perancangan sistem kontrol ph berbasis sintesa …

1

PERANCANGAN SISTEM KONTROL pH BERBASIS

SINTESA REAKSI INVARIAN DENGAN MENGGUNAKAN

LOGIKA FUZZY PADA STUDI KASUS TITRASI

ASAM HCl DAN BASA NaOH

(Syaifur Rizal, Hendra Cordova)

Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS, Keputih – Sukolilo, Surabaya 60111

ABSTRAK

Pengendalian pH merupakan salah satu faktor penting dalam dunia industri yang di dalamnya melibatkan suatu

proses kimia. Pengendalian ini bertujuan untuk menjaga nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan sesuai

dengan produk yang akan dihasilkan. Seiring dengan meningkatnya kebutuhan performansi pengukuran dan pengendalian pH

dalam industri kimia, maka perlu dibuat sistem pengendalian yang mampu memberikan performansi yang baik dengan akurasi

yang memadai dan tahan terhadap ganguan serta noise. Dalam tugas akhir ini diujikan untuk menggunakan sistem kendali

fuzzy. Sedangkan proses titrasi asam HCl dan basa NaOH menggunakan sintesa reaksi invarian. Berdasarkan hasil uji

simulasi, dapat diketahui bahwa sistem kendali fuzzy mampu mengendalikan PH pada plant titrasi asam HCl dan basa NaOH.

Kata kunci: PH, Fuzzy, HCl, NaOH.

I. PENDAHULUAN

Pengendalian pH merupakan salah satu faktor penting

dalam dunia industri yang di dalamnya melibatkan suatu

proses kimia. Pengendalian ini bertujuan untuk menjaga

nilai pH agar berada pada kisaran nilai yang diinginkan

sesuai dengan produk yang akan dihasilkan. Seiring

dengan meningkatnya kebutuhan performansi pengukuran

dan pengendalian pH dalam industri kimia, maka perlu

dibuat suatu sistem pengendalian yang mampu

memberikan performansi yang baik dengan akurasi yang

memadai dan tahan terhadap ganguan.

Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sebuah

pengendalian pH berdasarkan pada metode reaksi invarian

yang dikembangkan oleh Gustafsson and Waller, 1983.

Reaksi invarian ini telah banyak digunakan di berbagai

literatur mengenai perancangan pengendalian pH. Hal ini

disebabkan karena pemodelan pH dengan reaksi invarian,

mampu untuk memodelkan titrasi asam basa yang sifatnya

nonlinier ke dalam bentuk pemodelan matematika yang

sesuai dengan kurva reaksi titrasi dari hasil percobaan.

Penelitian Tugas Akhir ini bertujuan untuk mendisain

proses pengendalian titrasi asam-basa dengan

menggunakan pemodelan matematika pada reaksi invarian

(Gustafsson and Waller, 1983) sebagai pemodelan reaksi

untuk tritrasi pada asam kuat HCl dan basa NaOH.

Sedangkan tempat terjadinya reaksi digunakan tangki

CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) dimana tangki

CSTR ini akan memiliki dua input flow HCl dan NaOH.

Kemudian untuk sistem kendalinya akan digunakan logika

fuzzy. Dengan sifat kekaburan dari logika fuzzy

dibandingkan dengan logikan digital sederhana, logika

fuzzy akan dengan mudah mengakomodasi logika manusia

dalam proses tunning.

Demikian diharapkan kontrol logika fuzzy mampu

untuk mengendalikan proses titrasi pH yang bersifat

nonlinier dengan tunning yang mudah. Sedangkan sistem

yang akan didesain diharapkan mampu bekerja dengan

lebih stabil.

II. TITRASI ASAM BASA

Proses pencampuran larutan asam dan basa yang

dilakukan secara bertahap, dalam aspek laboratorium

dikenal sebagai proses titrasi. Oleh karena ada empat jenis

larutan asam dan basa, yaitu asam kuat, asam lemah, basa

kuat, dan basa lemah, maka akan ada empat kemungkinan

kombinasi campuran yaitu, asam-basa kuat, asam-basa

lemah, asam kuat basa lemah, dan asam lemah basa kuat.

