REKABENTUK PENGAWAL SUAI UNTUK MODEL HELIKOPTER
i
“ Saya akui bahawa saya telah membaca karya ini pada pandangan saya karya ini adalah memadai skop dan kualiti untuk tujuan penganugerahan Ijazah Sarjana Muda
Kejuruteraan Elektrik ( Kawalan, Instrumentasi dan Automasi ).”
Tandatangan :……….
ii
MEREKABENTUK PENGAWAL SUAI UNTUK SISTEM TANGKI
BERKEMBAR
MAHASAN BIN AHMAD
Laporan projek ini dikemukakan sebagai memenuhi sebahagian syarat Penganugerahan Ijazah Sarjana Muda Kejuruteraan Elektrik
( Kawalan, Instrumentasi dan Automasi )
Fakulti Kejuruteraan Elektrik Universiti Teknikal Malaysia Melaka
iii
“Saya akui laporan ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali pada ringkasan, petikan dan lampiran yang tiap-tiap satunya saya nyatakan sumbernya.”
Tandatangan :
iv
Untuk ibu dan ayah khasnya,
Setinggi-tinggi penghargaan di atas kasih sayang, jasa dan pengorbanan yang dicurahkan untuk kejayaan anakmu ini
Segala pengorbanan akan tetap ku kenang Sehingga ke akhir hayatku…..
Untuk penyelia dan pensyarah-pensyarahku, Untuk kawan-kawan,
Untuk seluruh umat manusia,
v
PENGHARGAAN
Segala puji bagi Allah SWT kerana dengan limpah kurniaNya dapatlah saya menyempurnakan Projek Sarjana Muda ini. Selawat dan salam ke atas junjungan besar Rasulullah SAW, keluarga baginda dan para sahabat baginda.
Setinggi-tinggi penghargaan dan ucapan terima kasih saya tujukan kepada pensyarah penyelia saya iaitu Pn. Sahazati Bt Md Rozali yang telah mengembeling tenaga dan banyak membantu saya dalam memberi tunjuk ajar dan memperbaiki kesilapan selama menyiapkan Projek Sarjana Muda ini. Tanpa beliau tidak mungkin saya dapat menyiapkan kajian ini dalam tempoh yang ditetapkan.
Saya merakamkan ucapan terima kasih ini kepada keluarga saya terutamanya ibu bapa yang telah banyak membantu dari segi sokongan moral dan juga dari segi kewangan dalam menyiapkan projek ini. Akhir sekali kepada rakan-rakan seperjuangan yang banyak membantu dalam berkongsi idea dan pendapat dari semasa ke semasa.
vi
ABSTRAK
Industri petrokimia, industri pembuatan kertas, dan lain-lain merupakan industri utama dimana kawalan aras cecair dan arus adalah penting. Lazimnya, cecair-cecair itu akan diproses secara rawatan kimia atau pencampuran dalam tangki tetapi selalunya aras cecair dalam tangki tersebut perlu dikawal dan arus antara tangki perlu diteraturkan dalam keadaan sistem yang sememangnya tidak linear dan modelnya kurang maklumat. Projek ini menyelidik penggunaan Model Reference Adaptive Control atau MRAC dalam pengawalan aras cecair pada sistem tangki berkembar dengan memanipulasikan pam air di tangki. Ini bagi menunjukkan bahawa MRAC dapat menghasilkan isyarat kawalan yang munasabah dalam kawalan aras cecair bagi sistem, hasil daripada tindakbalas kepada titik rujukan aras cecair yang diberi dalam keadaan sistem yang tidak linear dan terdapatnya pengukuran hingar dalam proses secara serentak. Kebolehan menggunakan hanya pengukuran masukan-keluaran dalam mekanisma adaptasi ialah merupakan ciri-ciri istimewa bagi MRAC dimana ia tidak perlukan pengenalanpastian eksplisit bagi sistem model. Ia juga tidak memerlukan penyelesaian terhadap dinamik persamaan linear (atau tidak linear) bagi sistem tersebut. Ujian prestasi penjejakan (tracking performance test), penyisihan gangguan dan perubahan parameter sistem telah dijalankan untuk menilai prestasi pengawal MRAC dan dibandingkan dengan prestasi sistem asal tangki berkembar. Hasil daripada projek ini menunjukkan MRAC lebih robust dimana sistem perubahan parameter tidak memberi kesan pada MRAC walaupun
vii
ABSTRACT
Industries such as petro-chemical industries, paper making industries, waste management and others are the vital industries where liquid level and flow control are essential. Liquids will be processed by chemical or mixing treatment in the tanks, but always the level fluid in the tanks must be controlled, and the flow between tanks must be regulated in the presence of nonlinearity and inexact model description of the plant. This project investigates the usage of Model Reference Adaptive Control (MRAC) in controlling the liquid level in the Coupled-Tank plant through variable manipulation of water pump. It is to show that MRAC could produce appropriate control signal to the coupled-tank system in response to the given desired water level with plant nonlinearity and measurement noise present simultaneously. The ability to use only input-output measurement of the plant in adaptation mechanism is the MRAC’s special characteristics that does not require the explicit identification of the model description nor the solution to linear(or nonlinear) equations of the respective plant dynamics. A dynamic model of the plant is initially developed. Simulation studies are then conducted based on the developed model using Matlab and Simulink. A series of tracking performance tests, disturbance rejection and plant parameter changes are conducted to evaluate the controller performance in comparison to original system of coupled tank. The outcome of the project reveals that MRAC is more robust when there is a change in system parameters despite of its sensitivity to measurement noise. The framework of this project is generic enough to have an overview of the possible outcome before implementing the MRAC controller in real-time system in the future.
