SISTEM KENDALl DOSIS BERBASIS KOMPUTER P ADA AKSELERA TOR LINEAR

114

Buku I

Proseding Per/emuan dan Presen/asi IImiah P3TM-BA TAN. Yogyakar/a 25 -26 Ju/i 2000

SISTEM KENDALl DOSIS BERBASIS KOMPUTER AKSELERA TOR LINEAR

PADA

Taxwim, Djoko SP PusatPene/itiandon Pengembangan Tekn%gi Maju Widi Setiawan Pusal Pengembangan Perangka/ Nuk/jr Agus Budi Wiyatna Fakul/as Teknik Universitas Gadjah Mada

ABSTRAK SISTEM KENDALl DOSIS BERBASIS KOMPUTER PADA AKSELERATOR LINEAR. Teknologi Akselerator telah digunakan untuk Radio Therapy di Rumah Sakit Dokter Karyadi Semarang menggunakan akselerator linear (Linac) dengan memanfaatkan elektron atau sinar-X untuk terapi kanker. Salah satu parameter pengendalian akselerator linear adalah laju dosis yaitu arus partikel atau jumlah foton persatuan waktu yang dikenakan pada larget. Pengendalian laju dosis pada Linac dilakukan dengan merubah repetition rate dari pulse train tegangan tinggi anoda sumber elektron. Soot ini pengendalian masih menggunakan kendali proporsional. Untuk meningkatkan kualitas hasil pengendalian (stasioner error minimal, kecepatan don stabilitas) maka dalam penelitian ini dilakukan perancangan sistem kendali dosis menggunakan algoritma kendali PID (Proportional Integra/ Differential) dengan penurunan fungsi pindah obyek kendali (Linac). Dengan bantuan komputer pribadi dilakukan implementasi algoritma sistem kendali PID yang masukannya berupa error dosis (beda antara nila.i hasil ukur dosis dengan laju dosis permintaan I dose rate set point). Keluaran sistem kendali digunakan untuk koreksi repetition rate set point dari pulse \train tegangan tinggi anoda sumber elektron.

ABSTRACT COMPUTER BASED DOSE CONTROL SYSTEM ON LINEAR ACCELERATOR. The accelerator technologyhas beenusedfor radio therapy. DokterKaryadi Hospital in Semaranguse electron or X-ray linear accelerator (linac)for cancertherapy. One of the control parameter of linear acceleratoris dose rate. II is particle current or amountoffoton rate to thetarget. Thecontrol ofdoserate in linac havebeen done by adjusting repetition rate of anodepulse train of electron source. Presentlythe control is still proportional control. To enhancethe quqlity of the control result (minimal stationer error. velocity and stability). the dosecontrol systemhas beendesignedby using the PID (Proportional Integral Differential) control algorithm and the derivation of transferfunction of control object. Implementation of PID algorithm control systemis done bygiving an input of doseerror (the different betweenoutput dose and dose rate set point). The output ofcontrol systemis usedfor correction ofrepetition rate setpoint from pulse train ofelectronsourceanode.

PENDAHULUAN S

istem pengaturan atau kendali merupakan salah satu bagian penting dari suatu proses dalam industri modem, seperti halnya pesawat akselerator linear yang digunakan sebagai terapi kanker yang memerlukan suatu sistem yang dapat mengatur jalanya operasi agar lancar clan aman sesuai dengan aturan-aturan besaran yang dikehendaki clan agar terhindar dari bahaya yang mungkin terjadi. Akselerator linear merupakan salah satujenis akselerator dengan prinsip kerja mempercepat partikel bermuatan (elektron) dalam lintasan garis

Taxwim, dkk.

lurus oleh medan listrik yang berosilasi(8), Keluaran daTi akselator linear adalah elektron atau konversinya (sinar-X) yang digunakan sebagai terapi kanker, maka salah satu parameter kendali yang digunakan pacta akselator tersebut adalah laju dosis yaitu

besamyaarus partikel perluasanpersatuanwaktu yang ditembakkan pactasuatu target, Pengendalian laju dosis pacta pesawat Linac (Linear Accelerator) buatan Mitsubishi Corporation tersebut dapat dilakukan dengan merubah Repetiton Rate daTifulse train tegangan tinggi Anoda sumber elektron(7, Oalam penelitian ini dirancang sebuah sistem kendali dosis dengan Algoritma kendali PID ISSN 0216 -3128

Proseding Perlemuan dan Presenlasi l/miah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000

115

Buku I

Kendali Dosis Pada Linac

(Proportional Integral Differential) yang digunakan untuk rnengatur dosis keluaran agar sarna dengan dosis permintaan.

