PENGENDALIAN UMPAN MAJU (FEEDFORWARD CONTROL)

5.2 PENGENDALIAN UMPAN MAJU (FEEDFORWARD CONTROL)

5.2.2 PRINSIP PENGENDALIAN UMPAN MAJU

Prinsip pengendalian umpan maju adalah mengantisipasi gangguan sebelum berpengaruh pada sistem proses dengan cara mengatur besar manipulated variable sesuai dengan besar gangguan yang akan masuk tanpa perlu mengetahui nilai variabel proses. Pengendalian umpan maju tidak mengukur variabel proses, tetapi mengukur gangguan yang masuk. Jadi tujuan utama pengendalian umpan maju adalah menganitisipasi atau mengurangi pengaruh gangguan sebelum masuk ke dalam sistem proses. Idealnya seluruh gangguan dideteksi dan dihilangkan pengaruhnya. Tetapi berhubung tidak semua gangguan dapat dideteksi atau dihilangkan secara sempurna, maka pada sistem pengendalian umpan maju masih perlukan umpan balik. Di sini umpan balik bertugas mengatasi gangguan yang tidak dapat dihilangkan oleh umpan maju.

Sebagai contoh ditinjau kembali pengendalian suhu dalam alat penukar panas dengan memakai kukus sebagai medium pemanas (gambar 5.1). Di sini terdapat gangguan yang disebabkan oleh perubahan laju alir dan suhu fluida. Dengan mempertahankan laju alir dan suhu fluida, maka diharapkan suhu fluida keluar tidak berubah, jika suhu kukus dan panas hilang ke lingkungan juga tidak berubah. Tetapi berhubung suhu kukus dan Sebagai contoh ditinjau kembali pengendalian suhu dalam alat penukar panas dengan memakai kukus sebagai medium pemanas (gambar 5.1). Di sini terdapat gangguan yang disebabkan oleh perubahan laju alir dan suhu fluida. Dengan mempertahankan laju alir dan suhu fluida, maka diharapkan suhu fluida keluar tidak berubah, jika suhu kukus dan panas hilang ke lingkungan juga tidak berubah. Tetapi berhubung suhu kukus dan

Gambar 5.5 Diagram instrumentasi pengendalian umpan balik dan umpan maju.

Gambar 5.6 Diagram blok pengendalian balik dan umpan maju umpan maju.

Pada gambar di bawah simbol FY dan TY berturut-turut adalah kompensator laju alir dan suhu. Kompensator ini berfungsi untuk menyesuaikan agar pengaruh gangguan Pada gambar di bawah simbol FY dan TY berturut-turut adalah kompensator laju alir dan suhu. Kompensator ini berfungsi untuk menyesuaikan agar pengaruh gangguan

Blok G1 dan G2 berturut-turut adalah fungsi transfer gangguan suhu dan laju alir. Pada keadaan sebenarnya, blok ini berada di dalam sistem proses itu sendiri. Di sini sengaja digambarkan untuk menunjukkan cara kerja pengendalian umpan maju. Idealnya, hasil kali blok TT-1 dan TY ditambah hasil kali FT dan FY, dan dikalikan dengan TV, sama dengan jumlah G1 dan G2. Jika ini terjadi, maka gangguan yang masuk ke dalam proses dapat dihilangkan.

5.2.3 ALGORITMA PENGENDALI UMPAN MAJU

Pengendali umpan maju sering disebut sebagai kompensator atau komponesasi umpan maju. Ini dapat berupa elemen statik saja atau elemen dinamik lead-lag. Baik elemen statik atau elemen dinamik, keduanya harus mampu merepresantikan model sistem proses sebaik mungkin. Semakin jauh model sistem dengan sistem sebenarnya, semakin buruk hasil pengendalian umpan maju. Ketepatan model sistem proses merupakan prasyarat keberhasilan pengendalian umpan maju.

Pada prinsipnya, elemen kompensasi harus dapat menyatakan model matematika yang berupa hubungan antara variabel pengendali (manipulated variable) dan variabel gangguan (disturbace variablei).

5.2.3.1 Model Statik (Steady-State Model)

Model statik hanya berisi elemen steady-state gain proses dan gangguan. Secara umum elemen ini berupa faktor perbandingan antara steady-state gain gangguan (K w ) dan proses (K p ). Sebagai contoh, pengendalian umpan maju pada penukar panas. Suhu minyak panas dipengaruhi oleh variabel pengendali (laju alir steam) dan gangguan (laju minyak dan suhu minyak dingin). Neraca energi dari proses di atas menghasilkan hubungan antara laju alir steam (S) dan gangguan (F dan T o )

S = 

 ( T − T o ) F (5.1)

Karena suhu minyak panas (T) tidak diukur dan nilainya harus sama dengan setpoint (T r ) maka,

S = 

 ( T r − T o ) F (5.2)

Dengan model diatas, jika nilai laju alir minyak (F) dan suhu kinyak dingin (T o ) diperoleh dari pengukuran terus menerus, maka laju alir steam (S) akan menyesuaikan dengan besar gangguan.

