Asro Pun’ Blog

Process Control : (1) Feedback Control

Posted by asro pada 3 Juni 2008

Tulisan ini merupakan bagian pertama dari beberapa tulisan berseri mengenai Process Control.

Apa itu process control? Bagi orang awam kata/istilah ini mungkin terasa asing, tetapi tidak bagi yang bekerja di industri proses (seperti kilang minyak, pabrik petro kimia, industri gas dan industri sejenis lainnya) atau bagi yang sedang/pernah mempelajari/meneliti/mengajar bidang studi ini.

Untuk memahami pengertian process control perhatikan gambar berikut ini.

 

Gambar diatas merupakan sebuah  tanki  pemanas  yang  digunakan  untuk  memanaskan  air.  Air  dingin  dengan  temperature  Ti  dialirkan  kedalam  tanki  dengan  kecepatan aliran  w.  Tanki  dilengkapi  dengan  pemanas berupa steam/uap  yang  selalu  memberikan   kalori  q  kedalam  tanki.  Air  panas  dengan  temperature  To  dialirkan  keluar  dari  tanki  dengan kecepatan aliran yang  sama  dengan  aliran  masuk  yaitu  w

Jika suatu waktu temperature  air   yang  keluar  menyimpang  dari  To,  maka  untuk mengembalikannya ke To dapat dilakukan dengan merubah jumlah kalori  yang  diberikan    pemanas. Untuk  keperluan  ini,  seorang  operator  ditugaskan  untuk  mengukur  temperature  air  yang  keluar ,  membandingkannya  dengan  To,  kemudian  melakukan  aksi  untuk  mengubah  jumlah  kalori  yang  masuk  ke  tanki  apabila  terjadi  penyimpangan  antara  temperature  yang  diukur  dan  To.

Pekerjaan  operator  tersebut  yaitu  mengukur  temperature  air,  membandingkan  dengan  harga  yang  dikehendaki  serta  melaksanakan  aksi  koreksi  terhadap  sistem  di  atas  disebut  control system,  dan  karena  dilakukan  terhadap  variabel  process  (flow,  pressure,  level  dan  temperature )  maka  disebut  process  control  system atau cukup dengan process control.

Agar  temperature  air  yang  keluar  tetap  berharga  To,  maka  operator  di  atas  harus  melaksanakan  pekerjaannya  secara  terus  menerus. Untuk lebih efisien dan efektif, maka  pekerjaan  operator  ini dapat  diganti dengan  menggunakan  peralatan  instrument,  seperti terlihat pada gambar berikut.

Sebuah  alat ukur  temperature/thermocouple (TT) digunakan untuk mengukur temperature air dalam tanki, sinyal dari thermocouple akan dikirim ke controller (TC). Controller membandingkan sinyal hasil pengukuran thermocouple dengan sinyal referensi, hasil pembandingan akan digunakan untuk mengubah jumlah kalori yang masuk ke tanki dengan jalan membuka atau menutup control valve (CV). Hal ini dilakukan secara terus  menerus sehingga nilai temperature air dalam tanki selalu constant.

Untuk mempermudah analisa dan design, maka interaksi antara semua variable dari sistem pada gambar diatas dapat digambarkan dalam bentuk block diagram berikut.

 

Dari block diagram diatas terlihat bahwa temperature dalam tanki To diukur oleh thermocouple kemudian dikembalikan ke comparator untuk dibandingkan dengan referensi/set point Tsp. Perbedaan antara Tsp dan To merupakan sinyal error yang akan digunakan oleh controller untuk melakukan aksi perbaikan yaitu dengan mengubah harga kalori q.  Karena dalam sistem ini  ada aksi umpan balik (feedback) dari output ke input maka sistem ini disebut juga feedback control (kontrol umpan balik).

Selain feedback control, dikenal juga feedforward control , cascade control dan lainnya, yang akan dibahas dalam seri selanjutnya dari tulisan ini.

Sebagai penutup tulisan ini, dapat disampaikan bahwa secara umum diagram blok feedback control dapat digambarkan seperti berikut.

 

Dari diagram ini terlihat elemen-elemen dalam process control adalah:

  • Plant: yaitu process yang akan dikontrol, mulai dari yang paling sederhana seperti sistem aliran, sistem temperature sampai dengan yang paling kompleks yang melingkup suatu unit proses.
  • Measurement element/Sensor : sistem pengukuran yang digunakan untuk mengukur variable process yang akan dikontrol (controlled variable).
  • Comparator : merupakan pembanding yang membandingkan control variable dengan set point.
  • Controller : yaitu elemen yang akan melakukan aksi koreksi terhadap deviasi antara aktual control variable dengan set point. Pada prakteknya comparator dan controller merupakan satu kesatuan.
  • Final control : merupakan penghubung antara controller dan plant, bisa berupa control valve, solenoid valve, dumper, relay dan sebagainya.

