Proseding Per/emuan dan Presen/asi IImiahP 3TM-BA TAN. Yogyakar/a 25 -26 Ju/i 2000114 Buku I

SISTEM KENDALl DOSIS BERBASIS KOMPUTER P ADAAKSELERA TOR LINEAR

Taxwim, Djoko SPPusat Pene/itian don Pengembangan Tekn%gi Maju

Widi SetiawanPusal Pengembangan Perangka/ Nuk/jr

Agus Budi WiyatnaFakul/as Teknik Universitas Gadjah Mada

ABSTRAKSISTEM KENDALl DOSIS BERBASIS KOMPUTER PADA AKSELERATOR LINEAR. TeknologiAkselerator telah digunakan untuk Radio Therapy di Rumah Sakit Dokter Karyadi Semarang menggunakanakselerator linear (Linac) dengan memanfaatkan elektron atau sinar-X untuk terapi kanker. Salah satuparameter pengendalian akselerator linear adalah laju dosis yaitu arus partikel atau jumlah fotonpersatuan waktu yang dikenakan pada larget. Pengendalian laju dosis pada Linac dilakukan denganmerubah repetition rate dari pulse train tegangan tinggi anoda sumber elektron. Soot ini pengendalianmasih menggunakan kendali proporsional. Untuk meningkatkan kualitas hasil pengendalian (stasioner errorminimal, kecepatan don stabilitas) maka dalam penelitian ini dilakukan perancangan sistem kendali dosismenggunakan algoritma kendali PID (Proportional Integra/ Differential) dengan penurunan fungsi pindahobyek kendali (Linac). Dengan bantuan komputer pribadi dilakukan implementasi algoritma sistem kendaliPID yang masukannya berupa error dosis (beda antara nila.i hasil ukur dosis dengan laju dosis permintaanI 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 acceleratortechnology has been used for radio therapy. Dokter Karyadi Hospital in Semarang use electron or X-raylinear accelerator (linac) for cancer therapy. One of the control parameter of linear accelerator is doserate. II is particle current or amount offoton rate to the target. The control of dose rate in linac have beendone by adjusting repetition rate of anode pulse train of electron source. Presently the control is stillproportional control. To enhance the quqlity of the control result (minimal stationer error. velocity andstability). the dose control system has been designed by using the PID (Proportional Integral Differential)control algorithm and the derivation of transfer function of control object. Implementation of PIDalgorithm control system is done by giving an input of dose error (the different between output dose anddose rate set point). The output of control system is used for correction of repetition rate set point frompulse train of electron source anode.

PENDAHULUAN lurus oleh medan listrik yang berosilasi(8), KeluarandaTi akselator linear adalah elektron atau konversi-nya (sinar-X) yang digunakan sebagai terapi kanker,maka salah satu parameter kendali yang digunakanpacta akselator tersebut adalah laju dosis yaitubesamya arus partikel perluasan persatuan waktuyang ditembakkan pacta suatu target,

Pengendalian laju dosis pacta pesawat Linac(Linear Accelerator) buatan Mitsubishi Corporationtersebut dapat dilakukan dengan merubah RepetitonRate daTi fulse train tegangan tinggi Anoda sumberelektron(7, Oalam penelitian ini dirancang sebuahsistem kendali dosis dengan Algoritma kendali PID

S istem pengaturan atau kendali merupakan salahsatu bagian penting dari suatu proses dalam

industri modem, seperti halnya pesawat akseleratorlinear yang digunakan sebagai terapi kanker yangmemerlukan suatu sistem yang dapat mengaturjalanya operasi agar lancar clan aman sesuai denganaturan-aturan besaran yang dikehendaki clan agarterhindar dari bahaya yang mungkin terjadi.

Akselerator linear merupakan salah satu jenisakselerator dengan prinsip kerja mempercepatpartikel bermuatan (elektron) dalam lintasan garis

ISSN 0216 -3128Taxwim, dkk.

Proseding Perlemuan dan Presenlasi l/miahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juti 2000 Buku I 115

(Proportional Integral Differential) yang digunakanuntuk rnengatur dosis keluaran agar sarna dengandosis permintaan.

DASAR TEORISistem 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 parameterpengendalian laju dosis. Dari Gambarl terlihatbahwa sistem Automatic Dose Rate Control Circuit(ADC) dipergunakan sebagai sistem kontrol dosis

pada Linac, jika switch pada ADC ON, maka .sistemmenggunakan kontrol umpan balik untuk mende-

teksi keluaran dosis. Keluaran dosis dibandingkandengan 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

pembangkit tegangan tinggi yang dipergunakansebagai pemercepat elektron dalam tabung struktur

pemercepat (7).

Kendali Dosis Pada Linac

Seperti yang telah dipaparkan dimuka, bahwasistem kendali dosis pada Linac yang telah adasekarang ini menggunakan kendali proporsionaldengan sistem umpan balik seperti terlihat padaGambar I. Sistem kendali dosis ini, dipergunakanuntuk mengatur besarnya arus elektron yangdibangkitkan oleh Linac dalam tabung pemercepatelektron, dengan cara mengatur repetition ratesumber elektron (7)

Dari Gambar I, selanjutnya dibuat suatudiagram sistem kendali yang akan dipergunakandalam pengendalian dosis Linac dengan algoritrnakendali PJD seperti pada Gambar 2. Sistempemercepat elektron dalam akselerator linear meng-gunakan sistem peinercepat dengan micro wave,gelombang ini telah dipersiapkan dari generatortegangan tinggi RF (Magnetron) dengan frekuensiantara 2992 MHz -3001 MHz 8ada tegangankurang lebih 47 kilo Volt maksimum ).

Trivvrr l'"L~Outpul v.- rrzlelei poinl ""/a~ (1) PPS ect jX)int wllagc (2)

-~~> -;;:;on/off

.fWitch

Unac~$}:!I~~V/FConverter

X~I11),1 el~ft)II

I~"

MonitorChamber}

Adder

Amp4fie~

Gambar 1. Blok diagram kontrollaju dosis.(7:

TAIJtJNO PUMERCI!PAT I AKSULERATORS (!ldJr,IIVEI L' SinIa"-X

)0 ~ I Mcnitl»' I\ D-,/I Chamb~r-/ I

..0..elel1roda

~.caburn Rangk&8I1

P~,.ual

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

~ I (DoMrO"A~I:)Jrr/RA""O .;I'-,

QoY-JGambar 2. Blok diagram kendali laju dosis akselerator linear.

Proseding Pertemuan don Presen/asi I/miahP3TM-BATAN, Yogyakarta 25 -26 Juli 2000Buku J116

Metoda Zigler-Nichols

Dalam beberapa kasus praktis karakteristikperfonnasi sistem kontrol yang diinginkan dinyata-kan dalam bentuk besaran wawasan waktu. Sistemyang mempunyai elemen penyimpanan energi takdapat merespon secara seketika danakan menunjuk-kan respon transien jika dikenai masukan(6). Dalammenentukan karakteristik respon transien sistemkontrol terhadap masukan tangga satuan, biasanyadicari parameter yaitu(6): waktu Tunda (delay time, td), waktu naik (rise time. tr), waktu puncak (peaktime, tpJ. /ewatan maksimum (maximum overshoot.Mp), "~ktu penetapan (settling time, ts).

Kendal; P I D

Sistem kendali digital dengan algoritmakendali PID sebagai sistem pengaturan dapatdijabarkan sebagai berikut(S) :

Aksi kontrol proporsional plus turunan plusintegral, adalah gabungan aksi kontrolproporsional, aksi kontrol turunan, aksi kontrolintegral membentuk aksi kontrol proporsional plusturunan plus integral, gabungan aksi kontrolertersebut diberikan oleh persamaan :

atau dapat ditulis fungsi alihnya

M(s)

E(s)= Kp(l+TDs+ (1)

1

TIs

Gambar 4. Kurva respon transien yang menunjuk-kan waktu td, tr. tp. Mp. dan Is.

Kp menyatakan kepekaan proporsional dan TDmenyatakan waktu turunan dan TJ menyatakanwaktu integral, baik Kp maupun TD dapat diatur,aksi kontrol turunan juga disebut kontrol laju (ratecontrol), katena besar keluaran kontroler sebandingdengan laju perubahan sinyal kesalahan penggerak.

Sistem kendali dosis yang dipergunakan padapenelitian ini adalah sistem kendali dengan algo-ritma kendali PID agar didapatkan nilai dosisdengan stationer error minimal, kecepatan pengen-dalian daD stabilitas yang tinggi. Perancangansistem kendali PID ditunjukkan Gambar 3.

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

y(t)

iGambar 3. Diagram blok sistem kendali.

Kendali Pill untuk sistem analog mempunyai fungsipindah sebagai berikut(l) :

(2)XK(S) = Kp (

x:r.;;Gambar 5. Penentuan awal parameter kendali

dengan metoda Zigler-Nichols.XK(S)dengan,

Dari kurva tersebut diatas diperoleh nilai parameterkendali Kp. TI. TD. dan basil perhitungan denganmetoda Zigler-Nichols dapat ditentukan olehpersamaan :

KpTI

TD

: transfonnasi Laplace dari ke-luaran sistem kendali

: transfonnasi Laplace dari ma-sukan sistem kendali.

: penguatan proporsional: konstanta waktu integral

: konstanta waktu differensial

Prosed;ng Pertemuan don Presentas; I/m;ahP3TM-BATAN. Yogyakar/a 25.26 Jut; 2000 Buku I 17

N.LK'

TI = 2.7; TD = O,5.TR = \,2Kp="R"":T"'

Perancangan Sistem Kendali

Perancangan sistem kendali tersebut dilaku-kan dengan menggabungkan kendali PID dan obyekkendali dalam persamaan penurunan fungsi pindahdari fungsi kontinyu ke fungsi diskrit.

Seperti telah diuraikan pacta bab sebelumya,perancangan sistem kendali tersebut menggunakanalgoritma kendali PID (Proportional IntegralDefferential ) (Gambar 6) dengan persamaan PIDdalam bentuk fungsi Laplace sebagai berikut :

XK(S) = K p

X AI (s)

+ T oS

(I +~))N

diperoleh sistem pengendalian yang optimum.Secara keseluruhan program simulasl tersebutmerupakan sistem kendali yang menggunakanalgoritma PID, sebagai pengontrol keluaran dariobyek kendali.

Untuk obyek kendali, diperoleh suatu per-samaandengan menurunkan fungsi pindah dari rangkaianelektronik kendali dosis (Lampiran A). SimulasiObyek kendali tersebut dengan mem-berikanmasukan fungsi undak seperti dalam Gambar 8.Sedangkan untuk simulasi secara keseluruhan(kendali dan obyek kendali) seperti terlihat padaGambar 9.

Hasil pengukuran parameter kendali padaobyek kendali dengan metoda Zigler-Nichols

diperoleh:Parameter proporsional. Kp = 0.17 GyN

Parameter integral, TI = 2,364 x10-5 detik

Parameter deferensial, TD = 0,591 x10-5 detik

Waktu puncak (peak time). tp = 6,25 x10-5 detik

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

Waktu tunda (delay time), td = 3,75 xl~-5 detik

Waktu naik (rise time), tR = 1,6875 x10-5 detik

Lewatan maksimum (maximum overshoot), Mp= 49 %

-T1 S

hubungan loop tertutup kendali PID dengan obyekkendali adalah Gambar 7.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Persamaan PID diatas dibuat program simu-lasi clan pemrograman bahasa Pascal, membentuksuatu algoritma kenda!i PJD yang dinamakanProgram Kcndali PJD. Program kendali PIDtersebut digabungkan dengan obyek kenda!i untuk

pengontrol at au mengenda!ikan obyek ( Linac) agar

Hasil tersebut diatas selanjutnya digunakan sebagainilai awal dari parameter sistem kendali, yangakhimya dilakukan simulasi untuk mendapatkansuatu nilai yang optimal.

Gambar 6. Kendall P/D.

Gambar 7. Siste/t' kendali laju dosis.

Proseding Per/emuan don Presen/asi IlmiahP3TM-BA7:4N. Yogyakar/a 2.5 -26 Juli 2000118 Buku I

Dalam uji coba paramater kendali untukoptimasi didapatkan suatu nilai yang dianggapsebagai basil kompromi untuk menentukanparameter kendali yang optimum yaitu denganmembuat suatu kurva antara parameter kendali dannilai overshoot serta kecepatan (rise time). Daripertimbangan kurva antara parameter kendali yaituKp. TD. TI, dengan nilai overshoot dan kecepatan(rise time), serta dengan coba-coba merubahparameter kendali tersebut dapat ditentukan nilaioptimasi parameter kendali sebagai berikut :

Parameter proporsional, Kp = 0.043 GyN

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 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. Bagan a/ir program pengujian step response obyek kenda/i.

ISSN 0216 -3128Taxwim, dkk.

Proseding Pertemuan dan Presentasi //miahP3TM-BATAN. Yogyakarta 25 -26 Juli 2000 Buku J 119

~

X ,.1 1 r.I}-E!!!- -K(I+ -i--r-;-,. ($' T, I ( 1+ -P-)AN ".

rr

,,!XV) 10 12.01:~,:inig-r; i~tlg""-; i;',~:il.-;;0, .

~.lihat Gambar L3mpiran 2KcJ~ Si.'lU:m

Kendali

ya?= Batasan

LoopSimpnn

(dntD

rtdak

SELESAI

Gambar 9. Bagan alir program pengujian step response kendali dan obyek kendali.

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

Parameter proporsional. Kp = 0.17 GyN

Parameter integral, TI = 2,364 x10-5 detik

Parameter deferensial, TD = 0,591 xl0-5 detik

Waktu puncak (peak time). tp = 6,25 x10-5 detik

Waktu penetapan (settling time). ts = 14,375 xl0-5 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 %

KESIMPULANBerdasarkan hasil.hasil percobaan dan

simulasi dengan program komputer (bahasa pemro-gram an Turbo Pascal versi 7.0) pada sistem kendali

dosis Linac dengan algoritma kenda!i PID, dapat

diambi! kesimpulan bahwa :

I. Sistem kendali dosis dengan algoritma PID yang

telah dibuat dapat dipergunakan sebagai per-baikan unjuk kerja dari sistem kendali yang telah

ada sebelumnya yaitu kendali Proporsionalschingga dapat dipcroleh sistem kendali yang

optimal.

Proseding Perlemuan dan Presenlasi IlmiahPJTM-BA7:4N, Yogyakarla 25 -26 Juli 2000120 /Juku!

3. Optimasi sistem kendali dosis Linac diperoleh :

Parameter proporsional, Kp = 0.043 aytY

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 detik

Waktu tunda (de/ay time). Id = 1,827 xl 0-5 detik

Waktu naik (rise lime). IR = 1,625 xl 0-5 detik

Lewatan maksimum (maximum overshoot), 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 kalibrasidosisnya, dapat dilakukan dengan merubah

parameter kendali.

DAFTARPUSTAKA

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

2. ECKMAN, D.P, 1958, "Automatic ProcessControl", John Wiley & Sons, New York

3. JOSEPH S. ROSKO, 1972, "Digital Simulationof Physical System", United Aircraft ResearchLaboratories, Addison- Wesley Publishing

Company,

4. KARL J, ASTROM, B, JOHN WITTERMARK,1984, "Computer Controlled System", Theoryand Design, Prentice Hall International, Edition8.

5. KATSUHIKO OGATA, 1970, "Teknik KontrolAutomatik (Sistem Pengaturan)", jilid I,Prentice-Hall Inc, New York.

6, KATSUHIKO OGATA, 1991, "Teknik KontrolAutomatik (Sistem Pengaturan)", jilid 2,Prentice-Hall Inc, New York,

7. MITSUBISHI ELECTRIC CORPORA TION,1991, "Operation Manual Medical LinearAccelerator Model EXL-6",

8. SUDJA TMOKO, 1998, "Akselerator ImplantasiIon", Diktat Diklat Pengenalan dan AplikasiAkselerator, Yogyakarta,

Proseding "erlemuan don Presenlasi I/miahPJ1M.BATAN. Yogyakarla 2.5.26 Ju/i 2000Buku I122

Lampiran 2

,.....J

II.,

" I" ;,. 0'-. -.~ ~ :

" ..,: ~ :, ..' I,I :,I ,.:! '.. ! ! , i., , , , I , !r' _l ' ": 'r " :'.' ' I " ."

,.., , , , ..

,, I I , , I ,, , I ' .,

, , ~ , , I I , ,

u.

..

..t

..WAKTU ~ x 8.00001d1titl

Gambar 10. Respon obyek kenda!i Linac.

,.--'.,1

"".,--", '-' ,- , I I

, 1 .t I I

L

1.2

08

0.6

0.4

<12

I ., ..I , I ;I ' I I ,I I" I'

--r ~--" " " " ~.-~---:I , , I .:

, I I I I '

.I I I :~ L ~ ~--~ ~ ~-~I , , I ' :I t 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 I 1

,I I I t I .

O. ; " :1 6 11 16 21 2e 31

w-.1 t x 0.00001 ~ I

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

-Diper/ukan, yaitu program sistem kenda/i PIDditanamkan da/am IC. /a/u disambungkan kesistem yang akan dikenda/ikan.TANYAJAWAB

Subari Santoso-Anda mengunakan sistem kendali PID.

-Tuntutan unjuk kerja seperti apa sistem kendali

yang anda rancang.

Sudjatmoko-Bagaimana teknik pengaturan dan pengendalian

dosis yang keluar dari linac?

-Apakah diperlukan sistem hardware untukpengendalian tersebut?

Taxwim-Teknik pengaturan dan pengenda/iannya dengan

mengatur repeatation rate pada sumber e/ektrondengan menggunakan sistem kenda/i PID.

Taxwim

-Tuntutan sistem kenda/i yang kita harapkan

ada/ah:

.Stabi/itas

Proseding Perlemuan don Presenlasi IlmiahP3TM-BATAN. Yogyakarla 25 -26 Juli 2000 Buku I 123

.menekan derau

.memperbaiki unjuk kerja.

.Kesalahan stasioner yang rendah, bahkan nolo

.Kecepatan yang tinggi.Hal tersebut dapat dilakukan dengan meng-gunakan sistem kendali PID. Taxwim

-Tujuannya u'7tuk memperbaiki unjuk kerja padasistem kendali dosis yang sebelumnya meng-gunakan kendali proporsional soja.

Budi Santoso, MT.

-Apa tujuan pemasangan PID pad a sistem kendalidosis LINAC yang dipakai?

ISSN 0216 -3128 Taxwim, dkk.