PEMODELAN DAN PENGATURAN ADAPTIF UNTUK SISTEM HIDROLIK TAK-LINIER

PEMODELAN DAN PENGATURAN ADAPTIF UNTUK SISTEM

HIDROLIK TAK-LINIER

i.

JUDUL

TUGAS AKHIR

Disusun Oleh :

M.MULYADI JAYANEGARA NIM. 201210130311041

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

ii LEMBAR PENGESAHAN

ii.

LEMBAR PENGESAHAN

PEMODELAN DAN PENGATURAN ADAPTIF UNTUK SISTEM

HIDROLIK TAK-LINIER

Tugas Akhir ini Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana

(S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Oleh:

M.MULYADI JAYANEGARA

201210130311041

Tanggal Ujian : 26 Juli 2016

Tanggal Wisuda : 27 Agustus 2016

Disetujui Oleh :

1. Dr. Zulfatman, S.T, M.Eng. (Pembimbing 1) NIDN: 0709117804

2. Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T. (Pembimbing II) NIDN: 0718036502

3. Ir. Diding Suhardi, M.T. (Penguji I) NIDN: 0706066501

4. Amrul Faruq, S.T., M.Eng. (Penguji II) NIDN: 0718028601

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Elektro

Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T.

vii

KATA PENGANTAR

iii.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur senantiasa kita panjatkan ke hadirat Allah SWT atas

segala nikmat, kekuatan, taufik serta hidayah-Nya. Shalawat serta salam semoga

tercurah kepada Rasulullah SAW, keluarga sahabat dan para pengikut setianya,

Amin. Atas kehendak Allah sajalah, penulis dapat menyelesaikan proyek akhir

yang berjudul :

“PEMODELAN DAN PENGATURAN ADAPTIF UNTUK SISTEM HIDROLIK TAK-LINIER”

Pembuatan Proyek Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk

memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) di Universitas Muhammadiyah Malang.

Selain itu penulis berharap agar proyek akhir ini dapat menambah kepustakaan dan

dapat memberikan manfaat bagi semuanya.

Akhir kata semoga buku ini dapat bermanfaat di masa sekarang dan masa

mendatang. Sebagai manusia yang tidak luput dari kesalahan, maka penulis mohon

maaf apabila ada kekeliruan baik yang sengaja maupun yang tidak sengaja.

Malang, 22 Juli 2016

viii

DAFTAR ISI

iv.

DAFTAR ISI

i. JUDUL ... 1

ii. LEMBAR PERSETUJUAN ... ii

iii. LEMBAR PENGESAHAN ... iii

iv. LEMBAR PERNYATAAN ... iv

v. ABSTRAK ... v

vi. KATA PENGANTAR ... vii

vii. LEMBAR PERSEMBAHAN ... viii

viii. DAFTAR ISI ... ix

ix. DAFTAR GAMBAR ... xii

x. DAFTAR TABEL ... xiv

1 BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Rumusan Masalah ... 3

1.3Batasan Masalah ... 3

1.4Tujuan ... 3

1.5Sistematika Penulisan ... 4

2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1Sistem Elektro-Hidrolik ... 5

