. setoint C. gangguan D. beban E. engendali 20. Ciri utama engendalian uman balik A. adanya offset B. setoint teta C. adanya uman balik negatif D. adanya error E. adanya osilasi kontinyu Pengendalian Proses 42

43 21. Pengendalian suhu minyak dengan enukar anas memakai air anas sebagai emanas. Suhu minyak keluar dikendalikan oleh laju air anas yang masuk. Maka A. beban adalah laju alir minyak B. setoint adalah suhu minyak anas C. gangguan adalah laju alir air anas D. variabel roses adalah suhu air anas E. error adalah beda antara suhu minyak keluar dan suhu air anas masuk 22. Dari langkah berikut: 1. mengevaluasi 2. mengoreksi 3. mengukur 4. membandingkan Urutan langkah engendalian uman balik adalah A. 1, 2, 3, 4 B. 2, 1, 3, 4 C. 3, 2, 1, 4 D. 3, 4, 1, 2 E. 4, 3, 1, Besaran yang dikendalikan disebut... A. rocess variable. B. maniulated variable. C. disturbance. D. load. E. Setoint 24. Langkah terenting ada engendalian A. mengukur dan membandingkan B. mengukur C. membandingkan D. mengevaluasi E. mengoreksi 25. Ciri engendalian uman balik A. aksi koreksi bergantung erubahan variabel terkendali B. sinyal error selalu negatif C. setoint selalu teta D. terdaat offset bila terjadi erubahan beban E. selalu tak stabilan. 26. Kelebihan engendalian uman balik adalah sebagai berikut, kecuali... A. daat mengantisiasi gangguan yang tak terukur B. tidak erlu mengetahui erilaku sistem roses secara teat. C. bersifat tegar (robust) yaitu tahan terhada erubahan erilaku sistem roses. D. tindakan koreksi terjadi sebelum PV berubah. E. daat mengantisiasi erubahan beban yang tak terukur Pengendalian Proses 43

44 Diagram Instrumentasi Perhatikan diagram instrumentasi berikut. 27. FY adalah A. I/P converter. B. Inut Pressure converter. C. emasok udara tekan. D. unit kalkulasi E. unit kendali akhir 28. FC adalah A. I/P converter. B. High Low Controller. C. flow calculation. D. flow controller. E. flow calculation 29. Arti FT ada FT adalah A. flow transducer B. flow transmitter C. flow temerature D. float transmitter E. float transducer Diagram instrumentasi berikut diakai untuk menjawab soal nomor 17 hingga 20. Gas roses ada suhu dan tekanan tertentu dialirkan ke dalam quench tower untuk didinginkan dan dibersihkan. Sebagai endingin adalah air yang disirkulasikan oleh oma GA-108 dan didingin-kan oleh EA-116 dan EA-117. Perhatikan engendali TIC Variabel roses terkendali adalah A. suhu aliran-7 B. suhu aliran-8 C. aliran-7 D. aliran-8 E. suhu dan laju aliran Variabel engendali adalah A. suhu aliran-6 B. aliran-7 C. aliran-8 D. suhu aliran-9 E. suhu dan laju aliran Gangguan beban adalah A. suhu aliran-6 B. suhu aliran-7 C. suhu aliran-8 D. suhu aliran-9 E. suhu aliran-6 dan 7 Pengendalian Proses 44

45 33. Aksi lant & engendali berturut-turut A. reverse acting dan direct acting B. reverse acting dan reverse acting C. direct acting dan reverse acting D. direct acting dan direct acting E. bukan salah satu di atas 34. Jika suhu aliran-8 terlalu tinggi, maka A. Bukaan control valve bertambah B. Bukaan control valve berkurang C. Aliran-6 berkurang D. Aliran-7 bertambah E. Aliran-8 bertambah Pengendalian Proses 45

46 BAB-3 KARAKTERISTIK SISTEM PROSES TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM Memahami karakteristik sistem roses untuk digunakan dalam menentukan arameter engendali yang sesuai. TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharakan daat: 1) Daat menentukan karakteristik statik. 2) Daat membuat sketsa grafik resons ste. 3) Daat mengidentifikasi ersamaan matematik sistem. 4) Daat menentukan gain dan konstanta waktu sistem orde-1. 5) Daat menentukan aksi integral dalam roses. 6) Daat menentukan gain, waktu mati dalam roses aliran cair dan adat. 7) Daat menentukan gain, konstanta waktu dan waktu mati dari sketsa resons langkah. 8) Daat menentukan aakah roses sukar, sedang, atau mudah dikendalikan dari bentuk resons langkahnya. 9) Daat menerangkan sistem nonlinier dan salah satu metode linierisasi di laangan. Pengendalian Proses 46

47 3.1 PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES Bab ini menjelaskan karakteristik sistem dinamik khususnya sistem roses. Meskiun demikian emahamam ini daat diterakan ada sistem dinamik lain, misalnya control valve, sensor, transmiter, dan sistem lingkar tertutu (closed-loo system). Pemahaman terhada karakteristik sistem sangat enting dalam kaitan dengan merancang, menganalisa, dan mengoerasikan sistem engendalian roses. Meskiun demikian, cara andang ahli engendalian (control engineer) terhada sistem khususnya sistem roses terkendali biasanya berbeda dengan ahli erancangan roses (rocess design engineer). Berikut contoh erbedaan cara andang itu. Tabel 3.1 Perbedaan cara andang erancangan roses dengan engendalian roses. NO. PERANCANGAN PROSES PENGENDALIAN PROSES 1 Menitikberatkan ada laju roduksi dan sesifikasi kualitas, yang biasa disebut kondisi erancangan. Menitikberatkan ada eksistensi roses ada saat beroerasi, sebagai contoh mengurangi variasi uman roses atau kondisi tak normal lain. 2 Menginginkan biaya investasi eralatan serendah mungkin dan umur eralatan selama mungkin. 3 Variabel erancangan sebagai variabel bebas. Variabel lain yang diturunkan dari sini berlaku sebagai variabel terikat. Sebagai contoh, tekanan steam jenuh sebagai variabel bebas, sementara suhu menjadi variabel terikat. 4 Menitikberatkan ada kondisi roses tunak (steady-state) yang menunjukkan kebutuhan oerasi normal yang seharusnya. Menginginkan biaya oerasional roses serendah mungkin. Titik oerasi engendalian (misalnya, bukaan valve atau laju alir) sebagai variabel bebas. Sebagai contoh, tekanan steam menjadi variabel terikat selama oerasional sebagai hasil dari bukaan valve atau laju alir dan suhu sebagai variabel bebas. Menitikberatkan ada kondisi dinamik atau transien yang menunjukkan erilaku roses selama beroerasi secara nyata. Dalam teknologi roses, setia roses memiliki karakteristik berbeda-beda. Dari cara andang engendalian roses, banyak karakteristik roses yang serua meskiun berbeda roses. Sebagai contoh, roses emanasan berbeda dengan roses engenceran. Tetai ditinjau dari cara andang engendalian, keduanya memiliki karakteristik reson dinamik yang serua. 3.2 SISTEM PROSES DALAM PENGENDALIAN UMPAN BALIK Sistem engendalian roses terdiri atas sistem roses terkendali (controlled rocess system) dan sistem kendali (controlling system). Sistem roses terkendali berisi: elemen regulasi (misalnya valve), sistem roses atau lant, dan elemen engindera (sensor). Sistem kendali berisi: transmiter, engendali, dan enggerak atau actuator (misalnya motor atau Pengendalian Proses 47

48 enggerak neumatik). Pada raktiknya, antara enggerak (ada sistem kendali) dan elemen regulasi (ada sistem terkendali) dibuat menjadi satu yang disebut unit kendali akhir atau elemen kendali akhir. Demikian ula antara elemen engindera (ada sistem terkendali) dan transmiter (ada sistem kendali) dibuat menjadi satu dan disebut unit engukuran. Di laangan, unit engukuran seringkali disebut transmiter saja. Dalam hal ini elemen engindera sudah termasuk dalam transmiter. Variabel engendali (maniulated variable) Variabel roses terkendali (controlled variable) Gambar 3.1 Sistem engendalian uman balik. Gambar 3.2 Sistem engendalian uman balik ditinjau dari sistem kendali. Ditinjau dari sudut andang sistem kendali, engendali mengeluarkan erintah ke sistem roses yang berada di laangan lewat sinyal kendali dan menerima informasi variabel roses lewat sinyal engukuran dari transmiter. Pengendali hanya melihat roses melalui informasi dari transmiter. Hubungan antara sinyal engukuran dan variabel roses dieroleh dari kalibrasi transmiter. Demikian ula, engendali hanya memberi aksi engendalian roses lewat sinyal kendali. Hubungan antara sinyal kendali dan variabel Pengendalian Proses 48

49 engendali dieroleh dari kalibrasi elemen kendali akhir. Dengan demikian, dari sisi engendali, sistem roses hanya dilihat sebagai hubungan antara masukan roses (sinyal kendali, u) dan keluaran roses (sinyal engukuran, y). 3.2 SEKILAS RESPON PROSES Bentuk reson keluaran y(t) akan berbeda tergantung masukan u(t). Untuk selanjutnya, jika tidak disebutkan secara khusus, diangga reson ste. Perubahan masukan dalam bentuk fungsi ste. 0 t < 0 u ( t) = (3.1) A t > 0 Jika A = 1, disebut fungsi ste satuan (unit ste function) dan keluaran y(t) disebut reson ste satuan (unit ste resonse). Ini secara matematika sudah mencukui. Lebih enting mengetahui erubahan keluaran dari nilai sebelumnya dari ada nilai sesungguhnya. Oleh sebab itulah mengaa dibuat u(t) = 0 ada waktu t < SISTEM TANPA REGULASI DIRI (INTEGRATOR) Gambar 3.2 memerlihatka reson sistem tana regulasi (non-self-regulating) atau tak manta (integrator). Keluaran secara kontinyu naik atau turun ada kemiringan teta hingga mencaai batas kendala sistem. Sebagai contoh adalah level cairan dalam bejana ketika laju alir keluar teta tetai aliran masuk berubah sehingga lebih besar dari ada aliran keluar. Level cairan naik terus hingga luber dari tangki. Gambar 3.3 Integrator Pengendalian Proses 49

50 3.2.2 SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE SATU Gambar 3.4 memerlihatkan reson sistem orde satu, yang juga disebut reson eksonensial. Karakteristik enting reson ini adalah reaksi ceat ada saat awal, kemudian kemiringannya mengecil dan akhirnya nol, sehingga tercaai kondisi steady state baru. Sebagai contoh, emanasan air dalam ketel. Ketika emanas dinyalakan, energi anas masuk ke air hingga tercaai suhu tertentu yang menghasilkan reson sistem orde satu. Reson sistem tidak berubah seketika akibat adanya kaasitansi termal ketel dan air. Suhu akan teta ketika energi anas masuk sama dengan energi anas keluar. Gambar 3.4 Sistem Orde Satu SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE DUA SANGAT TEREDAM Gambar 3.5 memerlihatkan reson orde dua sangat teredam (over-damed). Karakteristik enting ada reson ini adalah, reson lambat di awal, kemudian diikuti reson yang miri orde satu. Banyak roses industri memerlihatkan tie reson ini. Sebagai contoh, emanasan camuran reaksi secara tidak langsung. Steam memanaskan air. Air anas selanjutnya memanaskan camuran reaksi. Perubahan laju steam lebih dulu menaikkan suhu air sebelum berengaruh ada suhu camuran reaksi. Gambar 3.5 Reson orde dua sangat teredam. Pengendalian Proses 50

51 3.2.4 SISTEM DENGAN REGULASI DIRI ORDE DUA TEREDAM Gambar 3.6 memerlihatkan reson orde dua teredam (under-damed). Ciri reson ini adalah terjadi overshoot yang melewati nilai tunak (steady-state) dan diikuti osilasi dengan amlitudo berangsur mengecil samai hilang. Seerti ada reson sangat teredam, terdaat reson awal yang lambat. Reson tie ini adalah karakteristik sistem dengan kelembamam (inersia), misalnya erubahan suhu reaksi oleh erubahan konsentrasi reaktan. Gambar 3.6 Reson orde dua teredam WAKTU MATI Waktu mati adalah waktu antara aksi (erubahan sinyal kendali) hingga munculnya reaksi (erubahan sinyal engukuran) Gambar 3.7 dierlihatkan reson waktu mati (deadtime) atau reson kelambatan transor (transort-lag resonse). Di sini reson keluaran muncul setelah waktu tertentu yaitu sebesar waktu mati. Contoh engangkutan material (sehingga disebut kelambatan transor). Jika terjadi erubahan berat aliran material di ujung konveyor akan dibutuhkan waktu untuk samai di sensor berat. Gambar 3.7 Reson waktu mati Pengendalian Proses 51

52 Table 3.2 Rangkuman sistem dinamik dasar. Elemen Reson Awal Osilasi Memunyai Nilai Tunak Integrator Ceat Tidak Tidak Orde-satu Ceat Tidak Ya Orde dua sangat teredam Lambat Tidak Ya Orde dua teredam Lambat Ya Ya Waktu mati Tidak ada Tidak Ya Dalam kondisi nyata, reson ste daat terlihat berbeda dari elemen sederhana tersebut. Karena ada umumnya berua kombinasi beberaa elemen sederhana. Contoh-3.1 Reson ste yang dierlihatkan dalam gambar 3.8 memiliki karakteristik berikut: (a) memerlukan waktu beberaa saat sebelum terjadi reson; (b) reson awal adalah berangsur-angsur; (c) reson berlanjut naik terus hingga tak terbatas; (d) terdaat osilasi. Gambar 3.8 Contoh reson sistem Dari karakterisitk elemen sederhana, daat disimulkan hal-hal sebagai berikut: Karakteristik (a) menunjukkan elemen waktu mati; Karakteristik (b) dan (d) menunjukkan elemen orde dua teredam. Karakteristik (c) menunjukkan elemen integrator; Berdasar reson ste daat diturunkan model matematika sistem komleks dengan mengangga sebagai gabungan antara elemen orde satu dan waktu mati (First Order Plus Dead Time, FOPDT). Dengan model yang dieroleh daat dianalisa, dirancang, dan disimulasikan. 3.3 ELEMEN DASAR Sistem selalu membutuhkan waktu untuk mereson setia rangsangan yang masuk, baik teramati mauun tidak. Secara umum daat dikatakan, bila masukan ke dalam sistem berubah, maka keluaran sistem akan berubah dalam bentuk dan waktu tertentu. Pengendalian Proses 52

53 Ditinjau dari sudut andang sistem dan engendalian, adalah sangat enting untuk mengetahui lebih dari sekedar reson. Jika keluaran sistem dinamik digambarkan terhada waktu, bagaimana bentuk reson? Bagaimana reson daat digolongkan? Daatkah model dinamika sistem diturunkan dari reson yang dieroleh? Daatkah arameter sistem dinamik diidentifikasi? Inilah sederet ertanyaan mengenai dinamika sistem roses. Sistem dinamik berisi elemen-elemen dasar yang tersusun sedemikian rua sehingga menghasilkan karakteristik tertentu. Terdaat dua elemen dasar enting dalam sistem roses yaitu elemen resistansi (hambatan) dan elemen kaasitansi (enyimanan). Sistem dinamik dibentuk oleh kombinasi elemen resistansi dan kaasitansi. Jumlah dan susunan elemen-elemen tersebut menghasilkan karaktersitik tertentu. 3.4 KARAKTERISITK STATIK DAN DINAMIK Karakteristik atau erilaku sistem ditentukan oleh bagaimana hubungan antara variabel bebas (masukan) dan variabel terikat (keluaran). Dalam teknik engendalian, karakteristik atau erilaku sistem dibedakan atas erilaku statik dan dinamik. Kata statik atau dinamik menunjukkan ada atau tidak adanya engaruh waktu ada keadaan sistem. Contoh 3.2 Perilaku Statik dan Dinamik Dua buah bejana masing-masing berisi 1 liter dan 5 liter air. Keduanya dianaskan dengan suhu nyala ai yang sama dari suhu 25 o C hingga mendidih (100 o C). Grafik emanasan kedua tangki ditunjukkan ada gambar 3.2. Dari gambar tersebut, setelah 12 menit emanasan, suhu air dalam kedua tangki sama besar yaitu 100 o C. Artinya karakterisitk statik keduanya sama. Tetai untuk mencaai suhu 100 o C, tangki kecil hanya membutuhkan waktu 5 menit, sedangkan tangki besar membutuhkan waktu 12 menit. Artinya karakterisitk dinamik keduanya berbeda. Dengan erkataan lain dinamika untuk mencaai suhu 100 o C adalah berbeda. Gambar 3.9 Pemanasan air ada volume berbeda. Pengendalian Proses 53

54 3.4.1 KARAKTERISTIK STATIK Gain Proses. Karakteristik statik atau erilaku statik adalah erilaku sistem yang tidak diengaruhi waktu. Secara numerik dinyatakan oleh steady-state gain atau static-gain (di kalangan raktisi disebut dengan rocess gain atau gain saja), yaitu erbandingan antara erubahan keluaran dan erubahan masukan setelah tercaai keadaan tunak (steady-statei). Dengan mengetahui karakteristik statik maka batas engendalian daat diketahui. Karakterisitk statik menunjukkan hubungan satu-satu antara variabel bebas dan variabel terikat. Sebagai contoh, roses emanasan cairan dalam tangki berikut. Gambar Proses emanasan cairan dalam tangki. Tujuan roses adalah memanaskan cairan dingin hingga menjadi cairan anas ada suhu tertentu. Sinyal kendali digunakan untuk memerintahkan temerature control valve (TV) membuka atau menutu aliran steam. Besar bukaan valve (atau aliran steam) sebagai variabel bebas. Steam memanaskan cairan dalam tangki hingga suhu tertentu. Suhu cairan anas sebagai variabel terikat, yaitu tergantung ada aliran steam. Meskiun demikian, selain oleh aliran steam, suhu cairan juga diengaruhi laju alir cairan dingin (F), suhu cairan dingin (T o ), suhu steam (T s ), hambatan erindahan anas, dan kehilangan anas ke lingkungan. Kelimanya dimasukkan dalam kelomok gangguan emanasan. Jika gangguan tidak berubah, maka suhu cairan anas hanya diengaruhi oleh aliran steam. Pada satu nilai aliran steam akan menghasilkan satu nilai suhu cairan anas. Oleh sebab itu terdaat hubungan satu-satu antara aliran steam (variabel bebas) dan suhu cairan anas (variabel terikat). Hubungan satu-satu antara variabel bebas dan variabel terikat daat digambarkan sebagai kurva karakterisitk statik. Pada kebanyakan roses, kurva karakteristik statik tidak linier. Pada gambar 3.11 disajikan kurva karakteristik statik roses emanasan tersebut. Dari kurva daat dilihat bahwa suhu cairan anas berkisar antara nilai suhu cairan dingin (T o ) dan suhu cairan anas maksimum (T max ). Pada bukaan valve (aliran steam) sebesar S, maka dihasilkan suhu cairan anas sebesar T. Perlu mendaat erhatian, bahwa kurva karaterisitk seerti tersebut di atas, hanya berlaku ada nilai beban (gangguan) tertentu. Pada nilai beban yang lain kurva akan bergeser ke atas atau ke bawah (gambar 3.12). Pengendalian Proses 54

