PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER PID ADAPTIF PADA PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

(1)

B-132

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER PID ADAPTIF PADA PENGATURAN KECEPATAN MOTOR

INDUKSI TIGA FASA

Halim Mudia, S.T, Ir. Rusdhiyanto Effendie A.K.,M.T. dan Eka Iskandar, S.T.,M.T.

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya, Indonesia 60111

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract

Motor induction motor is most widely used in industry. The advantage of which is the construction of an induction motor is simple, the price is cheaper than other types of motor, as well as easy maintenance.

Meanwhile, the lack of induction motor speed control technique is relatively difficult and requires a high starting currents around six times the nominal current of the motor. One method that was developed in the induction motor speed control is adaptive PID controller. In this final project will be designed and realized an adaptive PID controller Self Tuning Regulator (STR) to control the speed of three phase induction motor using Matlabvsoftware and ATmega16 AVR microcontroller as the input and output of the plant by communication using RS-232 serial. The purpose of this research is to try to implement adaptive PID method using Matlab as a controller.

Keywords- Motor Induction; Inverter; Adaptive PID; Self Tuning Regulator controller; Matlab

I. PENDAHULUAN

Motor induksi merupakan motor penggerak yang paling banyak digunakan dalam bidang industri. Dengan perkembangan dan kemajuan teknologi dibidang mikrokontroler, mikrokomputer, dan teori kontrol mempermudah operasi dan kinerja dari motor induksi sehingga dapat menggantikan peran motor DC sebagai penggerak elektrik [1].

Berdasarkan permasalahan diatas, pada tugas akhir ini akan didesain dan direalisasikan sebuah kontroler PID adaptif Self Tuning Regulator (STR) untuk pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan software Matlab dan mikrokontroller AVR Atmega16 sebagai input dan output dari plant dengan komunikasi menggunakan serial RS-232.

Tujuan dari penelitian ini adalah mencoba mengimplementasikan metode PID adaptif dengan menggunakan Matlab sebagai kontrolernya.

Struktur blok kontrol dengan loop adaptif yang digunakan adalah Self Tuning regulator (STR), dengan menggunakan Recusive Least Square (RLS).

II. KONTROL ADAPTIF

Adaptif kontroler adalah kontroler yang dapat melakukan adjustable parameter dan mekanisme untuk mengatur parameter atau dalam pengertian umumnya berarti mengubah tinggkah laku atau karakteristik untuk menyusuaikan diri terhadap keadaan yang baru atau tidak diketahui. Sistem kontrol adaptif terdiri atas 2 loop tertutup, loop pertama adalah normal feedback control terhadap plant dengan kontroler dan loop yang kedua adalah

loop dengan parameter adjustment loop hal tersebut dapat dilihat pada dibawah ini [2].

Gambar 1. Blok diagram sistem adaptif A. Self Tuning Regulator (STR)

Pada penelitian ini telah ditentukan metode penyetelan parameter kontroler menggunakan Self Tuning Regulator. Adapun blok diagram dengan STR adalah sebagai berikut [3].

Gambar 2. Blok diagram self tuning regulator Estimator pada blok merepresentasikan proses estimasi parameter secara langsung dengan

(2)

B-133

menggunakan metode RLS. Blok kontroler desain merepresentasikan penyelesaian langsung untuk desain proplem dari parameter yang telah diidenfikasi sebelumnya untuk menghasilkan parameter kontroler terbaru sesuai kondisi objek pada saat itu. Dan terakhir pada blok kontroler adalah untuk menghitung aksi kontrol yang akan diberikan kepada objek dengan parameter kontroler yang telah dihitung pada blok sebelumnya.

Sehingga sistem dapat dikatakan sebagai otomatisasi proses modeling (estimation) dan design. Dimana model dari proses dan desain kontrol diperbaharui setiap saat.

III. PERANCANGAN SISTEM Perancangan sistem ini terdiri atas komponen pendukung sistem dan perancangan kontroler.

A. Komponen Pendukung Sistem

 1 buah komputer

 Serial RS-232

 Mikrokontroler AVR ATMEGA16

 DAC 0808

 Non-inverting amplifier

 Inverter Toshiba VF-S9

 Motor Induksi tiga fasa

 Tachogenerator

 Pembagi tegangan

Pada penelitian ini menggunakan 1 buah komputer yang digunakan untuk memasukkan algoritma PID adaptif, set point dan juga

dipergunakan sebagai monitoring respon kecepatan.

