IMPLEMENTASI KONTROLER PID PADA SIMULATOR KONTROL ALIRAN

Transkripsi

1 E- E-5 E-6 V- I- E-4 E- P IMPLEMENTASI KONTROLER PID PADA SIMULATOR KONTROL ALIRAN Asriyadi Abstrak : Penelitian ini bertujuan untuk mengimlementasikan kontroler PID ada sebuah simulator kontrol aliran yang tidak terkontrol menjadi sebuah sistem yang terkontrol. Proses kontrol aliran (flow Control) meruakan sebuah roses yang biasanya ada ada dunia industri. Adaun tahaan enelitian dilakukan dengan lima tahaan yang ertama adalah dengan mengidentifikasi sistem, memodelkan sistem, menganalisa model sistem, merancang sebuah kontroler PID dan mengimlementasikan kontroler tersebut ke sistem agar sistem menjadi sebuah sistem yang terkontrol. Untuk mengidentifikasi sistem dan imlementasi PID kontroler dilakukan dengan menggunakan HAN PID Software, sedangkan untuk memodelkan, menganalisa model dan merancang kontroler digunakan software Matlab 0a. Hasil enelitian menunjukkan bahwa PID kontroler yang dirancang memberikan hasil yang bagus ada aramer untuk K =.5, i =0,5 and d =0.068 baik dari sisi simulasi software matlab dan imlementasinya ada sistem. Kata Kunci : Kontroler PID, flow Control,Matlab 0a, HAN PID Software PENDAHULUAN Sistem yang digunakan ada enelitian ini adalah sebuah mini lant roces "Fluid Level controller system". Akan tetai, tujuan utama ada enelitian ini adalah untuk menginvestigasi dan mengontrol flow loo dari sistem. Perancangan kontroler PID menggunakan metode root locus yang dilakukan dengan mengistimasi sistem tersebut dan kemudian melakukan tune ada kontroler ada saat roses berlangsung ada sistem. Gambar berikut memerlihatkan area sistem yang akan dikontrol ada sistem tersebut. Part To Control FIC Flow Indicator FI PID Controller Perancangan kontroler yang digunakan disini adalah sebuah metode konvensional P-, I- and D- actions. Gambar memerlihatkan bentuk desain sistem kontroler PID. Gambar. PID controller loo. Berikut ersamaan transfer function dari kontroler PID: TANK Pum VALVE TANK H PID is d s K () is d s a Gambar. Flow Control Loo Asriyadi adalah dosen Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Ujung Pandang, Jl. Perintis Kemerdekaan Km.0, Tamalanrea Makassar

2 46 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Dimana: a = tamed factor (=0) K = Proortional action i = Integral action = Derivative action d Berdasarkan ersamaan, Kontroler PID akan dirancang dengan menggunakan root locus tool. Untuk menyederhanakan ersamaannya maka ersamaan di konversi ke reresentasi ole-zero: H PID K s s i d a s a s d () METODE PENELITIAN Untuk menyelesaikan masalah tersebut, dilakukan dalam lima tahaan. Pertama, mengidentifikasi sistem, memodelkan sistem, menganalisis model sistem, merancang kontroler aan d menerakan PID kontroler ke sistem. Dalam kegiatan ini kami menggunakan erangkat lunak yaitu Program HAN PID. Perangkat lunak ini memungkinkan untuk mengontrol roses dari komuter secara manual atau otomatis untuk engukuran, steering signals dan akhirnya imlementasi kontroler PID. Software Matlab digunakan untuk emodelan, analisis dan desain. Secara umum, rosedur sistem kontrol daat dilihat ada gambar berikut. Gambar 3. Procedure Sistem Kontrol. Pertama, Mengindentifikasi sistem atau roses untuk mendaatkan model dari sistem. Tahaan ini disebut dengan Modeling. Ada banyak metode yang bisa digunakan dalam emodelan sebuah roses, akan tetai ada enelitian ini akan dilakukan beberaa metode atau rosedur dalam roses emodelan yaitu steady state model, ste resonse, bode diagram, and noise measurements. Kedua, Melakukan erancangan kontroler dimana berdasarkan model yang dieroleh PID kontroler akan didesain dan akan disimulasikan dengan menggunakan Software MATLAB 0a. Adaun resonse dari sistem kontrol akan dianalisa untuk mendaatkan tujuan dari karakteristik sistem yang diinginkan. Kemudian mengimlementasikan kontoler ke sistem dengan HAN PID software.