55 Gambar Kurva karakteristik statik emanasan cairan. T s suhu steam. T max suhu cairan anas maksimum T o suhu cairan dingin Gambar Kurva karakteristik statik ada erubahan beban. Salah satu cara menentukan nilai steady-state gain yaitu dengan metode uji steresonse atau kurva reaksi. Kedalam sistem diberikan erubahan variabel masukan dari satu nilai steady-state awal ke nilai steady-state akhir. Variabel keluaran sistem diamati hingga tercaai steady-state baru. Dari sini dieroleh nilai steady-state gain atau staticgain, K. y K = x Gambar Uji ste-resonse. Pengendalian Proses 55

56 Pada sistem roses, steady-state gain memiliki beberaa nilai kemungkinan tergantung ada engambilan variabel masukan dan keluarannya. K K K y = u antara sinyal engukuran terhada sinyal kendali (tana satuan) c = u antara variabel roses terhada sinyal kendali c = m antara variabel roses terhada variabel engendali Berhubung ketidaklinieran sistem roses, steady-state gain daat memiliki nilai berbeda jika titik oerasi berbeda. u CONTROL VALVE m SISTEM PROSES c TRANSMITTER y Gambar Diagram blok sistem roses dan iranti yang terlibat. u - sinyal kendali m - variabel engendali (maniulated variable) c - variabel roses terkendali (controlled variable) y - sinyal engukuran Direct Acting dan Reverse Acting. Satu hal enting lainnya adalah arah kemiringan erubahan variabel roses, yaitu langsung (direct acting atau reson ositif) atau berlawanan (reverse acting atau reson negatif). Pada direct acting, kenaikan sinyal kendali menghasilkan kenaikan variabel roses. Dan sebaliknya, ada reverse acting kenaikan sinyal kendali menghasilkan enurunan variabel roses. (a) Proses direct acting. (b) Proses reverse acting. Gambar Kurva karakteristik statik. Pengendalian Proses 56

57 3.4.2 KARAKTERISTIK DINAMIK Perilaku dinamik atau karakteristik dinamik adalah erilaku sistem yang diengaruhi waktu. Karakteristik dinamik dinyatakan oleh dynamic gain. Dengan mengetahui karakteristik dinamik maka bagaimana cara mengendalikan sistem roses daat diketahui. Salah satu cara mengetahui karakteristik dinamik suatu sistem adalah dengan uji reson frekuensi (frequency resonse). Masukan sistem berua sinusoida. Keluaran sistem dibandingkan dengan masukan. Dari sini dieroleh dua besaran, yaitu erbandingan amlitudo (A r ) dan kelambatan atau beda fase (φ) antara masukan dan keluaran. Gambar Uji reson sinusoida. 3.5 KLASIFIKASI SISTEM DINAMIK Klasifikasi sistem dinamik didasarkan atas bentuk reson variabel keluaran. Berdasar kemamuan mencaai kestabilan sendiri, sistem dinamik dibedakan menjadi: sistem manta (self-regulating); sistem tak manta (non-self-regulating atau integrator); dan sistem tak stabil (unstable atau runaway). (1) Sistem Manta (self-regulating). Sistem ini adalah sistem dinamik yang mamu mencaai kondisi steady state baru setelah terjadi erubahan variabel masukan. (2) Sistem Tak Manta (non-self-regulating). Sistem ini adalah sistem dinamik yang tidak mamu mencaai kondisi steady state baru setelah terjadi erubahan variabel masukan. Sistem tak manta sering disebut dengan sistem integrator. Sistem demikian erlu engendalian. Hanya dengan engendalian uman balik sistem daat mencaai kondisi stabil. Berdasarkan engalaman, sistem manta lebih mudah dikendalikan dari ada sistem tak manta. (3) Sistem Tak Stabil (unstable atau runaway). Sistem ini adalah sistem dinamik yang keluarannya berubah secara eksonensial jika terjadi erubahan masukan SISTEM ORDE NOL (PROPORSIONAL) Sistem orde nol hanya mengandung elemen resistansi. Dalam sistem ini, erubahan variabel keluaran selalu roorsional atau sebanding dengan erubahan variabel masukan. Variabel keluaran daat berubah mengikuti variabel masukan tana terjadi keterlambatan. Pengendalian Proses 57

58 Model Sistem Orde Nol Sistem dinamik roorsional memiliki model matematika, y = K u (3.2) dengan: y = variabel keluaran; u = variabel masukan; dan K = steady-state gain, static gain, atau sensitivitas roorsional. Persamaan 4.2 daat diubah ke dalam bentuk fungsi transfer, yaitu berua erbandingan antara keluaran dan masukan. Y = K (3.3) U dengan, Y = ( y - y o ) y o = nilai awal y U = (u - u o ) u o = nilai awal u Diagram blok dan reson variabel keluaran dierlihatkan ada gambar Di sini reson variabel keluaran terjadi seketika tana keterlambatan dan daat mencaai kestabilan baru, sehingga termasuk sistem manta (dengan regulasi diri). Gambar 3.17 Diagram blok dan reson sistem sistem orde-0 (roorsional). Contoh 3.3 Laju Alir-1 Sebuah sistem hanya berisi elemen resistansi (R). Beda tekanan (P) sebagai variabel keluaran (variabel terikat) dan laju alir (Q) sebagai variabel masukan (variabel bebas). Gambar 3.18 Rangkaian resistansi sebagai sistem roorsional. Pengendalian Proses 58

59 Contoh 3.4 Laju Alir-2 Sebuah sistem hanya berisi elemen resistansi (R). Laju alir sebagai variabel keluaran (variabel terikat) dan laju tekanan (P) sebagai variabel masukan (variabel bebas). Gambar 3.19 Rangkaian resistansi sebagai sistem roorsional. Contoh 3.5 Pengendalian Laju Alir Sistem roses terdiri atas control valve, eriaan, dan sensor laju alir. Sistem dialiri air. Jika valve travel (u) berubah naik atau turun maka laju alir air (Q) seketika berubah. Dalam sistem ini sebagai variabel keluaran (terikat) adalah laju alir dan sebagai variabel masukan (variabel bebas) adalah valve travel (u). Laju alir roorsional dengan gerakan valve. Persamaan hubungan antara laju alir dan valve travel adalah, Q = K u + Q o Gambar 3.20 Pengendalian laju alir sebagai sistem roorsional Pengendalian Proses 59

60 3.5.2 SISTEM ORDE SATU Sistem orde satu berisi gabungan satu elemen resistansi dengan satu kaasitansi. Oleh adanya komonen tersebut, keadaan sistem (energi atau massa yang tersiman) hanya daat berubah secara berangsur, baik saat engisian mauun engeluaran. Akibatnya terdaat kelambatan reson variabel keluaran. Kelambatan sistem disebabkan adanya komonen yang bersifat menyiman massa dan/atau energi. Keceatan reson variabel keluaran selama eriode transisi, sebelum tercaai steady state, tergantung ada besar kaasitas dan hambatan aliran yang memasuki komonen enyiman. Sistem orde satu hanya memiliki satu komonen enyiman energi dan/atau massa. Model Sistem Orde Satu Persamaan model sistem orde satu adalah, dy τ + y = K u (3.4) dt dengan : u = masukan sistem y = keluaran sistem τ = konstanta waktu sistem, dan K = steady state gain. Fungsi transfer (G ) sistem orde satu daat dibuat dengan mengganti oerator diferensial (d/dt) dengan (s) atau dengan transformasi Lalace. Jika nilai awal u dan y berturut-turut adalah u o dan y o maka dari ersamaan (4.18) daat dieroleh fungsi transfer sistem orde satu sebagai, Y K G = = (3.5) U τ s +1 dengan, Y =( y - y o ) U = (u - u o ) Jika masukan berua fungsi ste dengan erubahan sebesar A, maka hubungan keluaran dan masukan adalah (gambar 4.20), t / τ y = K A 1 e + y (3.6) ( ) o Konstanta Waktu. Waktu yang dierlukan oleh variabel keluaran sistem dinamik untuk mencaai 63,2 % dari nilai akhirnya yang dihitung dari kondisi awal, jika masukan berubah sebagai fungsi ste disebut konstanta waktu. Besaran ini menunjukkan seberaa ceat waktu yang digunakan untuk mencaai steady-state baru. Sehingga konstanta waktu menjadi ukuran keterlambatan. Semakin besar konstanta waktu (τ ), berarti semakin besar komonen enyiman massa/energi dan reson variabel keluaran semakin lambat. Konstanta waktu menentukan erilaku dinamik sistem Pengendalian Proses 60

61 Gain Proses. Steady-state gain, static-gain, atau gain saja menunjukkan besar erubahan variabel keluaran terhada masukan setelah tercaai steady-state baru. Sehingga steadystate gain menunjukkan karakteristik statik dan menjadi ukuran keekaan (sensitivitas). Steady-state gain menentukan keekaan atau erilaku statik sistem. Sistem orde satu (first-orde lag) biasa ditulis dengan PT 1 yang berati sistem roorsional dengan keterlambatan. Banyak roses di industri daat dimodelkan sebagai sistem orde satu. Gambar 3.21 Diagram blok dan reson ste sistem orde satu Sebagai ilustrasi dierlihatkan ada gambar Suhu cairan dalam tangki daat diatur melalui keran encamur. Tergantung ada volume tangki, suhu cairan hanya daat berubah secara berangsur setelah bukaan keran diubah. Gambar 3.22 Sistem orde satu dengan suhu sebagai variabel keluaran SISTEM ORDE DUA Sistem orde dua disebut juga sistem osilatori, sebab sistem ini daat mengalami osilasi, baik osilasi teredam mauun kontinyu. Pengendalian Proses 61

62 Model Sistem Orde Dua Sistem orde dua memiliki model ersamaan sebagai berikut. 2 2 d y dy τ + 2τ ζ + y = K x 2 dt dt dengan: τ = waktu karakterisitik roses; ζ = faktor redaman (daming factor) roses; K = steady state gain roses. Fungsi transfer sistem orde dua adalah, Y K G = = 2 2 U τ s + 2ζ τ s + 1 Bentuk reson ste sistem orde dua, tergantung nilai faktor redaman (ζ ). (3.7) (3.8) Gambar Reson ste ada sistem orde dua. Gambar Sesifikasi reson osilasi teredam sistem orde dua. Pengendalian Proses 62

63 Sesifikasi Reson Osilasi Teredam. Sesifikasi reson osilasi teredam dinyatakan oleh beberaa besaran berikut (indeks ada τ dan ζ sengaja dihilangkan, untuk memberi engertian, bahwa reson ini berlaku umum, bukan hanya untuk roses). Waktu tunda, t d, (delay time) adalah waktu ertama yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencaai setengah dari nilai akhirnya. Waktu naik, t r, (rise time) adalah waktu yang dibutuhkan oleh variabel keluaran sistem untuk naik dari 10% ke 90%, atau 0% ke 100% dari nilai akhirnya. Untuk sistem orde dua dengan osilasi teredam (underdamed) diakai 0% ke 100% waktu naik. Untuk sistem sangat teredam (overdamed), biasa diakai 10% ke 90% waktu naik. τ ( π β ) t r = (3.9) 2 1 ζ ζ β = tan (3.10) ζ Waktu uncak, t, (eak time) adalah waktu yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencaai uncak gelombang yang ertama. πτ t = (3.11) 2 1 ζ Overshoot adalah amlitudo maksimum dari variabel keluaran sistem dihitung dari nilai akhirnya. Jika nilai akhir tidak sama dengan satu, biasanya overshoot dinyatakan dalam ersen overshoot. Besaran ini langsung menunjukkan kestabilan relatif dari sistem. Semakin besar overshoot, sistem semakin tak stabil. Tetai semakin kecil overshoot, sistem semakin lambat. a ζπ M =.100% = ex( ) 100% (3.12) b 2 1 ζ Waktu manta, t s, (settling time) adalah waktu yang dibutuhkan variabel keluaran sistem untuk mencaai nilai dengan enyimangan di sekitar 5% (atau 2%) dari nilai akhirnya untuk seterusnya berada dalam batas nilai tersebut. Waktu manta berhubungan erat dengan konstanta waktu sistem. 3τ Kriteria 5%: t s = (3.13) ζ Decay ratio adalah erbandingan antara amlitudo kedua dan ertama. Decay ratio = c a = 2ζπ ex( ) (3.14) 2 1 ζ Periode osilasi, T = 2πτ (3.15) 2 1 ζ Jika, ζ = 0, akan terjadi osilasi kontinyu dan eriode osilasinya disebut eriode osilasi alami (T n ). Pengendalian Proses 63

64 Reson sistem orde dua sangat enting untuk difahami, karena miri dengan erilaku sistem engendalian uman balik. Dengan adanya uman balik, sistem daat mengalami osilasi, baik teredam mauun kontinyu bahkan tidak stabil. Sedikit catatan tentang reson transien sistem orde dua. Kecuali untuk eneraan khusus yang tidak membolehkan adanya osilasi, biasanya reson transien diinginkan cuku ceat dan cuku teredam. Berdasar engalaman, nilai faktor redaman (ζ) yang memenuhi syarat demikian terletak antara 0,4 dan 0,8. Nilai yang lebih kecil dari 0,4 menyebabkan overshoot berlebihan. Sedangkan lebih besar dari 0,8 menyebabkan reson terlalu lambat. Sementara itu, overshoot dan waktu manta saling tarik menarik secara berlawanan. Jika overshoot kecil, waktu manta menjadi anjang. Sebaliknya, jika waktu manta dibuat endek, overshoot menjadi besar SISTEM ORDE SATU SERI Susunan seri dua sistem orde satu atau lebih bererilaku sebagai sistem orde tinggi. Jika keluaran sistem berikutnya memengaruhi sistem sebelumnya disebut sistem dengan interaksi, dan sebaliknya disebut sistem tana interaksi. Gambar 3.25 Dua sistem orde satu seri dengan interaksi. Gambar 3.26 Dua sistem orde satu seri tana interaksi. Pengendalian Proses 64

65 Gambar 3.27 Reson ste sistem orde satu seri (angka dalam kurva menunjukkan jumlah sistem orde satu) Pada gambar 3.25, laju alir masuk ke tangki-2 tergantung ada erbedaaan kedua tinggi air. Artinya, keceatan erubahan tinggi air tangki-2 tergantung ada tinggi air tangki-1, dan sebaliknya. Berbeda untuk sistem tana interaksi sebagaiamana contoh ada gambar Laju alir air ke tangki-2 hanya diengaruhi tinggi air tangki-1. Tinggi air tangki-2 tidak memengaruhi keceatan erubahan tinggi air tangki WAKTU MATI (DEAD TIME) Waktu mati adalah waktu antara aksi ada masukan dan munculnya reaksi ada keluaran. Salah satu contoh, aliran cairan melalui ia dengan luas enamang A dan anjang L. Gambar Waktu mati ada aliran dalam ia. Mula-mula air dengan laju alir volumetrik Q masuk ujung ia kiri ada suhu manta T o. Suatu saat suhu air yang masuk ujung kiri dianaskan menjadi T 1. Maka erubahan suhu cairan tidak akan terdeteksi sensor suhu di ujung ia kanan, samai waktu mencaai, A.L θ = (3.16) Q Model Waktu Mati Waktu aktu mati memiliki model matematika, y(t) = u(t - θ ) (3.17) yang berarti keluaran sistem tertunda sebesar θ. Sedangkan fungsi transfernya adalah, Y θ s G = = e (3.18) U Pengendalian Proses 65

66 Reson ste sistem waktu mati dierlihatkan ada gambar berikut. Gambar Diagram blok dan reson ste waktu mati SISTEM ORDE TINGGI Rangkaian sistem dinamik biasanya memiliki banyak elemen dinamik yang terhubung secara rumit. Akibatnya sistem demikian meruakan sistem komleks dan memiliki orde tinggi. Sebagai contoh, kolom distilasi 50 taha memiliki 50 elemen dinamik. Aabila masing-masing elemen dibuat neraca massa dan energinya, maka dieroleh 100 ersamaan model matematika dalam bentuk ersamaan diferensial sistem orde satu. Hubungan seri ke-50 elemen dinamik tersebut, menghasilkan model matematika ersamaan massa dan energi masing-masing dengan orde 50. Karena kerumitan sistem orde tinggi, maka kemudian dibuat endekatan sebagai usaha enyederhanaan. Pendekatan daat dilakukan dengan menganggga sistem orde tinggi sebagai hubungan seri waktu mati dan sistem orde satu atau dua. Aabila satu konstanta waktu elemen dinamik jauh lebih besar (dominan), maka konstanta waktu yang lain menghasilkan waktu mati SISTEM TAK MANTAP (INTEGRATOR ATAU NON-SELF REGULATING) Sistem tak manta adalah sistem yang tidak daat mencaai keadaan seimbang dengan sendirinya. Model Sistem Tak manta (Integrator) Sistem tak manta memiliki model matematika, 1 y = u. dt τ i Dalam bentuk fungsi transfer, Y 1 G = = U τ s i (3.19) dengan, τ i adalah waktu integral. Sistem tak manta tidak memiliki static gain, hanya memiliki dynamic gain. Contoh sistem tak manta atau integrator adalah tangki dengan aliran keluar ada laju teta. Jika terjadi erubahan laju alir masuk akan menyebabkan tinggi air berubah terus Pengendalian Proses 66

