PID System

Jika anda adalah seorang professional di bidang automation atau berbackground pendidikan tentang control, tentu PID (Proporsional, Integral, Derivative) adalah termonilogi yang sangat anda kuasai. Apalagi jika anda adalah seorang yang memiliki keahlian dalam matematika, maka anda mungkin akan menuliskan rumus PID yang berisi kalkulus yang agak lumayan OK itu secara otomatis di luar kepala. Kemudian juga mungkin anda sudah hafal metode-metode untuk menentukan parameter tuning seperti Ziegler-Nichols sehingga dengan serta merta didapatkan grafik menuju kestabilan terhadap variabel yang hendak dikontrol.

Tapi lainnya halnya bagi seorang praktisi atau orang produksi di lapangan, bisa jadi PID hanya sekedar bagaimana memasukkan angka magic untuk parameter P atau I. P adalah 100, 200, 300 dst, untuk parameter I adalah memasukkan angka dst sampai didapatkan kestabilan traveling control valve. D sangat jarang digunakan.
Bagi seorang awam, saya berusaha untuk menerjemahkan PID dalam kalimat-kalimat yang mudah  dimengerti. PID adalah sebuah metode matematika yang berisi Gain+Integral+Derivative, yang digunakan untuk mengurangi gap antara variabel yang diinginkan dan variabel kenyataan dengan melakukan adjustment pada variabel yang dapat berpengaruh pada variabel kenyataan.
Contoh
Variabel kenyataan = Angka Pengangguran tinggi 20%,
Variabel yang diinginkan adalah = Angka Pengangguran rendah 2%,
Variabel yang mempengaruhi = Besar investasi,
maka PID akan menjadi sebuah formula perhitungan matematik yang yang secara otomatis menghitung berapa nilai uang yang perlu ditransfer ke dalam bursa investasi. Looping iterasi perhitungan dan evaluasi terhadap hasil investasi tersebut di lapangan dilakukan dalam periode yang sangat cepat. PID akan terus looping dan secara otomatis dan akan menghasilkan berapa value investasi yang diperlukan untuk dapat membuat nilai pengangguran yang semula 20% bergeraak terus berkurang menuju 2%. Hal ini dilakukan dengan terus memonitor variabel kenyataan di lapangan. Looping ini akan berjalan terus menerus dengan respon menuju 2% yang mungkin sangat lamban, atau kadang berliku-liku naik turun. Tergantung dari parameter yang mempengaruhinya. Nilai kestabilan akan didapatkan jika Variabel Kenyataan menjadi = Angka Pengangguran rendah, artinya kenyataan di lapangan pengangguran sekarang adalah 2% sesuai dengan target ideal dari kegiatan investasi tersebut.
Analogi dalam bidang control engineering adalah:
Variabel yang diinginkan = Set Point
Variabel kenyataan = Process Variabel
Variabel yg diadjust untuk mempengaruhi = Manipulated Variable.
Error = Set Point – Process Variable
Dan PID adalah hasil karya matematis yang cukup jitu untuk melakukan iterasi untuk membuat Error menjadi 0. Apa artinya 0 itu? artinya adalah Process Variable = Set Point atau dapat dikatakan Variabel kenyataan = Variabel yang diinginkan. Kalo keduanya sudah sama maka itulah kestabilan dan tujuan pengontrolan sudah tercapai.
Satu contoh sederhana dalam engineering adalah untuk mengatur ketinggian level air dalam tanki menjadi setengah (50%) dengan menggunakan PID logic. Kebetulan tanki sedang kosong dan kran keluarnya di tutup.
Variabel kenyataan = Tanki Kosong dan Variable kenyataan ketika sudah terisi = n%
Variabel yang diinginkan = Level air 50%
Variabel yang mempengaruhi = Kocoran air masuk ke dalam tanki (valve)
Jadi yang dikontrol adalah kocoran air masuk dalam tanki, oleh karena itu dipasanglah control valve di pipanya. Untuk mengetahui ketinggian level air secara kontinue maka dipasanglah level transmitter (LT). Untuk mengontrol hitungan PID maka dibuatlah program matematis dalam komputer (LIC) yang sudah dapat berkomunikasi untuk menerima signal dari level transmitter dan mengirim signal ke control valve. Dan di komputer tersebut kita masukkan Set-Point.

