BAB VIII SISTEM KENDALI VIII.1 Struktur Sistem Kendali Sistem kendali proses dapat didefinisikan sebagai fungsi dan operasi yang perlu untuk mengubah bahan baik secara fisik maupun kimia. Kendali proses biasanya menunjuk pada pembuatan atau pemrosesan produk pada industri. Gambar 8.1. menunjukkan komponen pokok dan sistem kendali proses. Gambar 8.1. Komponen Sistem Pengendali Proses Keterangan : Sensor : Menyediakan input dan proses dan dan lingkungan ekstemal. Mengubah informasi fisik misalnya suhu, tekanan, laju aliran dan posisi untuk sinyal listrik. Terkait dengan variabel fisik pada cara yang diketahui sehingga sinyal listriknya dapat digunakan untuk memonitor dan mengendalikan proses. Universitas Gadjah Mada 1
Interface operator mesin : Memungkinkan input dan keypads manusia unituk mengadakan kondisi starting atau mengubah kendali dan proses. Memungkinkan manusia memberikan input melalui berbagai jenis sakiar pengontrol dan. Mengoperasikan dengan menggunakan input yang diberikan. Informasi yang dapat mencakup emergency (keadaan darurat) menutup atau mengubah kecepatan, jenis proses yang digerakkan, jumlah batang yang dibuat, atau reset untuk pencampur tumpukan. Pengkondisian sinyal: Melibatkan pengubahan sinyal input dan output pada bentuk yang dapat digunakan. Mencakup teknik yang mengkondisikan sinyal, misalnya amplifikasi (penguatan), pelemahan, penyaningan, konverter A/D dan konveter DIA. Aktuator (penggerak): Mengubah sistem sinyal output listrik menjadi aksi fisik. Mempunyai penggerak proses yang melibatkan keran kendali aliran, pompa, penggerak posisi, penggerak kecepatan variabel, kopling, rem, solenoid, motor stepping dan relai daya. Melalui penggerak eksternal misalnya meter, monitor tabung sinar katoda, printer, tanda bahaya, dan lampu petunjuk, menunjukkan status proses atau nilai dan variabel proses tertentu (interface mesin operator). Dapat mengirimkan output secara langsung dan pengontrol ke komputer untuk penyimpanan data dan menganalisis hasil (interface mesin-mesin Pengendali: Membuat keputusan sistem didasarkan pada sinyal input. Membangkitkan sinyal output yang mengoperasikan penggerak untuk melakukan keputusan. Gambar 8.2. Sistem Kendali Loop Membuka Universitas Gadjah Mada 2
Sistem kendali dapat diklasifikasikan sebagai loop membuka atau loop tertutup. Gambar 8.2. melukiskan sistem kendali loop membuka. Proses tersebut dikendalikan dengan pemberian input pada pengontrol titik penyetelan yang dikehendaki yang dipercaya perlu mencapai titik pengoperasian ideal untuk proses dan menerima apapun hasil output. Karena satu-satunya input pada pengendali adalah titik yang distel, kelihatan bahwa sistem loop membuka mengendalikan dengan cara buta. Yaitu pengendali tidak menerima informasi berkaitan status sekarang dan proses atau keperluan untuk setiap aksi pembetulan. Sistem ini lebih murah dan tidak begitu kompleks dibandingkan dengan sistem loop tertutup. Akibat penggunaan yang tidak dapat dihindari adalah kendali proses yang jelek. Sistem kendali loop tertutup adalah sistem pada output dan proses yang mempengaruhi input. Sistem tersebut mengukur output yang sesungguhnya dan proses dan membandingkannnya dengan output yang dikehendaki. Pengaturan dibuat secara tents menerus oleh sistem kendali sampai perbedaan antara output yang dikehendaki dan yang sesungguhnya sekecil dan sepraktis mungkin. Gambar 8.3 melukiskan sistem kendali loop tertutup. Output yang sesungguhnya dirasakan dan umpan balik dikurangi dan input titik pentyetelan yang menunjukkan output apa yang dikehendaki. Apabila perbedaan terjadi, sinyal pada pengendali menyebabkannyabekerja mengubah output yang sesungguhnya sampai perbedaan adalah nol. Gambar 8.3 Sistem Kendali Loop Tertutup Sistem tampak pada Gambar E.3 mempunyai komponen sebagai berikut : Titik penyetelan: Adalah input yang menetukan titik pengoperasian yang dikehendaki selama proses tersebut. Biasanya dilengkapi dengan operator manusia meskipun disuplai juga oleh rangkaian elektronis yang lain. Universitas Gadjah Mada 3
