APLIKASI PID SEBAGAI KONTROL SUHU PANAS RUANGAN
1
1
1
2
Feranita, Suwitno, Hamim
Staf Pengajar Jurusan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau 1 Alumni Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau Kampus: Binawidya Km. 12,5 Simpang Baru Pekanbaru 28293, Riau. e-mail:
[email protected] Abstrak
Pengontrolan suhu panas ruangan dengan kontroler Proporsional Integral Derivative (PID) merupakan suatu kontrol umpan balik yang digunakan untuk mendapatkan suhu panas pada nilai tertentu dan kemudian mempertahankannya. Pengontrolan suhu panas ruangan ini dilakukan dengan cara menyesuaikan tegangan yang menjadi referensi (set point) agar sama dengan tegangan yang keluar dari sensor suhu. PID difungsikan sebagai kontroler, plant yang dikontrol adalah sebuah pemanas (heater) dan sensor yang digunakan adalah LM35D. Input referensi berasal dari set point yang diberikan oleh user. Tegangan set point ini ini akan dibandingkan dengan tegangan umpan balik yang merupakan output dari dari sensor suhu. Apabila terdapat perbedaan, berarti suhu yang terjadi belum sama dengan suhu yang diinginkan. PID sebagai kontroler yang mengontrol pemanas secara otomatis akan melakukan aksi pengendalian suhu yaitu meminimalisasi perbedaan nilai tegangan tersebut sehingga tercapai suatu keadaan dimana nilai set point akan sama atau mendekati dengan nilai tegangan umpan balik keluaran sensor suhu. Suhu ruangan dapat diketahui melalui LCD melalui pemrograman pada mikrokontroller ATmega8535. Kata
1.
kunci:
Mikrokontroller Atmega8535, Temperature Controller.
PID
Controller,
PENDAHULUAN
Sistem pengontrolan otomatis banyak memberikan keuntungan bagi manusia. Selain dapat mempercepat waktu kerja, pengontrolan otomatis juga dapat mengurangi kesalahan yang dilakukan oleh manusia (human error) dan meningkatkan efektifitas
kerja. Salah satu aplikasi pengontrolan otomatis yang dapat kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah pengontrolan suhu. Berbicara tentang pengontrolan suhu, maka sebuah pengontrol otomatis diperlukan untuk mengontrol suhu sebuah ruangan. Suhu sebuah ruangan perlu dikendalikan dan tetap terjaga agar dapat dimanfaatkan untuk keperluan tertentu. Beberapa ruangan seperti ruangan server , ruang penyimpanan darah, ruang perawatan bayi dan sebagainya, memerlukan pengontrolan otomatis untuk mengontrol suhu ruangan tersebut. Control Proportional, Integral, Derivative (PID) sebagai salah satu alat kontrol otomatis yang terkenal didunia industri akan digunakan untuk mengontrol suhu panas sebuah ruangan. Dengan menggunakan kontrol PID , tegangan umpan balik yang merupakan output dari sensor suhu bernilai sesuai atau mendekati dengan besarnya tegangan yang diberikan oleh user melalui set point . 2.
BAHAN DAN METODE
Kontroler PID adalah kontroler umpan balik uang mempunyai elemen-elemen controler P, I, dan D yang masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metode pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust , sehingga menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik, (Gambar 1).
