HALAMAN PENGESAHAN PENELITIAN DOSEN MANDIRI

  LAPORAN PENELITIAN MANDIRI DESAIN KONTROLER LQG/LTR PADA SISTEM KENDALI TEGANGAN KELUARAN BUCK CONVERTER

  Oleh:

  ASNIL , S.Pd., M.Eng

  IRMA HUSNAINI. ST., MT Dr. RIDWAN. M.Sc.,Ed FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI PADANG 2014

  Sains Teknologi dan Rekayasa NIP. 19610722 198602 1 002

  Universitas Negeri Padang Dr . Alwen Bentri, M.Pd

  h. Alamat : Jln. Prof.Dr. Hamka Kampus Air Tawar Padang i. Telpon/Faks/E-mail

  Menyetujui, Ketua Lembaga Penelitian

  Diketahui Oleh Ketua Peneliti Dekan FT-UNP Prof. Ganefri, M.Pd., Ph.D Asnil, S.Pd., M.Eng NIP. 19631217 198903 1 003 NIP. 19811007 200604 1 001

  6. Jumlah biaya penelitian

  5. Lokasi Penelitian : Lab. Sistem Kontrol &Instrumen Jurusan Teknik Elektro UNP

  2 Dr. Ridwan.M.Sc.,Ed

  4. Jumlah Anggota Peneliti : 2 Nama Anggota : 1. Irma Husnaini,ST.MT

  : (0751)445998/Fax(0751) 705644 j. Alamat Rumah : Komplek PLB UNP-Limau Manis. Padang k. Telpon/Faks/E-mail : 081363280939/ asnil81@gmail.co.id

  g. Fakultas/Jurusan : Teknik /Elektro

  

HALAMAN PENGESAHAN PENELITIAN DOSEN MANDIRI

  f. Jabatan : Lektor

  e. Pangkat/Golongan : Penata /III.c

  d. Disiplin ilmu : Sistem Tenaga Listrik

  c. NIDN/NIP : 0007108102/19811007 200604 1 001

  b. Jenis Kelamin : Laki-laki

  a. Nama Lengkap : Asnil, S.Pd., M.Eng

  3. Ketua Peneliti

  1. Judul Penelitian : Desain kontroler LQR/LTR pada Sistem Kendali Tegangan Keluaran Buck Converter 2. Bidang Penelitian : Sains Teknologi dan Rekayasa.

• Padang, 12 Desember 2014

  

RINGKASAN

  Penelitian ini bertujuan untuk pengendalian tegangan keluaran buck converter agar tetap stabil dalam keadaan perubahan beban. Kontroler LQG/LTR digunakan dalam penelitian ini untuk menghasilan performansi sistem yang bagus dan menjamin

  

robustness dalam closed loop sistem ketika adanya gangguan. Pada penelitian ini

  kontroler LQG/LTR diharapkan mampu untuk mengontrol tegangan keluaran dari

  

buck converter agar tetap stabil meskipun terjadi perubahan beban. Hasil penelitian

  menunjukkan penggunaan kontroler LQG/LTR telah mampu menghasilkan tegangan sebesar 5V dengan tegangan input sebesar 12 V , dengan meningkatkan margin penguatan dan phasa margin konstan sebesar 127 derajat. Sedangkan waktu untuk mencapai kestabilan sistem sekitar 0.000356 dtk dengan overshoot sebesar 20,6% pada variasi beban dari 10 sampai 100 K .

  : Buck converter, LQG/LTR, Robustness, closed loop

  Keyword

• 3,&39&7 :(0 (43;*79*7
• 8&.3 .3*&7 :&)7&9.( &:8.&3
• 8&.3 445 "7&38+*7 *(4;*7= :18* %.)9- 4):1&9.43 ":/:&3 *3*1.9.&3 4397.':8. *3*1.9.&3
• &1.8&8. *2*(&-&3 &8&1&-
• &1&=&0 !&8&7&3 )&3 !97&9*,.8
>94)* *3*7&5&3 " ! !9:). :89&0&
• 7&3(&3,&3 *7&3,0&9 :3&0

