Pemilihan Alat Kawalan dan Kaedah Talaan

PEMILIHAN ALAT KAWALAN DAN KAEDAH TALAAN UNTUK MENGAWAL PROSES PENGHASILAN ETILINA OKSIDA DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULINK, MATLAB MOHAMED HAFIZ B. MD. ISA UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA

PSZ 19:16 (Pind. 1/97)

UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA

BORANG PENGESAHAN STATUS TESIS υ JUDUL : PEMILIHAN ALAT KAWALAN DAN KAEDAH TALAAN UNTUK MENGAWAL PROSES PENGHASILAN ETILINA OKSIDA DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULINK, MATLAB

SESI PENGAJIAN :

2003/2004

Saya

MOHAMED HAFIZ B. MD. ISA

(HURUF BESAR)

mengaku membenarkan tesis (PSM/Sarjana/Doktor Falsafah)* ini disimpan di Perpustakaan Universiti Teknologi Malaysia dengan syarat-syarat kegunaan seperti berikut :

1. Tesis adalah hakmilik Universiti Teknologi Malaysia. 2. Perpustakaan Universiti Teknologi Malaysia dibenarkan membuat salinan untuk tujuan pengajian sahaja. 3. Perpustakaan dibenarkan membuat salinan tesis ini sebagai bahan pertukaran antara institusi

pengajian tinggi. 4. ** Sila tandakan ( )

SULIT (Mengandungi maklumat yang berdarjah keselamatan atau kepentingan Malaysia seperti yang termaktub di dalam AKTA

RAHSIA RASMI 1972)

TERHAD (Mengandungi maklumat TERHAD yang telah ditentukan oleh organisasi/badan di mana penyelidikan dijalankan)

TIDAK TERHAD

Disahkan oleh

_______________________________________ __________________________________ (TANDATANGAN PENULIS)

(TANDATANGAN PENYELIA)

Alamat Tetap : NO 4-I, LOT 1258, BATU 12, PM DR. KAMARUL ASRI IBRAHIM JALAN CHERAS, 43000, KAJANG, Nama Penyelia SELANGOR DARUL EHSAN

Tarikh : 12 MAC 2004 Tarikh : 12 MAC 2004

CATATAN : * Potong yang tidak berkenaan. **

Jika tesis ini SULIT atau TERHAD, sila lampirkan surat daripada pihak berkuasa/organisasi berkenaan dengan menyatakan sekali sebab dan tempoh tesis ini perlu dikelaskan sebagai SULIT atau TERHAD.

Tesis dimaksudkan sebagai tesis bagi Ijazah Doktor Falsafah dan Sarjana secara penyelidikan, atau disertai

“Saya/Kami* akui bahawa saya telah membaca karya ini dan pada pandangan saya/kami* karya ini adalah memadai dari segi skop dan kualiti untuk tujuan penganugerahan ijazah Sarjana Muda/Sarjana/Doktor Falsafah Kejuruteraan Kimia”

Tandatangan : ____________________ Nama Penyelia: Prof. Madya Dr. Kamarul Asri Ibrahim Tarikh

PEMILIHAN ALAT KAWALAN DAN KAEDAH TALAAN UNTUK MENGAWAL PROSES PENGHASILAN ETILINA OKSIDA DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM SIMULINK, MATLAB MOHAMED HAFIZ B. MD. ISA

Laporan Projek Ini Di Kemukakan Sebagai Memenuhi Sebahagian Daripada Syarat Penganugerahan

Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Kimia

Fakulti Kejuruteraan Kimia dan Kejuruteraan Sumber Asli

Universiti Teknologi Malaysia

“Saya akui karya ini adalah hasil nukilan saya sendiri kecuali nukilan dan ringkasan

yang tiap-tiap satunya telah saya jelaskan sumbernya”.

Tandatangan : ____________________ Nama

: Mohamed Hafiz B. Md. Isa

Tarikh

: 12 MAC 2004

Teristimewa untuk ibu bapa dan keluarga tersayang

PENGHARGAAN

“Dengan nama Allah Yang Maha Pemurah Lagi Maha Mengasihani” Segala puji bagi Allah, kerana dengan limpah kurniaNya dan keredhaanNya,

dapat saya menyempurnakan projek sarjana muda ini.

Di dalam kesempatan ini, saya ingin mengucapkan setinggi-tinggi penghargaan terima kasih kepada Prof. Madya Dr. Kamarul Asri selaku penyelia projek yang sentiasa memberi semangat, tunjuk ajar dan juga nasihat kepada saya untuk melaksanakan projek sarjana muda ini.

Saya juga ingin mengucapkan ribuan terima kasih kepada ibu bapa serta ahli keluarga saya yang tidak pernah putus memberikan semangat, galakan dan dorongan kepada saya. Penghargaan juga diucapkan kepada rakan-rakan terutamanya Norhidayah Mohamad, Radin Luqman Salihuddin dan Muhammad Zaki Zainal Abidin dan yang banyak membantu dan memberi semangat kepada saya.

Semoga budi dan jasa baik yang telah disumbangkan oleh semua akan mendapat balasan yang setimpal dari Allah s.w.t, insya Allah.

Sekian, terima kasih.

KANDUNGAN PERKARA MUKA SURAT

PENGESAHAN STATUS PENGESAHAN PENYELIA JUDUL PENGAKUAN

iv ABSTRAK v

SENARAI JADUAL

xii

SENARAI RAJAH

xiv

SENARAI SIMBOL

xvii

BAB I PENGENALAN

1.1 Pengenalan

1.2 Latar Belakang Kajian Serta Masalah Kajian

1.3 Objektif Kajian

1.4 Skop Kajian

1.5 Sumbangan kajian

1.6 Susun Atur Bab

BAB II KAJIAN LITERATUR

2.1 Pengenalan

2.2 Penerangan Proses

2.2.1 Sistem Tindakbalas Berbilang

2.2.2 Aspek Keselamatan

2.2.3 Aspek Ekonomi

2.3 Sifat dan Penggunaan Alat Kawalan

2.4 Jenis Kawalan Suapbalik

2.4.1 Kawalan Perkadaran (P)

2.4.2 Kawalan Perkamiran Perkadaran (PI)

2.4.3 Kawalan Terbitan, Perkamiran Perkadaran (PID)

2.5 Proses Talaan

2.6 Kaedah Talaan

2.6.1 Kaedah Proses Lengkungan Tindakbalas (Process Reaction Curve) dan Kaedah Talaan Cohen Coon

2.6.2 Kaedah Talaan Ziegler Nichols

2.6.2.1 Kaedah Talaan Ziegler Nichols Gelung Terbuka 24

2.6.2.2 Kaedah Talaan Ziegler Nichols Gelung Tertutup 25

2.6.3 Kaedah Talaan Lopez et.al (1967)

2.7 Rumusan

BAB III METODOLOGI KAJIAN

3.2 Prosedur Penyelidikan

3.2.1 Permodelan Matematik

3.2.2 Penggunaan Program Simulink (MATLAB )

3.3 Pemilihan Pembolehubah Manipulasi

3.3.1 Penentuan Nilai Gandaan Statik, K p , Masa Pemalar τ p dan Masa Lengah, θ

3.4 Proses Talaan dan Penentuan Nilai Gandaan Statik Kawalan, K c , Masa Malar Perkamiran, τ I dan Masa Malar Terbitan, τ D

