bab iii.. .perancangan dan pembuatan sistem. …
TRANSCRIPT
14
..BAB III..
.PERANCANGAN_DAN PEMBUATAN_SISTEM.
Bab_ini menjelaskan_tentang perancangan_dan pembuatan_sistem kontrol,
baik secara software dan hardware yang akan digunakan untuk mendukung
keseluruhan sistem yang akan diujikan. Hardware memilik beberapa bagian yang
saling terhubung dalam sistem, sedangkan software akan dijadikan sebagai
perantara dan pemproses antara komputer dengan hardware. Keseluruhan dari
sistem yang akan dibuat nampak pada Gambar 3.1.
Matlab
2016a
Arduino
Mega
2560
Servo
(Valve)
Temperature
Sensor (Heat
Exchanger)
Temperature
Sensor
(Flow)
REF
Flow Sensor
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Kontrol Heat Exchanger
Prinsip kerja dari sistem ini adalah ref memberikan perintah ke software
Matlab yang akan mengirimkan data ke Arduino Mega. Arduino Mega sebagai
penghubung ke motor servo agar motor servo dapat membuka dan menutup valve.
temperature sensor LM35DZ pada heat exchanger digunakan sebagai sensor
pembaca suhu heat exchanger kemudian dikirim pada Arduino Mega. Data sensor
suhu LM35DZ yang diterima oleh Arduino Mega dikirim ke Matlab yang akan
menampilkan respon dari plant. Flow sensor digunakan sebagai pembaca debit air
yang masuk ke heat exchanger dan temperature sensor LM35DZ pada aliran
digunakan sebagai pembaca suhu aliran air.
15
3.1 Pemodelan Heat Exchanger
Untuk mendapatkan model kontrol yang sesuai dengan yang diinginkan
maka perlu diketahui tentang karakteristik plant, dimana diperlukan pemodelan
plant yang sudah dikaji sebelumnya. Model heat exchanger dalam hal ini merujuk
pada pada penelitian sebelumnya yang dilakukan (Ismail dkk, 2015) yang
didapatkan pada Persamaan (2.1). Penggunaan model ini telah disesuaikan untuk
model test-rig.
3.2 Pemodelan Motor Servo
Pemodelan sistem motor servo MG90S menjadi bagian utama pada sistem
ini. Pemodelan ini dilakukan menggunakan salah satu fitur software matlab system
identification toolbox. Beberapa langkah yang dilakukan dalam pemodelan sistem
adalah:
3.2.1 Pengambilan Data
Gambar 3.2 Data Input Output
16
Gambar 3.2 merupakan data input dan output yang diberikan pada motor
servo MG90S. Data input yang diberikan pada motor servo adalah set point sudut
motor servo yang telah dirancang. Set point yang digunakan untuk data input
dirancang menggunakan salah satu tools pada simulink yaitu signal builder. Data
output digunakan adalah data sudut motor servo yang didapatkan dari pembacaan
rangkaian kontrol pada motor servo. Banyaknya data yang digunakan sebanyak
3000 data untuk data input dan output dengan sampling time= 0.01s.
3.2.2 Pemilihan Struktur Pemodelan
Jenis struktur pemodelan yang digunakan dalam penelitian ini
menggunakan pemodelan Transfer Function seperti Persamaan (2.3) dengan pole
bernilai 2 dan zero bernilai 1 seperti tampak pada Gambar 3.3. Untuk mendapatkan
model yang sesuai untuk Persamaan (2.3) data input dan output yang telah diperoleh
dimasukkan pada System Identification Tool Matlab.
