KOMPARASI PERFORMA KENDALI ON-OFF DAN PID SEBAGAI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR GENERATOR SINKRON DI PLTMH - Politeknik Negeri Padang

KOMPARASI PERFORMA KENDALI ON-OFF DAN PID SEBAGAI

AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR GENERATOR SINKRON DI PLTMH 1) 2) n)

Firdaus , Herisajani , Desmiwarman

1,2,3)

Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang, Padang Kampus Limau Manis

– Padang

1) 2)

email : mrdauz@yahoo.com , herisajani@yahoo.co.id

Abstrak Salah satu jenis generator yang digunakan di PLTMH adalah generator sinkron. Untuk menstabilkan tegangan output ke konsumen, generator membutuhkan Automatic Voltage Regulator (AVR). Generator yang dipekerjakan harus selalu pada daya maksimum sehingga bila beban konsumen berubah maka AVR mengkompensasi pembuangan daya ke beban komplemen agar daya total selalu optmal. Beban komplemen yang umum dipakai adalah heater dan AVR akan mengendalikannya menggunakan metode kendali on-off atau PID. Dua cara ini dibandingkan performanya ketika AVR bekerja menstabilkan tegangan generator dengan memvariasikan beban konsumen dari 0 s.d 1 kW. Tegangan output dimonitor dengan mengakuisisi datanya pada sampling rate 100 Hz lalu direpresentasikan dalam bentuk chart dan dianalisa parameter rise time, settling time, overshoot dan steady state error-nya. Kendali on-off menghasilkan rise time 54,5 detik, overshoot 48%, settling time 67 detik sedangkan kendali PID menghasilkan performa lebih baik dimana rise time 1,3 detik, overshoot 5% dan settling time 2,1 detik semua terjadi pada berbagai variasi beban.

Kata kunci : automatic voltage regulator, PID, generator sinkron, PLTMH

1. Pendahuluan

Salah satu generator yang digunakan di PLTMH adala generator sinkron. Jika beban atau daya konsumen bertambah maka tegangan generator akan menurun begitu sebaliknya. Oleh jarena itu untuk menstabilkan tegangan output ke konsumen, generator membutuhkan AVR. Generator bekerja harus selalu pada daya maksimum sehinga bila beban konsumen berubah maka AVR mengkompensasi pembuangan daya ke beban komplemen agar daya total selalu optimal. Awalnya AVR yang dibuat dicoba di PLTMH desa Guo kecamatan Kuranji ber-generator 10 kW menggunakan metode kendali on-off dan hasil yang didapatkan kurang memuaskan karena belum mencapai target yang diinginkan sehingga perlu ada revisi dengan memperbaiki performa AVR melalui penggunaan metode kendali lain seperti PID yang umum digunakan. Dengan mengkomparasi hasil percobaan kedua metode tersebut maka diharapkan AVR yang dibuat diperbaiki sehingga bekerja lebih baik sesuai toleransi yang ditetapkan dan memberikan manfaat bagi konsumen pengguna PLTMH maupun peneliti lainnya untuk bereksperimen dengan metode lain di tempat yang sama.

2. Tinjauan Pustaka

A. Penelitian terdahulu Sebelumnya dilakukan penelitian dengan topik

“Rancang Bangun Electronic Load Controller (ELC) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) kampung Guo” dengan masalah bagaimana merancang dan membangun sistem Electronic Load Controller guna mengaktifkan kembali PLTMH desa Guo [1]. ELC yang dimaksud sebenarnya adalah AVR. Metode yang digunakan dengan melakukan eksperimen pembuatan AVR baik hardware maupun firmware. Gambar 1 menunjukkan diagram blok hardware AVR dengan Generator menghasilkan sinyal berbentuk gelombang sinus dengan amplitudo dan frekuensi tertentu, Penurun Tegangan berupa trafo Step Down memperkecil tegangan tinggi dari generator yang akan diubah ke bentuk dc oleh Konverter Ac ke Dc Aktif. ZCD memberikan informasi level tegangan generator saat berada pada 0 V ke Mikrokontroler untuk mengaktifkan Triac melalui Optoisolator. Beban Komplemen berupa heater akan mengimbangi daya konsumen sehingga daya Generator akan selalu maksimal. Untuk mengatur besarnya daya yang diberikan ke beban komplemen, tegangan ke beban komplemen dinaikkan atau diturunkan oleh mikrokontroler dengan metoda regulasi sudut phasa yaitu memberikan sudut penyalaan ke Triac pada selang waktu tertentu setelah ada sinyal dari ZCD berupa pulsa falling edge [1].

