i
DESAIN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR
MENGGUNAKAN KONTROLER PID-ANFIS PADA SISTEM TENAGA LISTRIK MULTIMESIN
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1)
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Angger Anugrah Safa’atul Muttaqin 201710130311072
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2022
ii
LEMBAR PERSETUJUAN
iii
DESAIN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR
iv
v
ABSTRACT
In responding to the dynamics of changing consumer loads, the generator output voltage must be able to be adjusted, so that electronic equipment on the consumer is not easily damaged. Generator is an important tool to be maintained its stability, one of the important parameters is the output voltage. There are many ways to stabilize the generator output voltage. In this study, the Automaic Voltage Regulator (AVR) was added with a regular PID controller and PID optimized by ANFIS. By analyzing the overshoot and settling time values as well as the mean square error (MSE) and root mean square error (RMSE) values for each controller.
ANFIS is used to find the parameter values of Kp, Ki and Kd on the PID controller with the training data obtained from the previous simulation. The results of the PID-ANFIS controller installed on the AVR with varying load composition showed a lower overshoot value and the time required to return to a steady state faster than the ordinary PID controller. The MSE and RMSE values of the PID-ANFIS controls were also lower than those of the ordinary PID controller. This shows that ANFIS has a fairly good response in improving the overshoot value and accelerating the settling time. Therefore, based on the value of overshoot and settling time, the ANFIS method is proposed in this study. The proposed method can solve the problem of voltage stability with MATLAB software simulation.
Keywords: Multimachine, Automatic Voltage Regulator, ANFIS, PID Controller, Synchronous Generator.
vi
ABSTRAK
Dalam merespon dinamika perubahan beban konsumen, tegangan keluaran generator harus bisa menyesuaikan, agar peralatan elektronik disisi konsumen tidak mudah rusak. Generartor merupakan suatu alat yang sangat penting dijaga kestabilan nya, salah satu parameter pentingnya adalah tegangan keluaran generator. Terdapat banyak cara untuk menyetabilkan tegangan keluaran generator.
Pada penelitian ini menggunakan Automaic Voltage Regulator yang ditambahkan kontroler PID biasa dan PID yang di optimasi oleh ANFIS. Dengan menganalisa nilai overshoot dan settling time serta nilai Mean Square Error dan Root Mean Square Error pada masing-masing kontroler. ANFIS digunakan untuk mencari nilai parameter pada PID kontroler dengan data training yang di dapatkan dari simulasi sebelumnya. Hasil pengujian dari kontroler PID-ANFIS yang dipasang pada AVR dengan komposisi beban berubah-ubah menunjukkan nilai overshoot lebih rendah dan waktu yang dibutuhkan untuk kembali kedalam keadaan stabil lebih cepat dibandingkan dengan kontrol PID biasa. Nilai MSE dan RMSE kontrol PID-ANFIS juga lebih rendah dibandingkan dengan nilai pada kontrol PID biasa. Hal ini menunjukkan bahwa ANFIS memiliki respon yang cukup baik dalam memperbaiki nilai overshoot dan mempercepat settling time. Oleh karena itu, berdasarkan nilai overshoot dan settling time metode ANFIS diusulkan dalam penelitian ini. Metode yang diusulkan dapat memecahkan masalah kestabilan tegangan dengan simulasi software MATLAB..
Kata Kunci: Multimesin, Automatic Voltage Regulator, ANFIS, PID Kontroler, Generator Sinkron.
vii
LEMBAR PERSEMBAHAN
Puji syukur kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas segala rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Allah Subhanahu Wa Ta’ala yang telah memberikan kekuatan, kesehatan dan petunjuk sehingga penulis dapat survive dari pandemi Covid-19 dan menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik
2. Kedua orang tua saya Bapak Kodrat Suratdi dan Ibu Rukiyati serta Kakak saya Vita Nurvatimah yang selalu memberikan dukungan dan doa-doa nya
3. Ketua Jurusan Teknik Elektro, Bapak Khusnul Hidayat, ST., M.T. dan Sekretaris Jurusan Teknik Elektro, Ibu Merinda Lestandy, S.Kom., MT beserta seluruh staf Jurusan Teknik Elektro
4. Bapak Ilham Pakaya, ST., M.Tr.T dan Bapak Zulfatman, ST., M.Eng., Ph.D yang telah membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini
5. Seluruh Civitas Akademika (dosen, aslab, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu penulis selama proses studi di Universitas Muhammadiyah Malang
6. Sahabat-sahabat saya Dwi, Ehop, Ilham, Dany, Ary dan team PUBG-Mobile Cakming, Semar, Edo serta rekan batminton Dandy, Disca, Ijat, Wahyu, Agum, Iqbal, Kembar, Sumi, Komeng dan yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu yang telah memberi kesan berwarna dalam perjalanan perkuliahan ini
7. Last but not least, I wanna thank me, I wanna thank me for believing in me, I wanna thank me for doing all this hard work, I wanna thank me for having no days off, I wanna thank me for never quit, for just being me at all the times
Atas segala kekurangan dan ketidaksempurnaan skripsi ini, penulis sangat mengharapkan masukan, kritik dan saran yang bersifat membangun ke arah perbaikan dan penyempurnaan skripsi ini agar dalam penyusunan karya tulis selanjutnya dapat lebih baik.