Dalam setiap proses titrasi asam-basa akan menghasilkan

suatu bentuk grafik reaksi yang disebut dengan kurva

titrasi.

Kurva titrasi ini dapat digunakan sebagai acuan ketika

kita akan melakukan pemodelan pH. Hal ini dikarenakan

kurva tersebut menggambarkan pH sebagai fungsi dari

perbedaan asam-basa. Secara eksperimen harga pH

ditentukan oleh penambahan sejumlah volume dari asam-

basa dengan skala harga pH ditentukan oleh perbedaan

asam-basa yang ditambahkan.

Bentuk kurva titrasi ditentukan oleh partisipasi

masing-masing komponen kimia. Secara teoritis kurva

titrasi memerlukan pengetahuan tentang konstanta

kesetimbangan dan konsentrasi total asam dan basa. Kurva

tersebut dapat dibentuk dari kesetimbangan muatan

(persamaan elektronetralitas) yang dihitung dari seluruh

ion yang bermuatan di dalam suatu larutan.

Ion biasanya dibagi menjadi komponen air (ion

oxonium dan hidroksida), kurva titrasi menunjukkan

2

kebergantungan antara pH (fungsi aktivita ion oxonium)

dan konsentrasi asam atau basa. Asam dan basa kuat

terdisiosasi sempurna dan konsentrasi ion adalah juga total

konsentrasinya. Asam-basa lemah terdisiosasi hanya

sebagian dan konsentrasi ion dihitung melalui konstanta

kesetimbangan.

Titrasi HCl (ml)

1 -

2 -

13 -

11 -

7 -Titik

Ekivalen

1 -

2 -

13 -

11 -

7 -Titik

Ekivalen

Titrasi NaOH (ml)

Gambar 1 Kurva Titrasi Asam-Basa Kuat (a) Basa Kuat

(NaOH) dititrasi Asam Kuat (HCl) (b) Asam Kuat (HCl)

dititrasi Basa Kuat (NaOH)

Reaksi Invarian Pada Titrasi Asam-Basa

Cara tradisional untuk membuat model dinamik dari

proses reaksi kimia adalah dengan memperhatikan nilai

kesetimbangannya. Nilai ini biasanya adalah jumlah zat

kimia yang terlibat, termasuk di dalamnya adalah

kecepatan reaksi untuk setiap proses reaksi kimia yang

terjadi. Hal ini juga berlaku pada reaksi yang terjadi antara

senyawa asam dan basa yang mana kesetimbangannya

adalah ada pada ion hidrogen dan hidroksida.

Pada kurva gambar 1, yang merupakan kurva titrasi

asam basa, merupakan suatu hasil kombinasi linier dari

perubahan nilai konsentrasi dari asam dan basa. Pada

gambar 2 diperlihatkan perubahan linier konsentrasi asam

dan perubahan konsentrasi basa, akan membentuk kuva

titrasi seperti pada gambar 1.

Gambar 2 Hubungan perubahan linier pada [OH]-

dengan [H]+ terhadap perubahan nilai pH

Secara umum persamaan reaksi invariant pada pH [3]

dapat dituliskan sebagai berikut:

............................................................................ (1)

.................................... (2)

Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

Continuous stirred tank reacktor (CSTR) adalah suatu

wadah yang umumnya berbentuk silinder dengan diameter

tertentu. Dimana di sekeliling wadah (reaktor) ini bisa

dibiarkan terbuka (terjadi konveksi bebas antar reaktor

dengan udara sekelilingnya), bisa juga diisolasi dengan

bahan (isolator) tertentu, atau bisa juga dikelilingi (dialiri

sekelilingnya) dengan cairan pendingin/pemanas untuk

menyerap panas yang timbul. Sebagai salah satu reaktor

kimia, di dalam CSTR terjadi reaksi kimia pembentukan

atau penguraian. Dimana aliran massa masuk/keluar

berlangsung secara terus menerus (kontinyu). Reaksi yang

terjadi di dalam CSTR bisa berupa reaksi satu arah, reaksi

bolak-balik, atau reaksi berantai[2]

.

Ciri utama dari CSTR adalah adanya proses

pengadukan (stirred). Proses pengadukan ini diharapkan

akan terjadi adanya distribusi sifat fisis dan kimiawi secara

metata dari zat yang direaksikan di dalam reaktor.