viii
2.2Kajian Kes Pengawal Suai Model Rujukan 5 2.2.1 Concepts, Methods and Techniques in
Adaptive Control 5
2.2.2 “A Multivariable Adaptive Controller for
Autonomous Helicopters” 6
ix
4.3Memahami Sistem Tangki Berkembar 17 4.4Mengenalpasti Dinamik Proses Tidak Linear 18
4.5Merekabentuk Pengawal 18
6 PEMODELAN MATEMATIK SISTEM TANGKI
BERKEMBAR
6.1 Pengenalan 25
x
6.3 Model Penggangguan Linear. 27 6.4 Sistem Proses Masukan Tunggal Keluaran
Tunggal (SISO) Tertib Pertama 30 6.5 Sistem Proses Masukan Tunggal Keluaran
Tunggal (SISO) Tertib Kedua 32
7 SIMULASI PENGAWAL SUAI MODEL RUJUKAN
7.1 Pengenalan 36
7.2 Analisis Tindakbalas Tidak Tetap Sistem Tangki
Berkembar CTS-001 36 7.3 Analisa Sambutan Langkah Sistem Tertib Kedua 39 7.4 Merekabentuk Pengawal MRAC 41
7.4.1 Simulasi MRAC Menggunakan MATLAB
Simulink 45
7.5 Perbincangan Prestasi Pengawal MRAC 55
8 KESIMPULAN DAN CADANGAN 56
9 RUJUKAN 58
LAMPIRAN 1 59
LAMPIRAN 2 70
xii
7.6 Keluaran-Keluaran Daripada Simulasi
MRAC 48
7.7 Graf Sambutan Langkah Untuk Model
Rujukan 49
7.8 Rajah Blok Pengawal MRAC Dengan
Tambahan Pengganda 50
7.9 Perbandingan Keluaran Simulasi Pada Sistem Tangki Berkembar 1 51
7.10 Perbandingan Keluaran Simulasi Pada Sistem Tangki Berkembar 2 52
7.11 Perbandingan Keluaran Simulasi Pada Sistem Tangki Berkembar 3 53 7.12 Perbandingan Keluaran Simulasi Pada
xiii
SENARAI JADUAL
NO TAJUK HALAMAN
7.1 Lima Bacaan Untuk Sistem Tertib Kedua 38
7.2 Spesifikasi Prestasi Bagi Sistem Tertib Kedua
Tangki Berkembar 40
7.3 Spesifikasi Prestasi Sistem Tangki Berkembar 45 7.4 Spesifikasi Prestasi Perbandingan Sistem Tangki
Berkembar 49
xiv
SENARAI SINGKATAN
MRAC - Model Reference Adaptive Control PD - Proportional and Derivative
PID - Proportional, Integral and Derivative
CTS - Couple Tank System
GPC - Generalized Predictive Control GUI - Graphical User Interface FKE - Fakulti Kejuruteraan Elektrik
UTeM - Universiti Teknikal Malaysia Melaka
BEKC - Kursus Sarjana Muda Kejuruteraan Elektrik (Kawalan, Instrumentasi, dan Automasi
GA - General Algorithm
MAC - Multivariable Adaptive Controller SISO - Single Input Single Output
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Pengenalan
Kajian dan projek ini dijalankan adalah bertujuan untuk merekabentuk pengawal suai untuk model tangki berkembar. Ianya merangkumi pengawal suai model rujukan (MRAC) sebagai pengawal manakala sistem tangki berkembar sebagai sistem yang dikawal. Pengawal yang digunakan dalam mengawal sistem ini adalah Pengawal Suai Model Rujukan (MRAC) yang direkabentuk dengan menggunakan Perisisan MATLAB.
