Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 6 ANALISA RESPON PENENDALI FEEDFORWARD DAN PID PADA PENENDALIAN EMPERAUR HEA EXCHANER Djulil Amri *, Bhakti Yuho Suprapto Jurusan eknik Elektro Universitas Sriwijaya *E-mail : amz_07@yahoo.o.i Abstrak - Penentuan ungsi transer bagi suatu proses seperti Heat Exhanger aalah merupakan suatu hal yang mutlak iperlukan. Hal ini ikarenakan melalui ungsi transer tersebut inamika suatu proses akan apat terlihat engan jelas. Ketepatan penurunan ungsi transer akan sangat mempengaruhi pemoelan yang akan ibuat an sistem pengenalian yang akan igunakan paa pemrosesan tersebut. Paa sistem Heat Exhanger, pemoelan yang igunakan aalah pemoelan ore satu engan waktu tuna. Seangkan pengenali yang igunakan aalah pengenali PID an pengenali Feeorwar. Pengenali PID aalah pengenali igunakan untuk menjaga stabilitas sistem terhaap perubahan masukan yang terjai an pengenali eeorwar igunakan mengantisipasi gangguan yang masuk, sehingga response keluaran ari proses Heat Exhanger tetap terjaga engan baik. Kata kuni: Feeorwar, Heat Exhanger, PID Abstrat Determination o the transer untion or a proess like Heat Exhangers is a thing that is absolutely neessary. his is beause the transer untion through the ynamis o the proess an be seen learly. he auray o the transer untion eline will greatly aet the moeling an ontrol system will be reate that will be use in the proessing. In Heat Exhanger system, moeling is moeling the use o irst orer with time elay. While the ontroller is use Feeorwar PID ontrollers an ontrollers. PID ontroller is use to maintain the stability ontrol system to hanges that our input an eeorwar ontrollers are use to antiipate the inoming isturbane, so that the output response o the heat exhanger is well maintaine. Keywors. Feeorwar, Heat Exhanger, PID I. PENDAHULUAN Heat Exhanger yang merupakan suatu peralatan proses yang ukup vital, yang banyak igunakan i unia inustri, tiak akan apat menghasilkan response keluaran yang sesuai engan nilai yang itetapkan, terhaap masukan yang terjai, jika tiak ilengkapi engan komponen pengenali. Hal ini isebabkan karena ialam sebuah proses seperti Heat Exhanger tersebut, terapat variabel variabel ari parameter internal sistem yang apat berubah, sehingga menyebabkan response keluaran tereviasi ari nilai yang iinginkan.[] Untuk membuat suatu komponen pengenali yang baik bagi suatu sistem proses seperti Heat Exhanger tersebut, maka pertama kali harus iketahui terlebih ahulu karakteristik proses ari sistem yang bersangkutan. Yang imaksu engan karakteristik proses isini aalah ungsi alih ari sistem. Fungsi Alih berguna untuk melakukan analisa inamik an peranangan sistem pengenali. [] Aa beberapa ara yang apat igunakan untuk menapatkan ungsi alih ari sebuah sistem atau proses, iantaranya :[3] Seara teoritikal, imana ungsi alih iturunkan ari prinsip prinsip asar kimia an isika. Seara empiris, imana ungsi alih iturunkan berasarkan pengujian inamik ari proses sistem yang bersangkutan. Seara semiempiris, imana ungsi traner iturunkan menggunakan kompromi ari ua penekatan tersebut iatas. Setelah iapatkan ungsi alih ari proses yang aa, maka langkah selanjutnya aalah menentukan moel ari proses tersebut. Pemoelan ari proses aalah merupakan langkah berikutnya yang ukup penting, karena berasarkan parameter parameter ari moel yang iperoleh, maka apat itetapkan parameter parameter pengenalian, imana sebelumnya suah itetapkan terlebih ahulu bentuk pengenalian yang akan igunakan seperti pengenali umpan balik PID. Setelah semua langkah langkah penetapan ungsi alih, moel an pengenali ari proses tersebut ilakukan engan baik, maka langkah yang
Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 7 terakhir aalah melakukan simulasi ari sistem seara keseluruhan untuk melihat tanggapan II. PEMODELAN HEA EXCHANER Dinamika proses paa sebuah Heat Exhanger sangat itentukan oleh parameter parameter internal yang imiliki oleh peralatan ari Heat Exhanger yang bersangkutan, isamping aanya gangguan gangguan ari luar yang terjai paa proses. Paa gambar berikut ini, iperlihatkan sebuah konigurasi sistem pengenalian Heat Exhanger. Proess Flow Hot Flow ambar. Sistem pengenalian Heat Exhanger[] SP C Heate Stream Dari gambar tersebut apat ilihat bahwa, sistem Heat Exhanger paa asarnya teriri ari ua masukan yaitu luia panas (luia primer) an luia ingin (luia sekuner) engan keluaran berupa luia ingin yang telah ipanaskan. Untuk mengetahui bentuk respon temperatur keluaran luia ingin yang ipanaskan terhaap perubahan luia panas, maka seara analitik ungsi alih sistem yaitu perbaningan temperatur keluaran luia keluaran engan temperatur luia primer apat iari an menganggap bahwa konisi tunak tiak terjai rambatan konuksi axial, serta variabel variabel lainnya berupa tekanan an aliran luia ibuat konstan. Bentuk persamaan kesetimbangan energi paa pertukaran panas antara luia yang ipanaskan engan ining pipa bagian alam aalah : [] M ( ) F ( ) h A ( ) t x () imana : M aalah massa luia yang ipanaskan per eet engan satuan lb/t. aalah koeisien panas ari luia (Btu/lb O F). keluaran proses terhaap perubahan masukan yang terjai. aalah temperatur luia yang ipanaskan ( O F) F aalah low ari luia yang ipanaskan (lb/se) h aalah koeisien rambat panas pipa bagian alam (Btu/se t O F) A aalah luas perpinahan panas paa ining pipa bagian alam per eet (t /t) Jika luia yang ipanaskan aalah air ( = ) maka F = v V = v M, engan v aalah keepatan aliran luia i alam pipa (t/se), sehingga persamaan () tersebut iatas menjai : M ( ) vm ( ) h A ( ) () t x imana M aalah konstanta waktu h A rambatan panas antara luia engan ining pipa, sehingga persamaan () menjai : ( ) v ( ) t x ( ) v ( ) t x (3) Kemuian tinjauan persamaan kesetimbangan energi antara ining pipa konuksi engan meia pemanasnya aalah: [] M ) h A ( ) h A ( ) (4) ( s x imana : s aalah temperatur masukan air panas ( O F) aalah temperatur ining pipa konuksi ( O F) M aalah kapasitas panas ining pipa (BU / O F.t) h aalah koeesien rambat panas paa pipa bagian luar (BU/se t O F) A aalah luas perpinahan panas paa pipa bagian luar setiap eet (t /t) Karena konstanta waktu rambat panas antara ining pipa engan meia panasnya aalah : M h A (5) an konstanta waktu rambatan panas total antara luia sekuner engan luia primer aalah : M h A (6) maka persamaan (6) apat iubah menjai: ( t ) s ( ) (7)
Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 8 Selanjutnya paa persamaan (3) apat isubsitusikan kealam persamaan (7) akan menghasilkan : ( ) v s (8) t t x Paa kenyataannya, temperatur ining pipa konuksi ( ) merupakan variable proses yang sulit iukur, karena itu /t paa persamaan (8) harus ieliminir, yaitu engan mengubah persamaan (3) kealam persamaan ierensial ungsi waktu. t t ( ) v ( ) t t x ( ) v ( ) t xt t (9) (0) Kemuian engan memasukkan persamaan (0) kealam persamaan (8) maka iperoleh : t v ( ) v t tx t t x ( s ) () Dengan menganggap ator aktor lain sebagai ator tetap, maka ianggap t = t, sehingga variabel keepatan luia ialam pipa (v) paa persamaan () apat ieliminir an bentuk persamannya menjai : s t ( ) () t Kemuian engan menggunakan transormasi Laplae maka persamaan (3) apat iubah menjai : S ( ) S s ( (3 ( s ( ( ) S S (4) Persamaan (4) iatas aalah merupakan ungsi alih antara keluaran an masukan ari unit Heat Exhanger yang mempunyai ore engan konstanta waktu proses an, imana besarnya =. ungsi alih antara temperatur keluaran an temperatur masukan Heat Exhanger yang terapat paa persamaan (4) yang juga merupakan ungsi alih ore ua apat juga iwakilkan engan ungsi alih ore satu. Untuk proses yang lambat seperti Heat Exhanger, maka pemoelannya apat iwakili engan pemoelan ore satu engan waktu tuna (irst orer plus ea time).