Gambar 3.3 Pemilihan Struktur Pemodelan
3.2.3 Estimasi dan Validasi
Dalam perancangan atau penelitian, nilai ketepatan hasil estimasi
pemodelan yang dapat digunakan harus lebih besar sama dengen 90%. Dari hasil
17
estimasi menggunakan pemodelan Transfer Function menghasilkan nilai ketepatan
mencapai 97,7% hal ini dibuktikan dari kurva validasi Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Kurva Validasi
Nilai ketepatan atau best fit sebesar 97,7% diperoleh dari perbandingan
antara data validasi output dan respon output dari pemodelan, sesuai pada
Persamaan (2.4). Rumusan tersebut terdapat pada Sistem Identification Toolbox
pada menu model output sehingga didapatkan model Persamaan (3.2)
𝑇𝐹𝑐 =𝑁𝑢𝑚
𝐷𝑒𝑛𝑢𝑚=
376𝑠+583.3
𝑠2+377.2𝑠+583.2 (3.1)
Melalui Sistem Identification Toolbox dapat diketahui karakteristik dari pemodelan
motor servo yang telah dilakukan. Respon transien dari hasil pemodelan ini terlihat
pada Gambar 3.8. Pada respon transien dapat diketahui karakteristik dari
pemodelan. Karakteristik yang dapat diketahui antara lain rise time, settling time,
dan peak time. Hasil pemodelan motor servo servo ini menunjukkan sistem over
damped.
18
Gambar 3.5 Step response dari pemodelan motor servo MG90S
3.3 Perancangan Interface
Perancangan elektronik diperlukan sebagai penghubung antara software
Matlab yang berada pada Personal Computer (PC) dengan plant yang akan diuji.
Interface yang digunakan adalah Arduino Mega 2560 yang dapat menghubungkan
antara PC dengan plant. Berikut konfigurasi interface seperti terlihat pada Gambar
3.6 dan 3.7.
Gambar 3.6 Rangkaian Hardware Sistem
PW
MC
OM
UN
ICA
TIO
N
DIGITAL
AN
AL
OG
IN
AT
ME
GA
2560
16
AU
11
26
TX0
TX3
TX2
TX1
SDA
SCL
RX0
RX3
RX2
RX1
Reset B
TN
ww
w.T
heE
ng
ineerin
gP
roje
cts
.co
m
ON
ON
ON
Ard
uin
o M
eg
a 2
560
PD0/SCL/INT021
PD1/SDA/INT120
PD2/RXD1/INT219
PD3/TXD1/INT318
PH0/RXD217
PH1/TXD216
PJ0/RXD3/PCINT915
PJ1/TXD3/PCINT1014
PE0/RXD0/PCINT80
PE1/TXD0/PDO1
PE4/OC3B/INT42
PE5/OC3C/INT53
PG5/OC0B4
PE3/OC3A/AIN15
PH3/OC4A6
PH4/OC4B7
PH5/OC4C8
PH6/OC2B9
PB4/OC2A/PCINT410
PB5/OC1A/PCINT511
PB6/OC1B/PCINT612
PB7/OC0A/OC1C/PCINT713
AREF
PK7/ADC15/PCINT23A15
PK6/ADC14/PCINT22A14
PK5/ADC13/PCINT21A13
PK4/ADC12/PCINT20A12
PK3/ADC11/PCINT19A11
PK2/ADC10/PCINT18A10
PK1/ADC9/PCINT17A9
PK0/ADC8/PCINT16A8
PF7/ADC7/TDIA7
PF6/ADC6/TDOA6
PF5/ADC5/TMSA5
PF4/ADC4/TCKA4
PF3/ADC3A3
PF2/ADC2A2
PF1/ADC1A1
