Tuning Parameter Proporsional Integral dengan Fuzzy Logic untuk Pengaturan Suhu Air pada Plant Heat Exchanger

Transkripsi

1 Available online at RANSMISI Website htt://ejournal.undi.ac.id/index.h/transmisi RANSMISI, (3),, -6 uning Parameter Proorsional Integral dengan Fuzzy Logic untuk Pengaturan Suhu Air ada Plant Heat Exchanger Prestian Rindho S., Budi Setiyono, Iwan Setiawan. Mahasiswa Jurusan eknik Elektro Fakultas eknik Universitas Dionegoro Semarang. Dosen Jurusan eknik Elektro Fakultas eknik Universitas Dionegoro Semarang Abstract Metode kontrol Proorsional-Integral (PI) meruakan sebuah metode kontrol yang banyak diterakan di bidang industri samai saat ini. ontroler ini memiliki arameter-arameter engontrol, yaitu konstanta roorsional () dan konstanta integral (i). Pada metode PI konvensional, kedua arameter tersebut diturunkan dari erhitungan matematis. esulitan enalaan arameter-arameter tersebut akan ditemui bila lant yang dikendalikan adalah sistem dengan orde tinggi. Maka dari itu, dierlukan suatu metode enala PI yang lebih baik dan daat diterakan dalam sistem orde tinggi. Metode enalaan PI dengan logika fuzzy daat dilakukan secara otomatis tana melakukan emodelan sistem. Pada metode ini nilai dan i ditentukan berdasarkan sejumlah aturan-aturan yang ditetakan oleh Logika fuzzy. Inut fuzzy berua error dan delta error. Plant engendalian suhu cairan ada Heat Exchanger menggunakan mikrokontroler Amega8535 sebagai kontroler dan heater sebagai aktuator. Pada engujian didaatkan hasil enalaan arameter PI dengan logika fuzzy mamu menghasilkan tanggaan keluaran dengan rise time yang ceat, selisih tunak yang kecil, overshoot yang kecil, dan ketika sistem diberi gangguan, tanggaan keluaran akan teta terjaga dalam kestabilan. eyword : PI (Proorsional-Integral), metode Penalaan PI dengan logika fuzzy, Mikrokontroler Amega 8535, Heat Exchanger I. PENDAHULUAN ebutuhan teknologi yang semakin maju, menuntut berkembangnya sistem kendali yang handal. Sistem kendali yang baik sangat dierlukan dalam meningkatkan efisiensi dalam roses roduksi. Sebagai contoh, otomatisasi dalam bidang industri yaitu roses emanasan cairan yang mengalir ada tangki Heat Exchanger. Salah satu jenis Heat Exchanger daat dilihat ada Gambar.. 3. emamuannya untuk bekerja ada tekanan dan temerature yang tinggi dan tidak membutuhkan temat yang luas. 4. Logika Fuzzy daat digunakan untuk menala arameterarameter kendali konvensional seerti kendali PI, logika Fuzzy menerakan suatu sistem kemamuan manusia untuk mengendalikan sesuatu, yaitu dalam bentuk aturan-aturan Jika Maka ( If hen Rules), sehingga roses engendalian akan mengikuti endekatan secara linguistik. Pada enelitian ini dirancang suatu sistem engendalian suhu cairan ada Heat Exchanger dengan memanfaatkan mikrokontroler Amega 8535 sebagai kontroler, dan logika Fuzzy sebagai metode enala konstanta kendali PI dengan tujuan mendaatkan reson sistem yang baik yaitu rise time yang ceat dan overshoot yang minimal. Gambar Gambar roses ada Heat Exchanger. Heat Exchanger adalah eralatan yang digunakan untuk melakukan roses ertukaran kalor antara dua fluida, baik cair (anas atau dingin) mauun gas, dimana fluida ini memunyai temeratur yang berbeda antara sisi masukan dan sisi keluaran. Heat Exchanger banyak digunakan di berbagai industri tenaga atau industri yang lainnya dikarenakan memunyai beberaa keuntungan, antara lain:. onstruksi sederhana, kokoh dan aman.. Biaya yang digunakan relatif murah. II. DASAR EORI. endali PI (Proorsional-Integral) Untuk daat mengimlementasikan sistem kendali PI ada komuter, PI harus diubah ke dalam ersamaan diskrit. Gambar. adalah blok sistem aksi kontrol PI. SP - PV e is co Plant Gambar Blok Sistem Aksi ontrol Proorsional-Integral. Pengolahan arameter-arameter PI menjadi konstantakonstanta engendalian secara diskrit sesuai dengan enjelasan erhitungan berikut. Berdasarkan Persamaan Coyright, RANSMISI, ISSN 4 84