Gambar 1. Umpan balik kontroler PID (Chairuzzaini, 2006)
Proses Kerja Sistem
Proses kerja sistem dijabarkan dalam blok diagram seperti pada Gambar 2. Blok diagram sistem digunakan untuk memberikan informasi mengenai sistem secara keseluruhan. Aplikasi kontroler PID untuk pengontrolan suhu ruangan
32
menggunakan sistem umpan balik (feedback). Adapun blok diagram secara umum dari sistem ini adalah:
Gambar 2. Blok diagram sistem
Pada Gambar 3 ditunjukan sebuah blok diagram secara lengkap dengan menggunakan umpan balik dari sistem pengontrolan suhu ruangan. LM35D Set Point Input Potensiometer
Error Detector
+
Proporsional Integral
-
Filter RC Filter RC
Driver L a m p u / P W M from Atmega 8535
Lampu (Heater)
Filter RC Filter RC
Derivative Filter RC
Sinyal Feedback Am plifie r
ADC Mikrokontroler ATMega8535L
LC D
Signal Conditioning
Gambar 3. Blok diagram sistem pengontrolan suhu ruangan
Prinsip Kerja Sistem
Sebuah input diberikan oleh user dengan menggunakan potensiometer. Input ini kemudian diterima oleh kontroler PID dan dimanfaatkan oleh plant yaitu bola lampu halogen H4 sebagai pemanas untuk menghasilkan suhu ruangan. Dikarenakan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh kontroler PID sangat terbatas dan tidak mampu untuk mengaktuasi bola lampu halogen H4, maka ditambahkan sebuah rangkaian driver atau pengemudi lampu. Rangkaian driver lampu ini menggunakan pulse width modulation (PWM ) , dimana duty cicle PWM ini diatur oleh keluaran kontroler PID. Dengan demikian maka dapat dikatakan bahwa suhu ruangan yang ada dapat dikendalikan oleh kontroler PID. Dengan menggunakan sensor suhu LM35, besaran fisis berupa panas ini akan dikonversi menjadi sebuah tegangan dan dikirim kerangkaian pengkondisian sinyal
33
setelah melewati rangkaian filter. Output dari signal conditioning merupakan tegangan rata-rata dari jumlah tegangan masing-masing sensor suhu, yang akan digunakan sebagai tegangan umpan balik. Tegangan inilah yang akan diatur dan diolah oleh kontroler PID sehingga, diperoleh keadaan dimana tegangan umpan balik ini nilainya sama atau mendekati dengan set point . Masukan ADC diperoleh dari tegangan rata-rata yang diperkuat kemudian diolah oleh mikrokontroller ATmega8535 sehingga suhu rata-rata ruangan dapat ditampilkan oleh Liquid Crystal Display (LCD). 3.
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Untuk analisa, maka dilakukan penghitungan data output LM35D dan amplifier secara teori, yaitu sebagai berikut:
V out LM 35 D
=
10 mV
o
C
* T
(1)
V outAmp = 5 *V out LM 35 D
(2)
Berdasarkan pada persamaan diatas, maka secara teori output LM35D dan amplifier dapat dilihat pada tabel 1 Tabel 1 Perhitungan teori sensor Suhu LM35D Suhu (Celcius)
Vout LM35D / Vrata-rata (mV)
Vout Amplifier (V)
27 28 29 30 31
270 280 290 300 310
1.35 1.4 1.45 1.5 1.55
Fungsi Alih Sistem
Proses awal untuk mengetahui kemampuan kontroler PID dalam melaksanakan aksi pengontrolan atau pengendalian suhu panas ruangan adalah dengan mengetahui respon sistem yang ditunjukan oleh plant yaitu pemanas dan sensor. Dengan mengetahui respon atau karakteristiknya ini maka kita dapat memberikan parameter kontrol yang sesuai dan dibutuhkan oleh sistem. Respon dari plant ini diambil dengan metode reaksi sistem untaian terbuka (open loop). Secara umum, respon yang dihasilkan dengan metode ini adalah sebuah respon dengan kurva yang dihasilkannya adalah sebagai berikut:
34
Gambar 4
espon plant ntaian terbu a
Sela jutnya, untuk lebih memudahkan melakukan aksi kontr l pada sist m ang ada m ka dapat ki a perhitungkan fungsi lih dari plant tersebut. ungsi alih ini idak mutla akan tetapi dapat ber anfaatkan ntuk mem ermudah a alisa terhad ap sistem terse but. Sebagai langkah a al untuk elakukan penentuan d n perhitungan ungsi alih, maka para eter yang harus diper atikan ada ah orde da i sistem yang ihasilkan. Berdasarka respon pada Gambar diatas, da at diketahui bahwa o de sistem adalah orde satu, dengan per amaan dari orde satu a alah sebagai berikut: C ( s R ( s
=
K Ts
+
1
(3)
eterangan: K = p rbandingan antara suhu dengan teg ngan (°Cel ius/Volt) T = w ktu respon pada kondisi 63.2% dar nilai refere nsi Berdasarka berikut:
keteranga tersebut maka dite tukan ko poen-komponen seba ai
Ga bar 5. Resp n untuk men entukan fun si alih
