Perancangan Kontroler Neural Network Pi untuk Sistem Pengaturan Level dengan Metode Decoupling Pada Plant Coupled Tank

Transkripsi

1 JURNL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) F 3 Perancangan Kontroler Neural Network Pi untuk Sistem Pengaturan Level dengan Metode ecoupng Pada Plant Coupled Tank Kresna KSP, Rusdhianto Effendie Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Sukolo, Surabaya 60 kresnakartika@rocketmail.com, Rusdhi@elect-eng.its.ac.id bstrak Pada industri proses yang mebatkan fluida, suatu fluida akan dipompa dan diarkan dari satu tangki ke tangki yang lain untuk diolah. Pemindahan cairan dari satu tangki ke tangki yang lain meyebabkan berubahnya level fluida dalam tangki. alam pengaturan level, pemindahan cairan biasa disebut sebagai pembebanan pada level.proses decoupng digunakan untuk mengubah dimana proses MIMO menjadi SISO agar lebih mudah dikontrol. Perubahan beban ini dapat mempengaruhi dari kinerja kontroler.. Kontroler yang banyak digunakan di industri proses adalah kontroler PI karena kesederhanaan struktur dan kehandalannya. Pada penerapan kontroler PI tuning parameter kontroler sering dilakukan dengan prosedur trial and error. Untuk tetap memenuhi spesifikasi kontrol yang diharapkan maka perlu dilakukan tuning ulang parameter kontroler PI. Kontroler PI Neural Network ini didesain untuk dapat melakukan tuning pada parameter kontroler PI sehingga dapat mengatasi perubahan parameter pada plant dan menjaga performa dari plant.setelah itu didapatkan performa dari plant yaitu berupa error steady state 0.03% kemudian nilai Kp dan nilai Ki yaitu 5,043 dan Kata Kunci Neural Network, Coupled tanks, ekopng, Kontroler PI I. PENHULUN Sistem pengendaan di industri merupakan faktor yang sangat penting dalam proses produksi. gar produksi tetap tercapai, maka suatu sistem pengendaan sangat diperlukan untuk menjaga kestabilan variabel proses. Variabel proses antara lain temperature, pressure, flow, level, konsentrasi, volume dan lain sebagainya. Coupled Tank tersusun dari dua buah tangki yang dihubungkan oleh sebuah pipa atau lubang saluran. Level cairan pada tangki pertama ditunjukkan sebagai H dan H adalah level tangki kedua. Bila input kontrol adalah flow Q, maka variabel yang akan dikontrol adalah kedua Level H dan H, dengan disturbance yang disebabkan oleh variasi flow pada valve, valve B. isini akan timbul suatu sistem dengan dua tangki sang berinteraksi. Sistem Coupled Tank dapat dikonfigurasi sebagai sestem SISO atau sebagai Sistem MIMO melalui manpulasi input dan sectional daerah valve. Sistem pengaturan merupakan otak dari plant level Coupled Tank. engan sistem pengaturan, plant level dapat digunakan untuk melakukan sesuatu yang berguna. Pengaturan didapat dari komponen yang mengubah kecepatan aran air dan volume aran guna mengatur level air yang diinginkan. Komponen pengaturan biasanya diletakkan pada tempat yang berbeda-beda. Pemodelan coupled tanks termasuk kategori sistem nonnear yang memiki banyak ketidakpastian. Ketidakpastian tersebut dapat berupa gangguan eksternal, ketidakpastian model, variasi parameter, ataupun error yang muncul pada saat nierisasi. Ketidakpastian-ketidakpastian ini dapat mempengaruhi kestabilan sistem jika tidak diantisipasi oleh sistem kontrol. Selain itu, pemodelan coupled tanks menggunakan konfigurasi sistem Multi Input Multi Output (MIMO) []. Sehingga variabel yang diatur pada coupled tanks mengalami kesutan mengikuti sinyal referensi berupa beberapa kondisi titik operasi yang diinginkan []. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dibuatkan model sistem kontrol menggunakan dekopng untuk mengatur konfigurasi plant MIMO dan kontrol PI untuk mengatur level. Namun penentuan parameter dengan menggunakan metode try and error tidak efektif karena harus mencoba berulang ka untuk mendapatkan hasil optimal. Maka pada penetian ini digunakan metode PI dan menggunakan neural network untuk tuning parameter dari kontroler. Kemudian plant dan sistem kontrol disimulasikan menggunakan software MTLB. Coupled Tanks [],[] II. TEORI SR Coupled Tank tersusun dari dua buah tangki yang dihubungkan oleh sebuah pipa atau lubang saluran. Level cairan pada tangki pertama ditunjukkan sebagai H dan H adalah level tangki kedua. Bila input kontrol adalah flow Q, maka variabel yang akan dikontrol adalah kedua Level H dan H, dengan disturbance yang disebabkan oleh variasi flow pada valve, valve B. isini akan timbul suatu sistem dengan dua tangki sang berinteraksi. Sistem Coupled Tank dapat dikonfigurasi sebagai sestem SISO atau sebagai Sistem MIMO melalui manpulasi input dan sectional daerah valve.