3 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 47 Kebutuhan Sesifikasi Sistem:. Stable. Robust : Phase Margin o ( PM ) 45 C and Gain Margin ( GM) 6dB 3. Steady state error : zero 4. Overshoot : less than 4.3% 5. Settling time for 0% : as fast as ossible. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bagian ini, akan dijelaskan hasil dari lima tahaan atau rosedur yang digunakan untuk menyelesaikan ermasalahan ada enelitian ini.. Steady state model Tujuan utama dari langkah ini adalah untuk mendaatkan oint of oeration yang valid dan the steady state gain K DC. Pada tahaan ini, dilakukan engukuran steady state (static) relation antara inut (Vin) and outut (Vout) dengan range dari 0 to 0 Volts ada tia ste volt. Tabel memerlihatkan data hasil engukuran. Table. Pengukuran Steady State Identifikasi and Pemodelan Sistem. Dinamika sebuah sistem daat dieroleh ada emodelan roses, dalam hal ini, sistem daat dianalisa dan dimodelkan dengan karakateristik yang sama. Dalam hal ini digunakan Linear Time Invariant models (LTI- models), hasil dari emodelan hanya ada deviasi linear control range. Oleh karena itu, oint of oeration seharusnya ada ada area tersebut. Agar daat memaksimalkan kontrol ada sistem tersebut, maka untuk oint of oeration diilih titik tengah ada area tersebut. Pada dasarnya, model dari sistem seharusnya berkorensondesi dengan roses sebenarnya. Oleh karena tu, ada aktivitas emodelan, enting untuk didefenisikan roses dinamik dari sebuah sistem yang meruakan karesteristik utama dari sistem. Ketika karesteristik dinamik dari sebuah rose didaatkan, model kemudian akan divalidasi untuk membuktikan keakurasiannnya. Gambar 4. Hubungan Steady state (static) antara Vin and Vout Dari hasil engukuran, daat dilihat bahwa reson dari sistem adalah sangat linear dari 4 samai 0 dan oleh karena itu digunakan range antara 4-0 V. Untuk 0 V, sistem tersaturasi dan tidak daat lagi menyediakan sinyal yang lebih besar.

4 48 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Linear control range Dari Gambar 4, dieroleh linear oeration antara 4 V dan 0 V dari nilai inut dimana garis hijau mengindikasikan linear range yang berkoresondensi dengan garis biru yang meruakan reson sistem, dimana Vin: 4 volt samai 0 volt yang berkoresondensi dengan Vout: 0 samai 5.79 Volt. Positive Ste Test. Ste inut dari 7 to 8.4 Volt diberikan ada sistem dan hasil reson dieroleh. Berdasarkan ste tes data daat direresentasikan dalam bentuk grafik dan mendaatkan karakteristik dari reson dan digunakan untuk memodelkan transfer function dari sistem.. Point of oeration Berdasarkan linear area oeration, kemudian diilih bahwa the oint of oeration adalah 7 volt dimana meruakan titik tengah dari linear range untuk mendaatkan area terbesar dari oint of oeration. Steady state gain Kdc Berdasarkan gambar 4, daat juga dieroleh steady state gain K DC of dari the rocess yang daat dieroleh dengan ersamaan berikut: K DC = (3) K DC = = K[dB]=0 0 log(k DC ) = db Ste Resonse Untuk melihat reson sistem berdasarkan ste resonse maka dilakukan simulasi untuk ositive dan negative ste resonse, Lihat gambar 5 dan gambar 6. Gambar 5. Estimasi model dari ositive ste resonse Berdasarkan karakteristik fisik dan reson dari ste tes lihat gambar 4 dan membandingkan dengan grafik dari Manual Lab Control, daat dierkirakan model sistem adalah second order system. Hal ini juga bersesuaian dengan kebutuhan dimana second order daat diestimasi dengan baik ada 0. < <0.0 dimana adalah dominant time constant dan second order transfer function bukan