CSTR paling banyak digunakan di dunia industri

proses. Contohnya adalah pada produksi polimer, barium

sulfat, dan penanganan limbah.

Gambar 2 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

[2]

Pada jurnal Rosadi, Husni Y. Pemodelan Continuous

Stirred Tank Reactor [2] menjelaskan, bila di dalam

sistem terjadi reaksi yang melibatkan jumlah mol

komponen dalam tangki (perubahan kontinuitas

komponen), maka jumlah molekul masing-masing

komponen akan berubah (naik jika komponen hasil reaksi

atau turun jika komponen reaktan). Persamaan kontunuitas

komponen-i dari reaksi kimia adalah:

(Perubahan molekul komponen-i di dalam sistem) =

(aliran masuk molekul komp.-i) – (aliran keluar

komp.-i) + (kecepatan pembentukan komp.-i)

Berdasarkan pada komponen yang bereaksi, dimana

komponen A bereaksi secara irreversible dengan kecepatan

reaksi k membentuk komponen B, dinyatakan sebagai:

3

Reaksi ini adalah reaksi orde pertama, dengan k

adalah kecepatan reaksi. Kemudian jumlah mol A yang

bereaksi, dinyatakan sebagai:

MolA= - V.k.CA= -MolB

Gambar 3 Reaksi kimia pada CSTR

Berikut adalah persamaan kontinuitas dari tangki

CSTR:

...................... (3)

III. METODOLOGI DAN PERANCANGAN

SISTEM PENGENDALIAN TOU Langkah-langkah yang akan dilakukan untuk

mencapai tujuan akhir dari penuliasan Tugas Akhir ini,

adalah dengan memodelkan secara matematik komponen-

komponen yang digunakan dalam simulasi. Dimulai

dengan pemodelan plan berupa tangki CSTR, kontrol

valve, transmitter, dan penentuan keanggotaan awal fuzzy

berdasarkan informasi yang ada. Setelah pemodelan secara

matematis selesai langkah selanjutnya adalah pada

pengujian plan secara open loop. Pengujian ini dilakukan

untuk mengetahui apakah pemodelan telah berhasil

dilakukan dan sesuai dengan dasar teori yang ada. Uji

berikutnya adalah pada uji close loop yang bertujuan untuk

mengetahu respon sistem setelah dirangkai dengan

kontroler.

Pemodelan pH Dinamik Menggunakan Reaksi

Invariant Pemodelan pH dinamik dengan menggunakan reaksi

invarian adalah memodelkan tempat terjadinya proses titrasi

asam-basa, dalam hal ini adalah menggunakan tangki model

CSTR, yang berdasarkan pada reaksi invarian pH seperti

yang dijelaskan pada bab 2.

Tangki reaksi yang akan digunakan adalah tangki

dengan input feed berupa asam kuat HCl dan input control

berupa basa kuat NaOH. Kemudian terdapat satu buah

output effluent. Sebagaimana digambarkan pada gambar

skematik berikut:

Gambar 4 Plant Reaksi HCl dan NaOH

Besar laju output effluent dianggab sebanding dengan

jumlah nilai dari laju input feed dan input control. Hal ini

dilakukan untuk menjaga agar nilai volume dari tangki tetap

terjaga konstan.

Dalam proses ini, reaksi kimia yang terjadi merupakan

reaksi kimia invarian. Selain itu proses diasumsikan larutan

tercampur sempurna (perfect mixing), serta temperature

ruangan dan larutan berada dalam suhu kamar (25 oC atau

298 oK).

Untuk mendapatkan model proses pencampuran asam

basa dalam penelitian ini menggunakan reaksi invarian yang

dijelaskan oleh Tore K. Gustafsson dan Kurt V. Waller

dalam jurnalnya yang berjudul “Dynamic Modeling And

Reaction Invariant Control Of pH”[3]

. Reaksi ini

menggabungkan persamaan dinamika kesetimbangan masa,

muatan (elektronetralitas) dan aljabar linier (polynomial

dalam H+).

