Syahrir Abdussamad, Simulasi Kendalian Flow Control Unit G.U.N.T Tipe 020 dengan Pengendali PID

Transkripsi

1 Syahrir Abdussamad, Simulasi Kendalian Control Unit G.U.N.T Tipe dengan Pengendali PID

2 MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Juni 9 SIMULASI KENDALIAN FLOW CONTROL UNIT G.U.N.T TIPE DENGAN PENGENDALI PID Syahrir Abdussamad Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Gorontalo Abstrak Level Control Unit tipe buatan G.U.N.T Jerman berfungsi sebagai modul yang dapat digunakan untuk mempelajari konsep pengendalian proses aliran air. Modul ini terdiri atas sebuah tangki yang terhubung dengan pompa yang yang mengendalikan aliran air.katup-katup yang berfungsi memasukkan dan mengalirkan air ke luar. Pengendali ini bekerja dengan mengatur keadaan pompa sedemikian rupa sehingga dapat bereaksi dengan katup-katup. Untuk memodelkan pada SIMULINK, maka perlu diketahui perinsip kerja dari modul, kecepatan pengisian pompa dan pengaturan katup-katup. Kata kunci: control unit, Simulink, contol PID Sistem kendali proses terdiri dari dua bagian utama yaitu:. Pengendali (controller). Kendalian (plant) Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini: Control Unit adalah suatu Modul Praktikum yang digunakan untuk mempelajari konsep dasar pengendalian proses aliran fluida pada sistem tangki air. Modul ini terdiri dari sebuah tangki penyedia yang terhubung dengan sebuah pompa (yang digunakan untuk aliran air keluar) dan dua buah katup dengan hubungan seri (yang digunakan untuk aliran air masuk). Sumber air yang mengalir pada katup berasal dari aliran air yang keluar dari pompa dan pada pipa penghubungnya terdapat sebuah rotameter yang transparant dan sebuah sensor aliran ( Sensor). Gambar.Konfigurasi Dasar Sistem Kontrol Gambar di atas atas, isyarat luaran (output signal) dan isyarat (Control Signal) dapat dilengkapi (tetapi tidak harus) dengan isyarat umpan-balik (feedback Signal) yang dalam operasinya dibandingkan dengan isyarat masukan acuan (Reference input signal) atau perintah, atau set point, agar pengendali dapat menghasilkan isyarat yang mengendalikan an samapai menghasilkan luaran yang diharapkan. Sistem kontrol yang demikian biasa dikategorikan sebagai system kontrol dengan umpan- balik (feedback Control System). Tidak semua sistem merupakan sistem dengan umpan balik, banyak juga sistem yang beroperasi tanpa umpan balik. Gambar : Model Fisik dari Control Unit Prinsip kerja dari modul ini adalah sebagai berikut:

3 Syahrir Abdussamad, Simulasi Kendalian Control Unit G.U.N.T Tipe dengan Pengendali PID - Pompa akan bekerja bila katup manual terbuka. - Besaran aliran fluida (debit) divisualisasi pada rotameter dalam skala liter/menit. - Debit aliran fluida juga dipindai oleh sensor aliran dalam bentuk sinyal listrik. Sinyal luaran ini akan diteruskan pada pengendali guna menghasilkan isyarat kendali untuk menggerakan pompa dan katup otomatis sesuai dengan nilai set point yang diberikan. - Pompa akan berhenti bila katup manual ditutup penuh (%). Data teknis :. P X L X T: 6x44x56mm, 9kg. Maximum flow rate:,5 3 ltr/min 3. Suplay tank capacity: approx 3 ltr 4. Daya pompa 8 W (Max), dengan nilai debit maksimum 6,8 liter/menit dan Head 6m (max). 5. Software dapat dikonfigurasi menjadi pengendali P, PI, atau PID dan dilengkapi dengan fungsi perekam event yang terjadi pada Kendalian. Data asumsi (approx). Gaya Gravitasi pada modul diabaikan karena sistem pada modul Fow Control Unit adalah sistem aliran tertutup. Zat cair adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan ( kehilangan energi akibat gesekan adalah nol ) 3. Zat cair adalah komponen homogen dan tidak termampatkan (rapat massa zat cair adalah konstan) 4. Aliran Fluida adalah aliran laminar dan tidak Turbulent (Aliran dalam proses ini biasanya turbulent dan tidak laminar). PID CONTROLLER PID Controller merupakan jenis pengendali yang banyak digunakan. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust. Sehingga akan menjadi suatu sistem pengendali yang semakin baik. Secara umum fungsi transfer dari PID controller adalah sebagai berikut : dengan : Gambar 3. Blok diagram suatu sistem loop tertutup Cara kerja PID Variable menggambarkan tracking error, nilai masukan yang berbeda (R), keluaran actual. Signal error ini akan dikirim ke PID controller, dan controller akan menghitung keseluruhan turunan dan integral dari signal error ini. Sinyal yang telah melewati controller, sekarang sama dengan proporsional penguatan dikalikan ukuran kesalahannya ditambah penguatan integral dikalikan ukuran kesalahan integralnya ditambah penguatan turunan dikalikan ukuran kesalahnnya sebagai berikut, Sinyal akan dikirim ke plant, dan akan mendapatkan keluaran baru. Keluaran baru ini akan dikirim kembali ke sensor dan kemudian dibandingkan dengan set point untuk mendapatkan kesalahan sinyal baru. Controller kemudian akan menghitung turunanturunannya dan integral-integralnya sekali lagi. Proses tersebut akan berjalan terus-menerus seperti semula. Karakteristik dari PID Controller PID Controller sebenarnya terdiri dari 3 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu P (Proportional) Controller, D (Derivative) Controller, dan I (Integral) Controller. Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masingmasing, hal ini dapat dilihat pada table di bawah ini :

4 MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Juni 9 Respon loop tertutup Tabel. Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta Waktu naik Overshoot Waktu turun Kesalahan keadaan tunak Kp Menurun Meningkat Perubahan kecil Menurun Ki Menurun Meningkat Meningkat Hilang Kd Perubahan kecil Menurun Menurun Perubahan kecil Terlihat dari tabel, bahwa konstanta adalah saling bebas. Namun pada kenyataannya, parameter-parameter tersebut, tidak bersifat independen, sehingga pada saat salah satu nilai konstantanya diubah, maka mungkin sistem tidak akan bereaksi seperti yang diinginkan. Tabel di atas hanya dipergunakan sebagai referensi jika akan melakukan perubahan konstanta. Merancang PID Controller Untuk merancang suatu PID Controller, dapat dilakukan dengan cara :. Metode Respon dengan quarter-aplitudo decay (diperkenalkan oleh Ziegler dan Nicchols, pada pertemuan tahunan The American Society of Chemical Engineers pada -5 desember 94).. Metoda trial & error. Melalui metode ini perancang harus mencoba-coba kombinasi pengendali beserta konstantanya untuk mendapatkan hasil terbaik yang paling sederhana. Konstanta ditentukan sehingga respon sistem adalah sesuai dengan kebutuhan yang dikehendaki. Secara umum kriteria sistem yang ingin dicapai adalah tidak memiliki overshoot, waktu naik (rise time) yang cepat dan tidak memiliki kesalahan keadaan tunak (steady state error). Berikut ini beberapa tips yang dapat dipergunakan untuk mendapatkan respon yang diinginkan :. Dapatkan respon sistem untuk menentukan bagian mana yang harus diperbaiki (waktu naik, waktu turun, overshoot, kesalahan keadaan tunak).. Tambahkan P controller untuk memperbaiki waktu naik. 3. Tambahkan D controller untuk memperbaiki overshoot. 4. Tambahkan I controller untuk menghilangkan steady state error. 5. Kombinasikan konstanta yang ada untuk mendapatkan respon yang diinginkan. Dalam mengimplementasikan sistem kendali, sebenarnya tidak perlu menggunakan PID Controller. Jika sistem sudah memberikan respon yang cukup baik hanya dengan PI Controller, maka tidak perlu menambahkan D Controller ke dalamnya. Sehingga sistem menjadi lebih sederhana (kombinasi yang makin banyak membuat sistem menjadi makin kompleks) PEMODELAN DENGAN SIMULINK Pemodelan dengan program Simulink Matlab 7. ditunjukkan pada gambar berikut, Gambar 4. Pemodelan flow control unit

5 Syahrir Abdussamad, Simulasi Kendalian Control Unit G.U.N.T Tipe dengan Pengendali PID Gambar 5. Pemodelan subsistem gangguan HASIL SIMULASI DENGAN PENGENDALI PID Pengujian dengan set point = 3 ltr/min, KP=, KI=., KD= a. Sumber gangguan : Time final value Time 5 final value 4 Time 5 final value 6 Time 5final value 3 Time 3 final value 7 K.M anual Rotameter K.Otom atis Pompa Gambar 7. Grafik hasil simulasi Gambar 6, Pemodelan subsistem flow control plant Penjelasan hasil simulasi diterangkan sebagai berikut: - Time = sec, katup manual tertutup (%) - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% Katup manual terbuka 6 % dapat

6 MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Juni 9. Dengan terbukanya katup manual maka posisi karakteristik pompa, rotameter dan flow perlahan-lahan mulai naik. Pada posisi ini juga katup otomatis terbuka sampai 5% - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari +4-6= Posisi karakteristik pompa berangsurangsur menurun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup manual, rotameter dan flow. Disaat yang bersamaan katup otomatis akan membuka %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Posisi karakteristik katup manual terbuka 3 % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Saat yang bersamaan katup otomatis menurun, disini juga terlihat bahwa pompa beberapa detik mencapai nol kemudian naik perlahan-lahan sampai mencapai. - Time 3sec, katup manual terbuka % diperoleh dari 3% + 7% = %. Posisi katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan pompa dan katup manual karakteristiknya naik samapai % dan posisi rotameter dan flow berada pada posisi 3 liter yang merupakan set pointnya. b. Sumber Gangguan Gambar grafik gangguan dapat dilihat pada gambar 8. Parameter time pada simulasi adalah: Time final value Time 5 final value 4 Time 5 final value 5 Time 5final value 3 Time 3 final value 7 Keterangan : - Time = sec, katup manual tertutup (%) K.Manual K.Otomatis Pompa Rotameter Gambar 8. Grafik hasil simulasi gangguan - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Karakteristik pompa perlahan-lahan mulai naik sesuai dengan sumber gangguan. Karakteristik flow dan rotameter masih liter. Karakteristik katup otomatis naik hingga mencapai bukaan %. - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% Katup manual terbuka 5% (%+4%), dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Dengan terbukanya katup manual 5% maka katup otomatis tetap pada bukaan %. Karakteristik rotameter dan flow perlahanlahan naik mendekati angka 3 liter serta karakteristik pompa naik mengikuti sumber gangguan yakni 5%. - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari % + 4% 5% =% Karakteristik pompa perlahan-lahan turun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup

7 manual, rotameter dan flow. Katup otomatis masih membuka %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Sumber gangguan diberikan pada saat ini, posisi katup manual terbuka 3 % dapat. Ketika karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun terlihat bahwa rotameter dan flow mulai naik sampai batas set point yang ditentukan. Pada saat ini juga karakteristik pompa sempat turun dan kemudian naik mengikuti sumber gangguan. - time 3sec, katup manual terbuka % Saat katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan karakteristiknya pompa dan katup manual naik samapai % serta posisi rotameter dan flow berada pada posisi 3 liter yang merupakan set pointnya Pengujian dengan set point =,5 ltr/min, KP=, KI=., KD= a. Sumber Gangguan Time final value Time 5 final value 4 Time 5 final value 6 Time 5final value 3 Time 3 final value 7 Keterangan : - Time = sec, katup manual tertutup (%) - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Posisi katup otomatis sudah terbuka % dan ini juga ditandai dengan beroperasinya pomp, rotameter dan flow yang merangkak naik. - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% katup manual terbuka 6% (%+4%), dapat melewatkan maksimal debit flow K.Manual Rotameter K.Otomatis Pompa Gambar 9. Grafik simulasi pengujian dengan set point =,5 ltr/min sebesar. Dengan terbukanya katup manual 6% maka katup otomatis turun sampai 4% serta posisi rotameter dan flow mulai merangkak naik. Posisi pompa beberapa saat menuju nol dan kemudian naik sampai batas waktu gangguan 5sec. - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari % + 4% 6% =% Posisi pompa akan berhenti pada waktu 5sec dengan cara pompa tidak langsung mati tetapi perlahan-lahan turun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup manual, rotameter dan flow. Disaat yang bersamaan katup otomatis akan membuka %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Sumber gangguan diberikan pada saat ini, posisi katup manual terbuka 3 % dapat. Ketika karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun terlihat

8 MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Juni 9 bahwa rotameter dan flow mulai naik sampai batas set point yang ditentukan. Pada saat ini juga pompa mulai naik perlahan-lahan. - time 3sec, katup manual terbuka % Saat katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada K.Manual K.Otomatis grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan karakteristiknya pompa dan katup manual naik samapai % serta posisi rotameter dan flow berada pada posisi,5 liter yang merupakan set pointnya. b. Sumber Gangguan time final value time 5 final value 4 time 5 final value 5 time 5final value 3 time 3 final value Pompa Rotameter Gambar. Grafik simulasi pengujian dengan set point =,5 ltr/min dengan sumber gangguan berbeda Keterangan : - Time = sec, katup manual tertutup (%) - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Karakteristik pompa perlahan-lahan mulai naik sesuai dengan sumber gangguan. Karakteristik flow dan rotameter masih liter. Karakteristik katup otomatis naik hingga mencapai bukaan %. - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% katup manual terbuka 5% (%+4%), dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Dengan terbukanya katup manual 5% maka katup otomatis mulai turun 3%. Karakteristik rotameter dan flow perlahan-lahan naik mendekati angka,5 liter serta karakteristik pompa sempat turun sampai nol dan kemudian naik kembali mengikuti sumber gangguan yakni 5%. - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari % + 4% 5% =% Karakteristik pompa perlahan-lahan turun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup manual, rotameter dan flow. Disaat yang bersamaan katup otomatis membuka sampai %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Sumber gangguan diberikan pada saat ini, posisi katup manual terbuka 3 % dapat. Ketika karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun terlihat bahwa rotameter dan flow mulai naik sampai batas set point yang ditentukan. Pada saat ini juga karakteristik pompa naik mengikuti sumber gangguan. - time 3sec, katup manual terbuka % Saat katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan karakteristiknya pompa dan katup manual naik samapai % serta posisi rotameter

9 dan flow berada pada posisi,5 liter yang merupakan set pointnya Pengujian dengan set point = ltr/min, KP=, KI=., KD= a. Sumber Gangguan Time final value Time 5 final value 4 Time 5 final value 6 Time 5final value 3 Time 3 final value 7 Grafik hasil simulasiditunjukkan pada gambar berikut ini. K.M anual Rotam eter K.O tom atis P om pa Gambar. Grafik simulasi pengujian dengan set point =,5 ltr/min Keterangan : - Time = sec, katup manual tertutup (%) - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Karakteristik pompa perlahan-lahan mulai naik sesuai dengan sumber gangguan. Karakteristik flow dan rotameter perlahanlahan naik hingga mendekati angka. Karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun sampai %. - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% katup manual terbuka 6% (%+4%), dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Dengan terbukanya katup manual 6% maka katup otomatis tetap pada angka %. Karakteristik rotameter dan flow stabil yakni mendekati angka serta karakteristik pompa mengikuti sumber gangguan yakni 6%. - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari % + 4% 6% =% Karakteristik pompa perlahan-lahan turun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup manual, rotameter dan flow. Disaat yang bersamaan katup otomatis membuka sampai %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Sumber gangguan diberikan pada saat ini, posisi katup manual terbuka 3 % dapat. Ketika karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun terlihat bahwa rotameter dan flow mulai naik sampai batas set point yang ditentukan. Pada saat ini juga karakteristik pompa turun sampai nol kemudian beberapa saat kemudian naik. - time 3sec, katup manual terbuka % Saat katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan karakteristiknya pompa dan katup manual naik samapai % serta posisi rotameter dan flow berada pada posisi liter yang merupakan set pointnya. b. Sumber Gangguan time final value time 5 final value 4 time 5 final value 5 time 5final value 3 time 3 final value 7

