Evaporator Industri

  • View
    67

  • Download
    1

Embed Size (px)

DESCRIPTION

paper

Text of Evaporator Industri

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    173

    PERANCANGAN PENGENDALI FUZZY PADA SISTEM EVAPORATOR INDUSTRI

    B. Wuri Harini*

    ABSTRAK

    PERANCANGAN PENGENDALI FUZZY PADA SISTEM EVAPORATOR INDUSTRI. Evaporasi merupakan proses mengentalkan cairan dengan memberikan panas pada cairan tersebut menggunakan energi yang intensif yaitu sejumlah uap sebagai sumber panas. Jumlah uap yang dihasilkan per unit uap yang dipakai dapat diefektifkan dengan penggunaan evaporator bertingkat (multiple effect evaporator). Kam dan Tade [1] telah membuat model untuk sistem evaporator lima tingkat pada proses pembakaran cairan dalam proses Bayer untuk produksi alumina di Alcoas Wagerup alumina refinery. Dalam proses kerjanya, sistem evaporator memerlukan tinggi cairan dalam tangki yang tepat untuk memperoleh densitas produk yang diinginkan. Untuk mempertahankan kondisi operasional evaporator tersebut dibutuhkan suatu sistem kendali yang baik. Dalam tulisan ini akan dirancang sistem kendali dengan menggunakan logika fuzzy. Perancangan dan simulasi sistem kendali fuzzy tersebut dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB versi 7.0. Hasil yang dicapai akan dibandingkan dengan hasil yang diperoleh pada sistem kendali Proportional Integral (PI). Kata-kata kunci: Evaporator, Pengendali Logika Fuzzy, Pengendali PI ABSTRACT

    FUZZY CONTROLLER DESIGN IN INDUSTRY EVAPORATOR SYSTEM. Evaporation is a process by which a solution is concentrated by removing the volatile liquid from a non-volatile solute by means of heat transfer from heat source (steam) to the solution. The amount of vapour produced per unit consumption of steam can be adjusted by cascading the evaporator stages. Kam and Tade have presented models of a five-effect evaporator system in the liquor burning process associated with the Bayer process for alumina production at the Alcoas Wagerup alumina refinery. To get the product with good density as we need, evaporator system needs a good controller system. In this paper, we design a controller system using fuzzy logic. The design and simulation the fuzzy controller is done with MATLAB version 7 software. The result will be compared with Proportional Integral controler output.

    Keywords: Evaporator, Fuzzy Logic Controller, pengendali PI * Staff pengajar di Teknik Elektro, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    174

    PENDAHULUAN

    Proses evaporasi telah dikenal sejak dahulu, yaitu untuk membuat garam dengan cara menguapkan air dengan bantuan energi matahari dan angin. Evaporasi merupakan satu unit operasi yang penting dan biasa dipakai dalam industri kimia dan mineral. Evaporasi merupakan salah satu teknologi yang digunakan untuk mengolah limbah radioaktif yang ditimbulkan dari kegiatan pengoperasian reaktor riset, pemanfaatan sumber radiasi dan bahan radioaktif dalam bidang industri, pertanian, kedokteran dan penelitian serta dari berbagai proses industri yang menggunakan bahan yang mengandung radionuklida alam.

    Dalam sistem evaporasi cairan dipekatkan dengan memberikan panas pada cairan tersebut dengan energi yang intensif berupa sejumlah uap sebagai sumber panas. Jumlah uap yang dihasilkan per unit uap yang dipakai yang menunjukkan peningkatan kepekatan dapat diefektifkan dengan penggunaan evaporator bertingkat. Keuntungan evaporator bertingkat ini adalah uap hasil satu tingkat dapat digunakan sebagai sumber energi tingkat selanjutnya. Dengan demikian proses evaporasi dengan evaporator bertingkat ini dapat menghemat energi yang diperlukan, sehingga mengurangi biaya operasi.

    Beberapa model mekanik sistem evaporator industri telah dibuat oleh para peneliti dalam dekade ini. Kam dan Tade [1] telah membuat model untuk sistem evaporator industri lima tingkat pada proses pembakaran cairan dalam proses Bayer untuk produksi alumina di Alcoas Wagerup alumina refinery.

    Dalam proses kerjanya sistem evaporator memerlukan tinggi cairan dalam tangki yang tepat untuk memperoleh densitas produk yang diinginkan. Untuk mempertahankan kondisi operasional evaporator tersebut dibutuhkan suatu sistem kendali yang mampu mengatur sistem tersebut. Beberapa ilmuwan [2], [3], [4] telah merancang sistem kendali yang berbeda untuk sistem evaporator ini. Dalam penelitian ini akan dirancang sistem kendali dengan menggunakan logika fuzzy dengan mempertimbangkan pengaruh interaksi yang ada dalam sistem MIMO.