67 menerus hingga tangki kosong atau air tumah. Ini berarti, sistem tidak daat mencaai keseimbangan baru. Gambar Contoh sistem tak manta atau integrator. Gambar 3.31 menunjukkan reson ste sistem tak manta. Pada erubahan masukan ste, keluaran terus naik dengan kemiringan yang tergantung ada besar waktu integral. Semakin kecil waktu integral, kemiringan semakin besar. Gambar 3.31 Reson ste sistem tak manta (integrator) SISTEM DENGAN RESPON TERBALIK (INVERSE RESPONSE) Sistem dengan reson terbalik (inverse resonse) atau nonminimum hase ketika mendaat masukan ste mula-mula memberikan keluaran ke satu arah (naik atau turun). Setelah beberaa saat keluaran berbalik arah (gambar 3.32). Gambar 3.32 Sistem dengan reson terbalik (inverse resonse). Pengendalian Proses 67

68 Contoh sistem dengan reson terbalik adalah roses emanasan cairan dalam alat enukar anas shell-and-tube yang disajikan ada gambar Gambar 3.33 Contoh sistem dengan reson terbalik. Jika laju alir cairan hangat bertambah besar, maka laju alir camuran yang masuk enukar anas bertambah. Ini menyebabkan laju cairan yang berada dalam enukar anas terdorong lebih ceat, sehingga ertukaran anas antara emanas dan cairan lebih singkat. Akibatnya suhu yang keluar dari enukar anas lebih dingin. Ini ditandai dengan grafik enurunan suhu cairan anas. Setelah beberaa saat, camuran yang lebih hangat masuk, sehingga beban emanasan lebih ringan dan suhu keluar naik dengan ceat. 3.6 IDENTIFIKASI SISTEM Identifikasi sistem bertujuan untuk menentukan nilai arameternya. Hal ini sangat enting agar daat dihasilkan engendalian yang baik sesuai tujuan roses. Metode identifikasi daat dilakukan dengan beberaa cara berdasar bentuk masukan. Gambar 3.34 Bentuk masukan ada identifikasi sistem roses. Pengendalian Proses 68

69 3.6.1 METODE KURVA REAKSI ATAU STEP-RESPONSE Masukan sistem diubah dari satu nilai steady-state ke nilai steady-state lain. Reson keluaran kemudian dianalisa. Identifikasi dengan metode ste memiliki enam langkah. 1) Pengaruh integral dihilangkan dengan mendeferensiasi variabel keluaran, yaitu dilakukan dengan mengurangi suatu nilai dengan nilai berikutnya. 2) Menormalkan reson, sehingga semuanya dimulai dari nol dan berakhir ada nilai satu. Dari sini daat ditentukan steady-state gain. 3) Komonen waktu mati dihilangkan dengan cara menggeser kurva reson ke kiri sehingga reson dimulai teat dari titik nol. Dari sini daat ditentukan waktu mati. 4) Membuat model sistem orde satu atau dua sesuai reson yang dieroleh. 5) Menggabungkan erolehan integrator, gain, waktu mati dan bagian dinamik untuk mendaatkan model akhir. Metode ini memiliki kelebihan dalam hal kesederhanaan analisis dengan hasil cuku memuaskan asalkan erubahan masukan tidak terlalu besar. Tetai metode ini tidak daat diakai jika sistem bersifat integrator. Jika masih ingin memakai metode kurva reaksi untuk sistem inetgrator, disarankan memakai uji ste ganda (double ste). a) First-Order Plus Dead Time (FOPDT) Metode Garis Singgung-1 Metode grafik memakai grafik reson ste gambar Kelemahan metode ini adalah dalam hal ketelitian. Di saming itu jika reson sistem terlalu lambat maka nilai steadystate sukar dieroleh. Gambar Penentuan waktu mati dan konstanta waktu dengan metode garis singgung-1. Konstanta waktu adalah nilai terkecil antara t 1 dan t 2. Bila t 1 lebih kecil dari t 2 maka konstanta waktu diambil t 1, dan sebaliknya, diambil t 2. Kasus ertama adalah aling umum Pengendalian Proses 69

70 ditemui dalam industri roses. Bila t 1 lebih besar dari t 2 berarti reson sangat ceat, kemudian melambat. Ini terjadi jika terdaat susunan aralel beberaa waktu mati. b) First-Order Plus Dead Time (FOPDT) Metode Garis Singgung-2 Metode ini serua dengan metode sebelumnya, tetai tidak erlu menunggu reson hingga konstan, hanya samai ada enentuan titik belok (gambar 3.36). Nilai konstanta waktu (τ) dieroleh dari hubungan, K R = (3.20) τ θ u Gambar 3.36 Penentukan konstanta waktu dengan metode garis singgung-2. Gambar 3.37 Grafik reson ste metode Smith (1985). c) First-Order Plus Dead Time (FOPDT) Metode Smith Mungkin model ini yang aling baik dikerjakan secara manual (Smith, 1985). Menurut Smith, dierlukan dua engukuran nilai waktu, yaitu y mencaai 28,3% dan 63,2% dari Pengendalian Proses 70

71 rentang erubahan (gambar 3.37). Waktu t 1 dan t 2 dihitung sejak masukan mulai berubah. Dari data tersebut dieroleh, time constant, τ = 1,5 (t 2 - t 1 ) deadtime, θ = t 2 - τ Jika θ negatif, maka time constant, τ = t 2 deadtime, θ = METODE PULSA Masukan sistem berua ulsa dengan lebar tertentu. Metode ini bagus karena hamir tidak mengganggu sistem roses. Tetai analisis hasil keluaran roses lebih rumit. Kurang baik jika sistem roses mengandung integrator METODE ANALISIS RESPON FREKUENSI Masukan sistem berua gelombang sinusoida dengan frekuensi bervariasi. Metode ini bagus karena daat mengungka karakteristik sistem roses dengan baik, tetai hanya daat dilakukan dengan baik untuk reson variabel roses yang ceat. Bila reson variabel roses terlalu lambat, metode ini banyak memakan waktu sehingga tidak raktis METODE ANALISIS PRBS (PSEUDO RANDOM BINAY SEQUENCE) Masukan sistem berua ulsa-ulsa dengan amlitudo sama tetai eriode berubah secara acak. Metode ini bagus tetai analisisnya aling rumit. Beruntung ada saat sekarang sudah tersedia komuter dan erangkat lunak yang sesuai sehingga mudah menganalisa. Kekurangan metode ini adalah relatif memakan waktu jika konstanta waktu terlalu besar. METODE RESPON STEP GANDA (DOUBLE STEP RESPONSE) Metode ini memakai erubahan masukan dalam dua arah (doublet) ke atas dan ke bawah secara berurutan. Dengan cara ini daat dilakukan untuk sistem yang bersifat integrator. Analisis dan hasilnya sama dengan metode kurva reaksi. Gambar 3.38 Grafik reson ste ganda. Pengendalian Proses 71

72 SOAL-SOAL A. URAIAN 1. Uji ste terhada enukar anas dilakukan dengan mengubah aliran emanas. Reson suhu aliran roses keluar emanas disajikan ada gambar di bawah. Aliran emanas (%) Suhu ( o C) Gambar 3.39 Uji ste-resonse enukar anas. Transmiter memiliki nilai zero 50 dan san 100 o C. Tentukan arameter roses menurut model sistem orde-1 ditambah waktu mati. 2. Sebuah ban berjalan (belt conveyor) dengan keceatan 4 m/menit digunakan untuk mengangkut artikel adatan. Sensor berat diletakkan ada jarak 1 m dari temat emuatan adatan. Dengan membuka katu adatan 10 %, menyebabkan erubahan 15 % ada berat adatan ada ban berjalan. Hitung waktu mati dan steady-state gain. 1 m Gambar 3.40 Uji ste-resonse ban berjalan. 3. Resons suhu reaktor ada erubahan sinyal kendali sebesar +5% adalah sebagai berikut. Transmiter suhu memiliki rentang engukuran 50 hingga 100 o C. Tentukan arameter roses model sistem orde-2 ditambah waktu mati. Pengendalian Proses 72

73 Gambar 3.41 Uji ste-resonse suhu reaktor eksotermal. 4. Suhu cairan bagian bawah kolom searasi dikendalikan dengan memaniulasi laju alir steam ke endidih ulang (reboiler). Transmiter suhu memiliki rentang engukuran 60 hingga 120 C. Pengendali disetel ke manual. Sinyal kendali dinaikkan sebesar 5% ada menit ke-2. Reson suhu dierlihatkan ada gambar berikut. Tentukan arameter roses (karakteristik roses) K, τ, and θ. Gambar 3.42 Uji ste-resonse suhu kolom searasi. 5. Pengenceran larutan ekat dilakukan dalam tangki berengaduk. Keekatan larutan diukur ditunjukkan oleh densitas larutan. Transmiter densitas memiliki rentang engukuran 800 hingga 960 kg/m 3. Sinyal kendali diubah sebesar 3% ada t = 1 menit. Tentukan arameter roses. Gambar 3.42 Uji ste-resonse engenceran. Pengendalian Proses 73

74 B. PILIHAN GANDA Pilih satu jawab yang benar 1. Perhatikan reson suhu emanasan berikut. 60% Masukan 50% 70 o C Keluaran 50 o C Steady-sate gain roses adalah A. 60/70 %/ O C B. 70/60 o C/% C. 70/10 o C/% D. 10/20 %/ o C E. 20/10 o C/% 2. Dengan mengangga erilaku roses ada soal (1) adalah sistem orde satu maka setelah waktu selama 2 kali tetaan waktu sistem (τ), suhu roses adalah A. 0,393 B. 0,865 C. 8,65 D. 57,3 E. 67,3 3. Sistem orde-0 meruakan sistem A. roorsional B. lag C. osilatori D. waktu mati E. integrator 4. Pada saat reson tekanan gas terhada masukan ste-inut mencaai 63,2% dari maksimum ternyata dierlukan waktu 2 menit. Jadi tetaan waktu sistem adalah A. 2 menit B. 1,632 menit C. 1 menit D. 0,632 menit E. 0,367 menit 5. Waktu mati adalah A. waktu tana reson B. waktu antara aksi dan reaksi C. waktu setelah ada reson D. waktu di antara aksi E. waktu di antara reaksi Pengendalian Proses 74

75 6. Konstanta waktu dan waktu mati sistem dari reson ste gambar di bawah ini adalah... A. 1,5 dan 1 B. 1 dan 1,5 C. 0,5 dan 1 D. 1 dan 0,5 E. 0 dan 1,5 Resons sistem emanasan terhada ste-inut ada erubahan controller-ouut sebesar 20% adalah sebagai berikut. 7. Steady state gain sistem roses adalah A. 280/20 o C/% B. 20/280 %/ o C C. 280/20 %/ o C D. 20/80 %/ o C E. 20/80 %/ o C 9. Dead time sistem roses adalah A. 2,1 menit B. 4,3. menit C. 6,4 menit D. 8,4 menit E. 12 menit 8. Time constant sistem roses adalah A. 2,1 menit B. 4,3. menit C. 6,4 menit D. 8,4 menit E. 12 menit dy 10. Sistem orde satu 4 + 2y = u. Konstanta waktu dan steady-state gain berturut-turut dt adalah A. 4 dan 1 B. 1 dan 4 C. 2 dan 1 D. 2 dan 0,5 E. 1 dan 0,5 11. Ke dalam sebuah tangki dialirkan air dengan laju 20 L/menit. Dari tangki dikeluarkan dengan laju 15 L/menit. Maka sistem bersifat sebagai A. roorsional B. sistem orde satu C. orde satu self-regulation D. orde satu nonself-regulation E. diferensiator Pengendalian Proses 75

76 12. Dari soal nomor (11), laju akumulasi dalam tangki adalah A L/menit B L/menit C. + 5 L/menit D. -5 L/menit E. +15 L/menit 13. Reson underdamed terjadi jika A. faktor redaman kurang dari 0 B. faktor redaman sama dengan 0 C. faktor redaman antara 0 dan 1 D. faktor redaman sama dengan 1 E. faktor redaman lebih dari Sebuah ia dengan luas enamang 5 cm 2 mengalir air ada laju 25 cm 3 /menit. Pia dilengkai koil emanas dan ada jarak 50 cm dari koil diletakkan sensor suhu. Waktu mati sistem ini adalah A. 1 menit B. 5 menit C. 10 menit D. 15 menit E. 20 menit 15. Masukan sistem tak manta berubah sebesar 10 %. Setelah 2 menit keluaran sistem berubah 40 %. Maka waktu integral sebesar menit A. 2 B. 1 C. 0,5 D. 0,25 E. 0,1 16. Sistem tana regulasi diri mendaat erubahan masukan sebesar 10 %. Ternyata setelah 2 menit keluaran sistem mengalami erubahan sebesar 20 %. Maka waktu integral sistem tersebut adalah menit A. 4 B. 2 C. 1 D. 0,5 E. 0, Sketsa ste resonse di bawah ini adalah sistem... A. orde-0 B. orde satu C. orde dua D. integrator E. waktu mati Pengendalian Proses 76

77 18. Uji sistem integrator aling baik memakai metode A. ste resonse ositif B. ste resonse negatif C. ulsa D. ulsa E. ste resonse ganda 19. Reson ste sistem roses adalah sebagai berikut. Dari grafik tersebut, maka... A. overshoot 150%, decay ratio 1/5 B. overshoot 150%, decay ratio 5/1 C. overshoot 50%, decay ratio 15/11 D. overshoot 50%, decay ratio 1/5 E. overshoot 50%, decay ratio 5/1 20. Sistem reson terbalik (inverse resonse atau non-minimum hase) adalah sistem A. integrator B. diferensiator C. orde satu D. orde dua E. bukan salah di atas Pengendalian Proses 77

78 BAB-4 SISTEM PENGENDALIAN UMPAN BALIK TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM 1) Memahami rinsi kerja dan eneraan engendali on-off, P, PI, dan PID. 2) Memilih mode engendalian yang sesuai dengan roses. 3) Menentukan arameter engendali berdasar karakteristik roses TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharakan daat: 1) Daat menentukan cycling time dan differential ga ada engendali on-off 2) Daat menggambarkan resons engendali on-off 3) Daat menjelaskan keunggulan dan keterbatasan engendali on-off 4) Daat menjelaskan engertian offset, PB, dan bias 5) Daat menggambar resons engendali P 6) Daat menentukan lebar roortional band, bias,dan offset 7) Daat menjelaskan keunggulan dan keterbatasan engendali P 8) Daat menjelaskan fungsi aksi integral dalam engendali PI 9) Daat menggambar resons engendali PI 10) Daat menentukan waktu integral secara grafis. 11) Menjelaskan kriteria redaman seeremat amlitudo. 12) Menghitung nilai PB ada engendali roorsional sesuai kriteria redaman seeremat amlitudo 13) Menentukan nilai IE, ISE, IAE, ITAE secara grafis 14) Menentukan gain (K c ), waktu integral (T i ), dan waktu derivatif (T d ) dengan metode trial and error, kurva reaksi, osilasi lingkar tertutu, dan resons frekuensi. Pengendalian Proses 78

79 4.1 PROSES DENGAN PENGENDALIAN UMPAN BALIK Pengendalian terhada roses berkaitan dengan kebutuhan untuk memerkecil engaruh erubahan beban. Hal ini dilakukan dengan membuat hubungan antara sistem roses dan engendali membentuk sistem lingkar tertutu (closed-loo system) atau disebut juga sistem engendalian uman balik (feedback control system). Antara sistem roses dan engendali dihubungkan melalui unit engukuran (sensor/transmiter) dan unit kendali akhir (biasanya berua control valve). Berdasar bentuk keluaran engendali, sistem engendalian uman balik dibedakan menjadi engendalian diskontinyu dan kontinyu. Termasuk kelomok engendali diskontinyu adalah engendali dua osisi. Sedangkan kelomok engendali kontinyu adalah engendali roorsional (P), roorsional-integral (PI), roorsional-integralderivatif (PID) dan roorsional-derivatif (PD). 4.2 PENGENDALIAN DISKONTINYU Pengendali Diskontinyu Dua Posisi Pengendali dua osisi, dahulu on-off, adalah jenis engendali aling sederhana dan murah. Keluaran engendali hanya memiliki dua kemungkinana nilai, yaitu maksimum (100%) atau minimum (0%). Secara matematik, 100%; y b u = 0%; y a untuk aksi reverse acting (4.1) 100%; y b u = untuk aksi direct acting (4.2) 0%; y a dengan, u = nilai keluaran engendali (%), y = nilai engukuran (variabel roses), a = nilai batas atas variabel roses, b = nilai batas bawah variabel roses Pengendalian Dua Posisi Mekanisme engendalian dua osisi mudah difahami bila ditinjau engendalian tinggi air dalam tangki ada gambar 4.1. Air dalam tangki secara terus menerus dikeluarkan dengan laju teta. Aabila ermukaan air turun melebihi titik acuan (R), maka sensor tinggi air akan memberi sinyal bahwa telah terjadi enurunan ermukaan air melebihi batas. Sinyal ini masuk ke engendali dan engendali memerintahkan oma untuk bekerja. Dengan bekerjanya oma, air akan masuk ke tangki dan ermukaan air naik kembali. Pada saat tinggi air teat mencaai R oma berhenti sehingga terjadi engosongan tangki, dan roses di atas berulang lagi. Siklus ini berlangsung terus Pengendalian Proses 79

80 menerus. Dengan demikian oma akan selalu mati-hidu secara eriodik seiring dengan erubahan tinggi ermukaan air. Gambar 4.1 Pengendali dua osisi ada roses engendalian tinggi air. Peristiwa naik-turun ada tinggi ermukaan air secara eriodik disebut cycling atau osilasi. Ini adalah ciri khas engendali dua osisi. Untuk mencegah osilasi terlalu ceat, erlu dibuat lebih dari satu batas yaitu batas atas (BA) dan batas bawah (BB). Batas atas adalah batas tertinggi ermukaan air ada saat air naik. Sedangkan batas bawah adalah batas terbawah ermukaan air saat air turun. Lebar celah antara dua titik batas disebut celah diferensial (differential ga), histeresis, atau daerah netral. Gambar 4.2 Pengendali dua osisi dengan celah diferensial Dengan adanya dua titik acuan (batas atas dan bawah), maka terdaat daerah netral yang berada di antara dua titik acuan. Jika ermukaan air berada ada daerah netral, terdaat dua kemungkinan. Pertama, bila air sedang turun maka oma tidak bekerja, Pengendalian Proses 80

