DESAIN PENGENDALI HYBRID PROPOTIONAL INTEGRAL SLIDING MODE PADA CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR (CSTR)
TUGAS AKHIR Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro
Oleh : IDHAM SEFTRIADI HAMID
10855003074
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SULTAN SYARIF KASIM RIAU PEKANBARU 2014
Desain Pengendali Hybrid Proportional Integral Sliding Mode pada Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
Idham Seftriadi Hamid 10855003074 Tanggal Sidang : 4 Februari 2014 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Sultan Syarif Kasim Riau Jl. Soebrantas No. 155 Pekanbaru ABSTRAK Perkembangan penelitian di bidang pengendali dewasa ini sangat pesat. Dimulai dengan pengendali konvensional Proposional Integral Derivative (PID), pengendali cerdas, sampai pengendali robust. Pemilihan pengendali yang tepat sangat berperan penting dalam pengendalian suatu sistem. Berdasarkan studi pustaka dipilih pengendali sliding mode (SM) untuk diterapkan pada sistem non linear multivaribel Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR). Pemilihan pengendali SM didasari pada kekokohannya dalam mengatasi gangguan. Namun, pengendali sliding mode mempunyai kekurangan yaitu chattering yang dapat menyebabkan error steady state (Ess). Untuk menyelesaikan permasalahan tersebut didesain pengendali hybrid proposional integral sliding mode pada sistem CSTR . Penambahan pengendali PI diharapkan dapat mengurangi ess yang terjadi pada sistem CSTR tersebut. Berdasarkan hasil simulasi pengendali sliding mode dengan ditambahkan PI menunjukkan performansi yang lebih baik dengan waktu transient yang lebih cepat dan nilai ess yang minimum yaitu level -0,0002 dan ess konsentrasi -0,0025, sedangkan SMC dengan nilai ess level -0,0100 dan konsentasi -0,0030 dan PID dengan nilai ess level 0,0045 dan konsentasi 0,0109. Pengaturan nilai η sangat berperan penting. Semakin besar nilai η maka sistem akan semakin kokoh namun ess semakin besar.
Kata Kunci : CSTR, Konsentrasi, Level, Proporsional Integral (PI), SMC.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, yang telah mencurahkan rahmat dan hidayah-Nya kepada penulis, shalawat beriring salam buat junjungan kita Nabi Muhammad SAW, sebagai seorang sosok pemimpin dan tauladan bagi seluruh umat di dunia yang patut di contoh dan di teladani bagi kita semua. Atas ridho Allah SWT penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan judul “Desain Pengendali HybridPropotional IntegralSliding Mode pada Continuous Stirred Tank Reactor”. Melalui proses bimbingan dan pengarahan yang disumbangkan oleh orang-orang yang berpengetahuan, dorongan, motivasi, dan juga do’a orang-orang yang ada disekeliling penulis sehingga penulisan Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan penuh kesederhanaan. Sudah menjadi ketentuan bagi setiap Mahasiswa yang ingin menyelesaikan studinya pada perguruan tinggi UIN SUSKA RIAU harus membuat karya ilmiah berupa Tugas Akhir guna mencapai gelar sarjana. Oleh sebab itu sudah sewajarnya penulis menyampaikan ucapan terima kasih sebesar-besarnya kepada: 1. AyahandadanIbundatercinta,
yang
telahmemberikansemangat,
dukunganmorilmaupunmaterildandoakepadapenulissertakeluargabesarpenulis yang selalumendoakanpenulis. 2. Prof.
Dr.
H.
NazirKarimselaku
rector
UIN
SUSKA
Riau
besertakepadaseluruhstafdanjajarannya. 3. Dra. Hj. YenitaMorena, M.Si. selakuDekanFakultasSainsdanTeknologi UIN SUSKA Riau besertakepadaseluruhPembantuDekan, Stafdanjajarannya. 4. ZulfatriAini,
ST.,
selakuketuajurusanTeknikElektroFakultasSainsdanTeknologi Riau
yang
MT UIN
SUSKA
telahmembuat
proses
administrasimenjadilebihefektifsehinggapenulislebihmudahdalammelengkapibe rkas-berkasuntukTugasAkhirdanpengalaman-pengalamanluarbiasabeliau
yang
penulisrasakan. 5. Dian
Mursyitah,
ST.,
MT.