2 JURNL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) F 4 a g xa H q h ( h h H H. a g H g x. a g H H q h ( h h ) ) ambar. Sistem Coupled Tank Level cairan pada tangki pertama ditunjukkan sebagai H dan H untuk level tangki kedua. Flow cairan yang masuk pada tangki dilambangkan sebagai Q i. Untuk flow cairan yang keluar dari tangki ditunjukkan sebagai Q b untuk tangki pertama, Q c tangki kedua, dan Q a sebagai flow interaksi antara tangki pertama dan tangki kedua. Sistem Coupled Tanks dapat dikonfigurasikan sebagai sistem Single Input Single Output (SISO), Multi Input Multi Output (MIMO), atau Single Input Multi Output (SIMO) berdasarkan manipulasi masukan pada pompa dan daerah kerja dari rotary valve yang terdapat pada plant Coupled Tanks. Berdasarkan hukum kesetimbangan massa, persamaan dinamis setiap tangki adalah: Qi Qo Qo3 (II.) Qi Qo Qo3 (II.) imana, H, H masing-masing adalah tinggi dari cairan pada tangki dan, dan adalah luas penampang tangki dan tangki. Q o3 adalah debit air yang keluar dari tangki menuju tangki. Q i dan Q i adalah debit air dari pompa masing-masing menuju tangki dan tangki. Q o dan Q o adalah debit air keluar masing-masing dari tangki dan tangki. ari Persamaan Bernoul untuk cairan non-kental, mampat cairan dalam aran didapatkan persamaan sebagai berikut. Q o a.. g H.. a. g.. H Q o a.. g H.. a. g.. H Qo x. a.. g H H x. a. g. H H dimana, a, a, dan a 3 merupakan konstanta proporsional dimana bergantung dari koefisien debit area yang sang silang dan konstan gravitasi. engan menggunakan nilai dari (.3) ke (.5) di (.) dan (.) persamaan nonnear menggambarkan dinamika multi-input dan multi-output sistem berasal. inamika plant ini dapat dimodelkan dengan persamaan diferensial sebagai berikut: B. ekopng [3] ekopng digunakan pada plant coupled tank karena plant ini sendiri bersifat MIMO sehingga terjadi interakasi antar input untuk meminimasir/menghilangkan interaksi maka diperlukan dekopng. esain dekopng pada plant dapat dimodelkan sebagai berikut : ambar. Plant dengan ecoupng ekopler dirancang untuk mengkompensasi interaksi proses yang tidak diinginkan. Untuk memperoleh persamaan pada tiap dekopler maka dilakukan anasa terpisah pada tiap inputoutput Berikut persamaanya untuk mencari nilai : ( ) X 0 0 / Kemudian untuk mencari nilai berikut persamaannya : ( / ) X 0 0 III. PERNCNN SISTEM. Pemodelan Sistem Model matematis dari sistem dengan memanfaatkan hukum fisika maka didapat (3.) (3.) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6)

3 JURNL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) F 5 imana : (3.7) Tabel III. Paramater Pemodelan Plant Nonnier Simbol Keterangan Satuan nilai Luas penampang cm 66,5 0,963 Luas penampang lubang keluaran tangki dan dan saluran penghubung antara tangki dan cm β, β β x Rasio bukaan katup (valve) pada lubang keluaran tangki dan Rasio valve antara tangki dan g ravitasi m /s Q i Q i ebit air yang masuk pada tangki ebit air yang masuk pada tangki s Cm 3 / Cm 3 / 0, , ,8,88,588 s Setelah memasukkan semua parameter dan kemudian disimulasikan pada matlab ambar 3. Simulasi Model Nonnier Setelah dilakukan semua parameter dimasukkan ke dalam pemodelan matematika kemudian dilakukan simulasi close dengan model Nonnier untuk menghasilkan model nier dalam bentuk transformasi laplace. Simulasi dilakukan dengan cara memberikan respon unit step