analisis penerapan pid controller pada avr

ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC
VOLTAGE REGULATOR)
Indar Chaerah Gunadin
Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Hasanuddin
Abstrak
Perubahan daya reaktif yang disuplai ke beban oleh sebuah pembangkit merupakan suatu hal yang pasti
terjadi, kondisi ini harus dijaga agar pembangkit tetap bekerja dalam kondisi stabil. Perubahan daya reaktif
tersebut harus diimbangi dengan mengubah tegangan output pembangkit tersebut, dalam hal ini dengan
mengatur penguatan dari pembangkit, dimana semua proses pengaturan tegangan tersebut dapat dilakukan
secara otomatis dengan menggunakan Automatic Voltage Regulator (AVR). Oleh karena itu, dalam studi
kestabilan pembangkit, diperlukan penentuan batas settingan konstanta-konstanta yang terdapat pada pembangkit
tersebut, yang dapat dihitung secara matematis dengan menggunakan kriteria kestabilan Routh sehingga
diperoleh range settingan salah satu konstanta yaitu konstanta amplifier (KA). Selain itu dengan menggunakan
program MATLAB yang digunakan untuk memperlihatkan grafik tanggapan pembangkit untuk setiap
perubahan settingan konstanta-konstanta pembangkit
Kata Kunci: AVR, KA, PID
akibat
Pada prakteknya, daya reaktif yang disuplai generator
terjadinya perubahan kebutuhan daya reaktif pada
ke beban, terus mengalami perubahan. Hal ini akan
beban, dimana perubahan daya ini merupakan suatu
menyebabkan
hal yang sudah pasti terjadi.
terminal
Pengaturan
tegangan
dilakukan
Untuk menangani hal tersebut diatas, maka
tegangan
generator)
output
harus
(tegangan
diubah-ubah
pada
untuk
menjamin generator tersebut tetap stabil dalam
parameter-parameter pembangkit tersebut harus ada
mengkompensasi
yang dapat diubah-ubah agar pembangkit tetap
tersebut. Untuk mengatur besar kecilnya
beroperasi dengan baik dengan tetap tetap menyuplai
output (Vt) yaitu dengan mengatur besar
beban dalam kondisi aman dan stabil. Saat ini telah
induksi
ada
mengatur
mengubah besarnya fluks rotor (φ) dimana besarnya
parameter-parameter pembangkit tersebut dan bahkan
fluks rotor tergantung dari besar arus penguatan
sudah dapat bekerja secara otomatis. Salah satu jenis
sehingga dapat dikatakan bahwa untuk mengubah
peralatan tersebut yaitu AVR (Automatic Voltage
tegangan output dapat dilakukan dengan mengubah
Regulator) yang sedemikian rupa mampu mengatur
arus penguatan. Apabila tegangan output naik
nilai
melebihi tegangan yang semestinya maka arus
sebuah
peralatan
tegangan
yang
yang
mampu
dibangkitkan
oleh
suatu
(E)
kebutuhan
yang
daya
dibangkitkan,
pada
beban
tegangan
dengan
GGL
cara
penguatan harus dikurangi sehingga tegangannya
pembangkit.
teknologi
kembali turun. Sebaliknya apabila tegangan output
komputer dengan dibuatnya software-software yang
turun maka arus penguatan harus dinaikkan agar
mampu
khususnya
tegangannya kembali normal. Pada sistem pengaturan
dibidang kelistrikan. Salah satu dari software tersebut
arus penguatan ini, terdapat dua kondisi yang
yaitu
mungkin terjadi yaitu:
Berkembangnya
mendukung
permanfaatan
segala
MATLAB yang dapat
bidang
digunakan untuk
membuat simulasi dan menganalisa sebuah peralatan
tanpa menyentuh peralatan tersebut. Bahkan mampu
menampilkan
respon
sebuah
peralatan
apabila
diberikan input dan jika input tersebuat diubah-ubah.
a.
Under Excitation
Kondisi under excitatoin yaitu suatu kondisi
generator yang penguatannya kurang (kurang
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
diperkuat) sehingga akan mencatu arus mendahului ke
tegangan keluaran generator dengan cara mengontrol
sistem. Hal ini dapat ditinjau menurut GGM/fluks dari
arus penguatan dari generator tersebut.
reaksi jangkar. Ketika generator kurang diperkuat
Sebuah
AVR
bekerja
dengan
melibatkan
maka ia harus memberikan arus mendahului ke sistem
beberapa bagian dari suatu generator/pembangkit.
karena arus mendahului akan menghasilkan fluks
Model sederhana dari sebuah AVR pada sebuah
jangkar yang akan memperkuat fluks rotor. Adapun
generator yang sistem penguatannya menggunakan
notasi vektor untuk kondisi under excitatoin sebagai
sebuah generator DC tipe shunt ditampilkan seperti
berikut:
gambar berikut:
Gambar 1 Diagram vektor kondisi under excitatoin
b.
