TUNING PENGENDALI PI – PID PID PADA SUATU SISTEM PENGENDALIAN TEKANAN TANGKI MENGGUNAKAN METODA KURVA REAKSI PROSES
LAPORAN
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Mesin Listrik II Oleh: Rahmat Hidayat Alamin
(151734022)
Dosen Pembimbing: Siti Saodah, ST., MT.
D4 – TEKNIK TEKNIK KONSERVASI ENERGI / 2 – D D TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2017
I.
II.
TUJUAN PRAKTIKUM 1. Mahasiswa mampu menggambarkan diagram blok sistem pengendalian tekanantangki yang ada di lab. Instrumentasi & Kontrol Energi. 2. Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip kerja sistem pengendalian tekanan tangkiyang ada di lab. Instrumentasi & Kontrol Energi. 3. Mahasiswa mampu mengidentifikasi fungsi transfer sistem tekanan tangki yang adadi lab. Instrumentasi & Kontrol Energi menggunakan metode kurva reaksi proses(metode open loop), dalam bentuk model FOPDT (first order plus dead time). 4. Mahasiswa mampu menetapkan parameter pengendali PI dan PID berdasarkan modelFOPDT, menggunakan tiga metode yang berbeda: metode Ziegler-Nichols, metodeCohen-Coon, dan metode minimum ITAE. DASAR TEORI 1. Diagram fungsional sistem pengendalian tekanan
2.
Performansi sistem closed-loop (step respons) Sistem closed loop dirancang agar memiliki respon dinamik dan respon keadaan mantap ( steady-state) seperti yang diharapkan. Kriteria dasar untuk mengukur performansi adalah: 1. Sistem lup-tertutup harus stabil. •
•
2.
Efek gangguan diminimalkan – (good disturbance rejection).
3.
Memiliki respon yang cepat dan halus ( smooth) terhadap perubahan set-point – (good set-point tracking ).
4.
Kesalahan mantap (Steady-state error , atau offset ) dapat ditiadakan atau diminimalkan.
5.
Aksi pengendali yang berlebihan harus dihindarkan.
6.
Sistem kendali harus kokoh (robust ) – tidak peka terhadap perubahan kondisi proses dan terhadap ketidakakuratan model proses.
3. Pengendali PI dan PID
4. Compact Controller SIPART DR20 Mode operasi pengendali
III.
PERALATAN PRAKTIKUM
1. 2. 3. 4.
Sistem pengendalian tekanan udara tangki Roll cable Stop watch Laptop
1. Spesifikasi teknis sistem Setting catu daya tekanan dari kompressor = 4 bar. •
•
Setting catu daya konverter sinyal elektropneumatik = 1 bar.
•
Konverter sinyal elektropneumatik:
•
•
•
range input
= 4 – 20 mA,
range output
= 0,2 – 1,0 bar
Transmitter:
range input
= 0 – 4 bar
range output
= 4 – 20 mA
Range parameter pengendali PID:
P : Kp
= 0,100 – 100,0
I : Tn
= 1,00 – 9984
D : Tv
= 1,00 – 1000
Range display variabel proses (display 4) = 0 (0 bar) – 100 (4 bar)
2. Operasi dan fungsi display
IV.
OPERASI DAN PENYETELAN 1. Operasi servo (setpoint tracking) 1. Setpoint-1 = ws (setting melalui Parameterisasi)
2.
Setpoint-2 = w (setting melalui pengaturan tombol 8 dan 12)
3.
Akan diamati respon sistem pengendalian terhadap perubahan setpoint (servo control).
4.
Pemindahan dari setpoint-1 ke setpoint-2 diatur menggunakan tombol 13 dengan indikator LED 14 (menyala jika setpoint = w, berkedip jika setpoint = ws).