81 karena ermukaan air masih di atas batas bawah. Kedua, bila ermukaan air sedang naik maka oma sedang bekerja, karena ermukaan air di bawah batas atas. Pengendali dua osisi mencatu energi atau massa ke dalam roses dengan bentuk ulsa-ulsa, sehingga menimbulkan osilasi atau cycling ada variabel roses. Amlitudo cycling bergantung ada tiga faktor, yaitu: konstanta waktu roses, waktu mati, dan besar erubahan beban. Amlitudo osilasi menjadi kecil jika konstanta waktu roses besar, waktu mati endek, atau erubahan beban roses kecil. (a) Osilasi ada variabel roses (PV) (b) Keluaran engendali Gambar 4.3 Osilasi variabel roses Pengendalian Tiga Posisi Pada roses dengan konstanta waktu kecil, frekuensi osilasi menjadi besar. Keadaan ini daat memerceat kerusakan eralatan kendali dan sistem roses. Untuk roses demikian lebih baik memakai engendali tiga osisi. Keluaran engendali tiga osisi memiliki tiga kemungkinan, yaitu: 0% - 50% - 100% (gambar 4.4). Gambar 4.4 Keluaran engendali tiga osisi. y a = batas atas, y b = batas bawah, r = setoint Pengendalian Proses 81

82 4.2.4 Pengendalian Siklus Waktu (Modulasi Lebar Pulsa) Pengendali siklus waktu biasanya disetel sedemikian, sehingga ketika engukuran sama dengan setoint, sinyal kendali bernilai maksimum (on) selama setengah eriode waktu dan minimum (off) selama setengah eriode waktu yang lain. Ketika beban bertambah besar maka sinyal kendali akan bernilai maksimum (on) selama lebih dari setengah eriode waktu dan bernilai minimum (off) selama kurang dari setengah eriode waktu. Gambar 4.5 Pengendali siklus waktu. Pengendalian siklus waktu banyak diterakan ada engendalian suhu dengan elemen emanas listrik. Misalnya, ada kondisi oerasi normal dibutuhkan daya 500 W dan diakai elemen emanas 1000 W. Pada oerasi normal, emanas akan menyala selama 5 detik (50% siklus) dan adam 5 detik (50% siklus) sehingga eriode siklus waktunya 10 detik. Jika karena beban bertambah besar emanas harus memberikan daya 800 W, maka elemen emanas akan menyala selama 8 detik (80% siklus) dan adam 2 detik (20% siklus). Jadi ersentase kebutuhan daya emanasan sama dengan ersentase waktu enyalaan elemen emanas. Atau secara umum, besar variabel engendali ditentukan oleh ersen siklus waktu. Diagram engendalian siklus waktu disajikan ada gambar 4.5. Menilik kesederhanaan engendalian diskontinyu, jenis ini memiliki kelebihan dalam kemudahan erancangan, murah, dan handal. Sedangkan kekurangannya adalah terjadi fluktuasi besar ada variabel roses, terutama bila erubahan beban cuku besar. Oleh sebab itu jenis engendalian diskontinyu jarang diakai dalam industri roses. 4.3 PENGENDALIAN KONTINYU Pengendali secara kontinyu membandingkan nilai sinyal engukuran (variabel roses) dengan setoint untuk memutuskan tindakan yang teat. Jika ada error, engendali mengatur nilai keluaran berdasar ada nilai arameter yang telah ditetakan dalam engendali. Sehingga erlu menala arameter. Penalaan arameter dibutuhkan untuk menentukan: Seberaa besar koreksi harus dilakukan? Besar koreksi atau erubahan nilai sinyal kendali ditentukan oleh bagian roorsional. Pengendalian Proses 82

83 Seberaa lama koreksi harus dilakukan? Lamanya koreksi ditentukan oleh bagian integral. Seberaa ceat koreksi harus dilakukan? Keceatan koreksi ditentukan oleh bagian derivatif. Pengendali ditala dalam usaha menjodohkan antara karakteristik eralatan kendali dan sistem roses, sehingga sistem mamu mereson error secara ceat (variabel roses ceat mencaai setoint), teat (variabel roses sama dengan setoint), dan stabil (variabel roses tak berosilasi di sekitar setoint) Pengendalian Proorsional Karakteristik Pengendali. Pengendali roorsional menghasilkan sinyal kendali yang besarnya sebanding (roorsional) dengan sinyal galat (error). Sehingga terdaat hubungan teta dan linier antara variabel roses (PV) dan sinyal kendali (osisi elemen kendali akhir). Persamaan engendali roorsional adalah, u = K e + (4.3) c u o dengan, u = sinyal kendali (%), K c = roortional gain (tana satuan) e = error (%) = (r y) untuk reverse acting = (y r) untuk direct acting u o = bias, yaitu nilai (u) ada saat engukuran sama dengan setoint (%) Gambar 4.6 Diagram blok engendali roorsional. Variabel engukuran (y) dan setoint (r) diubah ke dalam ersentase dari lebar rentang engukuran (san). Sehingga dari ersamaan di atas, satuan sinyal kendali adalah ersen. Tanggaan sinyal kendali terhada erubahan error disajikan ada gambar berikut. Terlihat bahwa keluaran engendali sebanding dengan besar error. Tanggaan sinyal kendali terjadi seketika tana ada keterlambatan atau ergeseran fase (φ c = 0). Pengendalian Proses 83

84 Gambar 4.7 Tanggaan engendali roorsional Gain Proorsional. Penalaan engendali dibuat untuk mengatur agar control valve (final control element) mereson error. Pengaturan gain engendali dilakukan agar erubahan ada sinyal engukuran (variabel roses) akan menghasilkan erubahan sinyal kendali yang akan mengubah osisi valve secukunya sehingga mamu menghilangkan error. Gain roorsional adalah erbandingan antara erubahan sinyal kendali dan error atau sinyal engukuran. Pada roses ceat (volume kecil), erlu lebih gain kecil agar dieroleh kestabilan. Sebaliknya ada roses lambat (volume besar), erlu gain lebih besar agar dieroleh reson yang baik. Gambar 4.8 Contoh roses ceat (kiri) dan lambat (kanan). Proortional gain atau sensitivitas roorsional adalah erbandingan antara erubahan sinyal kendali (u) dan erubahan error (e). Di kalangan raktisi industri, besaran gain (K c ) kurang ouler. Sebagai gantinya diakai besaran roortional band (PB), yaitu ersentase erubahan error atau engukuran yang menghasilkan erubahan sinyal kendali atau maniulated variable sebesar 100%. Proortional band, PB = 100 % (4.4) K c Pengendalian Proses 84

85 Besaran ini lebih mencerminkan kebutuhan engendalian dibanding gain roorsional, sebab PB ada dasarnya menunjukkan ersentase lebar rentang engukuran yang daat dikendalikan. Gambar 4.9 Hubungan antara sinyal kendali, error, engukuran, dan PB Modus Pengendalian Proorsional. Pengendalian roorsional meruakan jenis aling sederhana dalam engendalian kotinyu. Meskiun demikian engendalian ini menjadi dasar engendalian lain. Dengan hanya roorsional, maka keluaran engendali (setara dengan osisi elemen kendali akhir) sebanding atau roorsinal dengan besar nilai engukuran. Pada moda roorsional, nilai keluaran engendali tidak tergantung ada nilai engukuran sebelumnya. Demikian juga, nilai keluaran engendali tidak tergantung ada keceatan erubahan engukuran. Satu-satunya roblem engendalian roorsional adalah selalu menghasilkan galat sisa (residual error, steady-state error, atau offset) yang disebabkan erubahan beban atau setoint. Dengan erubahan beban, dierlukan nilai sinyal kendali yang berbeda. Nilai sinyal kendali baru dieroleh jika ada enambahan atau engurangan dari nilai bias (sinyal kendali saat tidak ada error). Ini dilakukan dengan menambahkan atau mengurangkan dengan keliatan nilai offset. Sebagai ilustrasi disajikan contoh engendalian level air dengan engendalian roorsional seerti ada gambar 4.10 dan Pada gambar 4.10 terlihat kondisi oerasi normal. Tinggi air diinginkan 60%. Pada saat tinggi air nyata 60%, laju air masuk (beban) dan laju air keluar (maniulated varieble) sama dengan 25 L/menit. Perhatikan bukaan katu kendali ada aliran air keluar yang membuka kira-kira setengahnya. Dalam gambar 4.11 dierlihatkan kondisi ada aliran air masuk (beban) 40 L/menit. Pada saat katu aliran air masuk dierbesar sehinga laju alir menjadi 40 L/menit sementara keluaran teta 25 L/menit maka ermukaan air dalam tangki akan naik. Kenaikan air akan mengangkat elamung (sebagai sensor ketinggian) yang akan Pengendalian Proses 85

86 menaikkan tuas engungkit katu (sebagai engendali) dan membuka katu kendali aliran air keluar lebih besar. Kenaikan katu terus berlangsung samai teat terjadi keseimbangan laju alir masuk sama dengan laju air keluar ada 40 L/menit. Pada saat kondisi baru sudah tercaai, ermukaan tinggi air ternyata menjadi 70%. Kenaikan tinggi air ini dierlukan untuk mengangkat katu aliran air keluar. Perbedaan antara setoint dan tinggi nyata disebut offset. Dengan demikian offset memang harus ada, agar terjadi keseimbangan massa/energi yang baru (gambar 4.12 dan 4.13). Air masuk 25 L/menit 100% Setoint 60% 0% Air keluar 25 L/menit Gambar 4.10 Pengendalian level dengan engendali roorsional ada beban normal 25 L/menit. Air masuk 40 L/menit 100% Tinggi air 70% Setoint 60% 0% Air keluar 40 L/menit Gambar 4.11 Pengendalian level dengan engendali roorsional ada beban 40 L/menit. Pengendalian Proses 86

87 Gambar 4.12 Kurva reson engendalian level dengan engendali roorsional ada roortional band yang besar. Gambar 4.13 Kurva reson engendalian level dengan engendali roorsiona ada roortional band yang kecil. Gambar 4.14 Tanggaan variabel roses (PV) ada erubahan setoint. Pengendalian Proses 87

88 Gambar 4.15 Tanggaan variabel roses (PV) ada erubahan beban. Offset ada engendalian roorsional daat dierkecil dengan memerbesar gain roorsional (memerkecil roortional band, PB). Semakin kecil nilai roortional band (semakin besar gain) engendali semakin eka (tanggaan semakin ceat), offset yang terjadi semakin kecil, tetai sistem cenderung tidak stabil (terjadi osilasi). Sebaliknya, dengan roortional band yang besar sistem menjadi stabil tetai engendali tidak eka (lambat) dan offset besar. Pada roortional band sama dengan nol (secara nyata tidak daat dilakukan) erilaku engendali roorsional sama dengan engendali dua osisi. Dierlukan komromi terhada nilai PB sehingga dieroleh tanggaan ceat, offset daat diterima, tetai sistem cuku stabil (gambar 4.14 dan 4.15). Analisis tana banyak melibatkan banyak ersamana matematika daat dielajari dari contoh engendalian tinggi mermukaan air tersebut di atas. Variabel engendali (maniulated variable) adalah laju alir air keluar. Beban roses adalah laju alir air masuk. Pada kenaikan bukaan katu kendali (atau sinyal kendali) tinggi ermukaan air (variabel roses atau sinyal engukuran) akan turun. Jadi gain sistem roses adalah negatif atau dengan kata lain sistem roses bersifat reverse acting. Agar terjadi uman balik negatif, engendali harus bersifat direct acting. Persamaan garis kendali roorsional direct acting adalah, u = K y r + u (4.5) c ( ) o 100% Titik keseimbangan (titik oerasi) Garis kendali Variabel roses (engukuran) Setoint Grafik roses 0% 0% u o Sinyal kendali 100% Gambar Hubungan grafik engendalian roorsinal ketika tidak ada offset. Pengendalian Proses 88

89 Pada erubahan beban, grafik roses berubah. Pada kasus engendalian tinggi ermukaan air dalam contoh di atas, kenaikan beban (laju alir air masuk) menyebabkan kenaikan tinggi ermukaan. Akibatnya titik keseimbangan berubah ke atas mengikuti garis kendali. Pada kedudukan ini, titik keseimbangan tidak lagi bersesusaian dengan seoint. Gambar Perubahan beban menghasilkan offset. Grafik ada gambar 4.17 menjelaskan fenomena sebagaimana gambar 4.10 dan Dengan engendali roorsional hanya ada satu kondisi beban yang menghasilkan nilai engukuran sama dengan setoint. Pada nilai beban lain, selalu akan terjadi offset. 100% Offset lama Offset baru Garis kendali lama (gain kecil) Variabel roses (engukuran) Setoint Garis kendali baru (gain besar) Grafik roses baru 0% 0% u (baru) u o Sinyal kendali Grafik roses lama 100% u (lama) Gambar Perubahan gain untuk memerkecil offset. Pengendalian Proses 89

90 Pengurangan atau enghilangan offset daat dilakukan dengan memerbesar gain, mengubah setoint atau mengubah bias. Gambar 4.18 memerlihatkan bahwa offset daat dierkecil dengan memerbesar gain roorsional (memerkecil roortional band). Semakin besar gain garis kendali semakin mendatar sehingga erbedaan antara setoint dan engukuran semakin kecil. Gambar 4.19 memerlihatkan bahwa offset daat dihilangkan dengan mengubah nilai setoint. Bila beban berubah, setoint yang baru erlu diberikan. Namun dengan cara ini berarti mengubah target oerasi (nilai variabel roses yang diinginkan). 100% Garis kendali lama Garis kendali baru Variabel roses (engukuran) Setoint (lama) Setoint (baru) Grafik roses baru Grafik roses lama 0% 0% u o Sinyal kendali 100% Gambar Perubahan setoint untuk menghilangkan offset. 100% Garis kendali lama Garis kendali baru Variabel roses (engukuran) Setoint Grafik roses baru Grafik roses lama 0% 0% u o u o (lama) (baru) Sinyal kendali 100% Gambar Perubahan bias untuk menghilangkan offset. Pengendalian Proses 90

91 Penghilangan offset daat juga dilakukan dengan mengubah nilai bias (u o ) ada engendali roorsional. Dari kasus engendalian tinggi ermukaan air yang telah dibahas sebelumnya, bila offset berilai ositif (tinggi ermukaan melebihi setoint), bias erlu dierbesar. Bila offset bernilai negatif (tinggi ermukaan kurang dari setoint), bias erlu dierkecil. Perhatikan, ernyataan tersebut hanya berlaku jika aksi engendali ada direct acting. Untuk reverse acting, ernyataanya kebalikan dari direct acting. Dari gambar 4.20 terlihat bawah enghilangan offset daat dilakukan tana mengubah setoint tetai dengan menambahkan atau mengurangkan dari nilai bias sebagaimana gambar Cara ini lebih baik dibanding sebelumnya. Oleh sebab itu, agar offset hilang, erlu ditambahkan mekanisme enambahan atau engurangan nilai bias Pengendalian Proorsional-Integral (PI) Karakteristik Pengendali. Besar keluaran engendali roorsional-integral (PI) sebanding dengan besar galat (error) dan integral galat (error). Persamaan engendali PI ideal (standar ISA) adalah sebagai berikut. K = c u K ce + edt + τ i u o (4.6) dengan τ i adalah waktu integral atau waktu reset yang memiliki satuan detik atau menit tia engulangan. Pada engendali PI, suku bias (u o ) bisa ditiadakan. Sebab suku integral mamu memberikan nilai bias yang teat. Tanggaan engendali PI dengan aksi reverse acting disajikan ada gambar Gambar 4.21 Diagram blok engendali roorsional-integral (PI). Sebuah integrator adalah iranti ideal untuk mengatur nilai bias. Jika engaturan nilai bias dilakukan secara manual, disebut manual reset. Sebaliknya, jika dilakukan secara otomatik dengan memakai integrator, disebut automatic reset atau lebih ouler dengan reset saja. Dengan demikian fungsi utama bagian integral adalah menghilangkan offset. Pengendalian Proses 91

92 Gambar 4.22 Tanggaan loo terbuka engendali roorsional-integral (PI) reverse acting. Pengendalian Proorsional-Integral. Gambar berikut kembali memerlihatkan reson engendalian level dengan engendali roorsional. Jika ingin mengembalikan variabel roses (level) ke setoint, maka maniulated variable (laju alir keluar) harus dierbesar melebihi kebutuhan. Setelah mencaai setoint aliran keluar dikembalikan hingga tercaai keseimbangan massa. Penambahan laju alir keluar adalah untuk mengganti kehilangan volume dan kemudian mengembalikan ke keseimbangan massa (gambar 4.24). Penambahan sinyal kendali harus dilakukan hingga error hilang. Ini dikenal sebagai aksi reset. Artinya mamu melakukan reset ada roses ke setoint. Dalam matematika aksi reset adalah integrasi dari error oleh sebab itu disebut juga aksi integral. Gambar 4.23 Reson engendalian roorsional. Besar aksi integral ditentukan oleh waktu integral atau reset (τ i ). Beberaa rodusen, melakukan kalibrasi terhada besaran 1/τ i (engulangan er menit) yang dikenal dengan reset rate dan bukan τ i (menit er engulangan). Istilah ini daat difahami dengan melihat tanggaan ste untuk loo terbuka. Daat dilihat, bahwa ada awalnya keluaran engendali adalah K c e (belum ada engaruh integral). Setelah satu eriode τ i, maka hasil integrasi adalah, Pengendalian Proses 92

93 K c K c edt = eτ i = K ce (4.7) τ i τ i Artinya aksi integral telah mengulang aksi roorsional. Pengulangan ini terjadi setia eriode waktu τ i. Oleh sebab itu aksi integral disebut juga aksi reset. Waktu reset adalah waktu yang dibutuhkan aksi integral untuk mengulang aksi roorsional. Gambar 4.24 Penambahan sinyal kendali mengembalikan variabel roses ke setoint. Aksi integral menyebabkan keluaran engendali (u) berubah terus selama ada error (e) samai error hilang. Aksi integral ada engendali PI secara kontinyu menggeser letak roortional-band (PB) dalam usaha mengubah bias. Penggeseran letak PB tidak mengubah besar PB. Mekanisme ini menyebabkan variabel roses selalu sama dengan setoint (SP) untuk segala erubahan beban dalam batas engendalian. Gambar 4.25 Perubahan beban ada engendali PI. Pengendalian Proses 93

