Pengaturan Kecepatan Motor DC Melalui Jaringan dengan Metode Adaptif

Transkripsi

1 Pengaturan Kecepatan Motor DC Melalui Jaringan dengan Metode Adaptif Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII 27 Singgih Wijaya Anggono dan Josaphat Pramudijanto Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh November (ITS) Surabaya ; Abstraks Tantangan terbesar dalam penggunaan data network pada aplikasi kontrol adalah timbulnya efek delay pada kontrol loop. Delay yang terjadi pada network control system (NCS) akan berakibat pada penurunan performansi sistem dan juga akan mengakibatkan ketidakstabilan sistem. Pada penelitian ini, dibangun suatu jaringan data dengan menggunakan media bluetooth yang menghubungkan kontroler dengan remote sistem (plant, sensor dan aktuator). Kontroler dan remote sistem ditempatkan pada lokasi yang berbeda sehingga membentuk remote close-loop kontrol. Pada kontroler digunakan metode adaptif yang berfungsi untuk mengendalikan kecepatan motor DC melalui jaringan. Motor DC yang digunakan adalah motor DC magnet permanen dengan tegangan input sebesar 2Volt, kecepatan putaran motor 9 rpm dan daya 6 Watt. Diharapkan dari penelitian, kontroler adaptif mampu mengatasi pengaruh time delay yang terjadi pada model NCS. Dari hasil pengujian didapatkan untuk time constant () pada motor sebesar,5 detik dan delay pada jaringan sebesar 5 ms, kontroler dapat bekerja dengan baik pada saat terjadi perubahan setting point dan perubahan beban pada motor. Ketika delay pada jaringan lebih besar dari 75 ms mengakibatkan penurunan performansi sistem dan ketidakstabilan sistem. Kata kunci: network control system, kontrol adaptif, time delay.. PENDAHULUAN Penelitian dan pengembangan network control system telah lama dilakukan. Sebagai hasil dari penelitian dan pengembangan ini, tercipta beberapa network protocol untuk kontrol industri. Sebagai contoh adalah Controller Area Network (CAN) yang pertama kali dikembangkan pada tahun 983 oleh perusahaan Robert Bosch di Jerman untuk penggunaan pada industri mobil. Contoh lainnya adalah Profibus yang dikembangkan oleh 6 perusahaan dan 5 institut di Jerman. pada tahun 987. Profibus merupakan broadcast bus protocol yang beroperasi dengan sistem multi-master/slave. Dari semua jenis network protocol yang ada, selalu menimbulkan delay pada waktu transmisi data. Delay ini mengakibatkan penurunan performansi dari kontrol sistem. Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah delay pada network untuk sistem kontrol loop tertutup, kemajuan dari metodologi yang sudah ada diperlukan. 2. METODOLOGI PENELITIAN Perancangan sistem dibagi menjadi dua bagian yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras dibagi menjadi dua bagian yaitu perancangan kontroler dan remote system. Antara kontroler dan remote system ditempatkan pada tempat yang berbeda dan dihubungkan dengan jaringan. Perancangan perangkat lunak terdiri atas dua bagian yaitu perancangan perangkat lunak pada mikrokontroler dan perancangan perangkat lunak pada PC. Gambar. Diagram Blok Sistem 2.. Perancangan dan Desain Sistem Metode kontrol yang digunakan pada penelitian ini adalah kontrol adaptif dengan menggunakan Self Tuning Regulator. Diagram blok dari Self Tuning Regulator dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Diagram Blok Self Tuning Regulator Model Matematis Plant dan Jaringan Plant yang digunakan pada penelitian ini adalah motor DC. Sebelum perancangan dan desain sistem, hal pertama yang harus dilakukan adalah mengetahui persamaan matematis dari plant. Untuk menentukan persamaan matematis dari plant, maka terlebih dahulu ditentukan model struktur pendekatan yang akan digunakan. Dalam penelitian ini digunakan model pendekatan ARMA (Auto Regressive Moving Average). Untuk mencari nilai parameter dari plant, digunakan identifikasi secara off-line dengan metode standart INK4