Sedangkan perangkat lunak yang digunakan untuk mengimplementsikan algoritama PID adaptif mengunakan Matlab dengan bahasa pemograman C. Untuk lebih jelasnya bias dilihat pada blok diagram dibawah ini:

Gambar 3. Skema integrasi sistem

1) Untuk lebih jelasnya cara kerja dari bagian- bagian diatas adalah sebagai berikut.

a) Komputer: Pada pelelitian ini menggunakan 1 buah komputer yang digunakan untuk memasukkan algoritma PID daptif, set point dan juga dipergunakan sebagai monitoring respon kecepatan.

b) Serial RS-232 [4]: Serial RS-232 dipergunakan sebagai komonikasi data antara mikrokontroler AVR ATMEGA16 dengan komputer dan matlab.

c) Mikrokontroler AVR ATMEGA16 [5]:

Mikrokontroler AVRATMEGA16 dipergunakan sebagai input dan output dari plant (motor induksi tiga fasa) melalui komonikasi data serial RS-232.

d) DAC 0808: Konverter D/A (Digital to Analog Converter) dipergunakan sebagai pengubah sinyal digital ke dalam tegangan analog dari mikrokontroler, yang merupakan input untuk Inverter Toshiba VF-S9 .

e) Non-inverting amplifier: Rangkaian lain yang diperlukan dalam sistem ini adalah non- inverting amplifier. Rangkaian ini diperlukan karena output tegangan dari mikrokontroler hanya 5 VDC padahal input tegangan yang dibutuhkan oleh inverter Toshiba adalah 0 – 10 VDC.

f) Inverter Toshiba VF-S9: Inverter adalah rangkaian konverter dari DC ke AC, yang mempunyai fungsi mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC simetri dengan besar dan frekuensi yang diinginkan.

g) Motor Induksi tiga fasa: Plant yang digunakan adalah motor induksi. Dan yang akan dipakai adalah motor induksi 3 fasa. Motor induksi ini dihubungkan dengan inverter sebagai driver- nya. Inverter akan merubah arus DC dari mikrokontroler menjadi arus AC 3 fasa untuk memutar motor induksi.

h) Tachogenerator: Motor DC apabila diberi tegangan maka akan berfungsi sebagai motor dan bila mengeluarkan tegangan maka berfungsi sebagai generator. Oleh karena itu, motor DC dapat dipakai sebagai tachogenerator karena dapat menjadi generator DC yang menghasilkan tegangan. Tacho generator digunakan sebagai umpan balik ke mikrokontroler. Tegangan yang dihasilkan oleh tacho diumpanbalik ke mikrokontroler.

i) Pembagi tegangan: Rangkaian lain yang diperlukan dalam sistem ini adalah pembagi tegangan. Rangkaian ini diperlukan karena output tegangan dari tachogenerator 10 VDC padahal input tegangan yang dibutuhkan oleh mikrokontroler Atmega16 adalah 0 – 5 VDC.

B. Identifikasi Plant

Sebelum kita menentukan orde dari sistem, kita tentukan dulu metode yang akan dipakai. Metode pertama yang akan dipakai adalah ARMA. Langkah pertama adalah, kita akusisi data yang akan diidenfikasi.

Data PBRS yang diambil adalah 2000 titik pertama, PBRS dijalankan dengan time base yang berbeda dengan time base simulasi dan percobaan.

Input PRBS terlebih dahulu diaktualkan, yaitu ditentukan nilai analognya . Nilai ekivalennya adalah 0 pada PRBS sama dengan 2 Volt dan 1 pada PRBS sama dengan 3,8 Volt (diambil dari titik kerja plant).

Model yang digunakan untuk perancangan kontroler adalah yang memiliki nilai kesalahan norm error terkecil. Rumus kesalahan norm error dapat dilihat pada Persamaan (1).

(1)

(3)

B-134

y1 adalah data identifikasi pada iterasi ke-i dan adalah data model pendekatan pada iterasi ke-i ,dan n adalah jumlah data identifikasi.

Dari hasil identifikasi di atas diperoleh hasil Transfer Funtion sebagai berikut.

TABLE I HASIL TRANSFER FUNCTION IDENTIFIKASI

Orde Model Matematik Norm

error 1

14.3695

2 14.3370

3 14.7186

Melihat hasil identifikasi di atas maka digunakan yang mempunyai nilai norm error terkecil.

C. Perancangan Perangkat Lunak

Perangkat lunak kontroler adaptof STR( Self Tuning Regulator) modifikassi akan dibuat dengan menggunakan software Matlab dengan tampilan berupa simulink.

