1
Desain dan Implementasi Kontroler PID Gain Scheduling untuk Sistem Pengaturan Proses Level pada Process Control Technology - 100 Rachmad Dwi Raharjo, Joko Susila, Imam Arifin Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak—Proses level yang mengalami perubahan nilai set point secara langsung tidak sesuai dengan keluaran pompa air, sehingga perubahan tersebut dapat mengakibatkan keluaran menjadi tidak sesuai yang diinginkan. Oleh karena itu, dirancang suatu kontroler untuk mengatur kondisi menjadi linier pada set point yang sudah ditentukan, jika proses mengalami perubahan beban dan nilai set point. Kontroler yang akan digunakan adalah kontroler PID dan metode gain scheduling. Hasil dari penelitian ini, dapat terealisasi sebuah sistem kontrol proses dengan kontroler PID gain scheduling, di mana kontroler akan mengatur nilai gain saat varibel tertentu mengalami perubahan, sehingga hasil keluaran dari suatu sistem dapat sesuai dengan set point yang diinginkan. Kontroler PID gain scheduling dapat mengendalikan respon plant proses level pada PCT-100 yang mengalami perubahan kondisi dengan rata-rata kesalahan sebesar 0,12%. Kata Kunci – Proses Level, PID, Gain Scheduling .
I. PENDAHULUAN Dalam proses industri, sering dibutuhkan besaran-besaran yang memerlukan kondisi atau persyaratan yang khusus, seperti ketelitian yang tinggi, harga yang konstan untuk selang waktu yang tertentu, perbandingan yang tetap antara dua variabel, atau suatu besaran sebagai fungsi dari besaran lainnya. Semua itu tidak cukup dilakukan hanya dengan pengukuran saja, tetapi juga memerlukan suatu cara pengontrolan agar syarat-syarat tersebut dapat dipenuhi. Karena alasan inilah diperkenalkan suatu konsep pengontrolan yang disebut sistem kontrol. PCT-100 merupakan modul training kontrol proses yang dilengkapi dengan beberapa sensor dan aktuator untuk aplikasi dari suatu proses. Sensor yang terdapat pada PCT-100 yaitu sensor level, temperature, flow dan pressure, sedangkan aktuatornya berupa Pump, Heating, Valve dan Cooling. Semua sensor dan aktuator pada PCT-100 dapat diaktifkan secara manual atau otomatis dalam kontrol proses. Sensor dan aktuator tersebut saling terintegrasi, tetapi tidak harus diaktifkan semua, dapat diaktifkan sesuai dengan kebutuhan.Plant ini memiliki sistem non linier pada proses levelyang mengalami perubahan nilai set point secara langsung tidak sesuai dengan keluaran pompa air, sehingga
perubahan beban tersebut dapat mengakibatkan keluaran menjadi tidak sesuai yang diinginkan. Oleh karena itu, dirancang suatu kontroler untuk mengatur kondisi menjadi linier pada set point yang sudah ditentukan, jika proses mengalami perubahan beban. Pada penelitian ini akan digunakan kontroler PID dan metode gain scheduling. Secara umum nilai gainyang bergantung dari variabel dapat dikatakan sebagai gain scheduling. Parameter proporsional, integral dan derivatif kontroler berubah tergantung variabel tertentu. Variabel tertentu yang berubah kontinyu terhadap waktu akan mempengaruhi nilai dari gain kontroler PID. Metode ini memberikan kemampuan pada plant untuk menjadwal besaran parameter kontrolnya. Kemampuan tersebut sangat bermanfaat terutama jika proses yang dikontrol memiliki beberapa titik kerja atau kondisi operasi yang berbeda dan mengalami perubahan beban. Apabila menggunakan metode PID biasa, ketika plant terjadi perubahan kondisi atau beban, maka keluaran mengalami perubahan atau hasil keluaran tidak sesuai dengan yang diinginkan. Hasil dari penelitian ini, sebuah sistem kontrol proses dengan kontroler PID gain scheduling, di mana kontroler akan mengatur nilai gain saat varibel tertentu mengalami perubahan, sehingga hasil keluaran dari suatu sistem dapat sesuai dengan titik