SISTEM PENGATURAN BERJARINGAN : DESAIN DAN IMPLEMENTASI SLIDING MODE CONTROL PADA PRESSURE PROCESS RIG 38-714 Chandra Choirulyanto – 2205.100.036 Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, e-mail :
[email protected]
Abstrak - Sistem Pengaturan Berjaringan (SPB) melakukan komunikasi suatu data proses pengaturan melalui jaringan mempnyai fenomena waktu tunda (delay) dan paket data yang hilang (packet loss). Waktu tunda dan packet loss menyebabkan penurunan perfoma dan ketidakstabilan dari SPB. Untuk itu, diperlukan suatu metode untuk mengatasi efek dari waktu tunda tersebut. Selain itu plant mempunyai karakteristik time varying sehingga tidak semua metode dapat digunakan untuk menjalankan proses pengaturan. Sliding Mode Control (SMC) merupakan perluasan sistem pengaturan ON-OFF (switching) yang mempunyai karakteristik pengaturan kokoh (robust). Metode SMC membawa suatu kondisi menuju suatu permukaan dan menahan kondisi tersebut agar tetap berada pada permukaan. Hasil pengujian dan analisa dapat disimpulkan bahwa SMC belum mampu menjaga perfoma dari SPB. Kata kunci : Sistem Pengaturan Berjaringan, Sliding Mode Control I. PENDAHULUAN Penelitian dan pengembangan dalam jaringan komunikasi telah banyak dilakukan, baik dalam lingkup kebutuhan sharing data maupun dalam lingkup sistem pengaturan. Teknologi jaringan data menghadirkan kemudahan dalam transmisi data antar pengguna, mengurangi kompleksitas hubungan pengkabelan dan biaya media transmisi, dan kemudahan pemeliharaan. Melihat keuntungan ini, pihak industri dan institut akademik menunjukkan minat dalam mengaplikasikan jaringan untuk proses pengaturan jarak jauh dan otomasi pabrik [1]. Beberapa protokol jaringan untuk kebutuhan pengaturan di industri telah dikembangkan. Sebagai contoh Controller Area Network (CAN) yang diperkenalkan oleh Robert Bosch pada industri mobil dan juga digunakan dalam pelbagai aplikasi kontrol di industri. Contoh lainnya adalah Profilbus yang dikembangkan oleh enam perusahaan dan lima Institut di Jerman. Serta Foundation Fieldbus dan Device-Net. Selain itu, teknologi jaringan komputer khususnya Ethernet dan Internet telah mengalami perkembangan yang pesat pula. Teknologi jaringan komputer ini menjadi pesaing utama bagi jaringan 1
pengaturan industri. Ethernet dan Internet menyajikan pengaturan dengan jarak yang lebih jauh dengan biaya infrastruktur yang lebih murah, dukungan perangkat lunak yang lebih banyak dan kecepatan transfer data yang lebih tinggi [1]. Performa SPB dipengaruhi oleh waktu tunda jaringan apapun tipe jaringan yang digunakan. Waktu tunda yang terjadi pada sistem loop terbuka tidak memiliki pengaruh yang berarti. Namun bila diaplikasikan dalam sistem loop tertutup akan muncul gangguan pada performa sistem. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah metode yang lebih maju dari kontroler sederhana untuk mengatasi masalah ini [1]. Makalah ini akan membahas SMC untuk mengatasi efek waktu tunda pada pengaturan tekanan pada plant pressure process control berbasiskan perangkat lunak LabVIEW 7.1. Penelitian yang dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari penerapan SMC dalam perbaikan perfomansi, kestabilan SPB dan karakteristik plant. Hasil yang didapatkan nanti akan mempunyai perfoma sistem yang tidak berpengaruh besar oleh waktu tunda jaringan dan gangguan berupa pembebanan pada sistem. Ada beberapa hal yang akan dipaparkan pada makalah ini, yaitu : Pada bagian I akan membahas tentang pendahuluan. Perumusan masalah yang ada pada SPB akan dibahas pada bagian II. Untuk Selanjutnya, bagian III akan membahas perancangan sistem, kontroler SMC yang digunakan, kontroler PID sebagai pembanding dan metode pembebanan pada plant. Bagian IV Menampilkan hasil implementasi dari kontroler yang telah dirancang dan melakukan analisa dari proses tersebut. Bagian akhir terdapat pada bagian V yang akan memberikan kesimpulan dari beberapa hal yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian yang masih dapat dikembangkan. II. PERUMUSAN MASALAH SPB terdiri dari kontroler, jaringan, plant, sensor dan aktuator. Suatu proses komunikasi data melalui jaringan menimbulkan suatu fenomena waktu tunda (delay) dan paket data yang hilang (packet loss) yang dapat mempengaruhi perfoma dari SPB. Kedua fenomena tersebut menjadikan suatu pertimbangan dalam merancang SPB sehingga mempunyai performa yang baik. Struktur langsung pada SPB terdiri dari sebuah kontroler dan sistem pengaturan yang berisi suatu
plant, sensor dan aktuator. Kontroler dan plant secara fisik ditempatkan secara berbeda dan dihubungkan secara langsung dengan suatu jaringan data yang digunakan untuk meningkatkan pengaturan jarak jauh loop tertutup.
