DESAIN KONTROL PID UNTUK MENGATUR KECEPATAN MOTOR DC PADA ELECTRICAL CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION (ECVT) Oleh : Raga Sapdhie Wiyanto Nrp 2108 100 526 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Bambang Sampurno, MT PROGRAM SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010 1
LATAR BELAKANG Prinsip kerja CVT adalah memanfaatkan perubahan diameter antara puli penggerak (driver) dan puli yang digerakkan (driven pulley) sehingga dapat melakukan variasi ratio transmisi secara continue. KEUNGGULAN CVT 1. Menghasilkan limit gear ratio yang continue. 2. Efisiensi bahan bakar lebih baik. 3. Akselerasi halus responsive and nyaman dalam mengendari. 4. Pada pengembangan CVT terbaru memiliki banyak pilihan terutama dalam membuat simulasi kontrol yang diinginkan. KELEMAHAN CVT 1. Kapasitas Torsi Terbatas. 2. Faktor slip pada puli dan belt yang menyebabkan kinerja CVT menurun. 3. Keausan belt atau roller sebagai faktor utama bila digunakan pada Daya >135 HP 2
TIPE PENGGERAK Toroidal cvt Electrical CVT Widjokongko 2009 3
GAMBAR PROTOTIPE 4
RUMUSAN MASALAH Bagaimana mengidentifikasi karakteristik dari pengaturan ratio CVT mode elektrik dengan penggerak Push Belt Continuously Variable Transmission dengan menggunakan motor DC. Bagaimana mengurangi pengaruh parameter gaya gesek disebabkan oleh slip ( ) dari gesekan belt dengan puli pada kontrol PID. Bagaimana merancang simulasi tuning parameter kendali PID dengan metode Ziegler- Nichols pada sistem pengendalian kecepatan motor DC 5
BATASAN MASALAH Model kendaraan adalah engine stand untuk kendaraan penumpang jenis city car penggerak FWD dengan 1300 cc. Simulasi engine stand mengunakan mesin bensin 6.5 HP sebagai pengganti mesin kendaraan. Analisa desain serta kekuatan frame CVT dan chasis kendaraan tidak dibahas dalam penelitian ini. Jenis mekanisme pengatur ratio CVT adalah menggunakan penggerak Push Belt dengan mekanisme Fork Screw yang digerakan oleh motor DC 12 Volt. 6
TUJUAN PENELITIAN Membuat sistem kontrol loop tertutup yang berbasiskan PID untuk mengatur kecepatan motor DC. Menampilkan unjuk kerja CVT yang dapat diketahui dari pengukuran slip (λ) secara simulasi dengan bekerja pada berbagai putaran. Menampilkan performance motor DC terhadap pengaturan kecepatan sehingga diharapkan dapat meningkatkan kinerja CVT 7
MANFAAT PENELITIAN Memberikan informasi sistem rasio CVT yang optimal. Memberikan informasi mengenai kinerja kontrol PID pada Electric Continuously Variable Transmission (ECVT sebagai bahan acuan dalam improvement analisis untuk penyempurnaan dari pengembangan yang ada pada sistem CVT sebelumnya. 8
KAJIAN PUSTAKA Prasetyo (2007) Model : single actuator hidrolik Simulasi : Control Fuzzy Hasil : - losses rasio sebesar 70.3% - efisiensi ratio CVT menjadi 29.7% Widjokongko (2009) Model : Double Fork screw motor (Screw Gear motor DC) Simulasi : Control close loop Hasil : meningkatkan efisiensi ratio CVT menjadi 53.056 % sehingga mengurangi faktor slip. waktu steady state kurang dari 18.07 detik error berkurang menjadi 8.8 rad/s~3.22 % 9
FLOWCHART PENELITIAN 10
MOTOR DC 11
KONTROL PID Kombinasi beberapa jenis kontroler diperbolehkan PI, PD, PID Keuntungan kontroler PID: Menggabungkan kelebihan kontroler P, I, dan D P : memperbaiki respon transien I : menghilangkan error steady state D : memberikan efek redaman 12
TUNING KONTROL PID Permasalahan dalam desain kontroler PID Tuning : menentukan nilai Ki, Kp, dan Kd Cara tuning kontroler PID yang paling populer : Ziegler-Nichols metode 1 dan 2 Metode tuning Ziegler-Nichols dilakukan dengan eksperimen (asumsi model belum diketahui) Metode ini bertujuan untuk pencapaian maximum overshoot (MO) : 25 % terhadap masukan step 13
METODE TUNING NICHOLS - ZIEGLER Prosedur praktis 1.Berikan input step pada sistem 2.Dapatkan kurva respons 3.Tentukan nilai L dan T 4.Masukkan ke persamaan mendapatkan nilai K p, T i, dan T d 14
