Monday, September 28, 2015
Seperti yang kita
ketahui bahwa pengendali atau alat kontrol merupakan elemen kontrol yang
berperan sebagai otaknya. Elemen inilah yang menerima informasi tentang
variabel yang dikontrol pada suatu proses melalui elemen pengukur. Informasi ini
kemudian dibandingkan dengan harga setpoint yang telah ditetapkan, pengendali
melakukan penghitungan untuk menentukan aksi yang harus dilakukan. Jika
perhitungan telah selesai dan telah ada keputusan tentang aksi yang diambil,
pengendali kemudian menjalankan aksinya dengan mengirim sinyal kepada elemen
kontrol akhir (actuator). Dengan demikian, pengendali ini mempunyai peranan
yang sangat penting dalam pengendalian dalam sistem kontrol proses.
Pada bagian ini kita akan mempelajari prinsip-prinsip
pengendali analog yang meliputi karakteristik dan realisasi analognya.
Jenis-jenis pengendali yang akan dibahas meliputi pengendali tidak kontinyu
(pengendali On-Off) dan pengendali kontinyu, yaitu, P, I, D dan kombinasinya.
Pengendali-pengendali
ini sangat populer di dunia industri karena kesederhanaan dalam realisasi,
keandalan kinerja dan khususnya kemudahan dalam penalaan (tunning) parameter-parameter controlnya. Ini semua membuat kebanyakan praktisi
kontrol sangat mengenal pengendali ini.
Jenis-jenis pengendali
Untuk mempermudah dalam pemahamannya, dirasakan sangat penting untuk
mempunyai suatu model sistem proses yang dikendalikan. Untuk keperluan tersebut
di sini akan dikemukakan sistem kontrol suhu seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 1.
Gambar 1.Kontrol Suhu
Sistem pengendalian akan seimbang apabila sensor suhu ruangan tidak
mendeteksi suhu yang lebih atau kurang yang dibutuhkan oleh
sistem. Yang terjadi pada katup kontrol saat
sensor mendeteksi
perubahan suhu (deviasi suhu) bergantung pada jenis pengendalian yang digunakan.
Hubungan antara gerakan katup dan perubahan suhu adalah medium yang
dikendalikannya yang dikenal dengan jenis pengendali atau aksi pengendali.
Ada dua jenis dasar pengendali:
o
On/Off : Katup terbuka
atau tertutup
penuh, tanpa ada keadaan antara;
o Kontinyu: Katup dapat bergerak pada daerah antara
tertutup secara penuh dan terbuka secara penuh atau pada daerah antara.
Pengendali
On-Off
Pengendali on-off
adalah pengendali yang paling dasar dalam sistem kendali. Karena karakteristiknya, pengendali ini dikenal juga dengan sebutan pengendali dua-posisi atau dua langkah.
Pengendali ini paling sederhana dan paling murah namun mencukupi untuk
aplikasi-aplikasi di mana tidak diperlukan ketelitian yang tinggi. Untuk mengetahui bagaimana kerja pengendali
ini, marilah kita perhatikan Gambar 1.
Tangki air yang
ditunjukkan pada Gambar 1, tujuannya adalah memanaskan air di dalam tangki
dengan menggunakan energi dari koil uap sederhana. Pada pipa menuju koil dipasang katup 2-port dan aktuator, lengkap dengan termostat yang ditempatkan di air dalam tangki.
Misalkan, dalam hal ini, suhu yang diinginkan
atau setpoint adalah 60°C
dan thermostat sebagai sensor suhu juga diset pada suhu 60°C.
Apa yang terjadi bila thermostat diset pada satu titik seperti ini? Logikanya apabila titik
penyakelarannya tepat pada suhu 60°C, sistem tidak dapat beroperasi dengan baik, karena katup tidak tahu apakah harus membuka atau menutup
pada suhu tersebut. Akibatnya katup akan membuka dan
menutup pada interval waktu yang sangat
pendek (cepat) yang bisa menyebabkan kerusakan. Kerusakan tidak terbatas pada
katupnya saja bisa jadi sistem penggeraknya akan rusak juga.
Maka dari itu,
termostat harus memiliki batas atas dan batas bawah. Hal ini sangat penting untuk mencegah
siklus membuka-menutup terlalu cepat
seperti yang telah disinggung di atas. Misalnya, dalam hal ini batas atasnya adalah 61°C,
yang merupakan titik di mana termostat akan memerintahkan katup untuk
menutup dan batas bawahnya 59°C, titik di mana thermostat
akan memerintah katup untuk membuka. Jadi, ada perbedaan
titik penyakelaran yang sudah dibuat pada thermostat sebesar ±1°C dari
60°C sebagai set point.