5 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 49 meruakan under critical damed. Oleh karena itu, 3s s.35 K DC Transfer function dieroleh, and static gain K DC dimana meruakan bentuk second order system. Oleh karena itu transfer function H (s) dari model adalah: H.35 ( 3 s)( s) (4) Negative Ste Test. Untuk mendaatkan hasil yang lebih meyakinkan dari reson ste tes, ada enelitian ini juga negative ste test inut. The negative ste dari 7 ke 5.6 Volt diinutkan ke sistem dan hasil reson dikumulkan. Berdasarkan negative ste test, dieroleh karakteristik sistem: Sama seerti ada ste ositive, kami berkesimulan bahwa sitem adalah sistem orde dua, hal ini daat dilihat ada grafik yang dierlihatkan ada gambar 6, kemudian dimodelkan dengan endekatan sistem orde dua. Ini juga bersesuain bahwa sistem orde dua daat diestimasi dengan teat jika 0. < <0.0 dimana adalah dominant time constant and transfer function orde dua adalah tidak undercriticaldamed. Oleh karena itu, 3s s K DC. 35 Transfer function dieroleh dari from, and static gain K DC yang membentuk second order system transfer function Oleh karena itu, transfer function model adalah H (s) : H.35 ( 3 s)( s) (5) Berdasrkan hasil fungsi transfer dari keduanya baik ste ositive and ste negative memberikan hasil yang serua yaitu model transfer function dari (s) adalah: H H.35 ( 3 s)( s) (6) Untuk menvalidasi model sistem,to validated the model, hasil resonse dari ste tes dibandingkan denganhasil engukuran. Hasil Gambar 6. Estimasi Model negative ste resonse

6 Amlitude 50 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 reson dierlihatkan ada gambar 7 Ste Resonse 9 Exeriment data 8.5 Model samai Hz. Setia hasil engukuran frekuensi kemudian digrafikkan System: Model Settling Time (sec): Gambar 7. Validasi Model Dari hasil erbandingan, daat dilihat bahwa hasil simulasi model memerlihatkan hasil yang serua dengan hasil data engukuran. Bode Diagram Time (sec) Bode lot menggambarkan reson sebuah roses dengan inut frequency. Semakin tinggi frekuensi semain kecil reson dari sistem. Ketergantungan ini tidaklah linear oleh karena itu erlu diketahui break frequencies untuk menentukan karaktersitik yang asti dari sistem. Sinusoidal test dilakukan dengan menggunakan magnitude sebesar V dari oint of oeration,7 V. Dalam kasus ini, semua amlitudo diset V, oleh karena itu akan teta ada linear range untuk semua frekuensi, dan frekuensi yang digunakan divariasikan dari 0.0 Hz Gambar 8 Pengukran data dari ssistem dengan frekuensi 0.5 Khz. Untuk memudahkan engidentifikasian, hasil reson kemudian diatur atau digeser ada axix yang sama.menjadi seerti ada gambar 9: Gambar 9. Perbedaan antara sinyal inut dan outut.

7 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 5 Hasil dari sinusoidal test identification kemudian ditabulasikan kedalam tabel. Dan untuk semua grafik, dihitung gain dan hasenya. Table Hasil Pengukuran ada ercobaan Bode Diagram Gambar 0. Magnitude and Phase lots of the rocess Magnitude lot (logarithmic deendency) digunakan untuk mendaatkan model dari sistem. Dari hasil magnitude resonse, daat dierkirakan bahwa sistem adalah sistem orde dua dengan. 5, 6. Dan K DC = oleh karena itu, tranfer function adalah: H s s 0.4 s (7) s.5 6 Untuk mendaatkan fungsi transfer dari sistem, diidentifikasikan berdasarkan bodelot: Untuk melihat reson dari model, maka model tersebut disimulasikan dan hasil resonnya daat dilihat ada gambar berikut.

