Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER PID ADAPTIF PADA PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA
Halim Mudia – 2209106079 Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya-60111, Indonesia E-mail:
[email protected] Abstrak - Motor induksi merupakan motor penggerak yang paling banyak digunakan dalam bidang industri. Keunggulan motor induksi diantaranya adalah konstruksinya yang sederhana, harganya yang lebih murah dibandingkan motor jenis lain, serta perawatannya yang mudah. Sedangkan, kekurangan dari motor induksi adalah teknik pengaturan kecepatannya yang relatif sulit dan membutuhkan arus starting yang tinggi sekitar enam kali arus nominal motor. Salah satu metode yang dikembangkan dalam pengaturan kecepatan motor induksi adalah Kontroler PID adaptif. Pada tugas akhir ini akan didesain dan direalisasikan sebuah kontroler PID adaptif Self Tuning Regulator(STR) untuk pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan software Matlab dan mikrokontroller AVR Atmega16 sebagai input dan output dari Plant dengan komunikasi menggunakan serial RS-232. Tujuan dari penelitian ini adalah mencoba mengimplementasikan metode PID adaptif dengan menggunakan Matlab sebagai kontrolernya Kata kunci : PID adaptif, Kontroler Self Tuning Regulator, Motor Induksi, Inverter.
1. Pendahuluan Motor induksi merupakan motor penggerak yang paling banyak digunakan dalam bidang industri. Dengan perkembangan dan kemajuan teknologi dibidang mikrokontroler, mikrokomputer, dan teori kontrol mempermudah operasi dan kinerja dari motor induksi sehingga dapat menggantikan peran motor DC sebagai penggerak elektrik. Berdasarkan permasalahan diatas, pada tugas akhir ini akan didesain dan direalisasikan sebuah kontroler PID adaptif Self Tuning Regulator (STR) untuk pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan software Matlab dan mikrokontroller AVR Atmega16 sebagai input dan output dari Plant dengan komunikasi menggunakan serial RS-232. Tujuan dari penelitian ini adalah mencoba mengimplementasikan metode PID adaptif dengan menggunakan Matlab sebagai kontrolernya. Struktur blok kontrol dengan loop adaptif yang digunakan adalah Self Tuning Regulator (STR), dengan menggunakan Recusive Least Square (RLS).
2. Kontrol Adaptif Adaptif kontroler adalah kontroler yang dapat melakukan adjustable parameter dan mekanisme untuk mengatur parameter atau dalam pengertian umumnya berarti mengubah tinggkah laku atau karakteristik untuk menyusuaikan diri terhadap keadaan yang baru atau tidak diketahui. Sistem kontrol adaptif terdiri atas 2 loop tertutup, loop pertama adalah normal feedback control terhadap Plant dengan kontroler dan loop yang kedua adalah loop dengan parameter adjustment loop hal tersebut dapat dilihat pada dibawah ini:
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Adaptif 2.1 Self Tuning Regulator (STR) Pada penelitian ini telah ditentukan metode penyetelan parameter kontroler menggunakan Self Tuning Regulator. Adapun blok diagram dengan STR adalah sebagai berikut:
Gambar 2. Blok Diagram Self Tuning Regulator Estimator pada blok merepresentasikan proses estimasi parameter secara langsung dengan menggunakan metode RLS. Blok kontroler desain merepresentasikan penyelesaian langsung untuk desain proplem dari
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
parameter yang telah diidenfikasi sebelumnya untuk menghasilkan parameter kontroler terbaru sesuai kondisi objek pada saat itu. Dan terakhir pada blok kontroler adalah untuk menghitung aksi kontrol yang akan diberikan kepada objek dengan parameter kontroler yang telah dihitung pada blok sebelumnya. Sehingga sistem dapat dikatakan sebagai otomatisasi proses modeling (estimation) dan design. Yang mana model dari proses dan desain kontrol diperbaharui setiap saat.
b. Serial RS-232 Serial RS-232 dipergunakan sebagai komonikasi data antara mikrokontroler AVR ATMEGA16 dengan komputer dan Matlab.
