SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA MENGGUNAKAN KONTROLER PID BERBASIS GENETIC ALGORITHM SKRIPSI Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Akademik dalam Menyelesaikan Program Sarjana (S-1) Teknik Disusun Oleh : FATIH MUTAMMIMUL WILDAN 201110130311087 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2016 i
ii
iii
iv
KATA PENGANTAR Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT. Atas rahmat serta hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul : SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA MENGGUNAKAN KONTROLER PID BERBASIS GENETIC ALGORITHM. Dalam mewujudkan semua yang lebih baik, kami selalu berhadapan dengan segala macam hambatan. Tidak lain halnya dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini, banyak hambatan yang harus penulis lewati, tetapi berkat bantuan dari beberapa pihak akhirnya penulis dapat melampauinya dengan lancar. Penulis menyadari bahwa didalam penulisan laporan ini tidak terlepas dari bimbingan dan pengarahan dari para dosen Universitas Muhammadiyah Malang serta pihak pihak yang telah tulus ikhlas memberikan bantuan baik secara moril dan spiritual. Semoga amal kebaikan serta keikhlasan mereka mendapat balasan setimpal dari Allah SWT. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan perkembangan teknologi kedepan. Malang, 9 Mei 2016 Penulis v
DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii LEMBAR PENGESAHAN... iii LEMBAR PERNYATAAN... iv ABSTRAK... v ABSTRACT... vi LEMBAR PERSEMBAHAN... vii KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Rumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Metodelogi Penelitian... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 3 BAB II DASAR TEORI... 5 2.1 Motor Induksi... 5 2.1.1 Konstruksi Motor Induksi... 5 2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi... 8 2.1.3 Slip Motor Induksi... 9 2.1.4 Frekuensi Arus Rotor... 10 2.1.5 Pengaturan Putaran Motor Induksi... 10 2.2 Inverter... 12 2.2.1 Pulse Width Modulation... 14 vi
2.3 Pengaturan Vektor... 15 2.3.1 (a,b,c) (α,β) (Transfomasi Clarke)... 16 2.3.2 (α,β) (d,q) (Transfomasi Park)... 16 2.3.3 (d,q) (α,β) (Invers Park Transformation)... 17 2.4 Sistem Kontrol PID... 17 2.4.1 Kontroler Proportional... 18 2.4.2 Kontroler Integral... 19 2.4.3 Kontroler Diferensial... 20 2.4.3 Kontroler PID... 21 2.5 Tanggapan Wawasan Waktu... 23 2.6 Genetic Algorithm (Algoritma Genetika)... 24 2.6.1 Hal-hal Yang Harus Dilakukan Dalam Algoritma Genetika... 25 2.6.2 Pengertian Individu... 26 2.6.3 Nilai Fitness... 27 2.6.4 Siklus Algoritma Genetika... 28 2.6.5 Komponen Utama Algoritma Genetika... 29 2.7 MATLAB... 37 2.7.1 Karakteristik MATLAB... 37 2.7.2 Fungsi M-File Pada M... 38 2.7.3 MATLAB Simulink... 38 BAB III PERANCANGAN DAN PEMODELAN SISTEM... 40 3.1 Data Motor Induksi... 40 3.2 Perancangan Pemodelan Simulasi... 40 3.3 Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa... 41 3.4 Pemodelan Inverter Tiga Fasa... 43 3.5 Pemodelan Vector Control... 44 3.5.1 ABC to dq Convertion... 45 3.5.2 dq to ABC Convertion... 45 3.5.3 Flux Calculation... 46 3.5.4 Teta Calculation... 46 vii
3.6 Hysteresis Current Regulator... 47 3.7 Kontroler PID... 48 3.8 Penalaan Parameter Kontroler PID Menggunakan GA... 49 BAB IV ANALISADAN PENGUJIAN SISTEM... 53 4.1 Rangkaian dan Simulasi... 53 4.2 Hasil Simulasi Tanpa Kontroler PID... 54 4.3 Hasil Simulasi Menggunakan Kontroler PID... 57 4.3.1 Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10... 56 4.3.2 Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-20... 57 4.3.3 Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30... 59 4.3.4 Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 1-10, dan Kd 0.1-1... 60 4.3.5 Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1, dan Kd 0.001-0.1... 