PID

z
FEEDBACK AND
FEEDFORWARD
CONTROL
PENGENDALIAN PROSES
Instrumentasi Sistem Pengendali

z
TOPIK PEMBELAJARAN
 Prinsip Pengendalian Proses
 Feedback Control dan Mekanisme
 Elemen-elemen Pengendali Umpan Balik
 Jenis-jenis Pengendali Umpan Balik

 Perhatikan : Proses pemanasan
dalam alat penukar panas (HE) :
Gambar 1. Proses pemanasan cairan
dalam penukar panas
 Tujuan proses :
Memanaskan aliran minyak
hingga suhu tertentu.
 Minyak dingin masuk ke HE
dan dipanaskan oleh aliran air
panas.
 Suhu minyak keluar
menunjukkan hasil kerja
proses pemanasan.
Prinsip Pengendalian Proses

Gambar 1. Proses pemanasan
cairan dalam penukar panas
Suhu minyak keluar disebut :
 Nilai proses (process value),
 variabel proses (process
variable), atau
 variabel keluaran (output
variable) sistem proses.
Tout
Tin
Pada proses ini :
 Peningkatan suhu minyak dingin
menjadi panas terjadi karena
perpindahan panas dari aliran air
panas ke minyak dingin.
Prinsip Pengendalian Proses (lanjutan…)

Pada proses ini, proses pemanasan
dipengaruhi oleh:
a. laju aliran minyak masuk,
b. suhu minyak masuk,
c. laju alir air panas,
d. suhu air panas, dan
e. kehilangan panas ke lingkungan.
Tout
Tin
 Dengan kata lain, suhu minyak keluar dipengaruhi oleh ke lima
besaran tersebut.
 Ke lima besaran itu disebut : Variabel masukan sistem proses,
yaitu besaran yang mempengaruhi variabel keluaran (suhu minyak
keluar).
Prinsip Pengendalian Proses (lanjutan….)

Gambar 1.3 Diagram blok sistem proses pemanasan minyak
d
y
Proses
m
 Perubahan suhu air panas bersifat
sebagai gangguan murni (bukan
beban proses) karena bertindak
sebagai pemanas.
 Sedangkan laju alir air panas yang
digunakan sebagai pengendali
suhu disebut sebagai variabel
pengendali atau termanipulasi
(manipulated variable).

d y
Controller Mechanism
Controller Final Control
elemen
Proses
Measuring
Device
ySP 

 m
ym
C
Mekanisme pengendalian umpan balik (feedback control). :
 Dimulai dengan mengukur suhu minyak keluar.
 Hasil pengukuran dibandingkan dengan nilai yang diinginkan
(setpoint).
 Berdasar perbedaan keduanya ditentukan tindakan apa yang
akan dilakukan.
− Bila suhu minyak keluar lebih rendah dibanding suhu yang
diinginkan, maka laju aliran air panas diperbesar.
− Dan sebaliknya, laju aliran air panas diperkecil.

 Pada pengendalian otomatik:
 Yang menjalankan mekanisme pengendalian diperankan
oleh instrumen.
 Instrumen yang diperlukan dalam pengendalian suhu :
a. Unit pengukuran suhu (sensor dan transmitter suhu).
b. Pengendali suhu (temperature controller) dan
c. katup kendali (control valve).
 Ketiga komponen ini bersama dengan sistem proses
(penukar panas) membentuk lingkar pengendalian umpan
balik (feedback control loop) atau sistem lingkar tertutup
(closed-loop system).

 Mekanisme pengendalian lingkar tertutup (close loop) dapat dijelaskan
melalui gambar berikut.

 Prinsip pengendalian suhu tersebut di atas berlaku umum
untuk semua pengendalian proses umpan balik.
 Pada pengendalian umpan balik, terdapat empat fungsi
dasar, yaitu:
 mengukur (measurement),
 membandingkan (comparision),
 menghitung (computation, decision, atau evaluation) dan
 mengoreksi (correction atau action).