2. Operasi regulator (disturbance rejection)
1. Disturbance berupa penyumbatan 33,3% pada saluran keluaran vessel 2. Akan diamati respon sistem pengendalian terhadap perubahan load sistem (regulatory control). 3. Pengkonfigurasian/Strukturasi (off-line)
1.
Tekan tombol 8 hingga pada display 6 tertulis “PS” berkedip -kedip. Lepaskan tekanan pada tombol tersebut, maka display “PS” akan berhenti berkedip.
2.
Tekan tombol 12.1 beberapa kali hingga pada display 4 tertulis “PAr” dan kemudian tertulis “Str”. Sekarang controller siap untuk dilakukan strukturisasi.
3.
Tekan tombol 5.1 atau 5.2 beberapa kali untuk memilih konfigurasi. Konfigurasi yang dipilih ditunjukkan pada display 6.
4.
Set konfigurasi tersebut dengan menekan tombol 12.1 ata u 12.2. Nilai konfigurasi tersebut ditunjukkan pada display 4.
5.
Untuk melakukan parameterisasi tekan tombol 8 sekali. Selanjutnya jika ditekan tombol 8 sekali lagi maka akan kembali ke mode proses.
4. Parameterisasi (on-line)
1. Tekan tombol 8 hingga pada display 6 tertulis “PS” berkedip -kedip. Lepaskan tekanan pada tombol tersebut, maka display “PS” akan berhenti berkedip. 2. Tekan tombol 12.1 beberapa kali hingga pada display 4 tertulis “PAr”. Sekarang controller siap untuk dilakukan parameterisasi. 3. Tekan tombol 5.1 atau 5.2 beberapa kali untuk memilih parameter. Parameter yang dipilih ditunjukkan pada display 6. 4. Set parameter-parameter tersebut dengan menekan tombol 12.1 atau 12.2. Nilai parameter tersebut ditunjukkan pada display 4. 5. Untuk kembali ke mode proses tekan tombol 8 sekali. Catatan: Proses pengkonfigurasian dan parameterisasi akan secara otomatis terhenti dan akan beralih ke mode operasi apabila tidak dilakukan suatu perubahan dalam waktu 20 detik.
V.
PELAKSANAAN PRAKTIKUM 1. Prosedur tuning (diperlukan minimal 4 orang mahasiswa) 1. Identifikasi parameter sistem berdasarkan kurva reaksi proses dengan asumsi sistem dapat dimodelkan dalam bentuk FODT.
Fungsi transfer sistem FODT
K Tu Tg
= gain = dead time = time constant
− = + 1
Saluran keluaran udara dari tangki dalam posisi terbuka penuh (100%)
Aktifkan catu daya listrik
Dengan menekan tombol 10, pastikan LED pada indikator 11 menyala (operasi manual)
Aktifkan supply tekanan udara dari kompresor
Gunakan tombol 8 untuk mengatur agar LED 9.2 menyala (display 4
menunjukkan nilai variabel proses).
Gunakan tombol 5.1 atau 5.2 untuk mengatur variabel proses (tekanan udaratangki) pada kondisi steady state sesuai dengan yang diharapkan (ditunjukkanoleh display 4). Angka yang tertera pada display 4 menunjukkan tekanan udara di dalam tangki dalam satuan prosen (100% = 4 bar).
Catat y = yo (display 6) dan x = xo (display 4).
Persiapkan stop watch dan peralatan untuk mencatat data.
Bersamaan dengan stop watch diaktifkan, tekan tombol 5.2 dan jangan
dilepaskan hingga y berubah menjadi y’ (antara y+5 sampai dengan y+10).
Catat nilai x setiap selang waktu 3 detik hingga x cenderung tidak berubah lagi nilainya (x steady state).
Catat penunjukan y’.
Hitung X = x steady state – xo dan Y = y’ – yo
Hitung parameter sistem K s (gain sistem): K s = X/Y
Gambarkan grafik hubungan antara x terhadap waktu.