Seperti yang telah dipaparkan dimuka, bahwa sistem kendali dosis pada Linac yang telah ada sekarang ini menggunakan kendali proporsional dengan sistem umpan balik seperti terlihat pada Gambar I. Sistem kendali dosis ini, dipergunakan untuk mengatur besarnya arus elektron yang dibangkitkan oleh Linac dalam tabung pemercepat elektron, dengan cara mengatur repetition rate

DASAR TEORI Sistem kendali dosis pad a Linac yang te!ah diguhakan saat ini, seperti terlihat pada Gambar I. Masukan (set point) dan umpan balik berupa tegangan DC, yang digunakan sebagai parameter pengendalian laju dosis. Dari Gambarl terlihat bahwa sistem Automatic Dose Rate Control Circuit (ADC) dipergunakan sebagai sistem kontrol dosis pada Linac, jika switch pada ADC ON, maka .sistem menggunakan kontrol umpan balik untuk mendeteksi keluaran dosis. Keluaran dosis dibandingkan dengan Output dose rate set point Voltage (I) dan keluarannya berupa error dijumlahkan dengan PPS I pulse repetition frequency set point voltage (2) kemudian diubah dalam bentuk frekuensi (V to F) sebagai trigger untuk mengaktifkan osilator pada

sumber elektron (7)

Dari Gambar I, selanjutnya dibuat suatu diagram sistem kendali yang akan dipergunakan dalam pengendalian dosis Linac dengan algoritrna kendali PJD seperti pada Gambar 2. Sistem pemercepat elektron dalam akselerator linear menggunakan sistem peinercepat dengan micro wave, gelombang ini telah dipersiapkan dari generator tegangan tinggi RF (Magnetron) dengan frekuensi antara 2992 MHz -3001 MHz 8ada tegangan kurang lebih 47 kilo Volt maksimum ).

pembangkit tegangan tinggi yang dipergunakan sebagai pemercepat elektron dalam tabung struktur pemercepat (7).

Outpulv.- rrzle (1)

lei poinl ""/a~

-~~>

Trivvrr l'"L~

PPS ect jX)int wllagc (2)

V/F Converter

-;;:;

~

X el~ft)II I11),1

Adder

on/off

Unac~$}:!I~~

~"

.fWitch

I

Monitor Chamber}

Amp4fie~

Gambar 1. Blok diagram kontrollaju dosis.(7:

TAIJtJNO PUMERCI!PAT

I AKSULERATOR

S

(!ldJr,IIV

L'

EI

\

SinIa"-X

)0 ~

D-,/I

caburn

QoY-J

~..0.. ~

Rangk&8I1

P~,.ual

~ .;I'-,

Chamb~r-/ I .

elel1roda

rr/RA""O

I Mcnitl»' I

A, I I").-,"i. rml\i.;;;;l ~

I (DoMrO"A~I:)J

Gambar 2. Blok diagram kendali laju dosis akselerator linear.

Proseding Pertemuan don Presen/asi I/miah P3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juli 2000

Buku J

116

Kendal; P I D

MetodaZigler-Nichols

Sistem kendali digital dengan algoritma kendali PID sebagai sistem pengaturan dapat dijabarkan sebagai berikut(S):

Dalam beberapa kasus praktis karakteristik perfonnasi sistem kontrol yang diinginkan dinyatakan dalam bentuk besaran wawasan waktu. Sistem yang mempunyai elemen penyimpanan energi tak dapat meresponsecaraseketika danakan menunjukkan respon transienjika dikenai masukan(6). Dalam menentukan karakteristik respon transien sistem kontrol terhadap masukan tangga satuan, biasanya dicari parameter yaitu(6): waktu Tunda (delay time , td), waktu naik (rise time. tr), waktu puncak (peak time, tpJ. /ewatan maksimum (maximum overshoot. Mp), "~ktu penetapan(settling time, ts).

