i

PENENTUAN POLA DISTRIBUSI PERAMBATAN GETARAN PADA JALAN AKIBAT GAYA EKSITASI DARI MOBIL TUGAS AKHIR RF 1483

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEGANGAN ALTERNATOR MENGGUNAKAN SISTEM EKSITASI DENGAN FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER PADA RAILBUS DI PT. INKA MADIUN.

TRIAJI WIDI ATMOJO NRP 2404 100 097 Dosen Pembimbing KATHERIN INDRIAWATI, ST. MT

JURUSAN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009

i

PENENTUAN POLA DISTRIBUSI PERAMBATAN GETARAN PADA JALAN AKIBAT GAYA EKSITASI DARI MOBIL FINAL PROJECT RF 1483 DESIGN OF ALTERNATOR VOLTAGE CONTROL SYSTEM USING EXCITATION SYSTEM WITH FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER ON RAILBUS AT PT. INKA MADIUN TRIAJI WIDI ATMOJO NRP 2404 100 097 Supervisor KATHERIN INDRIAWATI, ST. MT

ENGINEERING PHYSICS DEPARTMENT Faculty Of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute Of Technology Surabaya 2009

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEGANGAN

ALTERNATOR MENGGUNAKAN SISTEM EKSITASI DENGAN FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER

PADA RAILBUS DI PT. INKA MADIUN

TUGAS AKHIR

OLEH :

TRIAJI WIDI ATMOJO Nrp. 2404 100 097

Surabaya, 7 Agustus 2009 Mengetahui/Menyetujui

Pembimbing

KATHERIN INDRIAWATI, ST.MT NIP. 132 276 192

Ketua Jurusan Teknik Fisika FTI-ITS

Dr. BAMBANG LELONO W., ST, MT. NIP 132 137 895

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEGANGAN

ALTERNATOR MENGGUNAKAN SISTEM EKSITASI DENGAN FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER

PADA RAILBUS DI PT. INKA MADIUN

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

Bidang Studi Rekayasa Instrumentasi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Fisika

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh:

TRIAJI WIDI ATMOJO Nrp. 2404 100 097

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Katherin Indriawati, ST. MT ...............(Pembimbing I) 2. Dr.Ir. Totok Soehartanto,DEA. ...............(Penguji I) 3. Dr. Dhani Arifianto, ST. M,Eng. ...............(Penguji II) 4. Andi Rahmadiansah, ST. MT. ...............(Penguji III) 5. Fitri Adi Iskandarianto, ST. ...............(Penguji IV)

SURABAYA Agustus, 2009

ix

DESIGN OF ALTERNATOR VOLTAGE CONTROL SYSTEM USING EXCITATION SYSTEM WITH

FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER ON RAILBUS AT PT. INKA MADIUN

Name : Triaji Widi Atmojo NRP : 2404 100 097 Department : Teknik Fisika FTI-ITS Supervisor : Katherin Indriawati, ST. MT

Abstract

The amount of induction in a GGL alternator can be arranged through the number of circle arrangement,the size of magnetic flux at its magnetics poles or with both. Existence of fickle load causes the changes of voltage of alternator output. Therefor needed a controller which capable to prevent the output of alternator always constant. Fuzzy gain scheduling PID controller is a control algorithm using fuzzy logic to set the PID parameters. Fuzzy gain scheduling PID controller is applied to controlling alternator voltage with the manipulation of excitation field. The result of design alternator voltage control system using fuzzy gain scheduling PID algorithm show better response than PID control, with value of settling time = 0.35s,max overshoot =0 and error steady state = 4%

Keywords: fuzzy gain scheduling PID, alternator,

excitation field.

x

Halaman ini Sengaja dikosongkan

vii

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEGANGAN ALTERNATOR MENGGUNAKAN SISTEM EKSITASI

DENGAN FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER PADA RAILBUS DI PT. INKA MADIUN

Nama Mahasiswa : Triaji Widi Atmojo NRP : 2404 100 097 Jurusan : Teknik Fisika FTI-ITS Dosen Pembimbing : Katherin Indriawati, ST. MT