Gambar 4. Desain diagram kontroler PID Adaptif D. Perancangan Kontroler

Seluruh perhitungan kontroler adaptive PID akan dilakukan didalam program matlab. Karena plant akan kita desain memiliki respon seperti orde 1, maka diberikan orde 1 diskrit yang diturunkan dari fungsi kontinyunya menggunakan Tustin Bilinier Rule, diperoleh:

(2)

Dimana K=gain overall; Ts=time sampling;

, Kontroler PID kontinyu menurut landau diberikan:

(3)

Dengan pendekatan Backward Difference Approximation dimana factor s (derivative) akan didekati dengan pendekatan , dan 1/s

(integral) akan didekati dengan maka akan

didapatkan PID diskrit:

(4)

Sehingga blok diagram dalam bentuk diskrit dengan kontroler PID diberikan sebagai berikut

Gambar 5. Diagram kontroler PID

Berdasar blok diagram ditas dengan pemilihan

, , dan

serta respon sistem seperti orde satu, maka didapatkan parameter kontroler sebagai berikut K = 2

k2 = a1k1

(5)

k3 = a2k1

Maka semua parameter kontroler PID telah ditemukan dalam bentuk parameter plant dan dalam bentuk orde 1, bentuk lengkap blok Self Tuning regulator dengan kontroler PID adaptif diberikan sebagai berikut:

Gambar 6. Blok diagram perhitungan parameter

(4)

B-135

IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISA Hasil penelitian motor induksi tiga fasa diputar tanpa beban dan dengan beban dapat dilihat pada gambar berikut:

A. Respon Plant Tanpa Beban (set point= 3.8 Volt=1100 Rpm)

Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time Constant yang diinginkan 4 detik.

Gambar 7. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) plant tanpa beban dengan time constant

yang diinginkan 4 detik

Spesifikasi respon plant tanpa beban yang didapat adalah:

 Time constant= 4.45 detik

 Time settling = 17.8 detik

B. Respon Plant Tanpa Beban (set point= 3.8 Volt=1100 Rpm)

Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time Constant yang diinginkan 8 detik

Gambar 8. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) plant tanpa beban dengan time constant yang diinginkan 8 detik

 Time constant = 7.9 detik

C. Respon Plant Tanpa Beban (set point= 3.8 Volt=1100 Rpm)

Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa tanpa pembebanan dengan Time Constant yang diinginkan 12 detik.

Gambar 9. Respon CLTF (Close Loop Transfer Function) plant tanpa beban dengan time constant

yang diinginkan 12 detik

 Time constant= 12.2 detik

D. Respon Plant Berbeban ( setpoint= 3.8 Volt = 1100 Rpm)

Pada uji coba ini dilakukan konfigurasi loop tertutup pada plant untuk pengaturan kecepatan pada motor induksi tiga fasa dengan memberi beban.

Gambar 9. Respon plant dengan beban

 Kemampuan recovery ketika diberi beban adalah 18.2 detik

 Kemampuan recovery ketika beban dilepas adalah 20.4 detik

V. KESIMPULAN

Dari hasil implementasi kontroler dan analisa data yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.

1) Algoritma yang dituliskan pada matlab mampu melakukan mekanisme adaptasi dengan Recursive Least square sebagai parameter estimator dan algoritma PID sebagai kontrolernya .

2) Pemilihan metode constan forgetting factor untuk mengatasi terjadinya decreasing gain matrik gain estimasi pada standart least square dapat bekerja dengan baik untuk proses estimasi tak hingga.

3) Dari respon plant dengan time constant yang diberikan pertama:4 detik , kedua:8 detik dan ketiga:12 detik didapat respon transient dari plant

(5)

B-136

dengan time constant pertama:4.45 detik, kedua:7.9 detik dan ketiga:12.2 detik. Dapat disimpulkan bahwa kontrol PID adaptif dengan Self Tuning Regulator ini dapat bekerja dengan baik untuk memperlambat respon plant.

4) Dengan konfogurasi algoritma kontrol PID adaptif dengan Self Tuning Regulator mampu mengadakan adaptasi terhadap perubahan beban dengan kemampuan recovery time diberi beban 18.2 detik dan kemampuan recovery time beban dilepas 20.4 detik.

REFERENCES

[1] Prasetyo, Adi, 2008. Penggunaan Labview Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Jarak Jauh Dengan Menggunakan Metode Adaptif.

Tugas akhir, Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS, Surabaya

[2] Astrom, K.J. and Wittenmark, B, 1995.

Adaptive Control: Addison- Wesley Publishing Company.

[3] Ogata, Katsuhiko, 1997, Teknik Kontrol Automatik, Jilid 1 Edisi Kedua, Penerbit Erlangga

[4] Fahrial, J, 2003. Teknik Konfigurasi Lan, Ilmu Komputer.Com

[5] Heri Andrianto, 2008. Pemrograman

Mikrokontroler AVR ATMEGA16

Menggunakan Bahasa C. Penerbit Iformatika