94 Sebagai contoh, engendali PI memiliki PB = 50%. Mula-mula ada saat tidak ada error (e = 0) sinyal kendali, u = 40%. Pada keadaan ini erubahan nilai variabel roses (y) yang menyebabkan erubahan sinyal kendali sebesar 100% adalah dari 30% hingga 80%. u = 2 e + 40 (4.8) Bila dimisalkan terjadi erubahan beban sehingga mengharuskan sinyal kendali, u = 70%, maka dengan PB teta 50% dan tidak ada error rentang erubahan variabel roses menjadi 45% hingga 95%. Persamaan keluaran engendali yang baru adalah, u = 2 e + 70 (4.9) Penambahan aksi integral menambah kelambatan dan ketidakstabilan sistem. Pengaturan waktu integral (τ i ) tergantung ada waktu mati sistem roses. Waktu integral tidak boleh lebih kecil dibanding waktu mati. Jika waktu integral lebih kecil dari waktu mati, maka keluaran engendali terlalu ceat berubah dibanding tanggaan sistem roses. Hal ini mengakibatkan overshoot dan osilasi berlebihan Keterangan: (1) τ i terlalu besar (2) τ i cuku (3) τ i terlalu kecil Gambar 4.26 Tanggaan loo tertutu engendali roorsional-integral ada erubahan beban Pengendalian Proorsional-Integral-Derivatif (PID) Karakteristik Pengendali. Besar sinyal kendali yang yang dihasilkan sebanding dengan besar error, integral error, dan derivasi error. Suku derivatif bereaksi terhada keceatan erubahan error. Persamaan engendali PID adalah, K de c u = K ce + edt + K cτ d + τ i dt u o (4.10) dengan τ d adalah waktu derivatif. Pengendalian Proses 94

95 Gambar 4.27 Diagram blok engendali roorsional-integral-derivatif (PID). Gambar 4.28 Tanggaan loo terbuka engendali roorsional-integral-derivatif (direct acting). Pengendalian Proorsional-Integral-Derivatif. Kelambatan akibat aksi integral daat dihilangkan dengan menambah aksi derivatif (react). Aksi derivatif bertujuan untuk memerceat tanggaan sekaligus memerkecil overshoot variabel roses. Hal ini daat terjadi, karena suku derivatif sebanding dengan besar laju erubahan error (atau engukuran). Oleh sebab itu dengan enambahan derivatif engendali daat mengantisiasi erubahan beban atau dengan kata lain mengurangi total enyimangan. Berbeda dengan enambahan integral yang bertujuan menghilangkan offset, enambahan derivatif hanya memerbaiki erilaku lingkar (loo) engendalian. Sehingga muncul ertanyaan enting, dimana erlu menerakan derivatif? Atau ertanyaan dimana tidak erlu memakai derivatif? Derivatif tidak dierlukan atau tidak boleh diakai dalam lingkar engendalian yang menghasilkan banyak derau (noise) atau turbulensi. Penambahan derivatif menyebabkan sistem menjadi eka terhada noise atau erubahan ceat ada engukuran. Ini disebabkan karena derivatif memerkuat noise dan muncul dalam sinyal kendali. Dengan demikian lingkar engendalian laju alir dan level tidak cocok memakai derivatif. Proses yang memiliki karakterisitk ceat tidak erlu memakai derivatif untuk lebih memerceat resons. Sehingga laju alir dan tekanan gas tidak erlu memakai derivatif. Pengendalian Proses 95

96 Sebaliknya roses dengan resons lambat dan bebas noise, seerti ada engendalian suhu dan komosisi, erlu memakai derivatif. Demikian juga ada roses tak stabil, seerti reaktor eksotermik, engendalian suhunya lebih baik jika ditambahkan derivatif untuk menstabilkan sistem. Tetai, enambahan aksi derivatif tidak sesuai untuk roses yang memiliki waktu mati dominan (lebih dari setengah konstanta waktu) Pengendalian Proorsional-Derivatif (PD) Karakteristik Pengendali. Bentuk ersamaan engendali PD adalah, de u = K ce + K cτ d + uo (4.11) dt Resons terahad masukan ste dierlihatkan ada gambar di bawha ini. Gambar 4.29 Tanggaan loo terbuka engendali roorsional-derivatif (direct acting). Pengendalian Proorsional-Derivatif. Modus ini hamir tidak ernah diakai di industri. Disebabkan keekaan terhada noise dan tidak sesuai untuk roses yang memiliki waktu mati dominan, engendali PD banyak menimbulkan masalah dalam engendalian. Meskiun demikian, sebenarnya engendali PD sesuai untuk roses multikaasitas, roses tumak (batch), dan roses lain yang memiliki tanggaan lambat. Pada roses yang memiliki konstanta waktu jauh lebih besar dibanding waktu mati, enambahan aksi derivatif daat memerbaiki kualitas engendalian. Proses dengan waktu mati dominan, enambahan aksi derivatif daat menyebabkan ketidakstabilan, sebab adanya keterlambatan (lag) resons engukuran. 4.4 KRITERIA DAN PENERAPAN Pertanyaan mendasar bagi ara raktisi adalah, engendali jenis aa yang aling sesuai dengan roses yang diberikan. Untuk daat menjawab ertanyaan ini, daat dikembalikan ke masalah dinamika sistem dan karakteristik engendali. Setelah itu ditetakan kriteria Pengendalian Proses 96

97 kinerja atau erforma sistem engendalian yang dikehendaki. Dari sini daat disimulkan jenis engendali aa yang aling teat Kriteria Kinerja Sistem Pengendalian Kriteria kinerja yang dikehendaki di dasarkan atas kebutuhan sistem roses. Sebagai contoh, ada roses yang bisa menerima offset tetai ada juga roses yang tidak daat menerima. Atau, ada roses yang bisa menerima osilasi, sementara roses yang lain justru menghendaki tanggaan lambat. Pada setia eneraan engendalian ada sistem roses, daat dibedakan dua macam kriteria, yaitu kriteria tanggaan tunak dan kriteria tanggaan dinamik. Kriteria tanggaan tunak biasanya dinyatakan dengan tidak adanya kesalahan atau galat (error) ada saat keadaan tunak. Dalam hamir semua kondisi engendalian, kriteria ini tidak daat dicaai, kecuali digunakan engendali PI atau PID. Kriteria tanggaan dinamik didasarkan atas tanggaan transien lingkar tertutu yang menghasilkan galat sekecil mungkin. Kriteria ini dibedakan menja di dua macam, yaitu kriteria sederhana dan kriteria integral. Kriteria sederhana didasarkan atas karakteristik tanggaan undak (ste) lingkar tertutu. Dengan kriteria ini hanya dibutuhkan sedikit titik tanggaan. Besaran yang menentukan adalah: overshoot, waktu naik, waktu manta, decay ratio, dan frekuensi osilasi (lihat kembali karakteristik sistem orde dua). Dari seluruh kriteria ini, yang aling ouler karena sering digunakan adalah kriteria decay ratio yang tidak lain adalah kriteria redaman seeremat amlitudo. Kriteria integrasi membutuhkan data tanggaan mulai dari t = 0 hingga mencaai keadaan tunak. Dengan demikian kriteria ini didasarkan ada seluruh tanggaan dari roses yang bersangkutan. Kriteria yang aling sering digunakan adalah: ISE (integral of square error), IAE (integral of absolute error), dan ITAE (integral of roduct of time and the absolute error). Secara umum tujuan kriteria integral adalah untuk mendaatkan nilai ISE, IAE, atau ITAE sekecil mungkin. Pemilihan kriteria tergantung ada karakteristik sistem roses dan beberaa syarat tambahan yang dieroleh dari tanggaan loo tertutu. (1) Integral Galat Kuadrat (ISE) Kriteria ini sangat ouler di bidang akademik dan cocok digunakan untuk menekan galat yang besar dibanding IAE. ISE = o e 2 dt (4.12) (2) Integral Galat Absolut (IAE) Kriteria ini lebih ouler di kalangan raktisi industri sebab mudah dalam emakaiannya. Di saming itu, kriteria ini cocok untuk menekan galat yang kecil. IAE = e dt (4.13) o Pengendalian Proses 97

98 (3) Integral Waktu dan Galat Absolut (ITAE) Kriteria ini cocok digunakan untuk menekan galat yang terjadi dalam waktu lama. Sebab daat menekan galat yang sangat kecil. IAE = t e dt (4.14) o PEMILIHAN DAN PENERAPAN JENIS PENGENDALI Pemilihan jenis engendali daat dilakukan dengan dua cara. Pertama, secara teliti dengan endekatan matematika. Kedua, secara kualitatif dengan endekatan umum. Jika ketelitian menjadi rioritas utama daat digunakan urutan sebagai berikut. Memilih kriteria kinerja yang dikehendaki (ISE, IAE, atau ITAE). Menghitung nilai integral kriteria tersebut untuk engendali P, PI, dan PID, ada arameter yang berbeda-beda. Memilih engendali dan arameter yang menghasilkan nilai terbaik. Meskiun cara tersebut teliti ditinjau dari segi matematika, tetai sangat sulit dilaksanakan. Sebab dierlukan model roses yang akurat dan memerlukan erhitungan yang sangat anjang. Belum lagi kesulitan akibat banyaknya kriteria. Oleh sebab itu emilihan secara kualitatif berikut ini masih menjadi ilihan ertama. (1) Jika mungkin, digunakan engendali dua osisi. Jenis ini daat digunakan jika: variabel roses tidak memerlukan ketelitian tinggi; cycling ada variabel roses daat diterima; laju erubahan variabel roses cuku lambat. (2) Jika engendali dua osisi tidak mencukui, erlu digunakan engendali roorsional. Jenis ini daat digunakan jika: offset daat diterima dengan nilai gain (atau roortional band) yang moderat; sistem roses memiliki aksi integrasi, misalnya tekanan gas dan level cairan; beban tidak banyak berubah secara berlebihan; sistem roses yang mengizinkan gain roorsional besar sehingga offset kecil. (3) Jika engendali roorsional tidak mencukui, erlu digunakan engendali roorsional-integral (PI). Jenis ini daat digunakan jika: variabel roses memiliki tanggaan yang ceat, misalnya laju alir. Sebab aksi integral memerlambat tanggaan, sehingga jika rosesnya ceat, enambahan aksi integral masih teta memuaskan. Oleh sebab itu tekanan gas dan tinggi ermukaan cairan jarang dikendalikan dengan PI. Sistem roses yang tidak membolehkan adanya offset. (4) Jika engendali PI tidak mencukui, erlu digunakan engendali roorsional-integralderivatif (PID). Jenis ini daat digunakan jika sistem roses memiliki tanggaan lambat, offset tidak dierbolehkan, waktu mati cuku kecil (tidak dominan), erlu antisiasi erubahan beban, dan tidak ada noise, misalnya suhu, komosisi, dan H. Pengendalian Proses 98

99 (5) Pengendali jenis roorsional-derivatif (PD) hamir tidak ernah digunakan di industri. Adanya aksi derivatif memang memerceat tanggaan, tetai sangat eka terhada noise. Padahal variabel roses di industri hamir selalu mengandung noise. Namun demikian jika diinginkan memakai PB yang kecil sementara overshoot diharakan teta kecil, enambahan derivatif daat membantu. Demikian ula untuk roses tumak (batch) dan multikaasitas engendali PD cocok untuk diakai, dengan catatan, gangguan noise tidak ada. START Offset diterima? Ya Pengendali Proorsional Tidak Ada Noise? Ya Pengendali Proorsional- Integral (PI) Tidak Waktu mati dominan? Ya Tidak Pengendali Proorsional- Integral-Derivatif (PID) STOP Gambar 4.30 Diagram alir emilihan jenis engendali PID. Pengendalian Proses 99

100 4.5 UMPAN BALIK DAN KESTABILAN Uman Balik Negatif Terdaat dua macam uman balik yang mungkin dalam loo engendalian roses, yaitu ositif atau negatif. Uman balik ositif akan menyebabkan roses tidak seimbang dan terjadi ketidakstabilan. Jika engendalian suhu digunakan untuk memanaskan aliran roses, maka laju emanasan akan bertambah jika suhu aliran roses di atas setoint. Sebaliknya, laju emanasan berkurang jika suhu aliran roses di bawah setoint. Loo dengan uman balik ositif akan menyebabkan variabel roses berada ada satu osisi dari dua osisi ekstrim yang mungkin. Uman balik negatif bekerja untuk mencaai keseimbangan. Jika suhu (variabel roses) terlalu tinggi, laju emanasan (maniulated variable) dikurangi. Aksi ini bersifat berlawanan dengan arah variabel roses. Gambar berikut menunjukkan aliran informasi dalam loo uman balik. Perlu dicatat, dalam gambar ini blok elemen kendali akhir dan transmiter tidak digambarkan semata-mata untuk enyederhanaan. Pada gambar 4.27 sistem engendalian hanya dibagi menjadi dua bagian, yaitu sistem roses dan engendali. Transmiter dan elemen kendali akhir sudah termasuk dalam roses. Sinyal kendali adalah reresentasi dari maniulated variable dan sinyal engukuran adalah reresentasi dari variabel roses. Fungsi engendali adalah untuk mengatasi gangguan atau erubahan beban. Ini daat dicaai dengan membuat nilai gain engendali (G c ) sebesar mungkin. Jika G c kecil, maka dierlukan error (e) yang besar untuk mengemudikan maniulated variable (u) agar sesuai dengan erubahan beban. Sebaliknya, jika G c terlalu besar, maka erubahan kecil ada error, akan terjadi erubahan besar ada maniulated variable (u), yang bisa jadi tidak sebanding dengan besar erubahan beban. Jika ini terjadi, variabel roses daat mengalami osilai terus menerus. Oleh sebab itu, terdaat batas nilai G c agar roses teta stabil. Gambar 4.32 Pengendali memaniulasi maniulated variable (u) untuk mengantisiasi gangguan (w) dan mengembalikan error ke nol. Pengendalian Proses 100

101 4.5.2 Osilasi dalam Loo Tertutu Osilasi dalam loo tertutu terjadi bila sejumlah energi diuman balikkan ada saat yang teat sedemikian hingga daat mengatasi rugi-rugi sistem. Hal ini terjadi jika dienuhi syarat berikut. Uman balik memiliki beda fase, φ = -360 o, dengan sinyal masukan. Gain total sistem engendalian, G = 1, ada eriode osilasi. Bila salah satu syarat di atas tak dienuhi, ada dua kemungkinan. Terjadi osilasi teredam jika, φ = -360 o dengan G < 1 atau φ < -360 o dengan G = 1. Terjadi osilasi dengan amlitudo membesar jika, φ = -360 o dengan G > 1. Berhubung dalam sistem engendalian uman balik telah terjadi beda fase sebesar -180 o ada bagian embanding (antara setoint dan variabel roses), maka osilasi akan terjadi bila ergeseran fase oleh engendali (φ c ) dan sistem roses (φ s ) sebesar -180 o dengan gain total (G c + G s ) sama dengan satu. Daat disimulkan, osilasi dalam loo tertutu terjadi jika, ada eriode osilasi, φ c + φ s = -180 o (4.15) G c + G s = 1 (4.16) Gambar 4.33 Peristiwa osilasi kontinyu akibat interferensi saling menguatkan. Peristiwa osilasi kontinyu ada sistem engendalian roses daat dijelaskan melalui gambar Sistem roses mendaat masukan dari maniulated variable (u) dan memberi keluaran sebagai variabel roses (y). Dalam sistem roses, sinyal keluaran mengalami ergeseran fase (akibat keterlambatan) sebesar φ s. Keluaran (y) setelah dibandingkan dengan setoint masuk ke engendali. Dalam unit engendali, sinyal kendali Pengendalian Proses 101

102 mengalami ergeseran fase sebesar φ c. Sinyal kendali yang telah mengalami ergeseran fase masuk ke elemen kendali akhir untuk memaniulasi variabel masukan roses (maniulated variable). Akhirnya antara masukan roses semula dan hasil maniulasi yang telah tergeser fasenya mengalami interferensi. Proses demikian terus menerus berlangsung. Dan jika antara energi yang hilang dan yang ditambahkan sama besar serta terjadi interferensi saling menguatkan, maka variabel roses akan mengalami osilasi kontinyu. Pada osilasi teredam, amlitudo variabel roses semakin lama semakin kecil dan akhirnya hilang. Waktu yang dierlukan hingga tidak terjadi osilasi, bergantung ada beda fase dan gain totalnya Periode Osilasi Periode osilasi bergantung ada karakterisitk roses dan engendali yang diakai atau dengan kata lain tergantung ada kombinasi elemen dinamik di dalamnya. Pada osilasi kontinyu, jika ergeseran fase hanya disebabkan oleh sistem roses maka osilasi yang dihasilkan disebut osilasi alami dan eriode osilasinya disebut eriode alami (T n ). Periode osilasi alamai hanya tergantung karakterisitk sistem roses. Dari ketergantungan ini, daat diambil manfaat berikut. Jika karakterisitk seluruh elemen diketahui, maka eriode alami daat ditentukan. Jika eriode alami diketahui, daat dierkirakan karakterisitk seluruh elemen. Disebabkan karena besar ergeseran fase oleh engendali daat diatur, dengan mengatur nilai waktu integral dan waktu derivatif, maka dimungkinkan mengatur besar eriode osilasi. Pada osilasi teredam, karena amlitudo semakin kecil, daat dimengerti jika eriode osilasinya semakin anjang. Hubungan antara eriode osilasi alami dan eriode osilasi teredam adalah, Tn T r = (4.17) 2 1 ζ dengan T r = eriode teredam (underdamed eriod) T n = eriode alami (natural eriod), dan ζ = faktor redaman Faktor redaman berhubungan dengan decay ratio, yaitu erbandingan amlitudo suatu gelombang dengan gelombang sebelumnya. Dari gambar 4.34 maka, c 2ζπ decay ratio = = ex( ) (4.18) a 2 1 ζ Pada redaman seeremat amlitudo, decay ratio = 0,25 atau ζ = 0,215. Pengendalian Proses 102

