Kontroler Proporsional plus Integral

Kontroler Proporsional plus Integral

Dasar Rasionil
Mengapa penting bagi anda untuk mempelajari pelajaran ini?
Kontroler P + I, bisa berupa pneumatic, elektronik, digital atau sebuah algoritma didalam prosesor DCS merupakan kontroler fundamental yang banyak dipakai di lup pengontrolan. Materi yang ada pada modul ini akan membantu siswa dapat mendefinisikan pemakaian, batasan, kelebihan dan kelemahan kontroler P + I.
Tujuan Pelajaran
Pada saat anda menyelesaikan modul ini, anda akan dapat….
Dengan mempelajari secara lengkap dan sukses pada unit ini siswa akan lebih mengenal tentang prinsip kerja kontroler P + I. Siswa akan dapt mengetahui tentang terminologi yang berhubungan dengan tipe

kontroler ini. Siswa akan mengenal batasan tipe kontroler ini dan juga mengenal kelebihan penguunaan kontroler ini pada lup pengontrolan. Siswa akan mengenal komponen-komponen tambahan yang diperlukan untuk memodifikasi kontroler mode P menjadi kontroler mode P+I.
Siswa akan dapat mengidentifikasi persamaan output kontroler P+I.
Siswa juaga akan dapat menggambar perbandingan antara variabel integral dalam persamaan dan variabel bias dalam persamaan kontroler P.
Tujuan Sasaran
Berikut ini adalah apa yang akan anda dapatkan setelah anda akan menyelesaikan setiap bahan..
1. Siswa dapat menjelaskan prinsip operasi dari Proporsional (P) dan Integral (I) Controller dan mengidentifikasi perbedaan utama dari prinsip operasi Pneumatik kontroller saja dengan Controller P+I dengan diagram kondisinya.

2. Menjelaskan dan membandingkan efek dari aksi integral dalam repeat per minutes dibandingkan dengan minutes per repeat.

3. Nyatakan persamaan output controller P + I dan membandingkannya dengan controller Proportional (P) saja.

4. Nyatakan keuntungan utama dan batasannya dari controller P + I. Nyatakan bagaimana rest wind-up dibatasi.

Prasyarat

II-207-03
Evaluasi Kerja
Untuk memperlihatkan bahwaanda sudah menguasai bahan berikut ini adalah apa yang akan anda tanyakan untuk dikerjahan..
Tugas modul yang di berikan harus di selesaikan dan dikumpulkan untuk penilaian.

Ketika menjawab pertanyaan Self-Test dalam modul maka koreksilah jawaban anda melalui petunjuk jawaban Self-Test untuk meyakinkan bahwa anda menguasai meteri modul tersebut.

Pendahuluan

Kontroler Proporsional plus integral (P+I) adalah kontroler yang sangat umum digunakan untuk pengontrolan industri proses. Kontroler ini sangat banyak digunakan di industri plant dan kebanyakan kontroler ini sangat efektif. Unit ini akan menjelaskan cara kerja kontroler P+I, terminologi yang berhubungan dengan kontroler ini juga kelemahan dan kelebihannya. Siswa akan dapat melihat bagaimana offset dapat dihilangkan oleh kontroler P+I, dan kontroler ini sering menjadi pilihan bagi kebanyakan lup pengontrolan.
Unit ini akan memfokuskan kontroler pneumatik P+I karena lebih mudah untuk dipahami. Siswa harus realistis bahwa cara kerja akan sama, baik itu kontroler pneumatik, elektronik dan digital.
Ada banyak konsep penting tentang kontroler P+I yang harus dipahami agar siswa benar-benar memahami metode operasinya. Dinasehatkan siswa mengenali prinsip perhitungan integral untuk benar-benar memahami karakteristik kontroler P+I.

TUJUAN ONE
Pada saat anda meyelesaikan modul ini anda akan dapat…
Siswa dapat menjelaskan prinsip operasi dari Proporsional (P) dan Integral (I) Controller dan mengidentifikasi perbedaan utama dari prinsip operasi Pneumatik kontroller saja dengan Controller P+I dengan diagram kondisinya.