generator Detektor persilangan nol Int pin (ZCD) mikrokontroler optoisolator triac Penurun Tegangan

Konverter ac ke dc Adc pin aktif Beban komplemen

Gambar 1. Diagram blok ELC [1]

Aksi kendali yang digunakan pada ELC ini adalah kendali on-off dengan mengikuti aturan dari persamaan (1) dan (2) u(t) = U1, untuk e(t) > 0 (1) u(t) = U2, untuk e(t) < 0 (2) dimana u(t) adalah nilai sudut penyalaan Triac, U1 yaitu sudut penyalaan yang bertambah dalam interval waktu tertentu dan U2 adalah sudut penyalaan yang berkurang dalam interval waktu tertentu seperti tertera pada persamaan (3) dan (4) [1].

U1 = u(t)+ 1 |U1 ≤ 180 (3)

U2 = u(t) – 1 |U2 ≥ 0 (4) Pengendali utama ELC adalah Mikrokontroler ATMEGA328 yang diprogram agar dapat bekerja sesuai dengan aksi kendali di atas. Algoritma dieksekusi pada setiap terjadi interupsi yang berasal dari sinyal ZCD atau setiap 10 ms. Sedangkan interval perubahan nilai u(t) dalam percobaan diberikan 500 ms [1]. Hasil yang didapatkan setelah percobaan dapat dilihat pada Gambar 2 hingga 10 berikut. Gambar 2 menunjukkan grafik level tegangan generator dalam keadaan tanpa beban. Pada kondisi settle, tegangan generator memiliki steady state error rata-rata ±1,078 % dan ini sudah memadai karena masih dibawah 2 % [1].

Vgen tanpa beban 230 225 220 lt Vo 215

210 205

97 x 500 ms

Gambar 3 Nilai tegangan generator tanpa beban [1] Pada Gambar 4 ketika t = 1 s, generator diberi beban 200 W dan terjadi overshoot dengan nilai 6,86 %.

Untuk menuju tegangan referensi ELC membutuhkan Rise time sebesar 9,5 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 15 s sedangkan steady state error rata-rata ±0.65 % [1].

Gambar 4 Nilai tegangan generator dengan beban 200 W [1]

50 100 150 200 250 300 350

96 Vo lt x 500 ms Vgen beban 200 W

Pada Gambar 5 beban berdaya 400 W sudah dihubungkan terlebih dahulu kemudian saat t = 19 s beban dilepaskan dan terjadi overshoot sebesar 37,25 %. Saat t = 63 s beban terhubung kembali sehingga terjadi undershoot 18,6 %. Untuk menuju ke keadaan settle memerlukan Rise time 20 s dan waktu mencapai steady state, nilai Settling time 27 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.54 % [1].

Gambar 5 Nilai tegangan generator dengan beban 400 W [1]

Pada Gambar 6 beban berdaya 600 W dihubungkan saat t = 14 s dan terjadi undershoot 25,49 %. Untuk menuju ke tegangan referensi membutuhkan waktu Rise time 31,5 s dan mencapai steady state sebesar

Settling time 34,5 s. Beban lalu dilepaskan ketika t = 62 s sehingga terjadi overshoot sebesar 38,2 % dan

kondisi ini berlangsung selama 22 s. Ini adalah waktu dimana ELC mengalami saturasi. Untuk steady state error rata-rata ±0.196 % [1].

190 195 200 205 210 215 220 225

97 109 121 133 145 157 169 181 193 Vo lt x 500 ms Vgen beban 400 W Vgen beban 600 W 350 300 250 200 lt

150 Vo

100

99 113 127 141 155 169 183 197 x 500 ms

Gambar 6 Nilai tegangan generator dengan beban 600 W [1]

Pada Gambar 7 data menampilkan ketika t = 1 s, generator dihubungkan ke beban 800 W sehingga terjadi

undershoot dengan nilai maksimum 48 %. Untuk menuju tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar

54,5 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 67 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.20 % [1].

Vgen beban 800 W 350 300 250 200 lt Vo 150

100

99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 x 500 ms

Gambar 7 Nilai tegangan generator dengan beban 800 W [1]

B. Kendali Proportional Integral Derivative (PID) Lebih dari separuh kontroler di industri pada saat ini adalah pengendali PID. Pengendali PID muncul ketika model dari plant tidak diketahui yang membuat metode desain analitis tidak bias digunakan. Output kendali PID ditentukan oleh persamaan (5).

