Introduction to Process Control and

Instrumentation

Introduction - 2

Definition of system

systeminput output

Introduction - 3

Types of control systems

Process-control

Servomechanisms

A

B

Introduction - 4

The basic strategy to control a system

Self-regulation

Human-aided control

H h

Qin

Qout

H h

Qin

Qout

H

valve

Introduction - 5

Objektif control : Mengatur nilai variabel yang dikontrol pada nilai yang diinginkan Mempertahankan kuantitas pada nilai yang diinginkan

H h

Qin

Qout

valve

actuator

controllersensor s

u

SP

Automatic control

Introduction - 6

Open-loop control

Sistem open-loop menggunakan kontroler untuk memperoleh output yang diinginkanTidak ada feedback, kontroler tidak bereaksi terhadap perubahan kondisi

controller processDesired Output Output

Introduction - 7

Advantages and disadvantages

murah sederhana

o akurasi kurango model sistem harus akurato tidak ada jaminan bahwa

proses yang dikontrol sesuai dengan set valueo tidak dapat meng-handle

gangguan (disturbances)

Introduction - 8

Closed-loop control

sistem closed-loop menggunakan informasi sensor untuk menyesuaikan (to adjust) output kontroler

Control element ProcessDesired Output

Measurement

Controller Actual Output

Introduction - 9

Advantages and disadvantages

dapat meng-handle gangguan (disturbances)akurat

Instability dapat terjadi karena kesalahan nilai gain dan parameter pemodelan

Introduction - 10

The element of process-control system

Elemen-elemen process-control Process Measurement Controller Error Detector (comparison) Control element

Diagram blokcontroller

Control element

process

measurement

SP

Introduction - 11

Physical diagram of a process-control loop

Flow system

controller I/P

4 -20 mA4 -20 mA

Signal conditioning

Diff. pressure transducer

orifice

Control valve

3 – 15 psi

setpoint

Introduction - 12

Example: analog control

T

heater

oven

Measurement system

+

controllerVQVe=Vref - VT

VT

-

Vref

Introduction - 13

Example: supervisory control

T

heater

oven

Measurement system

+

controllerVQVe=Vref - VT

VT

-

computer

ADCDAC

Vref

Introduction - 14

Example: direct digital control

T

heater

oven

Measurement systemADC

computer

DACVQ

NQ

VT

NT

Introduction - 15

The time response of control system

Transient responseRespon diamati mulai state awal ke state akhir • Rise time• Delay time• Percent overshoot• Settling time

Steady state response Perilaku respon dari steady state sampai tak hinggao percent error steady state

Introduction - 16

Type of input

Step Ramp Impulse

Inpu

t, x(

t)

x0

Time, t

Inpu

t, x(

t)

Time, t

slope = a

Inpu

t, x(

t)

Time, tt0

0t X X0t 0X

0

0t at X0t 0X

00

00tt )tt(tt 0)tt(

Introduction - 17

General form of linear differential equations

)t(xb)t(yadt

ydadtyda 001n

1n

1nn

nn

y(t) = output

x(t) = fungsi input

n = orde dari sistem

t = waktu

Introduction - 18

Transfer function

)t(xb)t(yadtdya 001 )t(Kxydt

dy

ty)(sensitivi gain static a

b K

constant time aa

00

01

)s(KX)1s )(s(Y

s 1K

)s(X)s(YTF

Introduction - 19

Process element characteristic

GainPerubahan input menyebabkan perubahan output secara cepatAktuator mempunyai gain dalam unit (besaran) yang tetap

Control valve akan : tertutup penuh pada tekanan pneumatik 3 psi terbuka penuh pada tekanan pneumatik 15 psi

psimenit/literTF

Introduction - 20

IntegralLaju perubahan output bergantung secara langsung padainputnya

dt vK)t(v Kvdtdv

i0io

vi

vo

t0

KAt0

A

t

t

0

0

t

0 t0 dt 0 Kdt A K)t(v

Introduction - 21

First-orderSelf-regulating, jika diberikan input step maka outputnyaakan muncul secara eksponensial hingga kestabilan(level) yang baru tercapai

h CR

fi

fo

s 1K

input output

CR

Introduction - 22

Response of a first-order systems to Step and Ramp input

0.632

1

K x fi

fi

32 54t

input

outputt

)t(K e K )t(y t

transient steady state

Introduction - 23

Performance Specifications

Rise time Time to pass from 10% to 90% of final value (steady)

