Pengontrol PID: Tulang Punggung Otomasi Industri Modern

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

Mereka berdirinya pada 1939, ketika perusahaan instrumen Taylor dan Foxboro memperkenalkan dua pengontrol PID pertama. Semua pengontrol saat ini didasarkan pada mode proporsional, integral, dan turunan asli.

Pengontrol PID adalah pekerja keras sistem kontrol proses modern, karena mereka mengotomatisasi tugas regulasi yang jika tidak harus dilakukan secara manual. Sementara mode kontrol proporsional adalah daya penggerak utama dalam pengontrol, setiap mode memenuhi fungsi unik. Mode kontrol proporsional dan integral penting untuk sebagian besar loop kontrol, sementara mode turunan sangat baik untuk kontrol gerakan. Kontrol suhu adalah aplikasi yang biasanya menggunakan ketiga mode kontrol.

Kontrol Manual

Gambar 1. Operator melakukan kontrol manual

Tanpa pengontrol PID, kontrol manual suhu air adalah proses yang melelahkan. Misalnya, untuk menjaga suhu konstan air yang dikeluarkan dari pemanas gas industri, operator harus memantau pengukur suhu dan menyesuaikan katup gas sesuai (Gambar 1). Jika suhu air terlalu tinggi, operator harus menutup katup gas cukup untuk mengembalikan suhu ke nilai yang diinginkan. Jika air terlalu dingin, dia harus membuka katup gas.

Tugas kontrol yang dilakukan oleh operator disebut kontrol umpan balik, karena operator mengubah laju pemanasan 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 mempengaruhi suhu, yang dikembalikan ke operator, sehingga menutup loop.

Kontrol Otomatis

Untuk mengotomatisasi kontrol suhu dengan pengontrol PID, yang diperlukan adalah:

• Pasang alat pengukur suhu elektronik
• Otomatisasi katup dengan menambahkan aktuator (dan mungkin posisi) sehingga dapat dijalankan secara elektronik
• Pasang pengontrol dan hubungkan ke alat pengukur suhu dan katup kontrol otomatis

Gambar 2. Pengontrol PID melakukan kontrol otomatis

Operator menetapkan titik set (SP) pengontrol PID ke suhu yang diinginkan, dan keluaran (CO) pengontrol menentukan posisi katup kontrol. Pengukuran suhu, yang disebut variabel proses (PV), kemudian ditransmisikan ke pengontrol PID, yang membandingkannya dengan titik set dan menghitung selisih, atau kesalahan (E), antara dua sinyal. Berdasarkan kesalahan dan konstanta penyesuaian pengontrol, pengontrol menghitung keluaran pengontrol yang tepat untuk menetapkan katup kontrol pada posisi yang benar untuk menjaga suhu pada titik set (Gambar 2). Jika suhu naik di atas titik setnya, pengontrol akan menurunkan posisi katup dan sebaliknya.

Setiap dari tiga mode pengontrol bereaksi secara berbeda terhadap kesalahan. Jumlah respons yang dihasilkan oleh setiap mode kontrol dapat disesuaikan dengan mengubah pengaturan penyesuaian pengontrol.

Mode Kontrol Proporsional

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

Pengaturan yang dapat disesuaikan untuk kontrol proporsional disebut Gain Pengontrol (Kc). Gain pengontrol yang lebih tinggi meningkatkan jumlah tindakan kontrol proporsional untuk kesalahan tertentu. Jika gain pengontrol diatur terlalu tinggi, loop kontrol akan mulai berosilasi dan menjadi tidak stabil. Jika diatur terlalu rendah, loop kontrol tidak akan bereaksi dengan baik terhadap gangguan atau perubahan titik set.

Untuk sebagian besar pengontrol, menyesuaikan pengaturan gain pengontrol mempengaruhi jumlah respons dalam mode kontrol integral dan turunan.

Pengontrol Proporsional Tunggal

Pengontrol PID dapat dikonfigurasi untuk menghasilkan hanya tindakan proporsional dengan mematikan mode integral dan turunan. Pengontrol proporsional mudah dipahami dan mudah disesuaikan: keluaran pengontrol adalah kesalahan kontrol kali gain pengontrol, ditambah bias. Bias diperlukan sehingga pengontrol dapat mempertahankan keluaran non-nol sementara kesalahan adalah nol (variabel proses pada titik set). Kelemahannya adalah offset, yaitu kesalahan yang berkelanjutan yang tidak dapat dihilangkan oleh kontrol proporsional sendirian. Di bawah kontrol proporsional tunggal, offset akan tetap ada sampai operator secara manual mengubah bias pada keluaran pengontrol untuk menghilangkan offset. Ini dikenal sebagai reset manual pengontrol.

Mode Kontrol Integral

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

Kebutuhan akan reset manual mengarah pada pengembangan reset otomatis, yang dikenal sebagai mode kontrol integral. Fungsi mode kontrol integral adalah menaikkan atau menurunkan keluaran pengontrol seiring waktu untuk mengurangi kesalahan, selama masih ada kesalahan (variabel proses tidak pada titik set). Dengan cukup waktu, tindakan integral akan mendorong keluaran pengontrol sampai kesalahan adalah nol.