pada simulasi close model nonnier sebagai nilai input dari plant kita mendesain model nier dengan memberikan nilai input satu pada setiap nilai input dan input setelah itu kita mehat berapa nilai gain k yang didapatkan tiap model dan nilai steady state tiap respon untuk mencari nilai τ s tiap model nier kemudian yang akan dibentuk dalam transformasi laplace. Berikut hasil dari pemodelan nier dengan cara pendekatan respon close loop model nonnier: 0,7874 s 0,0946 3s 0,0895 9s 0,789 s Bentuk transfer function hasil dari identifikasi sistem sebelumnya yaitu : engan u,u,h,h merupakan nilai dari debit air yang masuk untuk tangki dan serta tinggi tangki dan tangki ambar 4. Transfer Function Plant B. ekopng MIMO Persamaan dekopng didapat dari memasukkan nilai matriks transfer function Coupled Tank Plant yang telah didapatkan Persamaan matriks didapat dari penghitungan sebagai berikut: ( s) ( s) ( s) ( s) ( s) Transfer Function yang didapat adalah sebagai berikut:,76s 0,08387 ( s) 5,6s 0,7998,96s 0,089 ( s),7s 0,789 ambar dekopng sistem pada penetian ini ditunjukan pada ambar 3.3. engan adanya metode dekopng pada sistem, maka output Y hanya dipengaruhi oleh input u. Sedangkan output Y dipengaruhi oleh input u ambar 5. Hasil ekopng

4 JURNL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) F 6 ambar 6. Pengujian Respon Tangki Setelah diperoleh nilai dekopler dan, maka perlu diuji apakah dekopler sudah dapat menghilangkan interaksi antar input. Pengujian dekopng dilakukan dengan memberi sinyal random dari input u. Hasil respon pada sistem saat input u diberi gangguan ditunjukan pada ambar 0 dan ambar. Untuk merivisi bobot neural-network dipakai algoritma gradient steepest descent sehingga dipenuhi kriteria error kuadarat tiap saat minimum. Formulasi kriteria error kuadrat tiap saat minimum ditunjukkan pada persamaan : E( k) ( r( k) y( k)) e w w ( k ) w () ij w w () ij ( k ). () i O () j IV. HSIL N NLIS Simulasi dari coupled tank dikatakan baik apabila respon dari tangki dan tangki dapat mengikuti setpoint serta dapat menghilangkan interaksi antara tangki dan tangki setelah dilakukan dekopng Proses pencarian parameter Kp dan Ki menggunakan lgoritma neural network secara onne dengan menggunakan model nier maupun model nonnier plant. Pada tugas akhir ka ini kita menggunakan 4 ka percobaan yang berbeda beda dengan parameter yang berbeda beda juga. ambar 7. Pengujian Respon Tangki C. Perancangan Kontroler Kontroler PI-Neural Network terdiri atas kontroler PI sebagai kontroler utama dan Neural Network sebagai algoritma cerdas yang dapat melakukan tuning parameter kontroler PI. ambardibawah merupakan struktur dari neural network untuk nilai Kp ambar 9. Hasil Simulasi untuk Tangki Model Linier Berdasarkan pada ambar 3 didapatkan bahwa interaksi antara tangki dan tangki sudah dapat dihilangkan dan serta respon pada tangki sudah bisa mencapai setpoint dengan parameter nilai Kp dan Ki sebesar,987 dan 0,43 ambar 8. Struktur Neural Network [5] lgoritma pembelajaran neural-network yang dipakai adalah feed forward. Input layer neural-network berupa nilai tegangan beban. Persamaan input layer neural-network ditunjukkan pada persamaan x( j), ( j,,..., M) O j M meruapakan jumlah variabel input pada input layer, pada neural network digunakan 4 variabel input. Variabel input dari input layer kemudian menuju output layer.