selakudosenpembimbing
yang
telahbanyakmeluangkanwaktusertapemikirannyadenganikhlasdalammemberika ii
npenjelasandanmasukan
yang
sangatbergunasehinggapenulismenjadilebihmengertidalammenyelesaikanTugas Akhirini. 6. AuliaUllah,ST.,M.T
dan
Liliana,ST.,M.Engselakudosenpenguji
telahbersediameluangkanwaktuuntukmemberikritikandan
saran
yang yang
sangatmembangunterhadappenulis. 7. BapakdanIbudosenJurusanTeknikElektro
yang
telahmemberikanbimbingandancurahanilmukepadapenulissehinggabisamenyele saikanTugasAkhirini. 8. Anggi saputra, Agung justika Indra kesuma, Heru Kusuma Giri, sertatemantemanpenulislainnya
yang
tidakdapatpenulissebutkansatupersatu
yang
telahmembantudanmemberidorongan, motivasidansumbanganpemikirandalammenyelesaikanTugasAkhirini. Semoga bantuan yang telah diberikan baik moril maupun materil mendapat balasan pahala dari Allah SWT, dan sebuah harapan dari penulis semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis dan para pembaca semua pada umumnya. Semua kekurangan hanya datang dari penulis dan kesempurnaan hanya milik Allah SWT, hal ini yang membuat penulis menyadari bahwa dalam pembuatan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan karena keterbatasan kemampuan, pengalaman, dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis mengharap kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat positif dan membangun demi kesempurnaan skripsi ini.
Penulis
iii
DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PERSETUJUAN ......................................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAN.......................................................................................... iii LEMBAR HAK ATAS KEKAYAAN INTELEKTUAL ............................................ iv LEMBAR PERNYATAAN ......................................................................................... v LEMBAR PERSEMBAHAN....................................................................................... vi ABSTRAK ................................................................................................................... vii ABSTRACT ................................................................................................................... viii KATA PENGANTAR.................................................................................................. ix DAFTAR ISI ............................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... xi DAFTAR TABEL ........................................................................................................ xii DAFTAR LAMBANG................................................................................................. xiii DAFTAR SINGKATAN.............................................................................................. xiv DAFTARLAMPIRAN.................................................. . ............................................. xv BAB I 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
PENDAHULUAN Latar Belakang ............................................................................................... I-1 Rumusan Masalah .......................................................................................... I-2 TujuanPenelitian ............................................................................................ I-2 BatasanMasalah.............................................................................................. I-2 ManfaatPenelitian........................................................................................... I-3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PenelitianTerkait ........................................................................................... II-1 2.2. DasarTeori 2.2.1. Sliding Mode Control (SMC).............................................................. II-2 2.2.2. Analisis Kestabilan Lyapunov............................................................ II-2 2.2.3. Chattering........................................................................................... II-2 2.3. Kontroler Proposional Integral (PI).............................................................. II-3 2.4. Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) .................................................... II-4 2.4.1. Metode Identifikasi Sistem................................................................. II-7 2.4.2. Sinyal Kendali .................................................................................... II-10 2.4.3. Metode Decouple................................................................................ II-11 BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Gambaran Umum Metoda Penelitian........................................................... III-1 3.2. Flow chart Penelitian ................................................................................... III-2 iv
