A Steady State: Where shall control valve be?

I am curious to what going to happen to control valve in the time when the controller is being set on auto mode, but in the same time the system has been already on its set point and on steady state by mean manual adjustment only. If the control valve will move, it will disturb the stability of the system and it means the control system is not doing the job well. Because the control system will disturb the stability of the system. The correct answer should the control valve will not move during auto mode if the system already get its stability on the set-point by mean manual adjustment. The question then what is the command of the controller to control valve in auto mode to make the control valve stay on it’s stable position. What is the PID command to control valve in steady state, SP=PV? Is this the DCS magic which nobody knows?.

Artikel ini merupakan hasil dari diskusi di mailing list id-instrumentation@googlegroups.com yang menghasilkan banyak komentar. Banyak opini yang meragukan dan harus dijadikan sebagai pelajaran agar tidak digunakan kembali. Opini-opini tersebut antara lain bahwa pada kondisi steady state output kontroller adalah 0%, bahwa output kontroler artinya adalah besarnya (amplitudo)perubahan kontrol valve (increament or decreament), yang berarti ketika output PID=0% akan diartikan bahwa control valve tidak berubah atau tetap pada posisi terakhirnya, dan juga pendapat bahwa PID tidak memberikan informasi besar opening ke control valve hanya menentukan reaksi opening atau closing . Selain itu terdapat opini-opini yang meragukan kejadian di atas dapat terjadi pada dunia nyata diantaranya karena sistem dinamis pada kenyataannya tidak pernah mencapai steady state, ada juga opini bahwa sistem dinamis tidak akan pernah mencapai set-point dalam arti SP=PV karena control valve tidak pernah berfungsi sempurna. Tetapi menurut hemat saya, ketidak sempurnaan lapangan bukan merupakan alasan untuk menafikkan suatu kejadian yang secara konseptual bisa terjadi. Justeru ketidak sempurnaan lapangan yang harus diidealkan dan disempurnakan melalui riset untuk mendukung pembahasan suatu teori kontrol yang sudah well proven yaitu PID.

pid50

Skenario yang ingin kita bahas adalah tangki air sederhana dengan flow input Qin dan flow output Qout. Manual globe valve dipasang pada flow input dan control valve (LCV) dipasang pada flow output dengan kedua koefisien valve yang sama. Level Transmitter (LT) dipasang untuk mengukur dan mentransmit level ke kontroler LIC pada DCS. DCS akan meregulate level loop dengan PID base. Maka kita memiliki single close loop level kontrol LT-LIC-LCV yang kita set dalam kondisi manual mode. Alirkan air ke dalam tangki dengan membuka manual valve sampai ketinggian air 50%. Buka juga control valve secara manual dari DCS faceplate sedemikian hingga pada opening n% didapatkan Qout = Qin pada level 50%. Biarkan sistem dalam kondisi steady pada level 50% dengan flow aliran masuk dan keluar yang sama. Nah kemudian, masukkan set-point ke DCS sebesar 50%. Pertanyaanya, ketika di auto apa yang akan terjadi pada control valve? berapa openingnya?. Seharusnya control valve tetap pada bukaan n% bukan? Bagaimana DCS memerintahkan bukaan n% ketika error=SP-PV=0%?

Bagi yang tidak menyukai matematika (termasuk saya sepertinya), bagaimana cara mengetahui perintah kontroler ke control valve pada kondisi tersebut? Saya melihat memang tidak ada cara lain selain cara matematika untuk mengevaluasi kejadian itu. Karena perintah kontroler adalah output PID yang berupa persamaan matematika yang diolah oleh DCS setiap 50 millisecond untuk satu siklus (Harold Wade; Basic and Advance Regulatory Process Control). Dengan mengetahui output hitungan PID pada kondisi steady state SP=PV itu maka akan diketahui berapa opening control valve.

Naluri engineering mengatakan ketika suatu sistem sudah mencapai kondisi mantab-nya (tunak pada set point) saat manual, maka begitu di set auto sistem tidak boleh terganggu. Artinya ketika LIC diset Auto mode, opening control valve harus tidak berubah, harus tetap masih di n%. Bagaimana cara PID menghasilkan output sebesar n% dengan error = SP-PV = 0 pada skenario di atas?

Kalau melihat persamaan PID continuous dibawah ini dengan e = 0%, ibarat mengolah angka 0 dalam persamaan matematika.

pidrumus

Serta merta seringkali saya terjebak dalam kesimpulan output PID adalah u(t)= 0% artinya kontrol valve menutup rapat pada saat error = 0% . Lha iya e(t)=0 maka gampangannya u(t)=0 juga. Padahal saya salah lhoo.