8 Vout - [Volts] 5 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Dengan menggunakan By using Outut error identification system, maka fungsi transfer daat dieroleh seerti terlihat ada ersamaan berikut: s H (8) s 0.3s Dan reson ste yang dierlihatkan ada gambar 3 daat diobservasi Gambar. Reson dari model Noise Measurements Dari hasil engukuran noise measurement, data daat direresentasikan ada gambar berikut: System: G Peak amlitude: Overshoot (%):.49 At time (sec): 35.9 System: G Settling Time (sec): 5.6 Ste Resonse Time - [x 0.005] (sec) Gambar 3. Ste resonse Gambar. Noise Measurement data Perancangan Kontroler Langkah selanjutnya adalah mendesain kontroler yang cocok. Kontroler didesain berdasarkan fungsi transfer dari sistem sebagaimana langkah-langkah yang dilakukan sebelumnya. Adaun kebutuhan sesifikasi dari sistem adalah:

9 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 53. Stable. Robust : Phase Margin o ( PM ) 45 C and Gain Margin ( GM) 6dB 3. Steady state error : zero 4. Overshoot : less than 4.3% 5. Settling time for 0% : as fast as ossible. Analisa Model Sistem Berdasrkan hasil emodelan diatas, ada tiga fungsi transfer yang dieroleh yaitu fungsi transfer ste test(ositive and negative), bode measurement and noise measurement. Dan semuanya adalah Sistem orde dua. Dengan membandingkn ketiga fungsi transfer antara model dan hasil engukuran dan melihat kareakteristik dari ste resonnya, maka diutuskan untuk menggunakan Fungsi transfer dari Bode measurement test untuk mendesain kontroler. Sebagai contoh, hal ini daat dilihat ada settling time of ste of bode measurement adalah lebih kecil dibandingkan dengan yang lainnya. Lihat gambar 6,7,3 dimana ini menunjukkan bahwa resonnya lebih ceat dibandingkan dengan yang lainnya.dan dari hasil ste resonse juga tidak terdaat overshoot dibandingkan dengan yang ada ada noise measurement. Alasan lainnya adalah bahwa ada bode measurement melibatkan cuku banyak sinyal dinamik baik untuk inut mauun outut. Oleh karena itu, digunakan ersamaan fungsi transfer dari bode measurement berikut untuk didesain PID controller. H ( s / )( s / 6) (9) atau 0.7 H (0) ( s )( s 6) Performances of uncomensated system Sebelum melakukan erancangan kontroler, Performans dari the uncomensated system dievaluasi terlebih dahulu kemudian barulah ditentukan kontroler yang cocok. Pada bagian ini, kami menginvestigasi erformans dari the uncontrolled system yang bekerja ada area 3 % overshoot (daming ratio= 0.745) dengan menggunakan root locus tool. Hasil lengka dari erformance of the uncomensated system dierlihatkan ada tabel 3. Tabel 3.The uncomensated system erformances

10 54 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Perancangan PD Kontroler Dari erforma yang dierlihatkan oleh uncomensated system, settling timenya adalah.08 second. Adaun settling time yang diinginkan adalah 0% lebih ceat. Dalam hal ini diilih settling time =0.36. berdasarkan overshoot % OS 3 dan garis di sisotool dieroleh nilai daming ratio Berdasarkan nila ini, dat dihitung dominant oles yang diinginkan. Dengan menggunakan faktor tamed a 0, maka dieroleh nilai c d Dan fungsi transfer dari Kontroler PD adalah: ( s zc ) ( s 4.79) GPD a 0 ( s ) ( s 47.99) c 4 n T Berikut dieroleh: s dominant oles yang Fungsi transfer dari kontroler PD kemudian ditematkan original root locus the uncomensated system, oleh karena itu fungsi transfernya menjasi sebagai berikut:, n jn,. j9.946 Dengan menghitung the comensating zero's location. Dengan menggunakan rogram root locus, dieroleh jumlah sudut dari uncomensated system's oles ke desired comensated dominant ole yaitu sebesar o. Oleh karena itu kontribusi yang dibutuhkan dari komensator zero adalah o - 80 o = 69.7 o z c K.0.(0.7)( s 4.799) G () ( s )( s 6)( s 47.99) Performa dari sistem kontroler PD dat dilihat ada tabel 4 berikut: Tabel 4. Performa sistem kontroler PD Nilai tersebut kemudian disubsitusikan ke dalam fungsi transfer dari kontroler PID s s i d H PID K a () s a s d a z c and c d d