Aksi kontrol proporsional plus turunan plus integral, adalah gabungan aksi kontrol proporsional, aksi kontrol turunan, aksi kontrol integral membentuk aksi kontrol proporsional plus turunan plus integral, gabungan aksi kontroler tersebut diberikan oleh persamaan:

atau dapat ditulis fungsi alihnya

M(s) = Kp(l+TDs+ E(s)

1

(1)

TIs

Kp menyatakan kepekaan proporsional dan TD menyatakan waktu turunan dan TJ menyatakan waktu integral, baik Kp maupun TD dapat diatur, aksi kontrol turunan juga disebut kontrol laju (rate control), katena besar keluaran kontroler sebanding dengan laju perubahan sinyal kesalahanpenggerak. Sistem kendali dosis yang dipergunakan pada penelitian ini adalah sistem kendali dengan algoritma kendali PID agar didapatkan nilai dosis dengan stationer error minimal, kecepatan pengendalian daD stabilitas yang tinggi. Perancangan sistem kendali PID ditunjukkan Gambar 3.

Gambar 4. Kurva respontransienyang menunjukkan waktutd, tr. tp. Mp. dan Is.

Sedangkan untuk menetapkan parameter kendali dengan uji transien pacta obyek kendali dengan metoda Zigler-Nichols didapatkan parameter kendali dengan cara perhitungan gambar berikut ini(6):

y(t)

Gambar 3. Diagram blok sistemkendali.

i

Kendali Pill untuk sistem analog mempunyai fungsi pindah sebagai berikut(l) : XK(S)

x:r.;; dengan,

= Kp (

XK(S)

Kp TI TD

(2)

: transfonnasi Laplace dari keluaran sistem kendali : transfonnasi Laplace dari masukan sistemkendali. : penguatanproporsional : konstanta waktu integral : konstanta waktu differensial

Gambar 5. Penentuan awal parameter kendali dengan metoda Zigler-Nichols.

Dari kurva tersebut diatas diperoleh nilai parameter kendali Kp. TI. TD. dan basil perhitungan dengan metoda Zigler-Nichols dapat ditentukan oleh persamaan:

Prosed;ng Pertemuan don Presentas;I/m;ah P3TM-BATAN. Yogyakar/a 25.26 Jut; 2000

R =

N.L

\,2

K'

TI = 2.7;

Buku I

TD = O,5.T

Kp="R"":T"'

Perancangan

Sistem Kendali

Perancangan sistem kendali tersebut dilakukan dengan menggabungkan kendali PID dan obyek kendali dalam persamaan penurunan fungsi pindah dari fungsi kontinyu ke fungsi diskrit. Seperti telah diuraikan pacta bab sebelumya, perancangan sistem kendali tersebut menggunakan algoritma kendali PID (Proportional Integral Defferential ) (Gambar 6) dengan persamaan PID dalam bentuk fungsi Laplace sebagaiberikut : XK(S) X AI (s)

=

K p

T1 S

17

diperoleh sistem pengendalian yang optimum. Secara keseluruhan program simulasl tersebut merupakan sistem kendali yang menggunakan algoritma PID, sebagai pengontrol keluaran dari obyek kendali. Untuk obyek kendali, diperoleh suatu per-samaan dengan menurunkan fungsi pindah dari rangkaian elektronik kendali dosis (Lampiran A). Simulasi Obyek kendali tersebut dengan mem-berikan masukan fungsi undak seperti dalam Gambar 8. Sedangkan untuk simulasi secara keseluruhan (kendali dan obyek kendali) seperti terlihat pada Gambar 9. obyek

Hasil pengukuran parameter kendali pada kendali dengan metoda Zigler-Nichols

diperoleh: +

T oS

(I +~))

N

hubungan loop tertutup kendali PID dengan obyek kendali adalah Gambar 7.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Parameterproporsional. Kp

= 0.17

Parameter integral, TI

= 2,364 x10-5 detik

GyN

Parameter deferensial, TD

= 0,591 x10-5 detik

Waktu puncak (peak time). tp

= 6,25 x10-5 detik

Waktu penetapan(settling time). ts = 14,375xl0-5 detik Waktu tunda (delay time), td

= 3,75 xl~-5

Waktu naik (rise time), tR

= 1,6875 x10-5 detik

detik

Lewatan maksimum (maximum overshoot),Mp= 49 %

Persamaan PID diatas dibuat program simulasi clan pemrograman bahasa Pascal, membentuk suatu algoritma kenda!i PJD yang dinamakan Program Kcndali PJD. Program kendali PID tersebut digabungkan dengan obyek kenda!i untuk pengontrol atau mengenda!ikan obyek ( Linac) agar

Hasil tersebut diatas selanjutnya digunakan sebagai nilai awal dari parameter sistem kendali, yang akhimya dilakukan simulasi untuk mendapatkan suatu nilai yang optimal.