Abstrak

Besarnya GGL induksi pada suatu alternator dapat diatur melalui pengaturan jumlah putaran,besarnya fluks magnet pada kutub-kutub magnetnya ataupun dengan kedua-duanya. Adanya beban yang berubah-ubah menyebabkan perubahan tegangan keluaran alternator. Untuk itu diperlukan suatu kontroller yang mampu menjaga agar tegangan keluaran ini tetap terjaga konstan. Fuzzy gain scheduling PID controller merupakan algoritma kontrol yang memanfaatkan logika fuzzy untuk menentukan parameter-parameter PID. Pengendalian menggunakan fuzzy gain scheduling PID controller ini akan diaplikasikan pada sistem pengendalian tegangan alternator dengan memanipulasi medan eksitasi. Hasil perancangan sistem pengendalian tegangan menggunakan algoritma fuzzy gain scheduling PID menunjukkan hasil respon pengendalian yang lebih baik dari PID, dengan nilai Settling time = 0.35 s, Max. Overshoot = 0 dan Error Steady state =4 %

Kata Kunci : fuzzy gain scheduling PID, alternator, medan eksitasi

viii

Halaman ini sengaja dikosongkan

xi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji dan syukur senantiasa terpanjatkan kepada Allah SWT yang maha agung dan maha bijaksana. Atas berkah, petunjuk dan karunia-Nya lah penulis mampu untuk melaksanakan dan menyelesaikan tugas akhir yang berjudul : PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN TEGANGAN

ALTERNATOR MENGGUNAKAN SISTEM EKSITASI DENGAN FUZZY GAIN SCHEDULING PID CONTROLLER

PADA RAILBUS DI PT. INKA MADIUN Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan bagi seorang mahasiswa untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Selama menyelesaikan tugas akhir ini penulis telah banyak mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. pemilik hati yang penuh kasih sayang yang telah merawatku

penuh kelembutan,ibuku(smoga allah memberi kesempatan padaku untuk membahagiakanmu bu). Kepada saudaraku tercinta mas fafan,mas deni dan dik obik terimakasih atas doa dan dukungannya.

2. Ibu Katherin Indriawati,ST,MT, selaku pembimbing tugas akhir yang telah memberikan segenap bimbingan, kesabaran, ilmu yang tiada ternilai harganya.

3. Bapak Dr Ir Sekartedjo,MSc selaku Dosen Wali yang telah memberikan arahan penulis selama menjalani masa perkuliahan.

4. Bapak DR. Bambang Lelono, ST,MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Fisika.

xii

5. Bapak Ali Musyafa selaku kalab laboratorium Rekayasa Instrumentasi dan Bapak Totok Soehartanto atas segala bimbingan dan saran selama kuliah.

6. Mas huda,mas dodiek,mas basier serta sahabat-sahabat lainnya di INKA atas bimbingan dan bantuannya dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

7. Sahabat dan rekan mahasiswa Teknik Fisika, khususnya angkatan 2004. Terima kasih atas segala bantuan serta doanya. ”Dulur-dulur susahku” basuki,danang,tomo(wes sukses) terimakasih atas pelajaran hidup yang penuh rmakna. Sahabat-sahabatq dikos keputih tegal 9,djocer team,medhion community dan smua orang yang pernah singgah dalam hidup yang sedikit banyak mampu memberi arti.smoga kita bisa menemukan & mewujudkan jalan hidup kita yaitu jalan2 kebahagiaan yang penuh dengan cahaya iman dan dimanapun kita berada selamanya kita selalu disatukan oleh ikatan ”cinta”.

8. Bapak dan Ibu dosen Teknik Fisika yang telah banyak memberikan ilmunya sehingga penulis dapat menyelesaikan jenjang kuliah sampai tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini tidaklah sempurna, tetapi penulis berharap ini dapat memberikan kontribusi yang berarti dan dapat menambah wawasan bagi pembaca dan mahasiswa Teknik Teknik Fisika yang nanti dapat digunakan sebagai referensi pengerjaan tugas akhir baru. Semoga awal dari permulaan yang panjang ini dapat membawa manfaat dan hikmat bagi kita semua dan juga semoga hari esok lebih baik dari hari ini. Aminn…