  #2:2

• 7&3(&3,&3 &3,0&.&3 :(0 43;*79*7 $ ! # !
• 8.25:1&3 !&7&3

  &2'&7 "45414,. ':(0 (43;*79*7 &2'&7 .3&2.0 7*,:1&947 )*3,&3 2*3,,:3&0&3 4'8*7;*7

  )&3 +:11 89&9* +**)'&(0 &2'&7 *39:0 ,*142'&3, 049&0 :18* )*3,&3 043).8. -.,-

  ;419 )&3 14< ;419 &2'&7 !.3=&1 *+*7*38. &2'&7 !.3=&1 7*+*7*38. )&3 % &2'&7 .&,7&2 '140 7&3(&3,&3 8.89*2 0*3)&1. 9*,&3,&3

  0*1:&7&3 ':(0 (43;*79*7 &2'&7 *8543 97&38.*39 8.89*2 &2'&7 &3,0&.&3 ':(0 (43;*79*7 &2'&7 7&+.0 7*8543 7&3,0&.&3 ':(0 (43;*79*7 )*3,&3 '*'&3

  > &2'&7 &2'&7 7*8543 89*5 7&3,0&.&3 '4)* ).&,7&2 1445

  9*79:9:5 )*3,&3 (4397411*7 " )*3,&3 6 ,7&+.0 7*8543 89*5 7&3,0&.&3 )*3,&3 (4397411*7 " )*3,&3 6 )&3 4)* ).&,7&2 1445 9*79:9:5 )*3,&3 (4397411*7 " )*3,&3 6

  &2'&7 4)* ).&,7&2 )&3 7*8543 89*5 1445 9*79:9:5 7&3,0&.&3 ':(0 (43;*79*7 )*3,&3 (4397411*7 " )*3,&3 ;&7.&8. 3.1&. 6

  "&'*1 &8.1 5*3,:/.&3 9*,&3,&3 0*1:&7&3 ':(0 (43;*79*7

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Pengantar

  Seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi, peningkatan terhadap kebutuhan konverter daya dengan kinerja dinamik yang tinggi dalam banyak aplikasi sangat dirasakan terutama di industri dan penggunaan barang-barang elektronik. DC- dc konverter merupakan salah satu contohnya, dimana konverter ini bisa menghasilkan tegangan atau arus yang dapat diatur sesuai dengan keinginan yang berasal dari power supply atau baterey. Buck konverter merupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi menurunkan tegangan dc menjadi tegangan dc lain sesuai kebutuhan. Pemilihan konverter dc-dc dikarenakan efisiensinya yang tinggi dalam perubahan daya input ke daya output. Diantara beberapa kriteria kinerja dinamik yang sangat penting untuk dipertimbangkan adalah riak, tegangan output, dan waktu recovery. Keuntungan pada konfigurasi Buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, riak (ripple) pada tegangan keluaran yang rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil.

  Kekurangan dari konfigurasi buck konverter adalah hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Umumnya tegangan output berubah berdasarkan variasi beban atau akibat perubahan tegangan input. Perubahan nilai tegangan output tergantung pada filter induktor dan nilai kapasitor dalam rangkaian dan frekuensi switching serta algoritma kontroler. Jika induktor, kapasitor dan frekuensi switching tetap, perbedaan algoritma kontroler menghasilkan perbedaan respon dinamik. Beberapa hal harus dilakukan untuk memperbaiki respon dinamik tersebut. Oleh karena itu sangat penting menentukan kemungkinan kinerja dinamik terbaik untuk konverter daya. Untuk memperbaiki kinerja sistem dibawah variasi beban diperlukan kontroler.

  Metode-metode atau algoritma kendali yang digunakan kontroler dalam proses pengendalian juga telah banyak berkembang. Penggunaannya disesuaikan dengan kebutuhan pengguna akan performansi atau efisiensi tertentu. Makin beragamnya jenis-jenis peralatan yang akan dikontrol melahirkan tuntutan akan kontroler yang dapat menanggani bermacam-macam jenis plant. Linier Quadratic Gausian (LQG) merupkan bentuk khusus sistem kontrol optimal. Dalam situasi aktual plant dinamik tepatnya tidak diketahui, boleh jadi ada gangguan dalam sistem. Kita menginginkan kontroler yang tidak hanya memiliki performansi yang bagus tetapi juga performansi

  

robustness ketika adanya gangguan dan stability robustness dengan adanya plant

  dinamik yang tidak dimodelkan. Pada sistem pengaturan tegangan keluaran buck converter dituntut kontroler yang mampu menjaga tegangan keluatan buck converter selalu stabil dengan adanya gangguan / perubahan beban. LQG dinamik regulator pada kenyataannya tidak meningkatkan kestabilan margin sistem tapi dapat menguranginya secara signifikan. Linier quadratic gausian/loop transfer recovery (LGQ/LTR) merupakan salah satu kontroler yang dapat digunakan untuk meningkatkan kestabilan margin sistem secara keseluruhan dan menjamin stability