Over Excitation
Gambar 3 Model AVR
Kondisi over excitatoin yaitu suatu kondisi
a.
Amplifier
generator yang penguatannya terlalu besar (terlalu
diperkuat) sehingga akan mencatu arus tertinggal ke
Amlipfier/ penguatan dari sistem eksitasi
sistem. Ketika generator terlalu diperkuat maka ia
dapat berupa penguatan megnetik, penguatan putaran,
harus memberikan arus tertinggal ke sistem karena
atau
arus tertinggal akan menghasilkan fluks jangkar yang
direpresentasikan sebagai KA dengan konstanta waktu
akan
TA,
melawan
fluks
rotor
untuk
mengurangi
penguatan yang terlalu besar. Adapun notasi vektor
penguatan
yang
elektronik.
dalam
model
Amplifier
matematisnya
dapat
seperti
persamaan berikut:
untuk kondisi over excitatoin sebagai berikut:
Nilai konstanta waktu (TA) sangat kecil yaitu berkisar
antara 0.02 sampai 0.1 detik.
Gambar 2 Diagram vektor kondisi over excitatoin
b.
Exciter
1. AVR (Automatic Voltage Regulator)
Eksitasi yang biasa digunakan dalam sebuah
AVR (Automatic Voltage Regulator) adalah
generator
terdapat
beberapa
tipe
mulai
yang
suatu perangkat yang dipasang pada generator yang
menggunakan generator DC sampai yang tipe modern
dapat bekerja secara otomatis mengatur tegangan atau
dengan menggunakan SCR sebagai penyearah untuk
amplitudo gelombang yang dihasilkan oleh agar
menghasilkan
generator tetap stabil. AVR bekerja dalam mengatur
direpresentasikan sebagai KE dengan konstanta waktu
daya
DC.
Eksitasi
dapat
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
TE,
yang
dalam
model
matematisnya
seperti
persamaan berikut:
Gambar 4 Blok diagram AVR
1. Generator
Tegangan terminal sebuah generator sangat
tergantung pada bebannya. Dalam bentuk linear, relasi
fungsi tegangan terminal dengan tegangan medan
2. Pengendali PID (Proportional Integral
Derivated)
Pengendali
dapat direpresentasikan sebagai KG dengan konstanta
waktu TG dan fungsi transfernya sebagai berikut:
PID
Derivated)
sebenarnya
pengendali
yang
(Proportional
terdiri
saling
dari
Integral
tiga
jenis
dikombinasikan
yaitu
pengendali P (Proportional), pengendali I (Integral),
dan pengendali D (Derivative). Masing-masing
memiliki parameter tertentu yang harus disetting
2. Sensor
untuk dapat beroperasi dengan baik yang disebut
Sensor terdiri atas transformator tegangan
(PT)
dan
sebuah
penyearah.
Sensor
dengan konstanta.
dapat
direpresentasikan sebagai KR dengan konstanta waktu
a. Pengendali P (Proportional)
TR dan fungsi transfernya sebagai berikut:
Pengendali Proportional memiliki keluaran yang
sebanding dengan besarnya sinyal kesalahan/ error.
Secara sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran
pengendali Proportional merupakan perkalian antara
Prinsip kerja dari AVR yaitu sebagai berikut:
konstanta
proportional
(Kp)
dengan
sinyal
Tegangan keluaran generator mulanya diturunkan
masukannya. Perubahan pada sinyal masukannya
dengan menggunakan PT (Potential Transformer)
menyebabkan sistem secara langsung mengubah
atau trafo tegangan kemudian disearahkan. Hasil
keluarannya sebesar konstanta pengalinya.
penyearahan lalu dibandingkan dengan tegangan
Secara
eksperimen,
referensi (Vref) apabila terjadi perbedaan maka AVR
Proportional
akan memerintahkan amplifier untuk menaikkan atau
ketentuan berikut:
menurunkan arus penguatan generator DC sehingga
1.
harus
penggunaan
pengendali
memperhatikan
ketentuan-
Jika nilai Kp kecil, pengendali Proportional
tegangan output dari generator tersebut juga berubah.
hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang
Jika tegangan output generator DC berubah maka
kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem
arus penguatan generator sinkron juga berubah,
yang lambat.
akibatnya tegangan keluaran generator kembali
2.
stabil.
nilai
Kp
dinaikkan,
respon
sistem
menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan
Adapun blok diagram sebuah AVR seperti
gambar berikut:
Jika
mantapnya.