Simulasi menggunakan Matlab 7.0 pada saat perancangan pengendali PID maka melakukan simulasi tuning parameter kendali PID untuk mengendalikan kecepatan motor DC ketika tanpa diberi kontroller (sistem open loop). 15
16
17
18
METODE ZIEGLER-NICHOLS 1 Tipe alat kontrol KP Ti Td P T/L ~ 0 PI 0.9 T/L L/0.3 0 PID 1.2 T/L 2L 0.5L 19
RANCANGAN KONTROL CLOSED LOOP q (Throttle Valve) Kecepatan Mesin SP e SS U 1 w SP CVT Fork w S Daya Roda + CONTROLLER ACTUATOR RODA Screw (N out ) - X p w E K Te 20
CVT Fork Screw Roda 21
PERBANDINGAN GRAFIK DARI HASIL SIMULASI SOFTWARE MATLAB Kontrol Proporsional Kontrol PID Time respon Xp pada pedal gas posisi 10% Time respon Xp pada pedal gas posisi 20% Time respon Xp pada pedal gas posisi 30% Time respon Xp pada pedal gas posisi 10% Time respon Xp pada pedal gas posisi 20% Time respon Xp pada pedal gas posisi 30% Bukaan 10% Bukaan 20% Bukaan 30% waktu = 18.49 detik Perpindahan Fork = 9.49 mm waktu = 18.01 detik Perpindahan Fork = 10.36 mm waktu = 17.80 detik Perpindahan Fork = 10.82 mm Bukaan 10% Bukaan 20% Bukaan 30% waktu = 4.9 detik Perpindahan Fork = 9.49 mm waktu = 4.53 detik Perpindahan Fork = 10.36 mm waktu = 4,37 detik Perpindahan Fork = 10.82 mm 22
Time respon Xp pada pedal gas posisi 45% Time respon Xp pada pedal gas posisi 55% Time respon Xp pada pedal gas posisi 70% Time respon Xp pada pedal gas posisi 45% Time respon Xp pada pedal gas posisi 55% Time respon Xp pada pedal gas posisi 70% Bukaan 45% Bukaan 55% Bukaan 70% waktu = 10.91 detik Perpindahan Fork = 10.87 mm waktu = 12.85 detik Perpindahan Fork = 10.38 mm waktu = 30.34 detik Perpindahan Fork = 7.3 mm Bukaan 45% Bukaan 55% Bukaan 70% waktu = 4.4 detik Perpindahan Fork = 10.87 mm waktu = 4.38 detik Perpindahan Fork = 10.38 mm waktu = 4.47 detik Perpindahan Fork = 7.3 mm 23
Bukaan 10% Bukaan 30% Bukaan 70% waktu = 17.53 detik Ratio = 2.22 mm waktu = 9.16 detik Ratio = 2.45 mm waktu = 19.31 detik Ratio = 1.84 mm Bukaan 10% Bukaan 30% Bukaan 70% waktu = 6.77 detik Ratio = 2.22 mm waktu = 5.49 detik Ratio = 2.45 mm waktu = 5.06 detik Ratio = 1.84 mm 24
PERBANDINGAN GRAFIK DARI HASIL SIMULASI DAN PENGUJIAN ONLINE (Widjokongko) Bukaan 10% Rasio = 2.06 Waktu = 7.12 detik Bukaan 10% Rasio = 2.06 Waktu = 18 detik 25
Waktu (detik) PERBANDINGAN RESPON TIME Grafik Perbandingan Time Settling P vs PID 35 30 25 20 15 10 5 0 10 20 30 45 55 70 Bukaan Valve (%) Time Settling PID Time settling PI Analisa Grafik : Pada grafik perbandingan time settling dapat dilihat bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi steady pada kontrol PID lebih singkat sehingga konsumsi energi listrik yang dibutuhkan untuk menggerakan motor DC lebih kecil. 26
Waktu (detik) Grafik Perbandingan Time Rise P vs PID 10 8 6 4 Time Rise PI Time Rise PID 2 0 10 20 30 45 55 70 Bukaan Throttle (%) Analisa Grafik : Pada grafik perbandingan time Rise dapat dilihat bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mencapai final value pada kontrol PID lebih singkat dan cenderung sama sehingga performance dari kendaraan lebih baik karena lebih responsive. 27
KESIMPULAN : Perancangan sistem pengendali rasio pada sistem CVT, dilakukan melalui pemodelan tiap komponen pada sistem kendaraan dengan menggunakan program Simulink Matlab sehingga didapatkan hasil simulasi yang dapat diimplementasikan pada sistem plant CVT. Penggunaan kontrol PID dapat mereduksi slip yang terjadi pada belt, hal ini dilihat dari tidak adanya overshoot pada grafik pengujian simulink MATLAB dari setiap variasi putaran Dari pengendalian rasio yang dirancang didapatkan kinerja pada hasil simulasi yang meliputi: - Analisa time respon Xp pada kontrol close loop PID diperoleh: 1. Pada bukaan throttle valve 0% - 70% diperoleh time settling maksimum sebesar 4.9 detik dan time raising maksimum sebesar 2.7 detik. 2. Error sistem CVT berdasarkan simulasi MATLAB berdasarkan bukaan pedal gas antara 0% sampai 70%. Sehingga error rata rata hasil simulasi MATLAB sebesar 8.8 rad/s atau 3.22% 3. Hasil yang terbaik pada kontrol PID diperoleh pada nilai Kp = 1.85, Ki = 0.03, Kd = 3 28
Sekian dan Terima Kasih Mohon Kritik dan Saran 29