viii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Allah Subhanau Wa Ta’ala atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada baginda Rasullullah Shalallahu ‘Alaihi Wasallam, keluarga, sahabat dan para pengikut setia nya. Atas segala kehendak Allah, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini yang berjudul :
DESAIN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR MENGGUNAKAN
KONTROLER PID-ANFIS PADA SISTEM TENAGA LISTRIK
MULTIMESIN
Penulisan tugas akhir ini diajukan sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana teknik di Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang. Selain itu penulis berharap agar isi dari tugas akhir ini bisa menambah wawasan dan memberikan manfaat bagi semuanya.
Penulis menyadari bahwa dalam tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena nya, kritik dan saran yang membangun sangat di butuhkan demi perbaikan di masa mendatang. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan peneliti selanjutnya.
Malang, 7 April 2022
Angger Anugrah Safa’atul Muttaqin
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PERSETUJUAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
LEMBAR PERNYATAAN ... iv
ABSTRACT ... v
ABSTRAK ... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ... vii
KATA PENGANTAR ... viii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Manfaat ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Automatic Voltage Regulator (AVR) ... 5
2.2 Pembuatan Rancangan Kontrol PID ... 7
2.3 Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) ... 9
2.3.1 Pengertian ANFIS ... 9
2.3.2 Struktur ANFIS ... 10
2.4 Generator Sinkron ... 12
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 15
3.1 Konsep Umum ... 15
3.2 Pemodelan Sistem ... 16
x
3.2.1 Pemodelan Generator Sinkron... 16
3.2.2 Pemodelan AVR ... 17
3.2.3 Pemodelan Turbin ... 18
3.3 Pemodelan Kontroler ... 19
3.3.1 Pemodelan Kontroler PID-ANFIS ... 19
3.3.2 Pemodelan Kontroler PI dan PD ... 22
3.4 Sistem Multimesin ... 24
3.5 Mean Square Error ... 26
3.6 Root Mean Square Error... 26
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 27
4.1 Hasil Pencarian Parameter PID Yang Akan Di Optimasi ... 27
4.2 Hasil Pengujian Dengan Beban Berubah Pada Area 1 dan Area 2 Menggunakan Kontrol PID dan PID-ANFIS ... 33
4.2 Hasil Pengujian Dengan Beban Berubah Pada Area 1 dan Area 2 Menggunakan Kontrol PI dan PD ... 47
BAB V PENUTUP ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 62
DAFTAR PUSTAKA ... 63
LAMPIRAN ... 65
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Blok Diagram Sistem Eksitasi... 6
Gambar 2.2 Blok Teknik Kontrol PID ... 7
Gambar 2.3 Bagian-bagian ANFIS ... 10
Gambar 2.4 Pembangkit Tegangan Tiga Phasa ... 13
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Secara Umum ... 16
Gambar 3.2 Sistem Eksitasi AC4A ... 17
Gambar 3.3 Blok Model Kontrol PID-ANFIS Pada Sistem ... 19
Gambar 3.4 Blok Simulink ANFIS ... 19
Gambar 3.5 Blok Diagram Model Kontrol PID-ANFIS ... 20
Gambar 3.6 Flowchart Algoritma Pelatihan Data ANFIS ... 21
Gambar 3.7 Tampilan dari GUI ANFIS ... 22
Gambar 3.8 Blok Diagram Model Kontrol PI (a) dan Blok Diagram Model Kontrol PD (b)... 23
Gambar 3.9 Blok Simulink Sistem Multimesin ... 24
Gambar 3.10 Blok Simulink Sistem Multimesin Area 1 ... 25
Gambar 3.11 Blok Simulink Sistem Multimesin Area 2 ... 25
Gambar 3.12 Single Line Diagram Sistem Multimesin ... 26
Gambar 4.1 Grafik Respon Seluruh Generator Saat Nilai Parameter Kp; Ki; Dan Kd Masih Acak ... 27
Gambar 4.2 Grafik Respon Generator Saat Kp 0.9; Ki 0.009 dan Kd 0.1 Di Setting Pada Generator 1 ... 28
Gambar 4.3 Grafik Respon Generator Saat Kp 0.9; Ki 0.009 dan Kd 0.1 Di Setting Pada Generator 2 ... 29
Gambar 4.4 Grafik Respon Generator Saat Kp 0.9; Ki 0.009 dan Kd 0.1 Di Setting Pada Generator 3 ... 30
Gambar 4.5 Grafik Respon Generator Saat Kp 0.9; Ki 0.009 dan Kd 0.1 Di Setting Pada Generator 4 ... 31 Gambar 4.6 Grafik Respon Generator 1 Terhadap Perubahan Beban Dengan
xii
