PETUNJUK PRAKTIKUM
P
RAKTIKUM
S
ISTEM
K
ENDALI
Laboratorium Dasar
Teknik Elektro
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
Institut Teknologi Bandung
MODUL PRAKTIKUM
SISTEM KENDALI
Disusun Oleh:
Arief Syaichu Rohman
Annisa Izaty
LABORATORIUM SISTEM KENDALI DAN KOMPUTER
SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2021
Modul 4
SISTEM KENDALI PROSES DI INDUSTRI
1. Tujuan Praktikum
a. Mengenali tipikal proses di industri
b. Mengenali besaran-besaran dan instrumentasi pengukuran yang digunakan pada proses di industri
c. Mengenali penerapan ilmu sistem kendali pada proses di industri d. Mengimplementasikan pengendali PID pada plant berstandar industri
e. Mengetahui manfaat dari penggunaan sistem kendali otomatis pada industri
2. Pengenalan Kendali Proses di Industri a. Proses di Industri
Seiring dengan perkembangan teknologi, terjadi peningkatan kebutuhan untuk melakukan produksi berbagai substansi kimia (plastik, bahan bakar, resin, antiseptik, cairan pembersih, dan masih banyak lagi). Beberapa substansi tersebut dapat langsung digunakan oleh konsumen, yang lainnya digunakan sebagai bahan baku untuk memproduksi berbagai benda kebutuhan sehari-hari maupun industri selanjutnya. Kendali proses berhubungan erat dengan proses manufaktur berbagai substansi di industri, terutama manufaktur bahan-bahan kimia. Beberapa proses yang umum dilakukan adalah distillation, cracking, smelting, liquefaction of gases, sintering,
pulping, bleaching, dan masih banyak lagi.
Contoh gambar di atas mengilustrasikan proses produksi kertas. Beberapa bagian proses produksi kertas adalah Pulping, Bleaching, Wet End, dan Waste Treatment.
Pulping merupakan tahapan pengolahan kayu secara mekanik (dihancurkan) dan
kimiawi hingga menjadi bubur kertas. Temperatur, tekanan, kecepatan alir, dan pH merupakan besaran penting yang perlu dikontrol dalam proses ini untuk menghasilkan
pulp yang berkualitas. Namun tidak hanya pada tahap pulping, seluruh tahap di atas
memerlukan pengukuran presisi dan pengendalian terhadap besaran-besaran penting untuk menjamin kualitas produk yang dihasilkan.
Proses industri lainnya yang sering dipelajari pada literatur adalah proses distilasi. Proses destilasi merupakan proses pemisahan dua atau lebih substansi kimia yang memiliki titik didih berbeda melalui proses pemanasan. Untuk memperoleh konsentrasi 1 produk yang diinginkan, diperlukan pengendalian terhadap bukaan katup reflux serta temperatur pada bagian atas kolom. Pada proses ini, diperlukan pengendalian dan pengukuran terhadap besaran temperature, level, flow, dan khusus untuk pemeriksaan produk yaitu density.
b. Tipikal Proses di Industri
Pada sebagian besar proses di Industri, terdapat empat besaran utama yang perlu diukur dan dikendalikan yaitu kecepatan alir fluida (flow), tekanan (pressure), ketinggian fluida (level), dan temperatur (temperature). Selain keempat besaran utama tersebut, pada proses-proses khusus dibutuhkan pengukuran terhadap massa jenis (density), asam/basa (pH), kekentalan (viscosity), kelembaban (humidity), dan lain sebagainya. Ada dua cara untuk memastikan besaran-besaran tersebut tetap pada nilai
reference/set point yang diharapkan. Pertama, dengan melakukan pengendalian secara
manual. Sebagai contoh, untuk pengendalian temperatur air. Misalkan pada sebuah tangki dengan steam boiler yang berisi air untuk dipanaskan, terdapat saluran untuk mengeluarkan air panas yang dihasilkan, serta saluran untuk menyuplai tangki dengan air dingin. Operator yang bertugas akan membaca temperatur dari termometer yang terpasang untuk mengukur temperatur air panas yang dihasilkan. Dari informasi temperatur, ia kemudian mengatur besar bukaan kran (manual valve) untuk mengatur aliran uap panas menuju pemanas yang berada di dalam tangki. Jika temperatur sudah lebih tinggi dari set point yang diharapkan, maka operator akan mengecilkan bukaan kran, dan sebaliknya jika temperatur lebih rendah dari set point maka operator akan meningkatkan bukaan kran. Perubahan temperatur dapat terjadi karena perubahan kebutuhan air panas ataupun faktor lain seperti perubahan temperatur ruangan yang akan mempengaruhi perubahan temperatur suplai air dingin.
