Di Chap. 8, representasi diagram blok dari sistem kontrol sederhana (Gambar 8-2) adalah
dikembangkan. Bab ini akan memusatkan perhatian pada kontroler dan elemen kontrol akhir
dan akan membahas karakteristik dinamik dari beberapa komponen yang umum digunakan. Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 8-2, sinyal input ke controller adalah kesalahan, dan
sinyal output dari kontroler diumpankan ke elemen kontrol akhir. Dalam banyak proses
sistem kontrol, sinyal output ini adalah tekanan udara, dan elemen kontrol akhir adalah
pneumatik katup yang membuka dan menutup sebagai tekanan udara pada perubahan diafragma.
Untuk analisis matematis dari sistem kontrol, itu sudah cukup untuk menganggap
kontroler sebagai komputer sederhana. Sebagai contoh, sebuah kontroler proporsional dapat dianggap
sebagai perangkat yang menerima sinyal kesalahan dan menempatkan sinyal sebanding untuk itu. Demikian pula, elemen kontrol akhir dapat dianggap sebagai perangkat yang menghasilkan korektif
tindakan pada proses. Tindakan korektif dianggap sebagai matematis terkait dengan sinyal output dari controller. Namun, hal ini diinginkan untuk memiliki beberapa penghargaan mekanisme fisik aktual yang digunakan untuk mencapai hal ini. Untuk alasan ini, kita mulai bab ini dengan deskripsi fisik dari katup kontrol pneumatik dan disederhanakan deskripsi controller proporsional. Sampai sekitar tahun 1960, sebagian besar pengendali yang pneumatik.
Meskipun pengendali pneumatik masih digunakan dan berfungsi dengan baik di banyak instalasi, pengendali yang
dipasang hari ini adalah instrumen elektronik atau berbasis komputer. Untuk alasan ini, proporsional
pengontrol yang akan dibahas dalam bab ini akan elektronik atau berbasis komputer. Itu
fungsi pemindahan yang disajikan dalam bab ini berlaku untuk kedua jenis kontroler, dan diskusi sama sekali tidak membatasi. Perangkat pneumatik lain, seperti katup kontrol,
ditemukan di seluruh pabrik pengolahan kimia dan merupakan bagian yang sangat penting dari kimia
sistem kontrol proses. Setelah pembahasan pendahuluan, alih fungsi akan disajikan untuk disederhanakan atau ideal versi katup kontrol dan pengendali konvensional. Ini
fungsi transfer untuk tujuan praktis, cukup akan mewakili perilaku dinamis katup kontrol dan pengendali. Oleh karena itu, mereka akan digunakan dalam bab-bab berikutnya
untuk analisis matematika dan desain sistem kontrol.
Control Valve
Katup kontrol ditunjukkan pada Gambar. 9-1 berisi perangkat pneumatik (katup bermotor) yang
bergerak batang katup sebagai tekanan pada pegas diafragma perubahan. Batang
posisi plug dalam lubang tubuh katup. Pada katup udara-ke-dekat, seperti udara tekanan meningkat, steker bergerak ke bawah dan membatasi aliran fluida melalui
katup. Pada katup udara-ke-terbuka, katup terbuka dan memungkinkan aliran yang lebih besar sebagai katup-top meningkatkan tekanan udara. Pilihan antara udara-ke-terbuka dan udara-ke-close biasanya dibuat berdasarkan pertimbangan keselamatan. Jika tekanan udara instrumen gagal, kita ingin katup gagal dalam posisi yang aman untuk proses tersebut. Sebagai contoh, jika katup kontrol berada dipendinginan air masuk ke jaket pendingin untuk reaktor kimia eksotermis, kita akan
ingin katup gagal terbuka sehingga kita tidak kehilangan aliran air pendingin ke reaktor. Di
situasi seperti ini, kita akan memilih katup udara-ke-dekat. Motor katup sering dibangun sehingga posisi batang katup proporsional tekanan katup-top.
Kebanyakan katup komersial bergerak dari terbuka untuk menutup sepenuhnya sebagai tekanan katup-top perubahan dari 3 sampai 15 psig.
Secara umum, laju aliran cairan melalui katup tergantung pada hulu dan tekanan cairan hilir dan ukuran pembukaan melalui katup. Plug dan
kursi (atau lubang) dapat dibentuk sehingga berbagai hubungan antara posisi batang dan
ukuran pembukaan (maka, flow rate) yang diperoleh. Dalam contoh kita, kita berasumsi untuk kesederhanaan bahwa pada kondisi mapan aliran (untuk tetap hulu dan hilir tekanan fluida) sebanding dengan katup-top tekanan pneumatik. Sebuah katup memiliki hubungan ini disebut
katup linier. Sebuah diskusi yang lebih lengkap katup kontrol disajikan dalam Chap. 19.