Jika kesalahan besar, mode integral akan menaikkan atau menurunkan keluaran pengontrol dengan laju yang cepat; jika kesalahan kecil, perubahan akan lambat. Untuk kesalahan tertentu, kecepatan tindakan integral ditetapkan oleh pengaturan waktu integral pengontrol (Ti). Jika waktu integral diatur terlalu lama, pengontrol akan lambat; jika diatur terlalu pendek, loop kontrol akan berosilasi dan menjadi tidak stabil.

Sebagian besar pengontrol menggunakan waktu integral dalam menit sebagai satuan ukuran untuk kontrol integral. Beberapa menggunakan waktu integral dalam detik, dan beberapa pengontrol menggunakan gain integral (Ki) dalam ulang per menit.

Pengontrol Proporsional + Integral

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

Setelah gangguan, mode integral terus menaikkan keluaran pengontrol sampai telah menghilangkan semua offset dan mengembalikan suhu keluar pemanas ke titik setnya.

Mode Kontrol Turunan

Kontrol turunan jarang digunakan dalam mengontrol proses, meskipun sering digunakan dalam kontrol gerakan. Ini sangat sensitif terhadap kebisingan pengukuran, membuat penyesuaian coba dan kesalahan lebih sulit, dan tidak sepenuhnya diperlukan untuk kontrol proses. Namun, menggunakan mode turunan pengontrol dapat membuat jenis loop kontrol tertentu – kontrol suhu, misalnya – bereaksi lebih cepat daripada dengan kontrol PI sendirian.

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

Pengontrol Proporsional + Integral + Turunan

Gambar 4. Respons pengontrol P, PI, dan PID terhadap gangguan

Keluaran pengontrol PID terdiri dari jumlah tindakan kontrol proporsional, integral, dan turunan. Algoritma kontrol PID hadir dalam berbagai desain, termasuk algoritma non-interaktif dan algoritma paralel. Keduanya ditunjukkan dalam Gambar 3.

Dalam pengontrol PID, mode turunan memberikan lebih banyak tindakan kontrol lebih cepat daripada yang mungkin dengan kontrol P atau PI sendirian. Ini mengurangi efek gangguan dan mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk level kembali ke titik setnya.

Gambar 4 membandingkan waktu pemulihan suhu keluar pemanas proses setelah perubahan tiba-tiba dalam tekanan gas bahan bakar di bawah kontrol P, PI, dan PID.

Penyesuaian Pengontrol

Pengontrol PID memerlukan penyesuaian, tetapi ketika pertama kali hadir di pasar, tidak ada instruksi yang jelas bagaimana melakukannya. Penyesuaian dilakukan melalui coba dan kesalahan hingga 1942, ketika dua metode penyesuaian diterbitkan oleh J. G. Ziegler dan N. B. Nichols dari Perusahaan Instrumen Taylor.

Aturan penyesuaian ini bekerja baik pada proses dengan konstanta waktu yang sangat lama dibandingkan waktu mati mereka dan pada loop kontrol level, yang mengandung proses integrasi. Mereka tidak bekerja baik pada loop kontrol yang mengandung proses autoregulasi, seperti aliran, suhu, tekanan, kecepatan, dan komposisi.

Proses autoregulasi selalu menstabilkan pada titik keseimbangan tertentu, yang tergantung pada desain proses dan keluaran pengontrol; jika keluaran pengontrol diatur ke nilai yang berbeda, proses akan bereaksi dan menstabilkan pada titik keseimbangan baru.

Sebagian besar loop kontrol mengandung proses autoregulasi, dan metode penyesuaian telah dikembangkan untuk mereka. Aturan penyesuaian Cohen-Coon, misalnya, bekerja baik pada hampir semua loop kontrol dengan proses autoregulasi. Aturan ini awalnya dirancang untuk memberikan respons yang sangat cepat, tetapi ini menghasilkan loop dengan respons osilasi tinggi. Dengan modifikasi ringan pada aturan, loop kontrol masih bereaksi cepat tetapi jauh lebih tidak rapuh terhadap osilasi. Saat ini ada lebih dari 100 metode penyesuaian pengontrol, masing-masing dirancang untuk mencapai tujuan tertentu.

Kesimpulan

Sistem kontrol proses modern tidak akan bisa ada tanpa pengontrol PID, karena semua fungsi kontrol harus dilakukan secara manual. Setiap mode kontrol proporsional, integral, dan turunan memenuhi fungsi unik, dan aturan penyesuaian 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 pengakuisisi dan kontrol data industri MAQ®20 Dataforth, unduh Katalog.

Referensi

• an122: Pengantar Kontrol PID
• an123: Penyesuaian Loop Kontrol untuk Respons Cepat
• an124: Penyesuaian Loop Kontrol dengan Metode Penyesuaian IMC
• an125: Penyesuaian Loop Kontrol Level
• an126: Penyesuaian Loop Kontrol Level Tangki Penampungan