Cara kedua adalah dengan melakukan pengendalian secara otomatis/menggunakan
khusus yang akan mengubah data temperatur menjadi besaran elektrik yang dapat dikonversi menjadi sinyal 4-20 mA (atau tegangan, bergantung pada jenis pengontrol yang digunakan) untuk kemudian dibaca oleh pengontrol. Jika algoritma pengendalian yang digunakan adalah PID, maka pengontrol akan membandingkan nilai set point temperatur dengan nilai pembacaan dari sensor. Kemudian galat (error) yang diperoleh akan dikalikan dengan konstanta PID (Kp[1 + 1/Ti + Td]) akan menjadi prediksi galat yang harus dilawan.
Gambar 4.2 Diagram blok PID
Hasil perhitungan akan digunakan untuk menentukan bukaan aktuator, misal dalam hal ini control valve. Penentuan konstanta algoritma pengendalian PID umumnya dilakukan dengan proses tuning jika model telah didapatkan. Konstanta PID akan mempengaruhi kualitas sistem (overshoot, settling time, dll).
Gambar 4.3 Perbandingan antara kendali manual dan otomatis untuk produksi air panas
Umumnya, cara kedua yaitu pengendalian otomatis menggunakan pengontrol lebih diunggulkan karena responnya lebih cepat dibandingkan operator manusia, lebih presisi, meminimalkan faktor kelalaian, dan mengurangi resiko kecelakaan operator (karena aktuator yang berada pada plant tidak memerlukan kontak langsung dengan operator). Pengendalian dapat dilakukan (controller dapat diposisikan) pada daerah yang lebih aman, dan bahkan monitoring dapat dilakukan dari jarak jauh.
Secara umum diagram blok sistem kendali dapat diperhatikan dalam gambar 4.3 berikut ini.
Gambar 4.4 Diagram blok sistem kendali
Controller menerima input dari sensor (Process Value), mengetahui set point, dan
menghasilkan sinyal untuk mengatur aktuator (Manipulator Variable atau Operating
Point dari aktuator). Bentuk lain dari diagram tersebut yang juga umum digunakan pada process control adalah sebagai berikut.
Gambar 4.5 Alternatif diagram blok sistem kendali
Kedua diagram tersebut menunjukkan hal yang sama dari sudut pandang yang sedikit berbeda. Controller menerima nilai dari elemen pengukur (Process Value) dan mengetahui Set Point, menghitung Operating Point aktuator, sebagai Manipulated
Variable yang mempengaruhi proses. Controlled Variable dari proses kemudian dibaca
oleh sensor, nilai besarannya disebut Process Value yang akan kembali masuk ke pengontrol.
c. Kebutuhan Instrumentasi dan Kendali
Sistem kendali loop tertutup dapat dibuat menggunakan mikrokontroler. Mikrokontroler sering digunakan untuk berbagai device rumahan dengan kebutuhan daya rendah. Namun untuk sebuah industri, dapat membutuhkan ribuan control loop, menerima process value dari ribuan sensor dan memberikan operating point untuk ribuan aktuator, penggunaan mikrokontroler semisal Atmega 8535 tidak dimungkinkan.
Pengontrol yang digunakan di Industri umumnya berupa PLC (Programmable Logic
Controller) atau menggunakan sistem DCS (Distributed Control System), yang di
dalamnya dapat berisi beberapa microcontroller untuk implementasi logika. Kelebihan dari kedua pengontrol ini dibandingkan stand alone microcontroller adalah:
• Lebih tahan terhadap noise.
• Dapat bekerja pada rentang temperatur yang lebih lebar.
• Lebih reliable (dapat bekerja dalam jangka waktu lama, semisal 20 tahun). • Terdapat versi yang dapat bekerja pada kondisi lingkungan yang ekstrim.
• Interoperabilitas langsung dengan berbagai komponen di industri seperti control
valve, motor driver, HMI, Scada atau IIOT, dll.