Gambar6. KendallP/D.

Gambar 7. Siste/t'kendalilaju dosis.

~

118

Buku I

Dalam uji coba paramater kendali untuk optimasi didapatkan suatu nilai yang dianggap sebagai basil kompromi untuk menentukan parameter kendali yang optimum yaitu dengan membuat suatu kurva antara parameter kendali dan nilai overshoot serta kecepatan (rise time). Dari pertimbangan kurva antara parameter kendali yaitu Kp. TD. TI, dengan nilai overshoot dan kecepatan (rise time), serta dengan coba-coba merubah parameter kendali tersebut dapat ditentukan nilai optimasi parameter kendali sebagaiberikut :

Proseding Per/emuan don Presen/asi Ilmiah P3TM-BA7:4N. Yogyakar/a 2.5 -26 Juli 2000 Parameterproporsional, Kp

= 0.043

Parameter integral, TJ

= 3 x10-5

detik

Parameterdeferensial, TD

= I x10-5

detik

Waktu puncak (peak lime), Ip

= 6,25 xl 0-5 detik

Waktu penetapan (sellling lime), IS = 7,5 x10-5

GyN

detik

Waktu lunda (delay lime) , Id

= 1,827 xi 0-5 dctik

Waktu naik (rise lime), IR

= 1,625 xIO-S detik

Lewatan maksimum (maximum overshool), Mp= 0,4 %

Gambar 8. Bagana/ir programpengujianstepresponseobyekkenda/i.

Taxwim, dkk.

ISSN 0216 -3128

~

Proseding Pertemuan dan Presentasi //miah P3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000

Buku

119

J

X ,.1 -E!!!- -K(I+ ($'

,. AN

1

r.I

T, I

( 1+ -P-)

-i--r-;-

".

}

rr 0, .

,,!XV)

10

12.01:

~,:inig-r; i~tlg""-; i;',~:il.-;;

~ KcJ~

Si.'lU:m

.lihat

GambarL3mpiran 2

Kendali

ya

?

= Batasan Loop Simpnn dntD

(

rtdak

SELESAI Gambar 9. Baganalir programpengujian stepresponsekendalidan obyekkendali.

2. Pengukuran parameter kendali pada obyek kendali dengan masukan fungsi undak diperoleh :

KESIMPULAN Berdasarkan

hasil.hasil

percobaan

dan

simulasi dengan program komputer (bahasa pemrogram an Turbo Pascal versi 7.0) pada sistem kendali dosis Linac dengan algoritma diambi! kesimpulan bahwa :

kenda!i PID,

dapat

I. Sistem kendali dosis dengan algoritma PID yang telah dibuat dapat dipergunakan sebagai perbaikan unjuk kerja dari sistem kendali yang telah ada sebelumnya yaitu kendali Proporsional schingga dapat dipcroleh sistem kendali yang optimal.

Parameterproporsional. Kp

= 0.17

Parameter integral, TI

= 2,364 x10-5 detik

GyN

Parameter deferensial, TD

= 0,591 xl0-5

Waktu puncak (peak time). tp

= 6,25 x10-5

detik detik

Waktu penetapan (settling time). ts = 14,375xl0-5 detik Waktu tunda (delay time). td

= 3,75 x10-5

dctik

Waktu naik (rise time), tR

= 1,6875xl0-5detik

I.cwatan maksimum (maximum overshoot). Mp= 49 %

ProsedingPerlemuandan PresenlasiIlmiah /Juku!

120

3. Optimasi sistem kendali dosis Linac diperoleh : Parameter proporsional, Kp

= 0.043

Parameter integral, TI

= 3 xl 0-5

detik

Parameter deferensial, TD

= 1 xl 0-5

detik

Waktu puncak (peak lime), Ip

= 6,25 x 10-5 detik

Waktu penetapan (sell/ing lime), IS = 7,5 x I 0-5

aytY

detik

Waktu tunda (de/aytime). Id

= 1,827 xl 0-5 detik

Waktu naik (rise lime). IR

= 1,625 xl 0-5 detik

Lewatanmaksimum(maximumovershoot),Mp=0,4 % 4. Penerapan sistem kendali dengan algoritma tersebut sangat tepat karena dalam pengoperasian pesawat Linac, keluaran dosis pada suatu nilai yang tetap (tak dirubah) dan untuk kalibrasi dosisnya, dapat dilakukan dengan merubah parameter kendali.