3.4.1 Talaan Cohen Coon

3.4.2 Talaan Ziegler Nichols Gelung Terbuka

3.4.3 Talaan Ziegler Nichols Gelung Tertutup

3.4.4 Talaan Lopez et. al.,(1967)

3.4.4.1 Formula bagi Masalah Beban

3.4.4.1 Formula bagi Masalah Servo

3.5 Perbandingan Kaedah Talaan

BAB IV PROSES DAN PERMODELAN MATEMATIK

4.2 Proses Penghasilan Etilina Oksida

4.3 Permodelan Matematik

4.3.1 Kepentingan Permodelan Matematik

4.3.2 Persamaan Stokiometri Proses

4.3.3 Anggapan Proses

4.4 Penerbitan Model Matematik

4.4.1 Imbangan Jisim

4.4.2 Imbangan Komponen

4.4.2.1 Imbangan Komponen Etilina, C A 53

4.4.2.2 Imbangan Komponen Oksigen, C B 54

4.4.2.3 Imbangan Komponen Etilina Oksida, C C 55

4.4.2.4 Imbangan Komponen Karbon Dioksida, C D 56

4.4.2.5 Imbangan Komponen Air, C E 57

4.4.3 Imbangan Tenaga

4.4.3.1 Imbangan Tenaga Dalam Reaktor

4.4.3.2 Imbangan Tenaga Dalam Sistem Penyejuk

BAB V KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN

5.2.1 Persamaan-Persamaan Imbangan Proses

5.2.2 Blok Simulink Untuk Persamaan Model Proses

5.3 Graf Dinamik dan Graf Keadaan Malar

5.3.1 Graf Dinamik

5.3.2 Graf Keadaan Malar

5.4 Pemilihan Pembolehubah Manipulasi

5.5 Proses Talaan

5.5.1 Talaan Cohen Coon

5.5.2 Talaan Ziegler Nichols Gelung Terbuka

5.5.3 Talaan Lopez et. al., (1967) (Masalah Beban)

5.5.4 Talaan Lopez et. al., (1967) (Masalah Servo)

5.5.5 Talaan Ziegler Nichols Gelung Tertutup

5.6 Penentuan Nilai Ralat Kuasa Dua (SSE)

5.6.1 Keputusan Nilai SSE Bagi Setiap Jenis Alat Kawalan

5.6.2 Keputusan Nilai SSE Bagi Setiap Jenis Talaan

5.7 Perbincangan 102

5.8 Rumusan 104

BAB VI KESIMPULAN DAN CADANGAN 105

6.1 Pengenalan 105

6.2 Kesimpulan 106

6.3 Cadangan Kajian Lanjutan 107

RUJUKAN

SENARAI JADUAL

NO. JADUAL

TAJUK

MUKA SURAT

2.1 Nilai parameter kawalan berdasarkan alat kawalan

2.2 Kriteria bagi ISE, IAE dan ITAE (Stephanopoulos, 1984)

3.1 Formula talaan Cohen-Coon (1953) untuk kawalan P, PI, PID

3.2 Formula talaan Ziegler-Nichols (1943) gelung terbuka untuk kawalan P, PI, PID

3.3 Formula talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup bagi kawalan P, PI dan PID

3.4 Formula talaan Lopez et. al. (1967) untuk kawalan P

3.5 Formula talaan Lopez et. al. (1967) untuk kawalan PI

3.6 Formula talaan Lopez et. al. (1967) untuk kawalan PID

3.7 Formula talaan Lopez et. al. (1967) untuk kawalan PI

3.8 Formula talaan Lopez et. al. (1967) untuk kawalan PID

3.9 Persamaan matematik yang mewakili ketiga-tiga jenis alat kawalan iaitu P, PI dan PID

4.1 Kelas pembolehubah bagi model proses

5.1 Nilai parameter-parameter awal untuk proses simulasi

5.2 Senarai parameter pada keadaan malar

5.3 Nilai gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ bagi fungsi langkah suapan Etilina

5.4 Nilai gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ bagi fungsi langkah kadar alir masukan

5.5 Nilai gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ bagi fungsi langkah suhu awal reaktor

5.6 Nilai gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ bagi fungsi langkah suhu awal sistem penyejuk

5.7 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Cohen Coon

5.8 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Ziegler Nichols gelung terbuka 88

5.9 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Lopez et. al (1967)

dengan kaedah ISE (masalah beban)

5.10 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Lopez et. al (1967)

dengan kaedah IAE (masalah beban)

5.11 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Lopez et. al (1967)

dengan kaedah ITAE (masalah beban)

5.12 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Lopez et. al (1967)

dengan kaedah IAE (masalah servo) 90

5.13 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Lopez et. al (1967)

dengan kaedah ITAE (masalah servo)

5.14 Nilai-nilai K c, τ I dan τ D bagi talaan Ziegler Nichols gelung tertutup 92

SENARAI RAJAH

NO. RAJAH

TAJUK

MUKA SURAT

2.1 Tindakbalas lengkap penghasilan Etilina Oksida

2.2 Tindakbalas ringkas penghasilan Etilina Oksida

2.3 (a): Proses; (b): Gelung kawalan suap balik

2.4 Sambutan proses terhadap fungsi langkah yang dikenakan pada gangguan untuk proses yang dikawal oleh pelbagai kawalan dan tanpa kawalan.

2.5 Gelung kawalan “dibuka” (Stephanopoulos, 1984)

2.6 (a) Proses lengkungan tindakbalas; (b) Penghampiran proses dengan sistem tertib pertama bertambah sistem masa lengah.

2.7 Sambutan gelung tertutup dalam kriteria masa perkamiran yang berlainan (Stephanopoulos, 1984)

3.1 Contoh blok Simulink

3.2 (a) Graf dinamik (b) Graf malar

3.3 Proses lengkungan tindakbalas

3.4 Nilai “ultimate period”, P u yang diambil untuk dimasukkan ke dalam formula talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup

3.5 Carta alir metodologi kajian yang digunakan

4.1 Sistem reaktor tiub berpenyejuk

5.1 Gambarajah blok Simulink untuk komponen A (Etilina)

5.2 Gambarajah blok Simulink untuk komponen C (Etilina Oksida)

5.3 Gambarajah blok Simulink untuk komponen D (Karbon Dioksida) 70

5.4 Gambarajah blok Simulink untuk komponen E (Air)

5.5 Gambarajah blok Simulink untuk imbangan tenaga di dalam reaktor 71

5.6 Gambarajah blok Simulink untuk imbangan tenaga di dalam sistem penyejuk

5.7 Graf kepekatan Etilina melawan masa (Dinamik

5.8 Graf kepekatan Etilina Oksida melawan masa (Dinamik)

5.9 Graf kepekatan Karbon Dioksida melawan masa (Dinamik)

5.10 Graf kepekatan Air melawan masa (Dinamik)

5.11 Graf perubahan suhu reaktor melawan masa (Dinamik)

5.12 Graf perubahan suhu sistem penyejuk melawan masa (Dinamik)

5.13 Graf kepekatan Etilina melawan masa (Malar)

5.14 Graf kepekatan Etilina Oksida melawan masa (Malar)

5.15 Graf kepekatan Karbon Dioksida melawan masa (Malar)

5.16 Graf kepekatan Air melawan masa (Malar)

5.17 Graf perubahan suhu reaktor melawan masa (Malar)

5.18 Graf perubahan suhu sistem penyejuk melawan masa (Malar)

5.19 Graf perubahan kepekatan Etilina Oksida melawan masa dan fungsi langkah terhadap Etilina

5.20 Graf perubahan kepekatan Etilina Oksida melawan masa dan fungsi langkah terhadap kadar alir masukan 83

5.21 Graf perubahan kepekatan Etilina Oksida melawan masa dan fungsi langkah suhu awal reaktor

5.22 Graf perubahan kepekatan Etilina Oksida melawan masa dan fungsi langkah suhu awal sistem penyejuk

5.23 Ayunan proses pada keadaan malar dalam kawalan perkadaran

5.24 Blok Simulink untuk perubahan nilai gangguan

5.25 Graf bagi proses yang dikenakan perubahan nilai gangguan

5.26 Blok Simulink untuk perubahan nilai titik set

5.27 Graf bagi proses yang dikenakan perubahan nilai titik set

5.28 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan perkadaran (P) untuk masalah servo