Maka untuk membuat pemodelan dinamik maka harus

diketahui dahulu bagaimana reaksi stokiometrinya, sebagai

berikut :

.................................................. (4)

Dari reaksi stokiometri di atas dapat diketahui bahwa

titrasi asam-basa kuat tidak terdapat adanya asam-basa

konjugat yang biasanya muncul pada reaksi yang

melibatkan asam lemah.

......................................................................................... (5)

Sedangkan dari pencampuran di atas (5) dapat dilihat

bahwa nilai koefisien stokiometri H2O adalah tetap sehingga

dapat diabaikan. Kemudian mengingat hal ini merupakan

reaksi titrasi asam basa, maka nilai konsentrasi ion yang

mempengaruhi nilai pH hanya ada pada ion H+ dan ion OH

-,

sehingga nilai konsentrasi dari Na+ dan ion Cl

- dapat pula

diabaikan.

4

Karena nilai koefisien stokiometri menggambarkan

nilai perbandingan mol maupun konsentrasi dari zat yang

terlibat dalam reaksi, maka dapat disimpulkan bahwa nilai

konsentrasi dari ion H+ dan ion OH

- adalah sama dengan

nilai konsentrasi berturut-turut HCl dan NaOH. Kemudian

diketahui bahwa:

....................................................... (6)

Nilai konsentrasi dari ion H+ dan ion OH

- akan selalu

berkisar antara nilai 10-14

hingga pada nilai 1. Dengan

demikian pada tugas akhir ini akan diuji dengan

menggunakan beberapa kombinasi dari nilai konsentrasi ion

H+ (ion ini adalah ion yang dihasilkan oleh HCl yang

merupakan input feed konstan) yang berbeda.

Proses pencampuran asam-basa pada tangki jenis

CSTR, merupakan proses yang dinamik dan non-linear,

dengan melibatkan laju aliran input dan output. Sehingga

untuk dapat memodelkan proses tersebut, maka, reaksi

invarian dikombinasikan dengan persamaan mass/material

balance untuk tangki CSTR sebagai berikut :

.............................. (7.a)

Karena input pada plant tangki jenis CSTR ini memiliki

dua inputan yaitu inputan feed dan control, sebagai mana

seperti pada gambar 4, maka persamaan ini menjadi:

................................... (7.b)

Kemudian jika nilai debit output adalah sama dengan

jumlah debit input feed dan input control, serta nilai w = we

, maka:

....................... (7.c)

Dengan : V = Volume tangki jenis CSTR (l)

Qf = Aliran HCl (l/s)

Qc = Aliran NaOH (l/s)

Pemodelan pH Statik Menggunakan Model Analitik

Selain pemodelan secara dinamik, dilakukan juga

pemodelan statik. Dengan melihat persamaan reaksi kimia,

ketetapan disosiasi, dan reaksi invarian, maka dapat

diketahui hubungan konsentrasi ion hidrogen [H+] :

.................................................. (8)

Jika persamaan ini dikalikan dengan [H+], maka

didapatkan nilai polinomial dari [H+]:

......................................... (9)

Dengan nilai kw = 10-14

dan nilai w yang ditentukan

dari hasil pada proses pemodelan dinamik maka akan

didapatkan nilai [H+] dengan menggunakan persamaan

......................................................... (10)

IV. SIMULASI DAN ANALISA DATA

Terdapat dua tahapan simulasi, yaitu simulasi sistem

open loop dan closed loop. Simulasi open loop digunakan

membuktikan apakah pemodelan telah berhasil dilakukan

sesuai dengan dasar teori yang ada. Sedangkan untuk

simulasi closed loop digunakan untuk mengetahui respon

sistem secara keseluruhan setelah plant dirangkai dengan

kontroler.

Simulasi open loop system

Ada dua unit sistem yang akan dilakukan uji open

loop, yaitu plant titrasi asam-basa dan control valve.

Seperti dijelaskan sebelumnya, tujuan dari simulasi open

loop ini adalah untuk menguji apakah pemodelan yang

digunakan telah sesuai dengan plant yang diharapkan.

