PERANCANGAN SISTEM KONTROL pH BERBASIS SINTESA REAKSI INVARIAN DENGAN MENGGUNAKAN LOGIKA FUZZY PADA STUDI KASUS TITRASI ASAM HCl DAN BASA NaOH (Syaifur Rizal, Hendra Cordova) Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya 60111 ABSTRAK Pengendalian pH merupakan salah satu faktor penting dalam dunia industri yang di dalamnya melibatkan suatu proses kimia. Pengendalian ini bertujuan untuk menjaga nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan performansi pengukuran dan pengendalian pH dalam industri kimia, maka perlu dibuat sistem pengendalian yang mampu memberikan performansi yang baik dengan akurasi yang memadai dan tahan terhadap ganguan serta noise. Dalam tugas akhir ini diujikan untuk menggunakan sistem kendali fuzzy. Sedangkan proses titrasi asam HCl dan basa NaOH menggunakan sintesa reaksi invarian. Berdasarkan hasil uji simulasi, dapat diketahui bahwa sistem kendali fuzzy mampu mengendalikan PH pada plant titrasi asam HCl dan basa NaOH. Kata kunci: PH, Fuzzy, HCl, NaOH. Demikian diharapkan kontrol logika fuzzy mampu untuk mengendalikan proses titrasi pH yang bersifat nonlinier dengan tunning yang mudah. Sedangkan sistem yang akan didesain diharapkan mampu bekerja dengan lebih stabil.
I. PENDAHULUAN Pengendalian pH merupakan salah satu faktor penting dalam dunia industri yang di dalamnya melibatkan suatu proses kimia. Pengendalian ini bertujuan untuk menjaga nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan performansi pengukuran dan pengendalian pH dalam industri kimia, maka perlu dibuat suatu sistem pengendalian yang mampu memberikan performansi yang baik dengan akurasi yang memadai dan tahan terhadap ganguan. Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sebuah pengendalian pH berdasarkan pada metode reaksi invarian yang dikembangkan oleh Gustafsson and Waller, 1983. Reaksi invarian ini telah banyak digunakan di berbagai literatur mengenai perancangan pengendalian pH. Hal ini disebabkan karena pemodelan pH dengan reaksi invarian, mampu untuk memodelkan titrasi asam basa yang sifatnya nonlinier ke dalam bentuk pemodelan matematika yang sesuai dengan kurva reaksi titrasi dari hasil percobaan. Penelitian Tugas Akhir ini bertujuan untuk mendisain proses pengendalian titrasi asam-basa dengan menggunakan pemodelan matematika pada reaksi invarian (Gustafsson and Waller, 1983) sebagai pemodelan reaksi untuk tritrasi pada asam kuat HCl dan basa NaOH. Sedangkan tempat terjadinya reaksi digunakan tangki CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) dimana tangki CSTR ini akan memiliki dua input flow HCl dan NaOH. Kemudian untuk sistem kendalinya akan digunakan logika fuzzy. Dengan sifat kekaburan dari logika fuzzy dibandingkan dengan logikan digital sederhana, logika fuzzy akan dengan mudah mengakomodasi logika manusia dalam proses tunning.