• After sales service yang lebih terjamin, termasuk ketersediaan sparepart hingga 10 tahun setelah tipe pengontrol tersebut berhenti diproduksi.
• Kelengkapan dokumentasi user manual untuk seluruh parts.
3. Alat dan Komponen yang digunakan
1. Personal computer yang telah terinstall software MATLAB
2. Alat tulis, log praktikum
4. Tugas Pendahuluan
1. Dalam kendali proses terdapat dua klasifikasi, yaitu Feedforward control dan Feedback control. Jelaskan perbedaan keduanya dan pengaruh terhadap sistem kontrol?
2. Analisa grafik respon sistem open loop dan closed loop dari fungsi transfer kecepatan motor (yang telah diperoleh pada praktikum modul 2), tentukan konstanta PID (Kp, Ti, Td) dengan menggunakan metode Ziegler Nichols I.
3. Lakukan pemodelan sistem di bawah ini dengan menggunakan model analitis (white box model) dan tentukan model matematis dari sistem dalam bentuk fungsi alih Qin(s)/Qo(s). (𝑄̅ + 𝑞 = 𝑄𝑖𝑛; 𝑄̅ + 𝑞2 = 𝑄𝑜)
4. Berdasarkan persamaan sebuah plant di bawah ini, tentukan konstanta PID (Kp Ti Td) dengan menggunakan metode Ziegler Nichols I (pada tabel 1). Gunakan bantuan Matlab untuk melihat responnya apabila diperlukan.
U(t) c(t)
5. Jelaskan sesuai dengan pemahaman anda bagaimana sistem kendali water level bekerja. Sebutkan bagian mana yang disebut sebagai plant, pengendali, aktuator, dan feedback.
5. Percobaan
5.1 Dasar Teori Pemodelan Sistem a. Sistem Kendali Water Level
Dalam menganalisis sistem yang melibatkan aliran fluida, kita perlu membagi daerah aliran menjadi aliran laminer dan aliran turbulen. Aliran laminer merupakan aliran fluida yang mengikuti garis-garis arus tanpa turbulensi. Sistem yang melibatkan aliran turbulen seringkali harus dinyatakan dalam persamaan diferensial nonlinier, sedangkan sistem yang melibatkan aliran laminer dinyatakan dalam persamaan diferensial linier. Proses-proses industri seringkali melibatkan aliran cairan melalui pipa-pipa penghubung dan tangki-tangki. Aliran dalam proses semacam itu seringkali bersifat turbulen, bukan laminer. Namun, hampir dalam semua analisis seperti simulasi dan desain pengendali,
plant diasumsikan sebagai plant linier.
Gambar 4.6 Contoh physical process untuk sistem ketinggian air dalam tangki Tinjau aliran melalui suatu pipa pendek yang menghubungkan dua buah tangki. Tahanan aliran cairan untuk suatu penghalang (dalam hal ini merupakan valve) didefinisikan sebagai perubahan beda tinggi permukaan (beda tinggi permukaan cairan di dua tangki) yang diperlukan untuk menimbulkan suatu satuan perubahan laju aliran; sehingga:
5 (𝑠 + 1)3
𝑅 = 𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑏𝑒𝑑𝑎 𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 (𝑚) 𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 (𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘𝑚3 ) 𝑅 =𝑑𝐻 𝑑𝑄 = 𝐻 𝑄
Kapasitansi tangki didefinisikan sebagai perubahan dari jumlah cairan tersimpan yang menyebabkan perubahan satuan pada potensial (permukaan air). Kapasitansi tangki sama dengan luas penampang lintang. Potensial dalam hal ini merupakan tingkat energi dalam sistem, didefinisikan sebagai:
𝐶 =𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑐𝑎𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑠𝑖𝑚𝑝𝑎𝑛 (𝑚
3)
𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 (𝑚)
Perubahan volume cairan dalam tangki dirumuskan sebagai: 𝑑𝑉
𝑑𝑡 = 𝑞𝑖− 𝑞𝑜
Volume merupakan luas x tinggi, sehingga dapat ditulis: 𝑑(𝐴 × ℎ)
𝑑𝑡 = 𝑞𝑖− 𝑞𝑜
𝐴𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝑞𝑖 − 𝑞𝑜
Luas penampang dapat diganti dengan kapasitansi, sehingga:
𝐶𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝑞𝑖 − 𝑞𝑜 Resistansi dapat ditulis sebagai:
𝑅 =𝑑𝐻 𝑑𝑄 = ℎ 𝑞𝑜 atau: 𝑞𝑜 = ℎ 𝑅
Substitusikan persamaan di atas ke dalam persamaan kapasitansi:
𝐶𝑑ℎ
𝑑𝑡 = 𝑞𝑖 − ℎ 𝑅 Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
𝑅𝐶𝑑ℎ
𝑑𝑡 + ℎ = 𝑅𝑞𝑖
Transformasikan persamaan di atas ke dalam domain Laplace dengan kondisi awal nol:
𝑅𝐶𝑠𝐻(𝑠) + 𝐻(𝑠) = 𝑅𝑄𝑖𝑠
𝐻(𝑠) 𝑄𝑖(𝑠)=
𝑅 (𝑅𝐶𝑠 + 1) Dengan catatan, 𝐶 merupakan luas penampang tangki.