Variabel proses: Adalah sinyal yang berisi informasi tetang status proses arus. Menunjuk pada sinyal umpan balik. Secara ideal cocok dengan titik penyetelan Error penguat: Menentukan apakah operasi proses cocok dengan titik penyetelan. Sangat sering rangkaia penguat diferensial menyediakan output yang disebut error atau sistem deviasi sinyal. Magnitude dan polaritas dan sinyal error akan menentukan bagaimana proses akan dibawa kembali di bawah kendali. Pengendali: Menghasilkan sinyal output korektif yang cocok didasarkan input sinyal error. Penggerak output: Adalah komponen yang langsung mempengaruhi perubahan proses. Mempunyai motor, pemanas, kipas dan solenoid yang semuanya adalah contoh penggerak output. VIII. 2. Pengendali Respon Empat jenis pengenedali respon yang paling populer yang digunakan adalah: ON/OFF Proposional (P) Integral (I) Turunan (derivatif= D) Nama aksi tersebut menyebutkan respon dan elemen kendali akhir. Pada kendali ON/OFF (juga disebut kendali dua posisi dan kendali bang-bang), elemen kendali terakir adalah ON atau OFF satu untuk kejadian ketika nilai dan vaniabel yang diukur di atas titik penyetelan, yang lain untuk kejadian ketika nilai di. bawah titik penyetelan. Pengendali tidak akan pemah mempertahankan elemen kendali akhir pada posisi intermediate. Jenis kendali ini tidak mahal, tetapi tidak cukup cermat pada sebagian proses dan aplikasi kendali mesin. Kendali ON/OFF hampir selalu berarti sikius sistem yang overshoot (melampaui) dan resultante. Pitamati (deadband) biasanya diperlukan di sekitar titik penyetelan untuk mencegah relai menggigil pada titik penyetelan. Kendali ON/OFF tidak mengatur konstanta waktu pada sistem tertentu. Kendali proposional dirancang untuk membatasi hunting atau cycling berkaitan dengan kendali ON/OFF. Ini memungkinkan elemen kendali akhir untuk mengambil posisi intermediate antara ON dan OFF. Ini memungkinkan kendali analogi dan elemen kendali Universitas Gadjah Mada 4
akhir untuk mengubah jumlah energi pada proses, tergantung pada berapa banyak mulai variabel terukur telah bergeser dan nilai yang dikehendaki. Aksi yang sebanding juga dapat dicapai dengan pemutaran elemen kendali akhir ON dan OFF untuk interval yang singkat. Waktu proportioning ini (juga disebut modulasi lebar pulsa proposional) mengubah perbandingan waktu ON ke OFF. Dalam teori, pengendali proposional seharusnya adalah semua yang dibutuhkan untuk kendali-proses. Setiap perubahan pada output sistem dikoreksi dengan perubahan yang tepat pada output pengendali. Sayangnya, operasi pengendali proporsional mengakibatkan deviasi proses yang disebut offset (ganti rugi) atau droop (terkulai). Kesalahan status-mantap ini adalah perbedaan yang dicapai oleh pengendali dan nilai yang diperlukan. Karena itu operator perlu melakukan pengaturan kecil (reset manual) untuk membuat suhu pada titik penyetelan pada permulaan starting atau kapan saja kondisi proses berubah dengan signifikan. Kendali proposional biasanya. digunakan sehubungan dengan kendali derivatif, kontrol integral, atau kombinasi dan keduanya. Proses dengan ketinggalan lama dan laju kenaikan maksimum yang besar (misalnya, pemindahan panas) memerlukan pita proposional yang lebar untuk membatasi osilasi. Pita yang lebar itu mengakibatkan offset (ganti rugi) yang besar dengan adanya perubahan pada beban. Untuk membatasi offset tersebut, digunakan reset otomatis (integral). Aksi derivatif (laju) dapat digunakan pada proses yang tunda waktunya lama untuk mempercepat pengembalian setelah gangguan proses. Aksi integral, kadang-kadang diberi istilah aksi reset, merespon pada ukuran dan lamanya waktu dan sinyal error; oleh karena itu, sinyal output dan pengendali integral adalah integral matematik dari error. Sinyal error muncul. ketika ada perbedaan antara vaniabel proses dan titik penyetelan, sehingga aksi integral akan menyebabkan output berubah dan terus berubah sampai error tidak muncul lagi. Aksi integral membatasi kesalahan status mantap. Besamya aksi integral diukur dalam menit per pengulangan atau ulangan permenit yang merupakan hubungan antana perubahan dan waktu. Pengendali mode derivatif merespon kecepatan pada sinyal error yang berubah yaitu semakin besar perubahan error semakin besar output yang membetulkan. Aksi derivatif diukur dalam istilah waktu. Kendali proposional integral (P1) mengombinasikan karakteristik kedua jenis kendali. Perubahan step pada pengukuran menyebabkan pengendali merespon pada cara yang proposional yang diikuti oleh respon integral, ditambah dengan respon proporsi. Karena mode integral menentukan perubahan output sebagai fungsi waktu, maka semakin banyak aksi integral pada kendali, semakin cepat perubahan output. Mode kendali P1 digunakan Universitas Gadjah Mada 5
