Desain Kendali pada Sistem Steam Drum Boiler dengan Memperhitungkan Control Valve

Desain Kendali pada Sistem Steam Drum Boiler dengan Memperhitungkan Control Valve ROFIKA NUR AINI 1206 100 017 JURUSAN MATEMATIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011

PLTU Steam Drum Boiler Sistem pengendali (SMC dan PID) Penelitian Teguh H. (2010), model control valve tidak diperhitungkan DESAIN KENDALI PADA SISTEM STEAM DRUM BOILER DENGAN MEMPERHITUNGKAN CONTROL VALVE

Rumusan masalah 1 Bagaimana model matematis dari control valve yang terdapat pada steam drum boiler? 2 Bagaimana penerapan metode SMC dan PID pada pengendalian ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler?

Batasan masalah 1.Plant yang dijadikan objek penelitian adalah steam drum boiler PT PJB Unit Pembangkitan Gresik PLTU ½ 2. Variable yang dianalisa adalah ketinggian air dan temperatur uap. 3. Parameter dari sistem steam drum boiler diantaranya : flow air yang masuk F in =386,54kg/jam, temperatur air yang masuk T in =796 K, kapasitas panas pada steam drum boiler C p =79,676 J/kg K. 4. Diasumsikan steam drum boiler dalam keadaan belum terisi saat kondisi awal. 5. Simulasi plant dan kontroler dilakukan dengan software MATLAB.

Mendapatkan model matematis dari control valve yang terdapat pada steam drum boiler TUJUAN Rancangan sistem pengendalian ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler dengan menggunakan metode SMC dan PID

manfaat memberikan gambaran desain pengendalian ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler dengan metode Sliding Mode Control (SMC) dan Proportional Integral Derrivative (PID)

Steam Drum Boiler Bagian-bagian dari steam drum boiler, yakni : Feedwater : bagian yang menghasikan flow air yang masuk Control valve w : bagian yang yang dikontrol buka tutup / control valve flow air yang keluar untuk menjaga ketinggian air Burner : bagian yang menghasilkan Q yang akan dikontrol untuk menjaga temperatur uap

Steam Drum Boiler (lanjutan) Model matematika dari gambar di atas adalah : dh A Fin dt F dt Ah Fin Tin dt T Dengan Fout out kw h Q C p (1) (2) keterangan : T Temperatur uap F in Flow air yang masuk. F out Flow air yang keluar. Ρ Massa Jenis Air Cp Kapasitas panas dalam steam drum Q Flow uap A Luas steam drum h ketinggian air atau level air Tin Temperature air yang masuk. w control valve flow air k koefisien control valve Dalam hal ini yang akan dijaga untuk ketinggian air pada h = 0,7625 m dan temperatur uap pada suhu T = 786 o K.

Sistem Pengendalian operatornya manual Sistem Pengendalian otomatik Sistem lup terbuka jaringannya Sistem lup tertutup

Sliding Mode Control (SMC) Sistem Dinamis n x t f x, t b x, t. u d t Fungsi Switching S( x, t) d dt Dengan Permukaan Sliding S( x, t) 0 Kondisi Sliding SS S n 1 e e t x t xd t Kondisi Sliding STATIC SMC S( x, t) d dt n 1 e

Proportional Integral Derivative (PID)

Model Katup Kendali (Control Valve) Untuk fungsi transfer control valve dapat dinyatakan sebagai orde satu seperti di bawah ini : Qv(s) adalah laju aliran keluar valve (liter/s), M c (s) adalah sinyal masukan control valve (ma), K tot adalah gain control valve, dan T cv adalah time konstan control valve (detik).

Metodologi Penelitian 1 Pembentukan model matematika control valve pada stream drum boiler. 2 Simulasi model matematis control valve. 3 Pembentukan model matematika ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler. 4 Simulasi open model, pembentukan plant steam drum boiler dengan controloop plant steam drum boiler. 5 Penggabungan l valve 6 Perancangan desain pengendali SMC untuk sistem steam drum boiler meliputi: a. Menentukan fungsi Switching b. Menentukan permukaan Sliding c. Menentukan nilai estimasi pengendali. d. Mendefinisikan aturan SMC yaitu penggunaan control law e. Substitusi nilai pada control law sehingga diperoleh control input baru sebagai pengganti control input sebelumnya. f. Menentukan nilai K yang sesuai dengan kondisi sliding.

Metodologi Penelitian (lanjutan) 7 Perancangan desain pengendali PID untuk sistem steam drum boiler dengan mencari parameter Kp,Ti,Td 8 Simulasi menggunakan software MATLAB dalam bentuk Simulink. Berupa diagram blok yang meliputi tentang bentuk rangkaian pengendali SMC dan PID pada sistem steam drum boiler sehingga dapat diketahui performansi sistemnya. 9 Analisis performansi sistem yang dikendalikan dengan SMC dan PID.