Jika 𝑞𝑜 sebagai output dengan input yang sama yaitu 𝑞𝑖 maka transfer function menjadi
𝑄0(𝑠) 𝑄𝑖(𝑠) =
1 (𝑅𝐶𝑠 + 1) Dimana kita menggunakan hubungan
𝑄0(𝑠) = 1
𝑅𝐻(𝑠)
b. Tuning PID dengan Metode Ziegler-Nichols
1.) Ziegler-Nichols I
Pada metode Ziegler-Nichols I, didapatkan respon open loop dari percobaan yang dilakukan dengan input berupa sinyal step. Metode ini dapat diaplikasikan pada sistem open loop dengan respon input step yang menghasilkan kurva S seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7. Jenis respons ini adalah tipikal sistem orde pertama, seperti yang diinduksi oleh aliran fluida. Ini juga tipikal sebuah yang terdiri dari serangkaian sistem orde pertama. Respon ini dicirikan oleh dua parameter, L waktu tunda dan T konstanta waktu. Mereka dapat ditemukan dengan menggambar garis singgung respons langkah pada titik refleksinya (sloop maksimum) dan mencatat perpotongannya dengan sumbu waktu dan nilai kondisi tunak, seperti yang ditunjukkan pada gambar nomor 4.2 .
Prosedur Tuning PID:
1. Buat simulasi untuk sistem open loop dengan input step
2. Dari kurva yang didapatkan, tentukan lag time/dead time/ waktu tunda (L) dan waktu konstan atau waktu yang dibutuhkan respon untuk berubah (𝑇), dan waktu steady state (𝐾) untuk perubahan sinyal step
3. Tentukan konstanta loop tuning berdasarkan Tabel 1 untuk menentukan nilai P, PI, atau PID yang sesuai.
Tabel 1 Perhitungan Konstanta Pengendali P, PI, PID
Pengendali 𝐾𝑝 𝑇𝑖 𝑇𝑑
P 𝑇
PI 0.9 𝑇 𝐿 𝐿 0.3 0 PID 1.2 𝑇 𝐿 2𝐿 0.5𝐿
Gambar 4.7 Respon open loop dengan dead time (kurva S)
Oleh karena itu, transfer function sistem (𝐶(𝑠)/𝑈(𝑠)) dapat didekati dengan sistem orde pertama dengan transportation lag. Sehingga model plant adalah:
Fungsi transfer pengendali PID menurut teori Ziegler-Nichols I: 𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝[1 + 1 𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠] 𝐺𝑐(𝑠) = 1.2𝑇 𝐿[1 + 1 2𝐿𝑠+ 0.5𝐿𝑠] 𝐺𝑐(𝑠) = 0.6𝑇(𝑠 + 1 𝐿) 2 𝑠 5.2. Persiapan Percobaan
1. Buka Matlab lalu buka Simulink. Catatan: pastikan sebelum memulai praktikum semua Simulink sudah dibuka. Lalu pilih blank model (kotak merah).
2. Lalu akan muncul tampilan seperti gambar di bawah ini dan pilih library browser
3. Pada library browser cari step, transfer function, scope double klik hingga muncul di lembar kerja atau klik kanan import. Buatlah diagram blok seperti gambar di bawah ini.
4. Klik run dan Cek apakah terjadi error saat dirun. Lalu akan muncul gambar respon seperti di bawah ini. Gunakan running time dengan nilai > 20 sekon.
