Pengontrol PID:Tulang Punggung Otomasi Industri Modern

Pengontrol Proporsional-Integral-Derivatif (PID) digunakan di sebagian besar aplikasi kontrol proses otomatis di industri saat ini untuk mengatur aliran, suhu, tekanan, ketinggian, dan banyak variabel proses industri lainnya.

Pengendalian ini dimulai pada tahun 1939, ketika perusahaan instrumen Taylor dan Foxboro memperkenalkan dua pengontrol PID pertama. Semua pengontrol masa kini didasarkan pada mode proporsional, integral, dan turunan asli tersebut.

Pengontrol PID adalah pekerja keras sistem kontrol proses modern, karena mereka mengotomatiskan tugas-tugas regulasi yang seharusnya dilakukan secara manual. Meskipun mode kontrol proporsional adalah kekuatan pendorong utama dalam pengontrol, setiap mode memiliki fungsi unik. Mode kontrol proporsional dan integral sangat penting untuk sebagian besar loop kontrol, sedangkan mode turunan sangat baik untuk kontrol gerakan. Kontrol suhu adalah aplikasi umum yang menggunakan ketiga mode kontrol.

Kontrol Manual

Gambar 1. Operator melakukan pengendalian manual

Tanpa pengontrol PID, kontrol suhu air secara manual adalah proses yang membosankan. Misalnya, untuk menjaga suhu air yang dikeluarkan dari pemanas berbahan bakar gas industri tetap konstan, operator harus memperhatikan pengukur suhu dan menyesuaikan katup bahan bakar gas (Gambar 1). Jika suhu air menjadi terlalu tinggi, operator harus menutup katup gas secukupnya agar suhu kembali ke nilai yang diinginkan. Jika air menjadi terlalu dingin, dia harus membuka katup gas.

Tugas kendali yang dilakukan oleh operator disebut kendali umpan balik, karena operator mengubah laju pembakaran berdasarkan umpan balik dari proses melalui pengukur suhu. Operator, katup, proses, dan pengukur suhu membentuk loop kontrol. Setiap perubahan yang dilakukan operator pada katup gas akan memengaruhi suhu, yang kemudian diumpankan kembali ke operator, sehingga menutup loop.

Kontrol Otomatis

Untuk mengotomatiskan kontrol suhu dengan pengontrol PID, diperlukan hal berikut:

• Memasang perangkat pengukur suhu elektronik
• Otomatiskan katup dengan menambahkan aktuator (dan mungkin positioner) sehingga dapat digerakkan secara elektronik
• Pasang pengontrol dan sambungkan ke perangkat pengukuran suhu dan katup kontrol otomatis

Gambar 2. Pengontrol PID melakukan kontrol otomatis

Operator mengatur titik setel (SP) pengontrol PID ke suhu yang diinginkan, dan output pengontrol (CO) mengatur posisi katup kontrol. Pengukuran suhu, yang disebut variabel proses (PV), kemudian ditransmisikan ke pengontrol PID, yang membandingkannya dengan titik setel dan menghitung perbedaan, atau kesalahan (E), antara kedua sinyal. Berdasarkan kesalahan dan konstanta penyetelan pengontrol, pengontrol menghitung keluaran pengontrol yang sesuai untuk menyetel katup kontrol pada posisi yang benar guna menjaga suhu pada titik setel (Gambar 2). Jika suhu naik melebihi titik setel, pengontrol akan menurunkan posisi katup dan sebaliknya.

Masing-masing dari tiga mode pengontrol bereaksi berbeda terhadap kesalahan. Jumlah respons yang dihasilkan oleh setiap mode kontrol dapat disesuaikan dengan mengubah pengaturan penyetelan pengontrol.

Mode Kontrol Proporsional

Mode kontrol proporsional mengubah keluaran pengontrol sebanding dengan kesalahan. Jika kesalahan meningkat, tindakan kontrol meningkat secara proporsional.