II. TITRASI ASAM BASA Proses pencampuran larutan asam dan basa yang dilakukan secara bertahap, dalam aspek laboratorium dikenal sebagai proses titrasi. Oleh karena ada empat jenis larutan asam dan basa, yaitu asam kuat, asam lemah, basa kuat, dan basa lemah, maka akan ada empat kemungkinan kombinasi campuran yaitu, asam-basa kuat, asam-basa lemah, asam kuat basa lemah, dan asam lemah basa kuat. Dalam setiap proses titrasi asam-basa akan menghasilkan suatu bentuk grafik reaksi yang disebut dengan kurva titrasi. Kurva titrasi ini dapat digunakan sebagai acuan ketika kita akan melakukan pemodelan pH. Hal ini dikarenakan kurva tersebut menggambarkan pH sebagai fungsi dari perbedaan asam-basa. Secara eksperimen harga pH ditentukan oleh penambahan sejumlah volume dari asambasa dengan skala harga pH ditentukan oleh perbedaan asam-basa yang ditambahkan. Bentuk kurva titrasi ditentukan oleh partisipasi masing-masing komponen kimia. Secara teoritis kurva titrasi memerlukan pengetahuan tentang konstanta kesetimbangan dan konsentrasi total asam dan basa. Kurva tersebut dapat dibentuk dari kesetimbangan muatan (persamaan elektronetralitas) yang dihitung dari seluruh ion yang bermuatan di dalam suatu larutan. Ion biasanya dibagi menjadi komponen air (ion oxonium dan hidroksida), kurva titrasi menunjukkan
1
Secara umum persamaan reaksi invariant pada pH [3] dapat dituliskan sebagai berikut:
kebergantungan antara pH (fungsi aktivita ion oxonium) dan konsentrasi asam atau basa. Asam dan basa kuat terdisiosasi sempurna dan konsentrasi ion adalah juga total konsentrasinya. Asam-basa lemah terdisiosasi hanya sebagian dan konsentrasi ion dihitung melalui konstanta kesetimbangan. 13 -
13 -
11 -
11 -
7-
............................................................................ (1) .................................... (2) Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) Continuous stirred tank reacktor (CSTR) adalah suatu wadah yang umumnya berbentuk silinder dengan diameter tertentu. Dimana di sekeliling wadah (reaktor) ini bisa dibiarkan terbuka (terjadi konveksi bebas antar reaktor dengan udara sekelilingnya), bisa juga diisolasi dengan bahan (isolator) tertentu, atau bisa juga dikelilingi (dialiri sekelilingnya) dengan cairan pendingin/pemanas untuk menyerap panas yang timbul. Sebagai salah satu reaktor kimia, di dalam CSTR terjadi reaksi kimia pembentukan atau penguraian. Dimana aliran massa masuk/keluar berlangsung secara terus menerus (kontinyu). Reaksi yang terjadi di dalam CSTR bisa berupa reaksi satu arah, reaksi bolak-balik, atau reaksi berantai[2]. Ciri utama dari CSTR adalah adanya proses pengadukan (stirred). Proses pengadukan ini diharapkan akan terjadi adanya distribusi sifat fisis dan kimiawi secara metata dari zat yang direaksikan di dalam reaktor. CSTR paling banyak digunakan di dunia industri proses. Contohnya adalah pada produksi polimer, barium sulfat, dan penanganan limbah.
7Titik Ekivalen
21-
Titik Ekivalen 21-
Titrasi HCl (ml)
Titrasi NaOH (ml)
Gambar 1 Kurva Titrasi Asam-Basa Kuat (a) Basa Kuat (NaOH) dititrasi Asam Kuat (HCl) (b) Asam Kuat (HCl) dititrasi Basa Kuat (NaOH) Reaksi Invarian Pada Titrasi Asam-Basa Cara tradisional untuk membuat model dinamik dari proses reaksi kimia adalah dengan memperhatikan nilai kesetimbangannya. Nilai ini biasanya adalah jumlah zat kimia yang terlibat, termasuk di dalamnya adalah kecepatan reaksi untuk setiap proses reaksi kimia yang terjadi. Hal ini juga berlaku pada reaksi yang terjadi antara senyawa asam dan basa yang mana kesetimbangannya adalah ada pada ion hidrogen dan hidroksida. Pada kurva gambar 1, yang merupakan kurva titrasi asam basa, merupakan suatu hasil kombinasi linier dari perubahan nilai konsentrasi dari asam dan basa. Pada gambar 2 diperlihatkan perubahan linier konsentrasi asam dan perubahan konsentrasi basa, akan membentuk kuva titrasi seperti pada gambar 1.