2 Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII 27 least square. Untuk keperluan identifikasi, diperlukan data dari hasil pengukuran tegangan input dan tegangan output pada plant (pada penelitian ini diambil 255 data pengukuran tegangan input output), dimana besarnya tegangan input yang diberikan ke plant dibangkitkan dari bilangan random (PRBS). Langkah-langkah untuk mendapatkan data pengukuran tegangan input dan tegangan output dari plant adalah sebagai berikut :. Mengirimkan sinyal PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) dari PC ke mikrokontroler. 2. Mikrokontroler mengirimkan sinyal yang masuk (PRBS) ke motor. 3. Tanggapan sistem kemudian dikirimkan dari mikrokontroler ke PC. Setelah didapatkan data pengukuran input output, maka dicari nilai vektor parameter (θ) untuk berbagai jenis model dan besarnya norm error dari masingmasing model. Setelah didapatkan model matematis orde sampai dengan orde 8, kemudian ditentukan model struktur pendekatan yang akan digunakan untuk mendekati model matematis dari plant dengan memilih model yang memiliki norm error terkecil. Dari model yang didapatkan, model matematis orde 2 memiliki norm error yang paling kecil yaitu,958. Sehingga didapatkan persamaan matematis plant dan jaringan :,5854 +, (),57, Mekanisme Adaptasi dan Desain Kontroler Mekanisme adaptasi merepresentasikan solusi online untuk desain problem dari parameter yang telah diidentifikasi sebelumnya untuk menghasilkan parameter kontroler terbaru sesuai dengan kondisi plant pada saat itu. Kontroler yang digunakan adalah kontroler PID, dimana persamaan kontroler PID modified pada bidang s (kontinyu) : U( s ) s Kp + + d... (2) E( s ) s s i + d N Di mana : Kp proposional gain i integral gain derivatif gain d d filtering derivatif gain N untuk mendapatkan persamaan kontroler dalam bentuk diskrit digunakan pendekatan Tustin Bilinier rule : 2 s... (3) T s + Maka bentuk transfer function PID diskrit menjadi : U( ) k + k2 + k3 E( ) ( )( + k )... (4) Setelah didapatkan persamaan kontroler PID diskrit, kemudian dicari close loop transfer function kontroler dengan plant. k + k + k 2 3 ( )( + k ) b + b + a + a2 Gambar 3. Diagram Blok Kontroler dan Plant. Close loop transfer function untuk sistem pada Gambar 3 : k + k2 + k3 + b ( )( ) Y( ) + k + a + a2 (5) Y r ( ) ( )( ) k + k2 + k3 + b + + k + a + a2 k2 k3 b Jika dipilih a, a 2 dan k maka k k didapatkan : - k - Y( ) k...(6) Y - r ( ) - + k + ( k ) dengan pendekatan ero-order hold didapatkan persamaan diskrit orde : Y( ) K( e )...(7) Y Ts r ( ) e Terlihat bahwa close loop transfer function pada Persamaan (7) merupakan sistem orde, sehingga : untuk nilai pole : k K( e ) untuk nilai ero : k b b e sehingga didapatkan nilai parameter untuk kontroler: b k...(8) b k 2 ak 3 a2k e...(9) k...() k...() Setelah semua nilai estimasi parameter dan kontroler ditemukan, maka bentuk lengkap diagram blok Self Tuning Regulator dapat dilihat pada Gambar 4. b k e k k 2 ak k 3 a2k k + k + k 2 3 ( )( + k ) + b + a + a2 Gambar 4. Bentuk Lengkap Diagram Blok STR. INK4 2