Kegiatan Belajar
Lengkapi setiap activitas pelajaran seperti daftar dibawah ini..
• Menggambar dan memberi label diagram kontroler pneumatik proporsional ples integral.
• Mengidentifikasi komponen-komponen yang membedakan antara kontroler pneumatic proporsional dan kontroler pneumatik proporsional ples integral.
• Menjelaskan dengan bantuan diagram, prinsip kerja kontroler pneumatik proporsional ples integral.
• Menjelaskan pengaruh feedback positif pada kontroler dan menjelaskan bagaimana feedback ini bisa setel sehingga dapat menghasilkan aksi integral yang lebih besar atau lebih kecil.
Bahan Pelajaran

Kontroler PI
Diagram kontroler Pneumatik
Gambar 1 dibawah adalah sebuah diagram yang menunjukkan komponen-kompoen kontroler P+I sederhana. Perbandingan struktur kontroler PI dengan kontroler P saja telah didiskusikan pada modul sebelumnya.

Gambar 1: Kontroler PI Pneumatik Sederhana
Cara Kerja
Aksi integral sering disebut reset adalah mode kontroler yang membuat aksi koreksi dengan kecepatan perubahan yang sebanding dengan ukuran eror dan waktu terakhirnya. Hal ini dilakukan dengan menambah below feedback positif pada kontroler proporsional, seperti terlihat pada Gambar 1, dimana output akan terus menerus berubah sampai erornya dihilangkan atau sampai output kontroler berjalan pada range ekstrimnya.

Asumsi ada perubahan step atau tangga dimasukkan ke kontroler P+I sehingga PV akan melebii SP secara cepat (perubahan tangga naik secara vertikal pada gambar PV) dalam Gambar 1.

Ouput kontroler akan naik dengan segera karena ada aksi proporsional yang tergantung atas besarnya gain dan ukuran eror. Hal ini akan menghasilkan perbedaan tekanan pada valve restriksi integral. Pada saat beda tekanan turun, akan menaikkan gaya disebelah dalam below integral menyebabkan naiknya output diikuti oleh naiknya negatif feedback untuk mempertahankan kesetimbangan momen. Pada saat aksi integrasi ini terjadi, output kontroler selanjutnya naik jika dibandingkan hanya menggunakan aksi proporsional saja. Sehingga final control element bergerak lebih lanjut menyebabkan PV mendekati SP, beda tekanan pada valve integral juga akan mendekati nol.

Ketika PV sama dengan SP, kesetimbangan momen dicapai sehingga tekanan SP dan PV sama dan juga tekanan below negatif feedback sama dengan tekanan below integral. Jika PV turun dibawah SP, aksi kontroler menjadi sebaliknya.

Pada kontroler Gambar 1, pengaruh aksi integral dapat dinaikan atau diturunkan dengan menyetel kecepatan udara yang melewati valve restriksi menuju ke tangki kapasitas dan below feedback. Lebih cepat udara yang lewat ke below positif feedback, maka lebih besar output kontroler yang disebabkan aksi integral. Lebih lambat udara yang lewat, maka output lebih kecil yang disebabkan oleh aksi integral. Jika valve restriksi ditutup aksi integral tidak ada.

Tangki kapasitas menyebabkan delay pada akis integral karena kapasitasnya dan hal tersebut akan memberikan kestabilan pada pengontrolan. Kontroler PI, offset yang disebabkan aksi proporsional dihilangkan pada periode waktu tertentu. Kecepatan perubahan output korektif oleh mode integral dinyatakan dengan istilah perubahan output yang disebabkan oleh aksi proporsional itu sendiri; sehingga untuk suatu deviasi tertentu, perubahan output kontroler proporsional akan tergantung pada gain.
Aksi integral atau reset selalu dinyatakan dengan istilah waktu yang digunakan oleh aksi integral untuk mengulangi lagi output yang disebabkan oleh aksi proporsional setelah adanya perubahan tangga atau step dimasukkan. Waktu yang digunakan oleh aksi integral untuk mengulang aksi proporsional dikenal sebagai reset time, dinyatakan dalam menit.

TUJUAN TWO
Pada saat anda meyelesaikan modul ini anda akan dapat…
Menjelaskan dan membandingkan efek dari aksi integral dalam repeat per minutes dibandingkan dengan minutes per repeat.