Gambar 2 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)[2] Pada jurnal Rosadi, Husni Y. Pemodelan Continuous Stirred Tank Reactor [2] menjelaskan, bila di dalam sistem terjadi reaksi yang melibatkan jumlah mol komponen dalam tangki (perubahan kontinuitas komponen), maka jumlah molekul masing-masing komponen akan berubah (naik jika komponen hasil reaksi atau turun jika komponen reaktan). Persamaan kontunuitas komponen-i dari reaksi kimia adalah:
(Perubahan molekul komponen-i di dalam sistem) = (aliran masuk molekul komp.-i) – (aliran keluar komp.-i) + (kecepatan pembentukan komp.-i) Gambar 2 Hubungan perubahan linier pada [OH]dengan [H]+ terhadap perubahan nilai pH
Berdasarkan pada komponen yang bereaksi, dimana komponen A bereaksi secara irreversible dengan kecepatan reaksi k membentuk komponen B, dinyatakan sebagai:
2
output effluent. Sebagaimana digambarkan pada gambar skematik berikut: Reaksi ini adalah reaksi orde pertama, dengan k adalah kecepatan reaksi. Kemudian jumlah mol A yang bereaksi, dinyatakan sebagai: MolA= - V.k.CA= -MolB
Gambar 4 Plant Reaksi HCl dan NaOH Besar laju output effluent dianggab sebanding dengan jumlah nilai dari laju input feed dan input control. Hal ini dilakukan untuk menjaga agar nilai volume dari tangki tetap terjaga konstan. Dalam proses ini, reaksi kimia yang terjadi merupakan reaksi kimia invarian. Selain itu proses diasumsikan larutan tercampur sempurna (perfect mixing), serta temperature ruangan dan larutan berada dalam suhu kamar (25 oC atau 298 oK). Untuk mendapatkan model proses pencampuran asam basa dalam penelitian ini menggunakan reaksi invarian yang dijelaskan oleh Tore K. Gustafsson dan Kurt V. Waller dalam jurnalnya yang berjudul “Dynamic Modeling And Reaction Invariant Control Of pH”[3]. Reaksi ini menggabungkan persamaan dinamika kesetimbangan masa, muatan (elektronetralitas) dan aljabar linier (polynomial dalam H+). Maka untuk membuat pemodelan dinamik maka harus diketahui dahulu bagaimana reaksi stokiometrinya, sebagai berikut :
Gambar 3 Reaksi kimia pada CSTR Berikut adalah persamaan kontinuitas dari tangki CSTR: ...................... (3) III. METODOLOGI DAN PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TOU Langkah-langkah yang akan dilakukan untuk mencapai tujuan akhir dari penuliasan Tugas Akhir ini, adalah dengan memodelkan secara matematik komponenkomponen yang digunakan dalam simulasi. Dimulai dengan pemodelan plan berupa tangki CSTR, kontrol valve, transmitter, dan penentuan keanggotaan awal fuzzy berdasarkan informasi yang ada. Setelah pemodelan secara matematis selesai langkah selanjutnya adalah pada pengujian plan secara open loop. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah pemodelan telah berhasil dilakukan dan sesuai dengan dasar teori yang ada. Uji berikutnya adalah pada uji close loop yang bertujuan untuk mengetahu respon sistem setelah dirangkai dengan kontroler.
..................................................(4) Dari reaksi stokiometri di atas dapat diketahui bahwa titrasi asam-basa kuat tidak terdapat adanya asam-basa konjugat yang biasanya muncul pada reaksi yang melibatkan asam lemah.
Pemodelan pH Dinamik Menggunakan Reaksi Invariant Pemodelan pH dinamik dengan menggunakan reaksi invarian adalah memodelkan tempat terjadinya proses titrasi asam-basa, dalam hal ini adalah menggunakan tangki model CSTR, yang berdasarkan pada reaksi invarian pH seperti yang dijelaskan pada bab 2. Tangki reaksi yang akan digunakan adalah tangki dengan input feed berupa asam kuat HCl dan input control berupa basa kuat NaOH. Kemudian terdapat satu buah
.........................................................................................(5) Sedangkan dari pencampuran di atas (5) dapat dilihat bahwa nilai koefisien stokiometri H2O adalah tetap sehingga dapat diabaikan. Kemudian mengingat hal ini merupakan reaksi titrasi asam basa, maka nilai konsentrasi ion yang mempengaruhi nilai pH hanya ada pada ion H+ dan ion OH-, sehingga nilai konsentrasi dari Na+ dan ion Cl- dapat pula diabaikan.
