1 / 63

Bab 5 Perilaku Sistem Proses yang Khas

Bab 5 Perilaku Sistem Proses yang Khas. Ir. Abdul Wahid, MT. Departemen Teknik Kimia FTUI. Tujuan Pembelajaran. Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukan hal-hal berikut. Memprediksi output untuk input yang khas untuk sistem dinamik

thane-gray
Download Presentation

Bab 5 Perilaku Sistem Proses yang Khas

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Bab 5 Perilaku Sistem Proses yang Khas Ir. Abdul Wahid, MT. Departemen Teknik Kimia FTUI

  2. Tujuan Pembelajaran Saat kuselesaikan bab ini, kuingin dapat melakukan hal-hal berikut. • Memprediksi output untuk input yang khas untuk sistem dinamik • Menurunkan dinamik sistem tersebut untuk struktur penting dari sistem dinamik sederhana • Mengetahui efek yang besar pada proses dinamik yang • disebabkan oleh struktur proses.

  3. Kerangka Kuliah Kerangka Kuliah • Sistem dinamik sederhana • - First order -Second order • - Dead time - (Non) Self-regulatory • Struktur penting dari sistem yang sederhana • - Series - Parallel • - Recycle - Staged • Workshop

  4. Sistem Proses Sederhana : Orde 1 Persamaan dasarnya adalah: K = s-s gain  = konstanta waktu Output is smooth, monotonic curve 1.8 1.6 Maximum Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? At steady state slope at » D 63% of steady-state C 1.4 A tank concentration “t=0” D D Y = K X 1.2 1 t 0.8 0 20 40 60 80 100 120 time Output changes immediately 2 1.5 D X = Step in inlet variable inlet concentration 1 0.5 0 20 40 60 80 100 120 time

  5. Sistem Proses Sederhana : Orde 1 Ini beberapa contoh sistem orde satu

  6. Proses Orde Dua Tiga jenis proses orde dua: 1. Proses multi-kapasitas Proses yang terdiri dari dua atau lebih kapasitas secara berseri Contoh: Dua stirred tank heater berurutan 2. Proses orde dua inheren Proses mekanika fluida atau padatan yang memiliki kelembaman dan dikenakan pada beberapa percepatan. Contoh: Valve pneumatik 3. Sistem pemrosesan dengan sebuah kontroler Adanya kontroler menyebabkan perilaku osilasi Contoh: Sistem kontrol berumpan-balik

  7. Proses Orde Dua • Proses Orde Dua Multi-kapasitas • Secara alami muncul dari dua proses orde satu yang berseri (mis. dua tangki yang dihubungkan secara berseri) • Dengan mengalikan sifat dari fungsi alih

  8. Proses Orde Dua • Proses orde dua Bentuk umumnya: dengan: Rasio redaman  menunjukkan jumlah redaman dalam sistem. Yaitu derajat osilasi pada respon proses setelah terjadi gangguan. Harga  yang kecil berarti redamannya kecil.

  9. Proses Orde Dua • Respon step sebesar M

  10. Proses Orde Dua • Tiga keluarga proses Catatan: proses kimia umumnya overdamped atau redaman kritis

  11. Proses Orde Dua • Observasi • Respon menunjukkan overshoot ( y(t)/KM>1) saat  <1 •  yang besar menghasilkan respon yang agak pelan • Sistem dengan =1 menghasilkan respon tercepat tanpa overshoot • Semakin kecil  (dengan <1) sistem semakin berosilasi • Jika <0, sistem berosilasi tanpa batas (tidak stabil)

  12. Proses Orde Dua

  13. Proses Orde Dua • Karakteristik proses orde dua redaman kurang (underdamped) 1. Waktu naik (rise time) 2. Waktu puncak (peak time) 3. Overshoot 4. Decay ratio 5. Periode 6. Settling time

  14. + R(s) C(s) E(s) Contoh 1 • Tinjau sistem pada gambar di bawah ini, di mana  = 0,6 dan n = 5 rad/detik. Cari waktu naik, waktu puncak, lewatan maksimum, dan waktu penetapan jika sistem dikenai masukan tangga satuan.

  15. Jawaban Dari harga dan n yang diberikan: dan • Waktu naik: tr = 0,55 detik • Waktu puncak: • Lewatan maksimum: • Waktu penetapan: • untuk kriteria 2%: ts = 4/ = 4/3 = 1,33 detik • untuk kriteria 5%: ts = 3/ = 3/3 = 1 detik

  16. + R(s) C(s) E(s) 1 + Khs Contoh 2 • Untuk sistem yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, diinginkan untuk menentukan harga penguatan (gain)K dan konstanta umpan-balik kecepatan Kh sedemikianrupa sehingga lewatan maksimum berharga 0,2 dan waktu puncaknya 1 detik. Dengan harga-harga K dan Kh ini diinginkan untuk memperoleh waktu naik dan waktu penetapan.