Dalam merekabentuk pengawal sistem tangki berkembar, kaedah dan cara yang perlu dilakukan ialah dengan merekabentuk Pengawal Suai Model Rujukan menggunakan Perisian MATLAB bagi mengawal tangki berkembar tersebut. Dalam konteks ini, sebuah pengawal yang sempurna perlu dihasilkan bagi memastikan sistem dapat beroperasi dengan sistematik dan efisyen.
2
1.2 Objektif
Matlamat utama dan objektif bagi projek ini adalah :-
i. merekabentuk pengawal sistem tangki berkembar dengan menggunakan pengawal suai model rujukan.
ii. Untuk mengkaji, mengenalpasti, menganalisa dan mempelajari pengawal suai dengan lebih mendalam.
iii. Untuk melihat keberkesanan pengawal suai dalam mengawal sesuatu sistem. iv. Untuk mempelajari dan memahami konsep yang digunakan melalui Perisian
MATLAB dalam mengawal sesuatu sistem.
v. Untuk memahami dan mempelajari konsep sistem kawalan tangki berkembar. vi. Untuk membangunkan satu sistem penyesuaian untuk sistem berkembar tangki
menggunakan MRAC.
1.3 Skop Projek
Melalui projek ini, pengawal yang direkabentuk dan dihasilkan berjaya diaplikasikan pada sistem tangki berkembar. Sistem tangki berkembar dikawal sepenuhnya oleh pengawal yang direkabentuk iaitu Pengawal Suai Model Rujukan (MRAC). Dalam projek ini, Pengawal Suai Model Rujukan (MRAC) yang digunakan dipastikan supaya ianya dapat menstabilkan sesuatu sistem dengan menggunakan Perisisan MATLAB. Ianya begitu penting bagi memastikan objektif utama projek ini tercapai. Selain itu, bagi memastikan projek mencapai objektifnya tumpuan perlu berikan sepenuhnya dalam pembangunan perisian melalui simulasi terhadap pengawal.
3
1.4 Penyataan Masalah
Sebelum merekabentuk sesuatu pengawal, hubungan matematik atau hubungan dinamik antara input dan keluaran sesuatu system perlu diketahui. Prinsip dan pengetahuan dasar bagi sistem haruslah dikaji bagi memahami sifat tidak linear dalam satu sistem dinamik. Terdapat faktor-faktor seperti penjejakan, pengurangan kesan yang tidak dikehendaki dan tidak pasti, sifat-sifat dalam terma masa sambutan seperti kestabilan (stability), sesetengahnya dalam masa naik ( rise time), lanjakan (overshoot) dan penjejakan keadaan ralat mantap (steady state tracking error) dan akhirnya matlamat-matlamat dalam kejuruteraan kawalan bagi mengawal kos dan kebolehpercayaan yang penting dalam perspektif industri.
Kecanggihan pengawal biasanya bergantung kepada bagaimana darjah ketidaklinear boleh ditoleransikan dan diandaikan menggunakan teori linear. Tambahan pula, selain ketidaklinearan mungkin terdapat parameter yang tidak diketahui akan menghalang objektif untuk mendapatkan sebuah model pengawal sesuatu proses untuk tujuan kawalan. Faktor-faktor yang berkecuali kebanyakan penyelidik menggunakan teori kawalan konvensional dan teknik-teknik boleh disenaraikan seperti berikut:-
i. Sistem tidak linear dan mengandungi parameter yang tidak dikenalpasti. Parameter yang tidak diketahui mungkin tidak dapat dianggarkan secara tepat jika data percubaan yang tepat tidak diperolehi.
ii. Kelewatan hasil dalam sesuatu sistem proses boleh menyulitkan dalam mencapai prestasi yang tinggi dalam kawalan terutamanya dalam proses kawalan system tangki berkembar.
4
Disebabkan oleh faktor-faktor tersebut, ianya mungkin sukar untuk merumuskan satu strategi kawalan berdasarkan analisis model kerana model matematik biasanya telah linear menjelaskan kerumitan dan ketidaklinearan yang wujud tidak dapat dielakkan dalam satu sistem yang rumit. Pengawal PID (proportional-integral-derivative) merupakan satu pengawal yang biasa digunakan dalam sistem kawalan model tidak linear terutamanya pada sistem kawalan tangki berkembar. Bagaimanapun, pengawal PID tidak mampu untuk mencapai objektif-objektif kawalan atau memenuhi masa yang diperlukan untuk ditala tetap kepada sistem dinamik yang dijangka.