PF0/ADC0A0
RESET
VCC
GND
PA
0/A
D0
22
PA
1/A
D1
23
PA
2/A
D2
24
PA
3/A
D3
25
PA
4/A
D4
26
PA
5/A
D5
27
PA
6/A
D6
28
PA
7/A
D7
29
PC
6/A
14
31
PC
5/A
13
32
PC
4/A
12
33
PC
3/A
1134
PC
2/A
10
35
PC
1/A
936
PC
0/A
837
PD
7/T
038
PG
2/A
LE
39
PG
1/R
D40
PG
0/W
R41
PL7
42
PL6
43
PL
5/O
C5C
44
PL
4/O
C5B
45
PL
3/O
C5A
46
PL
2/T
547
PL
1/I
CP
548
PL
0/I
CP
449
PB
3/M
ISO
/PC
INT3
50
PB
2/M
OS
I/P
CIN
T2
51
PB
1/S
CK
/PC
INT1
52
PB
0/S
S/P
CIN
T0
53
PC
7/A
15
30
ARD1ARDUINO MEGA 2560
0.0
3
1
VOUT2
TEMPERATURE HE
LM35
+88.8
SERVO MOTOR1.0
3
1
VOUT2
TEMPERATURE BOILER
LM35
0.0
3
1
VOUT2
TEMPERATURE FLOW
LM35
19
Gambar 3.7 Rangkaian Hardware Sensor Aliran
Keterangan:
Arduino 1:
PIN A0 dihubungkan ke kaki data LM35DZ Heat Exchanger
PIN A1 dihubungkan ke kaki data LM35DZ Boiler
PIN A2 dihubungkan ke kaki data LM35DZ Aliran
PIN D9 dihubungkan ke PIN data motor servo MG90S
Arduino 2:
PIN D2 dihubungkan ke PIN data sensor aliran
3.4 Perancangan Mekanik Test-Rig
Pada penelitian ini rancangan kontrol diatas akan di terapkan pada motor
servo serta test-rig heat exchanger dengan konfigurasi interface pada Gambar 3.6
dan 3.7 serta rancangan mekanik test-rig yang dibuat tampak pada Gambar 3.8
PW
MC
OM
UN
ICA
TIO
N
DIGITALA
NA
LO
G IN
AT
ME
GA
2560
16
AU
11
26
TX0
TX3
TX2
TX1
SDA
SCL
RX0
RX3
RX2
RX1
Reset B
TN
ww
w.T
heE
ng
ineerin
gP
roje
cts
.co
m
ON
ON
ON
Ard
uin
o M
eg
a 2
560
PD0/SCL/INT021
PD1/SDA/INT120
PD2/RXD1/INT219
PD3/TXD1/INT318
PH0/RXD217
PH1/TXD216
PJ0/RXD3/PCINT915
PJ1/TXD3/PCINT1014
PE0/RXD0/PCINT80
PE1/TXD0/PDO1
PE4/OC3B/INT42
PE5/OC3C/INT53
PG5/OC0B4
PE3/OC3A/AIN15
PH3/OC4A6
PH4/OC4B7
PH5/OC4C8
PH6/OC2B9
PB4/OC2A/PCINT410
PB5/OC1A/PCINT511
PB6/OC1B/PCINT612
PB7/OC0A/OC1C/PCINT713
AREF
PK7/ADC15/PCINT23A15
PK6/ADC14/PCINT22A14
PK5/ADC13/PCINT21A13
PK4/ADC12/PCINT20A12
PK3/ADC11/PCINT19A11
PK2/ADC10/PCINT18A10
PK1/ADC9/PCINT17A9
PK0/ADC8/PCINT16A8
PF7/ADC7/TDIA7
PF6/ADC6/TDOA6
PF5/ADC5/TMSA5
PF4/ADC4/TCKA4
PF3/ADC3A3
PF2/ADC2A2
PF1/ADC1A1
PF0/ADC0A0
RESET
VCC
GND
PA
0/A
D0
22
PA
1/A
D1
23
PA
2/A
D2
24
PA
3/A
D3
25
PA
4/A
D4
26
PA
5/A
D5
27
PA
6/A
D6
28
PA
7/A
D7
29
PC
6/A
14
31
PC
5/A
13
32
PC
4/A
12
33
PC
3/A
1134
PC
2/A
10
35
PC
1/A
936
PC
0/A
837
PD
7/T
038
PG
2/A
LE
39
PG
1/R
D40
PG
0/W
R41
PL7
42
PL6
43
PL
5/O
C5C
44
PL
4/O
C5B
45
PL
3/O
C5A
46
PL
2/T
547
PL
1/I
CP
548
PL
0/I
CP
449
PB
3/M
ISO
/PC
INT3
50
PB
2/M
OS
I/P
CIN
T2
51
PB
1/S
CK
/PC
INT1