Pemodelan pada Control Valve G K K cv s R Q M K vs ( ) tot c( s) cv( s) 1 15 3 psi (20 4) ma d dx f x Q max ( ) span input Pada control valve karakteristik linear : Model matematika control valve :

Pemodelan pada Control Valve (lanjutan) K s 15 3 psi (20 4) ma d Qmax KR f ( x) dx span input Pada control valve karakteristik quick opening : Model matematika control valve quick opening :

Pemodelan pada Control Valve (lanjutan) K s 15 3 psi (20 4) ma d Qmax KR f ( x) dx span input Pada control valve karakteristik equal percentage : Model matematika control valve equal percentage:

Pemodelan pada Control Valve (lanjutan)

Perancangan Pengendali static SMC Ketinggian Air S w w K sat( ) Temperatur Uap S Q Q K sat( ) a 1 w b 1 h K max b 1 h Q a2 b2t c K max h c w a1 S max sat( ) b h b h 1 1 Q a b T 2 2 max h sat( S ) c c

Perancangan Pengendali PID Dengan mencari matriks Jacobian didapatkan bentuk linear dari model matematika ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler sebagai berikut:

Perancangan Pengendali PID (lanjutan) Metode tuning PID kurva reaksi Ziegler-Nichols a. Penentuan Parameter PID (Kp, Ti, Td) Ketinggian Air pada Stream Drum Boiler L= 0,5 T= 3,42 Kp = 1,2 T/L = 8,2 Ti = 2L = 1 Td = 0,5 L = 0,25 Ki = Kp.Ti = 8,2 Kd = Kp/Td = 2,05

Perancangan Pengendali PID (lanjutan) a. Penentuan Parameter PID (Kp, Ti, Td) Temperatur Uap pada Stream Drum Boiler L= 0,00000001 T= 0.0075 Kp = 1,2 T/L = 900.000 Ti = 2L = 0,00000002 Td = 0,5 L = 0,000000005 Ki = Kp.Ti = 0,013 Kd = Kp/Td = 1,3.10 14

Perancangan Pengendali PID (lanjutan) Nilai parameter tuning harus diperbaiki Dengan metode heuristik didapatkan perbaikan nilai Kp 10 12, Ti 0,001 dan Td 10 5

Hasil Simulasi Tanpa Controller Grafik Ketinggian Air Grafik Temperatur Uap

Hasil Simulasi dengan static SMC dan PID Grafik Ketinggian Air dengan static SMC Grafik Temperatur Uap dengan static SMC Grafik Ketinggian Air dengan PID Grafik Temperatur Uap dengan PID

Hasil Simulasi dengan Gangguan Eksternal static SMC dengan Sinyal Sinus Kecil PID dengan Sinyal Sinus Kecil

Hasil Simulasi dengan Gangguan Eksternal PID dengan uji noise

Hasil Simulasi dengan Gangguan Internal static SMC dengan Parameter Diperkecil PID dengan Parameter Diperkecil

Hasil Simulasi dengan Gangguan Internal PID dengan Uji Tracking Set Point

Kesimpulan 1. Model matematika dari control valve pada steam drum boiler adalah : 2. Rancangan sistem pengendali PID dan SMC dapat diterapkan pada pengendalian ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler. Namun untuk PID, model matematika steam drum boiler harus dilinearkan terlebih dahulu. 3. Performansi sistem pengendalian ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler dengan metode PID dan static SMC menghasilkan : a. Dengan metode static SMC, ketinggian air tidak bisa stabil di posisi yang diinginkan. Dan dengan static SMC, temperatur uap lebih cepat daripada PID dan sudah stabil namun masih belum seperti posisi yang diinginkan (masih terjadi 1,27 %). Sedangkan pada PID, ketinggian air sudah stabil di posisi yang diinginkan. Untuk temperatur uap juga stabil di posisi yang diinginkan.

Kesimpulan (lanjutan) b. Pada pengendalian ketinggian air dan temperatur uap, pengendali PID lebih robust terhadap gangguan eksternal baik yang bersifat kecil maupun besar dan tehadap gangguan internal baik dalam pengurangan maupun penambahan parameter dibandingkan static SMC. Akan tetapi pada pengendalian temperatur uap, pengendali static SMC lebih cepat stabil daripada PID meskipun tidak mencapai posisi yang diinginkan (set point).

Saran Saran yang diajukan dari Tugas Akhir ini untuk penelitian selanjutnya adalah penggunaan pengendali PID pada tugas akhir ini sudah cukup baik bila dibandingkan pengendali static SMC, namun sebaiknya perlu dikaji lebih lanjut apabila dibandingkan dengan metode lain seperti dynamic SMC, Fuzzy Logic Controller (FLC) maupun Fuzzy Sliding Mode Control (FSMC).

Daftar Pustaka Herlambang, T. 2010, Pemodelan Matematika dan Analisis Sifat-Sifat Sistem Level Air dan Temperatur Steam pada Steam Drum Boiler di PLTU 1/2 PT PJB UP Gresik. Laporan Kerja Praktek, jurusan Matematika, ITS, Surabaya. Herlambang, T. 2010. Desain Pengendalian Ketinggian Air dan Temperatur Uap Pada Sistem Steam Drum Boiler Dengan Metode Sliding Mode Control (Smc). Tugas Akhir Jurusan Matematika, ITS, Surabaya. Perruquetti, Wilfrid dan Barbot, J.P. 2002. Sliding Mode Control in Engineering, Marcel Dekker, Inc., New York Stephanopoulos, G, 1984, Chemical Process Control An Introduction To Theory And Practice, Prentice Hall International, London. Wijaya, A. F. 2004. Perancangan Kontroller Neuro PID Self Tuning Berbasis Jaringan Syaraf Tiruan pada Proses Netralisasi ph di PT. Petrokimia Gresik. Tugas Akhir Jurusan Teknik Fisika, ITS, Surabaya.