1. Lakukan modifikasi block diagram sesuai dengan gambar di bawah ini.
2. Beri nilai Kp = 0.4. Dengan mengambil plot respon output dengan input terhadap waktu, catat nilai steady state, nilai error steady state, waktu ketika steady state, dan nilai rise time. Nilai rise time merupakan waktu yang dibutuhkan sistem dari 10% sampai 90% dari nilai steady state di mana sistem dianggap sistem overdamped (Ogata, Katsuhito).
3. Ulangi percobaan di atas untuk dua nilai Kp yang berbeda hingga mendapatkan respon yang menurut Anda paling baik.
5.4 Pengendali Loop Tertutup
5.4.1 Pengendali Loop Tertutup (Proporsional)
1. Lakukan modifikasi block diagram sesuai dengan gambar di bawah ini.
2. Untuk nilai Kp = 20, catat nilai steady state, nilai error steady state, waktu ketika steady state, dan nilai rise time.
3. Ulangi percobaan di atas dengan dua nilai Kp yang berbeda hingga mendapatkan respon yang menurut Anda paling baik.
5.4.2 Kendali Proporsional dan Integral
1. Susun block diagram pada Simulink seperti pada gambar di bawah ini.
2. Gunakan nilai Kp = 1 dan Ti = 1. Dengan mengambil plot respon output dengan input terhadap waktu, catat nilai steady state, nilai error steady state, waktu ketika steady state, dan nilai rise time. Nilai rise time merupakan waktu yang dibutuhkan sistem dari 10% sampai 90% dari nilai steady state di mana sistem dianggap sistem overdamped (Ogata, Katsuhito).
3. Ulangi percobaan di atas dengan dua nilai Kp dan Ti yang berbeda hingga mendapat respon yang menurut Anda paling baik.
5.4.3 Pengendali Proporsional dan Derivatif
1. Susun block diagram pada Simulink seperti pada gambar di bawah ini.
2. Gunakan nilai Kp = 20 dan Td = 1. Dengan mengambil plot respon output dengan input terhadap waktu, catat nilai steady state, nilai error steady state, waktu ketika steady state, dan nilai rise time. Nilai rise time merupakan waktu yang dibutuhkan sistem dari 10% sampai 90% dari nilai steady state di mana sistem dianggap sistem overdamped (Ogata, Katsuhito).
3. Ulangi percobaan di atas dengan dua nilai Kp dan Td yang berbeda hingga mendapat respon yang menurut Anda paling baik.
5.5 Perancangan PID Metode Ziegler-Nichols 5.5.1 Ziegler-Nichols I
1. Diketahui grafik respon sistem (kurva s) seperti gambar di bawah ini.
2. Berdasarkan langkah – langkah pada dasar teori percobaan (subbab 5.1) lakukan analisa grafik seperti pada gambar 4.2. Dari grafik di atas diketahui nilai dari K = 1 , L = 1 dan T = 5.
3. Selanjutnya lakukan perhitungan dengan parameter PID dengan aturan Ziegler-Nichols metode I.
4. Buatlah persamaan model sistem dan PID controllers berdasarkan persamaan pada dasar teori
Sehingga model plant adalah:
𝐺(𝑠) = 1𝑒
−𝑠
5𝑠 + 1
Dengan pengendali PID menurut teori Ziegler-Nichols I, fungsi transfer open loop menjadi: 𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝[1 + 1 𝑇𝑖𝑠 + 𝑇𝑑𝑠] 𝐺𝑐(𝑠) = 1.2𝑇 𝐿[1 + 1 2𝐿𝑠+ 0.5𝐿𝑠] 𝐺𝑐(𝑠) = 0.6𝑇 (𝑠 +1𝐿) 2 𝑠 = 3 (𝑠 +11) 2 𝑠 = 3(𝑠 + 1)2 𝑠
5. Buatlah diagram blok seperti pada gambar di bawah ini dan perhatikan grafik respon sistem setelah diberikan PID controllers. Berikan nilai Kp, Ki, Kd sesuai dengan perhitungan yang didapatkan dari tabel Ziegler-Nichols I.
6. Perhatikan respon sistem apakah mengalami perbaikan? Dengan membuka Scope dan mengaktifkan kursor, dapat dilakukan pengecekan nilai overshoot dan settling time yang diperoleh.