3.
Namun jika nilai Kp diperbesar hingga mencapai
harga yang berlebihan, akan mengakibatkan
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
sistem bekerja tidak stabil atau respon sistem
menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum
akan berosilasi.
kesalahan bertambah besar, sehingga dipakai
untuk mempercepat respon awal suatu sistem,
meskipun tidak memperkecil kesalahan pada
b. Pengendali I (Integral)
Pengendali Integral berfungsi menghasilakan
keadaan tunaknya.
Dapat
respon sistem yang memiliki kesalahan keadaan
dikatakan
bahwa
masing-masing
mantap nol. Jika sinyal kesalahan tidak mengalami
pengendali P, I, dan D memiliki kelebihan dan
perubahan maka keluaran akan tetap seperti sebelum
kekurangan. Sehingga jika digabungkan ketiganya
terjadi perubahan masukan
secara paralel menjadi pengendali Proportional plus
Secara
eksperimen,
penggunaan
pengendali
Integral plus Derivative atau biasa disebut pengendali
Integral memiliki karakteristik-karakteristik berikut:
PID, maka akan saling menutupi. Elemen-elemen
1.
Keluaran pengendali membutuhkan selang waktu
pengendali
tertentu, sehingga cenderung memperlambat
keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi
respon.
sebuah
2.
Jika
sinyal
kesalahan
nol
maka
keluaran
P,I,
sistem,
dan
D
masing-masing
menghilangkan
offset
secara
dan
menghasilkan perubahan awal yang besar.
pengendali akan bertahan pada nilai sebelumnya.
3.
Jika sinyal kesalahan tidak bernilai nol maka
keluaran akan menunjukkan kenaikan atau
DATA DAN HASIL PENELITIAN
penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal
Berikut ini adalah data Parameter AVR yang
kesalahan dan nilai konstanta Integral (Ki).
4.
Konstanta Integral (Ki) yang bernilai besar akan
mempercepat
hilangnya
offset,
tetapi
akan
mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal
berasal dari manual book dari generator yang
dijadikan sebagai objek penelitian.
Tabel 1. Data konstanta generator pada PLTG GE
keluaran pengendali.
Gain
Time Constant
KA = 1325
TA = 0.02 second
Perubahan yang mendadak pada masukan
KE = 1
TE = 0.5 second
dari pengendali Derivative akan mengakibatkan
KG = 1
TG = 1 second
perubahan yang sangat cepat dan besar. Secara
KR = 1
TR = 0.025 second
c. Pengendali D (Derivative/Differential)
eksperimen,
penggunaan
pengendali
Derivative
memiliki karakteristik-karakteristik berikut:
1.
Pengendali ini tidak akan menghasilkan keluaran
apabila tidak ada perubahan pada masukannya
(berupa sinyal kesalahan).
2.
Sumber : PT. PLN (PERSERO) WILAYAH VIII SULSELTRABAR
SEKTOR TELLO UNIT PLTG
Dari data parameter AVR, jika dibuat dalam bentuk
blok diagram AVR akan menjadi:
Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu
maka keluaran yang dihasilkan pengendali
tergantung pada nilai konstanta Derivative (Kd)
dan laju perubahan simyal kesalahan.
3.
Pengendali Derivative mempunyai suatu karakter
untuk mendahului, sehingga pengendali ini dapat
Gambar 6 Blok diagram hasil penelitian
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
dimana nilai parameter KA adalah variabel, namun
konstanta KA yang digunakan pada mesin sekarang
sebesar
1325.