Kontrol PID (merah), PID-ANFIS (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 33 Gambar 4.7 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 1 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PID (biru) dan PID-ANFIS (merah) ... 35 Gambar 4.8 Grafik Respon Generator 2 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PID (merah), PID-ANFIS (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 37 Gambar 4.9 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 2 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PID (biru) dan PID-ANFIS (merah) ... 39 Gambar 4.10 Grafik Respon Generator 3 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PID (merah), PID-ANFIS (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 40 Gambar 4.11 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 3 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PID (biru) dan PID-ANFIS (merah) ... 42 Gambar 4.12 Grafik Respon Generator 4 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PID (merah), PID-ANFIS (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 43 Gambar 4.13 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 4 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PID (biru) dan PID-ANFIS (merah) ... 45 Gambar 4.14 Grafik Respon Generator 1 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PI (merah), PD (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 47 Gambar 4.15 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 1 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PI (biru) dan PD (merah) ... 49 Gambar 4.16 Grafik Respon Generator 2 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PI (merah), PD (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 51
xiii
Gambar 4.17 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 2 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PI (biru) dan PD (merah) ... 53 Gambar 4.18 Grafik Respon Generator 3 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PI (merah), PD (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 54 Gambar 4.19 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 3 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PI (biru) dan PD (merah) ... 56 Gambar 4.20 Grafik Respon Generator 4 Terhadap Perubahan Beban Dengan Kontrol PI (merah), PD (hitam) dan Uncontrolled (biru) ... 57 Gambar 4.21 Grafik Keluaran Sinyal Kontrol Pada Generator 4 Saat Beban Berubah Dengan Teknik Kontrol PI (biru) dan PD (merah) ... 59
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Respon Loop Tertutup Kontroler PID ... 8
Tabel 3.1 Parameter Generator Sinkron ... 16
Tabel 3.2 Parameter Eksitasi AC4A ... 17
Tabel 3.3 Parameter Turbin HTG ... 18
Tabel 3.4 Parameter Turbin STG ... 18
Tabel 3.5 Parameter Kontrol PID... 20
Tabel 3.6 Parameter Kontrol PI ... 23
Tabel 3.7 Parameter Kontrol PD ... 24
Tabel 4.1 Parameter PID Pada Tiap Generator ... 27
Tabel 4.2 Parameter PID Pada Tiap Generator ... 28
Tabel 4.3 Parameter PID Pada Tiap Generator ... 29
Tabel 4.4 Parameter PID Pada Tiap Generator ... 30
Tabel 4.5 Parameter PID Pada Tiap Generator ... 31
Tabel 4.6 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 1 ... 33
Tabel 4.7 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 2 ... 37
Tabel 4.8 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 3 ... 40
Tabel 4.9 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 4 ... 43
Tabel 4.10 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 1 ... 47
Tabel 4.11 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 2 ... 51
Tabel 4.12 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler Pada Generator 3 ... 54 Tabel 4.13 Perbandingan Overshoot dan Settling Time Setiap Kontroler
xv
Pada Generator 4 ... 57 Tabel 4.14 Hasil Perhitungan Nilai MSE Pada Setiap Kontroler ... 60 Tabel 4.15 Hasil Perhitungan Nilai RMSE Pada Setiap Kontroler ... 60
16
DAFTAR PUSTAKA
[1] A. Wicaksono, I. Winarno, and D. Rahmatullah, “Rancang Bangun Perbandingan Buck Boost Converter dan Cuk Converter Untuk Penstabil Tegangan Pada Sistem Wind Turbine Dengan Monitoring IOT (Internet Of Things),” pp. 66–71, 2017.