2 RANSMISI,, (3),, dan dengan menggunakan ransformasi Lalace, didaatkan ersamaan PI dalam kawasan s sebagai berikut. s) Es Es i s ses Es i s) s s s) ses Es...() i Persamaan diubah kembali ke kawasan waktu, sehingga menjadi : d t) det et...() dt dt i Persamaan diubah ke dalam bentuk diskrit, digunakan Persamaan backward difference, di mana : dco ( t) k ) dan dt d t) k ) k ) dt Sehingga Persamaan () menjadi: cok ek ek ek i cok ek ek ek ( ) ek e k... (3) co k co k i Persamaan 3 menunjukkan ersamaan engendali PI dalam bentuk diskrit. Dari Persamaan 3 daat diketahui bahwa engendali PI menggunakan konstanta-konstanta engendalian sebagai berikut : co ( cok ek 3ek...(4) dengan...(5) i 3...(6). Logika Fuzzy Fuzzy berarti samar, kabur atau tidak jelas. Fuzzy adalah istilah yang diakai oleh Lotfi A Zadeh ada bulan Juli 964 untuk menyatakan kelomok / himunan yang daat dibedakan dengan himunan lain berdasarkan derajat keanggotaan dengan batasan yang tidak begitu jelas (samar), tidak seerti himunan klasik yang membedakan keanggotaan himunan menjadi dua, himunan anggota atau bukan anggota. Gambar 3 menunjukkan struktur dasar engendalian Fuzzy. i Gambar 4 Proses Fuzzifikasi. Basis engetahuan berisi engetahuan sistem kendali sebagai edoman evaluasi keadaan sistem untuk mendaatkan keluaran kendali sesuai yang diinginkan erancang. Basis engetahuan terdiri dari basis data dan basis aturan Fuzzy.. Basis Data Basis data meruakan komonen untuk mendefinisikan himunan Fuzzy dari masukan dan keluaran.. Basis Aturan Fuzzy Basis Aturan Fuzzy meruakan kumulan ernyataan aturan IF HEN yang didasarkan keada engetahuan akar. Metode yang digunakan dalam enentuan basis aturan Fuzzy adalah menggunakan metode trial and error. Logika engambilan keutusan disusun dengan cara menuliskan aturan yang menghubungkan antara masukan dan keluaran sistem Fuzzy. Aturan ini dieksresikan dalam kalimat: jika <masukan> maka <keluaran>. Metode ini memunyai bentuk aturan seerti ersamaan 7 IF x is A and y is B then z = C (7) Defuzzifikasi daat didefinisikan sebagai roses engubahan besaran Fuzzy yang disajikan dalam bentuk himunan-himunan Fuzzy keluaran dengan fungsi keanggotaan untuk mendaatkan kembali bentuk tegasnya (cris). Gambar 5 menunjukkan roses engambilan keutusan metode sugeno. Gambar 5 Proses engambilan keutusan metode Sugeno. Fuzifikasi Basis Pengetahuan Logika Pengambilan eutusan Defuzifikasi Gambar 3 Struktur dasar engendali Fuzzy..3 Metode Fuzzy Multiterm Controllers Pada metode Fuzzy Multiterm Controllers, logika Fuzzy akan diergunakan untuk menala atau mengadatasi sebuah kontroler multiterm seerti kontroler PD, PI atau PID seerti yang terlihat ada Gambar 6. PI ontroller endali logika Fuzzy dilakukan dalam tiga taha, yaitu - fuzzifikasi, evaluasi aturan dan defuzzifikasi. omonen e PV Fuzzy unner Fuzifikasi berfungsi untuk memetakan masukan data tegas ke de dalam himunan Fuzzy menjadi nilai Fuzzy dari beberaa variabel linguistik masukan. Gambar 4 menunjukkan roses Gambar 6 ontroler PI yang diadatasi oleh fuzzy sebagai Fuzzifikasi tuning. Coyright, RANSMISI, ISSN 4-84 SP e co lant