3
Dengan nilai kw = 10-14 dan nilai w yang ditentukan dari hasil pada proses pemodelan dinamik maka akan didapatkan nilai [H+] dengan menggunakan persamaan
Karena nilai koefisien stokiometri menggambarkan nilai perbandingan mol maupun konsentrasi dari zat yang terlibat dalam reaksi, maka dapat disimpulkan bahwa nilai konsentrasi dari ion H+ dan ion OH- adalah sama dengan nilai konsentrasi berturut-turut HCl dan NaOH. Kemudian diketahui bahwa:
......................................................... (10) IV. SIMULASI DAN ANALISA DATA Terdapat dua tahapan simulasi, yaitu simulasi sistem open loop dan closed loop. Simulasi open loop digunakan membuktikan apakah pemodelan telah berhasil dilakukan sesuai dengan dasar teori yang ada. Sedangkan untuk simulasi closed loop digunakan untuk mengetahui respon sistem secara keseluruhan setelah plant dirangkai dengan kontroler.
.......................................................(6) Nilai konsentrasi dari ion H+ dan ion OH- akan selalu berkisar antara nilai 10-14 hingga pada nilai 1. Dengan demikian pada tugas akhir ini akan diuji dengan menggunakan beberapa kombinasi dari nilai konsentrasi ion H+ (ion ini adalah ion yang dihasilkan oleh HCl yang merupakan input feed konstan) yang berbeda. Proses pencampuran asam-basa pada tangki jenis CSTR, merupakan proses yang dinamik dan non-linear, dengan melibatkan laju aliran input dan output. Sehingga untuk dapat memodelkan proses tersebut, maka, reaksi invarian dikombinasikan dengan persamaan mass/material balance untuk tangki CSTR sebagai berikut :
Simulasi open loop system Ada dua unit sistem yang akan dilakukan uji open loop, yaitu plant titrasi asam-basa dan control valve. Seperti dijelaskan sebelumnya, tujuan dari simulasi open loop ini adalah untuk menguji apakah pemodelan yang digunakan telah sesuai dengan plant yang diharapkan. Berikut adalah simulasi uji yang dilakukan pada plant titrasi asam-basa (CSTR). Uji yang dilakukan adalah dengan memberikan input berupa nilai konsentrasi ion basa OH- dari nilai konsentrasi terendah, yaitu 10-14 mol, yang kemudian dinaikkan secara linier hingga pada konsentrasi tertinggi yaitu 1 mol. Sedangkan hal sebaliknya dilakukan pada konsentrasi ion asam H+ dari konsentrasi maksimum 1 mol, yang kemudian diturunkan nilai konsentrasinya secara linier hingga pada nilai 10-14 mol. Sedang untuk output flow keduanya dijaga pada nilai konstan. Hasilnya dapat dilihat pada grafik berikut:
..............................(7.a) Karena input pada plant tangki jenis CSTR ini memiliki dua inputan yaitu inputan feed dan control, sebagai mana seperti pada gambar 4, maka persamaan ini menjadi: ...................................(7.b) Kemudian jika nilai debit output adalah sama dengan jumlah debit input feed dan input control, serta nilai w = we , maka: .......................(7.c) Dengan : V Qf Qc
= Volume tangki jenis CSTR (l) = Aliran HCl (l/s) = Aliran NaOH (l/s)
Pemodelan pH Statik Menggunakan Model Analitik Selain pemodelan secara dinamik, dilakukan juga pemodelan statik. Dengan melihat persamaan reaksi kimia, ketetapan disosiasi, dan reaksi invarian, maka dapat diketahui hubungan konsentrasi ion hidrogen [H+] : Gambar 5 a. Nilai perubahan kosentrasi H+ dan OH-. b. Nilai kenaikan pH akibat perubahan konsentrasi input H+ dan OH-.
