Simulasi Aplikasi Kendali Multi-Model
pada Plant Kolom Distilasi
Galih Aria Imandita / 0322146 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik
Universitas Kristen Maranatha
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia E-mail : galiharia@yahoo.com
ABSTRAK
Distilasi merupakan suatu proses di industri yang banyak dioperasikan. Operasi distilasi mengkonsumsi energi yang cukup besar. Karena semakin mahalnya energi, maka perlu dilakukan efisiensi dalam proses ini. Selain diperlukannya perancangan kolom distilasi yang baik, perlu juga dilakukan strategi kendali yang optimal untuk mengurangi penggunaan energi. Dalam Tugas akhir ini digunakan metode pengendalian multiple model control untuk mengendalikan perubahan refluks akibat adanya perubahan nilai acuan. Multiple model control yang digunakan terdiri dari 6 model pengendali tetap yang
mewakili kondisi plant dengan nilai acuan yang berbeda.
Perancangan pengendali multiple model control terdiri dari 3 langkah
utama, yaitu pemodelan kolom distilasi, perancangan pengendali tetap dengan algoritma pole placement, dan perancangan pengendali multiple model control. Respon transien yang diharapkan dari respon keluaran sistem adalah error steady state 1 % dan Maximum Overshoot 2 %.
Setelah pengendali multi model diterapkan pada kolom distilasi, respon dari sistem menjadi lebih cepat tanpa mengabaikan kriteria yang telah ditentukan. Berdasarkan hasil percobaan, respon transien plant pada tiap kondisi dengan pengendali pole placement adalah error steady state rata-rata 0.22 %, Maximum Overshoot 2 % dan settling time rata-rata 4.055 menit. Untuk sistem dengan
pengendali multiple model control hasil yang didapat dari 3 percobaan adalah settling time rata-rata adalah 3.19 menit.
Simulation of Multiple Model Control Application of
Distillation Column
Galih Aria Imandita / 0322146
Department of Electrical Engineering, Faculty of Technique Maranatha Christian University
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia E-mail : galiharia@yahoo.com
ABSTRACT
Distillation is an industrial process that frequently used. Distillation operation consume a lot of energy. Efficiency are required for this process because the cost of energy are expensive, recently. Besides the design of the distillation column, the optimal control system is also important to reduce the cost of energy. In this final project, a multiple model control method is used to control changes in reflux flow that caused by the changes of set point. The multiple model
control consists of 6 fixed controller model which represent different plant condition.
There are 3 main steps in the multiple model control design process, namely distillation column modeling, fixed controller model using pole placement algorithm and multiple model controller design. The design is based on the requirements : 1% error steady state and 2% maximum overshoot.
The distillation column, that had been controlled by multiple model, have a faster response without forgeting the criteria of the controller. Based on project result, plant transient responses with pole placement controller are 0.22% average error steady state, 2% maximum overshoot and 4.055 minutes average settling time. The result for system that controlled by multiple model controller are 3.19 minutes average settling time .
DAFTAR
ISI
II. 1. 1. Kolom distilasi berdasarkan proses masuknya umpan ………. 5
II. 1. 2. Kolom distilasi berdasarkan komponen penyusun umpan …… 5
II. 1. 3. Kolom distilasi berdasarkan sistem operasinya ……… 5
II. 2. Kesetimbangan Uap-Cair pada Kolom Distilasi Biner ……….. 6
II. 2. 1. Diagram Titik Didih ………. 6
II. 2. 2. Diagram Kesetimbangan Uap-Cair ……….. 8
III. 3. Metode Ackerman ………... 21
III. 4. Strategi Kendali Multiple Model Control ………... 23
BAB IV Perancangan Sistem Kendali pada Plant Kolom Distilasi ……... 24
IV. 1. Pemodelan Kolom Distilasi ………... 24
IV. 2. Perancangan Pengendali Pole Placement ……….. 28
IV. 3. Perancangan Multiple Model Control ………. 29
BAB V Simulasi dan Analisis Data ………... 32
V. 1. Model Plant Kolom Distilasi ………... 32
V. 2. Simulasi Pengendali Pole Placement ………... 35
V. 3. Simulasi Multiple Model Control ………... 38
V. 3. 1. Simulasi I ………... 38
V. 3. 2. Simulasi II ………... 39
V. 3. 3. Simulasi III ………... 39
V. 3. 4. Simulasi IV ………... 40
V. 4. Analisis Hasil Simulasi ………... 40
