DESAIN KONTROL PID DENGAN METODA TUNING DIRECT SYNTHESIS UNTUK PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC

Transkripsi

1 ISSN DESAIN KONTROL PID DENGAN METODA TUNING DIRECT SYNTHESIS UNTUK PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC R.B.Moh. Gozali Pogam Studi Teknik Elekto, Univesitas Jembe Tlp : HP: ABSTRACT PID ontolle is a ontolle whih ommonly used in industial wold. The impotane of PID ontolle design is the ability to detemine ontolle paamete o tuning. In this eseah, Diet Synthesis tuning method will be disussed. Geneally, PLC is used as sequene egulato devie. PLC also an be used as digital PID ontolle by using ASCII module (Omon) whih has ability to adopt BASIC language pogamming. Diet Synthesis an be implemented by integating PLC as PID ontolle with DC moto as a plant. Result shows that Diet Synthesis tuning method inease plant pefomane signifiantly. Keywods : PID ontolle, tuning, PLC 1. PENDAHULUAN Kontole PID adalah kontole beumpanbalik yang paling popule di dunia industi. Selama lebih dai 50 tahun, kontole PID tebukti dapat membeikan pefoma kontol yang baik meski mempunyai algoitma sedehana yang mudah dipahami [1]. Hal kusial dalam desain kontole PID ialah tuning atau pembeian paamete P, I, dan D aga didapatkan espon sistem yang diinginkan. Salah satu metoda yang munul ialah tuning bedasa model plant, kaena identifikasi plant bukan lagi hal yang sulit untuk dilakukan. Salah satu jenisnya ialah Diet Synthesis yang memelukan model plant sebenanya dan model plant yang diinginkan untuk mendapatkan paamete P, I, D dai kontole [2]. Sementaa itu, di dunia industi juga dikenal adanya Pogammable Logi Contolle (PLC) sebagai alat pengatu uutan poses seaa digital. Namun sekaang ini PLC telah dapat juga menangani poses analog. PLC C200H OMRON mengadaptasi hal itu dengan munulnya speial unit sepeti Analog Input Unit, Analog Output Unit, PID Contolle, ASCII Unit, dan lain lain [3]. Kaena itu, pape ini akan mengimplementasikan kontole PID pada modul ASCII untuk mengatu keepatan moto DC. Selain itu akan dilakukan peneapan metoda tuning Diet Synthesis pada kontole PID. Sebagai atatan, tidak semua metoda tuning ook digunakan untuk jenis-jenis plant tetentu. Misalnya: penggunaan metoda tuning Ziegle-Nihols untuk pengatuan posisi moto DC justu membeikan hasil yang mengeewakan saat kontole PID diteapkan [4]. TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,

2 2. LANDASAN TEORI 2.1 Kontole PID [4] Kontole adalah komponen yang befungsi meminimasi sinyal kesalahan. Tipe kontole yang paling popule ialah kontole PID. Elemen-elemen kontole P, I dan D masingmasing seaa keseluuhan betujuan untuk mempeepat eaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan peubahan awal yang besa. Pesamaan kontole PID dalam bentuk Laplae: 1 M ( K( E( E( TDsE( ) (1) T s Tuning Kontole dengan Model Plant Nyata [2] Aspek yang sangat penting dalam desain kontole PID ialah penentuan paamete kontole PID supaya sistem lose loop memenuhi kiteia pefomansi yang diinginkan. Hal ini disebut juga dengan tuning kontole. Seiing dengan bekembangnya penelitian tentang identifikasi suatu sistem blak box, maka mempeoleh tansfe funtion atau kaakteistik dai sistem tesebut bukanlah hal yang teamat sulit. Hal ini menyebabkan metoda tuning kontole yang membutuhkan model plant sebenanya juga dapat dilakukan dengan elative mudah, misalnya dengan metoda Diet Sinthesys. Metoda ini telebih dulu menentukan peilaku ouput yang diinginkan (efeene) dengan membuat bentuk tayektoinya, dan model posesnya (plant) digunakan untuk seaa langsung mendapatkan pesamaan kontole yang sesuai. Beikut ini penuunan umusnya. Jika diketahui diagam blok dai suatu system ialah sebagai beikut. Gamba 1. Blok diagam dai sistem kontol beumpan balik Maka losed-loop tansfe funtion ialah sebagai beikut : gg y( yd ( (2) 1 gg h Dan pendekatan yang diinginkan untuk mendapatkan setpoint yang bau dimodelkan dengan tayektoi yang diinginkan beikut : 284 Gozali Desain Kontol PID dengan Metoda Tuning Diet Synthesis

