JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, No. 1 (Sept. 2012) ISSN: B-103

Transkripsi

1 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-3 Prancangan dan Iplntasi Kontrollr Pid-Fuzzy untuk Mnjaga Stabilitas Frkunsi gangan rbangkit Pada Pbangkit Listrik Kapasitas kva dngan Pnggrak Utaa Motor Bakar 4-ak Muhaad Syahputra, Mochaad Rali, dan Rusdhianto Effndi Jurusan knik Elktro, Fakultas knologi Industri, Institut knologi Spuluh Nopbr (IS) Jl. Arif Rahan Haki, Surabaya 6 E-ail: ditto@lct-ng.its.ac.id Abstrak Pnlitian ini bahas asalah kontrol frkunsi tgangan trbangkit pada Gnrator st dngan kondisi bban brubah. Frkunsi tgangan trbangkit brhubungan dngan kcpatan putar pnggrak utaa. Gnrator st yang digunakan pada pnlitian ini iliki pnggrak utaa sin bnsin 4-tak dngan sist bahan bakar nggunakan karburator dan kapasitas KVA. Mtod kontrol yang digunakan adalah PID-fuzzy. Hal ini dikarnakan PID konvnsional kurang cocok untuk plant non-linar shingga diprlukan kanis pnalaan paratr PID untuk nysuaikan dngan kondisi plant. Sist Fuzzy lakukan pnalaan paratr PID lalui inforasi prubahan bban. Apabila trjadi prubahan bban, Fuzzy akan ngubah paratr PID. Kontrollr PID-fuzzy apu ngatasi prubahan frkunsi dngan cpat. Dari pngujian kontrolr pada plant didapatkan rata-rata waktu kbali frkunsi k stpoint.5 skon. Prubahan Frkunsi rata-rata saat dilakukan pngubahan bban dngan julah brbda yaitu 5.37%. Kata Kunci kontrol Frkunsi, Gnrator st, PID-Fuzzy I. PENDAHULUAN Sist pbangkit listrik rupakan sist dngan koplksitas dan urgnsitas yang cukup tinggi. Hal ini dikarnakan sist pbangkit listrik harus nuhi kbutuhan listrik yang slalu brubah-ubah. Brbagai aca sist pbangkit listrik iliki prinsip yang yang saa dala hal pngaturannya. Paratr yang brubah trhadap fk pbbanan adalah frkunsi tgangan trbangkit dan tgangan trbangkit. Sist pbangkit listrik diharapkan dapat bradaptasi dngan cpat trhadap bban yang brubah-ubah dan dngan prubahan yang cukup drastis. Hal ini dikarnakan, pralatan listrik yang bbani pbangkit listrik iliki abang batas trtntu pada frkunsi dan nilai tgangan trbangkit. rdapat dua standar kdua paratr ini, yaitu frkunsi 5 Hz dan tgangan volt srta frkunsi 6 Hz dan tgangan volt. Untuk ngatasi dinaika yang cukup tinggi pada sist pbangkit listrik, diprlukan tod kontrol yang dapat bradaptasi trhadap pbbanan trtntu. Kontrollr yang cukup uu digunakan pada dunia industri adalah kontrollr PID. Kontrollr ini udah untuk dirancang dan diipltasikan. Akan ttapi, kontrolr PID kurang baik untuk sist dngan dngan pbbanan yang brubah-ubah. Hal ini dikarnakan kontrollr PID tidak dapat prtahankan kritrianya dngan kondisi bban brubah. Olh karna itu, diprlukan pnalaan ulang pada paratr kontrollr PID diantaranya Kp, τi, τd, dan N ssuai dngan kondisi bban. Salah satu algorita yang dapat lakukan pnalaan trhadap paratr kontrol PID adalah algorita fuzzy. Algorita ini dipilih karna ksdrhanaannya shingga tidak trlalu rlukan waktu yang laa dala prhitungannya. Diharapkan Mlalui kanis pnalaan ini dihasilkan kontrol yang cukup baik trhadap sist pbangkit listrik. II. DESKRIPSI SISEM A. Sist Pngaturan Pbangkit Listrik[] Pbangkit listrik brfungsi untuk brikan daya listrik kpada pngguna ssuai kbutuhan. Olh karna itu dibutuhkan sist pngaturan pbangkit listrik sprti trlihat pada gabar. Gabar. Ska Sist Pngaturan Pbangkit Listrik[]