103 Gambar 4.34 Osilasi teredam Kestabilan Dalam kondisi normal, sistem engendalian harus menghasilkan oerasi yang stabil. Artinya engendali mamu mengembalikan enyimangan variabel roses ke nilai yang diinginkan dengan sesedikit mungkin overshoot dan osilasi. Pada gain engendali yang besar (roortional band terlalu kecil) daat menyebabkan sistem berosilasi meskiun memiliki tanggaan ceat. Sebaliknya jika gain terlalu kecil, enyimangan variabel roses terlalu besar. Kalauun kembali ke nilai yang dikehendaki, akan membutuhkan waktu yang lama. Untuk mendaatkan komromi antara keceatan dan kestabilan sistem, telah dibakukan kriteria redaman seeremat amlitudo. Artinya, amlitudo uncak gelombang berikutnya adalah seeremat amlitudo sebelumnya. Ini terjadi jika gain total ada eriode osilasi, G c G v G G t = 0,5 (4.19) dengan G adalah gain, indeks c, v,, t berturut-turut menunjukkan engendali, elemen kendali akhir, roses, dan transmiter. Dinamika elemen kendali akhir dan transmiter biasanya diabaikan terhada dinamika roses, sehingga hanya memiliki nilai K v dan K t. Dengan memasukkan gain keduanya ke dalam dinamika roses, maka ersamaan (4.19) menjadi, G c G s = 0,5 (4.20) Di sini G s = K v G K t, yaitu gain sistem roses termasuk elemen kendali akhir dan transmiter. Agar terjadi redaman seeremat amlitudo, daat dilakukan dengan mengatur gain roorsional atau roortional band. 4.6 PENALAAN PENGENDALI (Controller Tuning) Penalaan adalah ekerjaan meneatkan atau menyelaraskan dengan sesuatu. Dalam konteks ini, enalaan engendali bertujuan mendaatkan nilai aramater engendali yang Pengendalian Proses 103

104 sesuai dengan kebutuhan roses. Parameter engendali yang ditentukan meliuti gain (K c ) atau roortional band (PB), waktu integral (τ i ), dan waktu derivatif (τ d ) Metode Kurva Reaksi Metode kurva reaksi didasarkan atas tanggaan undak sistem roses. Asumsi yang digunakan adalah, roses sebagai sistem orde satu disertai waktu mati. Langkah metode kurva reaksi adalah sebagai berikut. Pengendali disetel ada osisi manual. Dilakukan sedikit erubahan mendadak ada sinyal kendali (sebaiknya kurang dari 10%), sehingga terjadi erubahan variabel roses (PV) yang daat diamati. Tanggaan variabel roses direkam dan dari hasil yang dieroleh ditentukan nilai waktu mati (θ ), konstanta waktu sistem (τ ), dan steady-state gain (K ). Dari uji tersebut di atas dieroleh: K y =, u θ R =, dan τ y N = τ Metode Ziegler-Nichols I, Cohen-Coon dan Kriteria IAE Berikut adalah arameter engendali metode Ziegler-Nichols I, Cohen-Coon dan IAE. Tabel 4.1 Persamaan enalaan engendali memakai data kurva reaksi. PENGENDALI ZIEGLER-NICHOLS COHEN-COON IAE Proorsional (P) Proorsional + Integral (PI) Proorsional + Integral + Derivatif (PID) K c K c 0,9 τ K θ τ K θ τ 1 R + K θ 3 0,9τ R 1 + K θ R τ i 3,3 θ θ R K c 1,2τ K θ τ 4 R + K θ R τ i 2 θ θ R 4 τ d 0,5 θ θ 11+ 2R 0,902 τ K θ 0,984 τ K θ τ 1,645 θ θ 1,435 τ K θ τ 1,139 θ θ τ 0,482 θ θ 0,985 0,986 0,293 0,921 0,251 0,137 Pengendalian Proses 104

105 Metode Chien-Hrones-Reswick Berikut adalah arameter engendali metode Chien-Hrones-Reswick. Tabel 4.2 Parameter engendali dengan metode Chien-Hrones-Reswick TANGGAPAN 20% TANGGAPAN TEREDAM OVERSHOOT PENGENDALI Perubahan Perubahan Perubahan Perubahan Gangguan Setoint Gangguan Setoint P PI PID K c K c τ i K c τ i 0,3τ K θ 0,6τ K θ 0,3τ K θ 0,35τ K θ 0,7τ K θ 0,7τ K θ 0,7τ K θ 4 θ 1,2θ 2,3θ θ 0,95τ K θ 0,6τ K θ 2,4θ θ 1,2τ K θ 0,6τ K θ 0,95τ K θ 2 θ 1,35θ τ d 0,42θ 0,5θ 0,42θ 0,47θ Metode Osilasi Lingkar Tertutu Metode osilasi lingkar tertutu dikenal dengan metode Ziegler-Nichols II. Pada rinsinya dalam lingkar tertutu dibuat kondisi osilasi alami. Ini terjadi ketika ergeseran fase hanya disebabkan oleh sistem roses. Dengan kata lain engendali ada modus roorsional saja. Adaun langkah enalaan adalah sebagai berikut. 1) Pengendali disetel ada osisi automatik. 2) Aksi integral dan derivatif dimatikan, dengan membuat waktu integral maksimum, waktu derivatif nol, dan roortional band (PB) maksimum. 3) Secara berangsur PB dierkecil setengahnya, sambil diadakan erubahan kecil ada gangguan (beban) atau setoint. 4) Langkah nomor (3) diulang terus samai muncul osilasi kontinyu ada variabel roses (PV). Pada keadaan ini, roortional band sebagai roortional band kritik (PB u ) atau roortional gain sebagai roortional gain kritik (K cu ), dan eriode osilasi sebagai eriode osilasi kritik (T u ). Selanjutnya arameter engendali mengikuti tabel berikut. Tabel 4.3 Parameter engendali dengan metode Zigler-Nichols II PENGENDALI K c τ i τ d P 0, 5K cu 0 PI 0, 45K cu 1, 2 0 PID 0, 6K cu 0, 5T u 0, 125 T u Pengendalian Proses 105 T u

106 4.6.3 Metode Coba-Coba Metode coba-coba (trial and error) sangat efektif jika dikerjakan oleh oerator yang berengalaman. Dengan bekal engalaman bekerja dalam engendalian roses, biasanya oerator memiliki intuisi tajam dan mamu melakukan enyetelan yang teat. Meskiun demikian, metode ini daat dicoba oleh mereka yang belum berengalaman dengan melaksanakan langkah berikut. Pengendali PI 1) Pertama-tama engendali disetel ke osisi manual (MANU). 2) Maniulated variable (MV) diubah sebesar 5-10%. Kemudian diukur waktu yang dibutuhkan variabel roses saat mulai memberi tanggaan. Watu integral (T i ) dibuat lima kali waktu tersebut. 3) Proortional band dibuat maksimum, dan engendali di taruh ke osisi automatik (AUTO). 4) Sambil memberi gangguan erubahan setoint, PB dierkecil seertiganya. 5) Langkah nomor (4) diulang terus hingga dieroleh tanggaan variabel roses yang dikehendaki. 6) Waktu integral dierkecil sehingga dieroleh tanggaan seceat mungkin tetai overshoot masih daat diterima. Pengendali PID 1) Proortional band dibuat maksimum, waktu integral maksimum, dan waktu derivatif minimum (nol). 2) Perlahan-lahan PB dierkecil hingga dieroleh cuku overshoot ada variabel roses jika sistem roses diberi gangguan. 3) Waktu derivatif dinaikkan, hingga overshoot hilang. 4) Langkah (2) dan (3) diulang, hingga dieroleh tanggaan transien sesuai yang diinginkan. 5) Waktu integral dierkecil, hingga dieroleh cuku overshoot ada variabel roses jika sistem roses diberi gangguan. 6) Waktu derivatif dinaikkan hingga dieroleh tanggaan transien yang diinginkan. 4.7 KOMENTAR SEKITAR PENALAAN Penalaan engendali meruakan ekerjaan rumit yang menuntut kesabaran dan engalaman oerator. Oleh sebab itu metode enalaan yang diuraikan di atas, hanya sebagai acuan awal. Selanjutnya dierlukan enalaan halus agar dieroleh kualitas engendalian yang otimal. Beberaa catatan yang erlu dierhatikan adalah, metode kurva reaksi tidak daat diakai jika sistem roses bersifat integrator. Jika dalam rangkaian roses terdaat integrator, maka bagian ini harus dibuat manta terlebih dahulu dengan cara maniulasi roses atau dengan engendali lokal. Metode osilasi lingkar tertutu, kadang-kadang tidak daat dilakukan ada roses yang eka terhada variasi variabel roses, misalnya reaktor eksotermal atau reaktor bioroses. Sekedar acuan, di sini disamaikan nilai arameter engendali yang umum ditemui. Pengendalian Proses 106

107 Tabel 4.4 Parameter engendali ada berbagai roses. PROPORTIONAL WAKTU SISTEM PROSES BAND INTEGRAL WAKTU DERIVATIF Tekanan Gas 2-5 % Tidak erlu - Tekanan Cair % 0,1 0,25 menit - Tekanan Ua 10 50% ,1 2,0 Suhu % 2-10 menit Hingga 2 menit (lebih kecil dari waktu integral) Aliran % 0,1 0,25 menit - Komosisi % menit Bervariasi Level 2 hmax - - Keterangan: hmax adalah ersen enyimangan maksimum level yang diinginkan. 4.8 PENGENDALIAN PROSES FUNGSI DASAR Pengendalian Level Satu fungsi dasar yang sangat umum dan sering menjadi masalah dalam roses adalah tinggi ermukaan cairan (level) dalam tangki. Meskiun terdaat beberaa alasan untuk mengendalikan tinggi ermukaan, dalam kaitan dengan oerasi dan dinamika roses beberaa hal berikut menjadi dasar ertimbangan. (1) Sejumlah volume cairan erlu dijaga teta yang berfungsi sebagai enyangga (buffer) atau enamung sementara untuk mencegah enghentian (shutdown) roses kontinyu akibat kegagalan di bagian hulu atau hilir roses. Dalam hal ini tidak dierlukan engendalian yang teliti. Meskiun demikian hendaknya dicatat, bahwa menjaga tinggi ermukaan cairan terlalu rendah akan memberikan cadangan cairan terlalu sedikit bagi roses bagian hilir. Sebaliknya jika ermukaan terlalu tinggi akan memberikan cadangan cairan terlalu sedikit bagi roses bagian hulu. (2) Banyak fungsi unit roses berjalan baik jika volume cairan teta. Sebagai contoh adalah bagian bawah kolom distilasi, volume adatan dalam gilingan bola (ball mill), tinggi ermukaan cairan dalam tangki encamur, reaktor tumak (batch), dan lain-lain. Proses-roses ini biasanya memerlukan tinggi ermukaan cairan secara ketat, hanya boleh menyimang beberaa ersen dari setoint. (3) Pengendalian tinggi cairan daat diakai untuk memerhalus fluktuasi aliran dalam sistem bertingkat, jika aliran keluar dari satu unit menjadi masukan unit berikutnya. Sebagai contoh adalah uman ke kolom distilasi. Agar oerasi berjalan baik, uman tidak boleh berubah-ubah. Meskiun demikian, uman biasanya meruakan roduk dari kolom distilasi atau roses lain sebelumnya. Jika dilengkai dengan engendalian tinggi ermukaan yang sangat eka, akan menghasilkan variasi laju alir terlalu besar bagi unit sesudahnya. Di sini dibutuhkan tangki stabilisator (surge Pengendalian Proses 107

108 tank) yang dilengkai engendali level yang ditala dengan benar hingga meredam fluktuasi laju alir. Hasilnya akan daat memerbaiki oerasi kolom bagian hilir. Gambar berikut disajikan beberaa struktur berbeda untuk mengendalian level cairan dalam tangki. LT LC LCV Gambar 4.21 Pengendalian level dengan mengatur laju alir keluar. LC LCV LT Gambar 4.22 Pengendalian level dengan mengatur laju alir masuk. Pengendali level ada umumnya mengendalikan roses integrator. Ini disebabkan karena cairan yang terakumulasi adalah jumlah (integral) dari erbedaan antara aliran masuk dan keluar. Dalam kondisi nyata, tinggi ermukaan biasanya bukan sebagai enentu laju alir masuk atau keluar. Lingkar engendalian level biasanya banyak noise yang diakibatkan oleh golakan ermukaan cairan. Aalagi jika aliran masuk berada di atas ermukaan cairan. Selain itu, noise juga daat disebabkan oleh osilasi efek manometer-u antara cairan dalam tangki dan cairan dalam ia sensor (gambar 4.23). Osilasi yang terjadi serua dengan osilasi variabel Pengendalian Proses 108

109 roses itu sendiri, meskiun tidak terjadi erubahan volume cairan. Oleh sebab itu sinyal engukuran hendaknya diberi filter untuk menindas noise atau osilasi. LT Gambar 4.23 Efek manometer-u antara cairan dalam tangki dan ia sensor. Umumnya, engendalian level tidak kritik. Lebih enting menjaga level rata-rata selama erioda waktu yang anjang dibanding engendalian yang teliti dari waktu ke waktu. Disebabkan karena bersifat integrator, rosedur enalaan berbeda dengan rosedur untuk roses manta seerti yang telah dibahas sebelumnya. Berdasar engendalian level gambar 4.21 dengan variabel engendali aliran keluar dan gangguan aliran masuk, enalaan arameter engendali dimulai dengan menentukan konstanta waktu dan gain katu kendali. Penentuan konstanta waktu untuk sistem integrator berbeda dengan sistem manta yang telah dibahas dalam bab sebelumnya. Penentuan konstanta waktu dimulai dari kodisi tunak di titik oerasi normal dengan engendali ada otomatik. Katu kendali sebaiknya dilengkai ositioner atau aling tidak bebas histeresis. Kemudian engendali diubah ke manual dan dibuat sedikit erubahan ada sinyal kendali ( u) selama waktu tertentu ( t) sehingga terjadi erubahan laju alir keluar ( Q o ) dan erubahan level ( h). Setelah waktu tertentu sinyal kendali dikembalikan ke nilai semula. Nilai-nilai u, Q, dan h dinyatakan dalam ersen terhada skala enuh (atau san). Konstanta waktu dan gain katu kendali dihitung sebagai berikut. Q o τ = t h (4.19) Qo K v = u (4.20) Penalaan arameter engendali dibuat atas dasar erubahan gangguan ( Q i ) dan erubahan level maksimum yang diinginkan ( h max ). Catatan: Penalaan engendali level dengan aliran masuk sebagai variabel engendali dan aliran keluar sebagai gangguan (gambar 4.22) dilakukan dengan cara seerti yang telah dibahas, tetai dengan saling menukar besaran Q i dan Q o. Pengendalian Proses 109

110 Tabel 4.5 Parameter enalaan untuk engendalian level. RASIO REDAMAN (Decay Ratio) PARAMETER PENGENDALI GAIN PROPORSIONAL (K c ) WAKTU INTEGRAL (τ i ) KRITIK Q ( ζ = 1) i 1 0,74 0,5 hmax (1 R) K v h max τ 5,44 Qi 0,05 Qi 1 ( ζ = 0,430) 0,50 hmax (1 R) K v 0,25 Q ( ζ = 0,215) i 1 0,32 1,5 hmax (1 R) K v Keterangan tabel: τ h 1,47 (1 R) max 0,25 Q τ hmax 0,58 0,9 (1 R) Qi i θ R = dengan θ adalah waktu mati (menit) τ Pengendalian Laju Alir Karakteristik lingkar engendalian laju alir diengaruhi oleh beberaa faktor, antara lain sebagai berikut. Wujud aliran yaitu aakah berua fase cair, gas, cair dan ua, atau ua saja. Cara engukuran yaitu bagaimana laju alir diukur. Cara memaniulasi laju yaitu bagaimana aliran dimaniulasikan melalui elemen kendali akhir. Hubungan antara elemen kendali akhir dan eriaan. Jenis engendali Terleas dari hal-hal tersebut, secara ringkas, lingkar engendalian laju alir memiliki sifat: relatif ceat; tak linier; dan biasanya banyak noise. Karakteristik dinamik lingkar engendalian laju alir didominasi oleh dinamika elemen kendali akhir. Juga akibat gesekan stem daat menimbulkan histeresis. Sebenarnya dinamika elemen kendali akhir daat dierbaiki dengan menambahkan ositioner karena akan mengurangi histeresis hingga daat memerbaiki kinerja lingkar engendalian. Pemakian ositioner sangat dianjurkan ada kebanyakan engendalian, kecuali laju alir. Pada engendalian laju alir, ositioner dan engendali laju saling berinteraksi yang justru akan menurunkan kinerja engendalian. Namun demikian kebanyakan raktisi tidak setuju dengan anjuran ini. Akibatnya, ositioner diakai ada semua katu kendali tidak terkecuali engendalian laju alir. Memang interaksi antara ositioner dan engendali daat ditekan dengan cara mengurangi keekaan engendali. Pengendalian Proses 110

111 Faktor linieritas engendalian laju alir ditentukan oleh karakteristik katu kendali, tie instrumen ukur laju alir yang diakai dan enyemitan dalam ia. Faktor lain yang berkaitan dengan erancangan engendalian laju alir adalah sensor laju alir dan sinyal engukuran yang dikirim ke engendali. Jika laju alir diukur dengan intrumen beda tekanan melintas elat orifis, maka siyal engukuran sebanding dengan akar laju alir. Jika sinyal diakai sebagai variabel roses untuk engendali, maka hubungan akar laju alir menambah ketidalinieran lingkar engendalian. Katu kendali jenis ersentase sama (equal-ercentage) akan menghasilkan erubahan besar ada gain roses seanjang rentang bukaan katu. Pilihan yang lebih baik adalah dengan memakai katu jenis bukaan ceat (quick-oening) jika tidak ada erubahan tekanan jatuh melintas katu. Jenis linier daat diakai jika terjadi cuku enurunan tekanan melintas katu saat kenaikan laju alir. FC Pengendali aliran FT Transmiter aliran Sensor aliran Katu kendali Gambar 4.24 Pengendalian laju alir. Dengan kemajuan teknologi instrumentasi, iranti ekstraksi akar (root extraction) daat diletakkan sebelum sinyal engukuran masuk ke engendali. Atau daat ula dilakukan linierisasi secara erangkat lunak dalam engendali berbasis digital. Dengan cara demikian ketidaklinieran daat dihilangkan. Hasilnya, katu kendali jenis ersentase sama akan daat diakai jika terjadi cuku enurunan tekanan melintas katu ada kenaikan laju alir. Katu jenis linier juga daat diakai, jika tekanan jatuh cuku konstan. Selain ketidaklinieran, masalah noise engukuran akibat turbulensi dalam ia menambah masalah engendalian. Beberaa tie sensor daat menghasilkan lebih banyak noise. Vorteks meter dan beda tekanan menghasilkan sangat banyak noise. Pengukur jenis magnetik dan Coriolis kurang mengandung noise. Sedangkan jenis turbin sedikit sekali menimbulkan noise. Untuk menghilangkan noise engukuran, erlu ditambah filter baik dengan erangkat keras mauun erangkat lunak Pengendalian laju alir biasanya ditala dengan gain rendah (roortional band lebar) dan waktu integral cuku kecil. Hal ini benar, khususnya untuk engendali digital. Sebab ada engendali digital terjadi waktu tunda di antara dua erioda culik yang besarnya cuku berarti dibanding dengan keterlambatan roses. Pada engendali analog, kasus ini tidak terjadi, sehingga daat diakai gain besar dan waktu integral yang lama. Disebabkan karena noise engukuran, aksi derivatif tidak ernah diakai dalam engendalian laju alir. Pengendalian Proses 111