    PROSES EVAPORATOR INDUSTRI Sistem Evaporator

    Evaporator yang digunakan dalam tulisan ini merupakan bagian dari proses

    Bayer untuk produksi aluminium. Evaporasi bertingkat dengan konfigurasi counter-current dari proses pembakaran cairan terdiri dari lima tingkat yaitu satu falling film evaporator, tiga forced-circulation evaporator dan satu super-concentration

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    175

    evaporator yang dipasang secara seri. Komponen-komponen utama di setiap tingkat adalah flash tank (FT), flash pot dan heater (HT). Skema sistem evaporator disederhanakan ditunjukkan dalam gambar 2.1.

    Spent liquor setelah proses pengendapan (precipitation) dimasukkan ke falling film stage (FT #1). Komponen yang mudah menguap, dalam hal ini air, dihilangkan dengan laju recycle tinggi dan hasilnya dikentalkan lagi melalui tiga tingkat selanjutnya (FT #2 sampai #4). FT #5 digunakan untuk menghilangkan sisa cairan tanpa proses ulang.

    Di setiap tingkat, spent liquor dipanaskan melalui heat exchanger (heater) dan air dihilangkan berupa uap pada tekanan lebih rendah dalam flash tank. Live steam digunakan sebagai pemanas untuk HT #3, #4 dan #5. Uap dari FT #3 dan #4 digabung dan digunakan dalam HT #2, sedangkan uap dari FT #2 digunakan dalam HT #1. Kondensasi uap dari semua heater dikumpulkan dalam flash pot. Live steam ke HT #3 diset sebanding dengan jumlah live steam yang masuk ke HT #4, sedangkan jumlah live steam ke HT #5 tergantung pada jumlah residual flashing yang dihilangkan. Air dingin yang mengalir ke kondenser C diset sehingga semua sisa uap terkondensasi. Sistem evaporator penting dalam pabrik aluminium dan sulit untuk dikendalikan dengan menggunakan kontroler klasik karena karakteristiknya yang kompleks yaitu nonlinieritas sistem.

    Gambar 2.1. Skema sistem evaporator disederhanakan

    Ada 15 variabel keadaan yang menjadi perhatian, yaitu level cairan dalam flash tank (h iii, i = 1,2,..5), densitas cairan (i, i = 1,2,... 5) dan suhu aliran produk meninggalkan setiap tingkat (T i, i = 1,2,... 5). Keluaran terkendali (controlled variabel) dari plant adalah level cairan dalam semua flash tank (h iii, i = 1,2,..5), densitas cairan produk pada tingkat #4 (4) dan suhu pada tingkat #5 (T5). Input yang dimanipulasi adalah aliran produk cairan (Q ppp iii, i = 1,2,..5), laju uap ke HT #4 ( 4smD ), dan laju uap dari FT #5 ( 5vmD ).

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    176

    Model Sistem Evaporator

    Model sistem evaporator diperoleh dengan menggunakan kesetimbangan massa dan energi. Model sistem evaporator merupakan model yang non linier.

    Dalam pemodelan ini hanya keempat tingkat pertama dari sistem evaporator yang digunakan untuk menghindari kompleksitas. Model terdiri dari 12 persamaan diferensial dengan 5 variabel input dan 5 variabel output. Keadaan (state), variabel input dan output ditunjukkan dalam tabel 2.1 dengan: hi dalam m, Ti dalam 0C, i dalam ton/m3, Q ppp iii dalam m

    3/jam dan 4smD dalam ton/jam. Sebagai catatan, nilai aktual variabel variabel ini dikalikan dengan suatu faktor dan nilai variabel keadaan hanya merupakan nilai perkiraan.

    Persamaan model sistem evaporator flash tank 2 adalah sebagai berikut (1), (2):

    1

    111

    1

    221222

    20

    2

    1

    211

    22

    22

    2

    221

    2

    2

    +=

    =

    =

    EQQmE

    TCdtdT

    QEAhdt

    d

    EQQ

    Adtdh

    wPPVV

    Pw

    wPP

    D

    dengan

    ( )

    ( ) ( ) ( ) 1.2731.27358.1

    77.10558.1

    1.273

    22

    2

    2222220

    22

    22

    22

    22

    432

    2

    22222211112

    +

    +=

    =

    +=

    =

    +=

    +=

    BPETBPETRMhAVTC

    TPBPETR

    MPEm

    mmm

    mTcQTcQE

    V

    V

    V

    VVS

    V

    SSPP

    D

    DDD

    D

    Laju evaporasi E2 dalam persamaan (2.4) tergantung pada jumlah uap yang terkondensasi dalam HT#2 yang besarnya sama dengan jumlah uap dari FT#3 dan FT#4 (persamaan 2.5). Jumlah uap yang meninggalkan FT#2 ( 2vmD ) sama dengan jumlah vaporisasi air dalam FT#2 (E2). Persamaan matematik untuk flash tank 1, 3

    (2.1)

    (2.2)

    (2.3)

    (2.4)

    (2.5) (2.6)

    (2.7)

    (2.8)

    (2.9)

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    177

    dan 4 dapat dilihat dalam appendiks. Nilai-nilai konstanta dalam model evaporator ditunjukkan dalam tabel 2.2.