5.29 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan perkadaran (P) untuk masalah beban

5.30 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan perkamiran perkadaran (PI) untuk masalah servo

5.31 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan perkamiran perkadaran (PI) untuk masalah beban

5.32 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID) untuk masalah servo

5.33 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi alat kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID) untuk masalah beban

5.34 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi kaedah talaan Cohen Coon untuk masalah servo dan beban

5.35 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi kaedah talaan Ziegler Nichols gelung terbuka untuk masalah servo dan beban

5.36 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi kaedah talaan Ziegler Nichols gelung tertutup untuk masalah servo dan beban

5.37 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi kaedah talaan Lopez et. al (1967) untuk masalah servo

5.38 Nilai ralat kuasa dua (SSE) bagi kaedah talaan Lopez et. al (1967) untuk masalah beban

SENARAI SIMBOL

Ai

C 3 = Kepekatan molar komponen Etilina dalam aliran suapan, mol/dm

A = Kepekatan molar komponen Etilina dalam aliran keluaran, mol/dm

C 3 Bi = Kepekatan molar komponen Oksigen dalam aliran suapan, mol/dm

C 3 B = Kepekatan molar komponen Oksigen dalam aliran keluaran, mol/dm

C Ci = Kepekatan molar komponen Etilina Oksida dalam aliran suapan,

3 mol/dm

C C = Kepekatan molar komponen Etilina Oksida dalam aliran keluaran,

mol/dm 3

C Di = Kepekatan molar komponen Karbon Dioksida dalam aliran suapan,

3 mol/dm

C D = Kepekatan molar komponen Karbon Dioksida dalam aliran keluaran,

3 mol/dm

C 3 Ei = Kepekatan molar komponen Air dalam aliran suapan, mol/dm

C 3 E = Kepekatan molar komponen Air dalam aliran keluaran, mol/dm

C pmix = Haba muatan tentu campuran, J/mol.K

C pc = Haba muatan tentu penyejuk, J/mol.K

C p = Muatan haba tentu, kJ/kg.K

D = Diameter reaktor tiub, m (ΔH) p,x =

Haba tindakbalas, kJ/mol ΔT ad =

ΔH p C Ai /T R ρ g Cp, kenaikan suhu adiabatik (tidak berdimensi)

E = Tenaga pengaktifan, J/mol

i = Kadar alir masukan reaktor, m /s

F 3 = Kadar alir keluaran reaktor, m /s

F 3 Ci = Kadar alir masukan sistem penyejuk, m /s

C = Kadar alir keluaran sistem penyejuk, m /s

H = Haba tindakbalas, kJ/mol

= Entalpi spesifik bahan dalam aliran suapan, kJ/kg h

j = Entalpi spesifik bahan dalam aliran keluaran, kJ/kg K

= Tenaga kinetik, J

3 K = Pemalar tindakbalas, m /kg.s k 3

p = Pemalar tindakbalas produk yang dikehendaki m /kg mangkin k 3 x = Pemalar tindakbalas produk yang tidak dikehendaki m /kg mangkin

n A = Bilangan mol komponen Etilina dalam sistem, kmol P = Tenaga keupayaan, J ρ 3 = Ketumpatan bahan dalam sistem, kg/m

= Ketumpatan bahan dalam aliran suapan, kg/m ρ = 3

Ketumpatan bahan dalam aliran keluaran, kg/m ρ 3

b = Ketumpatan mangkin pukal, kg/m ρ 3 mix = Ketumpatan sistem, kg/m

c = Ketumpatan penyejuk, kg/m Q

= Kadar pemindahan haba antara sistem dengan persekitaran, W R

= Pemalar gas, 8.314 J/mol.K r a =

Kadar tindakbalas bagi komponen Etilina, mol/s r b =

Kadar tindakbalas bagi komponen Oksigen, mol/s r c =

Kadar tindakbalas bagi komponen Etilina Oksida, mol/s r d =

Kadar tindakbalas bagi komponen Karbon Dioksida, mol/s

r e = Kadar tindakbalas bagi komponen Air, mol/s S’ xp =

Nisbah pembezaan kepemilihan antara hasil sampingan dan produk T i =

Suhu masukan reaktor, K T

= Suhu keluaran reaktor, K T ci =

Suhu masukan sistem penyejuk, K T c =

Suhu keluaran sistem penyejuk, K T ma =

Nisbah suhu reaktor dengan suhu rujukan yang dibenarkan

T R = Suhu rujukan, K U

= Tenaga dalaman, J

U 2 = Pemalar pemindahan haba, W/m .K

V = Jumlah isipadu dalam sistem, m 3 W

= Kadar kerja mengaduk oleh pengaduk, W

X = Pertukaran (Conversion) γ p

= Tenaga pengaktifan yang tidak berdimensi K p =

Gandaan statik τ p =

Masa pemalar, s τ I =

Masa pemalar perkamiran, s τ D =

Masa pemalar terbitan, s θ

= Masa lengah, s K c =

Gandaan statik kawalan SSE =

Ralat kuasa dua ISE =

Perkamiran ralat ganda dua IAE =

Perkamiran ralat mutlak ITAE =

Perkamiran masa ralat mutlak

Subskrip:

A = Reaktan

g = Gas p

= Produk yang dikehendaki x

= Hasil sampingan

ABSTRAK

Proses penghasilan Etilina Oksida merupakan satu tindakbalas eksotermik. Proses ini juga merupakan tindakbalas berbilang jenis selari. Proses ini mempunyai tindakbalas pseudo-tertib pertama jenis Arrhenius. Suatu mekanisma kawalan perlu dibina bagi menjamin proses ini sentiasa stabil dari aspek keselamatan dan ekonomi selain menjaga mutu produk utama. Tujuan utama penyelidikan ini dijalankan adalah untuk memilih alat kawalan dan kaedah talaan terbaik bagi proses penghasilan Etilina Oksida berdasarkan permodelan matematik yang dibangunkan menggunakan program Simulink di dalam perisisan Matlab. Kaedah talaan yang terlibat ialah Cohen Coon, Lopez serta Ziegler Nichols gelung terbuka dan gelung tertutup. Manakala alat kawalan yang dikaji meliputi kawalan perkadaran (P), kawalan perkamiran perkadaran (PI) dan kawalan terbitan, perkamiran perkadaran (PID). Untuk mendapatkan pembolehubah manipulasi proses, fungsi langkah dikenakan kepada proses bagi mendapatkan nilai gandaan statik, K p , masa pemalar, τ p dan masa lengah, θ. Nilai-nilai ini didapati dengan menggunakan kaedah proses lengkungan tindakbalas. Setelah itu, nilai-nilai ini digunakan bagi mendapatkan nilai gandaan

statik kawalan, K c , masa malar perkamiran, τ I dan masa malar terbitan τ D bagi setiap jenis kaedah talaan dan alat kawalan. Seterusnya, pelbagai magnitud fungsi langkah digunakan bagi kajian masalah servo dan beban. Sambutan keluaran akan dinilai berdasarkan perbezaan nilai ralat kuasa dua (SSE) antara nilai set dan nilai keluaran. Kesimpulan dari kajian ini, kaedah talaan Ziegler Nichols gelung tertutup menggunakan kawalan PID merupakan gabungan yang terbaik untuk mengawal proses penghasilan Etilina Oksida.