35
Tegangan setpoint yang diberikan adalah sebesar 10 Volt, sedangkan tegangan awal adalah 5.8 Volt. Suhu yang dihasilkan pada saat respon telah mencapai setpoint adalah 48 °C, sedangkan suhu pada tegangan 5.8 Volt adalah suhu kamar pada saat pengukuran, yaitu sebesar 29 °C. Tegangan awal ini diperoleh dari proses penguatan sebesar 20 kali penguatan terhadap setpoint, seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Dengan diketahuinya beberapa komponen diatas maka dilakukan perhitungan fungsi alih yaitu sebagai berikut: C ( s) R( s)
=
K Ts + 1
Keterangan: K =
48 − 29 10 − 5.8
=
19 4.2
=
4.5238
V (63.2% )
=
5.8 + [(10 − 5.8) * 63.2%]
V ( 63.2%)
=
5.8 + [4.2 * 63.2%] = 5.8 + 2.6544 = 8.4544
V (63.2% )
≈
T
8.4544 ≈ 120 maka persamaan fungsi alihnya adalah: C ( s ) R( s ) C ( s ) R(s )
=
=
K Ts + 1
4.5238 120s + 1
Fungsi alih dari sistem ini selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan Matlab versi 5.3. Untuk proses awal, simulasi ini dilakukan tanpa menggunakan umpan balik dan tanpa kontroler. Untuk melakukan simulasi pada matlab maka konstanta dari fungsi alih diatas harus dibagi dengan 10 agar sesuai dengan set point yang digunakan. Hal ini perlu dilakukan karena step satuan untuk matlab umumnya menggunakan satu step satuan. Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan manggunakan mathlab, terdapat persamaan dengan respon sistem. Dengan demikian berarti fungsi alih yang dihasilkan dapat digunakan untuk membantu menentukan parameter PI.
36
ambar 6. P ngujian fun si alih denga n mathlab ta pa umpan b lik
Gambar 7. Pengujian fu gsi alih den an matlab t npa kontrole r
espon PI
Terhadap Sistem
Kon roler PID digunakan untuk pros s pengont olan suhu panas sebu ah uangan. Untuk meng tahui kinerja dari rangkaian in , maka perlu dilaku an beberapa k li pengujia pada sistem yang ad . Pengujia ini meliputi penggunaan arameter-parameter kontroler PID yaitu Kp, Ki dan Kd. Pengujian arameter d ari ontroler P D dapat d lakukan se ara indivi ual maupu dengan k ombinasi d ari etiga para eter terseb t. Dari pen gujian ini kan dihasilkan respon yang berbe a beda. Sel njutnya, s tiap kontr ler yang emiliki r spon yang terbaik a an igunakan sebagai refer ensi untuk engontrol sistem yait pengendalian suhu pa as uangan. Beri ut ini ada ah hasil p engujian y ng dilakuk n secara erulang-ulang erhadap ko troler PID. Parameter ID diguna an untuk mengetahui p rubahan yang erjadi pada sistem pengontrolan suhu panas ru ngan.
37
Gamb r 8. Tampila osiloskop P [Kp=100]
Gambar . Tampilan o siloskop P [ p=500]
Gamb r 10. Tampil an osiloskop P [Kp=1000]
Gambar 11. Tampilan osiloskop PI [Kp=100 Ki=0.05
Gamba 12. Tampil n osiloskop I [Kp=500 Ki=0.5
Gambar 13.
Tampi an osiloskop PI [Kp=1000 Ki=1]
38
Gambar 14. ampilan osil oskop PID [ p=1000 Ki= 0.5 Kd=0.02 8]
Data yang d iperoleh dar i hasil peng jian rangkaian PID adalah sebagai berikut: abel 2. Data perbandingan kontroler P ID K ntroler O en loop P P P P PI PI PI PI PID PID
Kp 1 100 00 00 1000 100 100 00 1000 100 1000
Ki 0.05 0.5 0.5 0.5 0.05 0.5
Kd 0.003 0.028
r 550 530 500 440 420 440 440 520 710 6 80 7 50
Td 150 150 140 130 130 130 130 140 160 140 120
nalisa dat perbandingan kontrole PID: 1. Pada sa t Kp digu akan sebe ar 100 ma a yang di utuhkan u tuk menca ai 100% ( r) sangat lama yaitu 550 detik, hal ini terjadi arena sifat p yang da at bekerja dengan bai apabila nilai Kp ting i (Reverensi 1000), Dan time delay (Td) ata waktu yang dibutuhka untuk me capai 50% dalah 150 etik. . Pada sa t Kp yang igunakan ebesar 100 maka wak tu yang dib tuhkan untuk mencap i 100% le ih singkat dari pada pemakaian p sebesar 100 yaitu 420 detik, dan waktu ya g dibutuhk n untuk me capai 50% sebesar 130 detik. 3. Pada sa t Kp yang digunakan sebesar 10 0 dan Ki ebesar 0.5, Respon yang didapat untuk men apai Tr se besar 710 etik diseba bkan sifat dari Ki yaitu: Respon ebih lamba dibanding p, Dapat enimbulka ketidakset bilan (Kare na menambah orde sist m)
39
4. Pada saat Kp berharga 1 00 dan Ki 0.5 dan K 0.028 wa untuk menca ai 100% b rkisar antara 750 ini disebabkan namun waktu yang dibutuhkan untu mencapai 50% sang detik disebab an karena sifat dari Kd antara lain memberika si tem yang erosilasi, emperbaiki respon tra sien, kare sa t ada perubahan error .
tu yang di utuhkan karna nilai dari Ki t singkat yaitu 120 efek reda an pada a memberi an aksi
Rise Time (Tr) adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai 100% ari nilai yang enjadi referensi. Sedangkan Ti e Delay (T ) adalah w ktu yang di erlukan ketika respon ters but menca ai 50% ant ra nilai ref rensi dengan nilai awal. Dari hasil pengujian ontroler P D terhadap sistem, da at dianalis bahwa secara umum par meter-para eter dari ontroler PID tidak me berikan b rubahan yang ignifikan t rhadap kec patan resp n umpan b lik untuk enuju kon isi yang diingi kan. Perub han respon yang terjad untuk setia p pengguna an parameter Kp, Ki maup n Kd sepe ti pada dat diatas relatif kecil.
Resp n PID Ter adap Gangguan
Tahap sel njutnya untuk menguji kemampuan dari k ntroler PI adalah denga memberi an gangguan terhadap sistem yang ada. Gang uan yang iberikan adala panas dari sumber ya g lain. De gan demik an berarti erdapat dua sumber panas, yaitu sum er panas d ari pemana referensi leh kontro er PID dan sumber panas gangguan. Dari peng jian ini ak n dibuktikan bahwa k ntroler PID mampu melak ukan prose pengontrolan suhu yaitu proses empertaha kan suhu p da nilai terten u dari pemanas yang ikontrol dan mengatasi gangguan dari pema as yang lain. Resp n Plant Open Loop ta pa gangua dan tanp kontroler
Gambar 15. Tampilan osiloskop unt aian terbuka
40
espon Plant Open Lo p dengan anguan dan tanpa ko troler
Res on plant o en loop ini terdiri dari dua buah emanas ya g dihidup an secara berg ntian setelah salah sat pemanas berada dala keadaan tabil. Gam ar 15 adalah respon yang d itunjukan o eh pemanas pertama. Data steady stat (keadaan sudah stabil ) untuk pemanas refere si terjadi pada aktu 950 detik, seperti yang di unjukan p da Gamba 16. dan Gambar 7. emudian, setelah 18 detik ko disi stead state berl angsung, aka pema as anguan di idupkan. Akibat adan a pemanas gangguan ini, maka respon pema as ertama ya g telah stabil menjadi aik kembali pada waktu 1130 deti atau kurang ebih sekitar 18 meni seperti pada Gamba 17. Akhi dari kenaikan pema as angguan t rjadi pada aktu 1320 detik dima a respon pemanas gangguan relative stabil (stead y state) sep rti pada Ga bar 18.