Diferensial
penyakelaran
Dengan adanya pengesetan batas atas dan bawah
ini memberikan suatu perbedaan sebesar 2°C (±1°C).
Pada daerah ini pengendali tidak melakukan aksi apa-apa. Daerah 2°C (±1°C) ini
dikenal dengan diferensial - penyakelaran (switching differential) atau
popular juga dengan sebutan zona netral. Zona netral ini berbeda-beda antara
thermostat yang satu dan lainnya). Diagram aksi
penyakelaran termostat ditunjukkan pada Gambar 2.
Suhu dalam tangki
akan turun sampai 59°C sebelum katup diperintah untuk membuka dan suhu akan meningkat sampai
61°C sebelum katup diperintah untuk menutup.
Gambar. 2. Aksi penyaklaran On/Off pada termostat
Gambar 2
menunjukkan diagram
penyaklaran on-off sebagai fungsi waktu.
Overshoot dan
undershoot
Walaupun sudah ada penyakelaran tetapi efek penukaran panas dari koil ke air tidak terjadi seketika. Hal
tersebut memerlukan waktu. Oleh karena itu ketika pada saat suhu mencapai 61°C dan
katup menutup, namun, suhu air tidak langsung turun
tapi akan naik di atas 61°C sampai
puncak atas, dan kemudian turun di bawah 59°C yang merupakan batas bawah. Perhatikan Gambar 2 dan 3.
Pada titik A (59°C, Gambar 3) termostat akan On dan memerintah katup
untuk terbuka. Dibutuhkan waktu untuk menukar panas dari koil
ke air, seperti yang ditunjukkan pada grafik suhu air dalam
Gambar 3. Pada titik B (61°C) termostat akan Off dan memerintahkan katup untuk menutup. Namun koil masih penuh dengan uap,
yang akan terus mengembun dan melepas panasnya. Maka dari itu suhu air akan terus meningkat di atas batas atas, dan
terjadi overshoot pada titik C, sebelum akhirnya akan menurun.
Gambar. 3
Suhu air versus waktu
Mulai dari titik
ini, suhu dalam tangki akan terus menurun, hingga titik D (59°C), dan
termostat akan memerintahkan katup untuk membuka. Uap
masuk kembali dalam koil, dibutuhkan waktu untuk terjadi pertukaran panas
sehingga suhu
air masih terus menurun untuk
sementara
waktu, hingga mengalami undershoot
pada titik E.
Diferensial
operasi
Perbedaan antara puncak atas dan bawah
dikenal dengan diferensial operasi (operating differential). Diferensial
penyaklaran sebuah thermostat tergantung pada jenis thermostat yang digunakan.
Diferensial operasi tergantung pada karakteristik proses (tangki, isinya,
karakteristik pertukaran panas koil, laju panas yang ditransfer ke thermostat,
dan lain-lain).
Intinya dengan pengendali on/off, ada batas atas dan batas bawah panyeklaran, dan katup terbuka penuh atau tertutup penuh, tidak ada daerah antara.
Namun, tersedia
pengendali-pengendali yang menyediakan waktu pengendalian secara proporsional, di mana
dimungkinkan untuk mengganti rasio waktu on dan off untuk mengendalikan kondisi/variabel yang dikendalikan. Aksi proporsional ini terjadi di sekitar
set point
dan set point kemudian menjadi batas tengahnya.
Apabila kondisi
yang dikendalikan di luar kisaran, sinyal output dari pengendali akan penuh atau mati, berfungsi seperti saklar on/off. Apabila kondisi yang
dikendalikan ada
di dalam kisaran, output pengendali akan on atau off sesuai dengan deviasi antara kondisi yang dikendalikan dan set point.
Dengan variabel yang dikendalikan pada set point, rasio waktu ‘on’ dan ‘off’ adalah 1 : 1, sehingga waktu saat
‘on’ dan ‘off’ akan seimbang. Jika kondisi yang kendalikan di bawah set point,
waktu ‘on’ akan lebih lama dibanding waktu ‘off’, demikian sebaliknya, sesuai
dengan deviasi yang ada dalam kisaran.
Aplikasi
Keuntungan utama
pengendalian on/off adalah karena sederhana dan murah. Inilah mengapa banyak
ditemukan pada aplikasi domestik seperti boiler pemanas sentral dan kipas pemanas.