U U
k (t )
k (t −Tdp )
U
digunakan untuk proses perancangan kontroler nantinya. Persamaan (3-1) memperlihatkan bentuk umum fungsi alih dari sistem orde satu. ( ) ( )
=
(3-1)
Pertama dicari nilai dari gain overall : k ( t −Tdk )
U
=
(3-2)
dengan membagi nilai Y steady-state dengan besar masukan yang diberikan. Kemudian dicari besar nilai dari time constan-nya ( τ ) dari grafik dengan mencari hubungan x-y 63,2% dari Y steady-state. Dapat dilihat pada Gambar 2.4 kemiringan kurva dari keluaran sistem [2].
p (t )
Gambar 2.1 Konfigurasi SPB
Pada Gambar 2.1, UK(t) adalah sinyal pengaturan yang dikirim dari kontroler, UK(t-Tdk) adalah sinyal pengaturan yang telah sampai pada plant, UP(t) adalah sinyal hasil pengukuran yang dikirim dari plant, dan UP(t-Tdp) adalah sinyal hasil pengukuran yang sampai pada kontroler. Td merupakan waktu tunda yang terjadi pada jaringan komunikasi. Adapun waktu tunda yang terjadi pada kontroler dapat diabaikan dengan asumsi perangkat keras yang digunakan memiliki spesifikasi yang tinggi. SMC merupakan suatu pengaturan struktur variabel (Variable Structure Control). VSC (Variable Structure Control) adalah suatu pengaturan umpan balik switching berkecepatan tinggi secara kontinyu (sebagai contoh, penguatan pada masing-masing jalur umpan balik berpindah atau switch diantara dua nilai menurut beberapa aturan). Aturan kontrol pada SMC menghasilkan pengaturan plant yang kokoh (robust) dan efektif [3]. SMC menggunakan dasar aturan kontrol switching untuk mengatur trayektori state plant agar menuju permukaan sliding dan menjaga trayektori state plant agar tetap berada pada permukaan sliding. Ada beberapa poin dalam merancang SMC, diantaranya; permukaan sliding (sliding surface) dan aturan sinyal pengaturan sistem (control law). Pada penelitian ini, digunakan kontroler PID sebagai pembanding untuk mengtahui perfoma dari SMC pada implementasi pada SPB. Perancangan kontroler PID menggunakan metode PID Cohen Coon. III. PERANCANGAN SISTEM Pada sisi kontroler dibangun program pada perangkat lunak LabVIEW 7.1 (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) yang memuat algoritma kontrol untuk mengatur tekanan pressure process control, serta antarmuka untuk memudahkan melihat parameter sistem. Sedangkan Jaringan komunikasi menggunakan LAN dengan protokol UDP yang dihubungkan dengan sebuah Hub. Plant pressure process control menggunakan Pressure Process Control Rig 38-714.
Gambar 2.4. Kemiringan Kurva Keluaran Sistem
Identifikasi plant Sinyal uji yang digunakan untuk identifikasi statis secara langsung mengendalikan plant adalah sinyal masukan step dengan besar konstan 2.5 volt sebagai referensi konstan. Dan proses pengambilan data dilakukan dengan menggunakan LabVIEW 7.1 dengan waktu sampling adalah 100 ms (100 mili second). Identifikasi dilakukan sebanyak 2 kali, yang pertama adalah identifikasi tanpa melalui jaringan dan melalui jaringan. Proses identifikasi dilakukan dengan kondisi PCA mengeluarkan tegangan maksimal atau 5 volt sehingga I/P memberikan tekanan maksimal yang menyebabkan control valve menutup maksimal. 3.1.1. Identifikasi Tanpa Melalui Jaringan Masukan unit step yang diberikan pada plant menghasilkan dapat dilihat pada Gambar 3.1. Respon keluaran tidak dari nilai 0. Hal ini dikerenakan terdapat tegangan 0.7 volt yang merupakan bawaan PCA. Dari grafik respon dalam Gambar 3.1 maka parameter yang didapatkan akan disesuaikan menurut fungsi alih sesuai pada Persamaan (3-1) ditunjukan pada Persamaan (3-3). Pada Gambar 3.1 maka didapatkan analisa grafik respon keluaran sebagai berikut: = 3.35 = 2.5 = 0.24 detik (5%) = 0.7detik = 1.0568
3.1. Identifikasi Sistem Identifikasi plant Pressure Process Control Rig 38-714 ditujukan untuk mendapatkan model matematis berupa fungsi alih yang kemudian akan
( )= 2
. .
(3-3)
Respon Sistem Tanpa Air Recei ver dan Tanpa Kontroler 4 Ts = 0.7s 3.5
Perbandi ngan Respon Sistem Tanpa Air Receiver secara Langsung dan melalui Jari ngan
3.35
3.5 3.35
3.32 3 Keluaran Tegangan (Volt)
Keluaran Tegangan (Volt )
3 2.5 2 1.5 T = 0.324s
1
0.708 0.5
Keluaran Sistem
2.5
2
1.5 Keluaran Sistem tanpa melalui Jaringan
Masukan Sistem 2.5 Volt 0
0
5
10 15 Wakt u (100ms)
20
Keluaran Sistem melalui Jaringan 2.5 Volt 1
25
0.81
0.71
Gambar 3.1 Grafik Respon Keluaran Plant Tanpa Melalui Jaringan dengan Beban Nominal
0.5 0
5
10 15 Waktu (100ms)
20
25
Gambar 3.5. Perbandingan Respon Sistem Tanpa dan Melalui Jaringan dengan Metode Tanpa Air Receiver Beban Nominal
Perbandingan antara model dan respon plant dapat dilihat pada Gambar 3.2. Perbandingan Respon Keluaran Asli dan Model Tanpa Air Receiver
.
3.5
( )=
3.35
Keluaran Tegangan (Volt)
3
.
(3-4)
2.5
3.2. Sliding Mode Control (SMC) SMC bekerja pada fungsi state, sehingga dinamika plant hasil identifikasi (Persamaan (3-4)) akan dibawa kedalam bentuk persamaan state yang dapat dilihat pada Persamaan (3-5) [3].
2
1.5 Respon Sistem TAR 1
0.5
Model Sistem TAR
0
10
20 30 Waktu (300ms)
40
50
Gambar 3.2. Perbandingan Grafik Respon Keluaran Tanpa Air Receiver Asli dan Model
[ ̇ ] = [−2.6185][ ] + [1] (3-5) Untuk sinyal pengaturan yang diberikan pada plant terdiri dari 2 sinyal pengaturan terlihat pada Persamaan (3-6). (3-6) u= ueq+ uN Sinyal pengaturan ueq adalah sistem pengaturan agar state plant berada di permukaan sliding dan uN adalah sistem pengaturan agar state plant tetap berada pada permukaan sliding. Permukaan sliding yang linier : = . Merancang ueq harus memenuhi beberapa syarat, diantara nya pada permukaan sliding berlaku : = 0 dan ̇ = 0 sehingga jika syarat tersebut diberlakukan untuk masukan ueq, maka didapatkan Persamaan (3-7).