2 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-4 rdapat dua sist kontrol utaa pada pbangkit listrik yaitu pngaturan pnggrak utaa srta pngaturan arus dan. Frkunsi tgangan trbangkit trgantung pada kcpatan putar gnrator. Sprti trlihat pada prsaaan. n.p f () Diana: f = frkunsi tgangan trbangkit(hrtz) n = Kcpatan putar gnrator (RPM) p = Julah pol gangan trbangkit trgantung pada kcpatan putar gnrator dan arus dan pada rotor. Sprti trlihat pada prsaaan. E c.n. () Diana: E = gangan trbangkit (Volt) n = Kcpatan putar gnrator (RPM) = Fluks dan(wb) c = Konstanta gnrator ujuan utaa dari pngaturan sist pbangkit adalah untuk nyibangkan daya kluaran gnrator dngan bban listrik dan rugi-rugi. Olh karna itu, frkunsi tgangan trbangkit dan tgangan trbangkit harus dijaga pada nilai ttap dngan kondisi bban brubah. B. Prsaaan Grak Gnrator[] Pada sist pbangkit listrik, trdapat dua torsi yang pngaruhi grak gnrator. Kdua torka trsbut adalah torka kanik dan torka lktroagntik. orsi kanik dihasilkan olh pnggrak utaa sdangkan torka lktroagntik diakibatkan olh kbradaan bban yang trsabung dngan trinal tgangan gnrator. Ska konsp pngaturan kcpatan pada sbuah unit pbangkit ditunjukkan olh Gabar. Gabar. Ska Pngaturan Kcpatan Gnrator[] Kdua torka trsbut ngakibatkan prcpatan gnrator. Hal ini ditunjukkan pada prsaaan 3. (3) a Diana a orsi akslrasi(n.) orsi Mkanik (N.) orsi lktroagntik (N.) Dala hal pngaturan frkunsi trhadap prubahan bban, dipilih prolhan hubungan antara daya kanik dan daya listrik daripada torsi. Hubungan antara daya dngan torsi ditunjukkan olh prsaaan 4. P r (4) Prubahan daya akan ngakibatkan prubahan kcpatan rotor dan torsi. Hal ini ditunjukkan olh prsaaan 5. P P r )( ) (5) ( Dngan ngabaikan ord yang lbih tinggi, didapatkan prsaaan 6. P r (6) Hubungan prubahan daya lktroagntik dan daya kanik dngan anfaatkan prsaaan 6 ditunjukkan olh prsaaan 7. P P ) ( ) ( r (7) Pada kondisi stady stat, torsi lktroagntik dan kanik saa, dan kcpatan yang dirprsntasikan dngan pu,. Maka didapat prsaaan 8. P P (8) Mlalui prsaaan.3 dapat digabarkan diagra blok yang nunjukkan prubahan daya dngan prubahan kcpatan pada Gabar 3. Gabar 3. Diagra Blok Hubungan daya dngan kcpatan[] A. Arsitktur Sist III. PERANCANGAN SISEM Sist trdiri dari gnrator st, rangkaian snsor frkunsi, sist iniu ikrokontrollr, snsor arus, dan otor srvo. Rangkaian snsor frkunsi brfungsi untuk brikan sinyal upan balik. Sist iniu ikrokontrollr brfungsi untuk kontrol utaa sist dan pngirian data, snsor arus digunakan untuk sinyal upan balik pada kanis tuning paratr PID, dan otor srvo brfungsi untuk nggrakkan throttl valv pada karburator. frkunsi hasil kalkulasi ikrokontrollr dibandingkan dngan nilai stpoint. Prbandingan ini brupa slisih yang akan njadi sinyal rror (t) untuk diolah olh kontrollr PID-fuzzy yang trtana pada ikrokontrollr AMEGA 3. Kontrollr PID digunakan untuk brikan sinyal kontrol k aktuator ssuai dngan sinyal rror. Fuzzy digunakan sbagai kanis pnalaan paratr kontrollr PID nysuaikan dngan bban yang dibrikan pada gnrator st. Mikrokontrollr brikan sinyal kontrol pada otor srvo brupa sinyal PWM. Motor srvo nggrakkan throttl valv pada karburator yang akan pngaruhi kcpatan putar pri-ovr. Arsitktur sist ditunjukkan oplh Gabar 4.