VIVAT TF , VIVAT SOLIDARITY, TOGETHER FOREVER

Surabaya, Agustus 2009

Penulis

xiii

DAFTAR ISI HALAMAN LEMBAR JUDUL .............................................................. i LEMBAR PENGESAHAN ................................................ iii ABSTRAK ......................................................................... vii KATA PENGANTAR ........................................................ xi DAFTAR ISI ...................................................................... xiii DAFTAR GAMBAR ......................................................... xv DAFTAR TABEL .............................................................. xix DAFTAR NOTASI ........................................................... xxi BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang .................................................. 1 1.2 Permasalahan .................................................... 2 1.3 Tujuan ............................................................... 2 1.4 Batasan Masalah ............................................... 2 1.5 Metodologi Penelitian ....................................... 3 1.6 Sistematika Laporan .......................................... 3

BAB II TEORI PENUNJANG

2.1 Mesin Sinkron .................................................... 5 2.2 Generator Arus Bolak-balik ……………….. 5 2.3 Sistem Eksitasi ................................................... 12 2.4 Algoritma Kontrol PID ...................................... 14 2.5 Algoritma Kontrol Fuzzy Gain Scheduling PID 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Prinsip Dasar Pengendalian TerganganAC….. 32 3.2 Elemen Sistem Pengendalian tegangan............ 32 3.3 Model matematik Dan Fungsi Tranfer............. 34 3.4 Perancangan Algoritma Kontrol Fuzzy

gain Scheduling PID........................................ 47

xiv

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pemodelan sistem eksitasi pada alternator......... 53 4.2 Perancangan Algoritma Kontrol Fuzzy

Gain Scheduling PID………………………….. 56 4.3 Pengujian dan Analisa Performansi Sistem…… 63

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ....................................................... 77 5.2 Saran .................................................................. 78

DAFTAR PUSTAKA …………………………………… . 79 LAMPIRAN A Data Spesifikasi Alternator LAMPIRAN B Spesifikasi Teknik Railbus LAMPIRAN C Perhitungan Model Sistem Pengendalian

alternator

xv

DAFTAR GAMBAR

GAMBAR HALAMAN Gambar 2.1 Hubungan dan karakteristik generator

tanpa beban ………………………...... 8

Gambar 2.2 Karakteristik berbeban ……………… 9 Gambar 2.3 Konstruksi generator sinkron …………. 10 Gambar 2.4 Skema Lilitan Stator Generator Tiga

Fasa …………………………………. 11

Gambar 2.5 Prinsip Kerja Eksiter Generator ……… 14 Gambar 2.6 Diagram blok pengendali proportional. 15 Gambar 2.7 Struktur Dasar Logika Fuzzy ……,…… 21 Gambar 2.8 Bentuk fungsi keanggotaan Gaussian .… 23 Gambar 2.9 Bentuk Fungsi keanggotaan Segitiga … 23 Gambar 2.10 Bentuk Fungsi keanggotaan Trapesium 24 Gambar 2.11 Input fuzzy dengan 3 fungsi keanggotaan 24 Gambar 2.12 Struktur Fuzzy murni …………………. 27 Gambar 2.13 Struktur Fuzzy Mamdani ……………... 28 Gambar 2.14 Struktur Logika Fuzzy Takagi-Sugeno .. 29 Gambar 3.1 Diagram alir algoritma pengerjaan …… 32 Gambar 3.2 Elemen sistem pengendalian tegangan .. 33 Gambar 3.3 Diagram blok sistem pengendalian

tegangan ……………………………… 34

Gambar 3.4 Rangkaian ekivalen generator AC tanpa beban ………………………………….

35

Gambar 3.5 Diagram blok generator tanpa beban … 37 Gambar 3.6 Rangkaian ekivalen generator dengan

beban …………………………………. 37

Gambar 3.7 Diagram blok generator dengan beban 39 Gambar 3.8 Rangkaian skematik penguat daya SCR

dan eksiter ……………………………. 40

Gambar 3.9 Rangkaian ekivalen penguat daya SCR dan eksiter …………………………….

41

Gambar 3.10 Diagram blok penguat daya SCR dan

xvi

eksiter ………………………………… 43 Gambar 3.11 Respon kontrol Fuzzy Gain Scheduling

PID ketika plant diberi gangguan …… 43

Gambar 3.12 Diagram blok rangkaian umpan balik derivative ……………………………

46

Gambar 3.13 Function block parameters PID control 48 Gambar 3.14 Model rancangan kontroler fuzzy ……. 49 Gambar 3.15 Hasil Pemodelan sistem pengendalian

Tegangan dengan PID kontroler ………. 50

Gambar 3.16 Hasil pemodelan sistem pengendalian Tegangan dengan fuzzy gain scheduling

51

Gambar 4.1 Diagram blok sistem pengendalian tegangan ……………………………….