    Tabel 2.1. Variabel state, input dan output

    State Input (u) dan

    Output (y) x1 h1 1.5 u1 QP1 32.736x2 h2 2.25 u2 QP2 27.713x3 h3 2.25 u3 QP3 23.850x4 h4 2.25 u4 QP4 21.642x5 4 1.54 u5 4smD 2.3814x6 T1 66.0 x7 T2 90.6 y1 h1 1.5 x8 T3 129 y2 h2 2.25 x9 T4 135 y3 h3 2.25 x10 1 1.357 y4 h4 2.25 x11 2 1.422 y5 4 1.54 x12 3 1.49

    Tabel 2.2. Nilai konstanta pada model evaporator

    Kuantitas Nilai Kuantitas Nilai

    A1,A2, A3,A4

    8 m2 V2, V3, V4 36 m3

    Cw 4160 kJ/kg w 1 ton/m3 Cf, C1 3290 kJ/kg f 1.310 ton/m3 C2 3250 kJ/kg tf 60 0C C3 3320 kJ/kg Qf 37.7 m3/jam C4 3450 kJ/kg V1 2370800 kJ/kg BPE1 11 0C V2 2322500 kJ/kg BPE2 16 0C V3 2243600 kJ/kg BPE3 24.6 0C V4 2243600 kJ/kg BPE4 30.6 0C S1 2325000 kJ/kg M 18 ton/kmol S2 2246300 kJ/kg R 8.314 kPa/kmol/ 0C S3 2131800 kJ/kg V1 24 m3 S4 2131800 kJ/kg

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    178

    PERANCANGAN DECOUPLER Linierisasi

    Model linier dari sistem evaporator non linier dalam bab 2 dapat diperoleh

    dengan linierisasi lokal di sekitar titik operasi steady state seperti yang ditunjukkan dalam tabel 2.1. Model linier dinyatakan dalam bentuk state space sebagai berikut:

    CxydBuAxx

    =

    ++=

    (3.1)

    dengan state x = [h1, h2, h3, h4, 4, T1, T2, T3, T4, 1, 2, 3]T, input u = [QP1, QP2,

    QP3, QP4, 4Sm

    ]T dan disturbance d = [Qf, f, Tf]T. Output y yang akan dikendalikan adalah [h1, h2, h3, h4, 4]T. Vektor state, input dan output dinyatakan dalam bentuk deviasi dari kondisi steady state Matriks A, B dan merupakan matriks Jacobian untuk variabel state, input dan disturbance yang diperoleh dari linierisasi lokal model evaporator non linier. Dari hasil linierisasi di atas diperoleh nilai eigen (k) sebesar: -2.5355776510.3392069476i, -0.99791571120.67223i, 0.11185351550.023266263i, -0.007376025910.067703230i, -0.004773518139 0.0004633332204i, -0.004210084218, -0.0003709942977.

    Beberapa nilai eigen sistem evaporator bernilai positif. Hal ini menunjukkan bahwa model evaporator mempunyai sifat open loop unstable. Tanggapan Open-loop

    Dalam gambar 3.1 ditunjukkan simulasi tanggapan open-loop sistem

    evaporator linier dan non-linier dengan masukan aliran uap ke heater #4 ( 4Sm

    ) ditingkatkan sebesar 20%. Dalam gambar tersebut tampak bahwa model linier untuk h1, h2, h3, h4, 4 mendekati proses nonlinier, dengan penguatan model nonlinier lebih besar daripada penguatan model linier.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

    0.7

    0.8

    0.9

    1

    1.1

    1.2

    1.3

    1.4

    1.5

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51.6

    1.7

    1.8

    1.9

    2

    2.1

    2.2

    2.3

    2.4

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51.6

    1.7

    1.8

    1.9

    2

    2.1

    2.2

    2.3

    2.4

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 52.05

    2.1

    2.15

    2.2

    2.25

    2.3

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51.54

    1.55

    1.56

    1.57

    1.58

    1.59

    1.6

    1.61

    1.62

    Gambar 3.1

    Tinggi cairan tingkat 1 (m) Tinggi cairan tingkat 2 (m)

    Tinggi cairan tingkat 3 (m) Tinggi cairan tingkat 4 (m)

    t (jam) t (jam)

    t (jam) t (jam)

    t (jam) : nonlininer : linier Densitas cairan tingkat 4 (ton/m3) 179

    . Simulasi tanggapan open-loop sistem evaporator linier dan non-linier

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    Tanggapan Close-loop

    Dalam gambar 3.2 ditunjukkan simulasi tanggapan close-loop model evaporator linier untuk masing pasangan seperti yang ditunjukkan dalam tabel 3.1. Parameter yang digunakan diambil dari referensi [2], hanya untuk tujuan stabilisasi dan bukan untuk tujuan optimasi. Dari simulasi tersebut ditunjukkan bahwa sistem mempunyai sifat closed-loop stable.