5
BAB 2
KAJIAN ILMIAH
2.1 Pengenalan
Dalam bab ini, maklumat-maklumat mengenai kajian projek diterangkan serba sedikit. Kajian utama bagi projek ini adalah:
1) Pengawal Suai Model Rujukan 2) Perisian MATLAB
3) Sistem Tangki Berkembar
2.2 Kajian Kes Pengawal Suai Model Rujukan
2.2.1 Concepts, Methods and Techniques in Adaptive Control ( oleh Guy A. Dumont1 and Mihai Huzmezan 2)
6
Di dalamnya menerangkan secara umum bagaimana untuk membangunkan kawalan suai. Pengawal Suai terdiri daripada Kawalan Suai Model Rujukan (MRAC), Kawalan Penalaan Sendiri (self-tuning control), Dwi-Kawalan (dual control), Kawalan Suai Multipembolehubah (MAC) dan Kawalan Suai Tidak Linear. Kajian pada tesis ini tertumpu kepada Kawalan Suai Model Rujukan (MRAC) yang mana kaedah MIT digunakan untuk merekabentuk pengawal bagi sistem tangki berkembar. Rajah blok di bawah mengilustrasikan Kawalan Suai Model Rujukan.
Rajah 2.1 : Blok Kawalan Suai Model Rujukan
2.2.2 “A Multivariable Adaptive Controller for Autonomous Helicopters”
(A. S. Krupadanaml, A. M. Annaswamy2, and R. S. Mangoubi3
7
2.2.3 ‘Adaptive Control Of Micro Air Vehicles’
(oleh Joshua Stephen Matthews, Brigham Young University)
Dalam tesis ini diterangkan bagaimana untuk membangunkan Pengawal Suai Model Rujukan mengggunakan kaedah Lyapunov yang mana bagi memastikan pengendalian MAV tanpa jurutebang dilakukan dengan cekap dan efisyen. Algoritma kawalan suai menala sendiri MAV dan mengganti perubahan semasa MAV beroperasi.
2.3 Model dan Sistem Tangki Berkembar
Sistem kawalan proses bagi sistem tangki berkembar merupakan sistem kawalan yang biasa dipraktikkan dalam makmal kejuruteraan kawalan. Tangki berkembar adalah satu peralatan terbaik untuk mengkaji kesan tidak linear, yang mana pengaruh kepekaan algoritma dicadangkan untuk menukar dalam titik pengendalian keadaan mantap untuk pelaksanaan masa nyata. Ini adalah kerana hasil yang diperolehi berdasarkan Teori Kawalan Ramalan Am (GPC) akan menghubungkan pendekatan masa nyata berdigit untuk dipadankan dengan kawalan proses sistem tangki berkembar. Selepas sistem tangki cecair digunakan dalam industri, sistem yang berhubungan dengan keperluan mengakibatkan banyak masalah peragaan dan kawalan lantaran penggunaan mereka yang interaktif dengan unsur-unsur proses lain.
8
Terdapat penyelidikan yang telah dilakukan ke atas kawalan aras tangki menggunakan tangki berkembar dengan objektif kawalan yang berbeza. Pada tahun 1998, Seng Teo Lian telah menghasilkan Pengawal Neuro-fuzzy algoritma yang secara genetik (NFCGA) yang telah mengabungkan ketiga-tiga teknik pintar tiruan yang terkenal untuk menilaikan tentang kawalan proses. Ia telah melaporkan bahawa satu-satunya Pengawal Fuzzy Logic dalam sistem masa nyata menghadapi beberapa masalah walaupun Algoritma Am (GA) telah digunakan sebagi penalaan proses. Ini adalah disebabkan oleh penggunaan GA untuk menalakan satu sistem proses adalah tidak praktik dan memerlukan jangka masa yang panjang.
9
2.4 Perisian MATLAB
MATLAB merupakan satu perisian kiraan berangka dan pengaturcaraan bahasa. Dibangunkan oleh The MathWorks, MATLAB digunakan untuk memanipulasi matrik dengan mudah, memplot fungsi-fungsi dan data, pelaksanaan algoritma, penciptaan perkaitan pengguna dan pengantaramukaan dengan program-program dalam bahasa-bahasa lain. Ia juga digunakan dengan meluas dalam pendidikan, khususnya pendidikan aljabar dan analisis berangka lurus, dan adalah terkenal di kalangan ahli-ahli sains terlibat dengan pemprosesan imej. Rajah 2.2 menunjukkan paparan pada paparan utama program MATLAB.
Rajah 2.2 : Paparan Utama Program MATLAB
MATLAB juga digunakan dengan meluas dalam bidang kejuruteraan sistem kawalan kerana ianya banyak membantu dalam proses simulasi sesuatu sistem kawalan. MATLAB mengandungi :-
1. Simulink – grafik rajah blok untuk memodelkan, menganalisis dan