[2] E. Safrianti and O. Alpayadia, “Alat Penstabil Tegangan Bolak-Balik satu fasa 220 V , 50 Hz Menggunakan Thrystor Dengan Daya 1 , 5 kVA,” vol. 9, no. 1, pp. 1–7, 2008.
[3] H. Gozde and M. C. Taplamacioglu, “Comparative performance analysis of artificial bee colony algorithm for automatic voltage regulator (AVR) system,” J. Franklin Inst., vol. 348, no. 8, pp. 1927–1946, 2011, doi:
10.1016/j.jfranklin.2011.05.012.
[4] A. Raikhani, M. Ali, D. Ajiatmo, and B. Budiman, “Desain Optimal Automatic Voltage Regulator Pada Pembangkit Listrik Mikro Hidro Menggunakan Fuzzy Logic Controller,” J. Intake J. Penelit. Ilmu Tek. dan Terap., vol. 7, no. 1, pp. 30–39, 2016, [Online]. Available:
http://ejournal.undar.ac.id/index.php/intake/article/view/384.
[5] H. M. Hasanien, “Design optimization of PID controller in automatic voltage regulator system using taguchi combined genetic algorithm method,” IEEE Syst. J., vol. 7, no. 4, pp. 825–831, 2013, doi: 10.1109/JSYST.2012.2219912.
[6] M. Zamani, M. Karimi-Ghartemani, N. Sadati, and M. Parniani, “Design of a fractional order PID controller for an AVR using particle swarm optimization,” Control Eng. Pract., vol. 17, no. 12, pp. 1380–1387, 2009, doi: 10.1016/j.conengprac.2009.07.005.
[7] S. M. Hietpas and M. Naden, “Automatic voltage regulator using an AC voltage-voltage converter,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 36, no. 1, pp. 33–
38, 2000, doi: 10.1109/28.821793.
17
[8] P. K. Mohanty, B. K. Sahu, and S. Panda, “Tuning and assessment of proportional-integral-derivative controller for an automatic voltage regulator system employing local unimodal sampling algorithm,” Electr. Power Components Syst., vol. 42, no. 9, pp. 959–969, 2014, doi:
10.1080/15325008.2014.903546.
[9] B. Hekimoǧlu and S. Ekinci, “Grasshopper optimization algorithm for automatic voltage regulator system,” 2018 5th Int. Conf. Electr. Electron.
Eng. ICEEE 2018, pp. 152–156, 2018, doi: 10.1109/ICEEE2.2018.8391320.
[10] K. Yavarian, F. Hashemi, and A. Mohammadian, “Design of intelligent PID controller for AVR system using an adaptive neuro fuzzy inference system,”
Int. J. Electr. Comput. Eng., vol. 4, no. 5, pp. 703–718, 2014,
[11] PES, IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies, vol. 2005, no. April. 2006.
[12] Dinesh bisht, “Discharge Modelling using Adaptive Neuro - Fuzzy Inference System,” Int. J. Adv. Sci. Technol., no. March, 2011.
[13] P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1994, Example 12.6, P.813
[14] A. A. Gofur and U. D. Widianti, “Sistem Peramalan Untuk Pengadaan Material Unit Injection Di Pt. Xyz,” Komputa J. Ilm. Komput. dan Inform., vol. 2, no. 2, 2015, doi: 10.34010/komputa.v2i2.86.
[15] E. Afriani and R. Asma, “Analisis Valuasi Harga Saham Dengan Price Earning Ratio, Free Cash Flow To Equity Dan Free Cash Flow To Firm Pada Perusahaan Manufaktur,” Sains Manaj. dan Kewirausahaan, vol. 3, no. 2, pp.
111–123, 2019
[16] A. Soualhi, H. Razik, G. Clerc, and D. D. Doan, “Prognosis of bearing failures using hidden markov models and the adaptive neuro-fuzzy inference system,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 6, pp. 2864–2874, 2014, doi: 10.1109/TIE.2013.2274415.
18