Secara grafis temukan nilai waktu t pada saat x = xo + 0,25 X, sebut saja t 25
Secara grafis temukan nilai waktu t pada saat x = xo + 0,75 X, sebut saja t 75
Hitung parameter sistem Tg (konstanta waktu): Tg = 0,910 (t 75 - t25)
Hitung parameter sistem Tu (dead time): Tu = t25 – 0,288 Tg
Untuk mendapatkan nilai T g dan Tu dapat pula dilakukan dengan cara sebagaiberikut: ▪
▪
Cari garis singgung kurva x(t) yang memiliki gradien maksimum (lihatgambar) Cari titik potong antara garis singgung nilaimaksimum dan minimum nilai x.
kurva
tersebut
dengan
▪
▪
Selang waktu antara dua titik potong tersebut = T g. Selang waktu antara mulai diberikannya perubahan sinyal y dan titikpotong antara garis singgung kurva tersebut dengan minimum nilai x =T u.
2. Menentukan nilai parameter pengendali PID Berdasarkan nilai parameter sistem FODT yang diperoleh dari hasil identifikasi (Ks, Tg, dan Tu), hitunglah parameter pengendali PI dan PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, dan kriteria minimum ITAE. 2. Penyetelan parameter pengendali 1. Pengendali PI (S28 = 0, Tv = off) ▪
Lakukan strukturasi: S28 = 0
Lakukan parameterisasi: cP = Kp hasil tuning, tn = Tn hasil tuning , tu = “off” (Tv = 0) 2. Pengendali PID (S28 = 0) ▪
▪
Lakukan strukturasi: S28 = 0
Lakukan parameterisasi: cP = Kp hasil tuning, tn = Tn hasil tuning, tu = Tv hasil tuning. 3. Aplikasi sistem kendali 1. Mode operasi servo (servo control) Setpoint-1 = 1 bar, setting parameterisasi display 4 = ws = 25 Setpoint-2 = 2 bar, setting tombol 8 dan 12 display 4 = w = 50 Saluran keluaran dalam kondisi terbuka penuh (100%) Pastikan indikator LED 14 berkedip-kedip (setpoint-1), jika tidak berkedipkedipmaka gunakan selektor 13 untuk mengaturnya. Melalui proses strukturisasi dan parameterisasi, pastikan nilai parameterpengendali sesuai dengan yang diinginkan. Gunakan tombol 10 untuk pengoperasian mode otomatis (indikator LED 11 mati) Pastikan LED 9.2 menyala melalui pengaturan tombol 8. ▪
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tunggu beberapa saat hingga proses pengendalian stabil (display 4 stabil di angka 25, yaitu pada nilai setpoint-1 = 1 bar). Setelah proses stabil, aktifkan stop-watch bersamaan dengan menekan selektor 13 agar indikator LED 14 menyala (setpoint-2). Catat nilai x (display 4) setiap selang waktu 3 detik hingga x cenderung tidakberubah lagi nilainya / steady state (display 4 stabil di angka 50, yaitu pada nilaisetpoint-2 = 2 bar). Gambarkan grafik hubungan antara x (variabel proses) terhadap waktu. Berdasarkan grafik tersebut amati beberapa indikator performansi sistempengendalian berikut ini: Offset Rise time Settling time (2%) Maximum overshoot Amplitudo decay Duty cycle
2. Mode operasi regulator Pada kondisi steady state dengan setpoint 50 (2 bar) dan saluran keluaran terbukapenuh (100%), secara mendadak berikan perubahan load dengan cara menutupsaluran keluaran 33%. Bersamaan dengan itu aktifkan stopwatch. Catatlah nilai x (display 4) setiap selang waktu 1 detik hingga x cenderung tidakberubah lagi nilainya / steady state (display 4 stabil di angka 50, yaitu pada nilaisetpoint-2 = 2 bar) Gambarkan grafik hubungan antara x (variabel proses) terhadap waktu Berdasarkan grafik tersebut amati beberapa indikator performansi sistempengendalian berikut ini: Offset Settling time (2%) Maximum overshoot 3. Ulangi langkah 1 dan 2 untuk setting pengendali yang lainnya. •
•
•
•
•
•
•
VI.