Mengukur Membandingkan
Suhu T dengan
nilai setpoint
(TSP)
Menghitung Mengoreksi
Suhu Cairan
keluar (T)
Jika T>TSP , perkecil pemanas Perkecil bukaan katup
Jika T<TSP , perbesar pemanas Perbesar bukaan katup
Tabel 1.1. Contoh 4 fungsi dasar pengendalian

 Untuk menyederhanakan presentasi sistem pengendali umpan baik,
digunakan simbol-simbol, sebagai berikut :
 FC : flow control
 PC : pressure control
 LC : liquid-level control
 TC : temperature control
 CC : composition control

Elemen-elemen Pengendali Umpan Balik
1. Proses
Peralatan untuk operasi baik fisika maupun kimia. Misal : tangki, heat
exchanger, reaktor, separator, dll.
2. Instrumen alat ukur atau sensor
 Termokopel : untuk temperatur
 Bellow atau diaphragma : untuk tekanan atau level cairan
 Orifice plat : untuk aliran
 Gas Chromatography atau berbagai jenis spectroscopic analyzer :
untuk komposisi.
1
3
3
4
5

Jenis-jenis Pengendali Umpan Balik
 Unit pengendali merupakan "otak" sistem dalam pengendalian.
 Pengendali adalah piranti yang melakukan perhitungan atau evaluasi
nilai error menurut algoritma kendali.
 Evaluasi yang dilakukan berupa operasi matematika seperti,
penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, integrasi dan
diferensiasi.
 Hasil evaluasi berupa sinyal kendali yang dikirim ke unit kendali
akhir.
 Sinyal kendali berupa sinyal standar yang serupa dengan sinyal
pengukuran.
Algoritma
Kendali
ySP 
−

Variabel proses
C Sinyal kendali
(controller output)
Error
Setpoint

Jenis-jenis Pengendali
Umpan Balik:
1. Proportional Controller
(P-Controller)
2. Proportional-Integral Controller
(PI-Controller)
3. Proportional-Integral-
Differential Controller
(PID-Controller)

1. Proportional Controller (P-Controller)
Output penggeraknya (actuating output) sebanding dengan error
Algoritma
Kendali
ySP 
−

Variabel proses
C Sinyal kendali
(controller output)
Error
Setpoint
    s
C c
t
K
t
c 

 ……………………… (1)
Dengan : KC = proportional gain dari controller
CS = sinyal bias controller (yaitu : actuating signal jika  = 0)

 Suatu Proportional Controller digambarkan dengan nilai proporsional
gainnya (KC) atau ekivalen dengan proportional bandnya (PB) :
C
K
PB
100
  Nilai PB biasanya : 1  PB  500
 Dari pers di atas, Semakin besar nilai Kc semakin kecil nilai PB
 Fungsi transfer dari P-Controller :
Deviasi c*(t) sinyal penggerak (actuating signal) adalah
    s
c
t
c
t
c 


……………………… (2)
   
t
K
t
c C 



 Tranformasi Laplace dari Pers (2) :
……………........….……… (3)
 
   
   
 
t
K
t
K
t
c C
C 




L
L
L .
   
s
K
s
c C 


Pers (3) : Fungsi Transfer dari P-Controller
   
s
K
s
c C 


 
 
 
.
C
C K
s
s
c
s
G 



……………………… (4)

2. Proportional Integral Controller (PI-Controller)
 Biasanya disebut : Proportional – plus – reset controller
 Hubungan antara sinyal penggerak (actuating signal) dengan error
didefenisikan:
      s
t
I
C
C c
dt
t
K
t
K
t
c 



 
0

Dengan : KC = proportional gain dari controller
CS = sinyal bias controller (yaitu : sinyal aktual jika  = 0)
I = konstanta waktu integral (integral time constant) atau
reset time (dalam menit).
Nilainya : 0,1  I  50 menit
…………… (5)