Berikut adalah simulasi uji yang dilakukan pada plant

titrasi asam-basa (CSTR). Uji yang dilakukan adalah

dengan memberikan input berupa nilai konsentrasi ion basa

OH- dari nilai konsentrasi terendah, yaitu 10

-14 mol, yang

kemudian dinaikkan secara linier hingga pada konsentrasi

tertinggi yaitu 1 mol. Sedangkan hal sebaliknya dilakukan

pada konsentrasi ion asam H+ dari konsentrasi maksimum

1 mol, yang kemudian diturunkan nilai konsentrasinya

secara linier hingga pada nilai 10-14

mol. Sedang untuk

output flow keduanya dijaga pada nilai konstan. Hasilnya

dapat dilihat pada grafik berikut:

Gambar 5 a. Nilai perubahan kosentrasi H

+ dan OH

-.

b. Nilai kenaikan pH akibat perubahan konsentrasi

input H+ dan OH

-.

Dari gambar 5.a dan 5.b dapat diketahui bahwa pemodelan

untuk plant proses titrasi telah berhasil dilakukan dengan

kesesuaiah hasil simulasi dengan dasar teori seperti yang

terlihat pada gambar 1 dan 2 yang merupakan grafik titrasi

hasil percobaan.

5

Kemudian dilakukan simulasi untuk mengetahui

pengaruh perbedaan volume pada pemodelan tangki jenis

CSTR dengan nilai capaian minimum dan maksimum

nilai pH yang dapat dijangkau. Sedangkan nilai flow input

HCl dan NaOH konstan pada 1 liter per detik. Seperti

diketahui bahwa nilai pH dipengaruhi oleh nilai molaritas

dari ion H+ dan ion OH

-. Sedangkan molaritas sendiri

adalah nilai mol dibagi dengan volume. Dengan demikian

tentunya nilai volume dari tangki CSTR ini akan

berpengaruh terhadap nilai pH hasil titrasi yang akan

disimulasikan dengan Matlab.

Gambar 6 Perubahan nilai kosentrasi H

+ dan OH

-

terhadap berbagai volume dari tangki CSTR 1, 10, 100,

1000, 10.000 dan 100.000 liter.

Dari grafik gambar 6 dapat diketahui bahwa volume

tangki CSTR, dengan studi kasus flow feed dan flow

control konstan pada 1 liter per detik, berpengaruh

terhadap respon sistem (nilai pH titrasi). Semakin besar

nilai volume dari tangki CSTR maka span nilai pH

maksimum dan minimumnya yang dapat dicapai semakin

mengecil. Kemudian waktu yang diperlukan untuk pH

mencapai nilai 7, dimana pada nilai ini nilai konsentrasi

ion H+ dan ion OH

- sama yaitu pada nilai 10

-7 Molar, juga

semakin melambat.

Uji close loop berikutnya adalah pada valve. Uji

ini bertujuan untuk membuktikan apakah pemodelan

valve telah sesuai dengan karakteristik valve, yaitu

quick openning, liner dan equal precentage. Simulasi ini dilakukan dengan memberikan input arus

yang naik secara linier dari 4 mA hingga 20 mA.

Sedangkan nilai flow maksimum ditentukan adalah 1 l/s.

Gambar 7 a. Nilai arus naik linier dari 4 mA s/d 20 mA

terhadap waktu. b. Nilai bukaan valve terhadap waktu.

Dari gambar 7 a dan b, diketahui bahwa pemodelan

valve sesuai dengan karakteristik valve sesuai dengan

dasar teori yang ada.

Simulasi close loop system

Simulasi akan dilakukan untuk beberapa parameter

yang telah ditentukan sebagai berikut:

a. Berdasarkan pada simulasi close loop, maka

ditentukan nilai volume dari tangki CSTR adalah

10.000 liter.

b. Karakteristik valve yang digunakan adalah valve

dengan karakteristik quick opening dengan inisialisasi

normally open.

c. Perbandingan flow feed dan flow control yang

digunakan adalah flow control lebih besar debitnya

daripada flow control. Pada simulasi ini digunakan

flow control = 1 liter/detik dan flow feed = 0,5

liter/detik.