3.3. Pemodelan Matematis Sistem CSTR .......................................................... III-3 3.4. Pengujian Pemodelan Matematis CSTR dan Decoupler ............................. III-4 3.5. Perancangan Pengendali Sliding Mode ........................................................ III-8 3.5.1. Perancangan Pengendali Sliding Mode untuk mengendalikan Level pada CSTR ...................................................... III-9 3.5.2. Perancangan Pengendali Sliding Mode untuk mengendalikan Konsentrasi pada CSTR ............................................ III-10 3.5.3. Perancangan Pengendali Hybrid Proposional Integral Sliding Mode untuk mengendalikan level .......................................... III-11 3.5.4. Perancangan Pengendali Hybrid Proposional Integral Sliding Mode untuk mengendalikan konsentrasi ................................ III-12 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Gambaran Umum Analisa Sistem................................................................ IV-1 4.2. Pengujian Kestabilan Sistem Berdasarkan Kestabilan Lyapunov................ IV-1 4.2.1. Pengujian Kestabilan Sistem CSTR Untuk Mengendaliakn Level Menggunakan Pengendali Sliding Mode .................................. IV-1 4.2.2. Pengujian Kestabilan Sistem CSTR untuk Pengendalian Konsentrasi Menggunakan Pengendali Sliding mode ........................ IV-2 4.2.3. Simulasi Pengendali Sliding Mode untuk Mencapai Setpoint Level dan Konsentrasi pada Sistem CSTR .......................... IV-3 4.2.4. Simulasi Pengendali Hybrid Proposional Integral Sliding Modeuntuk Mencapai Setpoint Level dan Konsentrasi ...................... IV-5 4.2.5. Simulasi Pengendali PID untuk Mencapai Setpoint Level dan Konsentrasi .................................................................................. IV-6 4.2.6. Respon Gabungan Pengendali SMC, Hybrid SMC+PI dan PID untuk Mencapai Setpoint Level dan Konsentrasi ........................ IV-7 4.3. Simulasi Pengendali Sliding Mode dalam Mengatasi Perubahan Setpoint Level dan Konsentrasi ................................................................... IV-9 4.3.1. Simulasi Pengendali Hybrid Proposional Integral Sliding Mode Mengatasi Perubahan Setpoint Level dan Konsentrasi ......................................................................................... IV-10 4.3.2. Simulasi Pengendali PID dalam Mengatasi Perubahan Setpoint Level dan Konsentrasi........................................................... IV-11 4.3.3. Respon Gabungan Pengendali SMC, Hybrid SMC+PI dan PID Dengan Gangguan perubahan Setpoint Level dan Konsentrasi ......................................................................................... IV-12 4.4. Simulasi Pengendali Decouple Sliding Mode Mengatasi Gangguan pada Masing-Masing Sinyal Kontrol Level dan Konsentrasi. ................................................................................................. IV-14 4.4.1. Simulasi Pengendali Hybrid Proposional Integral Sliding Mode dalam Mengatasi Gangguan pada Masing-Masing Sinyal Kontrol Level dan Konsentrasi ............................................... IV-15 v
4.4.2. Simulasi Pengendali PID dalam Mengatasi Gangguan pada Masing-Masing Sinyal Kontrol Level dan Konsentrasi. ........................................................................................ IV-16 4.4.3. Respon Gabungan Pengendali SMC, SMC+PI, dan PID dalam Mengatasi Gangguan pada Masing-Masing Sinyal Kontrol Level dan Konsentrasi .......................................................... IV-17 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan.......................................................................................................... V-1 5.2. Saran ................................................................................................................... V-1 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN DAFTAR RIWAYAT HIDUP
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11
Halaman
Chattering Phenomenon ................................................................................... II-4 Diagram blok kontrol PI ................................................................................... II-5 Pipa Keluaran CSTR......................................................................................... II-7 Respon Sistem Orde 1 ...................................................................................... II-9 Interaksi input dan output pada Sistem MIMO ................................................ II-12 Decouple dengan pendekatan transfer function ............................................... II-12 Direct Method Decouple................................................................................... II-14 Sistem CSTR .................................................................................................... III-3 Diagram Blok dengan Decoupler ..................................................................... III-4 Diagram Blok Open Loop CSTR...................................................................... III-6 Blok Simulink Simulasi Open Loop Pengendalian Level dan Konsentrasi ....................................................................................................... III-6 Respon Level dan Konsentrasi pada saat Pengujian simulasi Open loop ........ III-7 Respon Level dan Konsentrasi decoupler dengan gangguan 0.2% dari sinyal kendali Fin dan Cin ................................................................................ III-7 Diagram Blok Pengendalian CSTR .................................................................. III-8 Respon Level dengan Pengendali Sliding Mode tanpa Gangguan.................... IV-3 Respon Konsentrasi dengan Pengendali Sliding Mode tanpa Gangguan ......... IV-4 Respon Level tanpa Gangguan Menggunakan Pengendali hybrid Proposional integral sliding mode ................................................................... IV-5 Respon Konsentrasi tanpa Gangguan Menggunakan Pengendali hybrid Proposional integral sliding mode .................................................................... IV-6 Respon Level tanpa Gangguan Menggunakan Pengendali PID ....................... IV-6 Respon Konsentrasi tanpa Gangguan Menggunakan Pengendali PID ............. IV-7 Respon Level tanpa Gangguan dengan Pengendali Sliding Mode, hybrid Proposional integral sliding mode, dan Pengendali PID ................................. IV-7 Respon Konsentrasi tanpa Gangguan dengan Pengendali Sliding Mode , Hybrid Proposional Integral Sliding Mode, dan Pengendali PID .................... IV-8 Respon Level dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan pengendali SMC ............................................................................................... IV-9 Respon Konsentrasi dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan pengendali SMC........................................................................ IV-10 Respon Level dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan hybrid Proposional integral sliding mode........................................................ IV-10
vii
4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24
Respon Konsentrasi dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan pengendali hybrid Proposional integral sliding mode.............. IV-11 Respon Level dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan pengendali PID ................................................................................................. IV-11 Respon Konsentrasi dengan Gangguan Perubahan Setpoint menggunakan pengendali PID .......................................................................... IV-12 Respon Gabungan Level terhadap perubahan setpoint dengan Pengendali SMC, hybrid Proposional integral sliding mode dan PID ............ IV-12 Respon Gabungan Konsentrasi terhadap perubahan setpoint dengan Pengendali SMC, hybrid Proposional integral sliding mode, dan PID ........... IV-13 Respon Level dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Fin dengan Menggunakan Pengendali SMC ....................................................................... IV-14 Respon Konsentrasi dengan Gangguan Pada sinyal kendali Cin dengan Menggunakan Pengendali SMC ....................................................................... IV-15 Respon Level dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Fin dengan Menggunakan Pengendali hybrid proposional integral sliding mode.............. IV-15 Respon Konsentrasi dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Cin dengan Menggunakan Pengendali hybrid proposional integral sliding mode.............. IV-16 Respon Level dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Fin dengan menggunakan Pengendali PID.......................................................................... IV-16 Respon konsentrasi dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Cin dengan Menggunakan Pengendali PID ......................................................................... IV-17 Respon Gabungan Level dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Fin dengan pengendali SMC, hybrid proposional integral SM, dan PID .............. IV-17 Respon Gabungan Konsentrasi dengan Gangguan pada Sinyal Kendali Cin dengan Pengendali SMC, hybrid proposional integral sliding mode, dan PID ............................................................................................................. IV-18
viii
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman 2.1
Tanggapan sistem kendali PI terhadap perubahan parameter..... II-5
3.1
Parameter proses CSTR.............................................................. III3
4.1
Gabungan Analisa Respon Sistem dalam Mencapai Setpoint yang diberikan ..................................................................................... IV8
4.2
Gabungan Analisa Respon Sistem dengan perubahan setpoint pada masing-masing sinyal kontrol..................................................... IV13
4.3
Gabungan Analisa Respon Sistem dengan Gangguan pada masingmasing sinyal kontrol.................................................................. IV18
ix
DAFTAR RUMUS
Rumus
2. 2 2.15 2.21 2.22 2.26 2.28 2.30 2.31 2.34 2.35 2.36
Analisis Kestabilan Lyapunov Pemodelan matematis pengendalian level Pemodelan matematis pengendalian konsentrasi Sinyal kendali total Dynamic sliding mode Static sliding mode dengan penambahan propotional derivative pada permukaan luncur Persamaan matematis pengendali propotional derivative Fungsi alihpengendali propotional derivative Sinyal kendali total Persamaan matematis pengendali PID Fungsi alih pengendali PID
x
DAFTAR LAMBANG
Fin : Flow air yang masuk Fo : Flow air yang keluar Co : Konsentrasi yang keluar A
: Luas
h
: Ketinggian Air
F1 : Laju aliran satu F2 : Laju aliran kedua C1 : Konsentrasi satu C2 : Konsentrasikedua Kc : Konstanta celah Kp : Konstanta pengaduk τ
: Konstanta waktu
η
: Eta
λ
: Lamda
ε
: Nilai saturasi
e
:Nilai errror
Δt : Perubahan waktu Δv : Perubahan volume Δh : Perubahan ketinggian
xi
DAFTAR SINGKATAN
SMC : Sliding Mode Control PD
: Proportional Derivative
PID
: Proportional Integral Derivative
CSTR : Continuous Stirred Reactor MIMO : Multi Input Multi Output SISO
: Single Input Single Output
ess
: Error steady state
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
Halaman A.1 Blok Simulink Pengendali SMC pada CSTR....................................... A-1 A.2 Blok Simulink Pengendali SMC+PI pada CSTR ................................. A-2 A.3 Blok Simulink Pengendali PID pada CSTR......................................... A-3 A.4 Blok Simulink Gabungan pengendali SMC,SMC+PI dan PID............ A-4
xiii