  

robustness. Penggunanaan LQG/LTR pada penelitian ini diharapkan menjamin

robustness dalam closed loop sistem kendali tegangan keluaran buck converter akibat

  adanya gangguan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Buck converter

  Buck converter merupakan jenis konverter yang banyak digunakan dalam

  industri, khususnya mengenai catu daya. Konverter ini mengkonversikan tegangan dc menjadi tegangan dc lain yang lebih rendah (Tegangan input lebih besar dari pada tegangan output). Buck converter terdiri ari satu saklar aktif (mosfet) dan satu saklar pasif (dioda). Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif sering diganti dengan saklar aktif sehingga susut daya yang terjadi bisa dikurangi. Kedua saklar ini bekerja bergantian. Setiap saat hanya ada satu saklar yang menutup. Nilai rata- rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar aktif terhadap periode pensaklarannya (faktor kerja).

  Nilai faktor kerja bisa diubah dari nol sampai satu. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan keluaran selalu lebih rendah dibanding tegangan masukannya. Buck

  converter bisa disusun paralel untuk menghasilkan arus keluaran yang lebih besar.

  Jika sinyal ON-OFF masing-masing konverter berbeda sudut satu sama lainnya sebesar 360 /N, yang mana N menyatakan jumlah konverter, maka didapat konverter dc-dc N-fasa.buck converter multi fasa juga banyak dipakai dalam indusri logam yang memerlukan arus dc yang sangat besar pada tegangan yang rendah.

Gambar 2.1. Topologi buck converter

  Buck converter pada keadaan ideal dengan periode pensaklaran T dan duty

  cycle D dapat dilihat pada gambar 2.1. Persamaan keadaan buck converter dalam bentuk Continuos Cunduction Mode (CCM) diperoleh berdasarkan hukum kirchof. Ketika saklar ON, arus dinamik pada induktor I (t) dan tegangan kapasitor V (t)

  L C

  dapat diperoleh dari persamaan berikut;

  1 ( ) , , :

  D G _g

  …................................................................................. (6) dengan, ) pengukuran noise ( dan noise proses ) ( input, kontrol ) ( , ) (

  Cx v y Gw Bu Ax x

  Perancangan LQG merupakan gabungan LQR dengan full state feedback dan filter Kalman. Keuntungan perancangan LQG adalah struktur kompensator secara otomatis diberikan oleh prosedur sebagai berikut. Plant dan output ditulis,

  2.2. Desain Linier Quadratic Gausian

  ........................................(5)

  L C R Q

  ,

  1 ω

  

LC

  ,

  D D G _d

  ,

  ..........................................................................(4) Dengan

  1 ( ) ^{L in o o o} _L di V v dt L t dT Q ON dv v i dt C R

  G G s ^g _vg

  ω s Q s s

  ) ( ω

  2

  .........................................................................(3)

  G G s ^d _vd

  ω s Q s s

  ) ( ω

  …………………………...……………..(2) Sebagai dasar model buck converter terdiri dari dua fungsi alih, model pertama mempengaruhi duty cycle pada output, Gvd(s), dan model kedua mempengaruhi tegangan pada output, Gvg(s). Bentuk umum fungsi alih sebagai berikut; ₂

  1 ( ) ^{L o o o} _L di v dt L dT t T Q OFF dv v i dt C R

  1 ( ) , , :

  ………………………………………..(1) dan ketika saklar OFF diperoleh persamaan berikut;

  R t v t w t u t x ⁿ

  Full state feedback kontrol:

  u kx r ................................................................................. (7)

  State feedback gain k dipilih dengan menggunakan LQR jika persamaan (7) disubsitusikan pada persamaan (6) closed loop sistem menjadi

  x ( A BK ) x Br Gw ........................................................................... (8)

  Desain full state feedback menarik karena jika kondisi reachable dan

  

observable dipenuhi cloosed loop sistem dijamin stabil. Pole – pole dapat diletakkan

  sembarang sesuai yang diinginkan , tetapi hal ini tidak dapat diaplikasikan jika state tidak ada. Untuk observer atau filter Kalman berlaku ˆ ˆ

  x ( A LC ) x Bu Ly ………………………….....……………………. (9)

  Penguatan L dipilih dengan beberapa teknik untuk memberikan perkiraan

x ˆ t ( ) yang stabil. Penguatan ditentukn dengan menyelesaikan persamaan filter ARE .