    Tabel 3.1 Parameter pengendali PI

    Variabel Output Manipulated Variable Kp Ti h1 QP1 -10 20 h2 QP2 -10 20 h3 QP3 -10 20 h4 QP4 -10 20 4 Rho4 0.6 3

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.1

    1.15

    1.2

    1.25

    1.3

    1.45

    1.5

    1.55

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.16

    2.18

    2.2

    2.22

    2.28

    2.3

    2.55

    2.6

    2.65

    2.5

    2.55

    2.6

    Gam

    Tinggi cairan tingkat 1 (m) Tinggi cairan tingkat 2 (m)

    Tinggi cairan tingkat 3 (m) Tinggi cairan tingkat 4 (m)

    t (jam) t (jam) 2.45

    2.5

    2.4

    2.45bar 31.35

    1.4

    2.24

    2.26180

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.15

    2.2

    2.25

    2.3

    2.35

    2.4

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.1

    2.15

    2.2

    2.25

    2.3

    2.35

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.25

    1.3

    1.35

    1.4

    1.45

    1.5

    1.55

    1.6

    .2. Simulasi tanggapan close-loop sistem evaporator linier

    Densitas cairan tingkat 4 (ton/m3)

    t (jam) t (jam)

    t (jam)

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    181

    Perancangan Decoupler

    Dalam proses Multi Input Multi Output (MIMO), masing-masing input mempunyai interaksi dengan masing-masing output. Untuk mengurangi interaksi antar loop, maka dirancang suatu decoupler.

    Jika suatu proses (plant) dengan n variabel terkontrol dan n variabel termanipulasi dipasang suatu decoupler, maka hubungan antara variabel terkontrol C(s) dan output kontroler M(s) dapat ditulis dalam bentuk matriks:

    ( )( )

    ( )

    ( )( )

    ( )

    ( )( )

    ( )

    =

    sM

    sMsM

    sN

    sNsN

    sC

    sCsC

    nnn

    2

    1

    2

    1

    2

    1

    00

    0000

    (3.2)

    dengan ( ) ( ) ( )sNsNsN n,..., , 21 merupakan fungsi yang diinginkan, yaitu matriks identitas (I), dengan

    ( )( )

    ( )

    ( ) ( )( ) ( )

    ( ) ( )

    ( ) ( )( ) ( )

    ( ) ( )

    =

    sDsD

    sDsDsDsD

    sGsG

    sGsGsGsG

    sN

    sNsN

    nnn

    n

    n

    PnnPn

    nPP

    nPP

    n 1

    221

    111

    1

    221

    111

    2

    1

    00

    0000

    (3.3)

    atau,

    IDGN P == (3.4)

    dengan PG merupakan steady state gain matrix dan D merupakan matriks

    decoupler. Jika kedua ruas dikalikan dengan 1

    PG maka diperoleh matriks decoupler :

    1= PGD (3.5)

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    182

    Steady state gain matrix PG dapat dihitung dari model state space proses dinamik yang dilinearisasi [8]. Model non linier dapat dilinierkan di sekitar titik operasi steady state membentuk persamaan state space dengan A, B, C, D merupakan matriks konstan. Dengan transformasi Laplace diperoleh fungsi alih antara y dan u sebagai berikut:

    ( )( ) ( ) DBAsICsusy

    += 1 (3.6)

    Steady state gain matrix antara y dan u dapat diperoleh dengan memberi nilai s=0, sehingga diperoleh:

    ( ) DBCAG += 10 (3.7)

    Matriks G(0) dan matriks decoupler, yang merupakan invers dari G(0), dapat dilihat pada apendiks.

    PERANCANGAN PENGENDALI FUZZY

    Bentuk logika fuzzy dasar adalah arsitektur Mamdani, di mana pengendali secara langsung mengubah spesifikasi kinerja eksternal dan sifat plant ke dalam bahasa berbasis aturan (rule). Paradigma dasar kendali logika fuzzy Mamdani yang berbasis aturan memetakan controlled variable (CV1, CV2, ...) dari plant dengan manipulated variable (MV1, MV2, ...). Dalam setiap CV bisa secara langsung menjadi variabel terukur atau beda antara variabel terukur tersebut dengan suatu nilai referensi yang telah ditentukan yang merupakan error. Selain error juga

    diperlukan masukan lain seperti perubahan error (dtde

    ) yang digunakan dalam

    premise aturan. Selain perubahan error, dalam kasus sistem kendali fuzzy untuk implementasi waktu diskret digunakan ( ) ( )TteteCV dengan T merupakan periode cuplik sistem. Secara umum, arsitektur sistem kendali fuzzy ditunjukkan dalam gambar 4.1 yang memetakan error, e = yd y ke dalam aksi pengendali, u. Pengendalian dilakukan oleh FLC yang memetakan nilai error, en(t), dan perubahan error ternormalisasi, cen(t), yang dinyatakan sebagai