Adapun
bentuk
penyederhanaan
diagram blok AVR diatas sebagai berikut:
Menurut kriteria kestabilan Routh maka:
Gambar 7 Penyederhanaan Blok diagram
sehingga persamaan fungsi alih loop tertutupnya:
dimana:
Dari data yang diperoleh kemudian dibuat dalam
bentuk fungsi alih kalang terbuka GH(s) menjadi
Untuk memperoleh range nilai KA dimana syarat
suatu sistem stabil jika pada kolom 1 bernilai positif (
maka model matematika sederhananya menjadi
> 0 ):
B1 = 6011.334 - 168.66 KA > 0
- 168.66 KA > - 6011.334
- KA > - 35.642
untuk
disubstitusikan
kepersamaan
4.1,
persamaan di atas ditambahkan dengan konstanta 1
(satu) sehingga diperoleh persamaan karakteristik
sistem sebagai berikut:
KA < 35.642
maka
dan
C1 = 4000 + 4000 KA> 0
4000 KA > - 4000
KA > - 1
Sehingga range nilai untuk KA :
-1<
substitusi persamaan diatas
KA < 35.642
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan
kriteria kestabilan Routh kemudian nilai tersebut
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
disimulasikan
dengan
menggunakan
Untuk KA = 22
MATLAB
sebagai berikut:
a. Tanpa pengendali PID
Gambar 11. Hasil simulasi untuk KA = 22 dengan
pengendali PID
Hasil simulasi yang diperoleh pada settingan
parameter Kp = 0.0272,
Ki = 0.0191, dan Kd =
0.018, secara lengkapnya seperti tabel berikut:
Gambar 8 Blok Diagram Simulasi MATLAB tanpa
pengendali PID
Tabel 2. Hasil simulasi MATLAB
Untuk KA = 22
No
Konstan
ta KA
Gambar 9 Hasil simulasi MATLAB untuk
tanpa pengendali PID
Tanpa Pengontolan
Dengan
PID
Pengontolan PID
Overshoot
maksimum
Time
Overshoot
maksimum
Time
1
1
0,52
3,95
1
563,9
2
10
1,3
7,25
1
31,95
3
20
1,6
10,21
1
12,5
4
22
1,68
14,5
1
10,15
5
30
1,7
32,5
1,01
13,26
1,025
11,85
1,2
8,9
KA= 22
Tidak
b. Dengan pengendali PID
6
36
Tidak
tercap
tercapai
ai
Penambahan pengendali PID pada blok
kestabilan kesta
diagram simulasi AVR dengan settingan seperti
bilan
gambar berikut:
Tidak
7
1325
dapat
dijalankan
Tidak
dapat
dijala
nkan
SIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah kami
lakukan, maka dapat kami simpulkan sebagai berikut :
Gambar 10. Model simulasi MATLAB dengan
pengendali PID
1.
Penentuan nilai konstanta amplifier (KA) pada
sebuah AVR (Automatic voltage Regulator)
hendaknya mengacu pada batasan nilai yang
ANALISIS PENERAPAN PID CONTROLLER PADA AVR (AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR)
(Indar Chaerah Gunadin)
diperoleh dari hasil perhitungan dengan metode
kriteria kestabilan Routh, yaitu pada range -1 <
KA < 35,642. Pemberian konstanta amplifier
(KA) yang paling baik yaitu pada settingan KA = 1
(tanpa pengendali PID), dimana pada settingan
tersebut diperoleh waktu stabil tercepat dengan
tingkat osilasi (transient) yang paling rendah.
2.
Penambahan
Integral,
pengendali
dan
mengurangi
PID
Derivative)
bahkan
(Proportional,
akan
menghilangkan
mampu
osilasi
(transien) yang terjadi pada pembangkit dengan
settingan parameter Kp, Ki, dan Kd yang tepat
yaitu pada settingan parameter Kp = 0.0272, Ki =
0.0191, dan
Kd = 0.018 dengan nilai KA =
22, dimana pada settingan tersebut sistem tidak
mengalami transien sedikitpun dan waktu stabil
yang paling cepat.
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, A, Kuwahara. 1988. Teknik Tenaga
Listrik Jilid 1. PT Pradnya Paramita, Jakarta
Fitzgerald, A.E., Charles Kingsley, Jr, Stephen D
Umans. 1997. Mesin-Mesin Listrik Edisi 4.
Erlangga, Jakarta.
Glover, J.D, M. Sarma. 1994. Power
System
Analysis And Design, 2nd edition. PWS
publishers, Boston.
Kadir, Abdul,. 1986. Pengantar Teknik Tenaga
Listrik. LP3ES. Jakarta
Ogata, Katsuhiko. 1997. Teknik Kontrol Automatik,
Edisi Kedua. Erlangga, Jakarta
Stevenson, William D, Jr. 1994. Analisis Sistem
Tenaga, Edisi Ketiga. Lembaga Penerbitan
Universitas Brawijaya, Malang.
Sumanto. 2000. Mesin Sinkron. Andi, Yogyakarta