ABSTRACT

The production of Ethylene Oxide is an exothermic reaction. It is multiple and parallel reaction. Besides that, it is Arrhenius pseudo-first order reaction. In order to stabilise the process in term of economic, safety and quality of main product,

a control mechanism needs to be developed. The main objective of this study is to determine the best type of tuning method and controller to be used based on model developed using Simulink in Matlab, so that one can effectively control the process. The tuning methods that have been considered were Cohen Coon, Lopez, and Ziegler Nichols opened loop and closed loop techniques. Three types of controller namely Proportional Controller (P), Proportional Integral Controller (PI) and Proportional Integral Derivative Controller (PID) will be used to control the process. To determine the manipulated variable, step change will be imposed to the process. The value of steady state process gain, K p , time constant, τ p and time delay, θ are determined using process reaction curve. These values will be used in formula to determine the

value of feedback controller gain, K c , integral time constant, τ I and derivative time constant, τ D in each tuning method and controller. The process response will be assessed using several magnitude of step input in servo and load problem methods. The effectiveness of the process response will be evaluated by using sum of square error (SSE) which is based on the difference between set point and output value. As conclusion for this study, Ziegler Nichols closed loop tuning method using PID controller is the most suitable tuning method and controller for the production of Ethylene Oxide.

Bab ini akan menerangkan tentang latar belakang kajian serta masalah kajian, objektif kajian dan skop kajian. Selain itu juga, bab ini akan menerangkan tentang sumbangan kajian dan susun atur bab bagi penulisan tesis ini.

1.2 Latar Belakang Kajian Serta Masalah Kajian

Kawalan proses merupakan elemen yang penting di dalam suatu proses kimia. Ini kerana ia dapat mengoptimumkan sesuatu kualiti produk di mana secara tidak langsung akan meningkatkan pasaran ekonomi produk tersebut. Selain daripada itu, dari aspek keselamatan, kawalan proses amat penting kerana dalam proses ini suhu memainkan peranan yang amat penting.

Proses yang dikaji ialah proses penghasilan Etilina Oksida melalui tindakbalas pengoksidaan. Proses ini melibatkan sistem tindakbalas berbilang dan merupakan suatu tindakbalas eksotermik. Walau bagaimanapun, mengikut pengalaman dan kajian di industri sistem tindakbalas ini telah dipermudahkan menjadi sistem tindakbalas psudo tertib pertama jenis Arrhenius. Sistem ini melibatkan reaktor tiub berpenyejuk.

Apabila proses ini menerima gangguan, ia akan menjadi tidak stabil. Oleh itu, ia tidak dapat memenuhi kriteria yang ditetapkan oleh perekabentuk, pasaran ekonomi, dan lain-lain. Selain itu, keselamatan proses ini juga tidak akan terjamin jika ianya tidak terkwal. Bagi memastikan perkara ini tidak berlaku, suatu mekanisma kawalan perlu supaya proses menjadi lebih terkawal.

Mekanisma kawalan ini terbahagi kepada beberapa bahagian, antaranya ialah alat kawalan dan kaedah talaan. Alat kawalan merupakan alat yang mengawal proses tersebut. Talaan ialah kaedah yang digunakan bagi menstabilkan sambutan proses atau membetulkan gelombang isyarat daripada proses. Oleh itu, alat kawalan dan kaedah talaan yang terbaik perlu ditentukan untuk memastikan proses penghasilan Etilina Oksida sentiasa dalam keadaan stabil.

1.3 Objektif Kajian

Berikut merupakan objektif projek penyelidikan ini dijalankan:

a) Memilih pembolehubah manipulasi bagi proses penghasilan Etilina Oksida.

b) Mengenalpasti alat kawalan yang sesuai untuk mengawal proses penghasilan Etilina Oksida. Alat-alat kawalan tersebut ialah alat kawalan perkadaran (P), alat kawalan perkamiran perkadaran (PI) dan alat kawalan terbitan, perkamiran perkadaran (PID).

c) Memilih kaedah talaan yang sesuai bagi proses penghasilan Etilina Oksida.

1.4 Skop Kajian

Skop kajian bagi projek penyelidikan ini meliputi:

a) Menerbitkan persamaan imbangan berdasarkan imbangan jisim keseluruhan melalui permodelan matematik.

b) Menghasilkan graf dinamik dan graf keadaan malar bagi semua persamaan imbangan dengan menggunakan perisian Simulink, serta menentukan nilai parameter gandaan statik, K p , masa pemalar, τ p dan masa lengah, θ dengan menggunakan proses lengkungan tindakbalas.

c) Menggunakan pelbagai kaedah talaan seperti kaedah talaan Cohen-Coon, Lopez et. al. (1967), Ziegler-Nichols gelung terbuka dan gelung tertutup

untuk mengenalpasti nilai parameter gandaan statik kawalan, K c , masa

permalar perkamiran, τ I dan masa pemalar terbitan, τ D .

d) Menggunakan program Simulink (MATLAB) untuk penyelakuan proses, dan gambarajah blok proses dibina bagi tujuan membandingkan nilai ralat kuasa dua (SSE).

e) Menentukan kaedah talaan dan alat kawalan yang terbaik untuk mengawal proses penghasilan Etilina Oksida.

1.5 Sumbangan Kajian

Kajian ini dapat membantu menentukan nilai parameter yang penting bagi mekanisma kawalan iaitu gandaan statik, K p , masa pemalar, τ dan masa lengah, θ p

bagi proses penghasilan Etilina Oksida. Apabila parameter tersebut telah ditentukan, parameter bagi nilai gandaan statik kawalan K c , masa pemalar perkamiran τ I dan masa pemalar terbitan τ D bagi pelbagai kaedah talaan dapat ditentukan. Kaedah talaan yang terlibat ialah kaedah talaan Cohen-Coon, Lopez et. al. (1967), Ziegler- Nichols gelung terbuka dan gelung tertutup. Akhir sekali, kajian ini dapat menentukan alat kawalan dan kaedah talaan yang terbaik dalam mengawal serta menstabilkan proses tersebut.

1.6 Susun Atur Bab

Tesis ini telah dibahagikan kepada enam bab. Bab I adalah tentang pengenalan kepada penyelidikan projek sarjana muda yang telah dijalankan merangkumi latar belakang penyelidikan, skop kajian dan juga objektif kajian. Bab II pula merupakan bab kajian literatur. Dalam bab ini dimuatkan tentang teori mengenai proses penghasilan Etilina Oksida, pengenalan tentang fungsi dan penggunaan alat kawalan perkadaran (P), alat kawalan perkadaran perkamiran (PI), dan alat kawalan terbitan, perkamiran perkadaran (PID). Selain itu juga, bab ini turut memuatkan serba ringkas tentang kaedah talaan Cohen-Coon, Lopez et.al (1967) dan Ziegler-Nichols gelung terbuka dan tertutup.

Bab III membincangkan tentang metadologi penyelidikan yang digunakan seperti mendapatkan nilai gandaan statik, K c , masa pemalar, τ p , masa lengah, θ, formula- formula matematik yang digunakan untuk setiap kaedah talaan dan lain-lain lagi. Bab IV memberi penerangan tentang proses yang dipilih sebagai proses kajian dalam penyelidikan ini iaitu proses penghasilan Etilina Oksida dalam reaktor tiub berpenyejuk serta permodelan matematik yang dibangunkan. Rajah skematik proses yang berlaku, kaedah permodelan matematik serta anggapan- anggapan yang dibuat turut dimuatkan.

