Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
IDENTIFIKASI DAN DESAIN CONTROLLER PADA TRAINER FEEDBACK PRESSURE PROCESS RIG 38 – 714 Satryo Budi Utomo, Universitas Jember
[email protected] Abstrac Pressure Process Control of Trainer studying to control air flow in order that stable. input system is Pressure and have current 4 – 20 mA. That current will thought I/P converter until produce pressure to move pneumatic valve. Effect Change of Position valve make controlling air flow.it is detected by pressure sensor and produce signal output voltage. System Pressure Process Control is nonlinear so must design PI Controler to produce stable pressure for a moment given disturbance. Result this paper show PI controller can be stable pressure air flow with time steady state 12 secon.
Kata kunci :Pressure Process Control, Kontrol I.Latar belakang Perkembangan teknologi saat ini semakin pesat sekali, dan sistem pengaturan aliran industri banyak digunakan pada industri industri besar. Konsep pengaturan aliran udara ini bertujuan untuk menjaga tekanan stabil. Oleh karena itu dibutuhkan suatu kontrol yang mampu memperbaiki respon time dan kestabilan aliran udara ketika terjadi gangguan. Kontrol PI telah terbukti handal untuk mengatasi sistem yang memiliki karakteristik nonlinear. Pada penelitian ini diharapkan kontroler mampu memperbaiki respon time dengan cepat ketika sistem diberi gangguan, metode perancangan kontroler menggunakan proses identifikasi sistem dengan menggunakan software Matlab, selanjutnya kontrol akan di implementasikan di dalam trainer. II. Tinjauan pustaka 2.1 Feedback Pressure Process Rig 38 – 714
Gambar 2.1. Feedback Pressure Process
223
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
Feedback Pressure Process Rig 38 – 714 adalah sebuah trainer yang berfungsi mengatur aliran udara .Spesifikasi trainer tersebut antara lain: a. Digital display modul adalah alat yang berfungsi menampilkan nilai tegangan yang terukur pada sensor pressure b. Flowmeter adalah alat yang berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan yang melewati saluran c. I/P konverter adalah alat yang berfungsi merubah besaran arus listrik kedalam besaran tekanan. d. Pneumatik control valve berfungsi sebagai valve yang dapat dikontrol secara pneumatik. e. Pressure transmitter, diff pressure transmitter adalah sensor tekanan dan laju aliran tekanan f. PCA adalah suatu alat yang berfungsi sebagai proses kontrol mengubah sinyal analog menjadi digital, ataupun mengubah sinyal digital ke analog. g. Personal computer h. Software LABVIEW 2.2 Jenis jenis Kontroler Keberadaan kontroler dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang besar terhadap prilaku sistem. Pada prinsipnya hal itu disebabkan oleh tidak dapat diubahnya komponen penyusun sistem tersebut. Artinya, karakteristik plant harus diterima sebagaimana adanya, sehingga perubahan perilaku sistem hanya dapat dilakukan melalui penambahan suatu sub sistem, yaitu kontroler. Salah satu tugas komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan, yaitu perbedaan antara sinyal setting dan sinyal aktual. Hal ini sesuai dengan tujuan sistem kontrol adalah mendapatkan sinyal aktual senantiasa (diinginkan) sama dengan sinyal setting. Semakin cepat reaksi sistem mengikuti sinyal aktual dan semakin kecil kesalahan yang terjadi, semakin baiklah kinerja sistem kontrol yang diterapkan. Apabila perbedaan antara nilai setting dengan nilai keluaran relatif besar, maka kontroler yang baik seharusnya mampu mengamati perbedaan ini untuk segera menghasilkan sinyal keluaran untuk mempengaruhi plant. Dengan demikian sistem secara cepat mengubah keluaran plant sampai diperoleh selisih antara setting dengan besaran yang diatur sekecil mungkin[Rusli, 1997]. 2.2.1 Kontroler Proposional Kontroler proposional memiliki keluaran yang sebanding/proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya) [Sharon, 1992, 19]. Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran kontroller proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya. Gambar 2.2 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran kontroller proporsional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting dengan besaran aktualmya. Selisih 224
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
ini akan mempengaruhi kontroller, untuk mengeluarkan sinyal positip (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).
Gambar2. 2 Diagram blok kontroler proporsional
Kontroler proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional (proportional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroller efektif dicerminkan oleh Pita proporsional (Gunterus, 1994, 6-24), sedangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, Kp. Gambar 2.3 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran kontroler dan kesalahan yang merupakan masukan kontroller. Ketika konstanta proporsional bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit[Johnson, 1988, 372].
Gambar 2.3 Proportional band dari kontroler proporsional tergantung pada penguatan.
Ciri-ciri kontroler proporsional harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroller proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini: 1. Kalau nilai Kp kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. 2. Kalau nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantabnya. 3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi [Pakpahan, 1988, 193].
225
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
Kontroler Integral Kontroler integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan mantap nol. Kalau sebuah plant tidak memiliki unsur integrator (1/s ), kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan keadaan mantabnya nol. Dengan kontroller integral, respon sistem dapat diperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keadaan mantapnya nol. Kontroler integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan(Rusli, 18, 1997). Keluaran kontroler ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran kontroler integral merupakan luas bidang yang dibentuk oleh kurva kesalahan penggerak- lihat konsep numerik. Sinyal keluaran akan berharga sama dengan harga sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 3 [Ogata, 1997, 236] menunjukkan contoh sinyal kesalahan yang disulutkan ke dalam kontroller integral dan keluaran kontroler integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.