BAB VI Kesimpulan dan Saran ………... 43
VI. 1. Kesimpulan ………... 43
VI. 2. Saran ………... 43
DAFTAR
GAMBAR
Gambar II. 1. Diagram Titik Didih ……….. 6
Gambar II. 2. Diagram Titik Didih Azeotrop Maksimum ……… 7
Gambar II. 3. Diagram Titik Didih Azeotrop Minimum ……….. 8
Gambar II. 4. Diagram Kesetimbangan Uap-Cair ……… 8
Gambar II. 5. Diagram Kestimbangan Azeotrop maksimum ……… 9
Gambar II. 6. Diagram Kesetimbangan Azeotrop mininum ………. 9
Gambar II. 7. Kolom Distilasi ………... 10
Gambar III. 1. Skema Dasar Sistem Kontrol ………... 15
Gambar III. 2. Skema Umum Proses Kimia ………... 16
Gambar III. 3. Sistem Kendali Umpan Balik ………... 17
Gambar III. 4. Sistem Kendali Umpan Maju ………... 17
Gambar III. 5. Sistem Kendali Lup Tertutup ………... 19
Gambar III. 6. Blok Diagram Ruang Keadaan Lup Terbuka ………... 21
Gambar III. 7. Blok Diagram Ruang Keadaan Lup Tertutup ………... 21
Gambar III. 8. Blok Diagram Ruang Keadaan Lup Tertutup dengan Referensi ………... 22
Gambar III. 9. Blok Diagram Multiple Model Control ………... 23
Gambar IV. 1. Blok Diagram Ruang Keadaan Kolom Distilasi ………... 26
Gambar V. 1. Simulasi I Respon Sistem dengan Multiple Model Control …... 38
Gambar V. 2. Simulasi II Respon Sistem dengan Multiple Model Control …... 39
Gambar V. 3. Simulasi III Respon Sistem dengan Multiple Model Control ... 40
DAFTAR
TABEL
Tabel IV. 1. Tabel Kecepatan Aliran Refluks ……….. 27
Tabel IV. 2. Letak Pole Lup Tertutup ……….. 30
Tabel V. 1. Nilai Penguatan Umpan Maju ………... 36
Tabel V. 2. Respon Sistem Lup Tertutup ………. 37
BAB I Pendahuluan
1
BAB I
Pendahuluan
I. 1. Latar Belakang
Distilasi merupakan suatu proses di industri yang banyak dioperasikan. Operasi distilasi mengkonsumsi energi yang cukup besar. Karena semakin mahalnya energi, maka perlu dilakukan efisiensi dalam proses ini. Selain diperlukannya perancangan kolom distilasi yang baik, perlu juga dilakukan strategi kendali yang optimal. Jika terjadi gangguan atau perubahan pada proses ini, perlu dilakukan strategi kendali yang dapat dengan cepat mengembalikan keluaran kolom distilasi menuju nilai acuan yang diinginkan.
Berbagai perubahan parameter dapat terjadi pada kolom distilasi. Salah satunya adalah perubahan aliran refluks yang dibutuhkan kolom akibat terjadinya perubahan komposisi keluaran yang diinginkan. Proses distilasi yang memakan waktu lama akan menghabiskan energi yang banyak, terlebih lagi dengan adanya waktu yang dibutuhkan untuk mengatasi perubahan yang terjadi. Oleh karena itu dibutuhkan suatu strategi pengendalian yang tepat untuk mengatasi masalah keadaan tunak yang besar tersebut.
Berbagai mekanisme pengendalian dapat dilakukan untuk mengatasi masalah tersebut, salah satunya dengan menggunakan metoda multiple model control yang menggabungkan beberapa pengendali (fixed control) untuk
memperoleh respon keadaan tunak yang lebih baik.
I. 2. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, terdapat suatu bentuk
permasalahan, yaitu mendesain pengendali yang dapat memberikan respon transien yang baik untuk kolom distilasi saat terjadi perubahan nilai acuan.
I. 3. Identifikasi Masalah
BAB I Pendahuluan
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha
2
I. 4. Tujuan
Tugas Akhir ini bertujuan untuk mendesain suatu pengendali untuk plant kolom distilasi, dengan menggunakan strategi multiple model control dan menganalisa performansinya.
I. 5. Batasan Masalah
Dalam pengerjaan tugas akhir ini terdapat beberapa hal yang menjadi batasan masalah, diantaranya :
1. Plant yang akan dikendalikan berupa kolom distilasi biner dengan konfigurasi LV. Dalam konfigurasi LV, keluaran kolom distilasi ditentukan oleh 2 parameter, yaitu refluks (L) dan uap pada reboiler (V).
2. Model plant kolom distilasi merupakan suatu sistem SISO.
3. Perubahan parameter yang terjadi adalah perubahan besarnya refluks akibat perubahan nilai acuan.
4. Pengendali multiple model hanya menggunakan 6 model pengendali tetap
(fixed).
5. Parameter pengendali diperoleh melalui algoritma pole placement.
6. Hasil perancangan hanya berupa simulasi menggunakan simulink pada program MATLAB.
I. 6. Sistematika Laporan
Penyusunan laporan tugas akhir ini didasarkan pada sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan
Bab ini membahas latar belakang, perumusan masalah, identifikasi masalah, tujuan, batasan masalah,dan sistematika laporan.
