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 Fin=386,54kg/jam, temperatur air yang masuk Tin=796 K, kapasitas panas pada steam drum boiler Cp=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 Fout dt dT Ah Fin Tin T dt Dengan
Fout
(1)
Q Cp
kw h
(2)
keterangan : T Temperatur uap Fin Flow air yang masuk. Fout 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 oK.
Sistem Pengendalian
operatornya
manual otomatik
Sistem Pengendalian
Sistem lup terbuka
jaringannya Sistem lup tertutup
Sliding Mode Control (SMC) Sistem Dinamis
xn t
f x, t
b x, t .u d t
Fungsi Switching S ( x, t )
d dt
n 1
Dengan
e et
x t xd t
Permukaan Sliding S ( x, t ) 0 Kondisi Sliding SS S STATIC SMC
Kondisi Sliding
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), Mc(s) adalah sinyal masukan control valve (mA), Ktot adalah gain control valve, dan Tcv adalah time konstan control valve (detik).
Metodologi Penelitian 1
2 3 4 5 6
Pembentukan model matematika control valve pada stream drum boiler. Simulasi model matematis control valve. Pembentukan model matematika ketinggian air dan temperatur uap pada steam drum boiler. Simulasi open model, pembentukan plant steam drum boiler dengan controloop plant steam drum boiler. Penggabungan l valve 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 8
9
Perancangan desain pengendali PID untuk sistem steam drum boiler dengan mencari parameter Kp,Ti,Td 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. Analisis performansi sistem yang dikendalikan dengan SMC dan PID.
Pemodelan pada Control Valve Gcv
Qv ( s ) M c(s)
Ktot cv ( s )
1
Ks
15 3 psi (20 4)mA
KR
Qmax d f ( x) dx span input
Pada control valve karakteristik linear :
Model matematika control valve :
Pemodelan pada Control Valve (lanjutan) Ks
15 3 psi (20 4)mA
Qmax d f ( x) dx span input Pada control valve karakteristik quick opening : KR
Model matematika control valve quick opening :
Pemodelan pada Control Valve (lanjutan) Ks
15 3 psi (20 4)mA
Qmax d f ( x) dx span input Pada control valve karakteristik equal percentage : KR
Model matematika control valve equal percentage:
Pemodelan pada Control Valve (lanjutan)
Perancangan Pengendali static SMC Ketinggian Air
Temperatur Uap S Q Q K sat ( )
S w w K sat ( )
w
w
a1 b1 h a1 b1 h
K
max
b1 h
max
b1 h
S sat ( )
Q
Q
a2 b2T
K
max
c a2 b2T c
max
h S sat ( ) c
h 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 = 1,3.1014
Perancangan Pengendali PID (lanjutan)
Nilai parameter tuning harus diperbaiki Dengan metode heuristik didapatkan perbaikan nilai Kp 1012, Ti 0,001 dan Td 105
Hasil Simulasi Tanpa Controller
Grafik Ketinggian Air
Grafik Temperatur Uap
Hasil Simulasi dengan static SMC dan PID
Grafik Ketinggian Air dengan static SMC
Grafik Ketinggian Air dengan PID
Grafik Temperatur Uap dengan static SMC
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. 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.
3.
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.