  17. Jawaban maka: = 1,61  = 0,456 = 1 detik, maka d = 3,14 n = K maka K = n2 = 12,5  • Waktu naik: tr = 0,65 detik • Waktu penetapan: ts = 2,48 detik (2%) ts = 1,86 detik (5%)

  18. Contoh 3 • Contoh sistem orde dua: Sebuah stirred-tank heater dengan sebuah sistem kontrol • Sistem kontrolnya adalah orde satu • Keseluruhan sistem dari aliran umpan w sampai suhu T dalam tangki adalah sistem redaman lebih orde dua 1) Perubahan w yang mendadak dari 0.4 kg/s ke 0.5 kg/s menyebabkan perubahan dinamik dari T dari keadaan tunak 100 ke 102 0C. Berapa gain dari fungsi alih proses?

  19. Proses Orde Dua 2) Operator mencatat bahwa respon yang dihasilkan adalah berosilasi tipis dengan maksimum 102.5 dan 102.1 oC yang terjadi pada 1000 detik dan 3060 detik setelah perubahan dimulai. Apa fungsi alih proses yang sempurna?

  20. Penulisan Fungsi Alih di MATLAB G = tf (Kp,[tau 1])  ORDE 1 G = tf (Kp,[tau^2 2*zetta*tau 1])  ORDE 2 G = tf (Kp,[a b c 1])  ORDE 3 G = tf (Kp,[a b c d 1])  ORDE 4

  21. Proses Orde Dua Gambar di bawah adalah sebuah sistem orde satu dengan sebuah kontroler setelah terjadi perubahan mendadak pada variabel masukan sebesar 1 satuan. Tentukan: • Overshoot • Fungsi alih keseluruhan sistem tersebut.

  22. Sistem Proses Sederhana : Orde 2 Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? Persamaan dasarnya adalah : K = s-s gain  = konstanta waktu  = faktor redaman overdamped underdamped

  23. Sistem Proses Sederhana : Orde 2 Ini adalah beberapa contoh sistem sederhana berorde 2

  24. Sistem Proses Sederhana : Dead Time  = dead time Akankah ini mudah/ sulit dikontrol? Xout  Xin time

  25. Level sensor Level sensor Liquid-filled tank pump valve Sistem Proses Sederhana : Integrator Pabrik memiliki banyak inventori yang mempunyai aliran masuk dan keluar tidak tergantung pada inventorinya (saat kita menerapkan tanpa kontrol atau koreksi manual) Sistem ini sering diistilahkan dengan “pure integrators” karena sistem ini mengintegrasikan perbedaan antara aliran masuk dan aliran keluar.

  26. Level sensor Level sensor Liquid-filled tank pump valve Sistem Proses Sederhana : Integrator Plot level untuk skenario ini Fin Fout time

  27. Level sensor Level sensor Liquid-filled tank pump valve Sistem Proses Sederhana : Integrator Level Fin Fout time

  28. Level sensor Level sensor Liquid-filled tank pump valve Sistem Proses Sederhana : Integrator Mari kita lihat kapan kita harus melakukan kontrol. • Variabel Non-self-regulatory : cenderung untuk mengarahkan jauh dari nilai yang diinginkan. • Kita harus mengontrol variabel ini.

  29. Integrating Process • Fungsi alih sistem terintegrasi

  30. Integrating Process • Input step sebesar M Sebuah sistem terintegrasi tidak mencapai ss yang baru ketika dikenai perubahan step. NON-SELF-REGULATING SYSTEM

  31. Integrating Process • Respon unit impulsa

  32. Integrating Process • Respon pulsa segiempat

  33. T v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) Gvalve(s) Gtank1(s) Gtank2(s) Gsensor(s) Struktur Sistem Proses • RANGKAIAN TANPA INTERAKSI • Output dari satu elemen tidak mempengaruhi input ke elemen yang sama • Contohnya tangki yang disusun seri • Block diagramnya :

  34. Persamaan umumnya : • Gain keseluruhan adalah hasil dari beberapa gain • Bukan sistem orde satu lagi • Lebih lambat dari dapa elemen tunggal apa saja Tiap elemen berorde satu : v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) Gvalve(s) Gtank1(s) Gtank2(s) Gsensor(s) Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING

  35. 0 • Step Response • Lihat beberapa terjadi dead time • Mulus, monoton, bukan orde satu • Lebih pelan dari pada elemen apa saja • K =  (Ki) -1 -2 Controlled Variable -3 -4 -5 0 10 20 30 40 50 60 70 Time 10 8 v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) 6 0.10/(5s+1) -1.2/(5s+1) 1/(5s+1) 3.5/(5s+1) Manipulated Variable 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Time Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING

  36. v(s) F0(s) T1(s) T2(s) Tmeas(s) Gvalve(s) Gtank1(s) Gtank2(s) Gsensor(s) Struktur Sistem Proses RANGKAIAN NON-INTERACTING Setiap elemen sistem orde 1 dengan dead time : • Prtunjuk pada step response • Dibentuk sigmoidal (“S”) • t63% (i + i) [not rigorous!] • K =  (Ki) [rigorous!] • Biasanya, terjadi beberapa “dead time berdekatan”

  37. ?  = 2  = 2 Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step dari sistem dibawah ini.

  38. Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step-nya untuk sistem dibawah ini. DYNAMIC SIMULATION 5 4 3 Controlled Variable 2 1 0 0 5 10 15 20 25 Time 5 4 3 Manipulated Variable 2 1 0 0 5 10 15 20 25 Time

  39. Struktur Sistem Proses Latihan : Gambarkan respon step dari setiap sistem dibawah ini dan bandingkan hasilnya. Kasus 1  = 2  = 2  = 2  = 2 Kasus 2  = 2  = 2 &  = 2  = 1  = 1

  40. 4 3 2 case 1 responses 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time 4 3 2 case 2 responses 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time Struktur Sistem Proses Dua pabrik dapat mempunyai variabel antara yang berbeda dan mempunyai perilaku input-output yang sama! Case1 Step Case2

  41. G1(s) Y(s) X(s) G2(s) Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL dihasilkan lebih dari satu hubungan kausal antara input dan output. Dapat berupa laju alir yang displit, dapat juga dari hubungan antara proses lainnya. Contoh sistem proses Diagram block A  B  C

  42. G1(s) Y(s) X(s) G2(s) Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL Jika kedua elemen berorde 1, maka model overall-nya adalah : Latihan : Turunkan fungsi transfer ini.

  43. G1(s) Y(s) X(s) G2(s) Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL dapat mengalami dinamik kompleks.Parameter adalah “zero” dalam fungsi alih. Sample step response at t=0 1.5 4 3 1 2 Yang mana yang Mudah/sulit dikendalikan? 1 0.5 output variable, Y’(t) 0 -1 0 -2 -0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 time

  44. T Struktur Sistem Proses STRUKTUR PARALEL Latihan :Jelaskan dinamika temperatur keluaran setelah perubahan pada rasio laju alir, jika total laju alirnya tetap.

  45. 93 93 Kenapa overshoot? 92 92 91 91 senor output mixing temperature 90 90 89 89 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 time time 0.7 0.6 fraction by-pass 0.5 T 0.4 0 5 10 15 20 25 time Struktur Sistem Proses STRUKTURE PARALEL: Jelaskan dinamika temperatur keluaran setelah perubahan step pada rasio laju alir.

  46. Struktur Sistem Proses STRUKTURE PARALEL Latihan : Jelaskan dinamika konsentrasi keluaran setelah perubahan step pada laju alir solven. reaktan FA CA0 CA1 V1 solven FS CA2 V2 CAS=0

  47. 0.43 Kenapa sebuah respon berlawanan? 0.42 0.41 tank 2 concentration 0.4 0.39 0 10 20 30 40 50 60 0.1 0.09 0.08 solvent flow 0.07 0.06 0.05 0 10 20 30 40 50 60 time Struktur Sistem Proses PARALLEL STRUCTURE Latihan :Jelaskan dinamika konsentrasi keluaran setelah perubahan step pada laju alir solven.

  48. T0 T3 T4 Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE dihasilkan dari material dan energi yang diambil kembali. Hal ini merupakan hal yang penting untuk operasi yang menguntungkan, tapi sangat besar efeknya pada kedinamikan. Contoh Proses Diagram block

  49. Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE T1(s) T3(s) GH1(s) GR(s) T0(s) T4(s) T2(s) GH2(s)

  50. T0 T3 T4 Struktur Sistem Proses STRUKTUR RECYCLE Latihan kelas : Jelaskan efek dari recycle pada dinamika reaktor kimia (lebih cepat atau lambat?) • Reaksi eksotermis • preheater pada feed/effluent

More Related