Settling time Time to reach the final value

Delay time Time to reach 50% of final value

You need 5 time constants before you can consider output to be steady-state (settling time)

Introduction - 24

Dead timePerubahan pada input tidak menyebabkan perubahan

output hingga waktu delay (dead) terlampauiBiasanya merupakan delay transportasi (ada jarak yang harus

dilampaui)Contoh: water heater

Proses di industri banyak berupa dead time dan first-order. Jika diberikan input step pada proses maka output berubah setelah waktu delay terlampaui lalu muncul secara eksponensial.

Introduction - 25

Second-order

dua akar karakteristik real berbeda ζ >1 overdamped real sama ζ = 1 critically damped kompleks konjugat 0 < ζ < 1 underdamped

2nn

2

2n

s2s)s(X)s(Y

1s 2nn

ratio damping : frequency natural : n

Introduction - 26

Specifications of the transient response

Rise timeTime to pass from 10% to 90% of

final value Settling time

Time to reach the final value Delay time

Time to reach 50% of final value Peak time

Time required for the response to reach the first peak of the overshoot

Maximum overshootMax percent overshoot %100)(y

)(y)t(y p

Introduction - 27

Measurement intrument spesifications

Performansi instrumen pengukuran digambarkan dalam dua spesifikasi: Spesifikasi statik (seberapa baik korelasi antara input fisik dan

output listrik) Spesifikasi dinamik (seberapa cepat perubahan output yang terjadi

terhadap perubahan input)

Kuantitas fisik yang diukur diantaranya, posisi, kecepatan, level, flow, temperatur, dll.Output instrumen dapat berupa tegangan, arus, resistansi, kapasitansi, dll

Introduction - 28

Static spesifications

Akurasi digunakan untuk menentukan error maksimum yang diharapkan dari suatu peralatan (dalam % error)

Bentuk : Persentase dari pembacaan full scale (FS)

FS intrumen 5 volt dengan akurasi ± 0.5% volt rata-rata ketakpastian pengukuran ± 0.025 volt

Persentasi dari span (max – min) Akurasi ± 3% dari span tekanan dengan range 20 s/d 50 psi

inakurasinya 30 x 0.03 = ± 0.09 psi Persentase dari pembacaan aktual

Akurasi voltmeter ± 2% inakurasinya ± 0.04 untuk pembacaan 2 volt

Introduction - 29

Static spesifications

Sensitifitas perubahan input yang kecil, intrumen dapat memberikan output (ditunjukkan oleh TF dari instrumen) TF dari transduser termperatur 5mV/0C setiap perubahan input

sebesar 10C menyebabkan output berubah sebesar 5mV.

Resolusi perubahan input terkecil yang menyebabkan terjadinya perubahan pada intrumen readout.

Introduction - 30

Static spesifications

Hysterisis instrumen memberikan nilai output yang berbeda untuk pengukuran variabel input dari rendah ke tinggi atau dari tinggi ke rendah.

A

B

input

output

Introduction - 31

Repeatability (Precision) digunakan untuk mengukur seberapa baik intrumen dapat memberikan output yang sama terhadap suatu input yang diberikan secara berulang-ulang.

Static spesifications

%100scale fullmin maxityrepeatabil

Introduction - 32

Linieritas pemetaan satu-satu antara input-output sebagai fungsi linier.

Contoh:Suatu sensor mengubah temperaturdalam range 20 – 120 0C ke dalam resistansi 100 – 180 ohm. Dapatkan persamaan linier dari resistansi terhadap temperatur.

Static spesifications

T

R

84

Introduction - 33

Dynamic spesifications

Pengukuran respon intrumen terhadap pemberian input : step

Rise time, delay time, time constant, % overshoot, settling time

Sinus Frequency response, high-frequency cutoff