52
PB
0/S
S/P
CIN
T0
53
PC
7/A
15
30
ARD2ARDUINO MEGA 2560
YSS4020L
5 Volt
Ground
20
Gambar 3.8 Rancangan Mekanik Test-Rig
Keterangan:
1. Tandon air
2. Rangka besi siku
3. Sensor aliran
4. Tabung Heat Exchanger
5. Sensor suhu Heat
Exchanger
6. Pipa tembaga kapiler
7. Tandon air hangat
8. Motor servo +mekanik
valve
9. Sensor suhu boiler
10. Boiler
11. Gas butane+flame gun
12. Sensor suhu aliran
13. Arduino Mega
14. Kran+selang air
3.5 Perancangan Kontrol PID
Perancangan kontrol PID dilakukan dilakukan sebagai penelitian awal
mengenai perubahan respon sistem dan respon sistem terhadap gangguan setelah
21
diberikan kontrol PID konvensional. Gangguan akan dinotasikan dalam variabel d,
dimana besarnya gangguan yang diberikan tidak lebih besar 40% dari setpoint. Blok
perancangan kontrol PID tampak pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Blok Kontrol PID dengan gangguan pada Heat Exchanger
Adapun untuk penentuan parameter dari kontrol PID dilakukan dengan trial and
error, sehingga didapat nilai parameter optimal untuk Kp, Ki dan Kd seperti_pada
Tabel_3.1.
Tabel 3.1 Parameter PID
Parameter PID Nilai
Kp 1.65
Ki 0.06
Kd 0.01
3.6 Perancangan Kontrol Fuzzy PID
Pada perancangan kontrol Fuzzy PID terlebih dahulu dirancang rule dari
fuzzy berdasarkan karkteristik motor servo MG90S dan sifat dari kontrol PID.
Perancangan kontrol fuzzy bertujuan untuk memperbaiki respon dari sistem, dengan
cara memberikan nilai parameter pada kontrol PID yang berupa konstanta 𝐾𝑝, 𝐾𝑑,
dan 𝐾𝑖. Masukan dari kontrol fuzzy ini ada dua yaitu nilai error(t) dan turunan
pertama dari nilai error 𝑑𝑒(𝑡), dengan output untuk setiap parameter dari kontrol
PID yaitu 𝐾𝑝, 𝐾𝑑, dan 𝐾𝑖. Blok pengaturan kontrol Fuzzy PID sama seperti pada
Gambar 2.10. Model Mamdani yang digunakan sebagai inferensi fuzzy seperti
nampak pada Gambar 3.10, 3.11 dan 3.12.
22
Gambar 3.10 Blok inferensi fuzzy Kp
Gambar 3.11 Blok inferensi fuzzy Ki
Gambar 3.12 Blok inferensi fuzzy Kd
Rentang variabel parameter 𝐾𝑝, 𝐾𝑑, dan 𝐾𝑖 dari kontrol PID adalah
[𝐾𝑝 𝑚𝑖𝑛, 𝐾𝑝 𝑚𝑎𝑥], [𝐾𝑖 𝑚𝑖𝑛, 𝐾𝑖 𝑚𝑎𝑥], [𝐾𝑑 𝑚𝑖𝑛, 𝐾𝑑 𝑚𝑎𝑥]. Nilai rentang dari
variabel tersebut ditentukan berdasarkan dari percobaan sistem dengan kontrol PID
dengan efisiensi tertinggi. Kisaran nilai dari setiap parameter adalah 𝐾𝑝 ∈ [1.65,
16.5], 𝐾𝑖 ∈ [0.06, 0.6], 𝐾𝑑 ∈ [0.01, 0.1]. Penentuan parameter kontrol PID seperti
pada Persamaan (2.9), (2.10), dan (2.11).