DATA PENGAMATAN
Kondisi awal: SV = 50.1 diubah:
PV = 46 PV = 51 WAKTU (s) 0
SV 50.1
3
50.6
6 9 12
51.6 52.3 52.9
15 18 21 24 27
53.4 53.9 54.1 54.5 54.6
30 33 36 39 42
54.9 54.9 55.1 55.1 55.3
45 48 51 54 57 60
55.3 55.4 55.4 55.5 55.6 55.6
56 55 54 53 V S
52 51 50 49 0
10
20
30
40
Waktu (s)
50
60
70
Yo Yl X55 Xo K s •
= 46 = 51 = 55.6 = 50.1 = 1.1 t25 pada x = 51.475 interpolasi
= 3+ (51.51.4756 50.50.66) ∙ 6 3 = 5.625 •
•
•
t75 pada x = 54.225 interpolasi
= 21 + (54.54.2255 54.54.11) ∙ 24 21 = 21.9375 == 0.5.9610∙25 21.0.2988375∙ 14.5.864425 ==1.14.349844 PARAMETER
NILAI
SATUAN
Ks Tg Tu
1.1 14.844 1.349
Detik (s) Detik (s)
Menentukan nilai parameter PI dan PID 1. Metode Ziegler-Nichols PENG.
PI PID
0.1.91 ∙ 11,4.384944 = 9.003 3.3 ∙ 1.349 = 4.4517 1.1.21 ∙ 11,4.384944 = 12.004 2 ∙ 1.349 = 2,698 0.=50.∙61.745349 1.33049+ 3 ∙ . 11.1 ∙ 14.1.384944 ∙ [0.9 1+ 12 (14. 1.384944)] ∙ 9 + 20 ∙ ... = 9.078 = 3.775 Kp
Tn (detik)
Tu (detik)
-
2. Metode Cohen-Coon PENG.
PI
Kp
Tn (detik)
Tu (detik)
-
PID
1. 3 49 1. 3 49 11.1 ∙ 14.1.384944 ∙ [43 + 14 (14. 1.384944)] ∙ 32 + 6 ∙ . .. ∙ 4 . 13 + 8 ∙ 11+ 2 ∙ = 13.56 . . = 3.198 = 0.4825 0.1.5861 ∙ (14.1.384944 ). 1.03 14.0.186544 .. = 4. 7 94 = 14. 6 24 . . 0.1.8591 ∙ (14.1.384944 ) 14.0.687444 ∙(14. 1.384944) = 8..131 14.844= 4.311 0.308 0.1.9651 ∙ (14.1.384944 ) 0.796 0.147.. ∙ 14.844( 1.349 ). = 6.817 = 18.966 =0.30.81492 14.844 1.1.3571 ∙ (14.1.384944 ). 14.0.884244 ∙ (14. 1.384944). ∙ 14.844( 1.349 ). = 11.954 = 3.003 = 0.52 14.844
3. Kriteria minimum ITAE PEN.
PI
OPR.