3 Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian sistem dilakukan untuk meyakinkan bahwa sistem yang dibuat dapat dikendalikan oleh kontroler yang dirancang dan bekerja sesuai dengan kinerja yang diharapkan. 3.. Pengujian Close Loop Pada pengujian ini, terlebih dahulu ditentukan sampling time sebesar, detik, setting point 82 rpm dan,5 detik. Dari hasil pengujian (Gambar 5) terlihat bahwa respon sistem adalah respon sistem orde dengan : Time constant,5 detik Rise time 4,2 detik Error steady state,36 % Delay time, detik dapat bekerja dengan baik dengan adanya perubahan beban. Pada saat sistem dalam keadaan steady state, diberikan beban pada motor dengan menggunakan rem magnetis statis. Pada pengujian beban ditentukan sampling time sebesar, detik, delay time sebesar,4 detik, setting point 75 rpm dan,5 detik. Respon Close Loop Dengan Pembebanan Recovery time beban masuk Ricovery time beban dilepas 4 Respon Close Loop ,2% Gambar 5. Respon Close Loop Pengujian Sistem Dengan Delay Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh delay terhadap respon close loop sistem. Delay diberikan dengan menunda pengiriman data dari kontroler ke remote system. Gambar 7. Respon Close Loop dengan Beban Pertama. Dari hasil pengujian kemampuan kontroler terhadap beban adalah sebagai berikut : Kemampuan recovery beban masuk 6 x,5 detik 3 detik. Kemampuan recovery beban dilepas 6 x,5 detik 3 detik. Sinyal kontrol sebelum pembebanan adalah 75 rpm dan ketika beban diberikan sinyal kontol naik menjadi 33 rpm..5 Respon Close Loop Dengan Delay , Detik,75 Detik, Detik,5 Detik 2, Detik 3, Detik Gambar 6. Respon Close Loop dengan Delay Dari hasil pengukuran, didapatkan bahwa semakin besar delay (diatas 75 ms) yang terjadi pada jaringan mengakibatkan respon sistem menjadi tidak stabil (berosilasi) Gambar 8. dengan Beban Pertama. Pada saat diberikan beban pada motor, terjadi perubahan nilai parameter pada plant. Begitu juga sebaliknya pada saat beban dilepaskan dari motor, kembali terjadi perubahan nilai parameter pada plant Pengujian Sistem Dengan Beban Pengujian berikutnya adalah dengan memberikan beban ke motor, untuk mengetahui apakah kontroler INK4 3

4 Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII Respon Close Loop Dengan Pembebanan Recovery time beban masuk Ricovery time beban dilepas Gambar 9. Respon Close Loop dengan Beban Kedua. Dari hasil pengujian kemampuan kontroler terhadap beban adalah sebagai berikut : Kemampuan recovery beban masuk 6 x,5 detik 3 detik. Kemampuan recovery beban dilepas 6 x,5 detik 3 detik. Sinyal kontrol sebelum pembebanan adalah 75 rpm dan ketika beban diberikan sinyal kontol naik menjadi 572 rpm. Pada saat pembebanan, kecepatan motor yang dihasilkan tidak sesuai dengan setting point yang ditentukan. Hal ini disebabkan karena sinyal kontrol telah mencapai nilai maksimum. Spesifikasi kemampuan kontroler terhadap beban adalah sebagai berikut : Kemampuan recovery beban masuk 6 x,5 detik 3 detik. Kemampuan recovery beban dilepas 7 x,5 detik 3,5 detik. Sinyal kontrol sebelum pembebanan adalah 75 rpm dan ketika beban diberikan sinyal kontol naik menjadi 96 rpm. Besarnya error steady state saat beban masuk adalah 3,26% Gambar 2. dengan Beban Ketiga Gambar. dengan Beban Kedua. Pada saat diberikan beban pada motor, terjadi perubahan nilai parameter pada plant. Begitu juga sebaliknya pada saat beban dilepaskan dari motor, kembali terjadi perubahan nilai parameter pada plant. 4 2 Respon Close Loop Dengan Pembebanan Recovery time beban masuk Ricovery time beban dilepas Gambar. Respon Close Loop dengan Beban Ketiga. Pada saat diberikan beban pada motor, terjadi perubahan nilai parameter pada plant. Begitu juga sebaliknya pada saat beban dilepaskan dari motor, kembali terjadi perubahan nilai parameter pada plant Respon Close Loop Untuk Sitem Tracking Pengujian ini dilakukan dengan memberikan perubahan setting point pada saat respon close loop dalam keadaan steady state Respon Close Loop Untuk Sistem Tracking Gambar 3. Respon Untuk Sistem Tracking Pertama. INK4 4