Data dan keputusan dimuatkan di dalam Bab V. Selain itu, di dalam bab ini turut dimasukkan perbincangan tentang keputusan yang telah diperolehi. Kesemua data diinterpretasikan dalam bentuk carta bar agar penerangan dan perbincangan yang dilakukan menjadi lebih mudah difahami. Seterusnya, perbandingan nilai jumlah ralat kuasa dua (SSE) dibuat untuk memilih alat kawalan serta kaedah talaan yang sesuai bagi penghasilan Etilina Oksida ini.

Akhir sekali, Bab IV merangkumi kesimpulan dan cadangan untuk penyelidikan ini. Ulasan kepada kesimpulan hasil daripada kajian penyelidikan yang

BAB II KAJIAN LITERATUR

2.1 Pengenalan

Bab ini akan menerangkan tentang sedikit sebanyak mengenai teori berkenaan dengan proses penghasilan Etilina Oksida di dalam reaktor tiub berpenyejuk ini.

Selain itu, bab ini turut membincangkan tentang alat kawalan dan kaedah talaan yang akan digunakan dalam projek penyelidikan ini. Alat- alat kawalan tersebut terdiri daripada kawalan perkadaran (P), kawalan perkamiran perkadaran (PI), kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID).

Selain itu juga turut dimuatkan dalam bab ini adalah kelemahan dan kelebihan bagi setiap kaedah talaan yang digunakan. Kaedah-kaedah talaan ini meliputi Kaedah Proses Lengkungan Tindakbalas dan Kaedah Talaan Cohen-Coon, Kaedah Talaan Ziegler-Nichols Gelung Tertutup dan Terbuka dan Kaedah Talaan Lopez et. al. (1967) di mana Kaedah Talaan Lopez et. al. (1967) ini terbahagi kepada tiga kriteria iaitu Perkamiran Ralat Ganda Dua (ISE), Perkamiran Ralat Mutlak (IAE), dan Perkamiran Masa Ralat Mutlak (ITAE) (Stephanopoulous,1984).

2.2 Penerangan Proses

2.2.1 Sistem Tindakbalas Berbilang

Etilina Oksida (EO) atau nama IUPAC “oxirane”, merupakan hasil daripada tindakbalas pengoksidaan Etilina. Tindakbalas lengkap ini ditunjukkan seperti Rajah

2.1 di bawah.

Ethylene

Ethylene Oxide

CO 2 ,H 2 O

Carbon Dioxide, Water

Rajah 2.1: Tindakbalas lengkap penghasilan Etilina Oksida

Walau bagaimanapun, daripada kajian kinetik yang dilakukan oleh Voge dan Adams (1967) bersetuju bahawa untuk keadaan tindakbalas di industri, pembakaran Etilina Oksida yang membentuk air dan karbon dioksida boleh diabaikan. Maka dengan itu, tindakbalas di atas boleh diringkaskan seperti dalam Rajah 2.2:

Ethylene Ethylene Oxide

CO 2 ,H 2 O

Carbon Dioxide, Water

K p dan k x masing-masing adalah pemalar kadar tindakbalas bagi persamaan tindakbalas kimia di atas. Berikut adalah persamaan lengkap bagi tindakbalas pengoksidaan Etilina.

C 2 H 4 + O 2  → C 2 H 4 O E2-1 2

C 2 H 4 + 3 O 2  → 2 CO 2 + 2 H 2 O E2-2

Jadi, daripada kedua-dua persamaan tindakbalas di atas, dapat disimpulkan di sini bahawa sistem ini adalah tindakbalas berbilang dan selari.

2.2.2 Aspek Keselamatan

Proses ini merupakan proses eksotermik iaitu apabila tindakbalas berlaku, banyak haba yang akan dibebaskan dan menyebabkan suhu sistem meningkat. Suhu tersebut boleh mencapai ke tahap yang merbahaya iaitu beribu-ribu Kelvin. Ini akan membahayakan sistem.

Menurut kajian yang dijalankan oleh Westerterp dan Ptasinsky (1984), bagi aspek keselamatan sistem ini, suhu proses mesti tidak melebihi satu tahap dan ia bergantung kepada faktor kepemilihan (selectivity) yang maksimum. Untuk itu, persamaan berikut telah dibentuk:

T ma =

γ E2-3

Di mana, T ma = Nisbah suhu reaktor dengan suhu rujukan yang dibenarkan γ p

= Tenaga pengaktifan yang tidak berdimensi S’ xp = Nisbah pembezaan kepemilihan antara hasil sampingan dan produk

E = Tenaga pengaktifan, J/mol R

= Pemalar gas, 8.314 J/mol.K T R = Suhu rujukan, K

X = Pertukaran (Conversion) x

= Hasil sampingan p

= Produk yang dikehendaki

Daripada persamaan E2-3, diperhatikan suhu dan kepekatan hasil memainkan peranan penting dalam menjamin keselamatan proses. Oleh itu, satu sistem kawalan penting untuk mencapai objektif ini.

2.2.3 Aspek Ekonomi

Pembolehubah-pembolehubah seperti suhu, kepekatan Etilina masukan dan keluaran, kepekatan Etilina Oksida keluaran, dan kadar alir suapan memainkan peranan penting bagi mencapai faktor ekonomi yang maksimum. Bagi suatu tindakbalas berbilang, faktor kepemilihan perlu dimaksimumkan di mana ia memaksimumkan hasil yang dikehendaki di samping meminimumkan hasil yang tidak diperlukan dan faktor kepemilihan ini bergantung kepada pembolehubah- pembolehubah di atas. Untuk itu, kajian yang dilakukan oleh Westerterp dan Ptasinsky (1984) telah menetapkan dua kriteria berikut perlu dipatuhi:

ma − T c ) =≥ ( S ' xp ) ma ( p − 1 ) [ 1 + H ( S ' xp ) ma E2-4

∆ T ad

dT ( T ma − T ) XA = 0 ≤

E2-5 dX A ( X A ) ma

Dengan: U * = E2-6

k R ρ b ρ g CpD

Di mana: Cp

= Muatan haba tentu, kJ/kg.K

D = Diameter reaktor, m

H = Haba tindakbalas, kJ/mol

3 K = Pemalar tindakbalas, m /kg.s

S’ xp = Nisbah kepemilihan antara hasil sampingan dan produk T c = Nisbah suhu penyejuk dengan suhu rujukan yang dibenarkan T ma = Nisbah suhu reaktor dengan suhu rujukan yang dibenarkan

ΔT ad = ΔH p C Ai /T R ρ g Cp, kenaikan suhu adiabatik (tidak berdimensi)

2 U = Pemalar pemindahan haba keseluruhan (W/m .K) 2 U = Pemalar pemindahan haba keseluruhan (W/m .K)

= Produk yang dikehendaki x

= Hasil sampingan

Daripada persamaan di atas, jelaslah bahawa kepekatan dan suhu memainkan peranan penting dalam mencapai objektif ini iaitu memaksimumkan faktor ekonomi. Untuk itu juga, sistem kawalan yang terbaik akan dikaji dalam proses penyelidikan ini.