DAFTARPUSTAKA DEWIT A DAN WIDI SETIA WAN, 1993, "Simulasi KaIang Tertutup Untuk Optimasi Parameter Kendali", PPNY -BAT AN, Yogyakarta.

PJTM-BA7:4N,

Yogyakarla 25 -26 Juli 2000

2. ECKMAN, D.P, 1958, "Automatic Process Control", John Wiley & Sons, New York 3. JOSEPH S. ROSKO, 1972, "Digital Simulation of Physical System", United Aircraft Research Laboratories, Addison- Wesley Publishing Company, 4. KARL J, ASTROM, B, JOHN WITTERMARK, 1984, "Computer Controlled System", Theory and Design, Prentice Hall International, Edition

8. 5. KATSUHIKO OGATA, 1970, "Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan)", jilid I, Prentice-Hall Inc, New York. 6, KATSUHIKO OGATA, 1991, "Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan)", jilid 2, Prentice-Hall Inc, New York, 7. MITSUBISHI ELECTRIC CORPORA TION, 1991, "Operation Manual Medical Linear Accelerator Model EXL-6", 8. SUDJA TMOKO, 1998, "Akselerator Implantasi Ion", Diktat Diklat Pengenalan dan Aplikasi Akselerator, Yogyakarta,

Proseding "erlemuan don Presenlasi I/miah

PJ1M.BATAN. Yogyakarla2.5.26 Ju/i 2000

Buku I

122

Lampiran 2 ,..

...J I ., I

u.

.. ..

"

I" 0'-.

,.

-.~

; :

~

"

..,:

, ,I ,I ! .,

~

: I :

..'

_l I

r'

'.. , "'

,

I , ,

, I I,

,.: ! I :'.' ."

! ,

'r "

":

, ,

i

!

'

, ..,

,

,

I , ,

t

,

,

,

, ' I

I ., ,

..

,

,

~,

.. WAKTU~ x 8.00001d1titl

Gambar 10. Responobyek kenda!i Linac.

1.2

,

"".,--",

I

,

1

t

I

'-' ,I

--r

08

,

I

~--"

I

..I ' I" ,

.I

~ I

0.6

,

I

0.4

<12

O. 1

.I I

1

I

L , I I

.,.--'

,

.

I

L

, I

"

"

" ~.-~---:

, I

I I

.: I

I

I

,

t

. I , I'

I

~

~--~ I

I

~ '

I

,

;

' :

~-~: .

I

I I

I I

I I I

I I I

I .., .I

I

, I

' ; :

~

~-_.~---~

~

L

;

I I I I

I .I I I

I

I I I t

': I I I

,.

6

11

16

21

2e

;

I I

w-.1 Gambar

, ,

"

t x 0.00001 ~

,. --;

: ,

. 1

:

31

I

11. Respon sistem kenda/i Linac (optimasi).

-Diper/ukan, yaitu program sistem kenda/i PID ditanamkan da/am IC. /a/u disambungkanke sistemyang akandikenda/ikan.

TANYAJAWAB Sudjatmoko -Bagaimana teknik pengaturan dan pengendalian dosis yang keluar dari linac?

Subari Santoso -Anda mengunakan sistem kendali PID.

-Apakah diperlukan sistem hardware pengendalian tersebut?

-Tuntutan unjuk kerja seperti apa sistem kendali yang anda rancang.

untuk

Taxwim -Teknik pengaturan dan pengenda/iannya dengan mengaturrepeatationrate pada sumbere/ektron denganmenggunakansistemkenda/iPID.

Taxwim -Tuntutan ada/ah: .Stabi/itas

sistem kenda/i yang kita harapkan

ProsedingPerlemuandon PresenlasiIlmiah P3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000

.Kesalahan stasioner yang rendah, bahkan nolo .Kecepatan yang tinggi. Hal tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan sistem kendali PID.

Budi Santoso,MT. -Apa tujuan pemasangan PID pad a sistem kendali dosis LINAC yang dipakai?

ISSN 0216 -3128

Buku I

123 .menekan .memperbaiki

derau unjuk kerja.

Taxwim -Tujuannya u'7tuk memperbaiki unjuk kerja pada sistem kendali dosis yang sebelumnya menggunakan kendali proporsional soja.

Taxwim, dkk.