.................................................. (8)
Dari gambar 5.a dan 5.b dapat diketahui bahwa pemodelan untuk plant proses titrasi telah berhasil dilakukan dengan kesesuaiah hasil simulasi dengan dasar teori seperti yang terlihat pada gambar 1 dan 2 yang merupakan grafik titrasi hasil percobaan.
Jika persamaan ini dikalikan dengan [H+], maka didapatkan nilai polinomial dari [H+]: ......................................... (9)
4
Kemudian dilakukan simulasi untuk mengetahui pengaruh perbedaan volume pada pemodelan tangki jenis CSTR dengan nilai capaian minimum dan maksimum nilai pH yang dapat dijangkau. Sedangkan nilai flow input HCl dan NaOH konstan pada 1 liter per detik. Seperti diketahui bahwa nilai pH dipengaruhi oleh nilai molaritas dari ion H+ dan ion OH-. Sedangkan molaritas sendiri adalah nilai mol dibagi dengan volume. Dengan demikian tentunya nilai volume dari tangki CSTR ini akan berpengaruh terhadap nilai pH hasil titrasi yang akan disimulasikan dengan Matlab.
Gambar 7 a. Nilai arus naik linier dari 4 mA s/d 20 mA terhadap waktu. b. Nilai bukaan valve terhadap waktu. Dari gambar 7 a dan b, diketahui bahwa pemodelan valve sesuai dengan karakteristik valve sesuai dengan dasar teori yang ada. Simulasi close loop system Simulasi akan dilakukan untuk beberapa parameter yang telah ditentukan sebagai berikut: a. Berdasarkan pada simulasi close loop, maka ditentukan nilai volume dari tangki CSTR adalah 10.000 liter. b. Karakteristik valve yang digunakan adalah valve dengan karakteristik quick opening dengan inisialisasi normally open. c. Perbandingan flow feed dan flow control yang digunakan adalah flow control lebih besar debitnya daripada flow control. Pada simulasi ini digunakan flow control = 1 liter/detik dan flow feed = 0,5 liter/detik.
Gambar 6 Perubahan nilai kosentrasi H+ dan OHterhadap berbagai volume dari tangki CSTR 1, 10, 100, 1000, 10.000 dan 100.000 liter. Dari grafik gambar 6 dapat diketahui bahwa volume tangki CSTR, dengan studi kasus flow feed dan flow control konstan pada 1 liter per detik, berpengaruh terhadap respon sistem (nilai pH titrasi). Semakin besar nilai volume dari tangki CSTR maka span nilai pH maksimum dan minimumnya yang dapat dicapai semakin mengecil. Kemudian waktu yang diperlukan untuk pH mencapai nilai 7, dimana pada nilai ini nilai konsentrasi ion H+ dan ion OH- sama yaitu pada nilai 10-7 Molar, juga semakin melambat.
Pada simulasi close loop ini difokuskan pada disain fuzzy logic controller yang sekiranya tepat digunakan untuk pengendalian pH pada titrasi asam kuat HCl dan basa kuat NaOH. Sedangkan untuk mengetahui apakah fuzzy logic controller yang digunakan sudah tepat, maka akan dilakukan simulasi dengan memberikan tracking set point naik dan tracking set point turun. Berdasarkan berbagai uji coba yang telah dilakukan, maka didapatkan nilai keanggotaan fuzzy sebagai berikut:
Uji close loop berikutnya adalah pada valve. Uji ini bertujuan untuk membuktikan apakah pemodelan valve telah sesuai dengan karakteristik valve, yaitu quick openning, liner dan equal precentage. Simulasi ini dilakukan dengan memberikan input arus yang naik secara linier dari 4 mA hingga 20 mA. Sedangkan nilai flow maksimum ditentukan adalah 1 l/s.