3.1.2. Identifikasi Melalui Jaringan Pada identifikasi melalui jaringan, dilakukan hal yang sama pada identifikasi tanpa jaringan, sinyal uji unit step sebesar 2.5 volt dan waktu sampling 100 ms, akan tetapi sinyal tersebut dikirimkan melalui media jaringan. Masukan unit step yang diberikan pada plant menghasilkan respon yang dapat dilihat pada Gambar 3.4. Respon Sistem Tanpa Air Receiver melalui Jaringan 4 Ts = 1.7s 3.5
Keluaran Tegangan (Volt)
3.32 3 2.5
̇=
2
0 = −2.618 + 1 = (2.618) = 2.168 (3-7) Nilai s ditentukan sehingga dinamika pada permukaan sliding stabil yang dinyatakan dengan = = 0, sehingga jika dipilih nilai = 1, maka nilai = . Merancang uN digunakan fungsi rele dengan gain (α) konstan [3]. Persamaan (3-8) didapatkan sinyal pengaturan dengan nilai = 1 melalui ketentuan > 0. ( ) =− (3-8) Pada Persamaan (3-9) menunjukkan sinyal pengaturan dari SMC. u = 2.168x − sgn(σ ) (3-9)
1.5 T = 0.3819s
1
0.81 Keluaran Sistem melalui Jaringan
0.5
Masukan Sistem melalui Jaringan 2.5 Volt 0 0
5
10
15
20 25 30 Waktu (100ms)
35
40
̇
45
Gambar 3.4. Grafik Respon Keluaran Plant Melalui Jaringan
Pada Gambar 3.5 maka didapatkan analisa grafik respon keluaran sebagai berikut: Respon keluaran pada identifikasi dengan jaringan menghasilkan waktu tunda, sehingga fungsi alih menjadi Persamaan (3-4). Selanjutnya adalah membandingkan antara respon tanpa air receiver melalui jaringan terhadap respon tanpa melalui jaringan. Pada Gambar 3.5, terlihat hasil keluaran respon sistem ketika melalui jaringan menjadi lebih lambat dari 0.7 detik menjadi 1.7 detik (terjadi tunda waktu dari settling time sebesar 1 detik). Dan juga ada perbedaan nilai keadaan tunaknya.
3.3. Kontroler PID Pada Gambar 2.5 merupakan proses analisa grafis dari metode tersebut. Pada metode ini, parameter yang dibutuhkan untuk perancangan 3
Tabel 2.1. Parameter PID metode Cohen-Coon
kontroler segagai berikut ; A, B, , , dan . Parameter-parameter tersebut diperoleh dari respon keluaran plant. Selanjutnya, parameter-parameternya diperoleh dengan mencari formulasi-formulasi sebagai berikut: ( )
=
=
( )
−
PI
= =
−
PID
=
Gambar 3.6. Analisa Grafis dengan Metode Cohen-Coon
( ).
=
( )
=
0.227
( ) ( )
=
1+
+
1 .
12
4 + 3 4
.
30 + 3. 9 + 20.
.
32 + 6. 13 + 8.
.
4 11 + 2.
IV. SIMULASI, IMPLEMENTASI DAN ANALISA Berdasarkan metodologi dan proses penghitungan yang telah dilakukan dan dibahas pada bagian III, maka selanjutnya dilakukan simulasi, implementasi, pengujian dan analisa data. Proses pengambilan data dilakukan dengan memberikan kondisi awal control valve menutup penuh dan dengan beban nominal. Pemberian tegangan antara range 0-5 volt atau sama dengan 0-5 psi, akan memberikan aksi tersendiri bagi control valve.
− = 0.26 = − = 0.06 = 1.0568
0.9 +
3
Selain kedua pembebanan nominal dan bertambah, digunakan juga variasi pembebanan lainnya.
= 0.06
=
1 .
1+
Gambar 3.7. Pembebanan pada Sistem Pengaturan Proses Tekanan (pressure process rig 38-714)
Formulasi yang didapat, digunakan untuk mendapatkan parameter kontroler PID yaitu KP, Ti dan Td dengan melihat Tabel 2.1. Parameter yang didapatkan dari tabel tersebut akan dibentuk menjadi Persamaan (2-2). =0 = 0.234 = 0.324 =
1 .