2.1.1 Elektro-Hidrolik ... 5

2.1.2 Pemodelan Matematis Elektro-Hidrolik ... 5

2.2Identifikasi Sistem ... 7

2.2.1 Pengambilan Data ... 8

2.2.2 Penelitian ... 8

2.2.3 Pemilihan Struktur Pemodelan ... 9

2.2.4 Estimasi Model ... 9

2.2.5 Validasi Model ... 10

2.3Proportional Integral Derivative (PID)... 10

2.4Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) ... 12

ix 2.4.1.1Model Dinamis Dari Sistem Elektro-Hidrolik Dengan

Parameter yang Tidak Diketahui ... 13

2.4.1.2Menentukan Tracking Error ... 15

2.4.1.3Menentukan Sliding Surface ... 15

2.4.1.4Reaching Law ... 16

2.4.1.5Menentukan Control Law SMC ... 16

2.4.2 Adaptif Switching Gain ... 17

2.4.2.1Stability gain SMC ... 17

2.4.2.2Persamaan Adaptif Switching Gain ... 19

2.4.3 Fuzzy Logic Controller ... 19

2.5Point to Point Trajectory ... 22

2.6Tanggapan-tanggapan Sistem... 22

2.6.1 Respon Waktu (Time Respons) ... 22

2.6.2 Sum of Squared Tracking Errors (SSTE) ... 23

3 BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ... 24

3.1Pemodelan Sistem Elektro-Hidrolik ... 24

3.1.1 Pengambilan Data ... 24

3.1.2 Penelitian ... 24

3.1.3 Pemilihan Struktur Pemodelan ... 25

3.1.4 Estimasi dan Validasi ... 26

3.1.5 Model Dinamis Sistem Elektro-Hidrolik ... 28

3.1.5.1Konversi Kedalam Bentuk Transfer Function Kontinyu ... 28

3.1.5.2Konversi Kedalam Bentuk State Space ... 29

3.2Perancangan Pengaturan Proportional Integral Derivative (PID) ... 30

3.3Perancangan Pengaturan Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) ... 31

3.3.1 Perancangan Pengaturan SMC ... 32

3.3.1.1Menentukan Tracking Error ... 33

3.3.1.2Menentukan Sliding Surface ... 33

3.3.1.3Reaching Law ... 34

3.3.1.4Menentukan Control Law SMC ... 34

3.3.2 Perancangan Adaptif Switching Gain ... 35

x

4 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ... 40

4.1Pengujian Model Hidrolik Menggunakan Loop Terbuka dan Tertutup .... 40

4.1.1 Tujuan ... 40

4.1.2 Blok Diagram ... 40

4.1.3 Hasil dan Analisis ... 41

4.2Pengujian pengendali Proportional Integral Derivative (PID) dan pengendali Sliding Mode Control (SMC) ... 43

4.2.1 Tujuan ... 43

4.2.2 Blok Diagram ... 43

4.2.3 Hasil dan Analisis ... 44

4.3Pengujian pengendali Sliding Mode Control (SMC) dan pengendali SMC Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) ... 49

4.3.1 Tujuan ... 49

4.3.2 Blok Diagram ... 49

4.3.3 Hasil dan Analisis ... 50

5 BAB V PENUTUP ... 54

5.1Kesimpulan ... 54

5.2Saran ... 54

xi. DAFTAR PUSTAKA ... 55

xi

DAFTAR GAMBAR

v.