    ( ) ( )( ) ( ) ( )( )Ttetentce

    tente

    cen

    en

    =

    =

    (4.1)

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    183

    dengan T adalah time step, ne dan nce adalah faktor normalisasi, ke dalam perubahan aksi pengendali un(t) melalui aturan dalam bentuk: If en(t) is P and cen(t) is N then un(t) is Z. P, N, Z merupakan kependekan dari positive, negative dan zero, yang didefinisikan sebagai fuzzy set melalui variabel-variabel yang relevan seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.2. Keluaran dari FLC adalah perubahan dari aksi kontrol. Untuk memperoleh aksi kontrol u, perlu diintegralkan dan didenormalisasikan dengan menggunakan faktor denormalisasi deu, sehingga diperoleh nilai aksi kontrol saat t, dimana nilai perubahan aksi kontrol ditambah dengan nilai u sebelumnya, melalui rumus:

    ( ) ( ) ( )tudeTtutu nu+= (4.2)

    Aturan-aturan secara efektif menyatakan skenario operasi dari suatu sistem, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.2. Aturan-aturan tambahan ditentukan dari inspeksi dan dapat dilihat dalam tabel 4.1.

    Seperti pada pengendali PI yang telah dijelaskan dalam bab 3, pengendali fuzzy juga dirancang untuk masing-masing pasangan input-output. Masing-masing pengendali fuzzy menggunakan tiga fungsi keanggotaan (membership) dan sembilan aturan seperti yang disebutkan dalam tabel 4.2.

    Bagian yang penting dalam perancangan pengendali adalah menyelaraskan (tune) parameter-parameter pengendali untuk memperoleh kinerja kendali yang baik. Parameter-parameter yang diselaraskan dalam pengendali fuzzy adalah faktor normalisasi, faktor denormalisasi dan rentang nilai fungsi keanggotaan.

    Gambar 4.2 Arsitektur umum sistem pengendali fuzzy

    ne

    nce

    z-1

    FLC deu plant

    z-1

    en

    ce cen

    un u u

    e yd

    y

    Derivative

    Integrator

    + -

    + -

    + +

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    184

    Gambar 4.3. Aturan-aturan kendali untuk pengendali fuzzy sederhana secara umum

    Tabel 4.2 Aturan-aturan kendali fuzzy secara umum error, en Atribut yang diamati perubahan error, cen

    Atribut yang dikendalikan perubahan input, un Kondisi aturan aksi

    I. Mulai, input dalam tanggapan diubah ke perubahan setpoint

    If en is P and cen is P then un is P

    If en is N and cen is N then un is N If en is P and cen is Z then un is P II. Plant tidak merespon; input

    disesuaikan If en is N and cen is Z then un is N If en is P and cen is N then un is Z III. Tanggapan plant normal, input

    dijaga tetap If en is N and cen is P then un is Z IV. Mencapai kesetimbangan If en is Z and cen is Z then un is Z

    If en is Z and cen is N then un is N V. Error nol, tetapi ada perubahan, lakukan aksi If en is Z and cen is P then un is P

    Setelah melalui beberapa kali percobaan, maka diperoleh fungsi keanggotaan seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.1 4.3. Faktor normalisasi yang digunakan adalah 1 dan faktor denormalisasi untuk masing-masing pengendali adalah: deu1 = 0.05, deu1 = 3, deu1 = 3, deu1 = 2 dan deu1 = 0.25. Output yang dikendalikan adalah lima output (H1-H4 dan 4) sedangkan ketujuh output yang lain (T1-T4 dan 1 3 ) akan dimonitor hasilnya.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    185

    HASIL SIMULASI DAN ANALISA

    Dalam gambar 5.1 ditunjukkan hasil simulasi dari perancangan pengendali fuzzy untuk sistem evaporator industri. Secara umum, jika dibandingkan dengan hasil simulasi pengendali PI yang ditunjukkan dalam gambar 3.2, waktu tanggapan pengendali fuzzy untuk mencapai kondisi steady state (settling time) lebih cepat, kecuali pada output tinggi cairan tangki pertama. Besar settling time tanggapan pada kedua pengendali dapat dilihat dalam tabel 5.1. Hanya saja, pada output H4 dan 4 terdapat riak-riak kecil (ripple). Ripple ini terjadi karena pengaruh FLC yang mempunyai fungsi keanggotaan zero dengan rentang nilai tertentu. Overshoot yang terjadi pada pengendali fuzzy, pada output H3 dan H4 lebih kecil daripada overshoot pengendali PI, dapat dilihat dalam tabel 5.2.