112 4.8.3 Pengendalian Suhu Pengendalian suhu bertolak belakang dengan engendalian laju alir. Pengendalian suhu biasanya relatif lambat dan bebas noise. Dalam kebanyakan engendalian suhu, gain roses berbanding terbalik dengan aliran roses. Karakteristik dinamik roses berbeda-beda untuk engendalian suhu enukar anas, emanas roses, dan kolom distilasi. Penukar anas memiliki waktu mati cuku besar. Berbeda dengan emanas roses yang didominasi oleh konstanta waktu. Kebanyakan sistem roses emanasan berua sistem manta (self-regulating). Dengan demikian roses emanasan daat dimodelkan sebagai sistem orde satu. Namun demikian oleh adanya dinamika katu kendali, sistem eriaan, instrumen ukur, dan lain-lain, menyebabkan adanya waktu mati semu. Di saming itu juga terdaat waktu mati sebenarnya, yang berua kelambatan transor (transortation lag) akibat waktu yang dibutuhkan aliran energi dari roses ke sensor suhu. Oleh sebab itu emodelan dengan FOPDT (first-order lus dead time) umumnya lebih baik. Pengendalian suhu ada umumnya ditala dengan gain relatif tinggi atau roortional band semit dan waktu integral cuku anjang. Berhubung tidak ada noise, engendalian suhu daat memakai derivatif. Penambahan derivatif akan membantu mengantisiasi kelambatan yag disebabkan engukuran suhu Pengendalian Tekanan Pengendalian tekanan dibedakan untuk tekanan cair, ua dan gas. Untuk tekanan aliran, dibedakan atas regulator tekanan (ressure regulator) dan regulator tekanan balik (back ressure regulator). Jika sensor tekanan terletak di bagian hilir katu kendali, lingkar engendalian disebut regulator tekanan. Sebaliknya, jika sensor tekanan terletak di bagian hulu katu kendali, lingkar engendalian disebut regulator tekanan balik. PC PC Gas Gas (a) Regulator tekanan (b) Regulator tekanan balik Gambar 4.25 Pengendalian tekanan. Pengendalian tekanan cairan tidak umum dilakukan. Jika dierlukan, tekanan cairan dikendalikan dengan mengatur aliran masuk dan keluar volume cairan terkendali. Karakteristiknya serua dengan engendalian aliran. Pengendalian tekanan ua cairan yang dihasilkan dari endidihan dilakukan dengan mengatur aliran emanas. Dalam kasus ini sistem roses bersifat manta (self-regulating). Sebagai contoh roses enguaan cairan uman dalam evaorator berikut. Aliran ua melalui enyemitan. Laju alir ua tergantung ada tekanan dan hambatan enyemitan. Pengendalian Proses 112

113 Jika hambatan teta, maka laju alir ua hanya tergantung ada tekanan dalam evaorator. Dalam kondisi demikian, setia nilai tekanan ua, akan menghasilkan laju alir tertentu. Dengan kata lain, sistem roses akan selalu mencaai kestabilan baru (self-regulatingi). Karakteristik engendalian roses ini serua dengan engendalian suhu. Sehingga bisa memakai gain roorsional besar dan waktu integral lambat. Bergubung rosesnya bebas noise daat ditambah derivatif. Ua PC Uman Steam Kondensat Cair Gambar 4.26 Pengendalian tekanan ua ada roses manta (self-regulating). FC Ua PC Uman Steam Kondensat Pengendalian Proses 113 Cair Gambar 4.27 Pengendalian tekanan ua ada roses tak manta (non-self-rgulating).

114 Pengendalian tekanan ada roses integrator atau tak manta (non-self-regulating) dilukiskan ada gambar Aliran ua keluar diertahankan konstan oleh engendali aliran (FC). Perubahan tekanan dalam evaorator tidak memengaruhi laju ua. Tekanan roses meruakan jumlah (integral) dari erbedaan energi masuk (anas) dan energi keluar (ua bertekanan). Penalaan untuk roses integrator ini memerlukan gain roorsional besar (roortional band semit) dan waktu integral besar agar offset sekecil mungkin. Pengendalian tekanan gas satu fase (tidak ada cairan) ada umumnya bererilaku ceat dan bebas noise. Jika sistem eriaan relatif endek (tidak termasuk transmisi gas) maka sistem bererilaku sebagai sistem orde satu dengan sedikit waktu mati. Penalaan engendali hendaknya memakai gain roorsional yang besar (roortional band semit) tana integral, sebab offset cuku kecil sehingga daat diabaikan. Aksi derivatif tidak dierlukan. Kasus lain adalah engendalian tekanan ada sistem eriaan transmisi gas. Dalam hal ini, energi yang tersiman tersebar seanjang sistem eriaan yang anjang. Oleh sebab itu engendali harus ditala ada gain lebih rendah dibanding engendali ada sistem roses di abrik (rocess lant). Agar tidak ada offset erlu ditambahkan aksi integral. A. PILIHAN GANDA Plih satu jawab yang benar. 1. Fungsi celah diferensial adalah A. membuat batas atas dan bawah B. memerlambat saat PV turun C. memerlambat saat PV naik D. memerlambat cycling SOAL-SOAL 2. Jika engendali roorsional dibuat PB 0%, akan bersifat sebagai engendali A. dua osisi B. integral C. PD D. PI 3. Suku integral ada engendali PID nilainya sebanding dengan A. besar error B. keceatan error C. lamanya error D. lama dan keceatan error 4. Pengendali yang eka terhada noise adalah A. dua osisi B. P C. PI D. PD Pengendalian Proses 114

115 5. Resons aksi PID berikut. Dari gambar tersebut A. τ i = 4 menit, τ d = 1 menit B. τ i = 1 menit, τ d = 4 menit C. τ i = 0,25 menit, τ d = 4 menit D. τ i = 4 menit, τ d = 4 menit 6. Persamaan engendali PID standar ISA adalah K c A. u = K ce + edt + uo τ B. u K e + K τ edt + u i = c c i o K c de C. u K ce + edt + K cτ d + u τ dt = o i K c de D. u K ce + K cτ i edt + + u τ dt = o d 7. Grafik antara sinyal kendali (u) dan PV sebagai berikut. Besar roortional band... A. 20% B. 40% C. 60% D. 100% 8. Persamaan u = K c e + u o. Pada dasarnya u o adalah A. keluaran engendali saat K c =0 B. keluaran engendali saat e = 0 C. keluaran engendali saat u = 0 D. keluaran engendali saat tunak Pengendalian Proses 115

116 9. Proortional band adalah A. ersen error yang menghasilkan erubahan keluaran 100% B. ersentase keluaran oleh erubahan error 100% C. ersentase gain roorsional D. ersentase offset 10. Resons ste engendali PI ada erubahan error 5%. Nilai PB, K c, dan τ i adalah... A. 50 %; 2 dan 4 menit B. 50 %; 2 dan -4 menit C. 200 %; 2 dan 4 menit D. 200 %; 2 dan -4 menit 11. Offset ada engendalian roorsional saja daat dierkecil dengan cara A. memerkecil gain dan bias B. memerkecil gain C. memerkecil PB D. memerbesar PB 12. Fungsi aksi integral adalah A. memerceat reson B. menghilangkan offset C. mengurangi osilasi D. membuat sistem lebih stabil 13. Resons engendalian PI untuk kurva-2 terjadi jika K c = 2 dan τ i = 4 menit. Maka kurva 1 terjadi jika.. A. τ i < 4 B. K c > 2 C. K c < 2 atau τ i > 4 D. K c > 2 atau τ i < Fungsi aksi derivatif adalah A. menghilangkan offset B. menghilangkan error C. memerkecil overshoot D. menghilangkan bias Tuning engendali dengan metode ste resonse dilakukan dengan cara, A. loo terbuka dan osisi otomatik B. loo terbuka dan osisi manual C. loo tertutu dan osisi otomatik D. loo tertutu dan osisi manual Pengendalian Proses 116

117 16. Pada roses dengan banyak turbulensi atau fluktuasi nilai variabel roses terkendali, tidak cocok memakai aksi derivatif, sebab aksi derivatif meresons A. lamanya error B. besar error C. keceatan error D. besar dan lamanya error 17. Sebuah roses memiliki tetaan waktu 5 menit dan dead time 4 menit. Proses tidak mengandung noise. Diinginkan tidak ada offset dan tidak berosilasi terus menerus. Maka jenis engendali yang teat adalah A. on-off B. P C. PI D. PID 18. Sebelum ada gangguan harga keluaran engendali PI sebesar 50 %. Setelah mendaat gangguan ternyata PV daat kembali ke nilai SP. Maka keluaran engendali adalah A. 0% B. 50% C. 100% D. tak daat diastikan 19. Tie roses yang sangat erlu memakai aksi derivatif adalah A. tinggi cairan B. aliran gas C. suhu D. aliran cairan 20. Pada engendali roorsional, setelah terjadi erubahan beban yang teta ternyata dieroleh, u o =50%, u=60%, K c =2, maka A. PB = 50% B. offset = 5% C. e = 5% D. jawab A, B, dan C benar 21. Pada engendali roorsional, jika engukuran menunjukkan harga yang sama dengan acuan (setoint), maka keluaran engendali A. tak daat diastikan B. 100% C. 50% D. 0% 22. Pada engendali PD, ernyataan berikut yang benar adalah... A. aksi roorsional menggeser fase sebesar -90 o B. aksi derivatif menggeser fase sebesar +90 o C. aksi roorsional menggeser fase sebesar +90 o D. aksi derivatif menggeser fase sebesar -90 o Pengendalian Proses 117

118 23. Jika ada sistem engendalian lingkar tertutu diinginkan redaman seeremat amlitudo, maka gain total sistem sebersar A. 0,1 B. 0,25 C. 0,5 D Dalam sebuah sistem engendalian diketahui : G c = Kc, G v = 0,20 (L/s)/%, G t = 2 %/K, G = 20 K/(L/s). Maka besarnya PB agar terjadi redaman seeremat amlitudo adalah A. 12,5 % B. 62,5 % C. 80 % D. 160 % 25. Terdaat langkah enalaan, 1. engendalidisetel ke AUTO 2. engendalidisetel ke MANUAL 3. melakukan erubahan PV 4. melakukan erubahan MV Pada enalaan metode kurva reaksi dilakukan... A. 1 dan 3 B. 2 dan 3 C. 1 dan 4 D. 2 dan 4 B. HITUNGAN 1. Sebuah tangki berdiameter 50 cm. Dari tangki dikeluarkan minyak tanah secara terus menerus ada laju 60 L/menit. Tinggi ermukaan minyak dikendalikan dengan engendali dua osisi. Aliran minyak ke dalam tangki diatur dengan katu kendali. Saat terbuka enuh aliran minyak 80 L/m, dan tertutu enuh 0 L/menit. Bila celah diferensial sebesar 20 cm, tentukan eriode cycling. 2. Sebuah tangki silindris berdiameter 3 m diisi air melalui katu kendali. Katu hanya memunyai osisi membuka atau menutu. Saat membuka laju air 2 m 3 /menit. Tangki dikosongkan secara kontinyu dengan laju 1 m 3 /menit. Variasi ketinggian air diinginkan antara 3,5 hingga 4,5 meter. Hitung eriode cycling. 3. Pengendali roorsional mengendalikan variabel roses dalam daerah suhu o C dan setoint ada 75 o C. Pada saat error = 0, keluaran engendali = 50%. Hitung offset yang terjadi ada saat keluaran engendali 55% dengan K c = 0,5. 4. Pengendali roorsional diakai untuk mengendalikan suhu. Rentang transmiter adalah K. Pengendali diatur hingga keluarannya berkisar antara 3 si dan 15 si yang bersesuaian dengan katu kendali menutu dan membuka enuh. Jika PB 80%, Pengendalian Proses 118

119 tentukan erubahan suhu yang dierlukan agar katu kendali daat berubah dari bukaan 25% ke 75%. 5. Pengendali roorsional digunakan untuk mengendalikan suhu. Diketahui PB 20%. Pada harga setoint 55 o C, katu kendali terbuka enuh bila mendaat sinyal kendali 20 ma dan suhu aliran keluar enukar anas 50 o C. Katu tertutu enuh jika sinyal kendali 4 ma dan suhu aliran roses 60 o C. (a) Hitung rentang suhu yang daat dikendalikan. (b) Beraa gain engendali? 6. Tekanan dalam tangki dikendalikan dengan mengatur laju alir gas yang meninggalkan tangki. Transmiter tekanan memunyai rentang kpa. Pengendali adalah jenis roorsional dengan sinyal keluaran 0 5 V. Pengendali memiliki nilai bias yang disetel ada titik tengah, dan setoint 600 kpa. Ketika tekanan dalam tangki 800 kpa, katu kendali terbuka enuh. Hitung: (a) PB untuk engendali ini; (b) nilai sinyal kendali dalam ersen dan dalam volt jika tekanan tangki 500 kpa. 7. Pengendali roorsional diakai untuk mengendalikan suhu tanur ada 750 o C dengan cara mengatur laju alir bahan bakar. Rentang engukuran transmiter suhu o C. Elemen kendali akhir jenis air-to-oen (FC). Proortional band 15%. Pengendali mengeluarkan sinyal 4 20 ma, dan sinyalnya mengecil jika suhu tanur naik. Jika keluaran engendali 12 ma ketika suhu tanur ada nilai yang diinginkan, tentukan: (a) suhu tanur jika sinyal kendali 4, 8, dan 16 ma; (b) nilai sinyal kendali jika suhu turun 15 o C dari nilai yang diinginkan. 8. Uji ste terhada enukar anas dilakukan dengan mengubah aliran emanas dari 50% ke 57%. Resons suhu ( o C) aliran roses keluar emanas disajikan sebagai berikut. Transmiter memiliki nilai zero 0 dan san 100 o C. Tentukan arameter engendali PID menurut: Ziegler-Nichols I, Cohen-Coon, dan Chien- Hrones-Reswick. Mana yang Anda ilih? 9. Sebuah sistem roses orde-1 memiliki konstanta waktu 0,6 menit dan waktu mati 0,1 menit. Gerakan control valve sebesar 10% menyebabkan erubahan variabel roses 25%. Sistem roses ini dilengkai dengan engendali roorsional. Tentukan besar roortional band jika diakai kriteria redaman seeremat amlitudo. Pengendalian Proses 119

120 BAB-5 STRATEGI PENGENDALIAN LANJUT TUJUAN PEMBELAJARAN UMUM Memahami mekanisme engendalian komleks yang terdiri atas lebih dari satu lingkar TUJUAN PEMBELAJARAN KHUSUS Setelah menyelesaikan bab ini, mahasiswa diharakan daat: 1) Menyebutkan tujuan engendalian uman maju 2) Menyebutkan tujuan engendalian cascade 3) Menyebutkan tujuan engendalian rasio 4) Menyebutkan tujuan engendalian slit-range 5) Menyebutkan tujuan engendalian override 6) Menggambar diagram engendalian uman maju 7) Menggambar diagram engendalian cascade 8) Menggambar diagram engendalian rasio 9) Menggambar diagram engendalian slit-range 10) Menggambar diagram engendalian override 11) Menentukan nilai rasio ada dua variabel atau lebih Pengendalian Proses 120

121 Sistem roses di abrik hamir daat diastikan meruakan sistem komleks. Hal demikian menyebabkan erilaku sistem memiliki orde tinggi dan waktu mati besar yang berakibat tanggaan variabel roses menjadi lambat. Belum lagi adanya gangguan yang sukar diatasi dengan engendalian uman balik. Persoalan menjadi kian rumit disebabkan adanya kenyataan bahwa sistem roses memiliki banyak masukan dan banyak keluaran. Menghadai ersoalan demikian ternyata sistem engendalian sederhana kurang daat diterakan dengan baik. Bahkan terhada sistem yang memiliki banyak masukan dan banyak keluaran tidak daat diakai engendali PID biasa. 5.1 PENGENDALIAN BERTINGKAT (CASCADE CONTROL) PRINSIP PENGENDALIAN Prinsi engendalian bertingkat adalah meredam engaruh gangguan yang masuk melalui maniulated variable dengan memakai lingkar engendali tambahan (rimary controller, inner controller, slave controller, sub-controller) yang terletak di dalam lingkar utama (secondary controller, outer control, master control, atau main controller). Jika gangguan daat diredam oleh engendali tambahan, maka gangguan daat mudah ditangani secara efisien dan tanggaan sistem menjadi lebih baik. Dengan demikian akan dieroleh engendalian yang halus, akurat, dan ceat. Jadi tujuan engendalian kaskade adalah: Meredam gangguan yang masuk melalui maniulated variable. Menambah keamanan oerasi. Memerhalus engendalian (memerbaiki linieritas). Menambah akurasi engendalian Pengendalian cascade memerlukan dua engendali. Satu engendali bertindak sebagai induk (master) dan yang lain sebagai hamba (slave). Sehingga terbentuk dua lingkar engendalian. Lingkar engendalian dalam (inner loo) menjadi bagian dari lingkar luar (outer loo). Satu hal enting di sini, tanggaan lingkar dalam (inner loo) harus lebih ceat aling tidak tiga kali lingkar luar (outer loo), tetai biasanya 10 samai 20 kalinya. Dengan kata lain konstanta waktu lingkar salam harus jauh lebih kecil dibanding lingkar luar rimer. Contoh-5.1 Pengendalian Suhu reaktor. Sebagai contoh engendalian suhu dalam reaktor dengan memakai air sebagai medium endingin. Suhu reaktor dikendalikan dengan memaniulasi laju alir air. Di sini terdaat gangguan, yang bila tidak dierhatikan bisa menjadi masalah serius, yaitu suhu. Begitu terjadi erubahan, engendali suhu tidak segera merasakan erubahan, samai suhu reaktor benar-benar berubah. Perubahan suhu jaket daat diatasi bila terhada laju alir air juga dilakukan engendalian. Dengan demikian terdaat dua engendali. Pertama, engendali suhu reaktor (TC-1) sebagai engendali induk (master controller atau rimary controller). Kedua, engendali suhu jaket (TC-2) sebagai engendali hamba (slave controller atau secondary controller). Suhu jaket dikendalikan dengan mengatur laju alir air. Jika suhu air masuk jaket berubah, suhu jaket berubah meskiun laju alirnya teta. Perubahan suhu jaket menunjukkan erubahan gangguan. Pengendalian Proses 121

