BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA HASIL SIMULASI
Pada bab ini akan dijelaskan hasil analisa perancangan kontrol level deaerator yang telah dimodelkan dalam LabVIEW sebagaimana telah dibahas pada bab III. Dengan korelasi aspek keseluruhan dimulai dari Bab I hingga Bab III, maka dapat ditarik analisa yang telah didapatkan dari grafik hasil simulasi. Sehingga pada akhirnya akan menjawab tujuan dari penelitian tugas akhir yang telah ditetapkan. 4.1. Uji Open Loop Uji open loop dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik sistem secara keseluruhan dengan pengendali diposisikan pada mode manual. Pada pengujian kali ini semua komponen sistem digabungkan menjadi satu,yaitu mulai dari Level Transmitter, Control Valve, proses (Deaerator) dan pengendali. Nilai sinyal step yang diberikan disesuaikan dengan setpoint yang telah ditentukan yaitu sebesar 3,2 m. Diharapkan nilai level maksimum yang tercapai pada kondisi steady state
64
65
adalah sebesar 3,2 m. Blok pengujian pada LabVIEW ditunjukkan pada gambar dibawah:
Gambar 4.1. Blok Pengujian Open Loop
Gambar 4.2. Respon Sistem Open Loop
Dari hasil pengujian sinyal step, diberikan sinyal input sebesar 3,2 m dan level deaerator diharapkan mencapai nilai maksimum 3,2 m, tetapi level deaerator melebihi setpoint yang ditentukan. Berdasarkan hal ini diketahui bahwa tanpa
66
adanya pengendali atau jika pengendali diposisikan pada mode manual tanpa pengawasan manusia maka, akan terjadi overflow pada level tangki deaerator.
4.2 Tuning Parameter Controller Untuk mendapatkan kinerja sistem control yang memiliki performansi yang handal dan kualitas pengendalian yang optimal, maka parameter dalam controller juga harus memiliki nilai yang optimal. Hal pertama yang diperlukan untuk menentukan nilai optimal adalah mendapatkan variabel nilai penguatan dengan mengetahui kestabilan sistem. Kestabilan sistem dapat dicari dengan menentukan persamaan karakteristik dan pole-pole pada fungsi transfernya.
Gambar 4.3. Diagram Blok Sistem Closed Loop
Berdasarkan nilai tranfer function yang telah diketahui sebelumnya maka dibuat blok diagram simulasi level tangki deaerator tersebut, yang dibuat di LabVIEW 2011, sebagaimana gambar di bawah ini:
67
Gambar 4.4. Proses Simulasi Level Tangki Deaerator (Block Diagram)
Gambar 4.5. Proses Simulasi Level Tangki Deaerator (Front Panel)
Pada Tugas Akhir ini prosedur tuning dilakukan dengan menggunakan metode closed loop oscillation. Adapun langkah-langkah dalam metode Osilasi adalah; 1. Mula-mula meletakkan PB = 100%, artinya nilai Kp = Kc atau 100, nilai Ti = 1000 dan Td = 0. 2. Set point diberi nilai 75% atau sama dengan 3.2 meter. Bukaan LCV diatur sama dengan set point dan offset sama dengan nol.
68
3. Memberikan load pada sistem sebesar 0.18 meter. 4. Uji closed loop oscillation segera dilakukan dan hasilnya dianalisa apakah response yang terjadi underdamped, sustain oscillation atau undamped. 5. Dengan mengulangi langkah 1, 2, 3 dan 4, serta mengatur nilai PB menadi lebih kecil dan atau lebih besar. Pada saat menggunakan metode ini, hal yang paling utama adalah mencari nilai ultimate gain (Ku). Nilai Ku dicari sedemikian rupa dengan mensetting controller hanya mempunyai parameter P saja sehingga dengan nilai tersebut sistem control menghasilkan respon yang berosilasi secara kontinyu dan berkelanjutan karena dengan semakin besar Ku, maka respon sistem akan mencapai kondisi osilasi. Trial eror merupakan salah satu cara untuk mencari nilai parameter PID yaitu dengan mencoba berulang kali merubah nilai-nilai parameter agar menemukan nilai yang terbaik. Cara ini biasanya digunakan sebagai alternatif terakhir apabila cara yang lain tidak dapat memenuhi target yang diinginkan. Nilai yang didapatkan dari metode Ziegler Nichols untuk Kc =30 dan nilai Tc = 10s. Berikut hasil dari kedua metode tersebut : Hasil Tuning PI Zieger Nichlos dan Tyerus Luben Tabel 4.1. Hasil Tuning PID Zieger Nichlos da Tyreus Luyben Closed Loop Oscilation
Ziegler-Nichols
Tyreus-Luyben
P Controller
PI Controller
PI Controller
Kc = 30
Kp= 13,5
Kp = 9,375
Tc = 10
Ti = 8,333
Ti = 22
69
Hasil tuning berdasarkan perhitungan Zieger Nichlos dan Tyerus Luyben memiliki hasil yang berbeda dengan hasil tuning pada keadaan sebenarnya yang dibuat pada DCS Centum 3000. Hasil tuning pada DCS adalah sebagai berikut:
Gambar 4.6. Hasil Tuning PID pada DCS Centum3000
Berdasarkan gambar di atas dapat dilihat bahwa keadaan sebenarnya memiliki nilai Kp dan Ti yang jauh berbeda dengan hasil perhitungan yang ada, hal ini disebabkan penentuan nilai tuning pada keadaan sebenarnya dilakukan dengan metode trial and error. Namun sebagaimana diketahui memang tidak mudah untuk mendapatkan hasil tuning yang baik sesuai dengan perhitungan yang ada. Sehingga,dengan
nilai Kp =25
dan Ti= 100, maka tuning PID ini
memberikan respon pengontrolan yang tepat pada plant sebenarnya. Dalam Tugas Akhir kali ini penulis akan melakukan perbandingan terhadap dua metode yaitu
70
Tyerus Luyben dan Zieger Nichlos, sehingga hasilnya tampak seperti grafik di bawah ini:
Gambar 4.7. Grafik osilasi Controller PI Ziegler-Nichols
Gambar 4.8. Grafik osilasi Controller PI Tyerus Luyben
Dari hasil simulasi yang telah dilakukan untuk kedua parameter controller yang diperoleh dengan dua metode tuning yang berbeda, berdasarkan kriteria
71
performansi yang didapatkan (maximum overshot (Mp), settling time (ts) dan error steady state (Ess), maka parameter yang diperoleh dengan tuning menggunakan metode Tyreus–Luyben adalah yang lebih unggul dibandingkan dengan parameter yang diperoleh dengan tuning menggunakan metode Ziegler– Nichols. Kelemahan yang timbul pada penggunaan metode Tyreus–Luyben akan dicoba diatasi dengan melakukan tuning secara empiris. Tuning dengan metode empiris ini dilakukan karena sangat sulit sekali mendapatkan parameter PID dengan metode teoritis. Langkah-langksh tuning PID dengan metode empiris adalah sebagai berikut: 1. Mula-mula ditentukan nilai Ku namun Ti= 0 dan Td=0 sehingga akan didapatkan sistem akan berisolasi secara konstan. 2. SV diatur 3,2 m sesuai dengan keadaan sistem. 3. Kemudian secara perlahan-lahan atur nilai Ti , sehingga disapatkan respon pengontrolan yang baik.
Gambar 4.9. Tanggapan Keluaran Sistem Pengendalian PI metode empiris
72
Setelah lama dilakukan tuning dengan empirismaka akhirnya didapatkan parameter PID terbaik dengan Kc = 15,5 dan Ti = 9,3 dan hasil dari tuning tersebut tampak sebagai berikut:
Gambar 4.10. Grafik osilasi Controller metode empiris
Dari kedua nilai parameter yang didapatkan dengan dua metode Zieger Nichols dan Tyerus Luyben kemudian akan diuji coba untuk menentukan mana yang terbaik diantara keduanya yang nantinya akan dipakai seterusnya sebagai parameter controller dalam sistem pengendalian level pada Deaerator Tank.
4.3. Uji Respon Sistem Pengendalian Penyajian hasil simulasi ditampilkan dalam bentuk grafik respon keluaran sistem, sinyal keluaran kontroller dan prosentase error. Sistem yang telah dirancang diuji dengan lima pengujian, yaitu uji respon masukan step dan uji tracking setpoint
73
• Uji Respon Masukan Step Pada uji ini kondisi sistem ideal tanpa adanya gangguan diberikan masukan step (tangga satuan) dengan setpoint yang sesuai dengan kondisi operasi normal sistem yang diinginkan. • Uji Tracking Setpoint Uji ini digunakan untuk mengetahui sejauh mana kemampuan pengendali dalam mengatasi kondisi pada saat diberikan gangguan internal berupa perubahan setpoint.
4.3.1. Uji Respon Sistem Pengendalian dengan Parameter hasil tuning metode Ziegler – Nichols 4.3.1.1.
Uji Respon Step
Setelah nilai parameter controller PI dengan metode Ziegler–Nichols didapatkan maka akan disimulasikan untuk melihat bagaimana respon sistem control dengan parameter tersebut. Adapun respon sistem control ketika dihadapkan pada nilai set point 3,2 m (Normal Liquid Level) adalah seperti gambar 4.11.
74
Gambar 4.11. Respon sistem control dengan Parameter PI Ziegler – Nichols untuk set point 3,2 m
Respon sistem control pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.6. memiliki nilai maximum overshoot (Mp = 12,5%). Sistem sudah memasuki keadaan steady pada detik ke-110 (time settling) dengan Error Steady State (Ess) ±2% akan tetapi sistem benar-benar steady dengan Ess = 0.05% pada detik ke170. Tabel 4.2. Kriteria kualitatif tracking set-point dengan Parameter PI Ziegler – Nichols Set Point
Mp (%)
Ess (%)
Ts (detik)
2,8 m
12,5 %
1,9%
110 s
3m
13,3 %
2%
110 s
3,2 m
14,2 %
3%
110
75
4.3.1.2.