BAB II : Tinjauan Umum Kolom Distilasi
BAB I Pendahuluan
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha
3
BAB III : Dasar Teori Kendali
Bab ini membahas jenis-jenis sistem kendali, metode tempat kedudukan akar, metode Ackerman dan strategi kendali multiple model control.
BAB IV : Perancangan Kendali pada Plant Kolom Distilasi
Bab ini membahas langkah-langkah perancangan pengendali diantaranya adalah pemodelan kolom distilasi, perancangan pengendali pole placement dan perancangan multiple model control.
BAB V : Simulasi dan Analisis Data
Bab ini membahas model plant yang digunakan, simulasi pengendali pole placement, simulasi multiple model control dan analisis hasil simulasi.
BAB VI : Kesimpulan dan Saran
BAB VI Kesimpulan dan Saran
Proses distilasi merupakan proses yang lambat. Agar dicapai respon yang cukup cepat perlu dilakukan proses penempatan pole yang sesuai. Kinerja pengendali pada plant sangat ditentukan oleh ketepatan penempatan pole.
Respon sistem terhadap terhadap perubahan nilai acuan sangat dipengaruhi oleh ketepatan rancangan pengendali umpan maju dari masukan tersebut. Begitu juga dengan respon sistem terhadap gangguan ditentukan oleh ketepatan rancangan pengendali umpan maju pada gangguan.
Strategi multiple model control dapat digunakan untuk mengatasi settling time yang besar pada proses distilasi. Dengan menggunakan kombinasi beberapa
pengendali pole placement. Strategi kendali ini telah terbukti dapat memperbaiki respon transien sistem dengan hasil settling time rata-rata 2.95 menit dan error steady state rata-rata sebesar 0.22 %. Hal ini dapat terjadi karena 2 hal, yaitu
rancangan pengendali yang cukup memuaskan dan karena kinerja supervisor yang dapat memilih model pengendali yang tepat untuk mengendalikan plant pada kondisi dan waktu tertentu.
VI. 2. Saran
Penelitian perlu dilakukan lebih lanjut terutama tentang sifat-sifat plant kolom distilasi agar didapat pemodelan matematis kolom yang lebih baik dan mendekati kondisi nyata. Selain itu perlu juga diketahui lebih lanjut mengenai sifat-sifat gangguan dan ketidaklinieran plant agar dapat dilakukan perancangan pengendali yang lebih baik.
Untuk pengembangan sistem dengan menggunakan strategi multiple model control dapat digunakan model pengendali yang lebih banyak agar lebih banyak
BAB VI Kesimpulan dan Saran 44
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha
Simulasi Aplikasi Multiple Model Control pada Kolom Distilasi
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha
Daftar Pustaka
1. Anwari, Sabat, Sintesis Kontroler H∞ pada Sistem Kendali Proses Distilasi,
Program Pasca Sarjana ITB, 1999.
2. Balchen, Jens G., Mummė, Kenneth I., Process Control : Structures and
Applications, New York : Van Nostrand Reinhold Company, 1988.
3. Control Sysytem Toolbox for use with MATLAB, The Mathworks Inc, 1992.
4. Distilasi Azeotropik, Wikipedia.com, 2007.
5. Friedland, Bernard, Control System Design : An Introduction to State Space
Methods, Singapore : McGraw-Hill International, 1987.
6. Kendali Loloh Balik, Instrumentasi Industri, Magister Teknik Instrumentasi
ITB.
7. Kvaalen, Eric, Wankat, Philip C., McKenzie, Bruce A., Alcohol Distillation:
Basic Principles, Equipment, Performance Relationships, and Safety, Purdue
University of West Lafayette.
8. Model Matematis, Sistem Kendali Teknik Elektro ITB.
9. Modul Pengendalian Proses, Jurusan Teknik Kimia UNPAR.
10.Modul 1.12 Dinamika Proses , Departemen Teknik Kimia ITB.
11.Modul 2.05 Distilasi, Departemen Teknik Kimia ITB.
12.Ogata, Katsuhiko, Automatic Control System 4th ed, New Jersey : Prentice
Hall.
13.Ogata, Katsuhiko, Discrete-Time Control System second edition, New Jersey :
Prentice Hall, 1995.
14.Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik jilid I, Jakarta : Erlangga, 1985.
15.Rasmussen, Kent H., Jǿrgensen, Sten Bay, Parametric Uncertainty Modeling
for Robust Control : A Link to Identification, The Technical University of
Denmark, 1999.
16.Siep Weiland, Project on Model Reduction, Control System Group,
Eindhoven University of Technology.
17.Slotine, Jean-Jacques E., Li, Weiping, Applied Nonlinier Control,
Simulasi Aplikasi Multiple Model Control pada Kolom Distilasi
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha
18.Stochastic System Theory, Control System Group, Eindhoven University of
Technology, 2004.
19.Teknik Kimia, Achmadirfani’s Weblog, 2007.
20.Willis, Mark J, Some Conventional Process Control Schemes, University of