Gambar 5.7 Proses pemanasan minyak dalam penukar panas.

Gambar 5.8 Diagram instrumentasi pengendalian umpan maju.

5.2.3.2 Model Dinamik (Dynamic Model)

Model dinamik diturunkan dari persamaan neraca massa/energi unsteady-state. Ini dilakukan dengan bantuan diagram blok pengendalian umpan maju berikut.

Gambar 5.9 Diagram blok pengendalian umpan maju.

Dari gambar di atas, maka berlaku,

c = (G w +G t G f G v G p )w

Variabel (c) dan (w) merupakan variabel relatif (dihitung terhadap kondisi nominal steady- sate). Ini berarti pada kondisi itu c = 0 dan w = 0. Jika terdapat gangguan maka (w) tidak sama dengan nol. Agar (c) tetap nol harus berlaku,

G w +G t G f G v G p =0

Sehingga diperoleh,

Persamaan (5.5) merupakan fungsi transfer pengendali umpan maju yang diperlukan.

5.2.4 ELEMEN LEAD-LAG

Elemen lead-lag adalah piranti yang dapat digunakan sebagai pengendali umpan maju. Elemen ini terdiri atas:

• elemen statik (static gain), K

• elemen dinamik yang bersifat mempercepat (lead), τ 1 • elemen dinamik yang bersifat memperlambat (lag) , τ 2

Gambar 5.10 Diagram blok elemen lead-lag.

Dalam bentuk fungsi transfer, elemen lead-lag berbentuk,

dengan, K = static gain

τ 1 = Konstanta waktu-1 τ 2 = Konstanta waktu-2

s = variabel Laplace

5.2.5 PENALAAN PENGENDALI UMPAN MAJU (LEAD-LAG)

Penalaan unit lead-lag dimulai dengan penalaan kasar sebagau berikut. • Pengaturan gain (K) sesuai model proses sehingga tidak ada offset pada perubahan

gangguan. • Pengaturan nilai konstanta waktu lead ( τ 1 ) sebesar penjumlahan semua konstanta

waktu bagian pembilang. • Pengaturan nilai konstanta waktu lag ( τ 2 ) sebesar penjumlahan semua konstanta

waktu bagian penyebut. Setelah diperoleh nilai-nilai tersebut di atas, selanjutnya dilakukan penalaan halus (fine tuning) sebagai berikut.

• Konstanta waktu lead ( τ 1 ) diatur agar dihasilkan luas di atas dan di bawah setpoint sama besar pada perubahan step gangguan.

• Konstanta waktu lag ( τ 2 ) diatur agar dihasilkan osilasi sekecil mungkin dengan

selisih kedua konstanta waktu ( τ 1- τ 2 ) tetap.

Contoh-5.3: Penalaan Pengendalian Umpan Maju

Tanggapan step pada perubahan gangguan diperoleh hasil sebagaimana gambar 5.7.

Gambar 5.11 Penalaan pengendali umpan maju

Semakin besar konstanta waktu lead tanggapan semakin cepat, dan sebaliknya. Mula-mula nilai τ 1 = 1 dan τ 2 = 0,5 dan diperoleh tanggapan seperti gambar 5.7 (a). Dengan menaikkan τ 1 menjadi 2, tanggapan semakin cepat meskipun terjadi osilasi. Terlihat bahwa luas daerah di atas dan di bawah setpoint sama besar dan ( τ 1 - τ 2 ) sama dengan 1,5. Selanjutnya τ 1 dinaikkan menjadi 2,5 untuk mempercepat tangapan. Nilai τ 2 dinaiikan juga menjadi 1 agar selisih ( τ 1 - τ 2 ) tetap 1,5. Hasil terakhir ini sudah cukup.

Contoh-5.4: Pengendalian Umpan Maju pada Ketel Uap

Laju steam yang dikeluarkan oleh ketel uap tergantung pada beban pemakaian. Sehingga beban pemakaian berlaku sebagai gangguan produksi steam. Oleh transmiter laju (FT) nilai laju alir steam dikirimkan ke pengendali umpan maju (FFC) untuk dievaluasi. Selanjutnya pengendali umpan maju memberikan sinyal kendali untuk mengatur bukaan katup kendali (control valve).

Gambar 5.12 Diagram instrumentasi pengendalian umpan maju pada ketel uap.