Begitu PID program kita online maka secara otomatis mencari nilai Error (50% -n%)untuk looping. Yaitu dengan cara mengurangkan Set Point dengan Variabel Kenyataan dari Level Transmitter. Error dimasukkan ke dalam hitungan PID (LIC) dan menghasilkan suatu nilai Manipulated Variabel yang akan dikirim ke Control Valve dalam bentuk signal untuk membuka valve dalam percentage. Sehingga air pun mengocor. Nah, ketika level air sudah 50% sehingga Error = 0 artinya tujuan pengontrolan sudah tercapai maka PID akan mengirim signal ke control valve untuk menutup sedikit demi sedikit sampai rapat.
Sederhanakan PID? Iya tentu saja karena ini adalah tulisan awam. Kalau anda dapat menemukan formula lain dalam matematika yang dapat melakukan iterasi untuk membawa variabel kenyataan menuju variabel yang diinginkan yang lebih akurat maka anda akan dapat menemukan teori pengontrolan yang baru. Karena harus disadari, meskipun dalam perhitungan murni matematika (tanpa ada gangguan pun) PID itu menghasilkan ripple (naik turun) untuk mencapai nilai variabel yang diinginkan, dan itu diredam dengan tuning yang tepat.
Possibly Mistake in PID
Praktisi yang terbiasa dan berpengalaman dengan konsep kontrol diskrit dengan level switch, PLC, on-off valve akan cenderung membawa konsep kontrol diskrit ini ke konsep PID. Yang mana ketika level switch kontak maka PLC akan memberikan aksi ke on-off valve untuk membuka atau menutup. Hal ini dianalogikan ketika set-point pada PID terlewati maka control valve harus beraksi sampai bisa mengejar proses variable. Begitu terkejar dan nilai proses kembali turun ke set-point maka kontrol valve akan beraksi yang sebaliknya. Mungkin yang terlihat bedanya hanya perintah kontroller ke kontrol valve adalah perintah analog, sedangkan ke on-off adalah discrete, sehingga ketikapun baru 80% proses sudah terkejar, control valve bisa kembali menutup, tidak perlu full opening seperti on-off valve. Pemahaman dari pengamatan lapangan ini tidak bisa dijadikan sebagai dasar pemahaman PID. Karena dari pemahaman itu set-point hanya akan dijadikan sebagai titik trigger kapan kontrol valve harus membuka dan kapan kontrol valve harus menutup. Set-point hanya akan dipahami ibarat titik switch sebagaimana kontrol diskrete, sebagai penentu kapan kontrol valve membuka dan kapan menutup. It shall be rejected at all.
Re-build Understanding in PID
Praktisi akan mengatakan terlalu lama untuk kembali memahami konsep PID, ketika terbukti dengan pemahaman seperti di atas pun proses sudah bisa berjalan dan projek bisa finish. Penjelasan dari “Basic And Advanced Regulatory Process Control” Harold L. Wade (Instrument Society of America) dapat menjadi dasar untuk mencoba memahami PID secara konseptual.
m = Kc (e + 1/Ti (int. e dt) + Td.de/dt)
“This equation compute the position of the final control element, it is usually called the position form” Harold L. Wade.
Persamaan di atas dihitung di dalam DCS setiap 50 millisecond atau lebih pendek, sehingga setiap 50 millisecond akan didapatkan posisi control valve yang baru. ‘e’ pada persamaan di atas dihitung dari perbedaan set-point dengan proses variabel. Jadi setiap 50 millisecond didapatkan ‘e’ yang baru untuk dihitung oleh PID untuk menghasilkan ‘m’ yang baru. ‘m’ adalah manipulated variabel biasa disebut juga sebagai MV.
Jadi ketika transmitter sudah memberikan input maka DCS akan menghitung ‘e’ dimasukkan ke persamaan di atas menghasilkan ‘m’ dan dikirm ke control valve dengan perioda untuk satu siklus adalah 50 millisecond. Itu artinya dalam 1 detik DCS mengeluarkan perintah sebanyak 20 kali. Jauh ketika proses belum mencapai set-point (refer kasus level di atas), siklus perhitungan PID di atas sudah dimulai dan aksi akan diberikan ke kontrol valve. Ketika proses masih jauh dari set point maka keluaran PID ‘m’ akan minus yang dengan mudah akan dinetralisir oleh PID dengan if m<0 then m=0 artinya tidak ada aksi untuk kontrol valve. Ketika proses melebihi set-point maka output PID akan positif dan koresponding dengan opening control valve. Nilai m harus dipercentage oleh DCS dari 0 – 100%.
Jadi proses perhitungan berlangsung secara terus menerus or continue pada semua kondisi proses setiap 50 millisecond. Set-point bukan nilai stand by untuk menunggu proses, dan akan beraksi ketika proses mencapainya. Set-point adalah nilai referensi untuk menghitung gap atau error sehingga koresponding opening diberikan ke control valve setiap 50 millisecond secara kontinyu.