operasi kerja. Makalah ini terbagi menjadi lima bagian sebagai berikut. Pada bagian II akan dibahas mengenai sistem pengaturan proses level. Bagian III berisi mengenai perancangan kontroler PID Gain Scheduling . Pada bagian IV akan dijelaskan mengenai hasil simulasi dan implementasi dan bagian yang terakhir bagian V berisi kesimpulan dari makalah. II. SISTEM PENGATURAN PROSES LEVEL Bagian ini akan dijelaskan mengenai sistem pengaturan proses level yang meliputi arsitektur sistem kontrol proses dan identifikasi model matematika plant proses level pada PCT-100 A. Arsitektur Sistem Kontrol Proses Untuk merealisasikan sistem kontrol proses secara menyeluruh, diperlukan suatu gambaran dari arsitektur sistem yang akan dirancang. Rancangan tersebut, harus mencakup semua peralatan yang dibutuhkan dan menunjukkan jalannya suatu prosesserta diagram jaringan secara keseluruhan. Bentuk arsitektur dari sistem kontrol proses yang dibangun ditunjukkan dalam Gambar 1., dalam bentuk desain diagram blok.
2
Gambar 1. Diagram blok kontrol sistem proses level pada PCT-100
Perancangan ini meliputi konfigurasi antara perangkat keras yaitu PCT-100 proses level dengan perangkat lunak yang digunakan yaitu software Labview dan Kepserver sebagai OPC. Komputer Labview 2012 memiliki fungsi sebagai kontroler yang dihubungkan dengan PCT-100 menggunakan perangkat keras Advantech ADAM 5000 TCP.Dari komputer ini, digunakan untuk pengiriman dan penerimaan data. Pengiriman data ini berupa referensi atau set pointlevel pada plant, sedangkan untuk penerimaan data, berupa data yang diambil dari plant melalui sensor level PCT-100.
Gambar 3. Pembuatan tag name pada OPC KEPServer
Setelah pembuatan tagname selesai, langkah yang dilakukan adalah menghubungkan Labview dengan OPC tersebut.Hal ini dilakukan, karena nilai yang dibaca pada ADAM 5000 TCP juga terbaca pada OPC KEPServer. B. Identifikasi Model Matematika Plant Proses Level Untuk mendapatkan fungsi alih sistem, respon yang digunakan adalah respon saat set point 50%. Respon level pada set point 50% ditunjukkan pada Gambar 4. Pada respon tersebut, diperoleh nilai keluaran steady state pada ketinggian 34,97. Nilai tersebut diperoleh dari rata-rata seluruh data keluaran steady state. Berdasarkan respon pada Gambar 4., diperoleh gain overall respon pada persamaan 1. Yss = 34,97 Xss = 50
Gambar 2.Process Control Technology - 100
Koneksi dari Labview 2012 dengan ADAM 5000 TCP, menggunakan perangkat lunak OPC. Langkah pertama dalam koneksi ini, membuat program konversi untuk nilai masukkan dan keluaran ADAM 5000 TCP.Setelah menentukan besarnya nilai desimal untuk modul masukkan dan keluaran analog dari ADAM 5000 TCP, dibuat program konversi dari Labview. Setelah program konversi telah di buat, berikutnya mengoneksikan Labview dengan ADAM 5000 TCP. Proses penggabungan Labview dan ADAM 5000 TCP menggunakan protokol modbus ethernet. Pada pilihan modbus ethernet, diperlukan pembuatan tag name untuk channel yang akan digunakan pada modul ADAM 5024 dan modul ADAM 5017, karena masing-masing channel dari modul tersebut memiliki alamat. Gambar 3., menunjukkan settingtag name untuk setiap channel pada Advantech ADAM 5000 TCP. 60
set point plant
50
Level (%)
40
30
20
10
0
0
Gambar 4. Respon plant proses level pada PCT-100 500
1000
1500
2000
2500
waktu (detik)
dari 7 metode Jakoubek untuk identifikasi plant, metode Harriott yang digunakan dalam pendekatan model matematika plant yang sesuai, karena pemilihan metode terbaik terhadap data pengukuran dilakukan dengan validasi. Metode validasi yang digunakan adalah ISE (Integral Square Error).Semakin kecil nilai ISE, maka semakin baik fungsi alih yang dibuat. Tabel 1., menunjukkan hasil identifikasi dengan perhitugan ISE.