2.3 Sifat dan Penggunaan Alat Kawalan

Alat kawalan merupakan elemen penting yang menerima isyarat daripada alat pengukuran tentang sambutan suatu proses. Isyarat yang diterima kemudiannya akan dibandingkan dengan isyarat atau nilai yang telah ditetapkan. Sekiranya berlaku gangguan, arahan akan dihantar oleh alat kawalan kepada elemen kawalan terakhir untuk membuat tindakan susulan bagi mengatasi gangguan yang berlaku ke atas proses tadi. Setiap alat kawalan mempunyai ciri- ciri serta fungsi tersendiri dan berbeza antara satu sama lain. Dalam kajian penyelidikan ini, alat kawalan yang akan dikaji merupakan kawalan bagi sistem suapbalik.

Sistem kawalan suapbalik lebih mudah berbanding sistem kawalan suapdepan. Ini kerana sistem kawalan suapbalik mudah direkabentuk memandangkan di dalam sistem ini, sistem kawalan memainkan peranan setelah keadaan proses diketahui. Terdapat tiga jenis alat kawalan yang terdapat dalam sistem ini iaitu kawalan perkadaran (P), kawalan perkamiran perkadaran (PI) dan juga kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID).

Secara umumnya, terdapat dua jenis pendekatan yang digunakan dalam merekabentuk alat kawalan iaitu kaedah tradisional yang berasakan pemahaman tentang suatu proses dan juga kaedah model yang lebih mudah dan tersusun (Seborg, 1989).

Proses

Mekanisma Kawalan

Alat Kawalan Akhir

Ym Pengukur

(b)

Rajah 2.3 (a): Proses; (b): Gelung kawalan suap balik (Stephanopoulos, 1984)

Rajah 2.3 (a) menunjukkan model umum yang digunakan dalam merekabentuk sistem kawalan suapbalik. Model ini merupakan proses yang terdiri daripada keluaran, y, angkubah boleh diubah, m dan gangguan, d. Hubungan antara ketiga-tiga angkubah ini boleh ditunjukkan dalam persamaan ini:

Angkubah boleh ubah (m) + Gangguan (d) = Keluaran (y)

Rajah 2.3 (b) pula menunjukkan gelung kawalan suap balik. Bagi sistem kawalan suap balik, alat pengukur yang bersesuaian digunakan untuk mengukur kadaralir, tekanan, suhu, aras dan komposisi. Bacaan yang dihasilkan ialah y. m

Seterusnya, nilai y dibandingkan dengan nilai titik set m y sp , sisihan ini dikenali sebagai ralat ( ε = y sp − y m ). Kemudian nilai sisihan ε dihantarkan kepada alat kawalan, alat kawalan akan mengubah angkubah yang boleh ubah supaya magnitud

sisihan menjadi kecil. Biasanya, alat kawalan tidak mengubah angkubah boleh ubah secara terus tetapi menggunakan peranti lain yang dikenali sebagai alat unsur akhir seperti pam dan injap.

2.4 Jenis Kawalan Suapbalik (Stephanopoulos, 1984)

2.4.1 Kawalan Perkadaran (P)

Satu ciri penting alat kawalan perkadaran (P) ialah ia boleh mempercepatkan sambutan kawalan suap balik (Stephanopoulos, 1984). Konsep asas bagi alat kawalan jenis ini menyatakan bahawa nilai gandaan kawalan, K c boleh diubah supaya nilai keluaran alat kawalan berubah mengikut sensitiviti penyimpangan antara titik set dan pembolehubah kawalan. Selain itu, nilai K c juga boleh dipilih mengikut kesesuaian untuk meningkatkan nilai keluaran alat kawalan apabila penyimpangan berlaku bertambah besar. Alat kawalan ini mempunyai offset kecuali bagi proses kemuatan tulen dan digunakan dalam proses yang mempunyai rangkap pindah berbentuk 1/s seperti pengawal aras dan tekanan gas. Selain itu, alat kawalan ini akan menyebabkan proses menjadi tidak stabil jika talaan yang digunakan tidak menepati ciri- ciri yang dikehendaki oleh sistem.

Secara keseluruhannya alat kawalan ini berfungsi berasaskan konsep peningkatan ralat secara berkadar terus di mana semakin lama suatu proses itu berjalan, semakin bertambah ralat bagi proses tersebut. Alat kawalan perlu mengubah angkubah boleh ubah supaya nilainya bertambah, selaras dengan peningkatan nilai ralat bagi memastikan nilai sisihan antara nilai yang diukur dengan nilai set menjadi sifar.

Gandaan statik, K c diberikan dalam bentuk jaluran berkadaran (PB = 100/K c ) dan kebiasaannya julat berkadaran adalah 1<PB<500. Apabila nilai K c bertambah, jaluran berkadarn (PB) akan mengecil menyebabkan alat kawalan akhir berubah dengan ketara. Ini bermakna alat kawalan akan mengubah ralat, ε dengan lebih besar dan sensitiviti sistem kawalan akan meningkat.

Kesan alat kawalan akhir adalah berkadaran dengan ralat di mana:

c ( t ) = K c ε ( t ) + c E2-7

Di mana,

K c = Gandaan statik kawalan

c s = Isyarat kawalan ketika ε=0

2.4.2 Kawalan Perkamiran Perkadaran (PI)

Alat kawalan ini banyak digunakan secara meluas dan praktikal kerana ia berfungsi untuk menghapuskan offset. Ia juga dikenali sebagai perkadaran set semula (proportional plus reset). Perubahan alat kawalan akhir akan bergantung pada persamaan berikut:

c ε ( t ) + ε ( t ) dt + c s E2-8

Di mana, τ I = Masa pemalar perkamiran atau masa set semula

Julat bagi masa perkamiran akan diberi nilai antara 0.1< τ I <50 min. Selain dari itu, masa perkamiran, τ I turut diberi nilai dalam bentuk 1/ τ I yang dikenali sebagai kadar set semula. Apabila nilai gandaan kawalan, K c adalah besar, maka sambutan kawalan akan berayun dan proses mungkin akan menjadi tidak stabil.

Kelebihan bagi alat kawalan ini adalah bagi masalah servo dan masalah beban tidak akan mempunyai offset tetapi akan berlaku sisihan yang besar sekiranya Kelebihan bagi alat kawalan ini adalah bagi masalah servo dan masalah beban tidak akan mempunyai offset tetapi akan berlaku sisihan yang besar sekiranya

2.4.3 Kawalan Terbitan Perkamiran Perkadaran (PID)

Alat kawalan jenis ini mempunyai kelebihan di mana ia berkebolehan untuk meramal ralat yang akan berlaku dan mengambil tindakan ke atasnya (Willis, 1996). Alat kawalan ini memberikan kestabilan pada gelung tertutup selain dapat mempercepatkan sambutan gelung tertutup dan mengekalkan ketegapan atau “robustness”.

Alat kawalan ini juga dikenali sebagai kawalan perkadaran dengan set semula dan kadar (propotional plus-reset-plus-rate) di industri. Output bagi alat kawalan ini diberikan dalam persamaan yang berikut:

c ( t ) = K c ε ( t ) + ε ( t ) dt + K c τ D + c s E2-9

τ I ∫ 0 dt

Di mana,

τ D = Masa pemalar terbitan

Kelemahan alat kawalan ini ia tidak mempunyai kesan kawalan apabila ralat adalah malar di mana dε/dt = 0. Jika proses adalah “bising” dengan ralat hampir sifar, terbitan akan menyebabkan aksi alat kawalan menjadi lebih besar walaupun ianya tidak diperlukan. Oleh itu alat kawalan ini sesuai untuk penggunaan proses multikapasiti dan kebiasaannya digunakan untuk mengawal suhu serta komposisi.