5
Delay time = 0,055 detik Rise time (0%-100%) = 1,25 detik Peak time = 1,25detik Max. overshoot = 0,0004 Settling time = 20 detik Ess = 0,016 % •
Set Point 5
Gambar 11 Set point 5. Delay time = 0,04 detik Rise time (0%-100%) = 3 detik Peak time = 3,5 detik Max. overshoot = 0,0005 Settling time = 3,5 detik Ess = 0,025 %
Gambar 8 Keanggotaan fuzzy berturut-turut dari input error, input rate dan output fuzzy. Sedangkan hasil dari uji tracking set point naik dan turun adalah sebagai berikut: •
Set Point 6
Gambar 9 Tracking set point untuk keanggotaan pada gambar 7. Sedangkan untuk mendapatkan data delay time, rise time, peak time, max. overshoot, settling time serta error steady state sistem, adalah dengan memberikan nilai set point 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; dan 10,5. Hal ini dilakukan karena jika kita melihat pada hasil tracking set point pada gambar 8, diketahui bahwa untuk tiap-tiap nilai set point memberikan respon yang berbeda-beda: •
Set Point 4,5 Gambar 12 Set point 6 dengan berbagai skala. Delay time = 0,0212 detik Rise time (0%-100%) = 0,0347 detik Peak time = 0,041 detik Max. overshoot = 0,081 Settling time = 0,784 detik Ess = 4,8 %
Gambar 10 Set point 4,5.
6
•
Settling time = 0,8 detik Ess = 4 %
Set Point 7 •
Set Point 9
Gambar 15 Set point 9. Delay time = 0,274 detik Rise time (0%-100%) = 0,201 detik Peak time = 0,2367 detik Max. overshoot = 0,0332 Settling time = 4,5 detik Ess = 0,0589 %
Gambar 13 Set point 7 dengan berbagai skala. Delay time = Rise time (0%-100%) = Peak time = 0.0103 detik Max. overshoot = 0,4761 Settling time = 0,15 detik Ess = •
•
Set Point 10
Set Point 8
Gambar 16 Set point 10. Delay time = 0,0883 detik Rise time (0%-100%) = Peak time = Max. overshoot = Settling time = 3 detik Ess = 0,013 % •
Set Point 10,5
Gambar 17 Set point 10,5. Delay time = 0,1169 detik Rise time (0%-100%) = Peak time = Max. overshoot = Settling time = 6 detik Ess = 0,0114 %
Gambar 14 Set point 8 dengan berbagai skala. Delay time = 8,01x10-3 detik Rise time (0%-100%) = 0,0209 detik Peak time = 0,0309 detik Max. overshoot = 0,1535
7
Tabel 1 Hasil uji closed-loop Set Po int PH
Delay Time (dtk.)
Rise Time (dtk.)
Peak Time (dtk.)
Max. Overshoot
Settli ng time (dtk.)
Ess. (%)
4,5
0,055
1,25
1,25
0,0004
20
0,016
5
0,04
3
3,5
0,0005
3,5
0,025
6
0,0212
0,0347
0,041
0,081
0,784
4,8
7
-
-
0,0103
0,4761
0,15
-
8
0,00801
0,0209
0,0309
0,1535
0,8
4
9
0,274
0,201
0,2367
0,0332
4,5
0,0589
10
0,0883
-
-
-
3
0,013
10,5
0,1169
-
-
-
6
0,0114
Gambar 18 Set point 10 dengan berbagai macam variasi time constant valve. Dari gambar 9 yang menggunakan ideal valve, dimana time constant bernilai nol, kemudian dibandingkan dengan gambar 18 yang berturut-turut menggunakan nilai time constant dari 0,001; 1; 2; 3 dan 5 didapatkan dari gambar grafik bahwa nilai time constant ini mempengaruhi secara signifikan pada nilai rise time dari sistem. Semakin tinggi nilai time constant dari valve, maka nilai rise time-nya semakin lama. b. Memasukkan disturbance Kemudian dilakukan uji simulasi dengan memasukkan disturbance pada sistem. Untuk uji disturbance ini, skema sistem yang semula digambarkan pada gambar 3.2, diubah menjadi seperti pada gambar 4.40 berikut:
Dari tabel 1 dapat dilihat bahwa hasil tunning keanggotaan fuzzy pada gambar 4.17 menghasilkan error steady state terbesar pada nilai pH mendekati nilai 7. Hal ini dikarenakan kurva reaksi pH yang semakin curam ketika mendekati nilai pH 7. Sedangkan nilai error steady state pada pH 7 tidak diketahui karena antara set point dengan titik awal pergerakan respon adalah sama, yaitu di titik pH7. Nilai settling time pada tabel 1tampah bahwa pada nilai pH yang semakin menjahui nilai pH 7, nilai settling time-nya akan semakin besar. Hal ini dikarenakan titik awal nilai respon sistem yang berasal dari nilai pH 7. Sehingga semakin jauh dari titik awal dimana nilai respon muncul, maka akan dibutuhkan waktu settling time yang lebih besar. Dengan alasan yang sama hal ini juga terjadi pada nilai delay time, rise time, dan peak time. Kemudian untuk menguji keandalan sistem pada metode pengontrolan fuzzy logic adalah sebagai berikut: a. Memasukkan nilai variasi time constant pada valve untuk mengetahui pengaruh delay pada aktuator. Nilai time constant ini dimulai dari 0,001; 1; 3; 5 detik untuk set point pH 10. b. Memasukkan disturbance. c. Memberikan sinyal ramp. d. Memberikan sinyal ramp dengan disturbance.
Gambar 19 Penambahan disturbance pada plan titrasi. Kemudian diasumsikan disturbance dengan nilai pH yang tidak diketahui ini nantinya akan tercampur dan bereaksi secara sempurna dengan asam kuat HCl sebelum memasuki tangki CSTR. Jika nilai maksimum pH 14 dan minimum pH adalah 0, maka dapat diketahui nilai konsentrasi H+ dari disturbance yaitu antara 1 hingga 10-14 Molar. Kemudian jika nilai konsentrasi disturbance 1 Molar dan HCl 1 Molar maka hasil pencampuran sempurnanya adalah pH 0. Sedangkan jika nilai konsentrasi disturbance 10-14 Molar dan HCl 1 Molar, maka dapat diketahui dengan mudah bahwa nilai pH pencampurannya adalah pH 7. Dengan demikian diketahui bahwa nilai flow feed akibat dari adanya disturbance adalah berada pada kisaran nilai antara pH 0 (konsentrasi 1 Molar) hingga 7
a.
Variasi nilai time constant Pada tracking set point dapat dilihat untuk pengaruh time constant pada valve adalah sebagai berikut:
8
(konsentrasi 10-7 Molar), yang mana berarti pH selalu bersifat antara asam dan netral.
perubahan secara perlahan-lahan dari nilai set point awal ke nilai set point yang baru. d.
Memberikan sinyal ramp dengan disturbance Pada simulasi ini bertujuan untuk mengetahui apabila sistem diberikan disturbance dan kemudian diberikan sinyal input berupa sinyal uji ramp. Hasil dari simulasi ini digambarkan pada grafik gambar 22 sebagai berikut:
Gambar 20 Feed disturbance pada kisaran pH 0 s/d 7 (konsentraasi 10-7 Molar hingga 1 Molar) dengan set point sistem pH 7. Dari gambar grafik 4.41 diketahui bahwa sistem mencapai set point pH 7 dengan selisih nilai pH berkisar pada rata-rata 0,16 terhadap nilai set point. c.