Pengawas
Kontrol hardware yang dibutuhkan untuk mengontrol suhu aliran panas meninggalkan sebuah
penukar ditunjukkan pada Gambar. 9-2. Hardware ini terdiri dari komponen-komponen berikut
tercantum di sini bersama dengan konversi masing-masing: Transducer (suhu ke arus)
Komputer / Controller (arus ke arus) Converter (arus ke-tekanan)
Katup kontrol (tingkat tekanan-to-aliran)
Gambar 9-2 menunjukkan bahwa termokopel digunakan untuk mengukur suhu; sinyal
dari termokopel dikirim ke transduser, yang menghasilkan arus keluaran dalam kisaran 4 sampai 20 mA, yang merupakan fungsi linear dari input. Output dari transduser
menghasilkan sinyal error. Itu
komputer / controller mengkonversi kesalahan untuk sinyal output dalam kisaran 4 sampai 20 mA dalam sesuai dengan algoritma kontrol komputer. Satu-satunya algoritma kontrol yang kita miliki
dianggap sejauh ini telah proporsional. Kemudian dalam bab ini algoritma kontrol lainnya
akan dijelaskan. Output dari komputer / controller memasuki converter, yang menghasilkan output dalam kisaran 3 sampai 15 psig, sebagai fungsi linear dari input. Akhirnya,
output tekanan udara konverter dikirim ke bagian atas katup kontrol, yang menyesuaikan aliran uap ke penukar panas. Kami berasumsi bahwa katup linier dan merupakan jenis udara-ke-terbuka. Kekuatan eksternal (120 V) yang
diperlukan untuk setiap komponen juga
ditunjukkan pada Gambar. 9-2. Listrik yang dibutuhkan untuk transduser, komputer / controller, dan
converter. Sebuah sumber dari 20 psig udara juga diperlukan untuk converter. Untuk melihat bagaimana komponen berinteraksi satu sama lain,
mempertimbangkan proses yang akan beroperasi pada steady state dengan suhu keluar sama dengan set point. Jika suhu
dari aliran menurun proses dingin, peristiwa berikut terjadi: Setelah beberapa menunda termokopel mendeteksi penurunan suhu keluar dan menghasilkan perubahan proporsional dalam sinyal ke controller. Begitu controller mendeteksi penurunan suhu, relatif terhadap set point, meningkat output pengontrol sesuai untuk bertindak proporsional. Peningkatan sinyal untuk converter menyebabkan tekanan keluaran
dari converter untuk meningkatkan dan membuka katup yang lebih luas mengakui aliran yang lebih besar dari aliran proses panas. Peningkatan aliran arus panas akhirnya akan meningkatkan output
suhu dan memindahkannya menuju set point. Dari deskriptif kualitatif ini, kita melihat
bahwa aliran sinyal dari satu komponen ke yang berikutnya adalah sedemikian rupa sehingga suhu keluar penukar panas harus kembali menuju set point. Sebuah P & ID setara
(Perpipaan dan diagram instrumentasi) untuk sistem kontrol ini ditunjukkan pada Gambar. 9-3 (untuk P & ID simbol lainnya, lihat App. 9A). Dalam sistem kontrol dengan baik-tuned, respon suhu akan berosilasi di sekitar titik set sebelum datang ke steady state. Kami akan
memberikan perhatian yang cukup besar terhadap respon sistem kontrol dalam sisanya
buku ini. Pembahasan lebih lanjut juga akan diberikan pada katup kontrol di Chap. 19.
Untuk kenyamanan dalam menggambarkan berbagai undang-undang kontrol (atau algoritma) di akhirat bagian dari bab ini, transduser, controller, dan konverter akan disatukan dalam satu
blok, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9-4.
mentransfer fungsi untuk perangkat tersebut. Alih fungsi ini, terutama untuk pengendali,
didasarkan pada perangkat yang ideal yang dapat diperkirakan hanya dalam praktek. Tingkat
pendekatan cukup baik untuk menjamin penggunaan alih fungsi ini untuk menggambarkan
perilaku dinamis dari mekanisme kontrol untuk keperluan desain biasa. 9.2 FUNGSI TRANSFER IDEAL
Control Valve
Sebuah katup pneumatik selalu memiliki beberapa lag dinamis, yang berarti bahwa posisi batang
tidak merespon instan untuk perubahan tekanan yang diterapkan dari controller. Dari percobaan yang dilakukan pada katup pneumatik, telah ditemukan bahwa hubungan
antara aliran dan tekanan katup-katup atas untuk linear sering dapat direpresentasikan
oleh fungsi transfer orde pertama; demikian
di mana K v adalah gain steady-state, yaitu, konstanta proporsionalitas antara SteadyState yang
rate dan tekanan katup-top mengalir, dan tv adalah waktu yang konstan dari katup.
Dalam banyak sistem praktis, waktu yang konstan dari katup sangat kecil jika dibandingkan dengan konstanta waktu dari komponen lain dari sistem kontrol, dan
fungsi transfer katup dapat didekati dengan constant.Under kondisi ini, katup dikatakan untuk berkontribusi diabaikan lag dinamis.