11 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 55 Perancangan PID Kontroler Setelah erancangan kontroler PD, kemudian PI kontroler didesain untuk mengurangi error steady state menjadi nol untuk inut ste. Untuk enelitian ini, untuk zero ole ada osisi - untuk membuat reson transien tidak begitu besar berubah. Fungsi transfer dari dimasukkan ada root locus the uncomensated system and G PD comensated., oleh karena itu PID kontroler menjadi: Tabel 5 Performa PID-controlled system K.0.(0.7)( s 4.799)( s ) G( s) (3) ( s )( s 6)( s 47.99) s Reson akhir dari kontroler daat dilihat ada gambar 4 dan daat diambil kesimulan bahwa karakteristik dari sistem kontroler PID seerti tergambar ada tabel 5. Fungsi transfer dari Kontroler PID adalah sebagai berikut:.66.0( s )( s 4.799) G PID (4) s( s 47.99) Oleh karena itu dieroleh arameter PID sebagai berikut. Gambar 4. Reson dari Controlled System PID

12 56 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Imlementasi Setelah memeroleh arameter dari PID kontroler (arameter K, i and d ) kemudian arameter ini diimlementasikan ada sistem yang riil yaitu flow control lant. Kontroler dari hasil emodelan Imlementasi ertama Pada langkah ini, nilai dari arameter K =,66, i =0,5 dan d = yang dieroleh dari hasil sebelumnya diimlementasikan ke riilsistem dan sistem memberikan reson seerti yang terlihat ada gambar 5. Gambar 5. Hasil Imlemetasi ertama dari kontroler PID Berdasarkan gambar 5, daat dikatakan bahwa reson sistem menunjukkan hasil yang memuaskan dimana steady state mendekati nol atau boleh dikatakan nol, quick in settling time, akan tetai ada sedikit overshoot yang terjadi. Dalam kasus ini, diduga bahwa adanya overshoot karena data yang dieroleh dari hasil engukuran tidak selalu sama ada sat sistem diuji dan disaming itu adanya erbedaan antara simulasi dan roses riil. Ini berarti bahwa karakteristik dari sebuah sistem biasanya berubah karena adanya engaruh lingkungan. Sebagai contoh bahwa keakurasian dari sebuah sistem berkurang oleh waktu. Oleh karena itu untuk mengurangi overshoot ada reson sistem, maka K gain roortional dikurangi dan teta menjaga nilai dari i and d. Ini berarti bahwa tidak ada erubahan ada root locus design, tetai hanya untuk mendaatkan nilai K gain yang cocok.. Imlementasi Kedua Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa untuk mengurangi overshoot maka gain roortional K dikurangi dan teta menjaga nilai i and d. Setelah melakukan tuning ada nilai K, dieroleh nilai arameter yang cocok yaitu K =.5, dan nilai dari i =0,5 and d = teta dijaga. Gambar 6 memerlihatkan reson sistem dengan K =.5, i =0,5 and d =