Uji Tracking Set point Untuk menguji dinamika kendali level saat set point berubah-ubah sesuai
desain awal yakni dari 2 meter ke 3.2 meter kemudian juga sebaliknya dari 3,2 meter ke 3 meter maka sistem seharusnya mengikuti secara dinamis. Adapun gafik yang didapat dari uji tracking set point dapat dilihat pada gambar 4.11. berikut ini
Gambar 4.12. Respon sistem control dengan Parameter PID yang diperoleh secara tracking set point 2 m ~ 3,2 m
Respon sistem pengendalian pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.11dengan set point awal 2 m memiliki nilai awal maximum overshoot (Mp = 9,375 %) dan level sudah steady saat detik ke-60. Saat set point dinaikkan pada 3,2 m ,justru sistem mempunyai Mp= ± 18,75%. Jika diperhatikan pada set point berikutnya, sistem cenderung bekerja dengan maximum overshoot dari sistem cenderung semakin naik dengan bekerja pada kisaran 15% ~ 25%. Namun keadaan steady state dicapai dalam kurun waktu yang sama 50s hingga 60 s.
76
4.3.2. Uji Respon Sistem Pengendalian dengan Parameter hasil tuning metode Tyreus – Luyben 4.3.2.1.
Uji Respon Step Setelah diketahui performansi sistem dengan menggunakan paremater PI
yang di tuning menggunakan metode Ziegler–Nichols, maka akan diuji performansi sistem dengan menggunakan paremater PI yang di-tuning menggunakan metode Tyreus–Luyben. Adapun respon sistem control ketika dihadapkan pada nilai set point 3,2 m (Normal Liquid Level) adalah seperti gambar 4.7
Gambar 4.13. Respon sistem control dengan Parameter PI Tyerus Luyben untuk set point 3,2 m
Respon sistem pengendalian pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.7 memiliki nilai maximum overshoot (Mp = 18,75 %). Sistem sudah masuk pada keadaan steady pada detik ke-60 (time settling) dengan Error Steady
77
State (Ess = 1.56%) akan tetapi sistem benar-benar steady dengan Ess = 0.05% pada detik ke-80. Tabel 4.3. Kriteria Kualitatif Parameter PI Tyerus – Luyben Set Point
Mp (%)
Ess (%)
Ts (detik)
2,8 m
21,4 %
0,6%
60 s
3m
20%
0,6%
60 s
3,2 m
18,75
1,56 %
60 s
4.3.2.2.
Uji Tracking Set Point Untuk menguji dinamika kendali level saat set point berubah-ubah sesuai
desain awal yakni dari 2 meter ke 3.2 meter kemudian juga sebaliknya dari 3,2 meter ke 3 meter maka sistem seharusnya mengikuti secara dinamis. Adapun gafik yang didapat dari uji tracking set point dapat dilihat pada gambar 4.13.
Gambar 4.14. Respon sistem control dengan Parameter PID yang diperoleh secara tracking set point 2 m ~ 3,2 m
78
Respon sistem pengendalian pada kondisi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.13 dengan set point awal 2 m memiliki nilai awal maximum overshoot (Mp = 9,375 %) dan level sudah steady saat detik ke-40. Saat set point dinaikkan pada 3,2 ,justru sistem mempunyai Mp= ± 18,75% dan pada detik ke- 40 sistem belum mengalami steady state. Jika diperhatikan pada set point berikutnya,ketika set point diturunkan menjadi 2 m sistem cenderung bekerja lebih baik, over shoot sudah berkurang dan pada detik ke-40 sistem telah mengalami steady state, dan ketika set point dinaikkan lagi menjadi 3,2 m maka akan mengalami overshoot sebesar 18,75% kembali, namun pada detik ke-20 sistem telah mengalami steady state. Dapat dilihat dari kedua metode yang digunakan, masih menghasilkan overshoot yang tinggi, antara 9,375% sampai 18,75%. Hal ini apabila diterapkan pada plant sebenarnya akan membahayakan apabila berlangsung dalam waktu yang lama.Dari hasil pengontrolan dengan metode Tyerus Luyben overshoot terjadi hanya sesaat kemudian sistem cepat kembali keadaan steady state. Dalam proses PLTU yang sebenarnya apabila terjadi overshoot terlalu tinggi dapat diatasi dengan mengatur besarnya set point, sehingga tidak akan mengakibatkan level deaerator terlalu tinggi.Terjadinya overshoot dikarenakan kontroler pada level deaerator tidak menggunakan kontrol derivative. Namun tingginya overshoot dapat dikurangi dengan menambah Integral pada kontrol tersebut, tetapi masih tetap ada efek sampingnya, yaitu proses akan kembali ke set point terlalu lambat. Berdasarkan kriteria performansi dan pengaruhnya terhadap respon control valve, maka parameter controller yang cocok untuk sistem pengendalian level pada tangki deaerator adalah nilai parameter yang didapatkan dengan metode
79
tuning PID Tyreus- Luyben, karena dengan metode Tyerus-Luyben didapatkan overshoot yang lebih kecil dan keadaan steady state yang lebih cepat daripada dengan menggunakan metode Zieger Nichols.