Karena semua state tidak dapat diukur dan kontrol tidak dapat diaplikasikan dalam praktek, kita menggunakan feedback estimasi x ( ) termasuk aktual state

  ˆ t ˆ

  

x (t ) sehingga: u k x r . Struktur cloosed loop dengan menggunakan kontroller

ini ditunjukkan pada gambar 2.

  Y(t) u(t) r(t) PLANT

  K _{x ˆ t ( )} OBSERVER

Gambar 2.2. Dinamik regulator dengan menggunakan observer dan full state feedback

  Pada perancangan feedback penguatan K dan observer penguatan L digunakan beberapa teknik sehingga memenuhi ( BK ) dan ( LC ) . Dalam

  A A

  desain LQG, K dipilih denngan menggunakan LQR ARE sedangkan L dipilih dengan menggunakan filter Kalman ARE. State feedback K dan observer penguatan L dapat didesain dengan separation principle (pemisahan perancangan ) menurut persamaan berikut ini: Desain LQR state feedback ditulis,

  _{T T}

1 A S SA Q SBR B S ………………………………………. (10)

  _{1 T c c} K R B S ………………………………………………………… (11) _c

  dimana Q dan R adalah matrik bobot

  c c

  Desain gain Kalman filter ditulis _{T T T 1} AP PA GQ G PC R CP ………………………………..(12) _{T 1 f f} L PC R ………………………………………………………….. (13) _f dimana Q dan R adalah matrik noise spektral density

  f f

  sehingga LQG dinamik regulator ditulis ˆ ˆ ˆ

  x A x Bu L ( y C x ) ………………………………………………...(14)

  ˆ ……………………………………………………………….(15)

  u k x r

2.3. Desain Loop Transfer Recovery

  Dalam situasi aktual plant dinamik tepatnya tidak diketahui, boleh jadi ada gangguan dan pengukuran noise dalam sistem. Dalam bagian ini kita akan menunjukkan bagaimana matrik Q R , Q dan R dipilih untuk menjamin

  c , c f f

  robustness dalam closed loop sistem. Pendekatan dalam mendesain matrik ini adalah dengan menggunakan linier quadratic gausian/loop transfer recovery (LGQ/LTR).

  State feedback penguatan K dihitung dengan menggunakan LQR ARE dalam persamaan (11). Pada bagian ini kita asumsikan bahwa state feedback penguatan K sudah ditentukan menggunakan LQR ARE , penguatan K ini menghasilkan sifat robustness

  K B K B

  φ . φ merupakan target feedback loop untuk loop gain recovery pada input. Penguatan K harus dipilih untuk karakteristik sistem yang sesuai. Kemudian dilakukan desain filter Kalman sehingga menemukan kembali sifat jaminan robustness full state feedback kontrol dengan mendesain parameter v .

  Jaminan Robustness LQR terhadap gain margin dan phasa margin adalah:

  a. gain margin infinity b. phasa margin 60

  Adapun prosedur desain LQG/LTR adalah sebagai berikut

  a. LQG dinamik regulator Ly Bu x LC A x ˆ ) ( ˆ …..……………………………………………..(16) y = Cx

  ……………………………… (24) _{f T}

  Pulse Width Modulation (PWM) merupakan suatu mekanisme untuk membangkitkan sinyal keluaran yang mana periodenya berulang antara high dan low dimana kita dapat mengontrol durasi antara sinyal high dan low sesuai dengan yang diinginkan. Duty cycle merupakan prosentase dari sinyal high dan periode

  ............................................................(28)

  , C ² Q C Q ^T ρ

  c

  Q

  ................................................................................(27) Dimana,

  ) ( ρ

  S B R K ^T _c ^{1 2}

  …............................................... (26)

  ) ( ρ

  S B R SB Q SA S A ^T _{c c} ^{T 1 2}

  φ

  …………………………………………………… . (25) Desain LQR State Feedback untuk target feedback loop L c

  R PC L

  CP R PC G GQ PA AP

_f

^{T T} _f ^{T 1}

  