3
Tabel 1. Fungsi alih dari beberapa metode Metode Vitečková Orde
Fungsi Alih
ISE 0,8762
1 Vitečková Orde
9,018
2 Latzel
149,2
Harriott
0,6656
Smith
0,6736
Strejc
154,6
Sundaresan &
0,9139
Krishnaswamy
Pendekatan sistem yang digunakan dalam mencari model matematika plant proses level yaitu dengan metode Harriott berdasarkan respon pada Gambar 3., diperoleh : detik detik detik
Dari fungsi alih yang didapatkan, dapat dilihat respon dari model terhadap masukkan sinyal uji yang sama pada proses identifikasi untuk melihat kesesuaian antara model dengan real plant. Dari hasil percobaan didapatkan ISE sebesar 0,6656. Model matematika yang didapat merupakan pendekatan orde 2, hal ini pada dunia industri umumnya plant proses merupakan sistem orde 2. III. DESAIN KONTROLER PID – GAIN SCHEDULING Setelah diperoleh model matematika dan konstanta maka dapat dilakukan perancangan kontroler dengan mencari parameter-parameter kontroler yang diperlukan. A. Desain Kontroler PID Perancangan kontroler PID dilakukan secara analitik dari parameter fungsi alih yang diperoleh dari hasil identifikasi. Parameter fungsi alih tersebut menentukan parameter , dan . Untuk parameter fungsi alih plant, diberikan persamaan sebagai berikut:
sehingga diperoleh parameter: Berdasarkan persamaan 10., dengan model matematika plant yang didapat, maka dengan perhitungan berikut, parameter fungsi alih plant pada persamaan 9., diperoleh:
Berdasarkan kurva Harriott, diperoleh nilai :
Sehingga nilai dan dapat diketahui, untuk nilai sesuai dengan persamaan 6., sedangkan untuk nilai adalah persamaan 7., diperoleh :
Untuk perancangan kontroler PID pada plant proses level dengan set point 50%, nilai τ yang diinginkan (τ*) adalah 400 detik. Sehingga, diperoleh parameter kontroler sebagai berikut: τ* = 400
Parameter delay bernilai negatif, sehingga nilai delay tidak dianggap. Fungsi alih untuk metode Harriot adalah:
(14)
4
Hasil perancangan kontroler PID pada kondisi set point yang ditentukan diberikan pada Tabel 2. Tabel 2. Parameter Kontroler PID Parameter 25% 50% 1,083 2,167 0,0018 0,0036 19,74 39,60
75% 3,254 0,0054 59,46
100% 4,337 0,0071 79,25
B. Desain Kontroler PID Gain Scheduling Secara umum nilai gain yang bergantung dari variabel dapat dikatakan sebagai gain scheduling. Jika diimplementasikan dalam kontroler PID, bahwa parameter proporsional, integral dan derivatif kontroler berubah tergantung variabel tertentu. Variabel tertentu yang berubah kontinyu terhadap waktu akan mempengaruhi nilai dari gain kontroler PID. Untuk mendapatkan nilai parameter dari kontroler PID terdapat beberapa cara. Salah satu caranya adalah membagi sampel yang sangat banyak dari variabel yang mempengaruhi terhadap nilai parameter kontroler.Oleh, karena itu metode gain scheduling harus membagi variabel menjadi beberapa nilai operasi.Nilai operasi ini dibagi menjadi 4 kondisi nilai masukan yang berbeda – beda. Nilai operasi ini dibuat dalam bentuk tabel, di mana tabel tersebut terdapat nilai parameter dari kontroler PID yang berbeda pada tiap kondisinya.Tabel tersebut dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3. Parameter kontroler PID pada kondisi tertentu No. Kondisi set point Kp Ki Kd (SP) level 1. 0% <SP < 25% 1,083 0,0018 19,79 2. 25% > SP < 50% 2,167 0,0036 39,60 3. 50% > SP < 75% 3,254 0,0054 59,46 4. 75% > SP < 100% 4,337 0,0071 79,25
C. Perancangan Simulasi Perancangan simulasi untuk proses level menggunakan aplikasi Simulink MATLAB dapat dilakukan. Blok diagram simulink simulasi proses level menggunakan kontroler PID dengan metode gain scheduling dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Diagram blok simulink simulasi proses level
D. Perancangan Implementasi Dalam merealisasikan sistem, perancangan implementasi juga sangat diperlukan.Perancangan implementasi pada Tugas Akhir ini yaitu pembuatan program close loop dengan kontroler PID gain scheduling menggunakan Labview 2012. Gambar 6., menunjukkan program kontrol proses level. Program Labview 2012 merupakan jenis program dengan menggunakan blok diagram, tetapi ada beberapa bagian dari program dapat berupa list programme atau structure list programme.