Kp
Tn (detik)
Tu (detik)
Servo
-
Regulator
-
Servo PID
Regulator
Catatan: pengendali yang dilakukan uji coba tuning hanya pengendali PI karena pada pengendali PID salah satu nilai parameter tidak memenuhi syarat untuk dilakukan uji coba (parameter Tu > 1)
Hasil penerapan parameter PI dan PID 1. Servo Ziegler-Nichols Waktu (s)
PV
0
50.1
1
51.9
2
52.1
3
51.6
4
51.4
5
51.1
6
50.8
7
50.5
8
50.4
9
50.2
10
50.2
11
50.1
12
50.1
13
50
14
50
15
50
16
50
17
50
18
50
19
50
20
50
Regulator Ziegler-Nichols 52.5 52 51.5 51 50.5 50 49.5 0
5
10
15
20
25
2. Regulator Ziegler-Nichols Waktu (s)
PV
0
50
1
50.8
2
52
3
51.9
4
51.5
5
51.2
6
50.8
7
50.7
8
50.5
9
50.3
10
50.3
11
50.1
12
50.2
13
50
14
50.1
15
50
16
50
17
50
Regulator Ziegler-Nichols 52.5 52 51.5 51 50.5 50 49.5 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
3. Servo Cohen-Coon Waktu (s)
PV
0
25
3
29.4
6
35.3
9
39.9
12
44.4
15
47.5
18
50
21
52
24
51.5
27
50.7
30
51
33
51
36
51
39
51
42
51
Servo Cohen-Coon 60 50 40 30 20 10 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
4. Regulator Cohen-Coon Waktu (s)
PV
0
50
1
51.2
2
51.9
3
51.7
4
51
5
50.8
6
50.5
7
50.4
8
50.3
9
50.2
10
50.2
11
50.1
12
50.1
13
50.1
14
50.1
15
50.1
16
50.1
17
50
18
50
19
50
20
50
21
50
Regulator Cohen-Coon 52.5 52 51.5 51 50.5 50 49.5 0
5
10
15
20
25
5. Servo ITAE Waktu (s)
PV
0
25
3
29.2
6
35.4
9
41.2
12
45.2
15
48.5
18
49.6
21
50.2
24
50.4
27
50.5
30
50.5
33
50.5
36
50.4
39
50.4
42
50.4
45
50.2
48
50.2
51
50.2
54
50.1
57
50.1
60
50.1
Servo ITAE 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
6. Regulator ITAE Waktu (s)
PV
0
50.1
1
51.9
2
52.1
3
51.6
4
51.4
5
51.1
6
50.8
7
50.5
8
50.4
9
50.2
10
50.2
11
50.1
12
50.1
13
50
14
50
15
50
16
50
17
50
18
50
19
50
20
50
Regulator ITAE 52.5 52 51.5 51 50.5 50 49.5 0
5
10
15
20
25
VII.
ANALISIS PERCOBAAN
Pada percobaan kali ini adalah melakukan proses tuning pengendali PI dan PID pada suatu sistem dimana pada percobaan ini sistem yang digunakan yaitu sistem pengendalian tekanan tangki yang menggunakan metode kurva reaksi. Tuning ini dimodelkan ke dalam bentuk First Order Plus Dead Time yang menggunakan tiga macam metoda perhitungan yaitu metode Ziegler-Nichols, metode Cohen-Coon, Metoda Ziegler-Nichols ini dapat digunakan pada sistem open loop dan closed loop, sedangkan metoda Cohen-Coon biasanya hanya digunakan untuk sistem open loop dan metoda ITAE. Hasil dari perhitungan ketiga metode tersebut akan didapatkan tiga parameter yaitu Kp, Tn, dan Tu. Tiga parameter ini adalah parameter PI dan PID yang siap dimasukkan sebagai tuning pada sistem pengendali tekanan tangki. Pada tuning pertama, dilakukan pengubahan PV dari PV = 46 didapat PV = 51. lalu dilakukan pengamatan terhadap perubahan nilai SV tiap tiga detik sekali sampai nilai SV mencapai titik steady state, didapatkan data sesuai yang terlampir. Namun pada pengamatan dilakukan dengan cara merekam video menggunakan handphone agar perubahan nilai SV bisa dilihat lebih mudah. Jika dibuat suatu diagram, akan berbentuk seperti huruf “S” bila data yang didapatkan bagus, dan seperti diagram yang terlampir bentuknya hampir menyerupai “S”. Dari data tersebut dapat dilakukan perhitungan untuk menentukan nilai Ks, Tu, dan Tg yang nanti akan diperlukan dalam menentukan nilai parameter PI dan PID. Dalam tuning selanjutnya dilakukan dua proses yaitu :
Operasi servo Pengendalian ini berfungsi menangani pengendalian dengan set-point tracking. Set point tracking adalah kejadian ketika suatu pengendali (controller ) mengubah suatu variabel proses ( processvariable) bergerak menuju variabel proses yang diinginkan sebagai reaksi terhadap perubahan setpoint.