17 Tanggapan to “Process Control : (1) Feedback Control”

  1. Mas Asro,
    Saya sedang mendiskusikan tentang ketika error=0, atau pada kasus di atas perbedaan Tsp dan To adalah 0, Apakah dengan demikian Output Kontroller kuluaran dari PID = 0 pada kondisi steady state? Kemudian berapa signal dikirim ke control valve. Mas Asro punya banyak variance PID mungkin bisa disimulasikan.
    Terimakasih,

    Salam Process Control,
    Nova Kurniawan

  2. asro said

    Diskusi yang menarik. Saya pikir akan lebih baik jika kita bahas untuk masing-masing aksi P, I dan D.

    Kita mulai dengan P. Untuk Aksi P, Output = K x Error. Aksi P selalu ada offset-nya, jadi error tidak pernah = 0, sehingga output juga tidak pernah = 0. Walaupun ditambahkan bias untuk menghilangkan error, output tetap tidak sama dengan nol karena Output = K x Error + bias.

    Selanjutnya kita lihat aksi I. Output = (1/(Ti s))x Error. Integral error(yang ditandai dengan variable s pada penyebut), menyatakan akumulasi error, jadi bergantung juga dengan nilai error pada waktu sebelumnya, sehingga walaupun error saat ini = 0, dia tidak menyebabkan output sama dengan nol. Ini akan menjadi lebih jelas, jika kita perhatikan persamaan aksi I dalam bentuk diskrit berikut ini: output(saat ini)=output(sesaat sebelumnya)+error(saat ini)/Ti.

    Yang terakhir mari kita lihat aksi D. Output = Td x Error s. Derivatif error (yang ditandai dengan variable s pada pembilang), mengandung arti perubahan error pada saat itu. Walaupun error saat itu = 0, jika error sebelumnya tidak = 0, maka output tidak = 0. Untuk lebih memperjelas perhatikan persamaan aksi D dalam bentuk diskrit berikut: Output(saat ini)= Td x (error(saat ini) – error(sesaat sebelumnya)).

    Kesimpulannya untuk aksi PID, saat steady state output tidak sama dengan nol (kecuali jika setpointnya = 0), tetapi berada pada suatu nilai tertentu (dan tidak berubah alias tetap). Berapa signal yang dikirim ke Control Valve? Bergantung pada outputnya, yang jelas control valve tidak dalam kondisi menutup penuh (kecuali jika setpoint=0).

    Demikian penjelasan saya, semoga pertanyaannya bisa terjawab.

  3. asro said

    Sedikit tambahan atas penjelasan sebelumnya, untuk aksi PID, saat steady state, yang berperan tinggal aksi I, sedangkan pengaruh kedua aksi lainnya P, dan D sudah berkurang/hilang.

  4. Mas Asro,
    Jadi pada kondisi steady state pengaruh PD menjadi hilang, tinggal pengaruh I.
    Pada saat steady state dan Ti mendekati ~, apakah dengan demikian Output dari I mendekati 0?
    Apakah ini kemudian linear dengan opening control valve mendekati 0%?

    Saya membayangkan sistem pertukarang kalor seperti ini secara manual. Pada kondisi equilibrium kontrol valve diadjust secara manual pada n% untuk mendapatkan To pada set-point. Semua flow tetap, suhu steam dan Ti tetap. Maka dalam kondisi set-point itu control valve harus terbuka sebesar n%. Nah yang membuat saya agak bingung n% itu di dapat dari mana? ketika yang saya liat PID akan menghasilkan output mendekati 0%. Apakah ada suatu konstanta atau tambahan ‘sesuatu’ lagi pada output PID?

    Salam Process Control,
    Nova Kurniawan

  5. asro said

    Jika kita gunakan PID, maka pada saat steady state error bisa = 0, karena offset sudah dihilangkan oleh aksi I. Pada kondisi ini, output yang berasal dari komponen P dan D = 0, karena error dan delta error = 0, jadi yang berkontribusi terhadap output tinggal komponen I.

    Perhatikan kembali persamaan disktrit untuk I, output(saat ini) = output(sesaat yang lalu)+ error(saat ini)/Ti. Pada kondisi steady state dengan error = 0, maka berapapun Ti-nya, komponen error(saat ini)/Ti = 0, jadi tinggal output(saat ini) = output(sesaat sebelumnya). Jadi bukaan control valve sebesar n% itu didapat dari output/bukaan sebelumnya.

    Dari diskusi ini, saya lihat, yang membuat Nova bingung adalah karena Nova membayangkan aksi PID hanya berupa aksi P saja. Pada hal ada aksi lainnya yaitu I dan D, yang bersifat menyimpan energi, seperti kapasitor dan Induktor dalam rangkaian listrik. Walaupun power supply dihilangkan, tetap masih ada arus yang mengalir yang berasal dari kapasitor.