61 4.4 Pembahasan... 63 4.4.1 Perbandingan Saat Beban 0 Nm... 64 4.4.2 Perbandingan Saat Beban 40 Nm... 65 4.4.3 Perbandingan Saat Beban 70 Nm... 66 4.4.4 Perbandingan Saat Beban 100 Nm... 67 BAB V PENUTUP... 69 5.1 Kesimpulan... 69 5.2 Saran... 69 DAFTAR PUSTAKA... 70 LAMPIRAN... 72 viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Stator dan rotor motor induksi... 5 Gambar 2.2 Rangkaian rotor sangkar tupai... 7 Gambar 2.3 Rangkaian rotor belitan... 7 Gambar 2.4 Sambungan motor induksi dengan sumber 3 fasa... 9 Gambar 2.5 Pelaksanaan lilitan untuk mengubah jumlah kutub dengan mengubah sambungan fasa... 11 Gambar 2.6 Pelaksanaan hubungan untuk tinggi sambungan seri P=8... 11 Gambar 2.7 Pelaksanaan hubungan untuk tinggi sambungan seri P=4... 12 Gambar 2.8 Inverter tiga fasa beban hubung bintang... 13 Gambar 2.9 Bentuk gelombang tegangan fasa a-v an n... 13 Gambar 2.10 Pulse Width Modulation... 14 Gambar 2.11 Kerangka acuan tetap 3 koordinat... 15 Gambar 2.12 (a,b,c) (α,β) (transfomasi Clarke)... 16 Gambar 2.13 (a,ß) (d,q) (transfomasi Park)... 17 Gambar 2.14 Diagram blok sistem kontrol berumpan balik... 18 Gambar 2.15 Diagram blok kontroler proporsional... 18 Gambar 2.16 Proportional Band dari kontroler proporsional pada penguatan... 19 Gambar 2.17 Diagram blok kontroler integral... 20 Gambar 2.18 Diagram blok kontroler diferensial... 20 Gambar 2.19 Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial... 21 Gambar 2.20 Blok Diagram Kontroler PID... 22 Gambar 2.21 Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk kontroler PID... 22 Gambar 2.22 Karakteristik Tanggapan Tangga Satuan... 24 Gambar 2.23 Ilustrasi Representasi Penyelesaian Permasalahan dalam GA... 27 Gambar 2.24 Kerangka kerja penerapan Algoritma Genetika untuk menyelesaikan suatu masalah optimasi... 28 Gambar 2.25 Struktur dasar Algoritma Genetika... 28 Gambar 2.26 Ilustrasi seleksi dengan model roda rolet... 31 Gambar 2.27 Ilustrasi metode penyilangan n-titik... 33 Gambar 2.28 Ilustrasi metode penyilangan seragam... 34 ix
Gambar 2.29 Ilustrasi metode penyilangan berbasis posisi... 34 Gambar 2.30 Ilustrasi metode penyilangan berbasis urutan... 34 Gambar 2.31 Ilustrasi metode mutasi kode biner... 35 Gambar 2.32 Ilustrasi metode mutasi berbasis posisi... 36 Gambar 2.33 Ilustrasi metode mutasi berbasis urutan... 36 Gambar 2.34 Ilustrasi metode mutasi campur aduk... 36 Gambar 3.1 Blok Diagram Inverter dan Kontrol PID berbasis GA... 41 Gambar 3.2 Pemodelan Motor Induksi... 42 Gambar 3.3 Blok Konfigurasi Motor Induksi MATLAB... 42 Gambar 3.4 Blok Parameter Motor Induksi MATLAB... 43 Gambar 3.5 Pemodelan Inverter... 44 Gambar 3.6 Blok Parameter Inverter Tiga Fasa MATLAB... 44 Gambar 3.7 Pemodelan Vector Control... 45 Gambar 3.8 Blok Rangkaian Transformasi Vector Control... 45 Gambar 3.9 Pemodelan ABC-dq Convertion... 45 Gambar 3.10 Pemodelan dq-abc Convertion... 46 Gambar 3.11 Pemodelan Flux Calculation... 46 Gambar 3.12 Pemodelan Teta Calculation... 47 Gambar 3.13 Pemodelan Hysteresis Current Regulator... 47 Gambar 3.14 Blok Rangkaian Hysteresis Current Regulator... 47 Gambar 3.15 Pemodelan Kontroler PID... 48 Gambar 3.16 Blok Parameter Kontroler PID MATLAB... 48 Gambar 3.17 Flowchart Genetic Algorithm... 49 Gambar 4.1 Simulasi Rangkaian Keseluruhan... 53 Gambar 4.2 Simulasi Rangkaian Tanpa Kontroler PID... 54 Gambar 4.3 Simulasi Rangkaian Menggunakan Kontroler PID... 54 Gambar 4.4 Kecepatan Motor Tanpa Kontroler PID Dengan Beban Bervariasi... 55 Gambar 4.5 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10... 57 Gambar 4.6 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-20... 58 x