Kerugian utamanya
adalah diferensial operasi dapat terjadi di luar toleransi kontrol yang
diinginkan proses. Sebagai contoh, pada produksi makanan, di mana rasa dan keterjagaan rasa ditentukan oleh ketepatan kontrol suhu,
pengendalian on/off tidaklah sesuai.
Kontrol on-off sangat sesuai digunakan untuk
sistem yang berskala besar dengan laju proses yang relatif rendah. Sebagai
contoh untuk pemanasan ruan atau pengkondisian udara. Kapasitas sistem seperti
ini sangat besar dalam ukuran volume udaranya dan pengaruh pemanasan dan
pendinginan adalah relatif lambat. Perubahan secara tiba-tiba pada sistem
semacam itu tidaklah umum. Proses dengan kendali on-off harus membolehkan
adanya osilasi pada variabel yang dikontrol karena sifatnya yang selalu
menghasilkan osilasi semacam itu.
Apabila pengendalian on/off tidak sesuai karena dibutuhkan pengendalian suhu
yang akurat, maka pilihan selanjutnya adalah pengendali kontinyu.
Pengendali Kontinyu
Pengendali kontinyu sering disebut sebagai pengendalian modulasi. Artinya katup dapat bergerak secara kontinyu untuk
mengubah tingkat pembukaan atau penutupan katup tidak seperti yang terjadi pada
kontrol on-off yang hanya membuka secara penuh atau menutup secara penuh.
Ada tiga aksi
dasar pengendalian yang sering diaplikasikan dalam pengendali kontinyu:
o Proporsional (P)
o Integral (I)
o Derivatif (D)
Kombinasi seperti
P + I, P + D, P + I + D merupakan
kombinasi-kombinasi kontrol yang sangat penting untuk dimengerti karena kontrol
kombinasi ini mampu memberikan unjuk kerja yang jauh lebih baik dibandingkan
dengan yang individual. Perlu diketahui juga bahwa pengendali intergral (I) dan
derivative (D) diterapkan sebagai jalan keluar mengatasi kelemahan yang
dimiliki oleh pengendali proporsional (P).
Pengendali Proporsional
(P)
Pengendali proporsional (P) merupakan pengembangan dari pengendali dua posisi
(On-Off). Pada pengendali dua-posisi, keluaran pengendali adalah
100 % atau 0%, atau On atau Off, atau buka atau tutup seperti yang dicontohkan
di atas, tergantung pada sinyal error atau sinyal yang masuk ke pengendali.
Jika sinyal error lebih besar dari daerah netral maka keluaran pengendali
adalah 100%, sebaliknya bila sinyal error lebih kecil dari daerah netral maka
keluaran pengendali 0%.
Pengendali P mempunyai keluaran yang bersifat kontinyu, dimana antara
masukan dan keluaran mempunyai hubungan satu-satu. Ini berarti bahwa perubahan yang terjadi pada
keluarannya akan mengikuti perubahan sinyal errornya. Sudah tentu, perubahan
keluaran pengendali, dalam prakteknya selalu dibatasi oleh kondisi saturasi
minimum dan maksimum yang telah ditetapkan dari perangkat keras yang digunakan.
Fungsi Alih
Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa hubungan antara input dan
output dari suatu pengendali disebut fungsi-alih (transfer function). Fungsi alih dari pengendali ada bermacam-macam, misalnya ada yang
menggunakan fungsi waktu (t), fungsi Laplace (s), dan dalam bentuk persentase
(%). Oleh karena itu, bila dijumpai adanya perbedaan simbol dan notasi dalam
penggambarannya tidaklah menjadi masalah.
Dalam buku ini fungsi alih yang digunakan adalah yang berbentuk
persentase. Hubungan input-output untuk
pengendali proporsional (P) dapat ditulis:
dimana:
P =
keluaran (%)
KP = penguatan
proporsional
E =
error (%)
Karakteristik
pengendali P
Sesuai dengan
namanya, pengendali ini akan memberikan keluaran serupa dengan bentuk
masukannya. Sedangkan ukuran keluarannya merupakan perkaliannya dengan besar
penguatan proporsionalnya (KP). Oleh karena itu, bila pada masukan pengendali
diberikan sinyal error E dalam bentuk step (Gambar 4.6), maka sinyal keluaran
mempunyai bentuk yang sama dengan E, akan tetapi dengan besaran yang berbeda.
Contohnya, bila penguatannya KP1 maka keluarannya sama dengan P1 dan bila
penguatannya adalah KP2 maka keluarannya sebesar P2. Gambar 4 menunjukkan
hubungan antara input-output dengan KP1 < KP2.
Gambar 4. Tanggapan step pengendali P