52

Gambar 4.2 Model simulink sistem pengendalian Tegangan ……………………………..

53

Gambar 4.3 Respon open loop sistem pada saat Vref 380 …………………………...

54

Gambar 4.4 Model sistem pengendalian tegangan dengan kontrol PID ……………………

56

Gambar 4.5 Respon uji parameter PID terbaik ……. 56 Gambar 4.6 Respon kontroler PID ketika plant tanpa

gangguan ……………………………… 62

Gambar 4.7 Respon kontroler PID ketika plant diberi gangguan ……………………

63

Gambar 4.8 Hasil Pemodelan sistem pengendalian Tegangan dengan PID kontroler ……...

64

Gambar 4.9 Hasil pemodelan sistem pengendalian Tegangan dengan fuzzy gain scheduling

66

Gambar 4.10 Diagram blok sistem pengendalian tegangan ……………………………….

67

Gambar 4.11 Model simulink sistem pengendalian tegangan ……………………………...

68

Gambar 4.12

Respon open loop sistem pada saat Vref 380 …………………………...

69

xvii

Gambar 4.13 Model sistem pengendalian tegangan dengan kontrol PID ……………………

70

Gambar 4.14 Respon uji parameter PID terbaik ……. 1 71 Gambar 4.15 Respon kontrol Fuzzy Gain Scheduling

PID ketika plant mengalami perubahan 72

xviii

Halaman ini sengaja dikosongkan

xxi

DAFTAR NOTASI n = putaran sinkron (rpm ) p = jumlah kutub magnet f = frekuensi gelombang tegangan (Hertz) e = ggl induksi (volt) Φ = fluks magnet yang dipotong oleh kumparan (webber)

=fluks magnet yang terpotong oleh sisi kumparan

setiap detik φmax = fluks magnet max yang terpotong oleh kumparan (webber)

= harga efektif ggl induksi (volt) fd = faktor distribusi kumparan q = banyaknya alur tiap fase tiap kutub γ = jarak antar alur yang berdekatan fp = Faktor langkah Eo = tegangan keluaran tanpa beban (volt) Ki = Integral Gain Ti = Integral time TD = Time derivative VE = tegangan dari eksiter (volt) Rfg = tahanan medan generator (ohm) Ifg = Arus medan generator (Ampere) Lfg = induktansi medan generator (Henry) Vg =tegangan jangkar generator (Volt) Ra = tahanan jangkar ( Ohm) La = induktansi jangkar (Henry) VT = tegangan terminal generator (Volt) Vg = tegangan jangkar (Volt) Ra = tahanan jangkar (Ohm) Rb = tahanan beban (Ohm) La = induktansi jangkar (Henry)

xxii

Lb = induktansi beban (Henry) V2 = Tegangan input amplifier (Volt) Rfe = Tahanan medan eksiter (Ohm) Lfe = Induktansi medan eksiter (Henry) VE = Tegangan jangkar eksiter (Volt) Rfg = Tahanan medan generator (Ohm) Lfg = Induktansi medan generator (Henry) u = Gain Amplifier (volts/volt) Vu = Tegangan Output Amplifier (Volt) Ru = Tahanan Output Amplifier (Ohm) V1 = Tegangan output controller (Volt) Vst = Tegangan tranformator penyetabil (Volt) V2 = Tegangan input amplifier (Volt) Vg = Tegangan eksiter (Volt) Ist = arus tranformator penyetabil (Ampere) Rfs = Tahanan medan generator (Ohm) Lfg = Induktansi medan generator (Henry) M = Mutual induktansi µout (ui) = fungsi keanggotaan himpunan fuzzy untuk output kontrol aturan ke-i ui = nilai fuzzy sinyal kontrol ke-i u* = nilai crisp sinyal kontrol pH = tingkat keasaman

xix

DAFTAR TABEL

TABEL HALAMAN

Tabel 4.1 Uji Parameter PID terbaik...................... 56 Tabel 4.2 karakteristik performansi respon uji

parameter PID terbaik........................ 57 Tabel 4.3 tuning parameter PID berdasarkan metode

Ziegler-nichols ………………………. 65

xx

Halaman ini sengaja dikosongkan