3. Perancangan sistem Perancangan sistem ini terdiri atas komponen pendukung sistem dan perancangan kontroler.
c. DAC 0808 Konverter D/A (Digital to Analog Converter) dipergunakan sebagai pengubah sinyal digital ke dalam tegangan analog dari mikrokontroler, yang merupakan input untuk Inverter Toshiba VF-S9 .
3.1 Komponen Pendukung Sistem
b. Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Mikrokontroler AVRATMEGA16 dipergunakan sebagai input dan output dari Plant (motor induksi tiga fasa) melalui komonikasi data serial RS-232.
Komponen pendukung penelitian adalah: -
1 buah komputer
-
Serial RS-232
-
Mikrokontroler AVR ATMEGA16
-
DAC 0808
-
Non-inverting amplifier
-
Inverter Toshiba VF-S9
-
Motor Induksi tiga fasa
-
Tachogenerator
-
Pembagi tegangan
Pada penelitian ini menggunakan 1 buah komputer yang digunakan untuk memasukkan algoritma PID adaptif, set point dan juga dipergunakan sebagai monitoring respon kecepatan. Sedangkan perangkat lunak yang digunakan untuk mengimplementsikan algoritama PID adaptif mengunakan Matlab dengan bahasa pemograman C. Untuk lebih jelasnya bias dilihat pada blok diagram dibawah ini:
Gambar 3. Skema Integrasi Sstem Untuk lebih jelasnya cara kerja dari bagian-bagian diatas adalah sebagai berikut: a. Komputer Pada pelelitian ini menggunakan 1 buah komputer yang digunakan untuk memasukkan algoritma PID adaptif, set point dan juga dipergunakan sebagai monitoring respon kecepatan.
d. Non-inverting amplifier Rangkaian lain yang diperlukan dalam sistem ini adalah non-inverting amplifier. Rangkaian ini diperlukan karena output tegangan dari mikrokontroler hanya 5 VDC padahal input tegangan yang dibutuhkan oleh inverter Toshiba adalah 0 – 10 VDC. e. Inverter Toshiba VF-S9 Inverter adalah rangkaian konverter dari DC ke AC, yang mempunyai fungsi mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC simetri dengan besar dan frekuensi yang diinginkan. f. Motor Induksi tiga fasa Plant yang digunakan adalah motor induksi. Dan yang akan dipakai adalah motor induksi 3 fasa. Motor induksi ini dihubungkan dengan inverter sebagai drivernya. Inverter akan merubah arus DC dari mikrokontroler menjadi arus AC 3 fasa untuk memutar motor induksi. g. Tachogenerator Motor DC apabila diberi tegangan maka akan berfungsi sebagai motor dan bila mengeluarkan tegangan maka berfungsi sebagai generator. Oleh karena itu, motor DC dapat dipakai sebagai tachogenerator karena dapat menjadi generator DC yang menghasilkan tegangan. Tacho generator digunakan sebagai umpan balik ke mikrokontroler. Tegangan yang dihasilkan oleh tacho diumpanbalik ke mikrokontroler. h. Pembagi tegangan Rangkaian lain yang diperlukan dalam sistem ini adalah pembagi tegangan. Rangkaian ini diperlukan karena output tegangan dari tachogenerator 10 VDC padahal input tegangan yang dibutuhkan oleh mikrokontroler Atmega16 adalah 0 – 5 VDC.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
3.2 Identifikasi Plant Sebelum kita menentukan orde dari sistem, kita tentukan dulu metode yang akan dipakai. Metode pertama yang akan dipakai adalah ARMA. Langkah pertama adalah, kita akusisi data yang akan diidenfikasi. Data PBRS yang diambil adalah 2000 titik pertama, PBRS dijalankan dengan time base yang berbeda dengan time base simulasi dan percobaan. Input PRBS terlebih dahulu diaktualkan, yaitu ditentukan nilai analognya . Nilai ekivalennya adalah 0 pada PRBS sama dengan 2 Volt dan 1 pada PRBS sama dengan 3.8 Volt (diambil dari titik kerja Plant). Model yang digunakan untuk perancangan kontroler adalah yang memiliki nilai kesalahan norm error terkecil. Rumus kesalahan norm error dapat dilihat pada Persamaan (3.1).