……………………………………………………

..……………. (17) x k u

  ………………………………………………………… (20) Desain Kalman Filter Gain untuk LTR

  ˆ …………………………………………………………….. (18)

  b. Algoritma 1:LQG/LTR pada input

  Desain LQR State Feedback untuk target feedback loop B K φ

  S B SBR Q SA S A ^T _{c c} ^{T 1}

  ……………………………….. (19)

  S B R K ^T _c ¹

  CP R v PC Q PA AP _f ^T _f ^{T 1 2}

  Desain Gain Kalman Filter untuk LTR

  ) ( …………………………….. (21) _{1 2} ) ( _f ^T

  R v PC L ……………………………………………………(22)

  dimana Q

  f

  , ² Q BB Q v ^T ………………………………… (23)

  c. Algoritma 2:LQG/LTR pada ouput

2.4. Pulse Width Modulation (PWM)

  sinyal, prosentase duty cycle akan berbanding lurus dengan tegangan rata-rata yang dihasilkan.

  Pengaturan modulasi lebar pulsa atau PWM merupakan suatu teknik yang ampuh dalam sitem kendali (control system) saat ini. Pengaturan lebar pulsa ini dapat digunakan di berbagai bidang, diataranya untuk kendali kecepatan (speed control), kendali system tenaga (power control), dan pengukuran atau instrumentasi dan telekomunikasi (measurement andtelecomunication).

  Modulasi lebar pulsa diperoleh dengan bantuan sebuah gelombang kotak, dimana siklus kerja (duty cycle) dapat diubah-ubah untuk mendapatkan sebuah tegangan keluaran yang bervariasi yang merupakan nilai rata-rata dari gelombang tersebut.

Gambar 2.3. Bentuk gelombang kotak (pulse) dengan kondisi high 5 volt dan low 0 volt.

  T adalah durasi dimana tegangan keluaran berada pada posisi high dan

  on

  T adalah durasi dimana tegangan keluaran berada pada posisi low. Sedangkan

  off

  T adalah jumlah dari T + T yang biasa dikenal dengan periode satu

  total on off

  gelombang. Siklus keja atau duty cycle sebuah gelombang didefinisikan sebagai ....…………………………………………….…..(29) sedangkan untuk tegangan keluaran dapat dirumuskan sebagai berikut

  …..……………………………………………….(30) Dari rumus di atas, dapat disimpulkan bahwa tegangan keluaran dapat dirubah dengan merubah nilai T .

  on

  PWM bekerja sebagai switching power supply untuk mengontrol on dan off. Tegangan dc diubah menjadi sinyal kotak bolak-balik, saat on mendekati tegangan puncak dan saat off menjadi nol volt. Berikut adalah gambar sinyal refernsi yang merupakan sinyal tegangan dc yang dikonversi oleh sinyal gergaji dan menghasilkan sinyal kotak.

Gambar 2.4. Sinyal referensi

  Untuk membangkitkan sinyal PWM, digunakan komparator untuk membandingkan dua buah sinyal masukan, yaitu generator sinyal dan sinyal referensi. Hasil keluaran dari komparator adalah sinyal PWM yang berupa pulsa persegi yang berulang- ulang. Durasi atau lebar pulsa dapat dimodulasi dengan cara mengubah sinyal referensi.

Gambar 2.5. Sinyal referensi dan PWM

  Metode PWM banyak digunakan untuk mengatur kecepatan putaran motor, informasi yang dibawa oleh pulsa –pulsa persegi merupakan tegangan rata-rata. Besarnya tegangan rata-rata tersebut dapat diperoleh dari persamaan berikut

  ……………………………………... (31) Dengan kata lain, semakian besar lebar durasi waktu tunda posistif (T ) dari sinyal

  on

  PWM yang dihasilkan, maka putaran motor akan semakin cepat dan demikian juga sebaliknya.

BAB III TUJUAN PENELITIAN DAN KONTRIBUSI PENELITIAN

  3.1. Tujuan Penelitian:

  1. Merancang rangkaian buck converter beserta kontroler LQG/LTR

  2. Mensimulasikan hasil rancangan rangkaian buck converter tanpa menggunakan kontroler dan menggunakan kontroler LQG/LTR berdasarkan perubahan beban Hasil penelitian ini dipublikasikan dalam jurnal lokal yang mempunyai ISSN .