Sehingga nilai parameter yang dihasilkan adalah 𝐾𝑝 = 14.85𝐾′𝑝 + 1.65,
𝐾𝑖 = 0.54𝐾′𝑖 + 0.06, dan 𝐾𝑑 = 0.09𝐾′𝑑 + 0.01 Fungsi keanggotaan dari input
fuzzy seperti pada Gambar 3.13 dan 3.14. Kisaran masukan ini dari 0 sampai 3
merupakan nilai error. Nilai masukan tersebut akan dibagi dalam 5 tingkat variabel
linguistik. Dipilih 5 tingkat variabel linguistik karena tingkat variabel linguistik
tersebut paling optimal untuk sistem. Tingkat variabel linguistik yang dipakai
23
adalah NB : Negative_Big, NS : Negative_Small, ZE : Zero, PS : Positive_Small,
dan PB : Positive_Big.
Gambar 3.13 Keanggotaan dari error(t)
Gambar 3.14 Keanggotaan dari de(t)
Fungsi keanggotaan dari output- 𝐾′𝑝, 𝐾′
𝑖, dan 𝐾′𝑑, ditunjukkan pada Gambar
3.15. Tingkat linguistik output yang dipakai adalah S : Small, MS : Medium_Small,
M : Medium, MB : Medium_Big, B : Big, dimana nilai rentangnya dari 0 ke 1.
Pemilihan nilai rentang dari 0 ke 1 karena nilai tersebut menunjukkan hasil yang
optimal pada kinerja sistem. Dipilih 5 tingkat linguistik output untuk parameter
𝐾′𝑝, 𝐾′
𝑖, dan 𝐾′𝑑 juga karena dengan tingkatan linguistik tersebut kinerja dari
sistem menunjukkan hasil yang optimal.
Gambar 3.15 Keanggotaan dari 𝐾′𝑝, 𝐾′
𝑖, dan 𝐾′𝑑
24
Gambar 3.16 Blok Fuzzy PID
Pada Gambar 3.16 merupakan blok simulink fuzzy PID. Dari pengaturan fuzzy
atas variabel input dan output, aturan fuzzy dapat di representasikan seperti terlihat
pada Tabel 3.2 dan disusun dengan aturan if-then sebagai berikut:
Aturan i : if error is 𝐴1𝑖 and de 𝐴2𝑖 then 𝐾′𝑝 = 𝐵𝑖 and 𝐾′
𝑖 = 𝐶𝑖 and 𝐾′𝑑 =
𝐷𝑖. Dimana i = 1, 2, 3,...,n, dan n adalah nomor dari pada aturan. Dari tabel, didapat
5 variabel sebagai input dan 5 variabel sebagai output, maka dalam desain didapat
25 aturan fuzzy. Penentuan tingkat linguistik output dihasilkan berdasarkan tingkat
linguistik error dan perubahan error seperti-pada-Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Aturan fuzzy
25
3.7 Perancangan Sinyal Input dan Sinyal Gangguan
Pengujian pada penelitian ini akan diberikan sinyal input berupa sinyal step
dengan step time= 1, initial value=0, sample time=0,2 dan final value=50 untuk
mengetahui respon transien dari sistem. Masing-masing pengujian akan diberikan
sinyal gangguan 1 berupa sinyal step dengan step time=350, initial value=0, sample
time=0.2, final value=1, dan model gangguan 3
30s+1 , serta gangguan 2 berupa
sinyal step dengan step time=500, initial value=0, sample time=0.2 dan final
value=2 untuk mengetahui bagaimana respon dari kontrol yang diberikan pada
sistem terhadap adanya gangguan.
𝐺𝑑 = 3
30s+1 (3.2)
3.8 Perancangan Kontrol Feedforward
Perancangan kontrol feeedforward bertujuan untuk mengukur disturbance
dan melakukan kompensasi terhadapnya agar nilai controlled variable tidak
menyimpang dari nilai setpoint.