( )

( ) ( ) ∫ ( ) ( ) Dimana Kp adalah gain proporsional, Ki adalah gain integral, Kd adalah gain derivativ, e adalah error, t adalah waktu saat ini dan  adalah variable integrasi yang nilainya diambil dari 0 hingga t. Untuk mengatur pengendali PID maka nilai parameter gain harus diubah sehingga menghasilkan pengaruh yang dijelaskan pada Tabel 1.

Tabel 1. Efek perubahan konstanta PID [2]

Parameter Rise time Overshoot Settling time Steady state error Kp Turun Naik Berubah sedikit Turun Ki Turun Naik Naik Dihilangkan Kd Berubah sedikit Turun Turun Tidak berpengaruh

3. Metode Penelitian

Pengambilan data dilakukan dengan eksperimen dimana peralatan dan lokasi sama dengan penelitian sebelumnya namun hanya algoritma di firmware yang diubah ke metode kendali PID diskrit sesuai persamaan (6).

( ) ( ) ∑ ( ) ( ( ) ( )) ( ) Gambar 8 merupakan alur program yang disimpan di dalam mikrokontroler. Terlebih dahulu tegangan generator diambil datanya kemudian didapatkan nilai error (e) yaitu selisih antara tegangan referensi 220 V dengan tegangan generator. Untuk menghindari wind up maka nilai error dibatasi dalam range bilangan integer bertanda. Selanjutnya akumulasi dan selisih nilai error dikalikan dengan gain masing-masing parameter PID untuk mendapatkan besarnya firing angle triac. Konstanta gain diubah dengan panduan Tabel 1 agar diperoleh nilai steady state error, rise time, settling time dan overshoot yang sangat kecil. Setiap 10 mS data tegangan generator dikrimkan ke komputer untuk disimpan agar dapat dikomparasi hasilnya nanti dengan data penelitian sebelumnya.

Mulai ersum = 0 erprev = 0 vgen e = 220

– vgen ersum = ersum + e erdel = e
– erprev erprev = e ersum > 32700? ersum = 32700 ersum = -32700 ersum < -32700? erdel > 32700? erdel = 32700 erdel < -32700? erdel = -32700

u=kp*e+(ki*ersum)+(kd*erdel)

Selesai

Gambar 8. Flow chart program

4. Hasil dan Pembahasan

Terlihat pada Gambar 9 grafik level tegangan generator saat tanpa beban. Dalam kondisi settle, tegangan generator memiliki steady state error rata-rata ±1,45 %.

Vgen tanpa beban 224 222 220 t

218 Vol

216 214 212

97 105 113 121 129 137 145 153 161 169 177 185 193 x 10 mS

Gambar 9. Nilai tegangan generator tanpa beban

Pada Gambar 10 ketika t = 3 s, generator diberi beban 200 W dan terjadi overshoot sebesar 6,8 %. Untuk menuju tegangan referensi AVR membutuhkan rise time sebesar 1,01 s dan waktu menuju steady state sebesar settling time 2,79 s sedangkan steady state error 4.5 %.

Vgen beban 200W 225 220 215 t

210 Vol

205 200 195

87 173 259 345 431 517 603 689 775 861 947 1033 1119 1205 1291 1377 1463 1549 1635 1721 1807 1893 1979 2065 2151 2237 x10 mS

Gambar 10. Nilai tegangan generator dengan beban 200 W

Pada Gambar 11 terlihat saat t = 2,8 s, generator dikoneksikan dengan beban 400 W yang berakibat ada

overshoot 2,27 %. Untuk menuju ke tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar 0.58 s serta waktu menuju steady state sebesar Settling time 0,74 s sedangkan steady state error rata-rata ±0.9 %.

VGen 400W 230 225 220 t Vol

215 210 205

66 131 196 261 326 391 456 521 586 651 716 781 846 911 976 1041 1106 1171 1236 1301 1366 1431 1496 1561 1626 x 10 mS

Gambar 11. Nilai tegangan generator dengan beban 400 W Pada Gambar 12 beban berdaya 600 W dihubungkan saat t = 2,8 s dan terjadi overshoot sebesar 5,11 %. Untuk menuju ke keadaan settle memerlukan Rise time 0,65 s dan waktu mencapai steady state, nilai Settling time 1,29 s. Untuk steady state error rata-rata 2.27 %.

VGen beban 600W 230 225 220 t

215 Vol

210 205 200

71 141 211 281 351 421 491 561 631 701 771 841 911 981 1051 1121 1191 1261 1331 1401 1471 1541 1611 1681 1751 1821 x 10 mS

Gambar 12. Nilai tegangan generator dengan beban 600 W

Pada Gambar 13 beban berdaya 800 W dihubungkan saat t = 3,4 s dan terjadi overshoot 5,58 %. Untuk menuju ke tegangan referensi membutuhkan waktu Rise time 1,69 s dan mencapai steady state sebesar

Settling time 3,05 s. Untuk steady state error rata-rata 4,6 %.

VGen beban 800W 240 230 t 220 Vol

210 200 190

69 137 205 273 341 409 477 545 613 681 749 817 885 953 1021 1089 1157 1225 1293 1361 1429 1497 1565 1633 1701 1769 x 10 mS

Gambar 13. Nilai tegangan generator dengan beban 800 W

Pada Gambar 14 data menampilkan ketika t = 3,4 s, generator dihubungkan ke beban 1000 W sehingga terjadi overshoot dengan nilai maksimum 1,36 %. Untuk menuju tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar 2,78 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 3 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.45 %

VGen beban 1000W 230 225 220 t Vol

215 210 205

87 173 259 345 431 517 603 689 775 861 947 1033 1119 1205 1291 1377 1463 1549 1635 1721 1807 1893 1979 2065 2151 2237 x 10 mS

Gambar 14. Nilai tegangan generator dengan beban 1000 W

5. Kesimpulan dan Saran

Hasil komparasi data respon transien antara kedua aksi kendali on-off dan PID menghasilkan perbedaan yang signifikan khususnya pada parameter overshoot, rise time dan settling time. Overshoot kendali on-off cenderung naik saat beban naik maksimal 48% sedangkan kendali PID pada berbagai variasi beban rata-rata 5%. Rise time kendali on-off juga naik bila beban naik maksimal 54,5 detik, sedangkan kendali PID rata-rata 1,3 detik. Settling time kendali on-off maksimal 67 detik sedangkan kendali PID rata-rata 2,1 detik. Hal ini menunjukkan kendali PID dapat memperbaiki kinerja AVR yang sebelumnya menggunakan kendali on-off. Untuk parameter steady state error antara kedua kendali tersebut tidak menunjukkan perbedaan tapi masih dalam toleransi yang diinginkan yaitu dibawah 5%.

Penelitian yang akan dilakukan selanjutnya adalah meminimalisir semua parameter dengan mengubah konstanta gain melalui percobaan beberapa metode optimasi.

Daftar Pustaka

[1] Herisajani, Firdaus, Desmiwarman, 2015, Rancang Bangun Electronic Load Controller (ELC) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Kampung Guo, Proceeding SEMNASREKOM 2015. _th

[2] ed., Prentice Hall, New Jersey

Ogata Katsuhiko, 2010, Modern Control Engineering, 5 [3] Atmel, 2006, AVR221 : Discrete PID Controller, 8-bit AVR Microcontroller Application Note. [4]

ChetnaNagpal, RiyazBasheer, Abin Thomas, Rinjo Daniel, Irfan Yusuf, February 2014, Analysis and Design of Electronic Load Controllers used in Micro Hydro Power Systems , IJETAE, Vol. 4, Special Issue 2. [5] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 2008, Modern Control System, Pearson Prentice Hall NJ. [6]

Jim Ledin, 2004, Embebedded Control System in C/C++, CMP Books

Biodata Penulis Herisajani, memperoleh gelar sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro [Institut Teknologi Padang], lulus tahun 1998.

Tahun 2008 memperoleh gelar Magister Komputer (M.Kom) dari Jurusan Komputer [niversitas Putra Indonesia Padang]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Listrik [Politeknik Negeri Padang].

Firdaus, memperoleh gelar sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro/prodi elektronika [Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya], lulus tahun 2002. Tahun 2011 memperoleh gelar Magister Teknik (MT) dari Jurusan/Prodi Teknik Elektro/Elektronika [Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Telekomunikasi [Politeknik Negeri Padang].

Desmiwarman, memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro [Sekolah Tinggi Teknik Padang], lulus

tahun 1996. Tahun 2005 memperoleh gelar Magister Teknik (M.Si) dari Jurusan Ilmu Lingkingan [Universitas Andalas Padang]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Listrik [Politeknik Negeri Padang].

KOMPARASI PERFORMA KENDALI ON-OFF DAN PID SEBAGAI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR GENERATOR SINKRON DI PLTMH - Politeknik Negeri Padang