3 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-5 B. Blok Diagra Sist Gabar 4. Arsitktur Sist Pada pnlitian ini frkunsi tgangan trbangkit dijaga ttap pada nilai nilai 6 Hz. Dngan nggunakan kontrollr PID. Paratr kontrollr PID brubah ssuai dngan asukan snsor frkunsi pada sist fuzzy. Sist fuzzy brfungsi untuk ngubah paratr PID ssuai dngan julah bban yang dibrikan pada gnrator st. Julah arus pada bban nandakan bban listrik yang dihubungkan dngan gnrator st. Blok diagra sist scara ksluruhan ditunjukkan pada gabar 5. Gabar 5. Diagra Blok Sist Aktuator pada gnrator st brupa otor srvo yang trhubung dngan karburator gnrator st. Karburator brfungsi untuk ngatur julah capuran bnsin dan udara pada silindr sin. Julah capuran bahan bakar dan udara trsbut pngaruhi putaran sin yang pngaruhi frkunsi tgangan trbangkit. Julah bban yang dibrikan akan pngaruhi kcpatan putar gnrator shingga diprlukan kanis pngaturan kcpatan putar Gnrator untuk prtahankan frkunsi tgangan trbangkit. C. Gnrator St[] Gnrator St iliki pnggrak utaa brupa sin bnsin 4-langkah. Msin bnsin trsbut nggunakan sist bahan bakar karburator. Brikut spsifikasi Gnrator st yang digunakan Kapasitas Daya Maksiu : VA gangan rata-rata : Volt Frkunsi rata-rata : 6 Hz Fasa : Fasa Julah pol : pol Kcpatan rata-rata : 3 RPM Gabar 6. Ska Konstruksi Gnrator Sinkron Eksitasi Kapasitor[] Jnis gnrator yaitu gnrator dngan sist ksitasi kapasitor. Ska konstruksi gnraor sist ksitasi kapasitor ditunjukkan olh gabar 6. Gnrator ini iliki karaktristik tgangan output brgantung kpada kcpatan gnrator. gangan gnrator brgantung pula pada julah arus yang ada pada bban pada kondisi frkunsi dijaga ttap[7]. Stlah dilakukan ts tgangan output trhadap frkunsi gnrator. Didapatkan bahwa gnrator st nghasilkan tgangan volt pada frkunsi 6 Hz. Olh karna itu ditntukan nilai rfrnsi frkunsi tgangan trbangkit sbsar 6 Hz. D. Idntifikasi Sist[3] Idntifikasi dinais plant dilakukan dngan brikan st point yang brubah trhadap waktu. Sinyal PRBS yang dibrikan pada sist trdiri atas spuluh bit bilangan binr. Rspon yang dibrikan sist dapat digunakan sbagai acuan dala podlan plant. Sinyal PRBS rprsntasikan variasi bukaan throttl. Modl atatika yang didapatkan rupakan hubungan antara bukaan throttl valv dala drajat dngan frkunsi tgangan output. Idntifikasi dilakukan pada tiga kondisi bban yaitu pada kondisi bban inial, noinal dan aksial. Bban yang dibrikan pada gnrator st brupa lapu pijar Watt dngan julah total 6 buah. Bban inial buah lapu, noinal 4 buah lapu, dan aksial 6 buah lapu. Pross podlan rspon hasil idntifikasi dinais trdiri atas tiga tahap, yaitu:. Prhitungan paratr paratr ARX dngan tod standard last squar. Mlakukan ransforasi-z trhadap podlan ARX, dngan waktu sapling, dtik dan dngan tod zro-ordr hold 3. Mlakukan transforasi trhadap hasil transforasi Z pada poin k dala doain-s hingga diprolh fungsi alih sist. Pngabilan data pada tiap-tiap bban yang dibrikan dilakukan sbanyak lia kali. Dari klia data trsbut didapatkan odl atatika dngan nilai RMSE trkcil. ransfr function yang didapatkan pada tiap-tiap bban ditunjukkan pada tabl. abl. ransfr function drajat bukaan throttl dngan frkunsi gangan trbangkit Gnrator st Bban ransfr Function Minial( Watt) G( s) s,8463s,7,366s,736