3 RANSMISI,, (3),, 3 ontroler PI daat direresentasikan oleh salah satu dari dua bentuk berikut yaitu. Bentuk ontinyu : co ( t). e( t) i e( t) dt. Bentuk Diskrit :. e( is n i e( i) Dimana dan i masing-masing adalah konstanta Proorsional, dan konstanta Intergral, Nilai i = /i, sering dikenal sebagai konstanta waktu integral, e( = e(-e(k-), s adalah eriode samling dan n adalah jumlah samel data. Pendekatan dasar dalam mengadatasi kontroler multiterm (kontroler PI) dengan menggunakan logika Fuzzy adalah dengan merencanakan suervisory rules dari Fuzzy tersebut dengan aturan (rule) berikut ini : IF e( is Ai and e( is Bi, HEN is Ci and i is Di (8) Dimana, Ai, Bi, Ci, dan Di adalah variabel linguistik dari rule ke-i (i =,,, m) yang daat direresentasikan dengan fungsi keanggotaan tertentu..4 Model ontrol Proses emeratur ada Sistem Heat Exchanger Dalam mendaatkan model kontrol dari suatu roses temeratur fluida daat dilakukan dengan menerakan hukum kesetimbangan energi di sekitar daerah kerjanya, maka model matematis antara outut roses (deviasi temerature outut) terhada erubahan inut yang terjadi dalam roses tersebut daat dicari sebagai berikut.... (9) Dimana: V : volume tangki (konstan) dalam w : laju aliran fluida dalam keadaan steady dalam kg/menit ρ : densitas fluida (konstan) dalam kg/ c : alor jenis fluida (konstan) dalam J/(g. C) : erubahan temeratur fluida inut di sekitar nilai steady awalnya ( C) : erubahan temeratur fluida tangki di sekitar nilai steady awalnya ( C) : erubahan laju kalor masukan di sekitar nilai steady awalnya (J/menit) Model kontrol roses temeratur ada Heat Exchanger daat dilihat ada Gambar 7. oma Θ Θ θ in in in Fluida in d H H in in hin engaduk CO CO co Heat Exchanger Power amlifier Θ Θ θ Fluida out Gambar 7 Sistem ontrol Heat Exchanger Θ Θ θ PV CO C SP Dengan mensubstitusikan ersamaan (9) ada ersamaan () serta dengan sedikit enyederhanaan akan dieroleh ersamaan diferensial. Atau daat ditulis Dalam hal ini, konstanta waktu roses.... ()... ()... (3) Dan gain statis roses.... (4) Dengan mencari transformasi Lalace untuk kedua ruas ersamaan () diatas, akan dieroleh ersamaan berikut. (5) III. PERANCANGAN PERANGA ERAS 3. Perancangan Perangkat eras Blok rancangan erangkat keras sistem engaturan suhu cairan ada Penelitian ini daat dilihat ada Gambar 8. Gambar 8 Rancangan lant kendali suhu cairan. Penjelasan dari masing-masing blok sistem engendali suhu cairan sebagai berikut :. Sensor LM35 meruakan sensor yang akan mendeteksi kenaikan suhu ada tangki heat exchanger.. Sebuah water heater dengan daya watt dengan sumber tegangan AC sebagai aktuator. 3. Push Button sebagai masukan untuk mengatur set oint suhu cairan dan menjalankan roses engendalian. 4. LCD (Liquid Crystal Dislay) dan driver LCD berfungsi sebagai media tamilan. 5. Zero crossing detector adalah rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi gelombang sinus tegangan jala-jala AC V ketika melalui ersimangan titik nol. 6. Rangkaian engendali tegangan AC berfungsi untuk kendali tegangan beban dengan memberi waktu tunda emicuan triac. omonen utama engatur tegangan AC berua triac dan otoisolator MOC3. 7. Poma berfungsi menyalurkan cairan yang akan dianaskan ada lant heat exchanger. 8. Catu daya berfungsi sebagai sulai sistem keseluruhan. 9. Mikrokontroller AVR Amega 8535 yang berfungsi sebagai usat engendalian ada sistem engatur suhu cairan ini daat dirogram dengan menggunakan bahasa C embedded. Jika enguat daya yang digunakan bersifat linear, erubahan laju kalor masukan akan sebanding dengan besar erubahan sinyal control co (%):... () Coyright, RANSMISI, ISSN Program Fuzzy Sebagai uning endali PI. A. Fuzzifikasi ahaan awal roses Fuzzifikasi adalah menentukan arameter-arameter fungsi keanggotaan ada setia himunan Fuzzy masukan. Pada emrograman Fuzzifikasi ini