    Dalam gambar 5.2 ditunjukkan hasil simulasi sistem evaporator dengan menggunakan pengendali fuzzy untuk tujuh state termonitor yang tidak dikendalikan, yaitu suhu pada keempat tangki (T1-T4) serta densitas ketiga tangki pertama (1- 3). Tampak bahwa dengan pengendalian lima output, ketujuh state yang lain juga dapat terkendali, terbukti dengan stabilnya ketujuh state tersebut setelah pengendalian, kecuali pada output T1, dimana tanggapan plant bersifat open-loop unstable (gambar 3.1).

    Tabel 5.1 Settling time (ts) tanggapan pada pengendali fuzzy dan PI

    Output ts pada Fuzzy (jam) ts pada PI (jam) H1 180 105 H2 160 160 H3 60 135 H4 35 137 4 13 100

    Tabel 5.2 Persen overshoot tanggapan pada pengendali fuzzy dan PI

    Output %OS pada Fuzzy %OS pada PI H1 1.267 0.667 H2 2.22 0.533 H3 0.711 16.67 H4 2.667 14.67 4 - -

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    186

    Jika dibandingkan antara hasil simulasi untuk tujuh state termonitor yang tidak dikendalikan antara pengendali fuzzy (gambar 5.2) dan pengendali PI (gambar 5.3), tampak bahwa pada pengendali PI terdapat steady state error (SSE) pada T1, T2, T4 dan 3 yang lebih besar daripada hasil pada pengendali fuzzy, dapat dilihat dalam tabel 5.3. Tanggapan pada suhu tangki pertama semakin menurun sejalan dengan bertambahnya waktu, sama dengan tanggapan T1 pada pengendali fuzzy, bahkan SSE-nya lebih besar.

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.4

    1.42

    1.44

    1.46

    1.48

    1.5

    1.52

    t (jam)

    h1 (m

    )

    Tinggi cairan tingkat 1

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.15

    2.2

    2.25

    2.3

    t (jam)

    h2 (m

    )

    Tinggi cairan tingkat 2

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.245

    2.25

    2.255

    2.26

    2.265

    2.27

    t (jam)

    h3 (m

    )

    Tinggi cairan tingkat 3

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2002.23

    2.24

    2.25

    2.26

    2.27

    2.28

    2.29

    2.3

    2.31

    2.32

    t (jam)

    h4 (m

    )

    Tinggi cairan tingkat 4

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.49

    1.5

    1.51

    1.52

    1.53

    1.54

    1.55

    t (jam)

    Rho

    4 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 4

    Gambar 5.1. Hasil simulasi pengendalian sistem evaporator dengan menggunakan

    pengendali fuzzy

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    187

    Tabel 5.3 Steady State Error (SSE) tanggapan tujuh state tak terkendali

    T1 T2 T3 T4 1 2 3 SSE (%)

    Fuzzy -0.6 -0.011 - 0.0148 - - -

    SSE (%) PI -1.5384 -0.6 - -0.44 - - -0.067 Tabel 5.4. Perbandingan persen overshoot (%OS) dan settling time (Ts) tanggapan

    tujuh state tak terkendali

    Fuzzy PI Output %OS Ts (jam) %OS Ts (jam)

    T1 0.9 - 0.7 - T2 0.64 180 0.443 - T3 0.2 85 3.876 100 T4 0.59 40 3.71 - 1 0.73 50 - 130 2 0.5625 10 - 35 3 0.336 10 - 40

    Dalam tabel 5.4 ditunjukkan perbandingan persen overshoot dan settling time antara pengendali fuzzy dan PI, dengan catatan, persen oversoot dan settling time dihitung pada kondisi steady state, , karena adanya steady state error pada variabel state tertentu. Dari tabel tersebut tampak bahwa kinerja pengendali fuzzy lebih baik daripada pengendali PI, khususnya untuk T3 dan T4. Tidak hanya tanggapan suhu pada tangki pertama, tanggapan suhu pada tangki kedua dan keempat pada pengendali PI pun semakin menurun, yang menunjukkan bahwa tanggapan bersifat tidak stabil.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    188

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20064.6

    64.8

    65

    65.2

    65.4

    65.6

    65.8

    66

    66.2

    t (jam)

    t1 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 1

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20089.6

    89.8

    90

    90.2

    90.4

    90.6

    90.8

    91

    91.2

    t (jam)

    t2 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 2

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200128.95

    129

    129.05

    129.1

    129.15

    129.2

    129.25

    129.3

    t (jam)

    t3 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 3

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200134.5

    135

    135.5

    136

    t (jam)

    t4 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 4

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.335

    1.34

    1.345

    1.35

    1.355

    1.36

    1.365

    1.37

    t (jam)

    Rho

    1 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 1

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.38

    1.39

    1.4

    1.41

    1.42

    1.43

    1.44

    t (jam)

    Rho

    2 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 2

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.44

    1.45

    1.46

    1.47

    1.48

    1.49

    1.5

    1.51

    t (jam)

    Rho

    3 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 3

    Gambar 5.2. Hasil simulasi sistem evaporator dengan menggunakan pengendali fuzzy untuk tujuh state yang tidak dikendalikan