P
(2-2)
Perancangan kontroler pembanding PID dengan metode Coohen Coon didapatkan parameter : = 5.7845, = 0.135 dan = 0.349. Parameter yang didapatkan akan di-tuning untuk hasil yang lebih baik. Hasil tuning parameter PID yaitu = 4, = 0.349. 1⁄ = 1.8 dan
4.1. Simulasi dan Analisa Data Hasil simulasi tanpa melalui jaringan dengan kontroler SMC ditunjukkan pada Gambar 4.1 dan PID ditunjukkan pada Gambar 4.2.
3.4. Pembebanan Plant Pembebanan pada plant digunakan untuk pengujian dan kondisi nominal. Ilustrasi dari sistem pressure process rig 38-714 yang akan diatur ditunjukkan pada Gambar 3.7. Pada penelitian ini sistem proses dioperasikan dengan menggunakan kondisi tanpa air receiver (V1, V3 ditutup dan V2 dibuka) dengan beban yang divariasikan pada beberapa keadaan, yaitu: • Beban Nominal : V4 dibuka, V5 dibuka, V6 ditutup • Beban Bertambah : V4 dibuka, V5 dibuka, V6 dibuka
Gambar 4.1. Hasil Simulasi SMC pada Pengaturan Tekanan Tanpa Melalui Jaringan
4
Sedangkan untuk hasil simulasi tanpa melalui jaringan dengan kontroler SMC ditunjukkan pada Gambar 4.3 dan PID ditunjukkan pada Gambar 4.4. Hasil simulasi menunjukkan perbedaan settling time pada saat simulasi parameter hasil identifikasi dan perancangan melalui jaringan yang disimulasikan tanpa melalui jaringan. Pada Gambar 4.1 settling time sebesar 1.6 detik dan Gambar 4.3 1.3 detik , sehingga dapat dikatakan bahwa parameter kontroler SMC hasil identifikasi dan perancangan melalui jaringan mempunyai settling time lebih cepat jika disimulasikan melalui jaringan
melalui jaringan yang disimulasikan tanpa melalui jaringan. Dapat dikatakan bahwa parameter PID hasil identifikasi dan perancangan melalui jaringan mempunyai settling time lebih cepat jika disimulasikan melalui jaringan. Selain settling time yang lebih lama pada Gambar 4.4 , penerapan kontroler untuk pengaturan melalui jaringan menyebabkan durasi osilasi lebih lama. 4.2. Implementasi dan Analisa Data Hasil implementasi melalui jaringan dengan kontroler SMC ditunjukkan pada Gambar 4.5 dan PID ditunjukkan pada Gambar 4.6. Untuk implementasi tanpa jaringan parameter dari kontroler PID dan SMC yang dihasilkan dari identifikasi dan perancangan melalui jaringan tidak dilakukan untuk menghindari kerusakan alat ketika implementasi berlangsung. Hal ini mengingat bahwa tidak semua hasil simulasi yang baik akan mendapatkan hal yang sama ketika dilakukan implementasi.
Gambar 4.2. Hasil Simulasi PID pada Pengaturan Tekanan Tanpa Melalui Jaringan
.
