Bab1 Tkn 1 Kontrol Proses Dengan Matlab
Transcript of Bab1 Tkn 1 Kontrol Proses Dengan Matlab
kontrol proses
Sukarman
Latar belakang• Pengamatan proses kimia di pabrik /lab :• Aliran vesel to vessel, gelembung cairan, material viscositas
dan terjadi perubahan secara kontinu.• Dengan perubahan sedikit berakibat fatal• Jadi dunia bersifat dinamik perlu ada kontrol proses (sistem)• Perlu memahami perilaku sistem (dinamiknya).• Perlu teknik pengontrolan, desain, membangun,
mengoperasikan sistem fisik.• Teknik kontrol : analisis matematik dan praktek
teknik,untuk memahami tujuan dari kontrol proses
Filosofi Dasar Sistem Kontrol
• Obyektif Sistem Kontrol Automatis
chemical plant susunan unit-unit prosesreaktor
pompa
kolom destilasi
absorber
evaporator
tangki
terintegrasi
sistematik rasional
Obyektif keseluruhan pabrik
bahan baku tertentu (input feedstock)produkProses
Filosofi Dasar Sistem KontrolTujuan
ProfitMonitoring,diagnosis
Target 2. komposisi produk, warna, dll. pada keadaan yang kontinyu dan dengan biaya
minimum
1. (safety) baik bagi buruh maupun peralatan
3. limbah yang dihasilkan oleh proses tersebut tidak melebihi ambang batas lingkungan
Peralatan memiliki batasan (constraint) untuk operasi peralatan : -pompa harus menjada net positive suction head-tangki seharusnya tidak overflow atau menjadi kering-kolom distilasi seharusnya tidak terjadi banjir (flood)- suhu pada sebuah reaktor katalitik seharusnya tidak melebihi batas atasnya
sehingga katalis menjadi rusak
4. Operasi pabrik sesuai dengan kondisi pasar, : - ketersediaan bahan baku- energi, modal-- tenaga kerja
tingkat yang optimum
biaya operasi yang minimum
keuntungan yang maksimum
Jenis Sistem Kontrol
• Sistem kontrol lup tertutup (closed-loop control system).
• Sistem kontrol lup terbuka (open-loop control system).
Diagram blok sistem kontrol lup tertutup
Contoh Sistem termal
AC, kulkas, seterika automatik, pompa automatik
sistem kontrol lup terbuka
Diagram blok sistem kontrol lup terbuka
Kelebihan:
konstruksinya sederhana dan perawatannya mudahlebih murahtidak ada persoalan kestabilancocok untuk keluaran yang sukar diukur /tidak ekonomis
Kelemahan:
gangguan dan perubahan kalibrasiuntuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu
Klasifikasi Kebutuhan Sistem Kontrol
• Menekan pengaruh gangguan (disturbance/upset) eksternal
• Memastikan kestabilan suatu proses• Optimisasi performansi suatu proses
Aspek-aspek Disain Sistem Kontrol
• Variabel masukan (input):– manipulated (adjustable) variable– disturbance:• (measured), suhu masuk, laju alir masuk, dll• (unmeasured), Noise
• Variabel keluaran (output):– (measured): suhu produk, laju alir produk, dll– (unmeasured)
Elemen-elemen disain sistem kontrol
1. Mendefinisikan obyektif pengontrolan2. Menyeleksi Jenis pengukuran3. Menyeleksi variabel yang dimanipulasikan4. Menyeleksi konfigurasi kontrol5. Mendisain kontroler
Obyektif pengontrolan
• Memastikan kestabilan proses• Menekan pengaruh gangguan luar• Optimisasi kinerja plant secara ekonomis• Kombinasi dari semua yang di atas
Jenis pengukuran
· Primary measurement: variabel yang dimonitor secara langsung dan dapat diukur secara kuantitaif
· Secondary measurement: variabel lain yang dapat diukur, secara mudah dalam rangka memonitor variabel keluaran yang tak dapat diukur
· Pengukuran gangguan: pengukuran gangguan secara langsung dipakai dalam kontrol umpan-maju.
Obyektif kontrol , mengukur harga variabel proses
Tekanan, suhu, konsentrasi , dll
Menyeleksi manipulated variabel
Apakah manipulated variable yang digunakan untuk mengontrol proses?
Biasanya dalam sebuah proses kita memiliki sejumlah variabel masukan yang dapat disetel secara bebas.
Variabel-variabel manakah yang gunakan sebagai manipulated variable adalah pilihan yang sangat penting karena akan mempengaruhi kualitas aksi pengontrolannya.