Gambar 2.4 Kurva sinyal kesalahan e(t) terhadap t
Gambar 2.5 menunjukkan blok diagram antara besaran kesalahan dengan keluaran suatu kontroller integral.
Gambar 2.5 Blok diagram hubungan antara besaran kesalahan dengan kontroller integral
Pengaruh perubahan konstanta integral terhadap keluaran integral ditunjukkan oleh Gambar 2.6. Ketika sinyal kesalahan berlipat ganda, maka nilai laju perubahan keluaran kontroler berubah 226
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
menjadi dua kali dari semula. Jika nilai konstanta integrator berubah menjadi lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif kecil dapat mengakibatkan laju keluaran menjadi besar (Johnson, 1993, 375).
Gambar 2.6 Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan
Ketika digunakan, kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: 1. Keluaran kontroler membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenderung memperlambat respon. 2. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada nilai sebelumnya. 3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki (Johnson, 1993, 376). 4. Konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal keluaran kontroler (Guterus, 1994, 7-4). III. Pembahasan Pada pengujian plant pressure control dengan kontrol terbuka (Open Loop) menunjukan bahwa respon output tidak mencapai setpoint dan tidak memiliki overshoot. Hal ini ditunjukan pada Gambar 3.1 sehingga merupakan sistem orde 1, oleh karena kontrol yang cocok untuk digunakan pada plant adalah control PI. 2.5
ti mes
2 1.5
Series1 Series2
1 0.5 0 1
43
85 127 169 211 253 295 337 379 421 463 505 547 volt
Gambar 3.1 Respon Plant Pressure Control Secara Open Loop
227
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
Pada Gambar 3.1 menunjukkan ketika plant pressure diberikan setpoint sebesar 2 volt dengan kontrol loop terbuka menghasilkan respon output sebesar 0.7 volt sehingga sistem berjalan tidak stabil. Setelah mendapatkan respon output alat maka dilanjutkan dengan mekanisme identifikasi sistem dan merancang kontroler untuk mendapatkan parameter Kp dan Ki yang tepat dalam sistem Pressure Process Control. 3.1 Proses Identifikasi Sistem sistem merupakan orde 1. sistem tersebut dapat didekati dengan persamaan K G (s ) s 1 dimana : K= konstanta waktu yang ditempuh ketika 62,3 % dari Yss
(3.1)
dari data didapatkan Y ( ss) 0.73 K 0.360 X (ss) 2 0,24 maka transfer function plant adalah 0.360 G( s) 0.24s 1 3.2 Desain kontroler persamaan plant adalah 0.360 G( s) 0.24s 1 dimana nilai K = 0,360 nilai = 0,24
menentukan nilai KP =
sehingga didapatkan
i . KP **
0.24 = 2,66 KP 0.25.0,360
(3.2) (3.3) (3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
maka perancangan kontrol PI pada plant pressure dapat ditulis pada persamaan 1 KP 1 Ti( s )
(3.8)
dengan melihat lampiran maka didapatkan suatu model kontrol P1 1 2,66 1 0,200( s )
(3.9)
228
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
dengan KP= 2,66 dan Ki = 4,16 3.3 Pengujian Kontroler 3.3.1 Pengujian kontroler dengan uji Step
Gambar 3.2 Diagram Blok Uji Step dengan Matlab
Gambar 3.3 Respon Plant Pressure Control dengan Uji Step
Pada Gambar 3.3 menunjukkan bahwa respon output sangat baik sekali karena tanpa ada overshoot dengan peak time = 1,8 sekon, time rise =0.45 sekon, time steady state adalah 1,8 sekon. 3.3.2 simulasi matlab dengan uji random number
Gambar 3.4 Diagram Blok Uji Random (Distrubance) dengan Matlab
229
Jurnal REKAYASA Volume 9 Nomor 2 Desember 2012
Gambar 3.5 Respon Plant Pressure Control Ketika diberi Gangguan Gambar 3.5 menunjukkan bahwa kontrol dapat bekerja dengan sangat baik, ketika ada perubahan nilai masukan secara acak 4
volt
3 Series1 Series2 Series3
2 1 0 -1 1
48 95 142 189 236 283 330 377 424 times
Gambar 3.6 Respon Output dengan Kontrol PI pada Plant Pressure Process Gambar 3.6 menunjukkan bahwa kontrol PI dapat bekerja pada plant pressure , tetapi, terjadi lonjakan pada waktu awal dipengaruhi dengan waktu sampling pada lab view sebesar 0.1 sekon. ketika plant diberi gangguan , ternyata respon output mengalami osilasi dan kembali mengikuti setpoint. hal ini menunjukkan kontroler bekerja dengan baik. IV. Kesimpulan Dalam simulasi Matlab kontrol PI bekerja sangat baik ketika setpoint diubah ubah secara acak dan implementasinya kontrol PI dapat bekerja cukup baik ketika plant diberi gangguan karena kontrol dapat mengendalikan output walaupun terjadi osilasi DAFTAR RUJUKAN 1. Rusli, Mohammad: 1997, Sistem Kontrol kedua, Malang: Teknik Elektro -Universitas Brawijaya 2. Rameli, Mochammad, Rusdhianto E., Djoko Susilo: Sistem Pengaturan Malang, 1996 3. Ziegler, J. G. dan N.B. Nichols, 1942, Optimum Setting for Automatic Controllers, Tans. ASME, vol. 64, pp. 759-768 4. Gunterus, Frans: Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses, jakarta: PT. Elex Media Komputindo, Jakarta, 1994 5. Johnson, Curtis: Process Control Instrumentation Technology, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988 6. Ogata, Katsuhiko: Teknik Kontrol Automatik – terjemahan: Ir. Edi Laksono, Erlangga, Jakarta, 1991
230