  3.2. Kontribusi Penelitian,

  1. Rangkaian buck converter yang dihasilkan dapat digunakan sebagai sumber tegangan konstan sebesar 5 Volt

  2. Rangkaian buck konverter sebagai model plant dapat digunakan dalam merancang dan menerapkan algoritma pengendalian lain , seperti pengendali PID dan fuzzy logic sehingga dapat digunakan dalam pembelajaran Sistem Kendali (D3), Sistem Kendali Otomastis (D4) dan Sistem pengaturan (S1) di Jurusan Teknik Elektro FT-UNP.

BAB IV METODE PENELITIAN Penelitian ini dilaksanakan dengan metode eksperimen di laboratorium

  instrumentasi dan kontrol FT-UNP dalam jangka waktu selama 6 bulan. Prosedur penelitian yang dilakukan berdasarkan rancangan rangkaian pada diagram balok dibawah ini.

Gambar 4.1. Diagram blok rancangan sistem kendali tegangan keluaran Buck converter

  Realisasi rancangan penelitian yang diperagakan pada Gambar 4.1 dilakukan dengan beberapa tahap, yaitu :

4.1. Studi Pustaka

  Studi pustaka bertujuan untuk mendapatkan informasi yang diperlukan dalam mewujudkan penelitian yang telah dirancang, diantaranya :

a. Studi pustaka tentang teknik perancangan rangkaian buck converter b. Studi pustaka tentang teknik PWM.

  c. Studi pustaka tentang perancangan dan penerapan kontroler LQG/LTR

4.2. Perancangan Perangkat Lunak

  Perangkat lunak (program ) pada penelitian ini menggunakan matlab . Matlab digunakan untuk merancang rangkaian dan melihat respon buck converter hasil rancangan tanpa kontroler dan setelah menggunakan kontroler LQG/LTR.

  Setelah rangkaian buck converter dengan kontroler LQG/LTR selesai dirancang, maka tahap berikutnya adalah melakukan pengujian terhadap rangkaian tersebut. Pengujian dilakukan untuk melihat kinerja sistem kendali tegangan keluaran

  

buck converter . Pengujian rangkaian dilakukan dengan memberikan beban yang

  berubah-rubah pada keluaran buck converter tanpa menggunakan kontroler LQG/LTR serta dengan menggunakan kontroler LQG/LTR. Data hasil pengujian rangkaian berupa besarnya tegangan keluaran buck converter tanpa kontroler LQG/LTR serta dengankontroler LQG/LTR.

  Analisis data pada penelitian ini dilakukan dengan membandingkan tegangan keluaran buck converter tanpa tanpa kontroler LQG/LTR serta dengankontroler LQG/LTR., analisis juga dilakukan terhadap grafik respon sistem . Adapun analisis terhadap grafik respon yang diperoleh dilakukan sebagai berikut: a. Menganalisis respon transien sistem dan kestabilan margin sistem

Gambar 4.2 menunjukkan beberapa parameter respon transien sistem yang dapat diuji pada penelitian ini.Gambar 4.2. Respon transien sistem

  b. Membandingkan kinerja LQG/LTR dalam mempertahankan tegangan keluaran buck converter terhadap adanya gangguan/perubahan beban .

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

  5.1. Umum

  Bab ini membahas unjuk kerja hasil perancangan dan simulasi rangkaian

  

buck converter tanpa kontroler LQG/LTR serta dengan kontroler LQG/LTR. Agar

  hal tersebut dapat dilakukan dengan baik, maka perlu dilakukan pengujian terhadap tegangan keluaran buck converter dengan variasi beban.

  5.2. Perancangan rangkaian buck converter

  Spesifikasi rancangan rangkaian buck converter yang diinginkan adalah sebagai berikut , R=10 Ω - 100 KΩ L= 1mH C=2200uF Fs=50KHz D=5/12 Vin=12v Vout=5v Gambar 5.1. memperlihatkan hasil perancangan rangkaian buck converter.

  5.1. Rangkaian buck converer Untuk melihat kinerja rangkain buck converter hasil rancangan tanpa dilakukan simulasi menggunakan matlab . Hasil simulasi diperlihatkan pada gambar 5.2.