Gambar 4.7 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30... 59 Gambar 4.8 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1... 61 Gambar 4.9 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1... 62 Gambar 4.10 Perbandingan Respon Kecepatan Motor saat Beban 0 Nm... 64 Gambar 4.11 Perbandingan Respon Kecepatan Motor saat Beban 40 Nm... 65 Gambar 4.12 Perbandingan Respon Kecepatan Motor saat Beban 70 Nm... 66 Gambar 4.13 Perbandingan Respon Kecepatan Motor saat Beban 100 Nm... 67 xi
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter... 18 Tabel 3.1 Data Nameplate Motor Induksi 3 fasa MATLAB... 40 Tabel 4.1 Respon Motor Ketika Tanpa Kontroler PID... 55 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10... 56 Tabel 4.3 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10... 57 Tabel 4.4 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-20... 58 Tabel 4.5 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-20... 58 Tabel 4.6 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30... 59 Tabel 4.7 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30... 60 Tabel 4.8 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1... 60 Tabel 4.9 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1... 61 Tabel 4.10 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1... 62 Tabel 4.11 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1... 62 Tabel 4.12 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai Parameter Kp, Ki dan Kd dengan Beban 0 Nm... 63 Tabel 4.13 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai Parameter Kp, Ki dan Kd dengan Beban 40 Nm... 63 Tabel 4.14 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai Parameter Kp, Ki dan Kd dengan Beban 70 Nm... 63 Tabel 4.15 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai Parameter Kp, Ki dan Kd dengan Beban 100 Nm... 64 xii
Tabel 4.16 Perbandingan Saat Beban 0 Nm... 65 Tabel 4.17 Perbandingan Saat Beban 40 Nm... 66 Tabel 4.18 Perbandingan Saat Beban 70 Nm... 67 Tabel 4.19 Perbandingan Saat Beban 100 Nm... 68 xiii
DAFTAR PUSTAKA [1] Abu-Rub Haitham, Iqbal Atif, Guzinski Jaroslaw. 2012. HIGH PERFORMANCE CONTROL OF AC DRIVES WITH MATLAB/SIMULINK MODELS. UK: John Wiley & Sons, Inc. [2] Aris Sugiharto. 2006. Pemrograman GUI dengan MATLAB. Yogyakarta: Andi Offset. [3] Endra Pitowarno. 2006. ROBOTIKA DESAIN, KONTROL, DAN KECERDASAN BUATAN. Yogyakarta: Andi Offset. [4] Ermanu Azizul Hakim, 2012. Sistem Kontrol. Malang: UMM Press. [5] Falahal Abadi, 2015, Desain Optimal Power System Stabilizer (PSS) PLTMH Berbasis Fuzzy PID Menggunakan Genetic Algorithm. Malang. [6] Hamzah Berahim. 1994. PENGANTAR TEKNIK TENAGA LISTRIK Teori Ringkas dan Penyelesaian Soal. Yogyakarta: Andi Offset. [7] Ismail Muchsin. 2009. Motor Induksi. Jurnal Pusat Pengembangan Bahan Ajar: UMB. [8] M Subchan Mauludin. 2011. Simulasi Kontrol PID Untuk Mengatur Putaran Motor AC. Semarang. [9] Muhamad Ali. 2010. Materi Kuliah Elektronika Daya. Yogyakarta: UNY [10] Muhammad Arhami dan Anita Desiani. 2005. Pemrograman MATLAB. Yogyakarta: Andi. [11] Nurhadi. 2013. Diktat Elektronika Daya. Malang: UMM. [12]Rashid M.H. 2011. POWER ELECTRONICS HANDBOOK:devices, circuits,and applications handbook. USA: Butterworth-Heinemann. xiv
[13] Sumanto. 1993. MOTOR LISTRIK Arus Bolak Balik Motor Sinkron Motor Induksi. Yogyakarta: Andi Offset. [14] The Mathworks, Inc., Le-Huy, H., 2016. Vector Control of AC Motor Drive. Available at: http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/vectorcontrol-of-ac-motor-drive.html [15] Yon Rijono. 2002. Dasar Teknik Tenaga Listrik Edisi Revisi. Yogyakarta: Andi. [16] Zainudin Zukhri. 2014. Algoritma Genetika Metoda Komputasi Evolusioner untuk Menyelesaikan Masalah Optimasi. Yogyakarta: Andi Offset. [17] Zuhal. 1988. DASAR TEKNIK TENAGA DAN ELEKTRONIKA DAYA. Jakarta: Gramedia. xv