Pada simulasi close loop ini difokuskan pada disain

fuzzy logic controller yang sekiranya tepat digunakan

untuk pengendalian pH pada titrasi asam kuat HCl dan

basa kuat NaOH. Sedangkan untuk mengetahui apakah

fuzzy logic controller yang digunakan sudah tepat, maka

akan dilakukan simulasi dengan memberikan tracking set

point naik dan tracking set point turun.

Berdasarkan berbagai uji coba yang telah dilakukan,

maka didapatkan nilai keanggotaan fuzzy sebagai berikut:

6

Gambar 8 Keanggotaan fuzzy berturut-turut dari input

error, input rate dan output fuzzy.

Sedangkan hasil dari uji tracking set point naik dan

turun adalah sebagai berikut:

Gambar 9 Tracking set point untuk keanggotaan pada

gambar 7.

Sedangkan untuk mendapatkan data delay time, rise

time, peak time, max. overshoot, settling time serta error

steady state sistem, adalah dengan memberikan nilai set

point 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; dan 10,5. Hal ini dilakukan

karena jika kita melihat pada hasil tracking set point pada

gambar 8, diketahui bahwa untuk tiap-tiap nilai set point

memberikan respon yang berbeda-beda:

• Set Point 4,5

Gambar 10 Set point 4,5.

Delay time = 0,055 detik

Rise time (0%-100%) = 1,25 detik

Peak time = 1,25detik

Max. overshoot = 0,0004

Settling time = 20 detik

Ess = 0,016 %

• Set Point 5

Gambar 11 Set point 5.


Rise time (0%-100%) = 3 detik

Peak time = 3,5 detik


Settling time = 3,5 detik

Ess = 0,025 %

• Set Point 6

Gambar 12 Set point 6 dengan berbagai skala.


Rise time (0%-100%) = 0,0347 detik




Ess = 4,8 %

7

• Set Point 7


Delay time = -

Rise time (0%-100%) = -

Peak time = 0.0103 detik



Ess = -

• Set Point 8


Delay time = 8,01x10-3

detik

Rise time (0%-100%) = 0,0209 detik




Ess = 4 %

• Set Point 9



Rise time (0%-100%) = 0,201 detik




Ess = 0,0589 %

• Set Point 10



Rise time (0%-100%) = -

Peak time = -

Max. overshoot = -


Ess = 0,013 %

• Set Point 10,5

Gambar 17 Set point 10,5.


Rise time (0%-100%) = -

Peak time = -

Max. overshoot = -


Ess = 0,0114 %

8

Tabel 1 Hasil uji closed-loop

Set

Po

int

PH

Delay

Time

(dtk.)

Rise

Time

(dtk.)

Peak

Time

(dtk.)

Max.

Over-

shoot

Settli

ng

time

(dtk.)

Ess.

(%)

4,5 0,055 1,25 1,25 0,0004 20 0,016

5 0,04 3 3,5 0,0005 3,5 0,025

6 0,0212 0,0347 0,041 0,081 0,784 4,8

7 - - 0,0103 0,4761 0,15 -

8 0,00801 0,0209 0,0309 0,1535 0,8 4

9 0,274 0,201 0,2367 0,0332 4,5 0,0589

10 0,0883 - - - 3 0,013

10,5 0,1169 - - - 6 0,0114

Dari tabel 1 dapat dilihat bahwa hasil tunning

keanggotaan fuzzy pada gambar 4.17 menghasilkan error

steady state terbesar pada nilai pH mendekati nilai 7. Hal

ini dikarenakan kurva reaksi pH yang semakin curam

ketika mendekati nilai pH 7. Sedangkan nilai error steady

state pada pH 7 tidak diketahui karena antara set point

dengan titik awal pergerakan respon adalah sama, yaitu di

titik pH7.

Nilai settling time pada tabel 1tampah bahwa pada

nilai pH yang semakin menjahui nilai pH 7, nilai settling

time-nya akan semakin besar. Hal ini dikarenakan titik

awal nilai respon sistem yang berasal dari nilai pH 7.

Sehingga semakin jauh dari titik awal dimana nilai respon

muncul, maka akan dibutuhkan waktu settling time yang

lebih besar. Dengan alasan yang sama hal ini juga terjadi

pada nilai delay time, rise time, dan peak time.

Kemudian untuk menguji keandalan sistem pada

metode pengontrolan fuzzy logic adalah sebagai berikut:

a. Memasukkan nilai variasi time constant pada valve

untuk mengetahui pengaruh delay pada aktuator. Nilai

time constant ini dimulai dari 0,001; 1; 3; 5 detik

untuk set point pH 10.

b. Memasukkan disturbance.

c. Memberikan sinyal ramp.

d. Memberikan sinyal ramp dengan disturbance.

a. Variasi nilai time constant

Pada tracking set point dapat dilihat untuk pengaruh

time constant pada valve adalah sebagai berikut:

Gambar 18 Set point 10 dengan berbagai macam variasi

time constant valve.

Dari gambar 9 yang menggunakan ideal valve, dimana

time constant bernilai nol, kemudian dibandingkan dengan

gambar 18 yang berturut-turut menggunakan nilai time

constant dari 0,001; 1; 2; 3 dan 5 didapatkan dari gambar

grafik bahwa nilai time constant ini mempengaruhi secara

signifikan pada nilai rise time dari sistem. Semakin tinggi

nilai time constant dari valve, maka nilai rise time-nya

semakin lama.

b. Memasukkan disturbance

Kemudian dilakukan uji simulasi dengan memasukkan

disturbance pada sistem. Untuk uji disturbance ini, skema

sistem yang semula digambarkan pada gambar 3.2, diubah

menjadi seperti pada gambar 4.40 berikut:

Gambar 19 Penambahan disturbance pada plan titrasi.

Kemudian diasumsikan disturbance dengan nilai pH

yang tidak diketahui ini nantinya akan tercampur dan

bereaksi secara sempurna dengan asam kuat HCl sebelum

memasuki tangki CSTR. Jika nilai maksimum pH 14 dan

minimum pH adalah 0, maka dapat diketahui nilai

konsentrasi H+ dari disturbance yaitu antara 1 hingga 10

-14

Molar. Kemudian jika nilai konsentrasi disturbance 1

Molar dan HCl 1 Molar maka hasil pencampuran

sempurnanya adalah pH 0. Sedangkan jika nilai

konsentrasi disturbance 10-14

Molar dan HCl 1 Molar,

maka dapat diketahui dengan mudah bahwa nilai pH

pencampurannya adalah pH 7.

Dengan demikian diketahui bahwa nilai flow feed

akibat dari adanya disturbance adalah berada pada kisaran

nilai antara pH 0 (konsentrasi 1 Molar) hingga 7

9

(konsentrasi 10-7

Molar), yang mana berarti pH selalu

bersifat antara asam dan netral.

Gambar 20 Feed disturbance pada kisaran pH 0 s/d 7

(konsentraasi 10-7

Molar hingga 1 Molar) dengan set point

sistem pH 7.

Dari gambar grafik 4.41 diketahui bahwa sistem

mencapai set point pH 7 dengan selisih nilai pH berkisar

pada rata-rata 0,16 terhadap nilai set point.

c. Memberikan sinyal ramp

Uji berikutnya adalah dengan memberikan nilai

inputan berupa sinyal ramp. Sinyal ramp ini diberikan

pada nilai antara 4.5 hingga pada nilai 10.5, berdasarkan

pada gambar 4.3 untuk volume CSTR 10.000 liter, yang

menggambarkan nilai respon minimum dan maksimum

untuk volume CSTR 10.000 liter. Kemudian didapatkan

hasil seperti digambarkan pada grafik gambar 4.42 sebagai

berikut:

Gambar 21 Dari atas ke bawah berturut-turut adalah nilai

pH terhadap set point, error sinyal feedback, nilai flow

feed dan flow control.

Dari gambar 21 dapat diketahui bahwa sistem dapat

merespon sinyal input berupa sinyal ramp. Sinyal ini

adalah penggambaran apabila nilai set point dilakukan

perubahan secara perlahan-lahan dari nilai set point awal

ke nilai set point yang baru.

d. Memberikan sinyal ramp dengan disturbance

Pada simulasi ini bertujuan untuk mengetahui apabila

sistem diberikan disturbance dan kemudian diberikan

sinyal input berupa sinyal uji ramp. Hasil dari simulasi ini

digambarkan pada grafik gambar 22 sebagai berikut:

Gambar 22 Dari atas ke bawah berturut-turut adalah nilai

pH terhadap set point, disturbance, nilai flow feed dan flow

control.