  6. Mas Asro,
    Jadi opening n% merupakan aksi dari komponen I.

    Bagaimana kalau kita lihat PID output ‘saat kemudian’:
    output (saat kemudian) = output (saat ini) + error (saat kemudian)/ Ti. Pada kondisi steady state error saat ini = 0, demikian juga error saat kemudian = 0. Sistem sudah menjadi statis.

    Sehingga :
    Output (saat kemudian) = 0 + 0 = 0, sehingga aksi komponen I (saat kemudian) adalah 0.
    Apakah dengan demikian pada saat kemudian output PID = 0? Bagaimana output PID akan diterjemahkan menjadi output controller ke control valve?

    Padahal ketika kita melihat process steady (ignore PID) kita pasti akan mendapati bahwa To adalah fungsi dari q. Dan nilai q akan linear dengan opening control valve. Pada nilai q tertentu itu, nilai To adalah pada nilai yang diinginkan set-point, sesuai dengan persamaan yang menghubungkan flow dengan temperature. Nilai q tertentu itu didapat dengan opening n% yang tetap sepanjang waktu steady state.

    Sehingga ketika diterapkan aksi kontrol PID pada saat steady state harus menghasilkan n%.

    Untuk berapa lama konduktor dan kapasitor bisa menghasilkan output berupa value ketika power supply di lepas?. Bukankah makin lama akan makin habis kalau tidak mendapatkan ‘feeding’. Ibaratnya PID pada ‘saat’ kemudian yang feedingnya error (saat kemudian) = 0, sehingga PID = 0.

    Kebingungan saya masih terbuka, bagaimana menghasilkan output sebesar n%? ketika PID sudah menjadi 0.

  7. asro said

    Output(saat kemudian) tidak = 0+0, tetapi = output(saat ini) + 0, output(saat ini)kan tidak = 0. Ingat, error(saat ini)=0 tetapi output-nya tidak=0. Kelihatannya ini yang membuat Nova bingung.

    Coba Nova bayangkan kembali sistem pertukaran kalor di atas, misalnya output(saat ini)= n%, karena kondisi steady state, maka error(saat ini)= error(saat kemudian)=0. Jadi output (saat kemudian) = output(saat ini) + error(saat kemudian)/Ti = n% + 0 = n%, dan kondisi ini akan berlangsung terus sampai ada gangguan yang masuk. Itu sebabnya mengapa pada steady state bukaan control valve tidak berubah.

    Untuk rangkaian konduktor-kapasitor diatas, jika power supply dilepas artinya setpointnya dibuat=0. Sehingga beberapa saat kemudian, arusnya akan habis (mencapai steady state).

  8. Mas Asro,

    I get the point, thank you very much

    Regards,
    Nova Kurniawan

  9. cukupipul said

    mas asro,

    alhamdulillah saya telah ujian skripsi…makasih atas tutorial dan bantuan yang mas kirim ke email saya…

    saya mau tanya lagi ni mas😀

    klo pengaruh PID terhadap output keluaran valve secara nyata itu apa yah…kalo menurut saya jika parameter yang kita masukkan sudah optimal akan mempercepat keluaran valve untuk lebih cepat mencapai steady state dan lain2(sesuai dengan respon PID)..

    klo menurut mas gmn?

  10. asro said

    Selamat buat Ipul atas keberhasilannya.
    Pengaruh PID terhadap keluaran valve? Pergerakan membuka atau menutup control valve mengikuti output PID, semakin cepat response PID, semakin capat juga pergerakan control valve (walaupun ada “lag” karena control valve memiliki sifat lembam).

  11. Kemal said

    mas bisa kirimkan tentang tutorial PID

  12. sedang mencari artikel mengenai konfigurasi pengendalian aliran, menemukan tulisan yang seperti ini. Saat ini sya belum terlalu paham apa yang dibahas dalam artikel ini tapi semoga suatu saat artikel ini dapat bermanfaat untuk saya.
    terima kasih…
    maaf comment-nya tidak nyambung dengan yang atas. hhhe :p

  13. hendra said

    Met pagi,
    Mas Asro,
    To the point : Untuk flow trasmitter ada yg memakai Temperature dan Pressure sebagai correction dan ada FT tanpa correction T & P. Klo boleh tahu dasar untuk itu apa?
    Matur suwun.

  14. bobi(boy) said

    met sore mas,,,,
    mas,saya boleh tanya2 tentang PID analog pakai op-amp lewat telpon?saya sedang membuat tapi bingung rangkaiannya ama rumus2 matematik dari P,I,n D….

  15. bobi(boy) said

    kalau gak bisa lewat telpon,bisa tnya lewat email mas,maw tanya tentang PID analog menggunakan op-amp????

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

 
%d blogger menyukai ini: