perancangan dan implementasi kontroler kaskade -pi untuk...

L/O/G/O

Perancangan dan Implementasi Kontroler KaskadeFuzzy -PI untuk Pengaturan Level pada Coupled Tanks

TUGAS AKHIR – TE 091399

www.themegallery.com

Tanks

Suwito

NRP 2208100014

Dosen Pembimbing

Ir. Rusdhianto Effendie A.K, M.T.

Ir. Ali Fatoni, M.T.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya 2012

ContentsPENDAHULUAN1

1

2

3

Latar BelakangPerumusan Masalah

Tujuan

PERANCANGAN SISTEM2

1 Pengenalan Plant


KESIMPULAN4

2

3

Pemodelan Plant

Desain KontrolerHASIL DAN ANALISIS3

Simulasi

Implementasi

1

2

Latar BelakangLatar Belakang

PENDAHULUAN

Pada saat proses pengaturan level sedang berlangsung tidaklepas dengan munculnya permasalahan pada instrumen kontrolyang ada di tangki.

KesimpulanKesimpulanHasil danAnalisis

Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem

PendahuluanPendahuluan1. Latar Belakang2. Perumusan Masalah3. Tujuan


Sistem coupled tanks dapat diaplikasikan untuk pengaturanlevel dimana instrumen ukur berada pada tangki yang berbeda.

Kontroler Kaskade Fuzzy-PI menggabungkan kemampuankontroler Fuzzy yang mampu bekerja menirukan logika manusiadalam menjaga kestabilan sistem dengan kontroler PI yangkokoh terhadap gangguan.

Perubahan beban dan adanya gangguan akan mengancamkestabilan sistem.

Perumusan MasalahPerumusan Masalah

Menjaga kestabilan level tangki kedua dari coupledtanks pada nilai steady state dengan tetapmempertimbangkan batasan -batasan plant , daerah

PENDAHULUAN


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem

PendahuluanPendahuluan

1. Latar Belakang

2. Perumusan Masalah3. Tujuan


mempertimbangkan batasan -batasan plant , daerahkerja, dan gangguan dari luar.

TujuanTujuan

Merancang model estimasi level tangki kedua terhadaplevel tangki pertama dalam bentuk transfer functionsehingga level tangki kedua dapat dikontrol .

PENDAHULUAN


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Latar Belakang2. Perumusan Masalah

3. Tujuan


sehingga level tangki kedua dapat dikontrol .

Merancang dan mendesain kontroler Kaskade Fuzzy -PImenggunakan software LabVIEW untuk menjagakestabilan level tangki kedua pada nilai steady state didaerah kerja.

Mengimplementasikan hasil desain kontroler padaCoupled-Tanks Basic Process Rig 38-100.

Coupled-Tanks Basic Process Rig 38-100Coupled-Tanks Basic Process Rig 38-100

MV4

MV3

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant2. Pemodelan Plant3. Desain Kontroler


Persamaan Coupled TanksPersamaan Coupled Tanks

Q

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant

2. Pemodelan Plant3. Desain Kontroler

• Resistansi

dQ

dHR =

Untuk flow laminer

Jika flow berturbulensi

HKQ =

dHK

dQ=


Untuk flow laminer

KHQ =

Q

HdQdH

R ==

dHH

dQ2

=

QH

QHH

KH

dQdH

Rl

222 ====

• Kapasitansi

dtoqiqCdh )( −=

Penurunan Persamaan Model Fisik PlantPenurunan Persamaan Model Fisik Plant

11

21 qR

hh =−

dh

2

2

2 qR

h=

dh

Berdasarkan definisi resistansi dan kapasitansi denganasumsi flow laminer didapatkan persamaan-persamaancoupled tanks sebagai berikut:

Q

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



1/C2sƩQ1(s) H2(s)

Q2(s)

+

-

11

1 qqdt

dhC −= 21

22 qq

dt

dhC −=

Penurunan Persamaan Model Fisik PlantPenurunan Persamaan Model Fisik Plant

Disubstitusikan

1/C1sƩQ(s) H1(s)+

-

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



Q1(s)

1)(

)(

2212112

2121

212211

++++++=

sCRsCRsCRsCCRR

RRsCRR

sQ

sH

12221

2

1

2

)(

)(

RRsCRR

R

sH

sH

++=

PembebananPembebanan

Tangki kedua

Beban Nominal• Beban 100% = 260,7 mWatt• ≈ 145 derajat

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



145 derajat

Beban Maksimum • Beban 165% = 430,115 mWatt• ≈ 170 derajat

Identifikasi Statis ( Level )Identifikasi Statis ( Level )

30

40

50

60

70

Leve

l ( %

)

Yss= 66,6Xss= 70

Sehingga:

95143,06,66 === YssK

uT = 3,7 detik

aT = 24,6 detik

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

Waktu ( x0,1 detik )

95143,070

6,66 ===XssYssK

15,063,24

7,3 ==a

u

T

T

n Ta/T Ta/T Tu/Ta

1 1 0 0

2 2,718 0,282 0,104

3 3,695 0,805 0,218

4 4,463 1,425 0,319

5 5,119 2,100 0,410

06181,9718,2

63,24

718,2

718,2

===

=

a

a

TT

T

T

1385,156152,27,3

56152,263,24104,0

'

'

=−=−=

=×=×=

uu

a

atable

uu

TT

TT

TT

τ

Dan

Dari Tabel didapatkan:

n

s

Ts

KesG

)1()(

+=

−τ

2

1385,1

)106181,9(

95143,0)(

+⋅=

− sesG

Model plant dari identifikasi statis metode Strejc padaloop tertutup:

Model plant dari identifikasi statis metode Strejc pada loopterbuka didapatkan dengan memisahkan parameter kontrolerproporsional (Kp):

1

)1()(

2 +++

=ss

AsKsG

βα

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



112362,181164,82

)11385,1(95143,0)(

2 +++

=ss

ssG

112362,181164,82

95143,00832,1)(

2 +++=

ss

ssG

)1/()1(1

)1/()1(

)(

)(2

2

+++++++

=ssAsKpK

ssAsKpK

sR

sU

βαβα

)1()(

)1(

)(

)(2 ++++

+=

KpKsKpKs

AsKpK

sR

sU

βα

111

)1(1

)(

)(

2 ++

++

+

++

=s

KpK

KpKs

KpK

AsKpK

KpK

sR

sUβα

Model dari identifikasi loop terbuka didefinisikan:

Maka didapatkan:

1

)1()(

'2'

'''

+++

=ss

sAKsG

βα

1'

+=

KpK

KpKK

Sehingga:

K=1,958884

A=1,1385

886,3989=α185,8395=β

)11385,1(958884,1 +s

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



AA ='

1'

+=

KpK

αα

1'

++

=KpK

KpKββ

Sehingga:

18395,1853989,886

)11385,1(958884,1)(

2 +++

=ss

ssG

18395,1853989,886

958884,1230189,2)(

2 +++=

ss

ssG

Model Level Tangki kedua terhadapLevel Tangki Pertama

Model Level Tangki kedua terhadapLevel Tangki Pertama

)(

)(

)(

)()( 1

1

1

sQN

sH

sH

sHsG

ref ⋅==

21213989,886 CCRR=

6,1353,2033989,889 21 ⋅⋅= RR

03215.021 =RR

2212118395,185 CRCRCR ++=

6,1353,2033,2038395,185 ⋅+⋅+⋅= RRR

Dan

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



)(

)(

)(

)( 1

1

1

sQ

sH

sH

sHN

ref

=⋅

1)(

)(

18395,1853989,886

958884,1230189,2

2212112

2121

212212 ++++

++=++

+sCRCRCRsCCRR

RRsCRRN

ss

s

1)(18395,1853989,886 2212112

21212 ++++=++ sCRCRCRsCCRRss

1

6,1353,2033,2038395,185 221 ⋅+⋅+⋅= RRR

21 9,3383,2038395,185 RR +=

062966.01 =R

510589.02 =R

21221

2

1

2

)(

)(

RRsCRR

R

sH

sH

++=

573555,035954,4

510589,0

)(

)(

1

2

+=

ssH

sH

1C2C2cm= 203,3 = 135,6 2cm

Dengan:

Identifikasi Statis ( Flow )Identifikasi Statis ( Flow )

40

50

60

70

80

90

100

Flo

w (

% )

Yss= 86,5Xss= 70

Sehingga:

2357,15,86 === Yss

K

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant



0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

10

20

30

Waktu ( x 0,1 detik )

Set Point

Respon

Dan

2357,170

5,86 ===Xss

YssK

668,545,86632,0632,0)( =⋅=⋅= yssy τ

32,2=τ

1)(

+=

s

KsG

τ

132,2

2357,1)(

+=

ssG

Desain Kontroler FuzzyDesain Kontroler Fuzzy

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem


1. Pengenalan Plant2. Pemodelan Plant

3. Desain Kontroler

11 11

Fuzzifikasi


eeee dededede22

33

22

33

Desain Kontroler FuzzyDesain Kontroler Fuzzy

de

eNB NS Z PS PB

NB NB NB NB NS Z

NS NB NS NS Z PS

Z NS NS Z PS PS

11

Defuzzifikasi

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


PS NS Z PS PS PB

PB Z PB PB PB PB

de

eNB NS Z PS PB

NB NB NB NB NS Z

NS NB NS NS Z PS

Z NB NS Z PS PB

PS NB NS PS PB PB

PB PB PS PB PB PB

Rule Base

22

∫

∫=

qY

qY

qdyqyqBqy

qdyqyqBqy

COAqy)(

)(

)(µ

µ

Desain Kontroler PIDesain Kontroler PI

E(s) C(s)R(s) U(s)+-

+

sKp

iτ1

1 132,2

2357,1

+s

+ 2357,11s

Kp iτ

+

=

sKp

sKp

sR

sC

32,2

2357,11

32,2

2357,1

)(

)(

Kp

sKp

2357,1

32,22357,1

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


+

++

+

+

=

132,2

2357,111

132,2

2357,11

)(

)(

ss

sKp

ss

sKp

sR

sC

i

i

i

i

τττ

τ

detik 23,2==ττi

+

++

+

+

=

132,2

2357,1

32,2

132,21

132,2

2357,1

32,2

132,2

)(

)(

ss

sKp

ss

sKp

sR

sC

×

+

=

Kp

s

Kp

sKp

sKp

sR

sC

2357,1

32,2

2357,1

32,2

2357,11

32,2

)(

)(

12357,1

32,2

1

)(

)(

+

=

sKp

sR

sC

Desain Kontroler PIDesain Kontroler PI

Dipilih ts(5%)=8,61 detik

det33%)5( * =×= τts

det87,2* =τ

+=s

PIK32,2

11654,0)(

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


det87,2=τ

654,087,22357,1

32,2 =×

=Kp

s32,2

12357,1

32,2

1

1)(

)(*

*

+

=

+=

sKp

s

K

sR

sC

τ

Desain Kontroler KaskadeDesain Kontroler Kaskade

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


G^

Desain Kontroler Kaskade Fuzzy-PIDesain Kontroler Kaskade Fuzzy-PIProgram Simulasi

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


Program Implementasi

Desain Kontroler Kaskade Fuzzy-PIDesain Kontroler Kaskade Fuzzy-PI

PERANCANGAN SISTEM


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistem



3. Desain Kontroler


Pengaruh Model Membership Function danRule Base terhadap Respon Sistem


20

30

40

50

60

70

80

90

Out

put

Sis

tem

( %

)

HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem

PerancanganSistemPendahuluanPendahuluan

1. Simulasi2. Implementasi

Kp = 0,654

iτ = 2,32 detik

68

70

72

de

eNB NS Z PS PB

NB NB NB NB NS Z

NS NB NS NS Z PS


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

10


Level Tangki Pertama

Level Tangki KeduaSet Point

ts (±5%) %MP

52,4 det 2,17 %2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

56

58

60

62

64

66


Out

put

Sis

tem

( %

)

Level Tangki Kedua

Set Point

eeee

dededede

Z NS NS Z PS PS

PS NS Z PS PS PB

PB Z PB PB PB PB



HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem



Kp = 0,654

iτ = 2,32 detik

de

eNB NS Z PS PB

NB NB NB NB NS Z

NS NB NS NS Z PS0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Waktu (x0,1 detik )

Out

put

Sis

tem

( %

)


Level Tangki kedua

Set Point


eeee

dededede

Z NS NS Z PS PS

PS NS Z PS PS PB

PB Z PB PB PB PB

2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400

56

58

60

62

64

66

68

70

72


O

utpu

t S

iste

m (

% )

Level Tangki Kedua

Set Point

ts (±5%) %MP

53,3 det 1,93 %



HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem



Kp = 0,654

iτ = 2,32 detik

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Out

put

Sis

tem

( %

)


de

eNB NS Z PS PB

NB NB NB NB NS Z

NS NB NS NS Z PS

Z NB NS Z PS PB ts (±5%) %ess


eeee

dededede

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

10


Level Tangki PertamaLevel Tangki Kedua

Set Point

1600 1800 2000 2200 2400 2600 280055

60

65

70

75


Out

put

Sis

tem

( %

)

Level Tangki Kedua

Set Point

PS NB NS PS PB PB

PB PB PS PB PB PB

36,1 det ±0,4 %

Pengaruh Nilai Kp terhadap Respon SistemPengaruh Nilai Kp terhadap Respon Sistem

HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem



1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 300055

60

65

70

75


Leve

l Tan

gki K

edua

( %

)

Respon

Set Point

60

65

70

75

Leve

l Tan

gki K

edua

( %

)

Respon

Set Point


ts (±5%)Flow

Kp ts (±5%)Level

%ess

9,93 det 0,567 40,5 det ±0,4 %


1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Flo

w (

% )

Sinyal Kontrol Logika Fuzzy

Respon

ts (±5%)Flow

Kp ts (±5%)Level

%ess

8,61 det 0,654 36,1 det ±0,4 %

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320055


1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 32000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Flo

w (

% )

Sinyal Kontrol Logika Fuzzy

Respon

Pengujian Kontroler terhadap Perubahan Set Point

Pengujian Kontroler terhadap Perubahan Set Point

HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem


1. Simulasi

2. Implementasi

ts (±5%) %ess %MP

25,6 det ±0,5378 % 0 %60

65

70

75

80

85

90

95

Out

put S

iste

m ( %

)


Level Tangki Kedua

Set Point


2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 440055


Set Point

2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 440010

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Flo

w ( %

)

Saat perubahan

set point

Saat steady state

Pengujian Kontroler terhadap Penambahanbeban

Pengujian Kontroler terhadap Penambahanbeban

HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem


1. Simulasi

2. Implementasi

ts (±2%) %ess %MP

101,5 det ±2,286 % 1,5 %60

65

70

75

80

85

90

Out

put S

iste

m ( %

)

Beban nominal ( 260,7 mWatt )

165 % X Beban nominal ( 430,115 mWatt )

165% beban nonimal (430,115 mW)beban nonimal

(260,7 mW)


101,5 det ±2,286 % 1,5 %

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 320050

55


Level Tangki Kedua

Level Tangki PertamaSet Point

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 300020

30

40

50

60

70

80

90


Flo

w ( %

)

165 % X Beban nominal ( 430,115 mWatt )

Beban nominal ( 260,7 mWatt )beban nonimal(260,7 mW)

165% beban nonimal (430,115 mW)

Pengujian Kontroler terhadap Pemberiangangguan

Pengujian Kontroler terhadap Pemberiangangguan

HASIL DAN ANALISIS


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem


1. Simulasi

2. Implementasi

Gangguan 1 Gangguan 2

tg 8,2 detik 39,3 detik65

70

75

80

85

90

95

Out

put S

iste

m (%

)


Level Tangki KeduaSet Point

Titik ambang kestabilan(17,7 detik)


ts(±2%) 0 detik 101,1 detik

%ess(max) 0,3 % 5,26 %

%MP 0 % 12,47 %

1500 2000 2500 3000 350060


1500 2000 2500 3000 350010

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Flo

w (%

)

Pemberian

Gangguan 1Pemberian

Gangguan 2

KESIMPULAN


Hasil danAnalisis

PerancanganSistem


1. Hasil estimasi level tangki kedua terhadap level tangki pertama mampu mengikuti nilai set pointyang diberikan pada daerah kerja dengan ts(5%) sebesar 25,6 detik dan ess sebesar ±0,5378 %.Nilai ess yang sangat kecil ini masih dalam toleransi untuk kontroler yang baik.

2. Pada saat penambahan beban sebesar 165 % dari beban nominal, kontroler mampumengembalikan respon pada kondisi semula dengan ts(5%) sebesar 101,5 detik. Sehingga sistemtetap dalam kondisi stabil. Namun, estimasi tangki kedua tidak berlaku untuk beban yang berubah.


3. Implementasi Kontroler Kaskade Fuzzy-PI pada coupled tanks sangat kokoh terhadap gangguandengan waktu ambang kestabilan akibat gangguan sebesar 17,7 detik pada saat diberikangangguan dengan menutup manual valve sebesar 50 %.

4. Gangguan pada flow yang singkat dalam selang waktu 8,2 detik tidak mempengaruhi respon leveltangki kedua. Namun, dengan gangguan lebih dari 2 kali waktu ambang kestabilan dalam selangwaktu 39,3 detik membuat respon level tangki kedua mengalami penurunan. Meskipun demikian,kontroler mampu mengembalikan respon pada keadaan semula dalam waktu 101,1 detik.Sehingga dapat disimpulkan kontroler mampu menjaga kekokohan sistem terhadap gangguan.

L/O/G/O

Thank You!


Thank You!

L/O/G/O


perancangan dan implementasi kontroler kaskade -pi untuk...

Documents