  _{4%01'--2 2 2(+% 1%# %") "+.*(23$% 512%+ 151 2%. %1.-,1% "&,( 23$% $ + $ "2 % 0"$ 1%# + $%& "2 0"$ 1%#} -$% ("&0"+ _{.* (23$% (1% (+% 1%# 512%+ 151} 512%+ 151 _{+ %22*(,& (+% 1%# '"1 % $%&} (+% 1%# _{0%/3%,#5 0"$ 1%#}

  (a) (b)

5.2. Grafik respon rangkaian buck converer dengan beban 10

  (a) Respon step (b) Bode diagram Berdasarkan gambar 5.2. dapat dilihat bahwa tegangan keluaran buck converter tanpa kontroler belum memenuhi kriteria yang diinginkan sebesar 5 volt, disamping itu juga pada respon keluaran sistem terdapat overshoot sekitar 89,9% dan dengan

  

settling time 0,168 dtk. Bode diagram sistem menunjukkan gain margin sebesar

  192 dB, dengan phasa margin yang rendah sebesar 11,1derajat. Untuk memperbaiki kinerja sistem dilakukan perancangan kontroler LQG/LTR. Adapun kinerja rangkaian buck converter hasil rancangan setelah menggunakan kontroler LQG/LTR

  2

  dapat dilihat dari hasil simulasi berikut ini dengan memvariasikan nilai q(1,10,10 ,

  3

  6

  10 ,10 ). Berikut hasil simulasi rangkaian

  6 buck converter dengan kontroler LQG/LTR untuk q = 1 dan q = 10 . _{4%01'--2 %") "+.*(23$% 512%+ 3,2(2*%$ 2%. %1.-,1% 512%+ 3,2(2*%$ 1%# % (23$% .* 2 2(+% 1%# %22*(,& (+% 1%# 512%+ 3,2(2*%$ 512%+ 3,2(2*%$ (,"* !"*3% "&,( 23$% $ + $ "2 % 0"$ 1%# + $%& "2 % 0"$ 1%#} -$% ("&0"+ _{'"1 % $%&}

• (+% 1%# _{0%/3%,#5 0"$ 1%#}

  (a) (b)

  _{4%01'--2 2 2(+% 1%# %") "+.*(23$% 512%+ 3,2(2*%$ 2%. %1.-,1% 512%+ 3,2(2*%$ 23$% (,"* !"*3%}

_$

_"&,(

_{+ $ "2 % 0"$ 1%# + $%& "2 % 0"$ 1%#} -$% ("&0"+ _{512%+ 3,2(2*%$ 1%# % .* (23$% %22*(,& (+% 1%# +} 512%+ 3,2(2*%$

_%

_$%&

_{(+% 1%#}

'"1

_{0%/3%,#5 0"$ 1%#}

  (c) (d)

Gambar 5.3. (a). Grafik respon step rangkaian buck converer dengan kontroler

  LQG/LTR dengan q=1 (b). Bode diagram loop tertutup rangkaian buck converer dengan kontroler LQG/LTR dengan q=1 (c). Grafik respon step rangkaian buck converer dengan kontroler

  6 LQG/LTR dengan q=10

  (d). Bode diagram loop tertutup rangkaian buck converer dengan

  6

  kontroler LQG/LTR dengan q=10

Gambar 5.3. memperlihatkan hasil simulasi rangkaian buck converter menggunakan kontroler LQG/LTR. Berdasarkan hasil simulasi dapat dilihat bahwa kontroler

  LQG/LTR mampu memperbaiki kinerja sistem dengan meningkatkan phasa margin. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kestabilan sekitar 0.000632 dtk dengan overshoot sebesar 20,6%. Simulasi juga memperlihatkan tegangan keluaran buck converter sudah sesuai dengan yang diinginkan yaitu sebesar 5 Volt. Pemberian beban bervariasi 10 sampai 100K tidak mempengaruhi terhadap kestabilan tegangan keluaran sistem dan kestabilan margin sistem. Untuk hasil pengujian tegangan keluaran buck converter terhadap perubahan nilai q dapat dilihat pada tabel berikut.