Menyeleksi konfigurasi kontrol• Konfigurasi/struktur kontrol:
Alternatif skema kontrol level-cairan
1. Manipulated variable dengan aliran-aliran informasi yang sama
Menyeleksi konfigurasi kontrol
Kontrol suhu berumpan-balik Kontrol suhu berumpan-maju
2. Informasi (pengukuran) melalui manipulated variable yang sama
stirred tank heater
Berdasarkan berapa keluaran yang dikontrol dan masukan yang dimanipulasikan, proses konfigurasi kontrol dibagi :
• sistem kontrol SISO• sistem kontrol MIMO
Mendisain kontroler
ProsesSensorTransduser Transmiter Kontroler Elemen kontrol akhir Recorder
Operasi Dasar Sistem Kontrol
tiga operasi dasar yang harus ada di setiap sistem kontrol :
• Measurment (M), sensor dan transmittervariabel yang dikontrol
• Decision (D), untuk menjaga variabel tersebut pada harga yang diinginkan
• Action (A), sebagai hasil dari keputusan kontroler, dilakukan oleh elemen kontrol akhir
Pemodelan matematik
Sinyal Transmisi• Sinyal pneumatic atau tekanan udara, normalnya 3 -15 psig
• Sinyal elektrik (elentric) atau elektronik, normalnya antara 4 dan 20 mA.
• Sinyal digital atau diskret (nol dan satu)
Transduser I/P
Istilah • Controlled variable (variabel yang dikontrol): Variabel yang harus
dijaga atau dikendalikan pada harga yang diinginkan. Contoh:laju alir, komposisi, suhu, level, dan tekanan
• Setpoint: Harga yang diinginkan dari controlled variable
• Manipulated variable (variabel yang diubah-ubah): Variabel yang digunakan untuk menjaga contolled variable berada pada setpointnya; biasanya berupa laju alir dari aliran tertentu yang masuk atau
meninggalkan suatu proses• Uncontrolled variable: Variabel di dalam proses yang tidak bisa
dikontrol. Contohnya: suhu dari sebuah tray dalam kolom distilasi• Disturbance atau upset (gangguan): Variabel yang dapat
menyebabkan controlled variable berubah dari harga setpointnya;
Klasifikasi gangguan
• Bentuk: step, pulse, impulse, ramp, sinusoidal, dsb.• Lokasi di feedback loop:– load disturbance, (perubahan komposisi umpan, suplai
tekanan uap air, suhu air pendingin, dsb.). fungsi kontroler: mengembalikan controlled variable pada setpoint-nya dengan perubahan yang tepat pada manipulated variable
– setpoint disturbance, perubahannya dapat dibuat, khususnya dalam proses batch atau dalam merubah dari satu kondisi ke kondisi lain dalam proses kontinyu). fungsi kontroler: mendorong controlled variable mencapai setpoint yang baru
Teknik untuk analisis dinamika proses
• Transformasi Laplace, PD nonlinear linearisasi TL
• Simulasi komputer,
Contoh
go is taken as the output,
qi is input and h the output,
we have used the relationship
TRANSFORMASI LAPLACE
sinyal uji
• Unit step function
Fungsi impuls
Transformasi Laplace Sinyal Uji
Transformasi Laplace Sinyal Uji
CONTOH:
Contoh Cari c(t)
EIGENVALUES DAN KESTABILAN• Persamaan Karakteristik dari PD dan dari sistem yang memiliki
respon dinamik,• Eigenvalues: eigen (Jerman) berarti karakteristik atau diri,
merupakan akar-akar persamaan karakteristik
1. Merupakan definisi sifat PD.2. Tidak tergantung masukan forcing function.3. Menentukan apakah respon waktunya monoton (kasus 1 dan 3) atau
berosilasi (kasus 2).4. Menentukan apakah respon tersebut stabil atau tidak.
PD disebut stabil bila respon waktunya tetap terbatas
Contoh
LINEARISASI DAN VARIABEL DEVIASI
• Transformasi Laplace (TL) hanya dipakai pada PD linear
• Proses di industrinonlinear
CONTOH
• Tentukan aproksimasi linear dari fungsi non-linear:
Contoh
SISTEM DINAMIK ORDE SATU
RESPON PROSES ORDE-SATU
FUNGSI ALIH DAN DIAGRAM BLOK• rasio antara TL variabel keluaran dan TL variabel masukan
• Fungsi alih mendefinisikan dengan sempurna karakteristik ss dan dinamik, respon total, sistem pada PD.
DIAGRAM BLOK
• representasi secara grafik pengontrolan suatu proses
DIAGRAM BLOK
Contoh
Contoh
next
Sistem orde-dua
respon sistem tergantung pada rasio redaman
PERFORMANSI SISTEM KONTROL
fungsi alih sistem orde 2:
Overshoot (lewatan maksimum, Mp):
Decay ratio:
Peak time (waktu puncak, tp)
Rise time (waktu naik, tr):
Periode osilasi (T):
Setting time (waktu penetapan, ts)
Delay time (waktu tunda): waktu yang diperlukan respon untuk mencapai setengahharga akhir yang pertama kali.