Dari gambar 22 dapat diketahui bahwa meskipun

diberikan disturbance, sitem masih bisa untuk merespon

inputan berupa sinyal uji ramp.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Setelah melakukan serangkaian kegiatan yang

meliputi metodologi, pengujian, analisa, dan pembahasan

maka didapatkan beberapa kesimpulan dalam Tugas akhir

ini, diantaranya yaitu :

1. Telah berhasil dilakukan pemodelan, perancangan,

dan simulasi sistem pengendalian pH dengan

menggunakan kontrol fuzzy yang mampu mengatasi

karakteristik pH yang nonlinear.

2. Pada uji open-loop didapatkan perbandingan flow feed

harus lebih kecil dibandingkan dengan flow control

(dalam penelitian tugas akhir ini digunakan

perbandingan 0,5 l/s : 1 l/s ). Untuk volume CSTR

digunakan 10.000 liter dan karakteristik valve adalah

quick opening.

Saran

Saran yang dapat diberikan dalam penelitian Tugas

Akhir ini adalah :

10

• Untuk penelitian atau pengembangan tugas akhir

selanjutnya, dapat dilakukan dengan menguji coba

kendali fuzzy pada tugas akhir ini dengan

menggunakan pencampuran asam lemah-basa kuat,

asam kuat-basa lemah atau asam lemah-basa lemah.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Hendra Cordova, Ali Masduki. Nonlinier pH

Control Based on Reaction Invariant and Self-

Tunning PID Controller. Jurusan Teknik Fisika-

ITS, Jurusan Tenik Lingkungan-ITS

[2]. Rosadi, Husni Y. Pemodelan Continuous

Stirred Tank Reactor. Program Pascasarjana-

IPB

[3]. Tore K. Gudtafsson, Kurt V. Waller. Dynamic

Modeling and Reaction Invariant Control of

pH. Process Control Laboratory, Department of

Chemical Engineering, Abo Akademi

[4]. Purnomo, Sofyan Hadi. Perancangan Sistem

Pengendalian pH Menggunakan Multimode

PID Controller pada Unit Saturator di PT.

Petrokimia Gresik. Jurusan Teknik Fisika-ITS,

Jurusan Tenik Lingkungan-ITS

[5]. Gunterus, Frans. Falsafah Dasar Sistem

Pengendalian Proses. Elex Media Komputindo,

1994

[6]. Headly, Michael C. Guidlines for Selecting the

Proper Valve Characteristic. Valve Magazine

vol. 15, no. 2,, 2003

Syaifu Rizal lahir di Bojonegoro,

26 Nopember 1984 yang bertempat

tinggal di Ds. Kebonagung no. 276,

Kec. Padangan, Kab. Bojonegoro,

Surabaya, Jawa Timur. Riwayat

pendidikan SDN Padangan 2 lulus

tahun 1997, SLTP Negri 1 Padangan

lulus 2000, SMUN 1 Bojonegoro

lulus 2003. Bidang yang ditekuni

adalah Instrumentasi kontrol dan

sistem metering. Masuk pada tahun

2004 menjadi mahasiswa S-1 di

Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS hingga sekarang.

E-mail :

[email protected]

Hendra Cordova ST. MT lahir di

Jember, 30 Mei 1969 yang bertempat

tinggal di Perumahan ITS Jl. Teknik

Sipil N –13 Sukolilo, Surabaya Jawa

Timur. Riwayat pendidikan S1 Teknik

Fisika lulus tahun 1993 dan S2

Instrumentasi dan Kontrol ITB Tahun

1999. Bidang yang ditekuni adalah

Instrumentasi Kontrol khususnya pada kontrol pH,

Hydroponic Control, Safety, Metering, ruang bakar

(model, kendali dan safety) menggunakan sistem kendali

PID maupun Advanced Control (Fuzzy atau Neural

Network). Sampai sekarang menjadi Dosen tetap di

Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS

E-mail :

[email protected]

perancangan sistem kontrol ph berbasis sintesa …

Documents