Kegiatan Belajar
Lengkapi setiap activitas pelajaran seperti daftar dibawah ini..
• Membandingkan pengaruh output kontroler, tergantung atas apakah aksi integral dalam satuan repeat per menit atau menit per repeat.
• Menjelaskan pengaruh aksi integral pada gain keseluruhan dari kontroler.
• Menjelaskan kelemahan dan keterbatasan kontroler PI dan mengenal metode yang digunakan untuk mengurangi pengaruh reset windup.
Bahan Pelajaran

Aksi Integral
Definisi Reset Time
Aksi integral dapat dinyatakan dalam menit per repeat atau sebaliknya menit per repeat. Ketika menseting nilai aksi integral dalam kontroler, maka operator harus mengerti nilai reset yang digunakan.

Jika nilai integral dimasukkan kedalam kontroler dalam satuan repeat per menit atau misal 10 repeat per menit itu merupakan aksi integral yang besar. Namun bila diketahui sama dengan 0,01 repeat per menit berarti nilai integral itu kecil.

Oleh karena itu aksi reset dapat dimasukkan ke kontroler dengan salah satu dari dua cara tersebut, tergantung atas kontroler tersebut buatan mana. Jika reset dimasukkan sebagai menit per repeat, maka ini berarti waktu yang digunakan aksi integral mengulangi output proporsional. Dua kondisi tersebut digunakan pada definisi ini:
• Eror harus konstan.
• Lup harus terbuka.
Jika aksi reset dimasukkan sebagai repeat per menit, maka berarti jumlah waktu output proporsional diulangi pada span waktu satu menit. Dua kondisi yang sama tersebut diatas digunakan untuk definisi ini.

Sebab kuda kondisi diatas adlah berhubungan langsung. Jika eror berubah kedua output P dan I juga akan berubah. Jika lup tidak terbuka, tetapi tertutup, kontroler akan menggunakan feedback dan outputnya secara tetap akan mengatur sendiri untuk mengkompensasi erornya.

Penting perlu diketahui ialah bahwa definisi diatas adalah ”definisi” sederhana dan tidak merefleksikan bagaimana kerja dari kontroler pada saat operasi. Ketika kontroler beroperasi dalam lup pengontrolan, lup harus tertutup dan eror atau offset selalu berubah.
Positif Feedback
Aksi integral dijelaskan sebagai positif feedback. Dari mempelajari diagram diatas yaitu kontroler pneumatik PI dan membandingkannya dengan diagram kontroler P sebelumnya. Perlu diingat bahwa below aksi integral pada kontroler berlawanan dengan flapper beam dari negatif feedback kontroler. Oleh karena itu jika salah satu below memberikan negatif feedback, maka yang lain adalah posistif feedback.

Negatif feedback mempunyai efek menstabilkan pada kontroler. Bandingkan yang berosilasi konstan pada kontroler on-off dengan aksi proporsional yang smooth pada kontroler mode P. Ingat bahwa adanya negatif feedback akan menurunkan gain kontroler (proporsional dibandingkan dengan on-off). Sekarang adanya positif feedback dapat dengan mudah dilihat bahwa gain keseluruhan dari kontroler akan naik. Positif feedback atau aksi integral dapat menyebabkan efek destabilisasi pada kontroler, khususnya aksi integral yang besar. Hal ini sama dengan gain proporsional kontroler bila terlalu besar.

Reset pada aksi integral dapat divariasi dengan memanipulasi setelan valve integral. Jika restriksi valve dinaikkan (dengan asumsi PV diatas SP), maka tekanan below integral yang digunakan positif feedback akan naik lebih lambat dan output kontroler akan naik dengan kecepatan lebih rendah. Jika restriksi valve dibuka lebar, tekanan kedua below feedback akan naik hampir bersamaan sehingga feedback positif akan menunda efek negatif feedback dengan segera. Hal ini akan mengakibatkan reset time sangat pendek dan output kontroler berosilasi sama dengan kontroler on-off.
Aksi Integral dan Bias
Bandingkan kontroler PI dengan kontroler P pada unit sebelumnya. Perlu diingat bahwa below pada aksi integral menggantikan spring atau below bias. Bias mempunyai efek menghilangkan eror untuk satu dan hanya satu titik operasi proses. Kenyataan berikut adalah konsep sangat penting pada kontroler PI. Adanya aksi integral dalam kontroler akan menghilangkan eror diantara set point dan proses variabel. Adanya aksi integral akan menghilangkan offset untuk kebanyakan titik operasi proses, selama gangguan beban tidak mempengaruhi proses pada frekuensi yang tinggi.