3 y( gg q( (3) yd ( 1 ggh sehingga pesamaan kontolenya : 1 q g (4) g 1 q Sesuai dengan tansfe funtion plant moto DC yang telah didapatkan dan bebentuk Fist Ode Plus Dead Time (FOPDT), yaitu: as K. e g( (5) s 1 Dan dipilih efeene tajetoy: a e s q( s 1 (6) Dengan memasukkan hasil Pesamaan 5 dan Pesamaan 6 pada Pesamaan 4 maka didapat pesamaan kontole : s 1 1 g (7) as K s 1 e Akhinya didapatkan kontole dalam bentuk pesamaan, namun untuk meealisasikannya sangat sulit kaena besaan tidak bisa diimplementasikan dalam komponen analog. Namun dengan adanya implementasi kontole PID pada mikoposeso dan kompute digital membuat besaan tesebut bisa diimplementasikan. Melalui model dasa kontole ini didapatkan bebeapa maam nilai tuning PID yang bebeda-beda. Dengan menggunakan pendekatan Pade ode 1 : 1 s e as 2 (8) 1 s 2 Pada Pesamaan 7, kontole yang didapatkan menjadi 1 s 1 g 1 2 (9) * K( ) s 1 s dengan τ* adalah filte yang mempunyai pesamaan sebagai beikut: * (10) 2( ) TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,

4 Pesamaan 9 mempunyai stuktu sesuai dengan stuktu kontole PID komesial. Maka paamete kontole PID komesial dapat diai sebagai beikut : * K ; l ; D ; K( a) 2 (11) 2 Dengan kontole yang sama, pesamaan di atas dapat disusun kembali menjadi : 1 1 g (12) K( ) a * s 1 s 2 2 Maka paamete tuning dai kontole PID ideal ialah : 2 K ; l ; 2 K( ) 2 d ; * (13) 2 2 Paamete inilah yang digunakan dalam ekspeimen. 3. PERANCANGAN MODEL 3.1 Peenanaan Hadwae [3] Kepeluan hadwae meliputi : modul ASCII pada PLC sebagai alat kontol utama, modul Analog Input pada PLC dan hadwae pendukung (Digital to Analog Convete, Amplifie) untuk mengkondisikan sinyal antaa PLC dan plant. Hanya unit ASCII yang akan dijelaskan dengan detail pada pape ini Unit ASCII [5] Unit ASCII adalah unit pelengkap edas dai PLC C200H OMRON yang membuat system kontol bebasis PLC lebih fleksibel dan bekemampuan tinggi. Unit ASCII ini dapat digunakan untuk memonito sistem, memposes data, membuat lapoan dan mengejakan tugas tugas lainnya. Pemogaman pada ASCII Unit dikejakan dengan BASIC, sebagai pengganti ladde diagam, sehingga lebih ook untuk memposes data analog. Konfiguasi Beikut ini konfiguasi sistem dengan modul ASCII. 286 Gozali Desain Kontol PID dengan Metoda Tuning Diet Synthesis

5 Gamba 2. Konfiguasi Sistem dengan ModulASCII Komunikasi Untuk menggunakan Unit ASCII yang behubungan dengan PLC, dipelukan pogam untuk Unit ASCII yang ditulis dalam BASIC. Peintah petukaan data haus disetakan ke dalam pogam PLC keuali jika penyataan peintah yang digunakan telah menggunakan petunjuk daeah memoi yang spesifik (misal : PC PC ). Peintah tesebut haus menentukan jumlah wod yang akan ditansfe, base addess, dan daeah memoi yang spesifik. Hal ini bisa dilakukan dengan menggunakan instuksi PC MOV. Ada 2 aa Unit ASCII dapat bekomunikasi dengan PLC. Pada metoda petama, PLC mengontol timing tansfe data antaa 2 alat ini. ASCII Unit meminta akses ke daeah memoi data PLC dengan menggunakan statement PC READ, PC WRITE, PC GET, atau PC PUT, dan kemudian menunggu PLC meespon dengan menyalakan ead atau wite flag. Pada metoda yang ke dua, tidak ada kode petukaan data khusus dai PLC yang dipelukan untuk mengkomunikasikan 2 alat ini. Jika paamete penunjuk daeah memoi telah ditentukan dengan statement PC READ atau PC WRITE, Unit ASCII dapat langsung mengakses daeah memoi PLC yang telah ditentukan. Gamba gamba beikut ini mengilustasikan hubungan antaa pogam di PLC dan pogam di ASCII Unit. Gamba 3. Hubungan antaa pogam di PLC dan pogam di unit ASCII Pogam BASIC untuk ASCII Unit haus ditulis pada PC yang dihubungkan dengan pot 1 ASCII Unit melalui RS 232-C. Sebuah pogam dapat ditansfe ke TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,

6 ASCII Unit dai PC atau alat penyimpan lain dengan peintah LOAD. LOAD juga digunakan untuk mentansfe pogam dai EEPROM ke RAM dalam Unit ASCII. Sebaliknya, pogam dapat ditansfe dai RAM ke EEPROM dai ASCII Unit atau ke PC yang tehubung dengan peintah SAVE. Selain itu, pogam juga dapat ditansfe dengan mudah dengan softwae bawaan dai OMRON yaitu SYSMATE ASCII. ASCII Unit dihubungkan ke alat peipheal melalui dua RS-232C intefae. Konekto db 9 digunakan untuk kedua pot. Beikut ini susunan angkaian untuk upload pogam. Gamba 4. Rangkaian hadwae untuk upload output pogam Gamba 5. Rangkaian hadwae untuk unning pogam Rangkaian Lengkap Hadwae Gamba 6 menunjukkan angkaian lengkap PLC, plant, dan hadwae pendukung lainnya yang dipegunakan dalam peobaan Gamba 6. Rangkaian hadwae 288 Gozali Desain Kontol PID dengan Metoda Tuning Diet Synthesis

7 3.2 Peenanaan Softwae Selain masalah hadwae, softwae yang bekeja sebagai jantung dai sistem sangat penting untuk dienanakan dengan tepat. Di antaanya ialah algoitma untuk tansfe data dan implementasi kontole digital Algoitma Tansfe Data [5] Data dai plant (moto DC) beupa tegangan yang dihasilkan oleh tahomete. Tegangan analog antaa 0 5 V tesebut dimasukkan ke dalam ADC 8 bit dan akan diubah menjadi 8 digit bilangan bine yang meepesentasikan nilai tegangan analog tesebut bedasakan nilai nilai bine dai MSB (Most Signifiant Bit) sampai LSB (Least Signifiant Bit). Nilai keluaan ADC sebesa 0 5 V tesebut akan dikuatkan sebesa 4 kali kaena level logi pada Input Module PLC adalah 0-24 V, yang akan dianggap sebagai data input PLC. Data input PLC ini dengan ladde tetentu akan dikiimkan kepada modul ASCII, dimana modul ini akan meneima data dengan pogam BASIC tetentu. Di dalam modul ASCII, data akan diolah sesuai keinginan pogamme (dalam hal ini dimasukkan dalam pogam kontole PID), kemudian hasil akhinya akan dikiimkan lagi ke PLC dengan pogam BASIC tetentu. PLC akan meneima data dengan ladde tetentu juga. Sedangkan data dai PLC beupa data digital 8 bit yang akan diubah ke dalam bentuk tegangan analog melalui modul analog output (DA 001) Implementasi Algoitma Kontole Digital[6] Selain itu implementasi kontole PID seaa digital juga haus diteapkan dengan bena dan teliti. Modul ASCII pada PLC akan digunakan sebagai kontole PID. Aspek aspek implementasi kontole dalam pogam (digital) ialah sebagai beikut: Pesamaan kontole PID digital : m n K T d e n e t 1 T n n1 en ek. i k 0 t (14) Penggunaan Sampling time: 0,2 detik. Pelu adanya penambahan konstanta MV yang mewakili nilai dai manipulated vaiable saat steady state supaya tidak tejadi keadaan sinyal kontol = 0 saat eo = 0. Besa MV = 3,5 V. Mengatasi integal windup atau integal satuation dengan membatasi besanya komponen integal atau sinyal kontol yaitu antaa 2,5 8 V. Dengan memasukkan nilai nilai paamete kontole PID bedasa metoda tuning : Diet Sinthesys yang telah dijelaskan, beikut hasil yang didapatkan. K 1,826 ; Ti = 1,632 ; T d = 0,028 p TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,

8 4. HASIL PENGUKURAN DAN ANALISA 4.1 Identifikasi Sistem [7] Identifikasi poses atau sistem dilakukan bedasakan data peobaan/ekspeimen dengan menguku sinyal masukan dan keluaan. Identifikasi yang dilakukan beikut adalah metoda identifikasi Stej yang meupakan salah satu ontoh dai metoda ekspeimental. Dai pehitungan yang dilakukan beikut model matematika yang didapatkan: 0,847 G ( (1,604s 1)(0,056s 1) (15) Dai pehitungan dengan Matlab untuk membandingkan hasil simulasi dan espon sebenanya, didapatkan nom eo yang ukup keil antaa keduanya yaitu sebesa : 4, Kiteia Pefomansi [8] Dengan mengau pada pengetian yang dibeikan Ogata [8], beikut ini kiteia pefomansi dai plant yang digunakan: Beada dalam pita akuasi 5% (lebih atau kuang dai 5% set point). Dalam besaan tegangan : 3,8 V 4,2 V. Eo steady state kuang dai 5% dai set point (aga bekoelasi dengan syaat akuasi). Dalam besaan tegangan kuang dai 4,2 V. Rise time maksimal 1 s. Setting time maksimal 2 s Maximum oveshoot sebesa 5% dai set point. Dalam besaan tegangan : maksimal 4,2 V. 4.3 Hasil dan Analisa Pengujian Sistem Pengukuan data dilakukan dengan menyusun angkaian sepeti pada gamba 6, dan meekam hasilnya Simulasi dan Peobaan Close Loop Test I Peubahan Set Point Gamba 7. Simulasi lose loop test I untuk plant tanpa kontole Gamba 8. Simulasi lose loop test I untuk plant dengan kontole PID metoda tuning Diet Sinthesys 290 Gozali Desain Kontol PID dengan Metoda Tuning Diet Synthesis

9 Ekspeimen petama yang dilakukan ialah dengan membeikan peubahan set point pada plant yang tealah unning dan steady. Beikut ini gamba hasil simulasi dengan MATLAB dai ekspeimen tesebut untuk plant tanpa kontole. Hasil simulasi plant tanpa kontole pada gamba 7, dan hasil simulasi plant dengan kontole PID-Diet Synthesis pada gamba Simulasi dan Peobaan Close Loop Test II Input Distubanes Close loop test ini dilakukan dengan membeikan tegangan input sebesa 4 V sehingga moto akan begeak dan menapai keadaan steady, kemudian akan dibeikan gangguan (distubane beupa em magnetik. Dengan peobaan ini akan dilihat bagaimana aksi kontole dalam menangani adanya gangguan ini. Hasil simulasi plant tanpa kontole dan hasil simulasi plant dengan kontole PID- Diet Synthesis adalah sebagai beikut : Gamba 11. Simulasi lose loop test II Gamba 12. Simulasi lose loop test II untuk untuk plant tanpa kontole plant dengan kontole PID metoda tuning Diet Synthesis Hasil peobaan sebenanya dai plant tanpa kontole dan plant dengan kontole PID-Diet Synthesis : Gamba 13. Close loop test II untuk plant tanpa kontole Gamba 14. Close loop test II untuk plant dengan kontole PID metoda tuning Diet Synthesis Beikut ini hasil penatatan kiteia pefomansi masing-masing sistem. Dai tabel 2 nampak bahwa penambahan kontole PID metoda tuning Diet Synthesis membeikan pebaikan waktu kembali pada plant. TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,