Untuk membenarkan perkiraan katup cepat dengan fungsi transfer, yang hanya K v, mempertimbangkan katup orde pertama dan proses orde pertama
dihubungkan secara seri, seperti
ditunjukkan pada Gambar. 9-5 Menurut pembahasan Chap.. 6, jika kita asumsikan tidak ada interaksi (yang umumnya
berlaku untuk kasus ini), hubungan antara tekanan udara ke katup dan output dari proses (mungkin suhu reaktor) adalah
sehingga kombinasi proses dan katup pada dasarnya adalah orde pertama. Ini jelas menunjukkan
bahwa ketika waktu yang konstan dari katup jauh lebih kecil daripada proses, fungsi transfer katup dapat diambil sebagai K v.
Sebuah katup pneumatik khas memiliki konstanta waktu dari urutan 1 s. Banyak industri
proses berperilaku sebagai sistem orde pertama atau sebagai serangkaian sistem orde pertama memiliki
konstanta waktu yang dapat berkisar dari satu menit sampai satu jam. Untuk sistem ini kita harus
pendekatan. Controller
Pada bagian ini, kami menyajikan fungsi transfer untuk kontroler yang sering digunakan dalam
proses industri. Karena transduser dan konverter akan disatukan
dengan controller untuk kesederhanaan, hasilnya adalah bahwa masukan akan menjadi variabel diukur
x (misalnya, suhu dan tingkat cairan) dan output akan menjadi sinyal p pneumatik.
(Lihat Gambar. 9-4.) Sebenarnya bentuk ini (x sebagai input dan sebagai output p) berlaku untuk pneumatik a
kontroler. Untuk kenyamanan, kami akan mengacu pada komponen disamakan sebagai controller
dalam pembahasan berikut, meskipun controller elektronik sebenarnya hanyalah salah satu dari
komponen.
KONTROL PROPORSIONAL. Jenis paling sederhana dari kontroler adalah kontroler proporsional.
(Kontrol ON / OFF adalah benar-benar sederhana, tetapi merupakan kasus khusus dari proporsional
kontroler seperti yang akan kita lihat segera.) Tujuan kami adalah untuk
mengurangi kesalahan antara keluaran proses dan set point. The proporsional controller, seperti akan kita lihat, dapat mengurangi kesalahan, tetapi tidak dapat menghilangkan itu. Jika kita dapat menerima beberapa kesalahan residu, proporsional kontrol dapat menjadi pilihan yang tepat untuk situasi ini.
The pengendali proporsional hanya memiliki satu parameter disesuaikan, gain kontroler.
The pengendali proporsional menghasilkan sinyal output (tekanan dalam kasus pneumatik a
controller, saat ini, atau tegangan untuk pengendali elektronik) yang sebanding dengan
e error. Tindakan ini dapat dinyatakan sebagai
dimana p? sinyal output dari controller, psig atau mA K c? gain proporsional, atau sensitivitas
e? kesalahan? (Set point)? (Diukur variabel)
p s? a, output steady-state konstan dari controller [nilai bias, lihat Pers. (8.19) dan (8.23)]
The e error, yang merupakan perbedaan antara set point dan sinyal dari pengukur
elemen, mungkin dalam setiap unit yang sesuai. Namun, unit set point dan variabel yang diukur harus sama, karena kesalahan adalah perbedaan antara kuantitas.
Dalam controller memiliki keuntungan disesuaikan, nilai gain K c dapat divariasikan dengan
Nilai ps adalah nilai dari sinyal output ketika e adalah nol, dan dalam kebanyakan pengendali
ps dapat disesuaikan untuk mendapatkan sinyal output yang dibutuhkan ketika sistem kontrol
adalah pada steady state dan e? 0.
Untuk mendapatkan fungsi transfer dari Eq. (9.3), pertama-tama kita memperkenalkan penyimpangan
variabel
ON / OFF KONTROL. Sebuah kasus khusus dari kontrol proporsional adalah on / off control. Jika gain
K c dibuat sangat tinggi, valve akan bergerak dari satu posisi ekstrem ke yang lain jika
Proses menyimpang hanya sedikit dari set point. Tindakan yang sangat sensitif ini disebut on /
off tindakan karena katup adalah baik terbuka penuh (atas) atau tertutup penuh (off); yaitu, katup
bertindak sebagai saklar. Ini adalah kontroler yang sangat sederhana dan dicontohkan oleh thermostat digunakan dalam sistem home-pemanas. Dalam prakteknya, sebuah band mati dimasukkan ke controller. Dengan band mati, kesalahan mencapai beberapa nilai positif yang terbatas sebelum controller "Menyala." Sebaliknya, kesalahan harus turun untuk beberapa nilai negatif yang terbatas sebelum controller "mati." Perilaku ini ditunjukkan pada Gambar. 9-7. Memperluas lebar Band mati membuat controller kurang peka terhadap