[3],[4],[7] A. Diagram Blok Untuk sistem yang lambat seperti Heat Exhanger, maka untuk menapai konisi stabil memerlukan waktu tertentu, yang biasanya isebut konstanta waktu proses eekti (the eetive proess time onstant), yang biasanya relati ukup besar[],[]. Untuk mengatasi kenala kenala asar tersebut maka iperlukannya suatu proses pengenalian. ambar ibawah ini aalah penggambaran ari blok iagram seerhana pengenalian Heat Exhanger. Dari blok iagram tersebut terlihat bahwa sistem Heat Exhanger iwakili oleh ua blok proses yaitu yang mewakili proses pertukaran panas antara luia primer an luia sekuner, seangkan aalah mewakili proses gangguan seperti perubahan ari ebit luia sekuner. Seangkan blok proses lainnya aalah yang mewakili ungsi valve an ( yang mewakili ungsi pengenali umpan balik. Heat Exhanger L ( sp - E ( C( O( ambar. Diagram blok seerhana pengenalian Heat Exhanger[]
Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 9 Berasarkan gambar tersebut, maka apat ituliskan persamaan asarnya : L (5) s ( ) ( s Untuk = 0, yang berarti tiak aa gangguan yang masuk, maka persamaan (5) tersebut iatas menjai : s ( ( (6) Persamaan (6) aalah menggambarkan perbaningan antara temperatur keluaran an temperatur masukan, yang merupakan bentuk persamaan umpan balik. Paa persamaan tersebut terlihat bahwa yang memegang peranan penting aalah ungsi (sp) yang merupakan ungsi ari pengenali umpan balik. Fungsi (sp) isini akan ilakukan oleh pengenali PID. B. Pengenali PID Pengenali jenis PID mempunyai kehanalan yang ukup baik, sehingga pengenali jenis ini masih banyak igunakan i unia inustri. Bentuk keluaran PID apat inyatakan sebagai berikut [],[3],[5] : K e ( t) ( t) K e( t) e( t) t K (7) D I t imana : K aalah ontroller gain I aalah integral (reset) time D aalah erivative (rate) time e (t) = st) t) aalah selisih antara set point engan nilai keluaran. Dengan menggunakan transormasi Lapalae, maka persamaan (7) apat iubah menjai : K s D I s C( (8) Ketiga variabel pengenali yang aa paa pengenali PID tersebut aalah K, I an D. Sebelum melakukan penalaan terhaap ketiga parameter pengenalian tersebut, maka harus iapatkan terlebih ahulu moel ari proses yang akan ikenalikan. Untuk menapatkan moel ari proses tersebut, maka akan ilakukan terlebih ahulu proess step testing, yang biasa ikenal engan nama proess reation urve.[] Seperti yang iketengahkan oleh Paul W Murril an Ceil L Smith, bahwa penalaan Quarter Deay Ratio yang telah iperkenalkan oleh Zeigler Nihols paa pengenali PID belumlah menunjukkan kriteria unjuk kerja tanggapan keluaran yang terbaik. [6] Aapun beberapa kriteria ukuran yang apat igunakan alam pemilihan metoa penalaan parameter pengenali iantaranya :[7] Maksimum error yang terjai haruslah sekeil mungkin. Settling / rise time yang seepat mungkin. Meminimalkan integral error yang terjai sampai keluaran proses menapai nilai yang telah itetapkan. Metoa error integral yang akan igunakan aalah Integral o the ime weighte Absolute Error (IAE), imana : 0 IAE t e( t) t (9) C. Pengenali Feeorwar Dan jika ilihat kembali persamaan (6), imana s = 0, maka kita akan menapatkan persamaan : L ( ( (0) yang merupakan perbaningan antara ungsi keluaran an ungsi gangguan. Dari persamaan tersebut, terlihat bahwa masukan gangguan ari L ( akan apat langsung mempengaruhi sistem Heat Exhanger melalui ungsi, tanpa apat iantisipasi engan baik oleh pengenali PID alam hal ini aalah ungsi ari (, sebelum pengaruh ari gangguan tersebut mempengaruhi keluaran sistem. Untuk itu, ipergunakanlah pengenali tambahan yang berupa pengenali Fee orwar untuk mengkoreksi terjainya gangguan tersebut sehingga tiak mengganggu sistem Heat Exhanger seara keseluruhan. Sistem pengenali Feeorwar yang akan igunakan paa pengenalian sistem Heat Exhanger tersebut apat ilihat paa gambar 3. berikut ini.
Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 0 L ( ( FF( s - E ( ( Heat Exhanger ambar 3. Sistem pengenalian Feebak an Feeorwar.[] Dari gambar 3. tersebut iatas, maka persamaan (5) apat itulis kembali : L ( ( ( s FF ( () Pengenali PID reerensi an PID IAE imana ( aalah merupakan ungsi peralatan pengukur gangguan (sensor measuring isturbane) an FF( aalah merupakan pengenali Feeorwar. Dari persamaan (0) tersebut iatas, imana s = 0, maka kita akan menapatkan persamaan : L ( FF ( ( ( () ambar 4 Respon Keluaran engan PID Reerensi Paa pengenali PID ini apat ilihat paa gambar 4 bahwa respon telah berosilasi sebelum menapai nilai set point. Settling time menapai 60 se. yang merupakan perbaningan antara ungsi keluaran an ungsi gangguan. Dan penggenali yang igunakan untuk mengeliminir eek ari gangguan, aalah : 0 (3) FF ( ( FF ( ( (4) Dengan aanya FF( (pengenali Feeorwar), maka iharapkan gangguan yang masuk apat ieliminir seminimal mungkin, sehingga tiak menggangu keluaran proses. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah iapatkan moel paa Heat Exhanger ini, ilakukan simulasi yang membaningkan antara PID engan IAE an pengenali gabungan (PID an Feeorwar) kemuian iapatkan hasil yaitu : ambar 5 Respon Keluaran engan PID IAE Paa pengenali PID yang menggunakan metoe IAE paa gambar 5 apat ilihat bahwa respon keluaran tiak berosilasi saat menekati nilai set point kemuian nilai settling time menapai 80 se, sehingga jika ibaningkan keuanya maka apat ikatakan bahwa pengenali PID engan metoe IAE memberikan respon keluaran lebih baik. Pengujian Pengenali PID IAE terhaap gangguan perubahan set point an emperatur input
Mikrotiga, Vol, No. Januari 04 ISSN : 355 0457 Paa gambar 9. terlihat bahwa masih terjai overshoot namun keil hanya 5% an setting time yang terjai yaitu 58 se IV. KESIMPULAN ambar 6 Respon Keluaran engan PID IAE Paa gambar terlihat bahwa masih terjai overshoot an settling time yang terjai yaitu 80 se Pengujian Pengenali abungan terhaap gangguan perubahan set point an emperatur input ( i ) ambar 7 Respon Keluaran engan PID abungan Paa gambar terlihat bahwa masih terjai overshoot namun keil an settling time yang terjai yaitu 65 se Pengujian Pengenali PID IAE terhaap gangguan perubahan set point, emperatur input an Laju aliran air ingin ambar 8. Respon Keluaran engan PID IAE Paa gambar 8. terlihat bahwa tiak terjai overshoot lagi an settling time yang terjai yaitu 6 se Pengujian Pengenali abungan terhaap gangguan perubahan set point, emperatur input an Laju aliran air ingin. Fungsi alih antara ungsi keluaran an ungsi masukan ari Heat Exhanger ari hasil pemoelan yang iapat, aalah merupakan ungsi alih ore ua.. Proses pertukaran panas yang terjai paa Heat Exhanger aalah proses yang enerung lambat, maka pemoelan ari Heat Exhanger apat iwakili engan ungsi transer ore satu engan waktu tuna. 3. Untuk mengkoreksi terjainya gangguan yang masuk agar tiak mengganggu keluaran proses sistem Heat Exhanger seara keseluruhan, maka apat igunakan pengenali abungan (PID an Feeorwar). 4. Respon yang paling baik alam mengatasi gangguan yaitu pengenali gabungan imana menapai stabil saat 58 se an osilasi hanya 5% DAFAR PUSAKA []. Carlos A. Smith an Armano B. Corripio, Priniples an Pratie o Automati Proess Control, n eition, John Wiley & Sons In., 985. []. unterus, Frans., Sistem Pengenalian Proses, Elex Meia Computino, 997. [3]. Luyben, William L., Proess Moelling, Simulation an Control or Chemial Engineers, M.raw-Hill In., 990. [4]. Marlin, homas E., Proess Control, Designing Proess an Control System or Dynami Perormane, n eition, M.raw-Hill International. [5]. Shinskey, F.., Proess Control System. Appliation, Design an uning, Mraw-Hill International Eition, 988. [6]. Seborg,Dale E., Egar, homas F., Mellihamo, Dunan A, Proess Dynamis an Control, John Wiley & Sons, 989. [7]. Stephanopoulos, eorge, Chemial Proess Control : an Introution to heory an Pratie, Prentie-Hall International Eitions, 984 ambar 9 Respon Keluaran engan PID abungan