dalam situasi dimana perubahan tidak sering terjadi dalam beban proses, tetapi ketika terjadi, perubahannya kecil. Aksi laju bertindak pada error hanya seperti reset melakukan, tetapi aksi laju lebih merupakan fungsi dan laju perubahan dibandingkan dengan magnitude dan error. Aksi laju diberlakukan sebagai perubahan pada output untuk interval waktu yang dapat dipilih, biasanya dinyatakan dalam menit. Perubahan laju yang diinduksikan pada output pengendali dihitung dan derivatif perubahan pada input. Perubahan input dibandingkan dengan perubahan error kendali proposional yang digunakan untuk memperbaiki respon. Aksi laju menempatkan output dengan cepat di mana aksi proposional sendiri akan lambat laun menempati output. Akibatnya aksi laju menempatkan rem pada setiap offset atau error dengan pergeseran pita proporsi secara cepat. Kendali proporsional derivatif (PD) digunakan pada sistem kendali proses yang mempunyai error yang berubah sangat cepat. Dengan penambahan kendali derivatif dengan kendali proposional, kita menclapatkan output pengendali yang merespon perubahan laju pengukuran, juga pada ukurannya. Pengendali proposional integral derivatif (PID) menghasilkan output yang tergantung pada magnitude, lamanya dan laju perubahan dan sistem sinyal error. Gamban 8.4 Loop kendali PID Gangguan sistem mendadaak terjadi karena adanya usaha yang agresif untuk memperbaki kondisi. Pengontrol PID dapat mengurangi error sistem sampai nol, lebih cepat dibandingkan dengan pengendali yang lain. Karena mempunyai integrator dan differentiator, pengontrol ini harus dibiasakan tuned pada tiap proses yang sedang dikendali. Pengontrol PID adalah yang paling canggih dan jenis pengendali proses yang paling banyak digunakan. Operasi jangka panjang dan setiap sistem, besar atau kecil, memerlukan adanya keseimbangan massa energi antara input dan output. Jika proses dioperasikan pada keseimbangan setiap waktu, kendali menjadi Iebih sederhana. Karena perubahan terjadi, maka parameter penting dalam kendala proses adalah waktu yaitu berapa lama waktu yang Universitas Gadjah Mada 6
diperlukan untuk perubahan pada tiap input untuk muncul pada output. Konstanta waktu sistem dapat bervariasi dan pecahan detik sampai beberapa jam. Pengontrol PID mempunyai kemampuan mencocokkan aksi kendalinya pada konstanta waktu proses tertentu, dan karena itu untuk menghadapi perubahan proses setiap waktu. PID mengubah besarnya sinyal output pada cara yang ditentukan secara matematik yang mempertimbangkan besarnya error dan laju perubahan sinyal. Persamaan PID yang umum untuk memperoleh kendali PID adalah: Pada dasarnya, penyesuaian pengendali PH) terdiri dari penentuan nilai yang tepat untuk gain (pita proposional), laju (derivatif), dan parameter yang menyesuaikan waktu reset (integral) atau konstanta kendali yang akan memberikan kendali yang diperlukan. Tegantung pada karakteristik deviasi dan vaniabel proses titik penyetelan, parameter yang menyesuaikan berinteraksi untuk mengubah output kendali dan menghasilkan perubahan pada nilai vaniabel proses. Umumnya digunakan tiga metode pengendali tuning : Manual: Operator mengestimasi parameter tuning yang diperlukan untuk memberikan respon pengendali yang dikehendaki. Istilah proposional, integral, dan derivatif harus diatur sendiri-sendiri atau disistem ke sistem tertentu, dengan mengunakan metode coba-coba. Semi otomatis atau penyesuaian sendiri : Pengontrol memelihara perhitungan dan penyetelan parameter PID Mengukur sensor Menghitung error, jumlah error, laku perubahan error Universitas Gadjah Mada 7
Menghitung daya yang dikehendaki dengan persamaan PID Memperbaharui output kendali Otomatis penuh atau cerdas Metode pada industri juga disebut kendali fuzzy logic Menggunakan kecerdasan tiruan untuk mengatur kembali parameter penyesuaian- PID secara tents menerus kalau perlu. Metode mi mengevaluasi aturan-aturan didasarkan input yang dapat mempunyai nilai intermediate antara betul dan salah. Digunakan fuzzy logic untuk mengubah variabel, misalnya vaniabel fuzzy. Variabel fuzzy kemudian digunakan untuk mengevaluasi aturan fuzzy. Hasil output fuzzy kembali menjadi unit tradisional, misalnya posisi keran, pada suatu pross disebut sebagai defuzzication. Kendali fuzzy logic mampu menyediakan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan strategi kendali PID tradisional dalam hal kesalahan absolut terintegrasi dan unggul untuk perubahan titik penyetelan dan gangguan beban luar. Universitas Gadjah Mada 8