Gambar 1. Pengendalian Servo
Operasi Regulator Pengendalian ini berfungsi menangani disturbance rejection (regulasi). disturbance rejection adalah Yaitu ketika suatu pengendali (controller ) mengubah suatu variabel proses ( process variable) menuju kembali ke variabel proses sesuai dengan setpoint semula.
Gambar 2. Oprasi Regulator
Untuk metode Ziegler-Nichols dan metode Cohen-Coon, parameter tuning pengendali di operasi servo dan regulator adalah sama. Sehingga hanya diperlukan satu kali perhitungan dan memasukan parameter. Sedangkan pada metoda minimum ITAE parameter berbeda antara servo dan regulator sehingga diperlukan dua kali perhitungan dan dua kali memasukan parameter.Dari proses ini didapatkan data perubahan nilai PV tiap beberapa detik yang kemudian dilihat kurva karakteristiknya dengan mengubahnya ke dalam bentuk diagram. Kemudian dapat dilakukan pengidentifikasian dengan cara membandingkan tiap kurva karakteristik dari tiap parameter hasil perhitungan tiga metode yang digunakan. proses operasi servo maupun operasi regulator didapat hasil yang stabil . Dari hasil perhitungan parameter dengan menggunakan metode yang berbeda menghasilkan hasil yang berbeda pula, didapatkan perbedaan dari settling time, offset, rise time, dan overshoot-nya. Ketiga metode ini memiliki kelebihan serta kekurangan masing-masing. Kelebihan dan kekurangan ini dapat dimanfaatkan sesuai keinginan kita dalam menggunakan suatu pengendali karena tujuan dari tiap penggunakan suatu pengendali pasti berbeda.
VIII. KESIMPULAN
1.
2. 3. 4.
5. 6. 7.
Pada percobaan dilakukan proses tuning pengendali PI dan PID pada suatu sistem dimana pada percobaan ini sistem yang digunakan yaitu sistem pengendalian tekanan tangki yang menggunakan metode kurva reaksi. Percobaan tuning yang dilakukan adalah untuk menentukan parameter PI-PID pada sistem pengendali. Tuning pertama di dapat hasil PV=51 Penentuan parameter pada tuning menggunakan metoda kurva proses dapat dilakukan dengan metode Ziegler-Nichols, metode Cohen-Coon, dan metode minimum ITAE yang sebelumnya dilakukan perhitungan dulu untuk mendapat nilai Ks, Tg, dan Tu. Pada Parameter Kp jika semakin besar akan mempercepat respon (memperbaiki rise time) namun akan memperburuk overshoot, offset dan kestabilan sistem. Pada Parameter Tn jika semakin besar akan memberbaiki offset namun akan memperlambat respon sistem. Pada Parameter Tu jiak diperbesar maka akan mengurangi maximal overshoot dan meminimalkan offset juga memperbaiki kestabilan.
DAFTAR PUSTAKA
Guterus, Frans. 1994. Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses. Jakarta: PT. Elex Media Komputindo. http://jurnaldimas.blogspot.co.id/2014/11/sistem-pengendalian-proses.html Jurusan Teknik Konversi Energi. TT. Jobsheet Praktikum Teknik Pengaturan: Tuning Pengendali PI-PID pada Suatu Sistem Pengendalian Tekanan Tangki Menggunakan Metode Kurva Reaksi Proses. Bandung: Politeknik Negeri Bandung.