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Elektro hidrolik ... 5

Gambar 2.2 Identifikasi Sistem ... 8

Gambar 2.3 Flowchart Identifikasi Sistem... 8

Gambar 2.4 Blok diagram pengaturan PID ... 11

Gambar 2.5 PID Tuning ... 12

Gambar 2.6 Blok diagram SMC... 13

Gambar 2.7 Blok diagram SMC... 15

Gambar 2.8 Diagram fasa trayektori status. ... 17

Gambar 2.9 Struktur dari fuzzy logic controller ... 19

Gambar 2.10 Proses implikasi... 21

Gambar 2.11 Proses agregasi ... 21

Gambar 2.12 Proses defuzzifikasi ... 21

Gambar 2.13 Sinyal Pont to Point Trajectory ... 22

Gambar 3.1 Data input output ... 24

Gambar 3.2 Pemilihan struktur pemodelan ... 25

Gambar 3.3 Kurva validasi ... 26

Gambar 3.4 Pole-Zero plot ... 27

Gambar 3.5 Respon transien dari pemodelan hidrolik ... 28

Gambar 3.6 Blok simulink loop tertutup... 29

Gambar 3.7 Blok simulink loop tertutup state space ... 29

Gambar 3.8 Blok simulink PID dengan gangguan pada model state space ... 30

Gambar 3.9 Blok pengaturan AFSMC pada sistim hidrolik ... 31

Gambar 3.10 Diagram alur perancangan SMC ... 32

Gambar 3.11 Blok pengaturan SMC pada sistim hidrolik ... 33

Gambar 3.12 Blok simulink pengaturan SMC ... 35

Gambar 3.13 Blok simulink pengaturan AFSMC ... 36

Gambar 3.14 Struktur keanggotaan fuzzy ... 36

Gambar 3.15 Struktur keanggotaan input fuzzy error ... 37

Gambar 3.16 Struktur keanggotaan input fuzzy error 2 ... 37

xii

Gambar 3.18 Struktur keanggotaan output fuzzy lambda 2 ... 38

Gambar 3.19 Struktur surface dari fuzzy ... 39

Gambar 4.1 Blok diagram simulink loop terbuka ... 41

Gambar 4.2 Blok diagram simulink transfer function loop tertutup ... 41

Gambar 4.3 Blok diagram simulink state space loop tertutup ... 41

Gambar 4.4 Grafik respon transien loop terbuka ... 41

Gambar 4.5 Grafik respon transien transfer function loop tertutup ... 42

Gambar 4.6 Grafik respon transien state-space loop tertutup ... 42

Gambar 4.7 Blok diagram simulink pengaturan PID dan SMC... 43

Gambar 4.8 Grafik respon transien pengaturan PID dan SMC tanpa gangguan .. 44

Gambar 4.9 Grafik tracking error pengaturan PID dan SMC tanpa gangguan ... 44

Gambar 4.10 Grafik output pengaturan PID dan SMC tanpa gangguan... 45

Gambar 4.11 Grafik respon transien PID dan SMC dengan gangguan ... 46

Gambar 4.12 Grafik tracking error PID dan SMC dengan gangguan ... 46

Gambar 4.13 Grafik output PID dan SMC dengan gangguan ... 47

Gambar 4.14 Grafik trajectory pengaturan PID dan SMC dengan gangguan... 47

Gambar 4.15 Grafik tracking error trajectory PID dan SMC dengan gangguan .. 48

Gambar 4.16 Grafik output trajectory PID dan SMC dengan gangguan ... 48

Gambar 4.17 Blok diagram simulink pengaturan ASMC ... 49

Gambar 4.18 Grafik perbandingan respon transien PID,SMC & ASMC ... 50

Gambar 4.19 Grafik respon transien pengaturan PID, SMC & ASMC ... 50

Gambar 4.20 Grafik tracking error pengaturan PID, SMC & ASMC ... 51

Gambar 4.21 Grafik output pengaturan PID, SMC & ASMC ... 51

Gambar 4.22 Grafik trajectory pengaturan PID dan ASMC dengan gangguan .... 52

Gambar 4.23 Grafik tracking error PID dan ASMC dengan gangguan ... 52

xiii

DAFTAR TABEL

vi.

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengaruh PID pada waktu naik,overshoot, waktu turun dan kesalahan

keadaan tunak ... 10

Tabel 2.2 Klasifikasi respon sistem ... 22

Tabel 3.1 Parameter PID Menggunakan metode tuning MATLAB ... 31

Tabel 3.2 Parameter Adaptif Switching Gain ... 35

Tabel 3.3 Rule fuzzy inference ... 38

Tabel 4.1 Karakteristik respon transien loop tertutup ... 43

Tabel 4.2 Karakteristik respon transien pengaturan PID & SMC ... 45

55

DAFTAR PUSTAKA

vii.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Zulfatman, Rahmat. “Application Of Self-Tuning Fuzzy PID Controller On Industrial Hydraulic Actuator Using Sistem Identification Approach”, Int. Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, Vol. 2(2):246-261, 2009.

[2] L. Ljung. “System Identification Toolbox: User Guide”, Prentice-Hall Int., London, 2014.

[3] Zulfatman, et al. “Robust Position Tracking Control of an Electro-Hydraulic

Actuator in the Presence of Friction and Internal Leakage”, Arabian Journal for Science and Engineering 39 (4), 2965-2978, 2014.

[4] Cerman O, Husek P. “Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control for Electro-Hydraulic Servo Mechanism” Expert Systems with Applications 39 10269–

10277, 2012

[5] Andersson L, et al. “A Manual for System Identification” Lund University.

[6] R Ghazali,et al. “Adaptive Discrete Sliding Mode Control for a Non-minimum Phase Electro-Hydraulic Actuator System”, The 8th International Conference on Robotic, Vision, Signal Processing & _{Power Applications, 2014}

[7] Ruscio D.I.. “System Theory State Space Analysis and Control Theory”.

Høgskolene i Telemark,Porsgrunn, 2009.

[8] Indrawanto, T.X. Bo. “Sliding Mode Control of a Single Rigid Hydraulically

Actuated Manipulator”. International Journal of Mechanical & Mechatronics

Engineering IJMME-IJENS, 2011.

[9] Zulfatman, et al. “Sliding Mode Control with Switching-Gain Adaption Based-Distrubance Observer Applied to an Elecro-Hydraulic Actuator System”

Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2013.

[10] Kusumadewi, Sri.”Artificial Intelligence (Teknik dan Aplikasinya)”. Graha Ilmu. Yogyakarta.2003

[11] Rahmat, et al. “Modeling and Controller Design of an Industrial Hydraulic

Actuator System in The Presence of Friction and Internal Leakage”

International Journal of the Physical Sciences Vol. 6(14), pp. 3502-3517, 2011. [12] Zulfatman, et al. “Robust Precision Control for a Class of Electro-Hydraulic

1

BAB I

PENDAHULUAN

1 BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Elektro-hidrolik adalah salah satu komponen penting yang banyak

ditemukan pada dunia industri. Elektro-hidrolik banyak digunakan karena memiliki

tenaga yang besar, presisi yang tinggi dan jarak pergerakan yang dapat diatur sesuai

dengan kebutuhan. Dalam era modern sistem elektro-hidrolik mempunyai peranan

yang sangat penting dalam sebuah industri seperti digunakan dalam pengereman

pesawat terbang, eskavator, dan alutista militer. Untuk mendapatkan semua

keunggulan tersebut, diperlukan suatu sistem pengaturan yang mempunyai

algoritma pengaturan tersendiri untuk mengatur valve dalam sistem elektro-

hidrolik. Di dalam era modern ini berbagai macam jenis sistem pengaturan untuk

sistem hidrolik telah dikembangkan, seiring dengan kebutuhan akan aktuator yang

terus berkembang di dunia industri.

Untuk merancang sistem pengaturan yang tepat, harus diawali dengan

pemodelan dari sistem elektro-hidrolik, salah satunya adalah melalui metode

identifikasi sistem. Pemodelan ini menggunakan data input dan data respon output

menggunakan parameter secara matematis. Model sistem yang tepat harus

menghasilkan respon output yang mirip dengan sistem yang sebenarnyaError!

Reference source not found.. Teknik yang tepat dalam hal penentuan Pemodelan

dari sebuah sistem yang model dan parameternya tidak diketahui disebut

identifikasi sistem.

Pada saat ini berbagai macam teknik identifikasi sistem diterapkan untuk

mengestimasi model dari aktuator elektro-hidrolik, baik dalam bentuk linier

maupun tak-linier. Jenis Pemodelan linier misalnya Auto Regressive (AR), Auto Regressive Exogenous (ARX), Auto Regressive Moving Average with Exogenous Inputs (ARMAX), Output-error (OE) dan Box-Jenkin (BJ). Sedangkan beberapa teknik pemodelan tak-linear yang digunakan diantaranya nonlinier ARX (NARX)

dan nonlinier ARMAX (NARMAX). ARX merupakan model yang paling banyak

2 menghasilkan persentase ketepatan pemodelan (best fit) yang lebih tinggi. Menurut

aturan praktis, sebuah model dapat diterima ketika nilai best-fit yang didapatkan

lebih tinggi dari 90% Error! Reference source not found..

Akan tetapi sistem dinamis seperti sistem elektro-hidrolik sangat sulit

untuk dimodelkan secara sempurna mendekati sistem yang sebenarnya karena

adanya proses linierisasi dalam proses pemodelan. Selain itu, sistem yang

sebenarnya pada umumnya mempunyai beberapa gangguan eksternal selama

pengoperasian. Akibatnya sistem pengaturan yang dirancang menggunakan model

linier memiliki kelemahan yaitu tidak disertakannya ketaklinieran, ketaktentuan

dan perubahan parameter dalam proses penentuan parameter sistem pengaturan.

Hal ini menyebabkan sistem tidak bisa menyesuaikan diri dengan kondisi yang

berubah ubah .

Untuk mengatasi masalah diatas diusulkan desain pemodelan

elektro-hidrolik dengan menambahkan ketaklinieran, ketaktentuan dan ganguan luar dari

sistem. Model tak-linier seperti metode pengaturan berbasis Lyapunov banyak

digunakan, dengan keunggulan utama adalah kurangnya pembatasan dalam

memanipulasi sistem tak-linierError! Reference source not found.. Untuk model

linier pilihan sistem pengaturan yang baik adalah dengan sistem pengaturan

tak-linier, dalam pengaturan tak-tak-linier, sistem pengaturan yang paling banyak

digunakan adalah sistem pengaturan robust. Salah satu pengaturan robust adalah pengaturan SMC, SMC Merupakan pengaturan yang robust karena tidak peka terhadap gangguan dan memiliki lintasan yang memaksa sistem tetap berjalan pada

lintasan tersebut.

Untuk hasil yang lebih maksimal, pengaturan dikombinasikan dengan

sifat pengaturan adaptif, dimana pengaturan ini dapat melakukan penyesuaian

parameter untuk menyusuaikan diri terhadap keadaan baru yang tidak diketahui.

Pengaturan adaptif yang digunakan dengan memanfaatkan teori logika fuzzy

Error! Reference source not found. untuk menentukan nilai parameter dari

sliding surface, pengaturan adaptif ini digunakan untuk memperbaiki penetapan

nilai parameter sliding surface yang menggunakan metode tracking eror dan

3 1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang ada, permasalahan yang akan dibahas yaitu

sebagai berikut:

1. Bagaimana memodelkan sistem hidrolik secara tak-linier dari data input-output menggunakan metode sistem identification toolbox berbasis MATLAB ?

2. Bagaimana merancang sistem pengaturan adaptif tak-linier untuk sistem

hidrolik ?

3. Bagaimana performa sistem hidrolik dengan pengaturan adaptif yang

dirancang ?

1.3 Batasan Masalah

Ruang lingkup yang akan dibatasi dalam penyelesaian tugas akhir ini adalah:

1. Data pengujian input-output sistem hidrolik yang dimodelkan diambil dari Labolatorium System Pengaturan Universitas Teknologi Malaysia

(UTM) oleh peneliti sebelumnya.

2. Perancangan dan analisa dilakukan menggunakan software MATLAB

versi R2012b.

3. Struktur pemodelan yang digunakan dalam penelitian adalah ARX 331

4. Nilai tak-linier dari pemodelan di tetapkan sebesar 20% sebagai

ketidakpastian yang digunakan untuk menentukan nilai β

1.4 Tujuan

Pada tugas akhir ini bertujuan sebagai berikut:

1. Memodelkan sistem hidrolik secara tak-linier dari data input-output

menggunakan metode sistem identification toolbox bebasis MATLAB. 2. Merancang sistem pengaturan adaptif tak-linier untuk sistem hidrolik.

3. Menentukan performa sistem hidrolik dengan pengaturan adaptif yang

4 1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan pada Tugas Akhir Pemodelan dan Pengaturan

Adaptif untuk Sistem Hidrolik Tak-Linier sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Merupakan bab pendahuluan yang menguraikan secara garis besar

terhadap permasalahan yang terdiri dari: latar belakang, ruang lingkup

permasalahan, tujuan, metode penelitian dan sistematika pembahasan

tentang tugas akhir.

BAB II DASAR TEORI

Membahas tentang teori penunjang yang berhubungan dengan

perencanaan dari tugas akhir yang dibuat.

BAB III PERANCANGAN SISTEM

Berisi tentang analisa sistem secara matematis dan melakukan

pemodelan sistem terhadap aktuator hidrolik serta mendesain pengaturan

Adaptif Sliding Mode Controller.

BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM

Berisi tentang data dari pengujian yang dilakukan dengan analisa data

dengan teori yang ada

BAB V PENUTUP

Pada bagian penutup memuat kesimpulan menyeluruh dari laporan dan