5 JURNL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) F 7 ambar 0. Hasil simulasi untuk tangki model nier Berdasarkan pada ambar 4 didapatkan bahwa interaksi antara tangki dan tangki sudah dapat dihilangkan dan serta respon pada tangki sudah bisa mencapai setpoint dengan parameter nilai Kp dan Ki sebesar,987 dan 0,73 V. KESIMPULN ari anasis yang telah dilakukan terhadap hasil simulasi maka dapat disimpulkan bahwa:. pengaturan level pada coupled tank didapatkan model decoupng secara near sehingga bisa mengubah perilaku sistem yang sebelumnya bersifat MIMO menjadi SISO dengan gangguan sinyal random pada masukan untuk H sebesar 0% sinyal referensi. B. Simulasi dengan menggunakan model nier dari plant coupled tank didapatkan nilai untuk Kp optimal yaitu 3,003 dan Ki optimal yaitu 0,603 untuk level tangki sedangkan untuk level tangki didapatkan nilai optimal untuk Kp yaitu 5,043 dan Ki yaitu 0,87. C. Simulasi plant coupled tank disimulasikan dengan model nonnier dengan menggunakan decoupng nier efek dari decoupng dapat mengurangi gangguan dari perubahan setpoint salah satu input, meskipun masih terdapat error steady state dengan rata rata sebesar 0,03%. Pada simulasi model nonnier menghasilkan nilai Kp optimal sebesar,983 dan Ki sebesar 0,57 untuk level tangki, kemudian untuk tangki mendapat nilai Kp optimal sebesar 3,07, Ki optimal sebesar,8. ambar. Hasil simulasi untuk tangki model nonnier Berdasarkan pada ambar 5 didapatkan bahwa interaksi antara tangki dan tangki sudah dapat dihilangkan dan serta respon pada tangki sudah bisa mencapai setpoint dengan parameter nilai Kp dan Ki sebesar 3,987 dan 0,43 terdapat error steady state sebesar 0,05%. FTR PUSTK [] M.S. Ram, M.. hmad, R.M.T. Raja Ismail, Comparison of Swarm daptive Neural Network Control of a Coupled Tank Liquid Level System, International Conference on Computer Technology and evelopment, Kinabalu, 3-5 November 009. [] rjin Numsomran. Tianchai Sukri. Maitree Thumma, esign egree Of Freedom (OF) PI Controller With ecoupng For Coupled Tank Liquid Level System, International Conference on Control and utomation System, Seoul, 3-5 October 007. [3] ryani Fabiany, "Perancangan Kontroler PI- untuk Sistem Pengaturan Level dan Pressure pada Simulator Plant Boiler-Turbine dengan Metode ekopng Sistem MIMO," Tugas khir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 06. [4] Ogata, Katsuhiko, Modern Control Engineering, Prentice Hall, New Jersey, 970 [5] Wicaksono, gung Setyadi, Perancangan dan Implementasi Sistem Pengaturan Kecepatan Motor rus Searah Tanpa Sikat Menggunakan Kontroler PI Berbasiskan Neural-Fuzzy Hibrida daptif, Tugas khir, Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya, 06. [6] Haykin, Simon. Neural Networks and Learning Machines: Third Edition.United States of merica,pearson Prentice Hall,999 [7] harmawan, Rheza Qashmal, esain utotuning Kontroler PI Berbasis lgoritma Neural Network untuk Sistem Pengaturan Cascade level dan Flow Liquid pada Plant Coupled tanks, Tugas khir, Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya, 06 ambar. Hasil Simulasi untuk tangki model nonnier Berdasarkan pada ambar 6 didapatkan bahwa interaksi antara tangki dan tangki sudah dapat dihilangkan dan serta respon pada tangki sudah bisa mencapai setpoint dengan parameter nilai Kp dan Ki sebesar 3,0087 dan,3. Terdapat error steady state sebesar 0,03%.