10 MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor, Juni 9 K.M anual Rotameter K.O tom atis Pom pa Gambar. Grafik simulasi pengujian dengan set point =,5 ltr/min dengan sumber gangguan berbeda Keterangan : - Time = sec, katup manual tertutup (%) - < time 5sec, katup manual terbuka % adalah,5 3 lr/min, maka katup manual terbuka % dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Karakteristik pompa perlahan-lahan mulai naik sesuai dengan sumber gangguan. Karakteristik flow dan rotameter perlahanlahan naik hingga mendekati angka, liter. Karakteristik katup otomatis naik hingga mencapai bukaan %. - 5 < time 5sec, katup manual terbuka 4% katup manual terbuka 5% (%+4%), dapat melewatkan maksimal debit flow sebesar. Dengan terbukanya katup manual 5% maka katup otomatis mulai turun %. Karakteristik rotameter dan flow perlahan-lahan naik mendekati angka serta karakteristik pompa sempat turun sampai nol dan kemudian naik kembali mengikuti sumber gangguan yakni 5%. - 5 < time 5sec, katup manual ditutup % diperoleh dari % + 4% 5% =% Karakteristik pompa perlahan-lahan turun sampai posisi nol (off). Hal ini diperlihatkan juga karakteristik katup manual, rotameter dan flow. Disaat yang bersamaan katup otomatis membuka sampai %. - 5 < time 3sec, katup manual terbuka 3% Sumber gangguan diberikan pada saat ini, posisi katup manual terbuka 3 % dapat. Ketika karakteristik katup otomatis perlahan-lahan turun terlihat bahwa rotameter dan flow mulai naik sampai batas set point yang ditentukan. Pada saat ini juga karakteristik pompa turun sampai nol kemudian beberapa saat kemudian naik. - time 3sec, katup manual terbuka % Saat katup manual terbuka % dapat. Dan terlihat pada grafik setelah 3 sec tanpa sumber gangguan karakteristiknya pompa dan katup manual naik samapai % serta posisi rotameter dan flow berada pada posisi liter yang merupakan set pointnya. SIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi, dapat disimpulkan:. Aksi kontrol proporsional mempunyai keunggulan risetime yang cepat, aksi kontrol integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error, dan aksi kontrol derivative mempunyai keunggulan untuk memperkecil error atau meredam overshot/undershot. Untuk itu agar kita dapat menghasilkan output dengan risetime yang tinggi dan error yang kecil kita dapat menggabungkan ketiga aksi kontrol ini menjadi aksi kontrol PID.. Pengujian untuk set point 3liter dengan variasi sumber gangguan terlihat bahwa, ada bukaan katup dari % turun sampai 5%

11 kemudian naik sampai % sesuai dengan waktu gangguan yang diberikan. Dan ada juga bukaan katup hingga % dengan gangguan yang diberikan tidak mempengaruhi buka tutup katub tersebut. 3. Pengujian untuk set point,5 liter dengan variasi sumber gangguan terlihat bahwa karakteristiknya hampir sama hanya saja perbedaannya terlihat pada waktu < time 5 sec, dimana karakteristiknya ada dari nol naik ke liter dan ada juga yang masih nol. 4. Pengujian untuk set point liter dengan variasi sumber gangguan terlihat bahwa karakteristiknya berbeda ketika diberikan gangguan pada waktu < time 5 sec. Untuk sumber gangguan yang sedikit (+4-5), dari waktu yang diberikan sampai 5sec karakteristik flow dan rotameter masih menunjukkan angka nol kemudian naik sampai liter. Saat yang sama juga terlihat bahwa katup otomatis yang sudah mencapai bukaan % kemudian turun sampai %. Kemudian pada sumber gangguan lebih (+4-6), ketika diberikan gangguan karakteristik rotameter dan flow naik dai nol menuju liter dan katub otomatis perlahan-lahan turun sampai %. 5. Terlihat jelas bahwa aliran flow adalah tergantung dari : besar bukaan katup manual serta nilai set point yang diberikan. DAFTAR PUSTAKA Ogata, K.k 996. Teknik Kontrol Automatik, terjemahan: Ir. Edi Laksono. Erlangga: Jakarta. Charles L. Phillips & Royce D. Harbor. Dasardasar Sistem Kontrol-terjemahan Prof. R. J. Widodo. PT Prenhallindo, Jakarta. 998 Endra Pitowarno. Robotika Desain, Kontrol dan Kecerdasan Buatan. Penerbit Andi Yogyakarta. 6