4 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-6 Noinal(4 Watt) Maksial(6 Watt) G( s) s G( s) s E. Prancangan Kontrollr PID[4],9964s 4,98,339s,9,786s,87,53s,3553 Prancangan kontrollr PID dilakukan scara analitik. Pncarian paratr kontrollr K,, dan dissuaikan dngan odl plant. Paratr kontrollr PID yang tlah didapatkan diprgunakan sbagai batasan dala prancangan kanis pnalaan paratr PID. Rspon sist yang diinginkan pada tiap kondisi bban adalah rspon ord satu dngan ti constant ( ) = s.. Prancangan kontrollr PID untuk bban inial a. Paratr Plant pada bban inial Paratr Plant K 7,37,49,53 n ξ,6 b. Paratr kontrollr PID Modifikasi Paratr K p,9 i 8,49 d,49 N,69. Prancangan kontrollr PID untuk bban noinal a. Paratr Plant pada bban inial Paratr Plant K 5,39,,955 n ξ,38 b. Paratr kontrollr PID Modifikasi Paratr K p,499 i,69 d, N, Prancangan kontrollr PID untuk bban aksial a. Paratr Plant pada bban inial Paratr Plant K 5,66,47 p,355 n ξ,64 b. Paratr kontrollr PID Modifikasi Paratr K p,73 i 6,76 d,47 N,353 F. Prancangan Sist Fuzzy[5] Logika Fuzzy lakukan pnalaan paratr PID dngan ngacu pada kondisi bban. Kondisi bban diktahui lalui arus yang ngalir pada bban. Apabila trjadi prubahan bban, arus yang ngalir pada bban juga akan brubah. Pada plant gnrator st, dngan bban yang brubah-ubah akan trjadi prubahan odl atatika plant ssuai dngan hasil idntifikasi. Olh karna itu untuk ndapatkan rspon dngan spsifikasi sprti yang diinginkan dngan τ =s diprlukan kanis pnalaan paratr PID. Paratr kontrollr PID yang diatur olh logika fuzzy diataranya Kp, τ i, N dan τ d. Pbntukan Fungsi kanggotaan asukan dan kluaran didasarkan pada paratr PID yang tlah didapatkan untuk kondisi bban inial, noinal, dan aksial. Prancangan dilakukan pada fungsi kanggotaan asukan, fungsi kanggotaan kluaran dan rul-bas.. Fungsi Kanggotaan Masukan Masukan logika fuzzy dibatasi hanya pada julah bban saja karna bban yang digunakan pada sist nggunakan sist switching yang brarti tidak trjadi prubahan bban scara kontinyu, Brikut fungsi kanggotaan untuk bban. drajat kanggotaan Mbrship Function Bban Arus Bban(A) Gabar 6. Mbrship Function Bban. Fungsi kanggotaan Kluaran Kluaran dari sist fuzzy brupa nilai untuk pnalaan paratr Kp, τ i, N dan τ d. prancangan fungsi kanggotaan kluaran sist fuzzy didasarkan pada hasil prancangan kontrollr PID pada kondisi bban inial, noinal dan aksial. rdapat tiga nilai linguistik pada tiap-tiap fungsi kanggotaan yaitu kcil, sdang, dan bsar.

5 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-7 (a) drajat kanggotaan Mbrship Fuction Kp: Mbrship Function Kp Kp Gabar 7. Mbrship Function Kp (b) Mbrship Function τ i: drajat kanggotaan Mbrship Function d d Gabar 8. Mbrship Function τ i (c) Mbrship Function τd : drajat kanggotaan Mbrship Function d d Gabar 9. Mbrship Function τ d (d) Mbrship Function N: drajat kanggotaan Mbrship Function N N Gabar. Mbrship Function N 3. Rul Bas Pada pnlitian ini, trdapat pat rul bas untuk pnalaan paratr Kp, τ i, N dan τ d. Pada asingasing Rul bas, digunakan pada pnlitian ini trdiri dari 3 rul bas untuk tiga nilai linguistik. abl : Rul Bas Bban PID Minial Noinal Maksial Kp Sdang Kcil Bsar τ i Bsar Kcil Sdang τ d Bsar Sdang Kcil N Bsar Kcil Sdang IV. PENGUJIAN DAN ANALISA A. Uji Kontrollr PID-Fuzzy paratr ttap dngan Bban Brubah Pada bagian ini dilakukan pngujian prubahan bban. Mlalui pngujian ini dapat diktahui kapuan kontrollr PID-fuzzy trhadap pngurangan bban dan pnabahan bban dngan julah trtntu. Pbbanan dilakukan pada kondisi stady-stat. Pada bagian ini ditunjukan rspon dari frkunsi tgangan trbangkit gnrator st trhadap prubahan bban, arus bban untuk nunjukkan prubahan bban dan paratr PID untuk nujukkan prubahan paratr PID trhadap prubahan bban. Pada Gabar dan 3 trlihat prubahan bban dari kondisi inial, noinal, aksial dan kbali lagi k inial. Pada saat trjadi prubahan bban, frkunsi ngibangi prubahan frkunsi trsbut. Akan ttapi, rspon