4 RANSMISI,, (3),, 4 digunakan arameter fungsi keanggotaan masukan berua error dan d_error. Fungsi keanggotaan daat dilihat ada Gambar 9 dan Gambar. Z P P PS PB Derajat eanggotaan (Membershi Function),5 S S B BS Derajat eanggotaan (Membershi Function) Fungsi eanggotaan eluaran Gambar Fungsi keanggotaan keluaran konstanta S S B BS Error Suhu ( C) Gambar 9 Fungsi keanggotaan error suhu. NB N Z P PB Derajat eanggotaan (Membershi Function), Derajat eanggotaan (Membershi Function) D_Error Suhu ( C) Gambar Fungsi keanggotaan d_error suhu. B. Evaluasi aturan Evaluasi aturan adalah roses mengevaluasi derajat keanggotaan tia-tia fungsi keanggotaan himunan Fuzzy masukan ke dalam basis aturan yang telah ditetakan. Basis aturan yang dibuat berdasarkan tingkah laku lant yang diinginkan. eluaran Fuzzy akan menentukan nilai konstanta PI. Dua uluh lima aturan yang digunakan terlihat ada abel dan abel. abel Basis Aturan tuning PI denganlogika Fuzzy untuk onstanta. D_Error Error NB N Z P PB Z S S S S S P S S S P S B B B S PS B BS BS BS B PB BS BS BS BS BS abel Basis Aturan tuning PI denganlogika Fuzzy untuk onstanta i. D_Error Error NB N Z P PB Z S S S S S P S S S P S B B B S PS B BS BS BS B PB BS BS BS BS BS Metode engambilan keutusan (inferensi) yang digunakan dalam emrograman ini adalah metode Max-Min. Setelah semua aturan fuzzy dieksekusi, dilakukan roses agregasi dengan mengambil nilai maksimal dari masingmasing fungsi keanggotaan variabel keluaran. C. Defuzzifikasi Defuzzifikasi, yaitu mengubah himunan Fuzzy keluaran menjadi keluaran tegas (cris). Pengubahan ini dierlukan karena konstanta kendali PI hanya mengenal nilai tegas sebagai variabel arameter.perancangan ini, menggunakan sebuah himunan Fuzzy keluaran dengan fungsi keanggotaannya berua singleton, seerti tamak ada Gambar dan Gambar. Fungsi eanggotaan eluaran Gambar Fungsi keanggotaan keluaran konstanta i. Nilai tegas (cris) keluaran dieroleh dari himunanhimunan Fuzzy keluaran dengan menggunakan metode ratarata terbobot. 3.3 Program endali PI. Pada enelitian ini digunakan kendali PI untuk mendaatkan tinggi muka cairan yang diinginkan. Nilai konstanta dan i dieroleh dari Sistem Fuzzy sebagai enala. Perhitungan dengan algoritma PI dimulai dengan menghitung error antara setoint level dengan level sebenarnya. Error digunakan sebagai masukan ada kendali PI. Diagram alir roses engontrolan dengan menggunakan algoritma kendali PI digital ditunjukkan dalam Gambar 3. Mulai Hitung nilai Error Error = Referensi Suhu sebenarnya Hitung Outut ontrol PI = c(k-) ((*s/i)e( - *e(k-) Aktifkan Sub rutin IN_EX Gambar 3 Diagram alir algoritma PI. IV. PENGUJIAN DAN ANALISA 4. Pengujian Sensor LM35 Pengujian sensor LM35 dilakukan dengan mengukur suhu ada lant terhada suhu setoint. Pembacaan sensor dibatasi ada suhu 3 C 6 C. abel 3 terlihat bahwa sensor LM35 memilikai error sebesar.-.3 C. Data hasil engukuran yang dilakukan adalah sebagai berikut. abel 3 Hasil erbandingan suhu embacaan termometer dengan embacaan sensor LM35. No Suhu terukur ( C) Sensor LM Coyright, RANSMISI, ISSN 4-84

