TEKNIK DECOUPLING DAN SIMULASI KENDALI MODEL MATEMATIS SISTEM TUNGKU AUTOCLAVE ME - 24

Transkripsi

1 TEKNIK DECOUPLING DAN SIMULASI KENDALI MODEL MATEMATIS SISTEM TUNGKU AUTOCLAVE ME - 24 Sugeng Rianto, Triarjo, Dedy Haryadi Pusat Teknologi Bahan Bbakar Nuklir BATAN sugeng-r@batan.go.id ABSTRAK TEKNIK DECOUPLING DAN SIMULASI KENDALI MODEL MATEMATIS SISTEM TUNGKU AUTOCLAVE ME 24.Telah dilakukan teknik decopling pada sistem model matematis rancang bangun sistem kendali tungku autoclave ME-24. Teknik Decoupling ini digunakan untuk menghilangkan interaksi diantara keluarannya pada model matematis MIMO (Multiple Input Multiple Output). Model matematis sistem tungku autoclave merupakan model MIMO 3x3 dalam bentuk model fungsi alih yang didapat secara eksperimen langsung pada alat. Hasil teknik decoupling pada model matematis MIMO ini dilakukan simulasi untai terbuka dan simulasi kendali untuk fungsi step dan ramp pada setting suhu 200 o C. Untuk fungsi step keluaran tunak didapat hasil untuk masing-masing keluaran adalah y 1 (s)= 197,92 o C, y 2 (s) = 188,79 o C dan y 3 (s)= 195,86 o C dengan over shoot masing masing adalah 11,66 o C, 33,39 o C dan 33,61 o C. Sedangkan untuk fungsi ramp dengan kenaikan 100 o C/jam didapat hasil untuk masing-masing keluaran adalah y 1 (s)= 197,90 o C, y 2 (s) = 188,97 o C dan y 3 (s)= 195,96 o C dengan over shoot masing masing adalah 11,61 o C, 30,39 o C dan 9,45 o C. Hasil teknik decoupling ini selanjutnya dapat memudahkan pengendalian dari sistem tungku autoclave. Kata kunci: Autoclave, Decoupling, Model matematis ABSTRACT DECOUPLING TECHNIQUE AND SIMULATION CONTROL FOR MATHEMATICS MODEL AUTOCLAVE SYSTEM. Decopling technique has been done on a mathematical model of the system design autoclave furnace control system ME-24. Decoupling technique is used to eliminate the interaction between its output to the mathematical model of MIMO (Multiple Input Multiple Output). Autoclave furnace system mathematical model is a model of 3x3 MIMO in the form of transfer function model experimentally obtained directly on the plant. The results in mathematical models of MIMO is performed simulations open loop and control simulation for step and ramp functions at 200 o C temperature setting. For a step function output steady results obtained for each output is y 1 (s) = C, y 2 (s) = C and y 3 (s) = C to over shoot each is 11, 66 o C, o C and o C. The Result for the ramp function with an increase of 100 C/hour obtained results for each output is y 1 (s) = C, y 2 (s) = C and y 3 (s) = 195,96 o C with over shoot their respectively was C, C and 9.45 C. These results further decoupling techniques can facilitate control of furnace systems autoclave. Key words: Autoclave, Decoupling, mathematics model PENDAHULUAN Tungku autoclave ME-24 yang ada di Bidang Fabrikasi Bahan Bakar Nuklir PTBBN (Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir) berfungsi untuk meningkatkan kekuatan berkas elemen bakar nuklir terhadap korosi, dimana pada pengerjaan autoclaving ini akan terbentuk lapisan pelindung (lapisan tipis oksida-zro 2 ) pada permukaan batang elemen bakar nuklir. Proses autoclaving ini merupakan bagian akhir dari proses produksi berkas elemen bakar nuklir. Tungku autoclave merupakan tungku listrik dengan daya total 40 KW yang dirancang mampu bekerja hingga 450 o C dan tekanan sampai 10 bar selama waktu 24 jam operasi. [1] Tungku autoclave ME

2 ditunjukkan Gambar 1 di bawah ini sedangkan blok diagram tungku autoclave ditunjukkan Gambar 2. TEORI Konsep dasar sistem kendali Kendali tungku autoclave ME-24 didasarkan pada sistem close loop berbasis komputer, dimana selain berfungsi untuk kendali sistem, juga berfungsi untuk monitoring dan menyimpan data parameter proses operasi tungku. Dasar pengendalian close loop ditunjukkan Gambar 3. Gambar 1. Tungku Autoclave (ME-24) Dari hasil identifikasi sistem alat autoclave didapat bahwa sistem tungku autoclave merupakan sistem MIMO (Multiple Input Multiple Output) matrik 3x3 dengan masukan berupa 3 pemanas dan keluaran merupakan 3 indikator termokopel. Model matematis autoclave ini ditentukan dengan eksperimen yakni dengan memberikan fungsi step terhadap masukan. Respon keluaran fungsi step berupa kenaikan temperatur alat ini, kemudian dibuat modelnya berupa matriks fungsi transfer orde satu dengan waktu tunda atau disebut juga First Order Plus Dead Time (FOPDT). Kondisi sistem autoclave ME-24 dengan sistem MIMO ini, jika menggunakan pengendalian SISO (Single Input Single Output) akan sangat sulit karena satu sama lain akan saling mempengaruhi terhadap indikator keluaran temperatur. Untuk menghilangkan pengaruh tiap tiap keluaran temperatur dari tiap masukan elemen pemanas ini maka dilakukan teknik decoupling, sehingga pengaruh tiap tiap keluaran temperatur dari tiap masukan elemen pemanas dapat direduksi dan menghasilkan pengendalian tungku yang lebih baik. Gambar 2. Blok Diagram Tungku Autoclave ME-24 [1] Gambar 3.Blok diagram dasar Sistem kendali [2] Sistem pengukuran yang dirancang untuk mengukur parameter proses terdiri dari komponen berikut: 1. Proses. Berupa besaran fisis yang akan diukur, yaitu suhu dan tekanan. 2. Sensor/Transmitter. Berupa penginderaan besaran fisis, yaitu suhu dan tekanan menjadi besaran listrik dan nilai 216

3 kuantitasnya bisa diukur tegangan atau arus secara langsung. 3. Controller. Berupa komputer sebagai pusat pengendalian/kontrol, tampilan visual nilai parameter proses dan media penyimpanan data dengan perangkat lunak didalamnya. 4. Final Control Element. Berupa aktuator pengendalian proses berupa pemanas yang dikendalikan oleh komputer. Identifikasi Sistem Identifikasi sistem digunakan untuk menentukan model dari suatu sistem yang disusun berdasarkan kurva reaksi yang diperoleh dari uji tanggap sistem terbuka (open loop) dengan fungsi step. Model ciancone menyatakan untuk mendapatkan model model matematis dilakukan dengan pendekatan sistem orde satu ditambah delay, kemudian ditentukan waktu ketika 28% dan 63% nilai setpointnya. Selanjutnya ditentukan nilai penguatan proposional (kp), konstanta waktu (τ), dan konstanta waktu tunda (θ). Identifikasi sistem orde satu ditunjukkan pada gambar 4 [2]. b. Menentukan konstanta waktu (τ) dengan mencari waktu yang diperlukan untuk mencapai 28% dari keadaan mapan (t 28% ) dan waktu yang diperlukan untuk mencapai 63% keadaan mapan (t 63% ) dengan persamaan : τ = 1,5 (t (63%) t (28%) )...(2) c. Selanjutnya adalah mencari waktu tunda (θ) dengan persamaan : θ = t (63%) - τ... (3) d. Membuat model orde 1 dengan persamaan : KKKK. ee θθ ss GG(ss) = ττ ss + 1 (4) Sistem Model Decoupling Proses Pada model sistem Multiple Input Multiple Output (MIMO), diantara model plant mempunyai sifat saling mempengaruhi diantara keluarannya. Sistem decoupling digunakan guna menghilangkan interaksi diantara keluarannya. Blok diagram sistem menggunakan decoupling adalah sebagai berikut [4]: Gambar 5. Blok diagram sistem model tungku autoclave dengan decoupling Gambar 4.Menentukan model dengan ciancone langkah-langkah yang dilakukan dalam penentuan model matematis adalah sebagai berikut : a. melakukan pendekatan orde 1 terhadap data empiris, mula-mula dihitung penguatan proporsional (Kp) yang merupakan nilai keluaran (Δ) pada saat mapan dibagi nilai masukan(δ). KKKK = δδ (1) Dari gambar blok diagram diatas, didapat matriks persamaan : QQ(ss) = GG(ss). DD(ss) QQ 11 (ss) QQ 22 (ss) QQ 33 (ss) GG 11 (ss) GG 12 (ss) GG 13 (ss) DD 11 (ss) DD 12 (ss) DD 13 (ss) = GG 21 (ss) GG 22 (ss) GG 23 (ss). DD 21 (ss) DD 22 (ss) DD 23 (ss) GG 31 (ss) GG 32 (ss) GG 33 (ss) DD 31 (ss) DD 32 (ss) DD 33 (ss)...(5) Dimana : Q(s) : diagonal matriks yang diharapakan ( hasil dari proses decoupling ) 217

4 G(s) D(s) : matriks fungsi alih : matriks decoupling Ideal Decoupling Ideal Decoupling yaitu dengan melihat elemen diagonal controller C 1 (s), C 2 (s) dan C 3 (s) berdiri sendiri dan didasarkan pada diagonal matriks proses Q 11 (s), Q 22 (s) dan Q 33 (s). Secara logika nilai Q setelah dilakukan decoupling adalah : Q 11 (s) = G 11 (s), Q 22 (s) = G 22 (s) dan Q 33 (s) = G 33 (s). Penentuan decoupling ini adalah dengan Penurunan langsung dari tiap elemen matriks diatas dapat diuraikan menjadi bentuk persamaan persamaan berikut : QQ 11 (ss) = GG 11 (ss). DD 11 (ss) + GG 12 (ss). DD 21 (ss) + GG 13 (ss). DD 31 (ss) QQ 22 (ss) = GG 21 (ss). DD 12 (ss) + GG 22 (ss). DD 22 (ss) + GG 23 (ss). DD 32 (ss) QQ 33 (ss) = GG 31 (ss). DD 13 (ss) + GG 32 (ss). DD 23 (ss) + GG 33 (ss). DD 33 (ss) 0 = GG 11 (ss). DD 12 (ss) + GG 12 (ss). DD 22 (ss) + GG 13 (ss). DD 32 (ss) 0 = GG 11 (ss). DD 13 (ss) + GG 12 (ss). DD 23 (ss) + GG 13 (ss). DD 33 (ss) 0 = GG 21 (ss). DD 11 (ss) + GG 22 (ss). DD 21 (ss) + GG 23 (ss). DD 31 (ss) 0 = GG 21 (ss). DD 13 (ss) + GG 22 (ss). DD 23 (ss) + GG 23 (ss). DD 33 (ss) 0 = GG 31 (ss). DD 11 (ss) + GG 32 (ss). DD 21 (ss) + GG 33 (ss). DD 31 (ss) 0 = GG 31 (ss). DD 12 (ss) + GG 32 (ss). DD 22 (ss) + GG 33 (ss). DD 32 (ss)...(6) Dari persamaan di atas didapat nilai parameter decoupling nya sebagai berikut : DD 11 (ss) = DD 22 (ss) = DD 33 (ss) = 1 GG23(ss). GG31(ss) GG21(ss). GG33(ss) DD 21 (ss) = GG22(ss). GG33(ss) GG23(ss). GG32(ss) GG21(ss). GG32(ss) GG31(ss). GG22(ss) DD 31 (ss) = GG22(ss). GG33(ss) GG23(ss). GG32(ss) GG32(ss). GG13(ss) GG12(ss). GG33(ss) DD 12 (ss) = GG11(ss). GG33(ss) GG31(ss). GG13(ss) DD 13 (ss) = DD 32 (ss) = DD 23 (ss) = GG23(ss). GG12(ss) GG13(ss). GG22(ss) GG11(ss). GG22(ss) GG21(ss). GG12(ss) GG12(ss). GG31(ss) GG32(ss). GG11(ss) GG11(ss). GG33(ss) GG31(ss). GG13(ss) GG13(ss). GG21(ss) GG23(ss). GG11(ss) GG11(ss). GG22(ss) GG21(ss). GG12(ss)...(7) Dari parameter decoupling ini selanjutnya dimasukan nilai gain statis tiap elemen matriks, sehinggga didapat nilai parameter decoupling. METODOLOGI Langkah pengerjaan untuk teknik decoupling dan simulasi model matematis sistem tungku autoclave ME 24 adalah sebagai berikut : - Instalasi perangkat keras dan pengkabelan (wiring) sistem kendali yaitu dengan pemasangan sistem sensor dan sistem modul akuisisi data dan perangkat pendukungnya. - Pembuatan perangkat lunak untuk pengujian fungsi step sistem. - Pembuatan model matematis dari uji fungsi step sistem. - Menganalisis model matematis plant sistem Multiple Input Multiple Output (MIMO), dengan menghilangkan sifat saling mempengaruhi diantara keluarannya dengan teknik decoupling. - Mensimulasi model hasil decoupling dengan sistem untai terbuka(open loop), dan kendali PI (Proportional Intergral) untuk sistem untai tertutup (close loop). Gambar instalasi rancang bangun sistem perangkat keras kendali tungku autoclave ME-24 secara keseluruhan ditunjukkan gambar 6 dibawah ini [3]. 218

5 Penentuan parameter decoupling ditentukan dari persamaan diatas dan perhitungan analitik, yaitu dengan memasukan nilai gain statis tiap elemen matriks. Nilai parameter decoupling setelah dilakukan perhitungan adalah : DD 11 (ss) = DD 22 (ss) = DD 33 (ss) = 1 DD 21 (ss) = 1,3569 DD 31 (ss) = 1,5090 DD 12 (ss) = 0,81873 DD 32 (ss) = 0,18126 DD 13 (ss) = 4,57432 DD 23 (ss) = 5, (10) Gambar 6. Instalasi perangkat keras sistem tungku autoclave ME-24 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Identifikasi sistem alat autoclave berupa model fungsi alih MIMO (Multiple Input Multiple Output) matrik 3x3 berupa matriks fungsi transfer orde satu dengan waktu tunda atau disebut juga First Order Plus Dead Time (FOPDT). yy 1 (ss) GG 11 (ss) GG 12 (ss) GG 13 (ss) uu 1 (ss) yy 2 (ss) = GG 21 (ss) GG 22 (ss) GG 23 (ss). uu 2 (ss) yy 3 (ss) GG 31 (ss) GG 32 (ss) GG 33 (ss) uu 3 (ss) yy 1 (ss) yy 2 (ss) = yy 3 (ss) ss 1,8033. ee ss ss 1,2554. ee 1307 ss ss 1,415. ee 2955 ss ss 1,47. ee 1275 ss ss 1,388. ee 1558 ss ss 0,85. ee 1798 ss (8) 336 ss 0,0354. ee 828 ss ss 2,08. ee ss ss 1,702. ee 1386 ss + 1 uu 1 (ss) uu 2 (ss) uu 3 (ss)...(9) u(s) adalah masukan, G(s) bentuk model matematika fungsi alih dan y(s) adalah keluaran. Pengujian dan Simulasi Sistem uji lingkar terbuka. Gambar blok diagram fungsi alih digambarkan dalam perangkat lunak Matlab/Simulink dibawah ini. Gambar 7. Blok diagram sistem model tungku autoclave Simulasi uji lingkar terbuka (open loop) digunakan untuk menguji respon tiap keluaran untuk masing masing masukan. Masukan yang digunakan adalah u 1 (s) dengan sinyal step 0-70%, respon keluaran y 1 (s), y 2 (s) dan y 3 (s) digambarkan di bawah ini: 219

6 Dari data tabel diatas nilai overshoot tertinggi keadaan steady state adalah untuk keluaran y 3 (s). Untuk simulasi masukan fungsi ramp dengan kenaikan suhu 100 o C/jam. Grafik keluaran sistem digambarkan dibawah ini : 250 GRAFIK KELUARAN KONTROL PI FUNGSI RAMP 200 Suhu (oc) Gambar 8. Grafik keluaran open loop model autoclave Dari gambar diatas, dapat dilihat bahwa masukan step untuk u 1 (s), selain menghasilkan keluaran pada y 1, juga mempengaruhi keluaran, y 2 dan y 3. Untuk sinyal step masukan 70% nilai y 1 adalah 126,2 o C, y 2 adalah 98,34 o C, dan y 3 adalah 87,88 o C. Untuk masukan fungsi step dan fungsi ramp suhu dengan setting suhu 200 o C. Grafik keluaran sistem digambarkan dibawah ini : GRAFIK KELUARAN KONTROL PI SUHU 200 oc Suhu ( oc) y1 y2 y3 Set Point Waktu (s) x 10 4 Gambar 10. Grafik simulasi keluaran suhu tungku autoclave untuk fungsi ramp Dari grafik diatas, untuk masukan fungsi ramp dengan setting 200 o C dan kenaikan 100 o C/jam, nilai kesalahan tunak pada saat kenaikan, nilai overshoot dan nilai keadaan tunak ditabelkan di bawah ini : Tabel 2. keluaran fungsi ramp 200 o C keluaran overshoot Nilai Tunak y 1 (s) 11,61 5,81 197,90 1,05 y 2 (s) 30,39 15,20 188,97 5,52 y 3 (s) 9,45 9,45 195,96 2,02 50 y1 y2 y Waktu (s) x 10 4 Gambar 9.Grafik simulasi keluaran suhu tungku autoclave untuk fungsi step Dari grafik diatas, untuk masukan fungsi step dengan setting 200 o C, osilasi sistem keluaran sudah tidak ada, nilai overshoot dan keadaan tunak ditabelkan di bawah ini : Tabel 1. keluaran fungsi step 200 o C keluaran overshoot Nilai Tunak y 1 (s) 11,66 5,83 197,92 1,04 y 2 (s) 33,39 16,70 188,79 5,60 y 3 (s) 33,61 16,80 195,86 2,07 Dari data Tabel diatas nilai overshoot tertinggi keadaan steady state adalah untuk keluaran y 3 (s). Sinyal pengendalian pada simulasi ini hanya masukan u 1 (s) dan u 3 (s) yang ada, sedangkan untuk u 2 (s) tidak ada. Pada sistem kendali ini nilai oveshoot suhu ini pada proses harus dihindari, karena sistem model adalah sistem orde satu. KESIMPULAN 1. Pembuatan model matematis sistem tungku autoclave dilakukan secara empiris dengan eksperimen secara langsung dengan model MIMO (Multiple Input Multiple Output) dengan matriks 3x3 untuk bentuk fungsi alihnya. 220

7 2. Untuk menghilangkan interaksi diantara keluarannya.sifat saling mempengaruhi diantara keluaran pada model matematis MIMO (Multiple Input Multiple Output) ini digunakan teknik decoupling, dengan model ideal decoupling. 3. Hasil teknik decoupling pada model matematis MIMO (Multiple Input Multiple Output) ini dilakukan simulasi untuk fungsi step dan ramp pada setting suhu 200 o C. Untuk fungsi step keluaran tunak didapat hasil untuk masing-masing keluaran adalah y 1 (s)= 197,92 o C, y 2 (s) = 188,79 o C dan y 3 (s)= 195,86 o C dengan over shoot masing masing adalah 11,66 o C 33,39 o C dan 33,61 o C. Sedangkan untuk fungsi ramp dengan kenaikan 100 o C/jam didapat hasil untuk masing-masing keluaran adalah y 1 (s)= 197,90 o C, y 2 (s) = 188,97 o C dan y 3 (s)= 195,96 o C dengan over shoot masing masing adalah 11,61 o C, 30,39 o C dan 9,45 o C. 4. Hasil teknik decoupling ini selanjutnya dapat memudahkan pengendalian dari sistem tungku autoclave. DAFTAR PUSTAKA Buku: 1. NIRA, ME 24 Passivation Autoclave Instruction Manual, Thomas E marlin, Process Control, Designing Processess and Control Systems for Dynamic Performance, Mc Graw- Hill,New York,1995 Prosiding: 3. Sugeng Rianto, Dedy Haryadi, Triarjo, Rancang Bangun Sistem Kendali Tungku Autoclave ME-24, Prosiding Seminar SDM X STTN BATAN, Lindawati, Agnes Soelistya, Rudy Agustriyanto, Studi Aplikasi Decoupling Control untuk Pengendalian Komposisi Kolom Distilasi, Prosiding Seminar Nasional Teknologi Proses Kimia Jurnal: 5. Aleksander Preglej, Richard Karba, Igor Steiner, Igor Skrjanc, Mathematical Model of an autoclave, Journal of Mechanical Engineering, Sugeng Rianto, pemodelan sistem tungku autoclave ME-24, Jurnal Majalah Ilmiah PIN No.11/Tahun VI, Jusagemal Aria E. L.1,Iwan Setiawan, Budi Setiyono, Analisis dan Simulasi Shell Heavy Oil Fractionator (SHOF) Menggunakan Metode Kontrol PID, Jurnal Transmisi undip, TANYA JAWAB Pertanyaan Bagaimana cara penentuan matriks G11, G12, G13,? Jawaban Penentuan G11, G12, dan G13 ditentukan secara eksperimen dengan open loop dengan proses keluaran 20% dan 50%. 221