Gambar 4.5. Hasil Implementasi SMC pada Pengaturan Tekanan Melalui Jaringan Gambar 4.3. Hasil Simulasi SMC pada Pengaturan Tekanan Melalui Jaringan
Gambar 4.6. Hasil Implementasi PID pada Pengaturan Tekanan Melalui Jaringan Gambar 4.4. Hasil Simulasi PID pada Pengaturan Tekanan Melalui Jaringan
Pada Gambar 4.5 memiliki hasil yang berbeda dengan simulasi yang dilakukan (hasil simulasi dapat ditunjukkan pada Gambar 4.3). Hasil ini diduga pada saat implementasi, plant memiliki respon yang berbeda tiap waktu yang dibutuhkan selama proses berjalan sehingga aksi kontrol dari kontroler saat implementasi berbeda dengan aksi kontrol pada simulasi. Hal yang sama juga terlihat pada Gambar 4.6 yang berbeda dengan hasil simulasi pada Gambar 4.4, akan tetapi osilasi pada hasil simulasi berkurang saat implementasi. Hasil dari implementasi dari kontroler SMC dan PID dapat dianalisa bahwa settling time pada SMC
Settling time pada Gambar 4.1 lebih lambat dikarenakan parameter kontroler untuk pengaturan melalui jaringan akan memberikan aksi kontrol yang tidak sesuai saat pengaturan tanpa melalui jaringan sehingga memungkinkan Settling time lebih lama. Untuk hasil simulasi pada Gambar 4.2, settling time sebesar 3.2 detik dan Gambar 4.4 2.8 detik menunjukkan perbedaan settling time pada saat simulasi parameter hasil identifikasi dan perancangan 5
adalah 1.44 detik dan 1.40 detik pada PID atau dapat dikatakan settling time pada PID lebih cepat 0.04 detik dari SMC. Pada pengujian kontroler PID dengan menutup valve 5 memiliki karakteristik yang berbeda dengan menutupnya valve 4. Terlihat pada penutupan valve 5 aksi kontroler menyesuaikan dengan perubahan beban, sehingga respon dari plant tidak mengalami perubahan yang drastis. Hal ini berbeda dengan dengan penutupan valve 4 yang belum bisa menjaga respon, ketika valve dibuka kembali terdapat perubahan respon plant yang drastis dan memiliki waktu yang cukup lama untuk kembali pada keadaan tunak.
tidak berosilasi terlalu besar. Hal ini berbeda dengan respon dengan kontroler SMC yang ikut berosilasi.
Gambar 4.10. Hasil Pengujian SMC dengan Valve 4 Ditutup Selama 2.07 detik
V. KESIMPULAN Penelitian yang dilakukan mempunyai beberapa kesimpulan baik mengenai sistem yang dirancang maupun perfoma kontroler. Hal pertama yang dapat disimpulkan mengenai proses perancangan kontroler pada SPB harus menyertakan parameter jaringan. Hal berikutnya mengenai hasil implementasi, settling time pada metode PID lebih cepat 0.44 detik dari kontroler SMC. Ketiga, implementasi SMC belum dapat mengurangi efek dari waktu tunda, hal ini dilihat dari hasil iimplementasi melalui jaringan yang mempunyai settling time 0.54 detik lebih lambat dari hasil identifikasi melalui jaringan. Kesimpulan akhir yang didapatkan bahwa respon PID terhadap gangguan, memiliki peredaman yang baik dibandingkan dengan SMC.
Gambar 4.7. Hasil Pengujian PID dengan Valve 5 Ditutup Selama 2.10 detik
[1]
Gambar 4.8. Hasil Pengujian PID dengan Valve 4 Ditutup Selama 2.08 detik
[2] [3]
REFRENSI Tipsuwan, Y., Chow, M. Y., 2003. “Control Methodologies in Networked Control Systems” Department of Electrical Engineering, North Carolina University, Februari. Ogata, K., 1917. “Modern Control Engineering” Prentice-Hall, Inc. DeCarlo, A., Raymond., Zak, H., Stanislaw., Matthews, P. Gregory., 1988. “Variable Structure Control of Nonlinear Multivariable Systems: A tutorial” IEEE.
RIWAYAT PENULIS Chandra Choirulyanto dilahirkan di Surabaya, pada tanggal 18 Juli 1987. Merupakan anak ke dua dari empat bersaudara. Bertempat tinggal di Kalisari Utara – Perum. P.C. San Antonio N15-63 Surabaya. Penulis megawali pendidikan di TK YPK Bontang, kemudian melanjutkan pendidikan dasar di SD-2 YPK Bontang, SLTP YPK Bontang dan SMUN 21 Surabaya. Pendidikan jenjang lanjut ditempuh di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2005 dan berjuang bersama di bidang studi Teknik Sistem Pengaturan untuk mendapatkan gelar sarjana.
Gambar 4.9. Hasil Pengujian SMC Dengan Valve 5 Ditutup Selama 2.17 detik
Respon pengujian yang berbeda terjadi pada pengujian kontroler SMC, dimana ketika valve 5 ditutup beberapa saat, repon ikut berubah drastis selama pengujian dilakukan dan hal yang sama terjadi pada penutupan valve 4. Hasil pengujian menunjukkan ketika kontroler PID diberikan gangguan, tetap menjaga respon agar 6