Pengaturan yang dapat disesuaikan untuk kendali proporsional disebut Penguatan Pengontrol (Kc). Penguatan pengontrol yang lebih tinggi meningkatkan jumlah tindakan kontrol proporsional untuk kesalahan tertentu. Jika penguatan pengontrol diatur terlalu tinggi, loop kontrol akan mulai berosilasi dan menjadi tidak stabil. Jika disetel terlalu rendah, loop kontrol tidak akan merespons gangguan atau perubahan titik setel secara memadai.

Bagi sebagian besar pengontrol, menyesuaikan pengaturan penguatan pengontrol memengaruhi jumlah respons dalam mode kontrol integral dan turunan.

Pengontrol Proporsional Saja

Pengontrol PID dapat dikonfigurasi untuk hanya menghasilkan aksi proporsional dengan mematikan mode integral dan turunan. Pengontrol proporsional mudah dipahami dan disetel:keluaran pengontrol hanyalah kesalahan kontrol dikalikan penguatan pengontrol, ditambah bias. Bias diperlukan agar pengontrol dapat mempertahankan keluaran yang bukan nol sementara kesalahannya nol (variabel proses pada titik setel). Kelemahannya adalah offset, yang merupakan kesalahan berkelanjutan yang tidak dapat dihilangkan hanya dengan kontrol proporsional. Pada kontrol proporsional saja, offset akan tetap ada hingga operator secara manual mengubah bias pada output pengontrol untuk menghilangkan offset. Ini dikenal sebagai penyetelan ulang pengontrol secara manual.

Mode Kontrol Integral

Gambar 3. (kiri) Algoritma pengontrol PID non-interaktif; (kanan) algoritma pengontrol PID paralel

Kebutuhan untuk reset manual menyebabkan pengembangan reset otomatis, yang dikenal sebagai mode kontrol integral. Fungsi dari mode kontrol integral adalah untuk menambah atau mengurangi keluaran pengontrol dari waktu ke waktu untuk mengurangi kesalahan, selama masih ada kesalahan (variabel proses tidak pada titik setel). Dengan waktu yang cukup, tindakan integral akan menggerakkan keluaran pengontrol hingga kesalahannya nol.

Jika kesalahannya besar, mode integral akan menambah/mengurangi keluaran pengontrol dengan cepat; jika kesalahannya kecil, perubahannya akan lambat. Untuk kesalahan tertentu, kecepatan aksi integral diatur oleh pengaturan waktu integral (Ti) pengontrol. Jika waktu integral diatur terlalu lama, pengontrol akan menjadi lamban; jika disetel terlalu pendek, loop kontrol akan berosilasi dan menjadi tidak stabil.

Kebanyakan pengontrol menggunakan waktu integral dalam hitungan menit sebagai satuan ukuran untuk kendali integral. Beberapa menggunakan waktu integral dalam hitungan detik, dan beberapa pengontrol menggunakan penguatan integral (Ki) dalam pengulangan per menit.

Pengontrol Proporsional + Integral

Biasa disebut pengontrol PI, keluaran pengontrol proporsional + integral terdiri dari jumlah tindakan kontrol proporsional dan integral.

Setelah terjadi gangguan, mode integral terus meningkatkan output pengontrol hingga menghilangkan semua offset dan mengembalikan suhu outlet pemanas ke titik setelnya.

Mode Kontrol Derivatif

Kontrol derivatif jarang digunakan dalam pengendalian proses, meskipun sering digunakan dalam pengendalian gerak. Ini sangat sensitif terhadap kebisingan pengukuran, membuat penyetelan coba-coba menjadi lebih sulit, dan tidak mutlak diperlukan untuk pengendalian proses. Namun, penggunaan mode turunan pengontrol dapat membuat jenis loop kontrol tertentu – misalnya kontrol suhu – merespons lebih cepat dibandingkan dengan kontrol PI saja.

Mode kontrol derivatif menghasilkan keluaran berdasarkan laju perubahan kesalahan. Ini menghasilkan lebih banyak tindakan kontrol jika kesalahan berubah lebih cepat; jika tidak ada perubahan kesalahan, tindakan turunannya adalah nol. Mode ini memiliki pengaturan yang dapat disesuaikan yang disebut Derivative Time (Td). Semakin besar pengaturan waktu turunannya maka semakin banyak pula tindakan turunan yang dihasilkan. Namun, jika waktu turunan diatur terlalu lama, osilasi akan terjadi dan loop kontrol menjadi tidak stabil. Pengaturan Td nol secara efektif mematikan mode turunan. Dua satuan ukuran digunakan untuk pengaturan turunan pengontrol:menit dan detik.