5 gangguan gangguan RANSMISI,, (3),, 5 4. Pengujian Reson Sistem dengan PC. A. Pengujian dengan Nilai Referensi Naik Reson dengan nilai referensi naik daat dilihat ada Gambar 4. Gambar 7 anggaan sistem kendali suhu dengan gangguan sesaat dengan referensi 34 C. Gambar 4 Reson sistem dengan emberian referensi naik 34 C, 36 C. Gambar 4 adalah gambar reson kendali suhu dengan referensi naik 34 C dan 36 C. Saat referensi 34 C. Waktu tunda (t d ) 39 detik, waktu naik (t r ) 6 detik. Selama 46 detik sistem mengalami offset sebesar.8 C. Saat referensi 36 C. Waktu tunda (t d ) 57 detik, waktu naik (t r ) 9 detik. Selama 38 detik sestem mengalami offset sebesar.5 C. B. Reson sistem kendali suhu tana gangguan. Reson sistem suhu tana gangguan dengan referensi suhu yang berbeda yaitu 34 C dan 36 C. Reson sistem daat dilihat ada Gambar 5, Gambar 6. Gambar 5 anggaan sistem kendali suhu tana gangguan dengan referensi 34 C. Gambar 8 anggaan sistem kendali suhu dengan gangguan sesaat dengan referensi 36 C. Pada Gambar 7dengan referensi 34 C, gangguan diberikan dengan menutu aliran inlet ada waktu 95 detik selama 3 detik, kemudian mengembalikan valve ke osisi awalnya. Pada waktu detik suhu sistem naik samai suhu tertinggi yaitu 34,54 C. Waktu emulihan detik setelah terjadi lonjakan. Pada Gambar 8 dengan referensi 36 C, gangguan diberikan dengan menutu aliran inlet ada waktu 8 detik selama 3 detik, kemudian mengembalikan valve ke osisi awalnya. Pada waktu 85 detik suhu sistem berangsur-angsur naik samai suhu tertinggi 36,46 C. Waktu emulihan detik setelah terjadi lonjakan. Pengaruh gangguan kontinyu ada sistem kendali suhu dilakukan dengan cara memberikan tambahan aliran ada bagian inlet lant secara kontinyu. Pemberian tambahan aliran inlet dilakukan dengan cara membuka enuh bukaan valve. Hasil engujian reson sitem ditunjukkan ada Gambar 9 dan Gambar. gangguan Gambar 9 anggaan sistem kendali suhu dengan gangguan kontinyu dengan referensi 34 C. Gambar 6 anggaan sistem kendali suhu tana gangguan dengan referensi 36 C. gangguan Gambar 5 adalah grafik reson kendali suhu dengan referensi 34 C. Waktu tunda (t d ) yang dierlukan adalah 46 detik, waktu naik (t r ) 74 detik. Gambar 6 adalah grafik reson kendali suhu dengan referensi 36 C. Waktu tunda (t d ) yang dierlukan adalah 64 detik, waktu naik (t r ) detik. C. Reson sistem endali suhu terhada gangguan. Gangguan ada sistem kendali suhu dilakukan dengan engujian engaruh gangguan sesaat dan gangguan kontinyu. Reson gangguan sesaat ada sistem kendali suhu dilakukan dengan cara memberikan gangguan aliran dengan menutu enuh valve selama 3 detik, kemudian mengembalikan bukaan valve ke osisi awalnya. Hasil engujian reson sitem ditunjukkan ada Gambar 7 dan Gambar 8. Coyright, RANSMISI, ISSN 4-84 Gambar anggaan sistem kendali suhu dengan gangguan kontinyu dengan referensi 36 C. Pada Gambar 9 menunjukkan reson sistem kendali suhu dengan gangguan kontinyu ada referensi 34 C, gangguan diberikan dengan memberikan aliran inlet ada waktu 85 detik, selama 9 detik suhu sistem berangsurangsur turun samai suhu terendah yaitu 33,87 C kemudian naik kembali hingga kembali ke keadaan steady. Pada Gambar menunjukkan reson sistem suhu dengan gangguan kontinyu ada referensi 36 C, gangguan kontinyu diberikan dengan memberikan aliran inlet ada waktu 75 detik, selama detik suhu sistem mengalami offset tunak sebesar.88 C, kemudian ada detik sistem kembali ke keadaan steady.