Sambutan yang tidak dikawal

Rajah 2.4: Sambutan proses terhadap fungsi langkah yang dikenakan pada gangguan untuk proses yang dikawal oleh pelbagai kawalan dan tanpa kawalan.

Rajah 2.4 menggambarkan tentang sambutan proses terhadap fungsi langkah yang dikenakan pada gangguan untuk proses yang dikawal oleh pelbagai kawalan yang terdiri daripada kawalan perkadaran (P), kawalan perkamiran perkadaran (PI) dan kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID). Selain itu juga, rajah turut menggambarkan sambutan proses yang tidak dikawal menunjukkan sambutan yang tidak stabil.

2.5 Proses Talaan

Talaan ialah suatu proses bagi menentukan nilai yang terbaik bagi menyelaras parameter kawalan. Apabila nilai untuk suatu parameter itu dikenalpasti dan telah dioptimumkan, maka alat kawalan akan menjalankan tugasnya dengan berkesan. Secara tidak langsung prestasi dan persembahan alat kawalan akan menjadi lebih baik.

Secara umumnya terdapat tiga pendekatan yang boleh digunakan untuk melakukan proses talaan ke atas alat kawalan (Stephanopoulos, 1984) iaitu:

a) Menggunakan kriteria yang mudah seperti nisbah susutan ¼, masa mendap (settling time) minimum, ralat terbesar minimum dan lain- lain. Pendekatan seperti ini mudah dilaksanakan ke atas proses sebenar. Walaubagaimanapun, spesifikasi tambahan ke atas persembahan gelung tertutup diperlukan bagi memecahkan keadaan multikapasiti dan memilih satu set nilai parameter yang diubah.

b) Menggunakan kriteria persembahan kamiran masa seperti ISE, IAE atau ITAE. Pendekatan seperti agak sukar dan bergantung kepada model matematik yang dihasilakan. Ia akan diaplikasikan ke atas proses sebenar secara ujukaji dan memerlukan banyak masa.

c) Menggunakan peraturan multiempirikal yang telah dikenalpasti terlebih dahulu secara praktikal.

2.6 Kaedah Talaan

2.6.1 Kaedah Proses Lengkungan Tindakbalas (Process Reaction Curve) dan Kaedah Talaan Cohen-Coon

Kaedah yang telah dibangunkan oleh Cohen dan Coon (Stephanopoulos, 1984) dan amat popular kerana mudah dipratikkan. Rajah 2.5 menunjukkan sistem kawalan, di mana gelung kawalannya telah “dibuka”, iaitu penyambungan antara kawalan dengan alat kawalan akhir diputuskan. Alat kawalan akhir yang ditunjukkan tersebut mempunyai fungsi langkah bermagnitud A dan pembolehubah yang bernilai

c. Lengkungan y m (t) dipanggil proses lengkungan tindakbalas.

C(s) = A/s

E (s)

+ Y(s)

Gc Gf Gp

Ym (s) Gm

Rajah 2.5: Gelung kawalan “dibuka” (Stephanopoulos, 1984)

Fungsi rangkap pindah yang terdapat di antara y m dan c ialah:

y m ( s ) G PRC ( s ) = = G f ( s ) G p ( s ) G m ( s ) E2-10 c ( s )

Persamaan ini menunjukkan bahawa proses lengkungan tindakbalas bukan

Menurut Cohen dan Coon, proses seperti ini biasanya berbentuk sigmoidal seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.6(a), dan hampir menyerupai sambutan daripada sistem tertib pertama dengan masa lengah seperti yang ditunjukkan dalam

Rajah 2.6(b).

Sambutan betul

Sambutan anggaran

Kecerunan = S

Rajah 2.6: (a) Proses lengkungan tindakbalas; (b) Penghampiran proses dengan sistem tertib pertama bertambah

sistem masa lengah. (Stephanopoulos, 1984)

G PRC ( s ) = = E2-11

Persamaan mempunyai tiga parameter iaitu gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ. Ketiga- tiga parameter boleh ditentukan dengan mudah

daripada penghampiran reaksi dalam rajah iaitu:

Perubahan Keluaran Pada Keadaan Malar B Gandaan Statik, K p = = Perubahan Masukan Pada Keadaan Malar

B Masa Pemalar, τ p =

Cohen dan Coon menggunakan model yang hampir dengan persamaan E2-11 dan menentukan parameter gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ yang telah ditunjukkan. Kemudian Cohen dan Coon menerbitkan formula untuk kawalan yang terbaik dengan mengubah nilai beban dan menggunakan pelbagai perlaksaan kriteria, seperti nisbah susut sama dengan ¼, meminimumkan “offset” dan perkamiran ralat ganda dua (ISE).

Fungsi rangkap pindah dalam kaedah talaan Cohen-Coon juga boleh ditulis dengan persamaan E2-12 dan prosedur pengiraan bagi kawalan boleh dianggap dengan persamaan berikut:

p ( t ) = p + K c  ε ( t ) + ε ( t ) dt − τ D E2-12

τ 0 dt 

Namun begitu, kaedah talaan ini mempunyai kelebihan dan kelemahan yang tersendiri (Seborg et.al.,1989). Antara kelebihan kaedah talaan ini adalah:

a) Hanya memerlukan satu eksperimen sahaja untuk mendapatkan nilai kesemua parameter yang diperlukan.

b) Tidak memerlukan operasi pada had keadaan malar. (stability limit)

c) Tidak memerlukan kaedah cuba jaya.

d) Nilai parameter bagi alat kawalan mudah dikira.

Kelemahan bagi kaedah talaan ini ialah:

a) Eksperimen dijalankan dalam keadaan gelung terbuka. Oleh itu, apabila terdapat gangguan yang nyata, tidak ada tindakan pembetulan yang diambil. Implikasinya, keputusan kajian akan diganggu dengan mudah.

b) Pengiraan kecerunan pada titik “inflection” tidak dapat dijalankan dengan jitu, terutamanya jika proses itu adalah “bising” ataupun graf recorder yang b) Pengiraan kecerunan pada titik “inflection” tidak dapat dijalankan dengan jitu, terutamanya jika proses itu adalah “bising” ataupun graf recorder yang

e) Kaedah ini tidak galak digunakan untuk proses yang mempunyai sambutan berayun dalam keadaan gelung terbuka. Ini kerana model proses tidak begitu jitu.

f) Model bagi sistem tertib pertama dengan masa lengah tidak mungkin jitu.

2.6.2 Kaedah Talaan Ziegler-Nichols

Kaedah talaan ini merupakan suatu kaedah talaan yang amat sesuai digunakan bagi ketiga- tiga jenis alat kawalan iaitu kawalan perkadaran (P), kawalan perkamiran perkadaran (PI), dan kawalan terbitan perkamiran perkadaran (PID). Alat kawalan yang ditala dengan menggunakan kaedah ini adalah bertujuan untuk dikawal (control) dan bukan untuk dikesan (tracking). Justeru itu, alat kawalan dengan parameter yang ditala dengan kaedah ini akan mempunyai nilai SSE yang rendah bagi masalah beban (load) manakala nilai SSE yang besar bagi masalah servo.