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    189

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20060

    61

    62

    63

    64

    65

    66

    67

    t (jam)

    t1 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 1

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20089.6

    89.8

    90

    90.2

    90.4

    90.6

    90.8

    91

    t (jam)

    t2 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 2

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200127

    128

    129

    130

    131

    132

    133

    134

    135

    t (jam)

    t3 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 3

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200133

    134

    135

    136

    137

    138

    139

    140

    t (jam)

    t4 (C

    elci

    us)

    Suhu cairan tingkat 4

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2001.24

    1.26

    1.28

    1.3

    1.32

    1.34

    1.36

    t (jam)

    Rho

    1 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 1

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

    1.25

    1.3

    1.35

    1.4

    1.45

    t (jam)

    Rho

    2 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 2

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

    1.25

    1.3

    1.35

    1.4

    1.45

    1.5

    1.55

    t (jam)

    Rho

    3 (to

    n/m

    3 )

    Densitas cairan tingkat 3

    Gambar 5.3. Hasil simulasi sistem evaporator dengan menggunakan pengendali PI untuk tujuh state yang tidak dikendalikan

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    190

    KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisa perancangan pengendali untuk sistem evaporator yang merupakan sistem MIMO open-loop unstable dapat disimpulkan bahwa: 1. Apabila tidak ada gangguan pada gangguan pada laju alir dan temperatur feed,

    untuk pengendalian tinggi cairan pada tangki ketiga dan keempat serta densitas cairan pada tangki keempat, pengendali fuzzy yang dirancang mempunyai kinerja yang lebih baik daripada pengendali Proportional Integral (PI), dengan persen overshoot dan waktu tanggapan untuk mencapai kondisi steady state (settling time) yang lebih kecil daripada pengendali PI

    2. Pemilihan parameter-parameter input dan output sudah tepat, terbukti dengan adanya tujuh state lain yang tidak dikendalikan juga terpantau memberikan tanggapan yang baik.

    DAFTAR PUSTAKA 1. K.M. KAM, P. SAHA, M.O. TAD and G.P. RANGAIAH, Models of an

    Industrial Evaporator System for Education and Research in Process Control, http://www.iitg.ac.in/engfac/chemeng/public_html/pksaha.html, 2002.

    2. K.M. KAM and B. ENG (HONS), Dynamic Modelling and Differential

    Geometric Analyses of an Industrial Five-effect Evaporator, http://adt.curtin.edu.au/theses/ available/ adt-WCU20020506.132319/, Februari 2000.

    3. G.P.RANGAIAH, P.SAHA and M.O. TAD, Nonlinear Mode Predictive

    Control of an Industrial Four-stage Evaporator System Via Simulation, Chemical Engineering Journal 87, (2002) page 285-299, http://www.iitg.ac.in/engfac/chemeng/ public_html/pksaha.html

    4. ESTIYANTI EKAWATI, Controllability Assessment of an Industrial Five-

    effect Evaporator Process, http://wwwlib.murdoch.edu.au/adt/pubfiles/ adt_MU20040820.113446/ 08Chapter7.pdf, Desember 2003.

    5. BEQUETTE, B. WAYNE, Process Dynamics Modelling, Analysis, and

    Simulation, Prentice Hall International Series in the Physical and Chemical Engineering Sciences, New Jersey, 1998.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    191

    6. CARLOS A. SMITH and ARMANDO B. CORRIPIO, Principles and Practice of Automatic Process Control, John Wiley & Sons, Singapore, 1985.

    7. HARI WIBAWANTO, Pengendali Berbasis Logika Fuzzy.htm, ELEKTRO

    INDONESIA edisi ke empatbelas, Agustus 1998, http://www.elektroindonesia.com/elektro/kend14b.html

    8. Exercise_8.pdh, Plant Wide Process Control Design, Assessing Interaction

    Using RGA on A Linearized State Space Dynamic Model, http://www.glue.umd.edu/~mcavoy/Exercise_8/Exercise_8.pdf

    9. JOHN, REZA LANGARI, Fuzzy Logic Inteligence, Control and Information,

    Prentice Hall, 1999.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    192

    Apendiks 1. Model matematika sistem evaporator

    a. Flash tank 1

    1

    111

    1

    11111

    10

    1

    111

    11

    1

    11

    1

    1

    +=

    =

    =

    EQQmE

    TCdtdT

    QEAhdt

    d

    EQQ

    Adtdh

    wPfVV

    fff

    w

    wPf

    C

    dengan

    11

    21

    1

    1111111

    =

    =

    +=

    Emmm

    mTcQTcQE

    V

    VS

    V

    SSPffff

    C

    CC

    C

    ( )