Oleh karena itu secara umum kita berpikir bahwa aksi integral adalah sebagai ”bias yang mengapung”. Hal ini berarti bahwa nilai output kontroler dipengaruhi oleh aksi integral sampai waktu eror dihilangkan dan kemudian output kontroler memegang nilai terakhir yang ditentukan oleh aksi integral. Oleh karena itu kita mempunyai bias mengapung, dan eror diantara set point dan proses variabel akan dihilangkan.

TUJUAN THREE
Pada saat anda meyelesaikan modul ini anda akan dapat…
Nyatakan persamaan output controller P + I dan membandingkannya dengan controller Proportional (P) saja.

Kegiatan Belajar
Lengkapi setiap activitas pelajaran seperti daftar dibawah ini..
• Mengenal persamaan output untuk kontroler PI dan membandingkannya terhadap persamaan output untuk kontroler P.
• Dengan menggunakan grafik, mendiskusikan response lup terbuka pada perubahan 5% pada inputnya, dengan respek terhadap gain proporsional dan gain integral.
• Mendiskusikan efek keseluruhan penggunaan kontroler integral.
Bahan Pelajaran

Persamaan Output Kontroler
Persamaan Output
Persamaan tersebut dibawah adalah persamaan output kontroler dengan aksi integral:
mc = k{(e) + 1/Ti  k(e) dt}
atau:
mc = k(e) + k/Ti  (e) dt
dimana:
mc adalah output kontroler
k adalah gain kontroler proporsional
e adalah offset atau eror
Ti adalah integral time dalam menit per repeat
 e dt adalah integral eror dengan respek terhadp waktu

Atau persamaannya dapat ditulis kembali seperti bentuk berikut:
mc = k(e) + Ki  k e dt
atau:
mc = k(e) + k(Ki  e dt)
dimana:
mc adalah output kontroler
k adalah gain kontroler proporsional
e adalah offset atau eror
Ki adalah gain integral dalam repeat per menit
 e dt adalah integral eror dengan respek terhadap waktu

Perlu diingat bahwa Ki dan Ti adalah kebalikan atau;

Ki = 1/Ti
dan
Ti = 1/Ki

Persamaan yang digunakan tergantung apakah satuan kontroler untuk integralnya repeat per menit (persamaan kedua) atau menit per repeat (persamaan pertama).

Mempelajari persamaan tersebut dan anda akan melihat bahwa aksi integral diberikan dalam respek waktu (e dt). Hal ini berarti bahwa selama ada eror maka output kontroler akan mengintegralkan, dan berarti bahwa jika ada eror maka output kontroler akan menaik atau menurun (dengan adanya eror positif atau eror negatif) sampai eror dihilangkan.

Hal ini menyebabkan beberapa kesimpulan penting.
1. Output kontroler dapat mengintegralkan sendiri sampai batas maksimum eror tidak bisa dihilangkan. Kondisi ini disebut reset wind up, yaitu kontroler akan bergerak ke nilai maksimum outputnya yaitu pada 0% atau 100% ketika ia tidak dapat menghilangkan erornya.
2. Sedangkan output kontroler proporsional tergantung atas adanya eror, ukuran eror dan tanda eror, sedang kontrol PI tergantung atas adanya eror, ukuran eror, tanda eror dan lamanya waktu eror.
3. Karena output total kontroler adalah jumlah total aksi proporsional dan aksi integral, maka gain keseluruhan kontroler bertambah jika mode integral digunakan dalam kontroler tersebut.
Jika siswa mengenal konsep integral, maka penjelasan berikut tentang aksi proporsional dan aksi integral akan mudah dipahami:
1. Aksi proporsional adalah hasil dari eror kali gain {k(e)}. Untuk suatu eror konstan yang diberikan maka output kontroler akan konstan dan berbeda.
2. Aksi integral adalah hasil dari gain integral (Ki) kali integral eror (  e dt). Untuk suatu eror konstan yang diberikan maka output kontroler konstan dan berbeda yang disebabkan oleh aksi proporsional ditambah output yang berubah secara konstan disebabkan karena aksi integral. Bila erornya lebih lama ada, maka output integral akan menjadi lebih besar. Output integral akan mempertahankan kenaikan sepanjang ada eror, apakah erornya berubah atau tetap.
Tiga gambar berikut akan menggambarkan output kontroler yang diakibatkan oleh hanya
aksi proporsional, hanya aksi integral dan gabungan antara proporsional dan integral.

Diasumsikan eror konstan 5% dan diasumsikan pula bahwa lupnya terbuka.