6 V. PENUUP 5. esimulan. Pada engujian dengan nilai referensi naik, untuk suhu referensi 34 C. Waktu tunda (t d ) 39 detik, waktu naik (t r ) 6 detik. Sedangkan dengan referensi 36 C. Reson sistem stabil tidak terjadi kesalahan keadaan tunak, setelah detik ke 5 engujian dihentikan. Waktu tunda (t d ) 57 detik, waktu naik (t r ) 9 detik.. Pada engujian dengan nilai referensi teta, sistem mamu menghasilkan reson yang baik yaitu rise time yang ceat dan overshoot yang tidak terlalu besar, untuk referensi 34 C menghasilkan waktu tunda (t d ) 46 detik, waktu naik (t r ) 74 detik, untuk referensi 36 C menghasilkan waktu tunda (t d ) 64 detik, waktu naik (t r ) detik. 3. Pengujian gangguan sesaat, saat aliran berhenti selama 3 detik, kemudian aliran mengalir sesuai keadaan awalnya, untuk referensi 34 C terjadi offset keadaan tunak sebesar.54 C, dierlukan waktu detik untuk mencaai kestabilan. Sedangkan untuk referensi 36 C terjadi offset keadaan tunak sebesar.46 C, dierlukan waktu detik untuk mencaai kestabilan. 4. Pengujian gangguan kontinyu, saat diberikan erubahan debit ada sisi inlet, untuk suhu 34 C, selama 9 detik suhu sistem turun samai suhu terendah yaitu 33,87 C kemudian naik kembali hingga keadaan steady. Sedangkan untuk referensi 36 C, selama detik suhu sistem mengalami offset tunak sebesar.88 C, kemudian ada detik sistem kembali ke keadaan steady. 5. Saran. Daat dilakukan erancangan kembali enalaan konstanta PI dengan logika Fuzzy, dengan basis aturan mauun fungsi keanggotaan (masukan/keluaran) yang berbeda untuk memeroleh reson sistem yang lebih baik dan memuaskan.. Daat dilakukan engendalaian suhu heat exchanger dengan metode gain scheduling, adatif SR (Self uning Regulator), dan jaringan saraf tiruan. Daftar Pustaka () Bhakti, Dheka,.W., Skrisi : Pengendalian Suhu Secara Cascade Control Menggunakan Proorsional Integral Berbasis Mikrokontroller Atmega 8535, eknik Elektro, Universitas Dionegoro, Semarang. () Gunterus, Frans, Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses, P Elex Media omutindo, Jakarta, 997. (3) Heryanto, M. Ary dan Wisnu Adi P, Pemrograman Bahasa C Untuk Mikrokontroler A MEGA 8535, Penerbit Andi, Yogyakarta, 8. (4) urniawan, David, Skrisi : ontrol Mobile Robot Penjejak Objek Bergerak Berbasis Logika Fuzzy, eknik Elektro, Universitas Dionegoro, Semarang. (5) usumadewi, Sri, Artificial Intelegence eknik dan Alikasinya. Jogjakarta: Graha Ilmu. 3. (6) Setiawan, Iwan., ontrol PID untuk Proses Industri, P. Elex Media omutindo, Jakarta,8. (7) igor, Eduward, Skrisi : uning Parameter Proorsional Integral dengan FL (Fuzzy Logic) untuk Pengaturan Level Air Berbasis MikrokontrolerAtmega 8535, eknik Elektro, Universitas Dionegoro, Semarang. RANSMISI,, (3),, 6 Coyright, RANSMISI, ISSN 4-84