Pengontrol Proporsional + Integral + Derivatif

Gambar 4. Respon pengontrol P, PI, dan PID terhadap suatu gangguan

Output dari pengontrol PID terdiri dari jumlah tindakan kontrol proporsional, integral, dan turunan. Algoritme kontrol PID hadir dalam desain yang berbeda, termasuk algoritma noninteraktif dan algoritma paralel. Keduanya ditunjukkan pada Gambar 3.

Pada pengontrol PID, mode turunan memberikan aksi kontrol yang lebih cepat dibandingkan dengan kontrol P atau PI. Hal ini mengurangi efek gangguan dan mempersingkat waktu yang dibutuhkan level untuk kembali ke titik setelnya.

Gambar 4 membandingkan waktu pemulihan suhu saluran keluar pemanas proses setelah perubahan mendadak pada tekanan bahan bakar gas di bawah kendali P, PI, dan PID.

Penyetelan Pengontrol

Kontroler PID memerlukan penyetelan, namun saat pertama kali dipasarkan, tidak ada instruksi yang jelas tentang cara melakukan hal ini. Penyetelan dilakukan melalui trial and error hingga tahun 1942, ketika dua metode penyetelan dipublikasikan oleh J. G. Ziegler dan N. B. Nichols dari Taylor Instruments Company.

Aturan penyetelan ini bekerja dengan baik pada proses dengan konstanta waktu yang sangat panjang dibandingkan dengan waktu matinya dan pada loop kontrol level, yang berisi proses pengintegrasian. Mereka tidak bekerja dengan baik pada loop kontrol yang berisi proses yang dapat mengatur dirinya sendiri, seperti aliran, suhu, tekanan, kecepatan, dan komposisi.

Proses yang mengatur dirinya sendiri selalu stabil pada titik keseimbangan tertentu, yang bergantung pada desain proses dan keluaran pengontrol; jika keluaran pengontrol diatur ke nilai yang berbeda, proses akan merespons dan stabil pada titik keseimbangan baru.

Kebanyakan loop kontrol berisi proses yang mengatur dirinya sendiri, dan metode penyetelan telah dikembangkan untuk proses tersebut. Aturan penyetelan Cohen-Coon, misalnya, bekerja dengan baik pada hampir semua loop kontrol dengan proses pengaturan mandiri. Aturan-aturan ini awalnya dirancang untuk memberikan respon yang sangat cepat, namun hal ini mengakibatkan loop dengan respon osilasi yang tinggi. Dengan sedikit modifikasi aturan, loop kontrol masih merespons dengan cepat tetapi tidak terlalu rentan terhadap osilasi. Saat ini terdapat lebih dari 100 metode penyetelan pengontrol, masing-masing dirancang untuk mencapai tujuan tertentu.

Kesimpulan

Sistem kendali proses modern tidak akan ada tanpa pengontrol PID, karena semua fungsi kendali harus dilakukan secara manual. Masing-masing mode kontrol proporsional, integral, dan turunan memenuhi fungsi unik, dan aturan penyetelan telah dikembangkan untuk memastikan kontrol proses yang efisien untuk semua jenis loop dan aplikasi.

Artikel ini ditulis oleh Lee Payne, CEO Dataforth Corporation, Tucson, AZ. Untuk informasi lebih lanjut, Klik di sini  .

Sumber Daya

Untuk informasi tentang sistem akuisisi dan kontrol data industri MAQ®20 Dataforth, unduh Katalog. 

Referensi

• an122: Pengantar Kontrol PID
• an123: Menyetel Loop Kontrol untuk Respons Cepat
• an124: Penyetelan Loop Kontrol dengan Metode Penyetelan IMC
• an125: Loop Kontrol Tingkat Penyetelan
• an126: Menyetel Loop Kontrol Level Tangki Lonjakan