Gambar 2: Output Aksi Proporsional

Gambar 3: Output Aksi Integral

Gambar 4: Output Aksi Proporsional dan Aksi Integral

TUJUAN FOUR
Pada saat anda meyelesaikan modul ini anda akan dapat…
Nyatakan keuntungan utama dan batasannya dari controller P + I. Nyatakan bagaimana rest wind-up dibatasi.

Kegiatan Belajar
Lengkapi setiap activitas pelajaran seperti daftar dibawah ini..
• Mendiskusikan kelebihan kontroler PI dalam aplikasi proses.
• Memahami mengapa kontroler PI kadang-kadang disebut “kontroler bias mengapung”.
• Mendefinisikan kelemahan utama kontroler PI dan bagaimana membatasinya.
Bahan Pelajaran

Penggunaan Kontroler PI dan Keterbatasannya
Kontroler mode PI sangat umum digunakan pada industri. Sebabnya sangat sederhana, bila kontroler tersebut dituning dengan benar mampu menghilangkan eror diantara SP dan PV untuk kebanyakan titik operasi dan gangguan beban.

Jika prosesnya dimana offset antara PV dan SP tidak bisa ditoleransi, maka kontroler PI merupakan pilihan.
Kontroler PI mempunyai response waktu yang lebih cepat terhadap gangguan beban karena output totalnya adalah jumlah aksi proporsional dan aksi integral.

Beberapa kontroler dioperasikan hanya dengan mode integral saja. Karena kontroler mode I tergantung pada ukuran dan lamanya eror, dan karena kontroler mode I akan memegang nilai output terakhir setelah eror dihilangkan, kontroler ini sering disebut ”kontroler mengapung” atau ”kontroler bias mengapung”. Biasanya kontroler mode I reaksinya lebih lambat dalam menghadapi gangguan beban dibanding dengan kontroler mode PI karena mode I perlu waktu untuk mengintegralkan dalam meresponse eror, sedang mode PI meresponse secara cepat karena adanya aksi proporsional.

Reset wind up adalah merupakan kendala dalam kontroler mode PI. Wind-up adalah sebuah kondisi yang dapat terjadi ketika kontroler PI tidak dapat menghilangkan eror. Karena output mode integral dari kontroler PI adalah tergantung atas adanya lamanya waktu eror, jika kontroler tidak dapat menghilangkan eror, maka output mode I akan tetap mengintegralkan sampai output mencapai batas ekstrim rangenya. Hal ini dapat pada range output akhir yaitu 0% atau 100%, tergantung tanda eror (apakah positif atau negatif). Lamanya waktu terjadi ”wind-up” tergantung ukuran eror.

Ada dua metode yang dapat digunakan untuk menghilangkan kontroler ”wind-up”, tanda eror dapat dirubah atau kontroler dapat diswitch ke manual dan menseting outputnya ke level yang membawa PV dapat segaris dengan SP sebelum kontroler di switch ke otomatis. Untuk merubah tanda eror SP dapat digerakkan kearah berlawanan dengan PV. Sebagai contoh, jika proses berjalan pada 50% dan SP 60%, maka ada eror positif 10% (kontroler dengan aksi reverse). Diasumsikan eror ini menyebabkan kontroler wind-up ke output 100% (eror tidak bisa dihilangkan). Untuk menghilangkan wind-up pada kontroler kita harus melakukan menggerakkan SP pada nilai lebih kecil dari 50% dan eror negatif akan dihasilkan dan kontroler akan tidak terjadi wind-up lagi.

Anti-reset wind up digunakan pada kontroler modern untuk mencegah kemungkinanan terjadi wind-up.
1. Sebuah pembatas yang ditempatkan pada rangkaian output kontroler untuk membatasi banyaknya sinyal arus yang dikirim ke final control element. Output masih dapat pada range normal 4 – 20 mA tetapi sebuah pembatas atau limit mungkin dapat ditempatkan dibagian output untuk mempertahankan nilai output maksimum sebagai contoh pada 16 mA atau lebih kecil lagi.
2. Sebuah pembatas atau limit dapat ditempatkan pada rangkaian amplifier integral dari kontroler sehingga apabila sinyal proses melebihi nilai SP maka secepatnya output kontroler akan menggerakkan kearah yang berlawanan.
Dalam banyak hal efek anti reset wind-up dalam kontroler dengan cara menggunakan membatasi output kontroler pada nilai maksimumnya.

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: