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
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
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.
NIDN: 0709117804
(Pembimbing 1)
2.
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T.
NIDN: 0718036502
(Pembimbing II)
3.
Ir. Diding Suhardi, M.T.
NIDN: 0706066501
(Penguji I)
4.
Amrul Faruq, S.T., M.Eng.
NIDN: 0718028601
(Penguji II)
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T.
NIDN: 0718036502
ii
iii.
KATA PENGANTAR
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
Penulis
vii
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
1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 3
1.4 Tujuan.......................................................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................. 4
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 5
2.1 Sistem Elektro-Hidrolik .............................................................................. 5
2.1.1 Elektro-Hidrolik ................................................................................. 5
2.1.2 Pemodelan Matematis Elektro-Hidrolik ............................................ 5
2.2 Identifikasi 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
2.3 Proportional Integral Derivative (PID)...................................................... 10
2.4 Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) .................................................... 12
2.4.1 Sliding Mode Control (SMC) .......................................................... 13
viii
2.4.1.1 Model Dinamis Dari Sistem Elektro-Hidrolik Dengan
Parameter yang Tidak Diketahui.......................................... 13
2.4.1.2 Menentukan Tracking Error ................................................. 15
2.4.1.3 Menentukan Sliding Surface ................................................ 15
2.4.1.4 Reaching Law ...................................................................... 16
2.4.1.5 Menentukan Control Law SMC ........................................... 16
2.4.2 Adaptif Switching Gain ................................................................... 17
2.4.2.1 Stability gain SMC ............................................................... 17
2.4.2.2 Persamaan Adaptif Switching Gain ..................................... 19
2.4.3 Fuzzy Logic Controller .................................................................... 19
2.5 Point to Point Trajectory ........................................................................... 22
2.6 Tanggapan-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
3.1 Pemodelan 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
3.1.5.1 Konversi Kedalam Bentuk Transfer Function Kontinyu ..... 28
3.1.5.2 Konversi Kedalam Bentuk State Space ............................... 29
3.2 Perancangan Pengaturan Proportional Integral Derivative (PID) ............. 30
3.3 Perancangan Pengaturan Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) .......... 31
3.3.1 Perancangan Pengaturan SMC ......................................................... 32
3.3.1.1 Menentukan Tracking Error ................................................. 33
3.3.1.2 Menentukan Sliding Surface ................................................ 33
3.3.1.3 Reaching Law ...................................................................... 34
3.3.1.4 Menentukan Control Law SMC ........................................... 34
3.3.2 Perancangan Adaptif Switching Gain .............................................. 35
3.3.3 Perancangan Pengaturan Fuzzy ....................................................... 36
ix
4
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ...................................................... 40
4.1 Pengujian 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
4.2 Pengujian 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
4.3 Pengujian 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
5.1 Kesimpulan................................................................................................ 54
5.2 Saran .......................................................................................................... 54
xi.
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 55
xii.
LAMPIRAN
x
v.
DAFTAR GAMBAR
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
Gambar 3.17 Struktur keanggotaan output fuzzy lambda 1 .................................. 37
xi
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
Gambar 4.24 Grafik Output Pengaturan PID dan ASMC dengan gangguan ........ 53
xii
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
Tabel 4.3 Karakteristik respon transien pengaturan PID, SMC & ASMC ........... 50
xiii
vii.
DAFTAR PUSTAKA
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 ElectroHydraulic 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 BasedDistrubance 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
Actuator System Based on Distrubance Observer” International Journal of
Precision Engineering and Manufacturing, 2015.
55
BAB I
PENDAHULUAN
1
1.1
BAB I PENDAHULUAN
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 elektrohidrolik. 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
digunakan dalam proses pemodelan sistem elektro hidrolik, karena model ini dapat
1
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 elektrohidrolik 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
tak-linier pilihan sistem pengaturan yang baik adalah dengan sistem pengaturan taklinier, dalam pengaturan 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
dependent . Sehingga didapatkan akurasi dan kelinieran yang lebih baik.
2
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 inputoutput 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
dirancang
3
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
saran atas kerja alat yang diperoleh dalam pembuatan tugas akhir ini.
4
HIDROLIK TAK-LINIER
i. JUDUL
TUGAS AKHIR
Disusun Oleh :
M.MULYADI JAYANEGARA
NIM. 201210130311041
JURUSAN ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
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.
NIDN: 0709117804
(Pembimbing 1)
2.
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T.
NIDN: 0718036502
(Pembimbing II)
3.
Ir. Diding Suhardi, M.T.
NIDN: 0706066501
(Penguji I)
4.
Amrul Faruq, S.T., M.Eng.
NIDN: 0718028601
(Penguji II)
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T.
NIDN: 0718036502
ii
iii.
KATA PENGANTAR
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
Penulis
vii
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
1.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah ....................................................................................... 3
1.3 Batasan Masalah .......................................................................................... 3
1.4 Tujuan.......................................................................................................... 3
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................. 4
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... 5
2.1 Sistem Elektro-Hidrolik .............................................................................. 5
2.1.1 Elektro-Hidrolik ................................................................................. 5
2.1.2 Pemodelan Matematis Elektro-Hidrolik ............................................ 5
2.2 Identifikasi 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
2.3 Proportional Integral Derivative (PID)...................................................... 10
2.4 Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) .................................................... 12
2.4.1 Sliding Mode Control (SMC) .......................................................... 13
viii
2.4.1.1 Model Dinamis Dari Sistem Elektro-Hidrolik Dengan
Parameter yang Tidak Diketahui.......................................... 13
2.4.1.2 Menentukan Tracking Error ................................................. 15
2.4.1.3 Menentukan Sliding Surface ................................................ 15
2.4.1.4 Reaching Law ...................................................................... 16
2.4.1.5 Menentukan Control Law SMC ........................................... 16
2.4.2 Adaptif Switching Gain ................................................................... 17
2.4.2.1 Stability gain SMC ............................................................... 17
2.4.2.2 Persamaan Adaptif Switching Gain ..................................... 19
2.4.3 Fuzzy Logic Controller .................................................................... 19
2.5 Point to Point Trajectory ........................................................................... 22
2.6 Tanggapan-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
3.1 Pemodelan 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
3.1.5.1 Konversi Kedalam Bentuk Transfer Function Kontinyu ..... 28
3.1.5.2 Konversi Kedalam Bentuk State Space ............................... 29
3.2 Perancangan Pengaturan Proportional Integral Derivative (PID) ............. 30
3.3 Perancangan Pengaturan Adaptif Sliding Mode Control (ASMC) .......... 31
3.3.1 Perancangan Pengaturan SMC ......................................................... 32
3.3.1.1 Menentukan Tracking Error ................................................. 33
3.3.1.2 Menentukan Sliding Surface ................................................ 33
3.3.1.3 Reaching Law ...................................................................... 34
3.3.1.4 Menentukan Control Law SMC ........................................... 34
3.3.2 Perancangan Adaptif Switching Gain .............................................. 35
3.3.3 Perancangan Pengaturan Fuzzy ....................................................... 36
ix
4
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ...................................................... 40
4.1 Pengujian 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
4.2 Pengujian 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
4.3 Pengujian 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
5.1 Kesimpulan................................................................................................ 54
5.2 Saran .......................................................................................................... 54
xi.
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 55
xii.
LAMPIRAN
x
v.
DAFTAR GAMBAR
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
Gambar 3.17 Struktur keanggotaan output fuzzy lambda 1 .................................. 37
xi
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
Gambar 4.24 Grafik Output Pengaturan PID dan ASMC dengan gangguan ........ 53
xii
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
Tabel 4.3 Karakteristik respon transien pengaturan PID, SMC & ASMC ........... 50
xiii
vii.
DAFTAR PUSTAKA
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 ElectroHydraulic 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 BasedDistrubance 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
Actuator System Based on Distrubance Observer” International Journal of
Precision Engineering and Manufacturing, 2015.
55
BAB I
PENDAHULUAN
1
1.1
BAB I PENDAHULUAN
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 elektrohidrolik. 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
digunakan dalam proses pemodelan sistem elektro hidrolik, karena model ini dapat
1
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 elektrohidrolik 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
tak-linier pilihan sistem pengaturan yang baik adalah dengan sistem pengaturan taklinier, dalam pengaturan 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
dependent . Sehingga didapatkan akurasi dan kelinieran yang lebih baik.
2
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 inputoutput 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
dirancang
3
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
saran atas kerja alat yang diperoleh dalam pembuatan tugas akhir ini.
4