 Sejumlah pabrik tidak menkalibrasi kontrollernya dalam bentuk I ,
tetapi dalam bentuk resiprokal, ( 1/I ) (repeat per-minutes) atau
dikenal dengan “reset rate”.
 Gambar 3.4 menunjukkan respon output controller dari hasil
perhitungan Pers. (4).
 Dari Gambar tsb. Dapat
dilihat bahwa output controller
pada awalnya adalah
sebesar KC  (kontribusi suku
integral = 0).
 Setelah beberapa periode I
(menit), kontribusi suku
integral adalah :
  




 C
I
I
C
I
C
K
K
dt
t
K I




0
………… (6)

 Dari pers. (6), aksi pengendali integral memiliki “perulangan
(repeated)” respon dari aksi proporsional. Perulangan ini berlangsung
setiap I menit dan/ sehingga disebut : Reset Time.
 Reset time adalah: waktu yang dibutuhkan oleh controller untuk
mengulangi aksi proporsional awal akibat perubahan outputnya.
 Aksi intehral menyebabkan output controller, c(t) berubah selama
error masih eksis dalam output proses. Jadi pengendali jenis ini
dapat mengeliminasi setiap error yang kecil.
 Fungsi transfer dari PI-Controller :
Deviasi c*(t) sinyal penggerak (actuating signal) adalah
    s
c
t
c
t
c 


     
     




















t
I
C
C
s
s
t
I
C
C
dt
t
K
t
K
t
c
c
c
dt
t
K
t
K
t
c
0
0



 
   
   









 

t
I
C
C dt
t
K
t
K
t
c
0

L
L
L
     
s
s
K
s
K
s
c
I
C
C





.
.

   
s
s
K
s
c
I
C 










1
1
   
  










s
K
s
s
c
s
G
I
C
C

1
1 ……………….. (6)
 Fungsi transfer dari PI-Controller
:

3. Proportional Integral Derivative Controller (PID-Controller)
 Dalam prakteknya di industri, pengendali jenis ini dikenal sbg :
Proportional – plus – reset plus rate controller
 Output controller ini diberikan dengan persamaan:
      s
D
C
t
I
C
C c
dt
d
K
dt
t
K
t
K
t
c 





  
 0
…......… (7)
Dengan : D = konstanta waktu derivatif (menit)
 Dengan kehadiran suku derivatif (d/dt ), PID controller
mengantisipasi apakah error akan ada dalam waktu dekat dan
menggunakan aksi pengendalian yang sebanding dengan laju
perubahan error

 Kelemahan utama aksi pengendali derivatif antara lain adalah :
1. Untuk respon dengan konstanta error bukan nol menghasilkan
tanpa aksi pengendalian, karena d/dt = 0.
 Fungsi transfer dari PID-Controller :
Dari pers. (7), fungsi transfer PID-Controller adalah :
   
  











s
s
K
s
s
c
s
G P
I
C
C 

1
1 …………….. (8)

 Sensor (elemen perasa atau pengindera) adalah piranti
yang merespon rangsangan fisik.
 Alat/unit ini disebut detecting element (elemen pendeteksi)
atau elemen primer.
 Beberapa jenis alat ukur untuk aplikasi pengendalian proses
dapat dilihat pada Tabel 13.1
4. Alat ukur (Sensor)
 Alat/ unit pengukuran berfungsi mengubah informasi besaran
fisik terukur (variabel proses) menjadi sinyal standar.
 Unit ini terdiri atas dua bagian besar yaitu sensor dan
transmiter.

4. Alat ukur/ Sensor (lanjutan….)
 Transmiter yaitu piranti yang
berfungsi mengubah energi
atau informasi yang datang
dari sensor menjadi sinyal
standar.
 Dua macam sinyal standar
yang sering dapat dipakai
yaitu :
a. sinyal listrik, dan
b. pneumatik.

 Dalam beberapa hal, lebih sederhana memasukkan sensor dalam
blok transmiter,
− sehingga dalam arti sempit, transmiter adalah instrumen yang
mengukur besaran fisik dan mengirimkannya dalam bentuk
sinyal pengukuran standar.

 Bila besaran fisik bertambah besar, maka sinyal pengukuran
juga akan bertambah besar (bersifat direct acting).

a). Flow Sensor
 Flow sensor yang paling umum digunakan dalam praktek industri
adalah alat yang dapat mengukur gradien tekanan pada penampang
aliran. Contohnya : Orifice plate, Venturi tube dan Dall Flow Tube
 Turbin flow meter menggunakan jumlah revolusi turbin untuk
mengukur laju alir secara cukup akurat.

a). Flow Sensor (lanjutan….)
 Flow sensor memiliki dinamika yang sangat cepat, dan biasanya
dimodelkan dengan persamaan aljabar :
p
Flow 
  …………….……….. (9)
Dengan  = konstanta yang ditentukan oleh karakteristik
konstruksi flow sensor. p = perbedaan tekanan antara titik
pada upstream dan downstream.

b). Pressure or pressure-actuated sensors
 Sensor jenis ini digunakan untuk mengukur tekanan suatu
proses atau perbedaan tekanan digunakan untuk menghitung
level cairan atau laju alir (orifice plate, venturi tube).
 Contoh : Variable capacitance differential pressure transducer
(Gambar 11A.2).
 Pada alat ini, perbedaan tekanan menyebabkan pergerakan
sensing diaphragm. Posisi sensing diaphragm dideteksi oleh
plate capacitor yang terdapat pada kedua sisi diaphragma.
 Beda kapasitansi antara sensing diaphragm dan capacitor
plate dikonversi menjadi arus DC.

b). Pressure or pressure-actuated sensors (lanjutan…)
 Neraca gaya di sekitar sensing diaphragm mengikuti model orde
kedua :
…………….……….. (10)

c). Temperature sensors
 Yang paling umum adalah : Thermocouple, resistance bulb
thermometer, dan thermistor.
 Seluruh peralatan menghasilkan pengukuran dalam bentuk sinyal
listrik.
 Tidak bergantung pada perbedaan konstruksinya, kelakuan dinamik
dasar dapat ditentukan dalam bentuk profil temperatur (Gambar
13.6a dan b.
 Elemen pendeteksi temperatur selalu di dalam thermowell (Gambar
13.7).

c). Temperature sensors (lanjutan…)
 Dalam kasus –A (Gambar 13.6a), diasumsikan bahwa tahanan
utama terhadap heat transfer berada pada bagian luar thermowell
casing. Dengan demikian, dapat dimodelkan dengan sistem orde
satu.
…………….……….. (11)
 Dalam kasus –A (Gambar 13.6a), diasumsikan bahwa tahanan
utama terhadap heat transfer berada pada bagian luar thermowell
casing. Dengan demikian, dapat dimodelkan dengan sistem orde
satu.

 Dalam kasus –B (Gambar 13.6b), tahanan utama heat tranfer
adalah tahanan film baik disebelah dalam atau sebelah luar
thermowell casing.
 Nilai ini ekivalen dengan dua tangki kapasitansi yang disusun secara
seri.
 Kelakuan dinamik sistem ini menunjukkan orde-kedua yang
overdamped :
…………….……….. (12)
 Paramter  dan  bergantung pada konstruksi dan karakteristik
bahan peralatan pengukur temperatur.
 Respon model termokopel dengan Pers (12) lebih rendah dibanding
model termokoperl pada Pers. (11).