Memberikan sinyal ramp Uji berikutnya adalah dengan memberikan nilai inputan berupa sinyal ramp. Sinyal ramp ini diberikan pada nilai antara 4.5 hingga pada nilai 10.5, berdasarkan pada gambar 4.3 untuk volume CSTR 10.000 liter, yang menggambarkan nilai respon minimum dan maksimum untuk volume CSTR 10.000 liter. Kemudian didapatkan hasil seperti digambarkan pada grafik gambar 4.42 sebagai berikut:
Gambar 22 Dari atas ke bawah berturut-turut adalah nilai pH terhadap set point, disturbance, nilai flow feed dan flow control. Dari gambar 22 dapat diketahui bahwa meskipun diberikan disturbance, sitem masih bisa untuk merespon inputan berupa sinyal uji ramp. V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Setelah melakukan serangkaian kegiatan yang meliputi metodologi, pengujian, analisa, dan pembahasan maka didapatkan beberapa kesimpulan dalam Tugas akhir ini, diantaranya yaitu : 1. Telah berhasil dilakukan pemodelan, perancangan, dan simulasi sistem pengendalian pH dengan menggunakan kontrol fuzzy yang mampu mengatasi karakteristik pH yang nonlinear. 2. Pada uji open-loop didapatkan perbandingan flow feed harus lebih kecil dibandingkan dengan flow control (dalam penelitian tugas akhir ini digunakan perbandingan 0,5 l/s : 1 l/s ). Untuk volume CSTR digunakan 10.000 liter dan karakteristik valve adalah quick opening.
Gambar 21 Dari atas ke bawah berturut-turut adalah nilai pH terhadap set point, error sinyal feedback, nilai flow feed dan flow control.
Saran Saran yang dapat diberikan dalam penelitian Tugas Akhir ini adalah :
Dari gambar 21 dapat diketahui bahwa sistem dapat merespon sinyal input berupa sinyal ramp. Sinyal ini adalah penggambaran apabila nilai set point dilakukan
9
•
Instrumentasi Kontrol khususnya pada kontrol pH, Hydroponic Control, Safety, Metering, ruang bakar (model, kendali dan safety) menggunakan sistem kendali PID maupun Advanced Control (Fuzzy atau Neural Network). Sampai sekarang menjadi Dosen tetap di Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS
Untuk penelitian atau pengembangan tugas akhir selanjutnya, dapat dilakukan dengan menguji coba kendali fuzzy pada tugas akhir ini dengan menggunakan pencampuran asam lemah-basa kuat, asam kuat-basa lemah atau asam lemah-basa lemah. DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
E-mail :
[email protected]
Hendra Cordova, Ali Masduki. Nonlinier pH Control Based on Reaction Invariant and SelfTunning PID Controller. Jurusan Teknik FisikaITS, Jurusan Tenik Lingkungan-ITS Rosadi, Husni Y. Pemodelan Continuous Stirred Tank Reactor. Program PascasarjanaIPB Tore K. Gudtafsson, Kurt V. Waller. Dynamic Modeling and Reaction Invariant Control of pH. Process Control Laboratory, Department of Chemical Engineering, Abo Akademi Purnomo, Sofyan Hadi. Perancangan Sistem Pengendalian pH Menggunakan Multimode PID Controller pada Unit Saturator di PT. Petrokimia Gresik. Jurusan Teknik Fisika-ITS, Jurusan Tenik Lingkungan-ITS Gunterus, Frans. Falsafah Dasar Sistem Pengendalian Proses. Elex Media Komputindo, 1994 Headly, Michael C. Guidlines for Selecting the Proper Valve Characteristic. Valve Magazine vol. 15, no. 2,, 2003
Syaifu Rizal lahir di Bojonegoro, 26 Nopember 1984 yang bertempat tinggal di Ds. Kebonagung no. 276, Kec. Padangan, Kab. Bojonegoro, Surabaya, Jawa Timur. Riwayat pendidikan SDN Padangan 2 lulus tahun 1997, SLTP Negri 1 Padangan lulus 2000, SMUN 1 Bojonegoro lulus 2003. Bidang yang ditekuni adalah Instrumentasi kontrol dan sistem metering. Masuk pada tahun 2004 menjadi mahasiswa S-1 di Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS hingga sekarang. E-mail :
[email protected] Hendra Cordova ST. MT lahir di Jember, 30 Mei 1969 yang bertempat tinggal di Perumahan ITS Jl. Teknik Sipil N –13 Sukolilo, Surabaya Jawa Timur. Riwayat pendidikan S1 Teknik Fisika lulus tahun 1993 dan S2 Instrumentasi dan Kontrol ITB Tahun 1999. Bidang yang ditekuni adalah
10