Gambar 6. Program Labview kontrol proses level
IV. HASIL SIMULASI DAN IMPLEMENTASI Desin kontrol yang telah diperoleh selanjutnya dilakukan pengujian berupa simulasi dan implementasi pada plant. Pengujian dilakukan untuk mengetahui respon keluaran plant dan mengetahui performansi dari sistem secara keseluruhan. A. Simulasi Pengujian Kontroler Simulasi pengujian kontroler dilakukan dengan perangkat lunak Simulink MATLAB 2009. Pengujian dilakukan pada kondisi set point 50%, dengan tegangan awal pompa 2 volt. Nilai tegangan awal tersebut merupakan spesifikasi dari sistem proses level. Parameter kontroler PID yang diperoleh pada Tabel 2., diuji dengan respon fungsi alih hasil identifikasi. Berdasarkan Gambar 7., simulasi proses level akan menunjukkan respon yang dihasilkan dari sistem tersebut. Proses level diberi set point level 50%, maka hasil simulasi didapat nilai Kp, Ki, dan Kd untuk set pointlevel 50% adalah 2,167; 0,0036; 39,6. Respon grafik yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 6.,respon yang didapat menghasilkan τ sebesar 404,5 detik, ts (+ 5%) sebesar 1213,5 detik, tr (5% - 95%) sebesar 1191,03 detik, td sebesar 280,4 detik. Respon dengan kontroler memberikan keluaran steady state 49,89, sehingga nilai error steady state adalah 0,08%. Nilai parameter kontroler PID tersebut yang akan mengendalikan plant proses level agar sesuai dengan set point dan kecepatan respon yang sudah ditentukan. Model matematika plant tersebut mempunyai kesalahan (ess) sebesar 30,06% terhadap set point. Respon yang dihasilkan tidak ada osilasi atau overshoot.
5
Model Plant Plant Set Point
30
Simulasi Implementasi Set Point 25
20
15
10
1000
1500
2000
2500
3000
Gambar 9. Hasil Implementasi set point 50%
Gambar 7. Hasil respon saat kondisi set point level 50% 5
30
Hasil respon yang didapat dari sinyal dengan kontroler PID memiliki karakteristik sesuai dengan sistem yang dikehendaki.Kesalahan yang diperoleh pada sistem dengan kontroler PID yang dibuat memiliki kesalahan pada keadaan waktu tunak sangat kecil.Kesalahan sistem pada waktu tunak dapat dilihat pada Tabel 4. 0
0
500
1000
1500
2000
2500
Simulasi Implementasi Set Point
3000
25
20
15
Tabel 4.Kesalahan waktu tunak pada sistem fungsi alih Set Point10 Error Steady State (ess) 25% 0,08% 50% 0,08% 5 75% 0,04% 100% 0,05% 0
0
500
Gambar 10. Hasil implementasi set point 75%
1000
1500
2000
2500
3000
30
B. Implementasi Pengujian Kontroler Implementasi bertujuan untuk mengetahui performansi sistem pada plant yang sebenarnya dengan penerapan kontroler PID gain scheduling. Program Labview yang ditunjukkan pada Gambar 5., merupakan program implementasi dengan toolkit PID and Fuzzy pada Labview. Pengambilan data sistem proses level dengan kontroler PID gain scheduling dilakukan dengan memberi kondisi set point sesuai dengan Tabel 3. Data yang diambil merupakan data aktual dari hasil respon plant proses level dengan kontroler PID gain scheduling.