adalah data identifikasi pada iterasi ke-i (1) dan adalah data model pendekatan pada iterasi ke-i ,dan n adalah jumlah data identifikasi. Dari hasil identifikasi di atas diperoleh hasil Transfer Funtion sebagai berikut. Tabel 1 Hasil Transfer Function Identifikasi Orde Model Matematik Norm error 1 14.3695
Gambar 4. Desain Diagram Kontroler PID Adaptif 3.4 Perancangan Kontroler Seluruh perhitungan kontroler adaptive PID akan dilakukan didalam program Matlab. Karena Plant akan kita desain memiliki respon seperti orde 1, maka diberikan orde 1 diskrit yang diturunkan dari fungsi kontinyunya menggunakan Tustin Bilinier Rule, diperoleh:
Dimana
K=gain
overall; Ts=time sampling; , Kontroler PID kontinyu menurut
landau diberikan:
Dengan pendekatan Backward Difference Approximation dimana factor s (derivative) akan , dan 1/s (integral)
didekati dengan pendekatan akan didekati dengan 2
maka akan didapatkan PID
diskrit: 14.3370
3
14.7186
Sehingga blok diagram dalam bentuk diskrit dengan kontroler PID diberikan sebagai berikut
Melihat hasil identifikasi di atas maka digunakan yang mempunyai nilai norm error terkecil. 3.3
Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak kontroler adaptif STR (Self Tuning Regulator) modifikassi akan dibuat dengan menggunakan software Matlab dengan tampilan berupa simulink
Berdasar
blok ,
diagram
ditas
, dan
dengan
pemilihan serta respon
sistem seperti orde satu, maka didapatkan parameter kontroler sebagai berikut
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
Maka semua parameter kontroler PID telah ditemukan dalam bentuk parameter Plant dan dalam bentuk orde 1, bentuk lengkap blok Self Tuning Regulator dengan kontroler PID adaptif diberikan sebagai berikut:
Time constant= 4.55 detik Time settling = 13.5 detik Error steady state = Xss – Yss/ Xss = [(1140-1100)] / 1100] x 100%= 3.64% 4.2 Respon Plant Tanpa Beban (setpoint= 3.8 Volt=1100 Rpm) Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada Plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time constant yang diinginkan 8 detik
Gambar 7. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) Plant tanpa beban dengan Time constant yang diinginkan 8 detik.
4. Implementasi dan Analisa Hasil ekprimen motor induksi tiga fasa diputar tanpa beban dan dengan beban dapat dilihat pada gambar berikut:
Spesifikasi respon Plant tanpa beban yang didapat adalah: Time constant = 7.9 detik Time settling = 23.7 detik Error steady state = Xss– Yss / Xss = [(1128-1100)] / 1100] x 100%= 2.54%
4.1 Respon Plant Tanpa Beban (setpoint= 3.8 Volt=1100 Rpm) Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada Plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time constant yang diinginkan 4 detik.
4.3 Respon Plant Tanpa Beban (setpoint= 3.8 Volt=1100 Rpm) Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada Plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time constant yang diinginkan 12 detik.
Gambar 6. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) Plant tanpa beban dengan Time constant yang diinginkan 4 detik. Spesifikasi respon Plant tanpa beban yang didapat adalah:
Gambar 8. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) Plant tanpa beban dengan Time constant yang diinginkan 12 detik.