Gambar 3.17 Blok kontrol feedforward
Pada Gambar 3.19 menujukan perancangan blok kontrol feedforward dimana
Gd: fungsi alih disturbance, Gp: fungsi alih heat exchanger , dan Gff: gain kontrol
feedforward. Kontrol feedforward didapatkan dengan menggunakan suatu
kompensator dengan fungsi alih:
𝐺𝐹𝐹(𝑠) = −𝐺𝑑(𝑠)
𝐺𝑝(𝑠) ; 𝐺𝑓(𝑠) =
𝐾𝑑(𝜏𝑝𝑠+1)
𝐾𝑝(𝜏𝑑𝑠+1) (3.3)
Dari fungsi alih kompensator diatas dengan model heat exchanger pada Persamaan
2.1 dan 3.2 diperoleh kompensator kontrol feedforward:
𝐺𝑓(𝑠) = −90𝑠+3
30𝑠+1 = -𝐾𝐹𝐹
90𝑠+3
30𝑠+1 (3.4)
26
𝐾𝐹𝐹 merupakan gain kontrol feedforward.
3.9 Perancangan Pengujian Model Motor Servo Menggunakan Open Loop
dan Close Loop
Perancangan pengujian model motor servo dilakukan untuk mengetahui
respon ketika diuji menggunakan sistem open loop dan close loop. Dianalisa pula
stabilitas model motor servo terhadap sistem open loop dan close loop. Berikut blok
simulink model motor servo yang diuji sistem open loop dan close loop nampak
pada Gambar 3.18 dan 3.19.
Gambar 3.18 Blok simulink motor servo open loop
Gambar 3.19 Blok simulink motor servo close loop
3.10 Perancangan Pengujian Model Heat Exchanger Menggunakan Open
Loop dan Close Loop.
Pengujian sistem heat exchanger dilakukan untuk mengetahui respon ketika
diuji menggunakan sistem open loop dan close loop. Dianalisa pula stabilitas dari
sistem heat exchanger terhadap sistem. Berikut gambar blok simulink sistem heat
exchanger yang diuji pada open loop dan close loop nampak pada Gambar 3.20 dan
3.21.
27
Gambar 3.20 Blok simulink sistem heat exchanger open loop
Gambar 3.21 Blok simulink sistem heat exchanger close loop
3.11 Perancangan Pengujian Kontrol Feedback PID Plus Feedforward dan
Kontrol Feedback Fuzzy PID Plus Feedforward
Pengujian sistem heat exchanger dengan menggunakan teknik kontrol
feedback PID plus feedforward dan kontrol feedback fuzzy PID plus feedforward
bertujuan untuk membandingkan respon transien dari sistem heat exhanger ketika
diberi kontrol feedback PID plus feedforward dan kontrol feedback fuzzy PID plus
feedforward. Respon transien memiliki beberapa aspek yang akan dilihat dalam
pengujian ini seperti rise time(𝑡𝑟), maximum overshoot (𝑚𝑝), peak time (𝑡𝑝) dan
performa kontrol. Berikut blok simulink pengujian kontrol feedback PID plus
feedforward dan kontrol feedback fuzzy PID plus feedforward pada Gambar 3.22.
Gambar 3.22 Blok Simulink Kontrol Feedback PID Plus Feedforward dan
Kontrol Feedback Fuzzy PID Plus Feedforward
28
3.12 Perancangan Pengujian Verifikasi Kontrol Feedback dan Kontrol
Feedback Plus Feedforward
Pengujian sistem heat exchanger dengan menggunakan teknik feedback dan
kontrol feedback plus feedforward bertujuan untuk membandingkan respon transien
dari sistem heat exhanger ketika diberi feedback dan kontrol feedback plus
feedforward. Respon transien memiliki beberapa aspek yang akan dilihat dalam
pengujian ini seperti rise time(𝑡𝑟), maximum overshoot (𝑚𝑝), peak time (𝑡𝑝) dan
performa kontrol. Berikut blok simulink pengujian feedback PID dan kontrol
feedback PID plus feedforward pada Gambar 3.23.
Gambar 3.23 Blok Simulink Kontrol Feedback dan Kontrol Feedback Plus
Feedforward