  Tabel 1. Hasil Pengujian tegangan keluaran buck converter No q

  3

  6

  5 20,6 0,000356 75 127

  8 ≥10

  7

  5 20,9 0,000356 infinity 127

  Berdasarkan hasil pengujian dapat dilihat bahwa tegangan keluaran buck converter tetap stabil sebesar 5 V untuk beban 10 sampai 100K dengan overshoot dan settling time masing –masing sebesar 20,6 % dan 0,000356 detik. Sedangkan kestabilan gain margin meningkat dari 45 sampai tak berhingga dengan variasi nilai q(1,10,10

  2

  ,10

  ,10

  7

  4

  ,10

  5

  ,10

  6

  , ≥10

  7

  ), hal ini menunjukkan kontroler LQG/LTR mampu meningkatkan kestabilan margin dan menjaga performansi robustness. Gambar 6.4 memperlihatkan bode diagram dan respon step loop tertutup rangkaian buck converer dengan kontroler LQG/LTR berdasarkan variasi nilai q. _{2%. %1.-,1%}

  (+% 1%# ^{+ .* (2 3$% 512%+ 3,2(2*%$ %") "+.*(23$% 4%01'--2 2 2(+% 1%# 512%+ 3,2(2*%$ %22*(,& (+% 1%#}

  10

  5 20,6 0,000356 70 127

  Tegangan (V)

  5 20,6 0,000356 55 127

  Overshoot(%) Settling time(detik)

  Gain margin Phasa margin

  (derajat)

  1

  1 5 20,6 0,000356 45 126

  2

  10

  5 20,6 0,000356 50 127

  3 100

  4

  5

  10

  3

  5 20,6 0,000356 60 127

  5

  10

  4

  5 20,6 0,000356 65 127

  6

  10

Gambar 5.4. Bode diagram dan respon step loop tertutup rangkaian buck converer dengan kontroler LQG/LTR dengan variasi nilai q Dapat disimpulkan rangkaian buck converter yang dirancang mampu mempertahankan kestabilan tegangan keluaran sebesar 5 V dengan tegangan input sebesar 12 V dibawah variasi beban .

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN Serangkaian aktifitas dalam penelitian ini secara keseluruhan dapat mencapai

  tujuan penelitian yang telah direncanakan. Dari hasil dan bahasan yang telah dikemukakan maka

6.1. Kesimpulan

  Berdasarkan tujuan penelitian, maka dapat tulis beberapa kesimpulan sebagai berikut:

  1. Hasil rancangan rangkaian buck converter beserta kontroler LQG/LTR diperoleh spesifikasi tegangan keluaran buck converter sebesar 5 Volt dengan tegangan input sebesar 12 V.

  

2. Simulasi terhadap hasil rancangan rangkaian buck converter ,diperoleh tegangan

  keluaran buck converter tanpa kontroler LQG/LTR belum memenuhi kriteria yang diinginkan sebesar 5 volt, dengan settling time sebesar 0,168 dtk dan overshoot sekitar 89,9%. Hasil simulasi juga menunjukkan meskipun gain margin besar tetapi phasa margin rendah dan memenuhi kriteria yang diingikan yaitu > 60 derajat. .

  

3. Dari hasil ujicoba rangkaian buck converter dengan kontroler LQG/LTR untuk

  beban 10 - 100 K telah mampu menjaga kestabilan tegangan keluaran buck

  converter sebesar 5 V dengan overshoot sebesar 20,6 % dan settling time

  sebesar 0,000356 dtk , peningkatan juga terjadi pada gain margin yang dengan phasa margin tetap sebesar 127 derajat. Hal ini menunjukkan kontroler LQG/LTR mampu menjaga performansi robustness.

6.2. Saran

  Untuk menjaga kestabilan keluaran tegangan rangkaian buck converter dapat diterapkan algoritma pengendalian lain , seperti pengendali PID atau fuzzy logic .

DAFTAR PUSTAKA

  Chen, Xu. Advanced Control Systems II (ME233),Spring 2013 Fujita , Masayuki . Robust and Optimal Control, 05th. Spring, 2013 Kasat, Saurabh. Analysis , Design and Modeling of DC-DC Converter Using Simulink.

  Bachelor of Engineering Institute of Engineering and Technology Indore, Madhya Pradesh State India. 2004 Prodic, Aleksandar. Design of High Frequenci Switch Mode Power Supplies (SMPS).

  Spring.2005 Qiao, Michael, Parviz Parto and Reza Amirani. Stabilize The buck Converter with Transkonduktansi Amplifier. International Rectifier. 2002. Tymerski, Richard and Frank Rytkonen: Control System Design Veeranna, B.Sreenivasappa and Yaragatti Udaykumar. Elimination of Output Voltage

  Oscillations in DC-DC Converter Using PWM with PI Controller. Serbian Journal Of Electrical Engineering, Vol. 7, No. 1,p. 57-68.May 2010.