CONTOH
contoh
KOMPONEN DASAR SISTEM KONTROL
• SENSOR DAN TRANSMITER1) Range of the instrument: harga yang rendah dan
tinggiMisal: sensor/transmiter tekanan yang telah dikalibrasi
untuk mengukur tekanan proses antara 20 psig dan 50 psig
2) Span of the instrument: beda antara harga tinggi dan rendah; dari contoh berarti spannya 30 psi.
3) Zero of the instrument: harga range yang rendah; dari contoh berarti zeronya 20 psig.
Untuk menggambarkan perilaku sensor/transmiter:• Gain of a sensor/transmitter (rasio antara span keluaran dan span masukan).1) Gain yang konstan• sensor/transmiter tekanan elektronik yang memiliki range 0-200 psig dengan
sinyal keluarannya 4-20 mA,
• 2) Gain sebagai sebuah fungsi, sensor tekanan differensial yang digunakan untuk mengukur tekanan differensial (h) yang melalui orifis. Persamaan sinyal keluaran dari transmiter tekanan differensial elektronik:
• Respon dinamik dari sensor/transmiter lebih cepat dari pada proses, sehingga konstanta waktu dan dead time diabaikan. Fungsi alihnya hanya berisi gain yang murni.
• Karena sifatnya dinamik, maka fungsi alih instrument dinyatakan dalam sistem orde-satu atau orde-dua:
• CONTROL VALVEControl valve merupakan elemen kontrol akhir yang
umum. Ia bekerja sebagai sebuah pembatasan yang berubah-ubah (variable restricton) dalam pipa proses.
KONTROLER
• Kontroler adalah otak lup kontrol. Ia membuat keputusan dalam sistem kontrol dengan melakukan:
1. Membandingkan sinyal proses dari transmiter, variabel yang dikontrol, dengan setpointnya.
2. Mengirim sinyal yang cocok ke control valve; atau elemen kontrol akhir lainnya dalam rangka menjaga variabel yang dikontrol pada setpoint-nya.
jenis aksi kontroler
1. Aksi berlawanan (reverse action) atau turun: bila harga output naik maka kontroler mengurangi sinyal output (udara tekan atau arus )-nya.
2. Aksi searah (direct action) atau naik: sebaliknya.
Jenis Kontroler
1. Kontroler Proporsional (P).2. Kontroler Proporsional Integral (PI).3. Kontroler Proporsional Deravatif (PD).4. Kontroler Proporsional Integral Deravatif (PID).
Kontroler Proporsional (P).· overshoot tinggi· waktu penetapan besar· periode osilasi sedang· adanya offset/droop/steady-state error: beda antara setpoint dan
control point (harga controlled variable pada kesetimbangan baru); offset terjadi karena aksi kontrol proporsional dengan error.
· gainnya: Kc sangat mempengaruhi error, makin besar Kc makin kecil offsetnya, meski ada harga Kc maksimum.
. proportional band (PB);
• definisi lain PB: error yang dibutuhkan untuk menghasilkan keluaran tambahan dari kontroler ke control valve
Kontroler Proporsional Integral (PI)
. aksi integral bukan untuk mengembalikan ke error nol, tapi menjaga pada harga yang ia meuncul di sepanjang waktu, sehingga ada output yang cukup untuk membuka control valve
· tidak ada offset· respon lebih lambat, karena error tidak dapat dihilang-kan
dengan cepat· harga overshoot paling tinggi· dipakai bila kelemahan di atas ditoleransi sementara offset tidak· disebut pula reset action. gainnya
Kontroler Proporsional Derivatif (PD)
· disebut juga anticipatory/rate control· aksi kontrol didasarkan pada mode derivatif yang terjadi hanya
saat error berubah· efeknya mirip dengan proporsional dengan gain yang tinggi· respon sangat cepat· overshoot sangat rendah· ada offset tapi lebih kecil. gainnya
Kontroler Proporsional Integral Derivatif (PID)
· paling baik, tapi paling mahal· mengkompromi antara keuntungan dan kerugian kontroler di
atas· offset dihilangkan dengan aksi integral, sedangkan aksi derivatif
menurunkan overshoot dan waktu osilasi· digunakan pada sistem yang agak lamban/melempem· kontroler sering dipasang karena berbagai kepandaian yang
dimilikinya dan bukan karena analisis sistem mengindikasikan kebutuhan akan ketiga mode kontrol di atas
· gainnya:
Teknik Respon Frekuensi
Bode Plot : penggambaran grafik fungsi AR (MR) dan sudut fasa (q) yang palingumum. (1) log AR (or log MR) vs. log w
(2) q vs. Log w
(1) Garis pada MR, masukkan:
(2). Garis pada q, masukkan:
Contoh
Kreiteria Kestabilan Respon Frekuensi• Agar sistem kontrol stabil maka ratio amplitudo (AR) harus lebih kecil dari 1
(satu) pada .
Sistem akan stabil bila Kc lebih kecil dari 1