Simulasi Implementasi Set Point
25
20
15
10
Gambar 11. Hasil implementasi set point 100%
5
0
0
500
Berdasarkan hasil implementasi, maka respon yang didapat menghasilkan karakteristik yang ditunjukkan pad Tabel 5.
1000
1500
Simulasi Implementasi Set Point
2000
2500
3000
Tabel 5. Karakteristik respon implementasi Parameter τ
ess
1500
2000
2500
50% 27,38 82,14 80,62 0,3%
75% 37,35 112,05 109,97 0,07%
100% 55,3 165,9 162,83 0,02%
Hasil respon yang didapat dari sinyal dengan kontroler PID pada implementasi memiliki karakteristik sesuai dengan sistem yang
Gambar 8. Hasil implementasi set point 25%
1000
25% 34,7 104,1 102,17 0,12%
3000
6
dikehendaki.Kesalahan yang diperoleh pada sistem dengan kontroler PID yang dibuat memiliki kesalahan pada keadaan waktu tunak sangat kecil. V. KESIMPULAN Dari pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada pengerjaan Tugas Akhir ini diperoleh beberapa kesimpulan. Dengan pendekatan metode Harriott, fungsi alih yang didapat memiliki hasil model respon pendekatan yang sama dengan τ sebesar 587,2 detik, ts (+ 5%) sebesar 1685 detik, tr (5% - 95%) sebesar 1475 detik, td sebesar 33,97 detik. Respon ini memberikan keluaran steady state 34,97. Kontroler PID gain scheduling dapat mengendalikan respon plant yang mengalami perubahan kondisi dengan rata-rata kesalahan sebesar 0,06% dan kesalahan waktu tunak pada implementasi sebesar 0,12%. Secara umum nilai gain yang bergantung dari variabel. Implementasi kontroler PID, bahwa parameter proporsional, integral dan derivatif kontroler berubah tergantung variabel tertentu. Variabel tertentu yang berubah kontinyu terhadap waktu akan mempengaruhi nilai dari gain kontroler PID. . DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3]
[4]
[5]
[6] [7]
[8]
Ogata, K., ”Teknik Kontrol Automatik”, Jakarta,1998. Josaphat Pramudijanto, Identifikasi Model Matematik, Handout Mata Kuliah Dasar Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Nurlita Gamayanti, Karakteristik Sistem Orde Pertama dan Orde Kedua, Handout Mata Kuliah Dasar Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Ing. Pavel Jakoubek, Experimental Identification of Stabile Nonoscillatory Systems from StepResponses by Selected Methods,Konference Studentské tvůrčí činnosti, 2009. Bolea. Yolanda, Puig. Vicenc, Blesa. Joaquim, Gain-Scheduled Smith PID Controllers for LPV Systemswith Time Varying Delay: Application to an Open-flow Canal. Automatic Control Department, Technical University of Catalonia, 2008. Karl J. Astrom, Control System Design, New York, 2002. Xue. Dingyu, Chen. YangQuan, Atherton P. Derek, Linier Feedback Control Analysis and Design with MATLAB, Springer-Verlag, New York, 2002. Astrom, K., Hagglund, T., PID Controllers: Theory, Design, and Tuning, Instrument Society of America, 1995.
[9] Karl J. Astrom, Bjorn Wittenmark., Adaptive Control Second Edition, Dover Publication, Inc., Mineola, New York, 2008. [10] Kepware Technologies, KEPServerEX Client Connectivity Guide for National Instruments LabVIEW, Kepware Technologies, 2010. [11] Bytronic Educational Technology, manual Process Control Technology PCT-100, Inggris.