Ketika persamaan PID continuous tersebut dipecah-pecah menjadi persamaan diskrit dengan metode matematika tingkat lanjut yang susah untuk saya mengerti itu, maka di dapatkan persamaan PID diskrit sebagaimana dijelaskan dalam blog seorang kawan blogger dari Pertamina berikut http://asro.wordpress.com/2008/06/06/algoritma-pid-pada-dcs-honeywell-experion-pks/

Dari persamaan PID diskrit tersebut kita akan melihat bahwa dengan error = 0% dan delta error = 0% maka apa yang akan menghasilkan n%?  Ternyata belum keliatan dan hehe masih cukup pening bukan menjelaskan aksi DCS itu? padahal DCS yang bikin manusia juga.

Jika yang diaktifkan pada PID adalah pengontrol proporsional saja maka aksi opening n% (bukaan awal sebelum auto) itu dianggap sebagai aksi bias (konstatnta) sesuai rumus m = K.e + b. Dengan error = 0% maka m = b. Kemudian pertanyaan lagi siapa yang memasukkan bias itu?. A very inexpensive controller might be constructed with a fixed value of b, say, of 50%. Thus, the controller output would be 50% when there is no error in the loop. (Harold Wade; Basic And Advance Regulatory Process Control).

Wouww padahal sistem sudah stabil pada opening n% dengan error = 0%, begitu di online Auto mode dengan menggunakan pengontrol Proporsional maka output kontroler ke control valve akan menjadi 50%. Perubahan dari n% ke 50% menyebabkan sistem akan meninggalkan set-pointnya. Sehingga system akan terganggu kondisi tunaknya dan mencari kestabilan baru. Oleh karenanya ada juga kontroler dengan fasilitas bias adjustable yang disebut Manual Reset. Pada pengontrol proporsional bias harus dimasukkan sebesar n% dimana n% adalah kondisi opening control valve pada saat steady state pada set-pointnya dengan load tertentu (Qin) dimana load pada sistem level tank adalah flowrate input yang masuk ke tank.

Ketika pengontrol Proporsional dan Integral digunakan bersamaan maka peranan bias dengan manual reset itu akan digantikan oleh pengontrol Integral (bias otomatik). Dengan bahasa definisi pengontrol integral dapat dipahami sebagai upaya melanjutkan perubahan opening control valve yang besarnya tergantung besarnya gain dan error dalam waktu t dengan titik start pada posisi control valve  sebelumnya. Jadi ketika pada kondisi error = 0% maka maka output aksi integral adalah posisi output sebelumnya yaitu n% ditambah 0%. Error = 0% diartikan pengontrol integral sebagai aksi tidak menambah atau tidak mengurangi posisi terakhir control valve n% tersebut. Dengan melihat hasil diskritasi dari pengontrol proporsional dan integral maka:

m = K.e + (m (integral sebelumnya) + K Ts/Ti . e)

Kembali pada sistem level kontrol di atas maka nilai m output kontroller ketika manual itu akan dianggap sebagai output bias siklus yang pertama. Karena aksi bias = aksi integral maka nilai bias n% tersebut akan dijadikan sebagai output integral sebelumnya untuk siklus yang pertama. Jadi dengan error siklus PI yang pertama e = 0% maka:
m = 0 + n% + 0 = n%

Kemudian siklus berikutnyapun ketika error masih sama dengan 0% maka output kontroller masih sama dengan m = n% tetap sepanjang sistem masih tunak pada set-point dengan load tetap. Jadi aksi integral adalah menambah atau mengurangi berapa dari posisi terakhir kontrol valve berdasarkan besarnya gain dan besarnya error.

Penggunaan Proporsional, Integral, dan Derivative sekaligus belum saya tuliskan karena belum bisa membuat diskripsi yang saya sendiri bisa mengerti dengan mudah.

Nova Kurniawan

Alumni Fisika Teknik ITB, 2004, bekerja pada bagian Commissioning J Ray McDermott Indonesia

5 Responses

  1. Thanks, saya juga sempat kepikir tentang bias itu, kira2 darimana kita masukin bias kalau sudah PID, sekarang jadi agak kebuka nich..
    Kayaknya pernah ikutan trainingnya Harold Wade dari skin yach?

  2. Mas Kusti, belom mas, saya belom pernah ikutan training Harold Wade.

  3. Wah sayang, coba cari di websitenya Skin (Sigma Kreasi Instrument) tentang “Process Control Engineering Application Techniques” kalo dulu saya trainernya Harold Wade yang langsung ngebedah buku Hijaunya Basic and Advance Regulatory Control dengan software simulatornya PC-ControLab. Trainingnya dijamin memuaskan apalagi buat mas nova yang sudah paham tentang control.

  4. mau tanya kenapa pada sistem exchanger pipa di dalam tanki harus di buat melenglung???

    • Saya bukan mechanical engineer yang mendesign heat exchanger. Saya tidak tau yang dimaksud melengkung itu apa? Tp pada prinsip exchanger pipa-pipa atao tubing harus dibuat seluas mungkin penampangnya agar terjadi konduksi maksimum.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: