Perancangan Sliding Mode Controller Untuk Sistem Pengaturan Level Dengan Metode Decoupling Pada Plant Coupled Tanks

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-4 Perancangan Sliding Mode Controller Untuk Sitem Pengaturan Level Dengan Metode Decoupling Pada Plant Coupled Tank Boby Dwi Apriyadi dan Rudhianto Effendie A.K. Juruan Teknik Elektro, Fakulta Teknologi Indutri, Intitut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 Abtrak Pada indutri proe yang melibatkan fluida, uatu fluida akan dipompa dan dialirkan dari atu tangki ke tangki yang lain untuk diolah. Pemindahan cairan dari atu tangki ke tangki yang lain meyebabkan berubahnya level fluida dalam tangki. Dalam pengaturan level, pemindahan cairan biaa diebut ebagai pembebanan pada level. Perubahan beban ini dapat mempengaruhi dari kinerja kontroler. Kontroler yang banyak digunakan di indutri proe adalah kontroler PID karena keederhanaan truktur dan kehandalannya. Sliding Mode Controller adalah uatu metodologi pengaturan yang mampu mengatai perubahan yang mengganggu pada item, tanpa menyebabkan gangguan pada performa item itu endiri. Struktur Sliding Mode Control terdiri dari bagian utama yang berfungi memperbaiki inyal error dengan mengarahkan inyal terebut pada ebuah lintaan yang diinginkan dan bagian tambahan yang berfungi untuk mempertahankan inyal, ehingga dapat mengatai perubahan parameter pada plant dan menjaga performa dari plant. Berdaarkan hail imulai, item pengaturan level air pada plant coupled tank dengan Sliding Mode Controller mempunyai nilai RMSE %. S Kata Kunci Coupled Tank, Decoupling, Sliding Mode Control. I. PENDAHULUAN ISTEM pengendalian di indutri merupakan faktor yang angat penting dalam proe produki. Agar produki tetap tercapai, maka uatu item pengendalian angat diperlukan untuk menjaga ketabilan variable proe. Variabel proe antara lain flow, level, konentrai, volume, dan lain ebaagainya. Coupled tank merupakan alah atu bagian di indutry yang memiliki fungi yang angat vital. Secara umum coupled tank terdiri dari beberapa item, diantaranya adalah item umpan air, item flow, level yang terintegrai menjadi atu keatuan. Sitem umpan air berfungi ebagai penyedia air untuk coupled tank yang bekerja ecara otomati euai kebutuhan team dan kemampuan dari coupled tank itu endiri. Sedangkan item team berfungi ebagai penyedia uap air untuk proe pada plant yang lain. Kedua item ini memerlukan uatu pengaturan agar kondii flow dan level air dapat untuk memenuhi kebutuhan proe elanjutnya. Pengaturan air dilakukan dengan mengendalikian level air yang terdapat di dalam coupled tank itu endiri, edangkan level air dilakukan dengan mengendalikan flow yang mauk ke dalam coupled tank endiri. Flow yang dihailkan oleh coupled tank dipengaruhi oleh kondii dari level air tang terdapat di dalam coupled tank. Salah atu metode pengaturan yang digunakan untuk mengatai ketidakpatian item yang dapat diaplikaikan pada plant ini adalah metode Sliding Mode Control yang adalah alah atu teknik kontrol yang dapat digunakan pada plant yang linier dan nonlinier. Prinip daar untuk Sliding Mode Control terdiri dari perpindahan atau pergerakan keadaan lintaan ke arah bidang geer (liding urface) dan mempertahankannya ekitar bidang ini dengan ebuah fungi geer. Namun, metode Sliding Mode Control ini mempunyai kelemahan, yaitu timbulnya chattering atau witching dengan frekueni tinggi pada inyal kontrol, yang diebabkan oleh ifat dikontinyu pada inyal kontrol natural dari item. Oleh karena itu, dalam penelitian kali ini akan digunakan Sliding Mode Control berbai PID, untuk menghilangkan efek chattering pada inyal kontrol. II. DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM Plant coupled tank merupakan tangki dengan konfigurai dua tangki atau lebih yang aling berhubungan dengan ebuah pipa atau aluran air eperti pada ambar.6. Adanya hubungan antara tangki ini membuat level cairan pada etiap tangki aling berhubungan atau berinteraki. Konfigurai tangki eperti ini banyak digunakan pada indutri, eperti indutri pembuatan kerta, indutri pengolahan limbah, dan indutri kimia. ambar. Model plant coupled tank Level cairan pada tangki pertama ditunjukkan ebagai H dan H untuk level tangki kedua. Flow cairan yang mauk pada tangki dilambangkan ebagai Q i. Untuk flow cairan yang keluar

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-5 dari tangki ditunjukkan ebagai Q i untuk tangki pertama, Q i tangki kedua, dan Q x ebagai flow interaki antara tangki pertama dan tangki kedua. Sitem coupled tank dapat dikonfiguraikan ebagai item Single Input Single Output (SISO), Multi Input Multi Output (MIMO), atau Single Input Multi Output (SIMO) berdaarkan manipulai maukan pada pompa dan daerah kerja dari rotary valve yang terdapat pada plant coupled tank. Jika berdaar model pada ambar. maka plant ini bia digolongkan ebagai item SIMO karena hanya memiliki atu maukan berupa aliran mauk air pada tangki atu dan untuk keluaran adalah level pada kedua tangki. A. Pemodelan Sitem Pengaturan Level Plant Coupled Tank [], [] Sitem yang akan dirancang adalah item pengaturan level dengan konfigurai SISO yaitu pengaturan level pada tangki ke dua, dengan ditunjukkan maukan berupa tegangan pada pompa air untuk memberi aliran air mauk ke tangki dan keluaran berupa level air pada tangki atu atau dua. Model dari plant coupled tank eperti pada ambar.6. Proe pemodelan dimulai dari pemodelan pompa, pipa, tangki pada plant coupled tank dan enor yang digunakan eperti pada ambar. ambar. Diagram Blok Pemodelan Sitem Pengaturan Level Parameter yang digunakan pada pemodelan item pengaturan level ini dapat dilihat pada Tabel. Dalam pemodelan uatu item diperlukan juga untuk mengetahui karakteritik dari komponen etiap penyuun item. Sebagai contoh pada pompa perlu diketahui berapa tegangan makimal kerja pompa, cara kerja dari pompa. Dengan diketahui dengan detail mengenai karakteritik dari item maka model matemati yang akan dibuat bia lebih akurat dan juga dalam real item maka akan diketahui permaalahan yang timbul apabila ada karakteritik dari etiap komponen yang diabaikan. Tabel. Paramater Pemodelan Plant [3] Simbol Keterangan Satuan Nilai H, H Ketinggian air dalam tangki dan cm 40 A Lua penampang cm 66,5 Lua penampang a lubang keluaran tangki dan dan aluran cm 0,963 penghubung antara tangki dan Raio bukaan katup β, β (valve) pada lubang 0,35903 keluaran tangki dan Raio valve antara β x tangki dan 0,38705 g ravitai m / 9,8 Debit air yang mauk pada tangki cm 3 /,88 Debit air yang mauk pada tangki cm 3 /,588 Q i Q i B. Identifikai Sitem [] Sitem coupled tank terdiri dari dua tangki vertical interkoneki oleh aluran aliran air yang menyebabkan ketinggian air dari dua tangki berinteraki. Setiap tangki memiliki pompa independen untuk maukannya berupa cairan. Lua penampang dari bukaan katup dan daar dari maingmaing tangki dan aluran menghubungkan dua tangki ini dapat divariaikan dengan rotary valve. Sitem coupled tank ini dapat dikonfiguraikan ebagai SISO (Single Output Single Input) atau dapat juga ebagai item MIMO (Multiple Output Multiple Input) melalui manipulai pompa input dan ectional daerah dari rotary valve. Berdaarkan hukum keetimbangan maa, didapat peramaan etiap tangki ebagai berikut: A dh Q i Q o Q () dt o3 dh A Q i Q o Q () dt o3 Dimana H dan H maing-maing adalahketinggian dari caiaran yang terdapat pada tangki dan tangki. Lalu A dan A adalah lua penampang yang dimiliki oleh tangki dan tangki. Q i dan Q i adalah debit air yang dikeluarkan dari pompa yang maing-maing menuju ke tangki dan menuju ke tangki. Sedangkan Q o dan Q o adalah debit air keluar yang dimiliki maing-maing tangki dan tangki. Dari peramaan Bernoulli untuk cairan non-kental, kemampatan cairan dalam aliran dapat direpreentaikan ebagai berikut: Q o. a. g. H Q o. a. g. H Q o3 x. a.. H H (3) (4) (5)

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-6 Dimana, β, β, dan β x merupakan kontanta proporional dimana bergantung dari koefiien debit air area yang aling ilang dan juga kontanta gravitai. Dengan menggunakan Peramaan (3), Peramaan (4), dan Peramaan (5) ke Peramaan () dan Peramaan () didapatkan peramaan nonlinear yang menggambarkan dinamika dari multi-input dan multi-output item beraal ebagai berikut: dh A 3 q h h h dt H HH dh A 3 q h h h dt H HH Dengan menguji menggunakan inyal tep untuk mendapatkan model non-linear euai dengan pengaruh dari tiap maukan dapat didapatkan model plant ebagai berikut: 0,7874 (8) 0, (9) 0, (0) 0,789 () (6) (7) ( D ) X 0 D0 D Peramaan D didapat dengan cara: ( D ) X 0 D0 D () (3) Dengan fungi alih yang didapatkan dari model di ata mauk ke peramaan berikut: ( ) ( ). ( ) () D 577,7 37,880,687 (),56e ,0,789 () ( ) D ( ). ( ) 577,7 37,880,687 (),63e ,390,7998 (4) (5) C. Dekopling [] Dekopling digunakan untuk meminimaliir atau menghilangkan interaki yang terjadi pada plant coupled tank yang berifat MIMO yang menyebabkan terjadinya interaki input. Deain yang digunakan pada plant ditunjukkan eperti berikut: D. Perancangan Kontroler Sliding Mode [3] Perancangan kontroler dideain dan diimplementaikan untuk mempercepat rie time dan menjadikan repon mencapai et point yang diinginkan. Dari Peramaan (4) dan (5) dilakukan pendekatan orde atu menggunakan reduki bode. Pada hail identifikai menggunakan analia reduki bode, didapat fungi alih dari plant eperti berikut: U (t H - H (t) g g.7 (6) (7) U (t) H Decoupling - ambar 3. Plant dengan Decoupling Plant Didapatkan peramaan untuk decoupling dengan manganalia ecara terpiah pada etiap input-output. Peramaan D didapat dengan cara berikut: H (t) Dari Peramaan (6) dan Peramaan (7) akan dideain kontroler liding mode untuk mengendalikan model terebut. Dimana kontroler ini akan mengatur level dari tangki agar euai dengan et point yang diinginkan. Koefiien dari numerator dan denumerator ebagai fungi alih dari Peramaan (6) dan Peramaan (7) akan dimialkan menjadi variabel tetap agar lebih mudah dalam mendeain kontroler. Sehingga fungi alih dari plant menjadi: Y () K () U () a b (8) Tranfer function di ata pada Peramaan (8) dapat direpreentaikan dalam bentuk peramaan diferenial (dengan aumi nilai awal adalah nol):

4 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-7 ay by Ku y cy du y cy du (9) Dimana b c a K d a Lalu, ambil peramaan inyal error e y y r Didefiniikan uatu permukaan luncur ebagai berikut: ee ee (0) () () ambar 3. Deain Kontroler SMC A. Pengujian Open Loop Sytem Pada tahap ini dilakukan imulai item plant coupled tank pada tangki dan. Repon open loop dilakukan untuk menguji repon plant coupled tank apabila tidak dilakukan proe control cloe loop. Dari peramaan fungi alih,,, dan dilakukan pengujian open loop tanpa diberi kontroler terlebih dahulu eperti yang terlihat pada ambar 4. Sehingga didapat peramaan untuk Ueq eperti berikut: y cy y cy u r r eq u eq d d d d (3) Setelah ditemukan inyal kontrol ekivalen, elanjutnya adalah mencari inyal kontrol natural. y cy du y cy du (4) r r ambar 4. Diagram Simulai Sitem Open Loop tanpa Decoupling Yang pertama, dilakukan imulai pada plant tangki. Sinyal uji yang diberikan berupa inyal tep dengan et point lima. Hail imulai didapatkan repon item eperti pada ambar 5. Dimana u u u (5) eq n Berdaarkan yarat ketabilan Lyapunov, maka dipilih: () W. at( ) Sehingga Un didapatkan ebagai berikut: un W u. at( ) n d (3) Dimana W > 0. III. HASIL SIMULASI Pada bab ini, dipaparkan hail imulai dan analii dari open loop ytem dan Sliding Mode Control. ambar 5. Repon Sitem Open Loop tanpa Decoupling Tangki Dari repon item pada ambar 5 terebut dapat diamati bahwa item open loop tanpa decoupling tangki maih memiliki kealahan tunak, yaitu ebear Selanjutnya dilakukan imulai pada tangki. Sinyal uji yang diberikan ama dengan inyal uji yang diberikan pada plant tangki.

5 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-8 Hail imulai didapatkan repon item eperti pada ambar 6. ambar 8. Repon pada Tangki dengan Sliding Mode Controller ambar 6. Repon Sitem Open Loop tanpa Decoupling Tangki Dari repon item pada ambar 6 terebut dapat diamati bahwa item open loop tanpa decoupling tangki maih memiliki kealahan tunak, yaitu ebear Dari ambar 8 dapat dilihat bahwa repon terebut mulai teady tate pada waktu 60 detik dan mempunyai rie time ekitar 30 detik. Selanjutnya dilakukan pengujian pada tangki dengan menggunakan inyal uji berupa inyal tep. Berikut ini adalah hail pengujian pada tangki. ambar 9. Repon pada Tangki dengan Sliding Mode Controller ambar 7. Repon Sitem Open Loop tanpa Decoupling Tangki dan Dari ambar 7 dapat dilihat aat kedua tangki mendapatkan inyal uji yang ama mempunyai perbedaan waktu tunak. Dimana kealahan tunak dari tangki lebih kecil dibandingkan dengan kealahan tunak dari tangki. B. Pengujian Kontroler SMC-PID Pada tahap ini dilakukan pengujian pada plant coupled tank pada tangki dan tangki dengan menggunakan inyal uji berupa inyal tep. Berikut ini merupakan hail pengujian pada tangki adalah ebagai berikut: Dari ambar 9 dapat dilihat bahwa repon terebut mulai teady tate pada waktu 67 detik dan mempunyai rie time ekitar 34 detik. IV. KESIMPULAN Berdaarkan hail pengujian dan analii, dapat diperoleh keimpulan bahwa Metode Sliding Mode Control yang diaplikaikan pada plant coupled tank dengan time contant mendekati repon orde pertama yang diinginkan. Dari kontroler didapatkan error ebear 0,04% pada tangki dan 0,047% pada tangki.

6 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No., (07) ISSN: (30-97 Print) B-9 DAFTAR PUSTAKA [] Darmawan, Rheza Qahmal, Deain Autotuning Kontroler PID Berbai Algoritma Neural-Network Untuk Sitem Pengaturan Cacade Level dan Flow Liquid pada Plant Coupled Tank, Tuga Akhir, Juruan Teknik Elektro ITS Surabaya, 06. [] Arjin Numomran, Tianchai Sukri, Maitree Thumma, Deign of -DOF PI Controller with Decoupling for Coupled-Tank Proce, International Conference on Control, Automation and Sytem, 007. [3] Al Amin, Ana, "Pengaturan Tekanan Boiler-Turbine Berbai Hybrid Fuzzy PID.", Tuga Akhir, Juruan Teknik Elektro ITS Surabaya, 0.