Gambar 16. Tampilan osiloskop pemanas si tem
dari
Gambar 17. Ta mpilan osilo skop pemanas sistem yang stabil
Gambar 18. Tampilan osilosko pemanas gangguan
Ga bar 18 adal ah respon ari pemanas pertama ang relatif hampir sta il. etika res on dari pemanas pertama telah menunjuka nilai yang stabil pada 41
tegan an 10 volt (Gambar 16) maka emanas kedua dihidu kan. Tampak pada Gambar 18 adan a kenaikan respon ya g sangat esar. Prose ini dilaku an guna menu jukan bah a ganggua bekerja secara optim l. telah sta il Setelah eberapa waktu. kondisi r spon dari emanas ke ua (Gambar 19) akan stabil. Error steady state (ess) yang di ebabkan ol h pemanas angguan a alah sebesar 1.2 volt
Gam bar 19. Tam ilan osilosko p pemanas
angguan yan g stabil
Dari hasil simulasi terlihat jelas b hwa respon dari plant engalami enaikan karen adanya g ngguan. Besarnya nil i kenaikan ini tergan ung pada esarnya gangguan yang di berikan me yebabkan error steady state akan semakin bes r . Setelah diketahui ma ing masin respon dari sistem untaian terb ka baik denga tanpa gan guan dan ada gangguan, maka tahap selanjut ya adalah d ilakukan uji co a terhadap kontroler P D. Dengan uji coba ini diharapkan adanya pe buktian terhad ap kinerja ontroler PID dalam engontrol uhu panas uangan. Berikut ini adala tampilan p oses penge dalian suh panas ruan an oleh ko troler PID. Resp n Plant ta pa gangua dengan k ntroler ( cl se loop) •
Setpoint 4 Celcius (8 Volt),
Gam bar 20. Resp on dengan Kp= 100 Ki=0.05
kontroler
Gambar 1. Respon dengan Kp=100 i=1
k ntroler
42
Gambar 22. Respon d ngan Kp=500 Ki=0.5
kontroler
Gambar 23. Re spon deng n kontrole r K =1000 Ki=0. 5 Kd=0.028
espon Plant dengan anguan da kontroler ( close loop •
Setp int 45 Celcius (10 Volt),
Gamb r 24. Model gangguan
Ga bar 25. Res pon deng n kontro er Kp 100 Ki=0. 5 Time R se (Tr =310, Waktu Gangguan (Tg=350)
Dari Gambar d i atas dap t dijelaska bahwa respon pe anas perta a encapai s tpoint pad a waktu 310 detik. Setelah men apai kestabilan, pema as ang kedua dihidupkan pada waktu 350 deti . Dengan ata lain ba wa gangguan iberikan setelah sistem stabil sela a 40 detik. Dari Gambar tersebut, terlihat bah a angguan ti ak berpengaruh terhad p kenaikan suhu ruang n. Sam halnya p njelasan p da Gambar sebelumnya, respon dari pema as ertama mencapai kon isi setpoint pada wakt 380 detik. Kemudian setelah sta il, anguan da i pemanas lain diberik an. Gangguan ini diawali pada w ktu gangguan 550 detik.
43
(a)
(b)
Gambar 26. Respon dengan kontroler Kp=1000 Ki=0.5 Time Rise (Tr) =380, Waktu Gangguan (Tg=550)
4.
KESIMPULAN
Dari hasil analisa dan pembahasan dapat disimpulkan : 1. Untuk menentukan bahwa kontrol berjalan dengan baik, jika nilai referensi sama dengan nilai output, dengan menentukan parameter-parameter Kp, Tr, Td. 2. Parameter-parameter PID yang dianggap ideal dari analisa adalah: Kp=1000, Ti=0.5, Td=0.028.
DAFTAR PUSTAKA
Chairuzzaini, Rusli, Ariyanto, R. ”Pengenalan Metode Ziegler-Nichols pada Perancangan Kontroler pada PID”. Tersedia: http://www.elektroindonesia.com/elektro/tutor12.html [27 Desember 2006] Clayton, G. and Winder, S. (2005). Operation Amplifier Fifth Edition. Jakarta: Erlangga. Expertune. What is PID – Tutorial Overview. Tersedia: http://www.expertune.com/tutor.html [8 Januari 2007] Hartono, J. (2003). Konsep Dasar pemrograman Bahasa C . Yogyakarta: Andi Yogyakarta. Iqwandy, D. (2005). System Pemantau dan Pengendali Suhu Ruang dengan Menggunakan Metode Fuzzy Logic dan Dilengkapy System Informasi Berbasis SMS (Short Messaga Service). Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan.
44
Jurelly, F. (2006). Kontrol Otomatis Kecepatan Putar Motor DC dengan PID. Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan. Malvino, A. (2004). Prinsip-Prinsip Elektronika. Jakarta: Salemba Teknika. Novita, S. (2004). Rangkaian Elektronika III . Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan. Pitowarno, E. (2006). Robotika: Desain, Kontrol, dan Kecerdasan Buatan. Yogyakarta: Andi Yogyakarta. Uyanto, S. (2001). Petunjuk Lengkap Pemrograman Komputer dengan Bahasa C . Jakarta: PT. Gramedia Widiasarana. University of Michigan. Control Tutorial For Mathlab: PID Tutorial, Tersedia: http://www.engin.umich.edu/group/ctm/PID/PID.html [8 Januari 2007] William, C.D.H. Controller Circuit . Tersedia: http://www.newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Feedback/DIY-PID.html [8 Januari 2007)
45