5 Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII 27 Respon Close Loop Untuk Sistem Tracking Gambar 4. Sistem Tracking Pertama. Dari hasil pengujian, terlihat bahwa respon dari plant dapat mengikuti perubahan yang terjadi pada setting point (Gambar 3). Untuk nilai estimasi parameter plant, pada keadaan steady state terlihat bahwa nilai keempat parameter plant (Gambar 4) berada pada nilai konstan Gambar 7. Respon Untuk Sistem Tracking Ketiga. Dari hasil pengujian, terlihat bahwa respon dari plant mengikuti perubahan yang terjadi pada setting point (Gambar 7). Untuk nilai estimasi parameter plant, pada keadaan steady state terlihat bahwa nilai keempat parameter plant (Gambar 8) berada pada nilai konstan. Respon Close Loop Untuk Sistem Tracking Gambar 5. Respon Untuk Sistem Tracking Kedua Gambar 8. Sistem Tracking Ketiga Gambar 6. Sistem Tracking Kedua. Dari hasil pengujian, terlihat bahwa respon dari plant mengikuti perubahan yang terjadi pada setting point (Gambar 5). Untuk nilai estimasi parameter plant, pada keadaan steady state terlihat nilai keempat parameter plant (Gambar 6) berada pada nilai konstan. 4. KESIMPULAN Dari hasil penelitian dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :. Dengan adanya waktu tunda yang besar pada jaringan akan mengakibatkan ketidak-stabilan pada sistem (sistem akan berosilasi), karena kontroler mengalami keterlambatan dalam memberikan sinyal kontrol ke plant. 2. Kontroler dapat bekerja dengan baik pada saat terjadi perubahan setting point dan perubahan beban untuk time constant () motor sebesar,5 detik dan delay pada jaringan sebesar 5 ms. REFERENSI. Astrom, K.J. dan Wittenmark, B. (989), Adaptive Control,Addison-Wesley Publishing Company, Canada. 2. Astrom, K.J. dan Wittenmark, B. (997), Computer-Controlled Systems : Theory and Design, Prentice Hall, New Jersey. 3. Coughlin, Driscoll (982), Operational Amplifiers and Integrated Circuit, Prentice Hall, New Jersey. INK4 5

6 Prosiding Seminar Nasional Pascasarjana VII Drew, M., Liu, X., Goldsmith, A. dan Hedrick, K. (25), "Networked Control System Design over a Wireless LAN", European Control Conference, hal Erman (22), Pengaturan Kecepatan Motor DC dengan Kontroler Fuy PID Hybrid Menggunakan Mikrokontroler AT89C5, Thesis, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya. 6. Forsythe, W. dan Goodall, R.M (99), Digital Control Fundamentals, Theory and Practice, McGraw-Hill, New York. 7. Malik, Ibnu dan Anistardi, M (997), Bereksperimen dengan Mikrokontroler 83, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta. 8. Ogata, Katsuhiko (995), Discrete-Time Control Systems, 2 nd edition, Prentice Hall, New Jersey. 9. Ogata, Katsuhiko (997), Modern Control Engineering, 3 rd edition, Prentice Hall, New Jersey.. Phillips, C.L. dan Nagle, H.T (995), Digital Control System Analysis and Design, Prentice Hall, New Jersey.. Pranata, A. (23), Pemrograman Borland Delphi 6, Edisi 4, ANDI, Yogyakarta. 2. Purba, L.P. (26), Sistem Pengaturan dengan Komputer, Graha Ilmu, Yogyakarta. 3. Rangan (993), Instrumentation Devices and Sistem, McGraw-Hill, New York. 4. Stephanopoulos, George (993), Chemical Process Control, Prentice Hall, New Jersey. 5. Tipsuwan, Yodyium dan Chow, Mo-Yuen (23), Control Methodologies in Networked Control Systems, Control Engineering Practice, Vol., hal Walsh, G.C. dan Ye, H. (2), "Scheduling of Networked Control Systems", IEEE Control Systems Magaine, hal Zhang, B.W., Branicky, M.S. dan Phillips, S.M. (2), "Stability of Networked Control System", IEEE Control Systems Magaine, hal INK4 6