Cascade Loop Control

Cascade bukan hanya dapat ditemukan ketika memainkan function blok dalam pendefinisian loop control, tapi secara matematika pun cascade dapat dibuktikan fungsinya untuk meredam ketidakstabilan sebuah controlled variable yang berupa persamaan differensial orde satu dengan PID ditambah gangguan berupa fungsi matematika juga. Dalam aplikasi sistem kontrol, asalkan gangguan yang hendak diredam itu diketahui dan bisa dijadikan input bagi sistem kontrol maka cascade dapat diaplikasikan untuk meredam efek gangguan tersebut. Semua konsep kontrol pada dasarnya berasal dari analisis matematika, akan tetapi sebagaimana biasa lebih baik bagi praktisi untuk membahasnya dengan untaian kata.
Cascade loop control digolongkan sebagai Advanced Regulatory Control bersama feedforward control, ratio control, dan override control. Cascade dan feedforward mempunyai fungsi yang sama yaitu untuk meredam gangguan dari sebuah existing feedback loop control yang sulit mencapai kestabilan akibat gangguan pada process, bukan ketidakstabilan karena salah memperlakukan PID.
“Often in process control, one controller adjusts the setpoint of another. In analog control the primary controller computes the setpoint correction for the secondary controller in essentially the same manner as if the resulting correction were being made to a final element. This is called cascade control”. Bela G Liptak, Process Control.
Kasus yang ingin kita pelajari adalah proses pertukaran kalor pada heat exchanger di bawah. Fluida warna merah adalah fluida yang panas sedangkan fluida warna biru adalah fluida dingin yang hendak dipanaskan. Fluida merah mengalir masuk ke dalam heat exchanger kemudian keluar, fluida biru yang dingin begitu memasuki heat exchanger akan menyerap kalor yang berasal dari fluida merah. Ketika flowrate fluida merah (panas) kecil maka pertukaran kalor ke fluida biru (dingin) juga kecil. Ketika flowrate fluida merah (panas) besar maka pertukaran kalor ke fluida biru (dingin) akan maksimal. Flowrate fluida merah harus dapat diatur besar kecilnya untuk mendapatkan temperature yang diinginkan pada fluida biru.


Logika kontrol yang paling sederhana diterapkan pada controller (TIC) dengan memasang kontrol valve (TCV) fail-close pada inlet line fluida merah. Temperature yang hendak dikontrol dipasang temperatur transmitter (TT). Control loop yang digunakan adalah mode yang paling dasar yaitu feedback loop control. Kontroler diset sebagai reverse control action karena ketika temperature TT turun maka TCV harus memperlebar opening supaya temperature TT kembali naik. Begitu sebaliknya ketika temperature TT naik terlalu tinggi maka TCV harus memperkecil opening supaya flow fluida merah menjadi kecil dan process pertukaran kalor kecil pula. Sejauh ini feedback loop control yang kita punya berjalan smooth dan lancar. Misalkan ketika TIC mengeluarkan output controller = 50% (no bias) maka control valve akan membuka sebesar 50%. Ketika control valvenya linear maka opening kontrol valve akan linear dengan flowrate. Perubahan linear flowrate apakah menyebabkan perubahan temperature yang linear? Ini tugas mahasiswa untuk pertama menemukan fungsi transfer (fungsi alih) dari flow terhadap temperature, kemudian anda analisis memakai transformasi Laplace jadikan menjadi domain S, cari orde-nya, dll hue..hue.. (Ini untuk mereka yang bilang dikerjaan tidak ada fungsi transfer, Laplace dll. Setiap kontrol valve dan transmitter selalu ada hubungan proses. Tapi kalau dulu waktu kuliah tidak ngerti, makanya nyeselnya sekarang sebagaimana saya juga).
Kasus mulai timbul ketika flowrate fluida merah menjadi berubah-ubah bukan hanya karena diatur oleh control valve TCV tetapi sudah berubah-ubah jauh dari sumbernya di upstream. Sehingga flow yang berubah-ubah ini akan ikut juga mempengaruhi perubahan temperature TT. Aksi dari kontrol feedback akan diberikan kepada control valve ketika flow yang berubah-ubah itu sudah menyebabkan temperature yang berubah, terlambat sudah. Jadi kontrol valve berubah-ubah openingnya ketika dilewati flowrate fluida merah yang juga berubah-ubah. Opening berubah-ubah untuk mengatur flow yang berubah-ubah akan menyebabkan flowrate yang tidak terkontrol. Apabila diibaratkan reaksi berubahnya control valve sinusoidal terhadap waktu, begitu pula perubahan flowrate sinusiodal terhadap waktu maka apabila pada t tertentu fasanya sama maka unstabilitas flowrate semakin menjadi-jadi. FLOWRATE yang berubah-ubah adalah GANGGUAN yang tidak terkendali. Ibarat bahaya laten komunis yang gagal diantisipasi secara represif oleh anggota tentara.
Antisipasi persuasif perlu diterapkan untuk meredam gangguan flow yang berubah-ubah sebelum menimbulkan temperature yang berubah-ubah. Pengawas dan pengontrol perlu ditempatkan untuk mengawasi dan mengontrol gangguan flow. Ketika loop pengawas dan pengontrol ini digabungkan ke feedback kontrol maka aplikasi ini disebut sebagai CASCADE LOOP CONTROL.


Flow transmitter perlu dipasang sebagai pengawas pada flow line fluida merah yang suka berubah-ubah. FIC perlu digunakan sebagai pengontrol dengan reverse control action. Loop baru ini disebut sebagai SLAVE atau SECONDARY LOOP. Loop feedback yang semula sudah existing akan digunakan sebagai MASTER atau PRIMARY LOOP. FIC disebut sebagai secondary controller dan TIC disebut sebagai primary controller. Output dari TIC adalah Set-Point bagi FIC.
Fungsi dari slave atau secondary loop adalah untuk sejak awal meredam flowrate yang berubah-ubah sesuai dengan Set-Point yang diinginkan oleh master atau primary loop. Sehingga efek dari flowrate yang berubah-ubah sebelom sempat mempengaruhi perubahan temperature TT harus sudah dapat terkontrol oleh FIC. FIC akan memegang peranan untuk mengatur opening TCV sesuai dengan informasi input dari FIT dengan tujuan pengontrolan untuk membawa flowrate sesuai dengan Set-Point keluaran dari TIC. Keluaran dari TIC sebenarnya adalah opening yang diinginkan untuk TCV. Akan tetapi ketika diterima oleh FIC maka set-point itu menjadi informasi flow yang diinginkan bukan informasi opening valve. Akan tetapi seperti statement di paragraph di atas bahwa opening kontrol valve akan linear dengan flowrate. Sehingga informasi percentage keluaran TIC baik diterima sebagai opening valve (sebagaimana feedback loop) ataupun sebagai percentage flowarate (sebagaimana cascade) akan menghasilkan action control yang sama untuk membawa TT menuju set-point yang diinginkan. Masalahnya mana yang lebih bagus dan berhasil? tentu adalah cascade yang tahan terhadap gangguan.
Tujuan utama dari cascade adalah untuk mengontrol TT. Untuk mencapai pengontrolan TT yang stabil maka FT harus juga dikontrol dengan menggunakan valve yang sama.