13 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 57 Gambar 6. Hasil Imlemetasi kedua dari kontroler PID Berdasarkan reson sistem yang terlihat ada gambar 6, maka daat disimulkan bahwa reson sistem sangat baik dimana overshoot hamir tidak ada, a quick in the time settling dan error steady state sama deengan nol. Gambar 6 memerlihatkan bahwa kontroler PID daat mengontrol sistem dengan sangat baik. Garis utih adlah reresentasi dari nilai yang diinginkan. Garis merah berkoresondesi dengan nilai keluaran dan garis hijau menunjukkan sinyal inut kontrol PID. Reson sistem terlihat stabil dan robust terhada adanya disturbance. Nilai dari steady state error sama dengan nol dimana tidak ada erbedaan antara nilai yang diinginkan dan nilai outut. Gambar 8. Sistem reson dengan nilai inut yang berbeda Pada gambar 8 terlihat bahwa akan terjadi ada erubahan overshoot dan dan settling time tergantung ada nilai out yang diinginkan. Dari hasil ini daat disimulkan bahwa : Robust: sistem stabil terhada adanya disturbance terlihat ada stabilnya sistem dengan adanya erubahan inut. overshoot: berubah 0-3 % tergantung nilai outut yang diinginkan settling time untuk 0 %: biasanya (-3 seconds) tergantung outut yang diinginkan. Flow loo control ada riil roses dibatasi oleh tegangan inut. Dimana sistem beroerasi ada 0 0 V. Pada Gambar 9, kita daat melihat bahwa sistem tidak dat mengikuti nilai yang diinginkan lihat garis utih). Dimana outut maksimal dibatasi ada nilai 7.5 volt.

14 58 ELEKTRIKA NO. I/TAHUN /JANUARI 05 Figure 9. Reson Keterbatasan Sistem KESIMPULAN. Telah digambarkan roses dalam engontrolan keluaran sistem. Langkah ertama dengan mendaatkan informasi tentang linear range, oint of oeration dan juga gain. Pada erkiraan awal karakteristik dinamik sistem dengan cara mendaatkan data dari ste resonse and informasi lebih detail dieroleh dari bode lot. Setelah membandingkan ketiga reson dari 3 model dari transfer function ste measurement,bode measurement and noise measurement maka diutuskan untuk menggunakan model dari bode measurement.. Berdasarkan transfer function of bode measurement, didesain kontroler PID dengan menggunakan metode root locus dan dieroleh arameter K =,66, i =0,5 and = Setelah mengimlementasikan niai arameter tersebut, dieroleh bahwa reson dari sistem cuku bagus,dimana tidak ada error steady state, quick in settling time, tetai ada sedikit overshoot. 3. Dengan mengurangi nilai dari gain roortional (K) dari,66 menjadi,,5 daat dikurangi overshoot dari roses atau sistem dengan menjaga nilai i and d. 4. Setelah mengimlementasikan nilai dari arameter K =,5, i =0,5 and d =0.068 ada sistem, terlihat bahwa kontrol PID mengontrol sistem atau roses dengan sangat baik tak ada overshoot,tak ada error steady state dan a quick in settling time. 5. Penggunaan arameter hasil rancangan dan melihat hasil reson dari simulasi ada software matlab terlihat bahwa kontrol PID hasil rancangan memberikan hasil yang sesuai dengan kebutuhansesifikasi sistem dimana sistem stabil, robust, tak ada overshoot, dan memiliki settling time yang ceat tak ada error steady state. 6. Pada rill roses, sistem terlihat stabil, robust terhada berbagai disturbance. Reson sistem juga terlhat ceat dan stabil ada area oerasi. Overshoot ada roses berkisar antara 0-3%. Dimana

15 Asriyadi, Imlementasi Kontroler Pid Pada Simulator Kontrol Aliran 59 hal ini sangat tergantung ada nilai inut. Secara umum daat disimulkan bahwa sistem dengan adanya kontroler PID memenuhi sesifikasi kebutuhan. 7. Nilai maximum keluaran ada sistem adalah sebesar 7.5 volt. Diduga disebabkan oleh keterbatasan ower dari oma air dan juga keterbatasan ower suly. DAFTAR PUSTAKA Matlab, User Manual, The Mathworks, Nise, N.S, Control System Engineering, John Wiley and Sons, Inc, 0 PID Tools, Manual HAN PID tools, HAN University, 03 Tazelaar, E Manual Laboratory of Control System Engineering. HAN University of Alied Science,0 Netherland.