Terdapat dua jenis kaedah ini iaitu keadah talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup dan kaedah talaan Ziegler-Nichols gelung terbuka. Secara amnya, ciri- ciri bagi kedua- dua jenis talaan ini adalah seperti berikut:

a) Kedua-duanya memberikan titik permulaan yang baik tetapi memerlukan talaan selanjutnya untuk mengawal.

b) Kaedah talaan Ziegler-Nichols gelung terbuka dibuat berdasarkan had ukuran 0-100 dan kawalan yang berterusan. Ini memerlukan pengubahsuaian bagi had ukuran yang lain. (kaedah dibangunkan kerana pada waktu tersebut hanya wujud alat kawalan analog)

c) Kaedah talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup pula tidak memerlukan sebarang pengubahsuaian memandangkan proses dan alat kawalan adalah c) Kaedah talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup pula tidak memerlukan sebarang pengubahsuaian memandangkan proses dan alat kawalan adalah

2.6.2.1 Kaedah Talaan Ziegler-Nichols Gelung Terbuka

Kaedah talaan dengan gelung terbuka ini adalah berdasarkan kepada rangkap pindah proses tertib pertama dengan masa lengah. Rangkap pindah tersebut boleh ditulis dengan persamaan E2-13 berikut:

Ke − θ s

G ( s ) = τ E2-13 s + 1

Formula untuk mendapatkan nilai parameter alat kawalan yang dicadangkan oleh Ziegler-Nichols ini dibangunkan berdasarkan nisbah susut ¼ manakala kriteria yang digunakan untuk menala parameter ini ialah kriteria IAE (integral of absolute error) dan melalui persamaan matematik, kriteria ini ditulis dengan:

IAE = e ( t ) dt = r ( t ) − y ( t ) dt dengan r(t) = 1 E2-14

Kaedah Ziegler-Nichols gelung terbuka tidak dapat digunakan jika rangkap pindah proses tidak momotonous. Proses yang hendak menggunakan talaan jenis ini mestilah line out iaitu tidak berubah atau proses yang tidak stabil.

2.6.2.2 Kaedah Talaan Ziegler-Nichols Gelung Tertutup

Kaedah talaan Ziegler-Nichols gelung tertutup berdasarkan proses lengkungan tindakbalas (Stephanopoulos, 1984). Kaedah ini berbeza daripada kaedah proses lengkungan tindakbalas kerana data yang akan digunakan adalah dari sambutan sistem gelung tertutup. Bagi menggunakan kaedah ini, beberapa langkah perlu diikuti iaitu:

1. Sistem perlu diset semula kepada operasi yang dikehendaki.

2. Kemudian jidar gandaan dan nilai set perlu diubah sehingga sistem berayun secara berterusan. Ia perlu dilakukan dengan menggunakan kawalan perkadaran dalam gelung tertutup. Nilai frekuensi ayunan, ω co dan nisbah amplitud pada frekuensi ayunan, M dapat diketahui.

3. Nilai gandaan utama, K u dan kalaan utama, P u akan dapat dikira berdasarkan persamaan berikut:

K u = 1 / M E2-15 P u = 2 π/ ω co E2-16

4. Berdasarkan nilai K u dan P u itu, Ziegler-Nichols telah mencadangkan satu cara untuk menyelaraskan parameter kawalan bagi alat kawalan yang akan digunakan.

Jadual 2.1: Nilai parameter kawalan berdasarkan alat kawalan Parameter kawalan

Jenis Kawalan

τ D (min) Kawalan Perkadaran (P)

K c τ I (min)

- Kawalan Perkamiran

K u /2

- Perkadaran (PI)

K u /2.2

P u /1.2

Kawalan Terbitan, Perkamiran,

P u /8 Perkadaran (PID)

K u /1.7

P u /2

Bagi kaedah ini, jidar gandaan yang digunakan untuk kawalan perkadaran adalah bernilai dua. Bagi kawalan perkamiran perkadaran (PI), ia akan menggunakan gandaan perkadaran yang lebih rendah kerana kehadiran mod kawalan perkamiran

yang mempunyai fasa “lag” tambahan dalam semua frekuensi. Dengan itu, nilai K c yang lebih rendah dapat mengekalkan jidar gandaan yang sama. Kehadiran mod kawalan terbitan pula akan memperkenalkan fasa “lead” yang mempunyai kesan kestabilan yang tinggi dalam sambutan gelung tertutup. Kesimpulannya, kestabilan

sistem tidak akan diancam walaupun melibatkan peningkatan gandaan perkadaran K c untuk kawalan PID.

Namun begitu terdapat beberapa kelemahan dalam kaedah talaan ini iaitu:

a) Kaedah ini banyak menggunakan masa jika banyak percubaan diperlukan atau dinamik suatu proses itu lambat. Di industri, percubaan yang banyak akan merugikan dari segi kos kerana kualiti produk tidak begitu baik dan tidak dapat memenuhi spesifikasi yang dikehendaki.

b) Ayunan berterusan mungkin salah kerana proses dipaksa menuju ke had stabil. Akhirnya, jika gangguan luaran atau perubahan dalam proses berlaku ketika menala alat kawalan, operasi yang tidak akan stabil akan berlaku.

c) Proses talaan tidak dapat digunakan untuk proses gelung terbuka yang tidak stabil. Ini kerana proses sebegini adalah tidak stabil pada nilai gandaan K c

Bagi kaedah ini, proses lengkungan tindakbalas digunakan untuk mendapatkan nilai gandaan statik K p , masa pemalar τ p dan masa lengah θ. Kaedah ini terbahagi kepada tiga iaitu perkamiran ralat ganda dua (ISE), perkamiran ralat mutlak (IAE) dan perkamiran masa ralat mutlak (ITAE) seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2.2. ISE digunakan untuk menekan nilai ralat yang besar manakala IAE pula digunakan untuk menekan ralat yang kecil dan mempunyai overshoot yang lebih kecil daripada ISE. ITAE digunakan untuk menekan ralat yang berpanjangan. Formula talaan Lopez et. al. (1967) ini terbahagi kepada dua kumpulan iaitu formula untuk talaan masalah servo dan formula untuk talaan masalah beban.

Jadual 2.2: Kriteria bagi ISE, IAE dan ITAE (Stephanopoulos, 1984)

Nama Kriteria Formula

Perkamiran ralat ganda dua (ISE) 2 ISE = ε ( dt t ) ∫

Perkamiran ralat mutlak (IAE) IAE = ε ( dt t )

ITAE = t ε ( dt t ) ∫

Perkamiran masa ralat mutlak (ITAE)

Rajah 2.7 menunjukkan kelakuan kualitatif dan bentuk sambutan gelung tertutup yang dijangka untuk ralat ISE, IAE dan ITAE.

Keluaran

Masa

Rajah 2.7: Sambutan gelung tertutup dalam kriteria masa perkamiran yang berlainan (Stephanopoulos, 1984)

2.7 Rumusan

Secara umumnya, ketiga-tiga alat kawalan yang dikaji iaitu P, PI dan PID, masing-masing berperanan mengubahkan nilai ralat ( ε) supaya menjadi lebih kecil. Walaubagaimanapun, kelebihan dan kelemahan yang sudah dikenalpasti bagi setiap alat kawalan dan perkara ini penting dalam menentukan keperluan sesuatu proses.

Bagi kaedah talaan pula, objektif utama yang perlu diambil kira ialah kemampuan sesuatu kaedah tersebut untuk menyelaraskan parameter kawalan proses secara optimum. Kaedah lengkungan tindakbalas akan menaksirkan yang nilai

parameter gandaan statik K , masa pemalar c τ dan masa lengah θ . Kaedah talaan p

Cohen-Coon dan Ziegler-Nichols gelung terbuka serta Lopez et. al. (1967) antara kaedah yang berdasarkan kepada kaedah proses lengkungan tindakbalas. Perbezaannya ialah kaedah yang digunakan bagi menentukan nilai parameter

BAB III METODOLOGI KAJIAN

3.1 Pengenalan