122 Gambar 5.1 Diagram instrumentasi engendalian cascade ada reaktor. Keterangan: TT-1 Transmiter suhu reaktor TT-2 Transmiter suhu jaket TC-1 Pengendali suhu reaktor TC-2 Pengendali suhu jaket Gambar 5.2 Diagram blok engendalian cascade ada reaktor. Contoh-5.2 Pengendalian Suhu Tanur. Dalam engendalian uman balik konvensional, suhu minyak anas dikendalikan oleh laju alir bahan bakar. Karakteristik katu kendali tidaklah linier, sehingga menurunkan kinerja engendali PID. Jika tekanan bahan bakar (sebagai gangguan) berubah, maka laju alir bahan bakar berubah meskiun bukaan katu kendali teta. Pengendalian Proses 122

123 Gambar 5.3 Pengendalian suhu tanur dengan uman balik konvesional Pada engendalian cascade, sebagai loo rimer adalah engendalian suhu minyak keluar yang mengatur setoint tekanan bahan bakar. Loo sekunder adalah engendalian tekanan bahan bakar yang menjaga tekanan bahan bakar tana menghiraukan tekanan uman bahan bakar dan karakteristik katu kendali. Gambar 5.4 Pengendalian suhu tanur dengan engendalian cascade. Beberaa hal enting ada imlementasi engendalian cascade. Loo dalam (sekunder) harus lebih ceat aling tidak tiga kali loo luar (rimer). Pengendalian loo dalam (sekunder) tidak erlu akurat, yang enting memiliki tanggaan ceat terhada erubahan gangguan atau setoint. Oleh sebab itu engendali roorsional (P) biasanya mencukui. Pengendalian Proses 123

124 Dalam beberaa hal, jika loo dalam (sekunder) tidak daat mengikuti setoint dalam waktu yang lama dierlukan reset feedback untuk enjejakan keluaran (outut tracking) semacam anti-reset windu. Sistem engendalian cascade akan menaikkan frekuensi alami dan memerkecil konstanta waktu sistem. Keduanya meruakan keuntungan sistem ini. Tetai keuntungan utama adalah kemamuan mengurangi engaruh gangguan. Pengendalian cascade daat menyemurnakan kinerja sistem engendalian uman balik secara dramatik, jika dirancang dan diterakan dengan benar PENALAAN PENGENDALIAN CASCADE Penalaan engendalian cascade di saming untuk menentukan nilai arameter engendali, juga untuk memastikan bahwa loo dalam tidak memengaruhi loo luar. Langkah enalaan dimulai dari loo dalam baru diikuti loo luar. 1) Loo luar disetel ada osisi manual (MANU). 2) Loo dalam ditala hingga dieroleh tanggaan yang cuku manta. 3) Loo luar kemudian diubah ke osisi automatik (AUTO) dan dilakukan enalaan. Yang erlu dijaga adalah, jangan samai terjadi osilasi ada variabel roses utama. Jika terjadi osilasi sensitivitas loo luar erlu diturunkan dengan memerbesar PB (atau memer-kecil gain). 4) Tanggaan loo dalam dibuat seceat mungkin, tetai tidak boleh terlalu ceat. Jika terlalu ceat, loo dalam daat memengaruhi kestabilan loo luar. 5) Jika loo akan ditala ulang, ertama-tama loo luar diubah ke manual baru loo dalam ditala. Setelah loo dalam ada osisi automatik, baru diikuti loo luar dikembalikan ke automatik. 5.2 PENGENDALIAN UMPAN MAJU (FEEDFORWARD CONTROL) PRINSIP PENGENDALIAN UMPAN MAJU Prinsi engendalian uman maju adalah mengantisiasi gangguan sebelum berengaruh ada sistem roses dengan cara mengatur besar maniulated variable sesuai dengan besar gangguan yang akan masuk tana erlu mengetahui nilai variabel roses. Pengendalian uman maju tidak mengukur variabel roses, tetai mengukur gangguan yang masuk. Jadi tujuan utama engendalian uman maju adalah menganitisiasi atau mengurangi engaruh gangguan sebelum masuk ke dalam sistem roses. Idealnya seluruh gangguan dideteksi dan dihilangkan engaruhnya. Tetai berhubung tidak semua gangguan daat dideteksi atau dihilangkan secara semurna, maka ada sistem engendalian uman maju masih erlukan uman balik. Di sini uman balik bertugas mengatasi gangguan yang tidak daat dihilangkan oleh uman maju. Sebagai contoh ditinjau kembali engendalian suhu dalam alat enukar anas dengan memakai kukus sebagai medium emanas (gambar 5.1). Di sini terdaat gangguan yang disebabkan oleh erubahan laju alir dan suhu fluida. Dengan memertahankan laju alir dan suhu fluida, maka diharakan suhu fluida keluar tidak berubah, jika suhu kukus dan anas hilang ke lingkungan juga tidak berubah. Tetai berhubung suhu kukus dan Pengendalian Proses 124

125 anas hilang besar kemungkinan daat berubah, di sini masih dierlukan engendali uman balik. TC 2 S T s Σ TT 2 F T Σ FY TY FT 1 TT 1 F T o Gambar 5.5 Diagram instrumentasi engendalian uman balik dan uman maju. Gambar 5.6 Diagram blok engendalian balik dan uman maju uman maju. Pada gambar di bawah simbol FY dan TY berturut-turut adalah komensator laju alir dan suhu. Komensator ini berfungsi untuk menyesuaikan agar engaruh gangguan Pengendalian Proses 125

126 ada roses seminimal mungkin. Jika blok FY dan TY hanya berisi steady-state gain, yaitu berua faktor engali dengan bilangan teta, maka disebut komensator tunak (steadystate). Sedangkan jika berisi elemen dinamik, disebut komensator dinamik. Dengan komensator dinamik daat dieroleh tanggaan variabel roses yang lebih baik dibanding komensator tunak. Blok G1 dan G2 berturut-turut adalah fungsi transfer gangguan suhu dan laju alir. Pada keadaan sebenarnya, blok ini berada di dalam sistem roses itu sendiri. Di sini sengaja digambarkan untuk menunjukkan cara kerja engendalian uman maju. Idealnya, hasil kali blok TT-1 dan TY ditambah hasil kali FT dan FY, dan dikalikan dengan TV, sama dengan jumlah G1 dan G2. Jika ini terjadi, maka gangguan yang masuk ke dalam roses daat dihilangkan ALGORITMA PENGENDALI UMPAN MAJU Pengendali uman maju sering disebut sebagai komensator atau komonesasi uman maju. Ini daat berua elemen statik saja atau elemen dinamik lead-lag. Baik elemen statik atau elemen dinamik, keduanya harus mamu mereresantikan model sistem roses sebaik mungkin. Semakin jauh model sistem dengan sistem sebenarnya, semakin buruk hasil engendalian uman maju. Keteatan model sistem roses meruakan rasyarat keberhasilan engendalian uman maju. Pada rinsinya, elemen komensasi harus daat menyatakan model matematika yang berua hubungan antara variabel engendali (maniulated variable) dan variabel gangguan (disturbace variablei) Model Statik (Steady-State Model) Model statik hanya berisi elemen steady-state gain roses dan gangguan. Secara umum elemen ini berua faktor erbandingan antara steady-state gain gangguan (K w ) dan roses (K ). Sebagai contoh, engendalian uman maju ada enukar anas. Suhu minyak anas diengaruhi oleh variabel engendali (laju alir steam) dan gangguan (laju minyak dan suhu minyak dingin). Neraca energi dari roses di atas menghasilkan hubungan antara laju alir steam (S) dan gangguan (F dan T o ) C S = ( T To )F H h (5.1) Karena suhu minyak anas (T) tidak diukur dan nilainya harus sama dengan setoint (T r ) maka, C S = ( Tr To )F H h (5.2) Pengendalian Proses 126

127 Dengan model diatas, jika nilai laju alir minyak (F) dan suhu kinyak dingin (T o ) dieroleh dari engukuran terus menerus, maka laju alir steam (S) akan menyesuaikan dengan besar gangguan. Gambar 5.7 Proses emanasan minyak dalam enukar anas. Gambar 5.8 Diagram instrumentasi engendalian uman maju Model Dinamik (Dynamic Model) Model dinamik diturunkan dari ersamaan neraca massa/energi unsteady-state. Ini dilakukan dengan bantuan diagram blok engendalian uman maju berikut. Pengendalian Proses 127

128 Gambar 5.9 Diagram blok engendalian uman maju. Dari gambar di atas, maka berlaku, c = (G w + G t G f G v G ) w (5.3) Variabel (c) dan (w) meruakan variabel relatif (dihitung terhada kondisi nominal steadysate). Ini berarti ada kondisi itu c = 0 dan w = 0. Jika terdaat gangguan maka (w) tidak sama dengan nol. Agar (c) teta nol harus berlaku, G w + G t G f G v G = 0 (5.4) Sehingga dieroleh, G f G G G G w = (5.5) t v Persamaan (5.5) meruakan fungsi transfer engendali uman maju yang dierlukan ELEMEN LEAD-LAG Elemen lead-lag adalah iranti yang daat digunakan sebagai engendali uman maju. Elemen ini terdiri atas: elemen statik (static gain), K elemen dinamik yang bersifat memerceat (lead), τ 1 elemen dinamik yang bersifat memerlambat (lag), τ 2 Gambar 5.10 Diagram blok elemen lead-lag. Pengendalian Proses 128

129 Dalam bentuk fungsi transfer, elemen lead-lag berbentuk, τ1s + 1 G f = K τ 2s + 1 dengan, K = static gain τ 1 = Konstanta waktu-1 τ 2 = Konstanta waktu-2 s = variabel Lalace (5.6) PENALAAN PENGENDALI UMPAN MAJU (LEAD-LAG) Penalaan unit lead-lag dimulai dengan enalaan kasar sebagau berikut. Pengaturan gain (K) sesuai model roses sehingga tidak ada offset ada erubahan gangguan. Pengaturan nilai konstanta waktu lead (τ 1 ) sebesar enjumlahan semua konstanta waktu bagian embilang. Pengaturan nilai konstanta waktu lag (τ 2 ) sebesar enjumlahan semua konstanta waktu bagian enyebut. Setelah dieroleh nilai-nilai tersebut di atas, selanjutnya dilakukan enalaan halus (fine tuning) sebagai berikut. Konstanta waktu lead (τ 1 ) diatur agar dihasilkan luas di atas dan di bawah setoint sama besar ada erubahan ste gangguan. Konstanta waktu lag (τ 2 ) diatur agar dihasilkan osilasi sekecil mungkin dengan selisih kedua konstanta waktu (τ 1 - τ 2 ) teta. Contoh-5.3: Penalaan Pengendalian Uman Maju Tanggaan ste ada erubahan gangguan dieroleh hasil sebagaimana gambar 5.7. Gambar 5.11 Penalaan engendali uman maju Pengendalian Proses 129

130 Semakin besar konstanta waktu lead tanggaan semakin ceat, dan sebaliknya. Mula-mula nilai τ 1 = 1 dan τ 2 = 0,5 dan dieroleh tanggaan seerti gambar 5.7 (a). Dengan menaikkan τ 1 menjadi 2, tanggaan semakin ceat meskiun terjadi osilasi. Terlihat bahwa luas daerah di atas dan di bawah setoint sama besar dan (τ 1 - τ 2 ) sama dengan 1,5. Selanjutnya τ 1 dinaikkan menjadi 2,5 untuk memerceat tangaan. Nilai τ 2 dinaiikan juga menjadi 1 agar selisih (τ 1 - τ 2 ) teta 1,5. Hasil terakhir ini sudah cuku. Contoh-5.4: Pengendalian Uman Maju ada Ketel Ua Laju steam yang dikeluarkan oleh ketel ua tergantung ada beban emakaian. Sehingga beban emakaian berlaku sebagai gangguan roduksi steam. Oleh transmiter laju (FT) nilai laju alir steam dikirimkan ke engendali uman maju (FFC) untuk dievaluasi. Selanjutnya engendali uman maju memberikan sinyal kendali untuk mengatur bukaan katu kendali (control valve). Gambar 5.12 Diagram instrumentasi engendalian uman maju ada ketel ua. 5.3 PENGENDALIAN RASIO Pengendalian rasio (ratio control) digunakan untuk mengendalikan erbandingan dua variabel roses atau lebih. Sebagai contoh, erbandingan laju alir dua reaktan yang masuk ke dalam reaktor, erbandingan laju rafluks dan distilat dalam kolom distilasi, encamuran dua cairan, erbandingan bahan bakar/udara, dan lain-lain. Terdaat dua metode engendalian rasio. Metode-1 yaitu dengan membandingkan dua aliran. Hasil erbandingan dikirimkan ke engendali rasio. Nilai rasio, R adalah (lihat gambar 5.9), m R = (5.1) w Gain roses sebesar, dr 1 K = = (5.2) dm w Pengendalian Proses 130

131 Terlihat bahwa hubungan antara gain (K ) dan gangguan (w) tidak linier. Oleha sebab itu model-1 tidak biasa digunakan. Metode-2 dilakukan dengan mengalikan nilai gangguan dengan bilangan atau faktor rasio. Hasilnya dikirimkan ke setoint engendali aliran. Dengan model seerti ini maka engendali rasio meruakan tie khusus dari engendali uman maju (feedfoward control). Gambar 5.13 Metode-1 Pengendalian rasio (RY - faktor rasio) SV2 + - RC FV Periaan F2 F1 FT-1 RY FT-2 Gambar 5.10 Diagram blok engendalian rasio metode-1. Gambar 5.14 Metode-2 Pengendalian rasio (FY - faktor rasio) Pengendalian Proses 131

132 F1 FT-1 FY + - RC FV Periaan F2 FT-2 Gambar 5.12 Diagram blok engendalian rasio metode RESET FEEDBACK Reset feedback adalah uman balik ositif yang diambil sinyal kendali (internal reset) atau sinyal dari luar (external reset). Tujuan reset feedback adalah untuk melakukan komensasi integrasi ketika sinyal kendali hasil erhitungan berbeda dibanding sinyal kendali nyata. Seerti diketahui sinyal kendali nyata memiliki rentang 0-100%. Sementara hasil erhitungan bisa lebih dari 100% atau kurang dari 0%. Gambar 5.15 Diagram blok reset feedback. 5.5 OVERRIDE CONTROL Override control adalah sistem engendalian yang diakai untuk menjaga variabel roses dalam daerah batas oerasi. Jadi tugas override control adalah sebagai sistem engaman. Selain itu terdaat juga sistem engaman lain, yaitu interlock, yang berfungsi menjaga eralatan dari malfungsi. Jika terjadi malfungsi eralatan, sistem intelock akan menghentikan sistem roses. Berbeda dengan interlock, aksi override control tidak bekerja drastis, tetai teta menjaga oerasi roses dalam kondisi aman. Jika roses kembali ke kondisi normal, override control kembali ke status normal. Loo normal akan diabaikan (overridden) oleh loo lain yang berada dalam situasi tak normal. Override control sering dinamakan dengan selective control. Sebutan override control menunjukkan kondisi engendali yang override (lebih enting). Sedangkan selective control menunjukkan tugas emilihan variabel mana yang menjadi masukan ke engendali. Pada rinsinya jenis engendalian ini mendaat masukan dari beberaa variabel roses terilih dan menghasilkan satu sinyal kendali. Variabel roses mana yang menjadi masukan tergantung nilai variabel itu sendiri. Pemilihan variabel roses dilakukan oleh unit selektor. Terdaat dua jenis selektor, yaitu selektor tinggi (high selector) dan selektor rendah (low selector). Pengendalian Proses 132

133 Gambar 5.16 Dua jenis selektor. Selektor tinggi memilih sinyal masukan tertinggi kemudian meneruskannya sebagai sinyal keluaran. Selektor rendah memilih sinyal masukan terendah kemudian meneruskannya sebagai sinyal keluaran. Contoh-5.5: Pengendalian suhu hot sot ada reaktor. Reaktor aliran sumbat (PFR) yang dilengkai dengan endingin, ada temat-temat tertentu seanjang reaktor daat terjadi daerah anas (hot sot). Karena daerah anas daat begerak acak, maka erlu diasang beberaa transmiter suhu yang mendeteksi adanya anas berlebih. Sinyal engukuran selanjutnya dimasukkan ke selektor tinggi. Keluaran selektor digunakan untuk mengendalikan laju alir endingin. Jika salah satu transmiter menunjukkan suhu tinggi, maka engendali memakai sinyal engukuran ini untuk mengendalikan laju endingin, sedangkan transmiter lain dikalahkan (override). Dengan demikian batas suhu oerasi daat terus dijaga dalam batas aman. Gambar 5.17 Pengendalian selektif tinggi. Contoh-5.6: Pengendalian Tekanan Steam Header Tekanan steam header harus dijaga ada nilai di atas tekanan minimumnya. Tekanan steam header lebih enting dibanding suhu air anas. Setoint engendali tekanan (PIC- 102) disetel ada batas minimum tekanan steam header. Jika tekanan turun di bawah setoint maka sinyal keluaran PIC-102 akan mengecil. Ketika sinyal keluaran ini lebih rendah dari ada sinyal keluaran TIC-101 maka selektor rendah (LS) akan berindah Pengendalian Proses 133