Gambar 5. Blok Diagram Perhitungan Parameter
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
Spesifikasi respon Plant tanpa beban yang didapat adalah: Time constant= 12.2 detik Time settling = 36.6 detik Error steady state = Xss– Yss / Xss = [(1136-1100)] / 1100] x 100%= 3.27% 4.4 Respon Plant Berbeban ( Setpoint= 3.8 Volt = 1100 Rpm) Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada Plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa dengan memberi beban.
Gambar 9. Respon Plant dengan beban Kemampuan recovery ketika diberi beban adalah 18.2 detik Kemampuan recovery ketika beban dilepas adalah 18.35 detik 5. Kesimpulan dan Saran Dari hasil implementasi kontroler dan analisa data yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 5.1 Kesimpulan a. Algoritma yang dituliskan pada Matlab mampu melakukan mekanisme adaptasi dengan Recursive Least square sebagai parameter estimator dan algoritma PID sebagai kontrolernya . b. Pemilihan metode constan forgetting factor untuk mengatasi terjadinya decreasing gain matrik gain estimasi pada standart least square dapat bekerja dengan baik untuk proses estimasi tak hingga. c. Dari respon Plant dengan Time constant yang diberikan pertama:4 detik , kedua:8 detik dan ketiga:12 detik didapat respon transient dari Plant dengan Time constant pertama:4.45 detik, kedua:7.9 detik dan ketiga:12.2 detik. Dapat disimpulkan bahwa kontrol PID adaptif dengan Self Tuning Regulator ini dapat bekerja dengan baik untuk memperlambat respon Plant. d. Dengan konfogurasi algoritma kontrol PID adaptif dengan Self Tuning Regulator mampu mengadakan adaptasi terhadap perubahan beban dengan kemampuan
recovery time diberi beban 18.2 detik dan kemampuan recovery time beban dilepas 20.4 detik. 5.2 Saran Untuk kelanjutan riset yang akan datang, diharapkan adanya pengembangan dari segi Plant seperti robot berkaki atau yang lainya. Dari segi komunikasi data, diharapkan adanya pengembangan komunikasi antara mikrokontroler dengan PC, yaitu dengan menggunakan mikrokontroler yang telah berbasiskan ethernet. Sehingga untuk riset selanjutnya dapat lebih mudah untuk membangun komunikasi ethernet . Daftar Pustaka [1] Aji Sasmita, “Perancangan dan Implementasi Direct Torque Control Untuk Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3 Fasa Menggunakan Kontroler Fuzzy PI”. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS, Surabaya, 2011. [2] Rachmad Zanu, “ Perancangan dan Implementasi Direct Torque Control Pada Motor Induksi”. Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS, Surabaya, 2011. [3] Nurlita Gamayanti, Dasar Sistem Pengaturan, Bahan Kuliah, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS, Surabaya, 2009. [4] Adi Prasetyo, “Penggunaan Labview Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Jarak Jauh dengan Menggunakan Metode Adaptif”, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS, Surabaya, 2008. [5] Heri Andrianto, Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Menggunakan Bahasa C, Informatika, Bandung, 2007. RIWAYAT PENULIS Penulis dilahirkan di Pakan Kamis , Sumatera Barat, 6 februari 1988. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu di TK IV Angkat Candung, SDN 14 Ganting Koto Tuo, SLTPN IV Angkat Candung, setelah lulus dari MAN 1 Padang Panjang tahun 2006,. Penulis melanjutkan jenjang pendidikan Diploma 3 di Politeknik Universitas Andalas Padang, Dengan konsentrasi Teknik Elektronika. Selanjutnya Penulis meneruskan studi S1 di Teknik Elektro FTI-ITS pada tahun 2009 dan terdaftar dengan NRP.2209106079. Dijurusan Teknik Elektro ini Penulis mengambil Bidang Studi Sistem pengaturan. Penulis sempat aktif di beberapa kegiatan Seminar yang diselenggarakan oleh Jurusan, Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS – Januari 2012
(HIMAELEKTRO) dan aktif sebagai Asisten Pratikum Sistem Pengaturan Digital dan Otomasi Sistem.