dari frkunsi tgangan trbangkit trlihat sring brosilasi. Pada gabar dan trlihat pnalaan paratr PID ssuai dngan arus pada bban. Dngan adanya pnalaan paratr PID, rspon sist trhadap pbbanan lbih cpat naun trjadi osilasi yang cukup sring. Rspon dari frkunsi tgangan trbangkit gnrator st dapat ngikuti st-point ktika pbbanan. Ktika trjadi pnurunan bban, trjadi pningkatan frkunsi dan dapat diatasi dngan cpat olh sist. Akan ttapi, trjadi osilasi di skitar st-point. Slain dikarnakan rspon kontrolr yang trlalu bsar, osilasi juga disbabkan olh adanya gangguan dari sist sndiri. Shingga saat rspon sist nuju stpoint trjadi osilasi kbali untuk ngatasi gangguan yang trjadi. frkunsi(hz) arus(a) Frkunsi gangan rbangkit Gnrator St Arus pada Bban data Noinal Maksial Minial Stpoint Maksial Noinal Minial data Gabar Rspon dari Frkunsi gangan rbangkit trhadap prubahan bban

6 JURNAL EKNIK IS Vol., No. (Spt. ) ISSN: 3-97 B-8 Paratr PID Pnalaan Paratr PID Gabar. Pnalaan Paratr PID Scara uu kontrolr PID-fuzzy dapat dngan cpat ngatasi prubahan frkunsi akibat prubahan bban. Sprti trlihat pada tabl 3, waktu naik rata-rata dari frkunsi tgangan trbangkit gnrator yaitu. skon. Prubahan frkunsi rata-rata yaitu 5.37 %. Rspon dari frkunsi tgangan trbangkit gnrator sring juga ngalai osilasi. Prubahan frkunsi dipngaruhi olh julah prubahan bban.sprti trlihat pada tabl 3, pada saat trjadi prubahan bban dari inial dan aksial, trjadi prubahan frkunsi hingga 8.39%. Dngan prubahan bban yang lbih kcil yaitu Noinal k inial trjadi prubahan frkunsi.4%. Kp i d N abl 3 Pngujian kontrolr PID-fuzzy dngan Bban Brubah Prubahan Bban Prubahan Waktu frkunsi(%) Naik(tr) Minial-Maksial Maksial-Noinal Noinal-Minial.4.7 Minial-No Load Minial-Noinal Noinal-Maksial Maksial-Minial V. KESIMPULAN/RINGKASAN Dala pnlitian ini didapatkan ksipulan bahwa gnst akan ngalai prubahan frkunsi pada saat trjadi prubahan bban. Kontrollr dapat ngatasi prubahan frkunsi ini dngan ngndalikan bukaan throttl ssuai dngan bban yang trhubung dngan gnrator st. Mlalui pngujian kontrolr PID-fuzzy didapatkan bahwa rspon dari frkunsi tgangan trbangkit sring ngalai osilasi. Ratarata %MP saat trjadi pbbanan 6.66%. Kontrollr PIDfuzzy dapat dngan cpat ngatasi prubahan frkunsi saat trjadi pbbanan dngan waktu kbali k stpoint(tr) ratarata.5 dtik. Prubahan frkunsi rata-rata saat trjadi pbbanan yaitu 5.37 %. Bsarnya nilai %MP dipngaruhi olh julah prubahan bban. Frkunsi(Hz) Frkunsi gangan rbangkit Gnrator St Waktu(s) Arus(A) 3 data Minial Maksial Noinal MInial No Load St Point Arus pada Bban data Minial Maksial Noinal data5 No load Waktu(s) Paratr PID Gabar 3. Rspon dari Frkunsi gangan rbangkit trhadap prubahan bban Pnalaan Paratr PID Kp i d N UCAPAN ERIMA KASIH Pnulis ngucapkan tria kasih kpada orang tua pnulis yang slalu brikan doa srta dukungan tulus tiada hnti, Bapak Dr. Ir. Moch Rali dan Bapak Ir. Rusdhianto Effndi A.K., M.., atas sgala bibingan ilu, oral, dan spiritual dari awal hingga trslsaikannya pnlitian ini. Pnulis juga ngucapkan banyak tria kasih kpada angkatan -48, Sluruh ahasiswa bidang studi sist pngaturan, Hiatktro IS, dan sua pihak yang tlah bantu baik scara langsung aupun tidak langsung. DAFAR PUSAKA [] Kundur P., Powr Syst Stability and Control, McGraw-Hill, USA, (994). [] Kubo, Intrnal Cobustion Engin Drivn Gnrator, Unitd Stats Patnt No , Japan, (98). [3] Ljung L., Glad., Modlling of Dynaic Systs, Prntic Hall, USA, (994). [4] Ogata, K., Modrn Control Enginring, Prntic Hall, USA, (). [5] Passino, M., Yurkovich, S., Fuzzy Control, Addison Wsly Longan, USA, (998) Gabar. Pnalaan Paratr PID