Dalpro: PID - Proportional Control (3)

Satu hal yang perlu diketahui dari tulisan sebelumnya mengenai "Process Characteristic" adalah bahwa karakteristik proses dalam sebuah sistem bisa berbeda antar sistem satu dengan lainnya, baik dalam segi pattern maupun magnitude. Hal ini akan menghasilkan besaran PID yang juga berbeda.

Aksi koreksi terhadap adanya error yang bisa timbul ditentukan oleh nilai PID yang ada dalam sebuah controller. Apa yang menjadi perbedaan antara fungsi Proportional, Integral dan juga Derivative dalam sebuah pengendalian proses? Mari kita lihat penjelasannya berikut ini:

Proportional Respons

Proportional, dalam bahasa Indonesia berarti adalah proporsi, yakni kesetimbangan. Proportional merupakan basis daripada controller. Oleh karena itu, jika ada fungsi Integral maupun Derivative ada dalam controller, maka ia akan menjadi pelengkap di dalam respons Proportional.  Disebut "kesetimbangan" dikarenakan besarnya derajat perubahan dalam Output ditentukan oleh hasil perkalian antara sebuah konstanta dengan derajat perubahan dari pengukuran. Konstanta yang dimaksud biasa disebut dengan istilah "Gain". Untuk lebih jelasnya, mari lihat contoh dibawah:

Steam Heater untuk mengontrol suhu ruangan

Grafik disamping menunjukkan kerja daripada sebuah steam heater yang digunakan untuk menjaga ruangan agar tetap dalam kondisi hangat.

Control Valve yang digunakan bekerja dengan cara reverse action. Artinya, ketika suhu kamar menurun, ia akan membuka lebih besar. Oleh karena itu, bisa dilihat bahwa semakin besar suhu ruangan, maka bukaan valve akan semakin mengecil.

Range bukaan control valve dari 0-100%, akan memberikan range suhu antara  45-95 derajat. Oleh, karena itu dapat diketahui informasi mengenai nilai Span adalah sebesar 50 derajat (95-45).

Pada contoh diatas, apabila perubahan suhu terjadi sebanyak 1 derajat (bisa dikatakan 2% dari nilai Span), maka control valve juga akan bergerak sebanyak 2% dari nilai Spannya. Berdasarkan, hal tersebut dapat diketahui bahwa nilai Gain =  2% Output Change/ 2% dari Input Change = 1.

Apabila, nilai Gain dinaikkan menjadi 2, maka tiap perubahan suhu sebanyak 1 derajat (2% dari Span), maka akan membuat perubahan dari posisi control valve sebanyak 4% dari nilai Spannya. Hasilnya adalah suhu ruangan akan lebih cepat berubah menyesuaikan Set Point seiring dengan jumlah steam yang dimasukkan lebih signifikan.

Jenis amplifikasi dalam respons proportional seperti contoh diatas, sering dinyatakan dalam Proportional Band (PB) dibandingkan dengan Gain. Proportional Band, didefinisikan sebagai jumlah persentasi perubahan dari variabel kontrol yang mengakibatkan final control element (control valve) harus berubah maksimum 100% dari range yang dimiliki.

Semakin kecil nilai PB, maka nilai Gain akan menjadi semakin besar. Jika nilai Proportional respons terlalu besar, maka variabel proses bisa malah melewati Set Point. Hal yang terjadi kemudian, controller akan melakukan tindakan perbaikan dengan melakukan hal yang berkebalikan dengan respons yang pertama dilakukan. Namun, karena Gain yang terlalu tinggi, akhirnya variabel proses juga melewati Set Point untuk kedua kalinya. Situasi ini berulang, hingga menimbulkan peristiwa osilasi karena Gain yang terlalu tinggi.

Low Gain vs High Gain

Salah satu kelemahan dari Proportional adalah adanya peristiwa "Steady State Error" atau biasa disebut dengan "Offset". Misalkan, pada contoh steam heater diatas, Set Pointnya adalah 70 derajat, namun suhu yang ditunjukkan oleh alat pengukur adalah 69.9 derajat secara konsisten. Maka bisa dikatakan ada Offset sekitar 0.1 derajat (70-69.9).

Offset bisa terjadi dikarenakan karakteristik daripada proportional controller. Misalkan, untuk suhu yang dijaga pada 70 derajat, maka Output bukaan valve adalah 50%. Untuk berapapun nilai Gain yang diinput ke dalam controller, Output tidak akan pernah berubah ketika tidak ada gangguan. Namun, ketika ada gangguan yang menyebabkan suhu turun, maka kemudian Output akan berubah untuk mengembalikan ke Set Point semula. Output akan menaikkan bukaan valve melebihi nilai 50%. Hal ini tentu saja tidak akan mengembalikan Output bukaan valve menjadi seperti semula, meskipun nilai Set Point tidak berubah. Sebagai kompensasi agar valve tetap bisa dijaga dengan kondisi bukaan lebih dari 50%, meskipun Set Point tetap dijaga pada 70 derajat, maka terjadilah peristiwa Offset. Adanya error akibat adanya Offset akan membuat Output tetap membuka diatas 50%, meskipun dengan Set Point yang sama.

Untuk mencegah adanya Offset, cara yang dilakukan adalah memasukkan fungsi lain pada controller, yakni Integral. Hal ini akan dibahas pada tulisan selanjutnya.

Keep Stay Tuned