e). Composition Analyzer
 Contoh sensor jenis ini adalah Gas Chromatografi dan berbagai
jenis spectroscopic analyzer.
 Alat ini digunakan untuk mengukur komposisi cairan atau gas atau
dua komponen kunci atau seluruh komponen yang terdapat dalam
aliran proses.
 Gambaran dinamik composition analyzer adalah “time delay (waktu
keterlambatan) dalam responnya yang boleh jadi cukup besar.
 Jadi untuk kolom chromatografi, waktu yang dibutuhkan oleh sampel
untuk berpindah dari aliran proses ke kolom, plus waktu yang
dibutuhkan untuk berpindah dari kolom ke rspon, boleh jadi cukup
besar. Time delay yang lama akan menghasilkan ketidak efektifan
pengendalian.
 Karakteristik lainnya : (1) kehandalan operasinya rendah
(kalibrasinya mudah berubah), dan (2) biaya relatif tinggi.

5. Transmission Line (Garis Transmisi)
 Garis transmisi digunakan untuk membawa sinyal hasil pengukuran ke
controller dan sinyal controller ke final control element (control valve).
 Ada dua jenis transmission line, yaitu : pneumatic (udara atau cairan
terkompresi) dan listrik.
 Biasanya, kelakuan dinamik pneumatic transmission line dapat
diabaikan. Tetapi, jika asumsi di atas tidak berlaku, maka dapat
digunakan persamaan :
….……….. (13)
 Po = tekanan pada outlet, dan Pi = tekanan pada inlet

6. Final Control Elemen (Elemen Pengendali akhir)
 Unit kendali akhir bertugas menerjemahkan sinyal kendali
menjadi aksi atau tindakan koreksi melalui pengaturan
variabel pengendali atau variabel termanipulasi.
 Unit ini terdiri atas dua bagian besar, yaitu actuator dan
elemen regulasi.
 Actuator atau penggerak adalah piranti yang mampu
melakukan aksi fisik.
 Fungsinya mengubah sinyal kendali menjadi pengaturan
fisik untuk pengendalian variabel proses.
 Jenis penggerak yang penting dalam industri proses adalah
pneumatik, elektrik, dan hidrolik.

6. Final Control Elemen (Elemen Pengendali akhir)
 Katup kendali (control valve) merupakan unit kendali akhir yang
paling banyak dipakai di industri kimia.
 Piranti ini terdiri atas penggerak (actuator) dan katup (valve).
 Sebagai energi penggerak adalah udara tekan (pneumatik).
 Meskipun demikian kadang-kadang memakai penggerak listrik,
baik motor listrik (motorized valve) maupun solenoida (solenoide
valve).
 Bukaan katup diatur oleh penggerak.

 Fungsi katup kencali adalah mengatur laju alir.
 Prinsipnya adalah bertindak sebagai penyempitan variabel
(variable restriction) dalam perpipaan proses.
 Dengan mengubah bukaan akan mengubah hambatan,
sehingga laju alir berubah.
 Gambar 2.12 dan 2.13 manampilkan sebuah katup kencali dengan
penggerak pneumatik jenis air-to-close.
 Sinyal kendali 4-20 mA yang berasal dari pengendali elektronik
memerlukan sebuah transduser yang mengubah sinyal arus ke
tekanan udara (I/P) yaitu mengubah sumber udara tekan 20-25
psig (140-170 kPa) menjadi 3-15 psig (20 - 100 kPa).
6. Final Control Elemen (lanjutan…)

 Berdasar aksi katup oleh adanya perubahan tekanan udara,
katup kencali dibedakan menjadi dua macam, yaitu :
 air-to-open (AO) atau disebut fail-closed (FC) dan
 air-to-close (AC) atau disebut fail-open (FO).
 Pada jenis air-to-open, katup akan membuka jika mendapat
tekanan udara. Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan
pasokan udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan
menutup.
 Sebaliknya, pada jenis air-to close, katup akan menutup jika
mendapat tekanan udara.
 Atau dengan kata lain, bila terjadi kegagalan pasokan
udara hingga tekanan jatuh ke minimum, katup akan
membuka.

PID

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to PID

Similar to PID (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (9)

PID