    ( ) ( ) ( ) 1.2731.27375.0

    96.3375.0

    1.273

    11

    1

    1111110

    11

    11

    11

    +

    +=

    =

    +=

    BPETBPETRMhAVTC

    TPBPETR

    MP

    V

    V

    M merupakan massa molekul air dan R merupakan konstanta gas. b. Flash tank 3

    1

    111

    1

    332333

    30

    3

    2

    322

    33

    33

    3

    332

    3

    3

    +=

    =

    =

    EQQmE

    TCdtdT

    QEAhdt

    d

    EQQ

    Adtdh

    wPPVV

    Pw

    wPP

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    193

    dengan

    ( )

    ( )

    ( ) ( ) ( ) 1.2731.27309.4

    38.41009.4

    1.273

    38.2/76.5

    33

    3

    3333330

    33

    33

    33

    33

    43

    3

    33333322223

    +

    +=

    =

    +=

    =

    =

    +=

    BPETBPETRMhAVTC

    TPBPETR

    MPEm

    mm

    mTcQTcQE

    V

    V

    V

    SS

    V

    SSPP

    c. Flash tank 4

    111

    1

    3

    433

    44

    44

    4

    443

    4

    4

    =

    =

    QEAhdt

    d

    EQQ

    Adtdh

    Pw

    wPP

    1 44344440

    4

    +=

    EQQmE

    TCdtdT

    wPPVV

    dengan

    ( )

    ( ) ( ) ( ) 1.2731.27309.4

    95.43409.4

    1.273

    44

    4

    4444440

    44

    44

    44

    44

    4

    44444433334

    +

    +=

    =

    +=

    =

    +=

    BPETBPETRMhAVTC

    TPBPETR

    MPEm

    mTcQTcQE

    V

    V

    V

    V

    SSPP

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    194

    d. Matriks G(0)

    +=

    003-0104397e4.42008245-002-9728001e2.32156493-004-5657163e1.42654839004-6007060e2.98081552-003-5542995e4.77013378- 29169155.38390807-001-8319628e3.57030127003-7571993e1.05643349003-1611469e2.35444522-54897211.77901415-

    0003336191e3.67232279-29278991.6111879107866611.29401573-003-6067564e2.10720967- 24851551.71411235-009-0752518e2.60181031-45790491.77704392012-6545539e6.6984904209884541.53708827- 28865111.88650528-007-1955245e1.00046233-009-6272760e7.64867991012-9969549e6.7029933039515121.22048578 03579862.35093973-

    )0(G

    e. Matriks Decoupler

    f. Matrik hasil linierisasi

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    195

    DISKUSI FAIZAL RIZA 1. Apakah juga merancang pengendali fuzzy untuk evaporator tidak bertingkat? 2. Mengapa hanya menggunakan variabel tinggi cairan dan densitas, sedangkan

    variabel kecepatan aliran, temperature dan sifat fluidanya. Mohon dijelaskan WURI B. HARINI 1. Saya tidak merancang pengendali fuzzy untuk single evaporator karena

    sudah diteliti oleh peneliti lain. 2. Karena dari eigen vector diperoleh bahwa hanya lima output tersebut yang

    penting untuk dikendalikan, dan terbukti bahwa dengan pemilihan lima output tersebut, ketujuh state yang lain juga menghasilkan keluaran yang diinginkan

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    196

    TOPAN Lebih efektif mana counter-current atau con-current ? WURI B. HARINI Secara research, saya belum pernah meneliti mana yang lebih efektif. Jika dilihat dari steam yang masuk, jika menggunakan counter current, untuk efek ke-2, diperlukan masukan energi dari uap hasil tangki ke-3 dan 4 guna melakukan proses evaporasi. Untuk mode con-current, uap hasil flash tank bisa digunakan untuk sumber energi flash tank selanjutnya.

  • Risalah Lokakarya Komputasi dalam Sains dan Teknologi Nuklir XVII, Agustus 2006 (173-197)

    197

    DAFTAR RIWAYAT HIDUP

    1. Nama : B. Wuri Harini, S.T

    2. Tempat/Tanggal Lahir : Sleman, 11 Oktober 1976

    3. Instansi : Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta

    4. Pekerjaan / Jabatan : Staf Pengajar

    5. Riwayat Pendidikan : (setelah SMA sampai sekarang)

    Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta

    (1995 1999)

    Pasca Sarjana Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

    kekhususan Teknik Kontrol Industri (2004-2006)

    6. Pengalaman Kerja :

    Staf Pengajar Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sanata

    Dharma, Yogyakarta (2000-sekarang)

    7. Publikasi (Makalah) :

    Pengendalian Motor Stepper Berbasis PC, Media Teknika Universitas

    Sanata Dharma, Yogyakarta, Vol 1 No 1, Desember 2001

    Teknik Adaptif dalam Sistem Kontrol, Media Teknika Universitas

    Sanata Dharma, Yogyakarta, Vol 4 No. 1, Juni 2004

    Perkembangan Smart Card dalam Era Teknologi Informasi, Industrial

    Information Technology, Universitas Sanata Dharma,

    Yogyakarta, 2004.