10 Tabel 2. Hasil pengamatan waktu kembali pada lose loop test II NO METODA Waktu Kembali (detik) 1 Tanpa kontole (simulasi) - 2 Dengan kontole PID (simulasi) 2,88 3 Tanpa kontole (peobaan) - 4 Dengan kontole PID (peobaan) 2,88 5. SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan Dai pembahasan dalam penelitian ini dapat disimpulkan bahwa : a. Implementasi kontole PID pada modul ASCII-PLC C200H untuk mengatu keepatan moto DC dapat dilakukan. b. Implementasi metoda tuning Diet Sinthesys pada kontole PID membeikan iteia pefomansi plant yang ukup baik (membei akuasi, eo steady state : 0,144 detik, maximum oveshoot : 0, ise time : 0,36 detik, dan settling time : 0,54 detik) dan kemampuan untuk kembali menapai set point saat dibeikan distubane. 5.2 Saan Saan saan untuk mengembangkan penelitian ini ialah: a. Implementasi self-tuning PID dengan fuzzy logi untuk peningkatan pefoma ontol dai kontole PID. b. Pemilihan jenis dan kaakteistik plant yang tepat aga bebagai pengembangan dalam ekspeimen dapat dilakukan. PUSTAKA [1] Willis, M. J. (1999) Popotional-Integal-Deivative Contol, a.uk/ ming/pid/pid.pdf [2] H. Sugimoto and S. Tamai. (1985) Seonday esistane identifiation of an indution moto applied model efeene adaptive system and its haeteistis, in Po. IEEE-IAS Annu. Meeting,, pp [3] Anonim. (1988) Sysma Pogammable Contolle C200H Opeation Manual, OMRON [4] L. Zhen and L. Xu. (1995) A mutual MRAS identifiation sheme fo position sensoless field oientation ontol of indution motos, in Po. IEEE-IAS Annu. Meeting,, pp [5] T. Nouguhi, S. Kondo, and I. Takahashi. (1997) Field-oiented ontol of an indution moto with obust on-line tuning of its paametes, IEEE Tan. Ind. Appliat., vol. 33, pp , Jan./Feb [6] R. Maino, S. Peesada, and P. Tomei. (1999) Global adaptive output feedbak ontol of indution motos with unetain oto esistane, IEEE Tans. Automat. Cont., vol. 44, pp , May 292 Gozali Desain Kontol PID dengan Metoda Tuning Diet Synthesis

11 [7] T. Matsuo and T. A. Lipo. (1985) A oto paamete identifiation sheme fo veto ontolled indution moto dives, IEEE Tans. Ind. Appilat., vol. 21, pp , May/June [8] L. C. Zai and T. A. Lipo (1987) An extended kalman filte appoah in oto time onstant measuement in PWM indution moto dives, in Po. IEEE-IAS Annu. Meeting, pp [9] Ogunnaike, B.A., dan Ray, W.H. (1994) Poess Dynamis, Modelling and Contol, Oxfod Univesity Pess. New Yok, USA [10] Smith, C.A., dan Coipio, A.B. (1997) Piniples And Patie of Automati Poess Contol, John Wiley and Sons In. USA [11] Anonim. (1988) Sysma C200H Analog I/O Units Opeation Guide, OMRON TEKNOIN, Vol. 10, No. 4, Desembe 2005,