Design dan Simulasi Pengontrolan Suhu Menggunakan Kontrol PID berbasis Mikrokontroler ATMEGA-16 Harmini1)Titik Nurhayati2) 1)Jurusan Teknik Elektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang 50196,email:
[email protected] 2)Jurusan Teknik Elektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang 50196,email:
[email protected]
Abstrak – Heater is often used in daily life. The principle of heater is to convert electrical energy into heat energy. Control of the temperature adjusted to the load that be used. Unstable temperature setting cause the performance of the heater system is not working optimally. In this project will be designed modules for controlling the temperature in laboratory scale. The purpose of this project to control the heater temperature is adjusted to the load and keep the temperature stable. The method of temperature control using the controlling RMS AC voltage. The temperature in this research is 30oC. Temperature control module circuit consist of four main parts, they are DS1822 sensor circuit, DAC MAX518 circuit, TRIAC circuit and TCA 785 circuit. The test result demonstrated that the heater driver control circuit using RMS AC voltage control and delay angle have a 10.77% error.The control system show that plant tend ro oscillate with a value ±0.1oC, overshoot occurs at a continuous period of ±0.3oC and reaches steady state during 3 hours. Keyword : Heater, RMS AC Controller, , TCA 785 circuit, PID 1.PENDAHULUAN Heater atau alat pemanas banyak digunakan pada perangkat elektronik yang sering dipakai untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari. Peralatan tersebut antara lain setrika, pemanas air, pemanas pada akuarium agar suhu dalam air tetap terjaga, alat pemagang roti, inkubator dan lain sebagainya. Prinsip kerja dari alat pemanas adalah mengkonversikan energi listrik menjadi energi panas. Pada peralatan pemanas tertentu diperlukan pengaturan terhadap suhu panas yang dihasilkan oleh peralatan tersebut, sehingga perlu adanya pengontrolan terhadap suhu sesuai dengan kebutuhan. Pengaturan suhu dari peralatan tersebut masih bersifat manual sehingga suhu yang dihasilkan tidak stabil dan tidak sesuai dengan setting point dari nilai suhu yang diinginkan. Pengaturan suhu yang tidak stabil dapat menyebabkan kinerja dari sistem pemanas tidak bekerja dengan maksimal. Pada penelitian ini akan dirancang dan dibuat sebuah sistem pengontrolan suhu pada pemanas atau heater. Modul pengontrolan suhu bertujuan untuk
mengendalikan suhu yang diinginkan sesuai setting point serta menjaga suhu tetap stabil. Pengontrolan suhu dilakukan dengan menggunakan teknik kontrol PID (Proporsional, integrator dan Diferensiator). Perancangan dan pembuatan pengontrolan suhu dilakukan dengan menggunakan metode pengontrolan tegangan AC RMS dan mikrokontroller ATMEGA16 untuk mengatur tegangan kontrol pada heater. Masukan dari sistem kontrol suhu berasal dari pemanas yang dideteksi dengan sensor suhu sehingga menghasilkan sinyal keluaran dalam bentuk analog, kemudian sinyal tersebut dikonversikan dalam bentuk sinyal digital menggunakan konverter ADC (Analog Digital Converter) sebagai sinyal masukan kemikrokontroller. Pada penelitian ini menggunakan setting point suhu sebesar 30o sebagai sample dalam pengambilan data. 2.TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kontrol Tegangan AC ke AC (Alternating Current) Rangkaian kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa dapat dibangun dengan menggunakan dua SCR atau satu buah TRIAC. Daya AC (Alternating Current) yang disalurkan ke beban dapat dikontrol pada kedua sisi setengah perioda positif maupun negatif, yaitu dengan memvariasi sudut picu ' ' .Harga-RMS dari tegangan beban dapat berubah tergantung dari variasi sudut picu ' ' . Kontrol teganganAC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa yang terhubung ke beban resistif masing-masing diperlihatkan pada Gambar1. Rangkaian ini dapat mengontrol daya AC (Alternating Current) yang akan disalurkan ke beban dari dua arah setiap setengah perioda yang berbeda, yaitu dengan melakukan pengontrol posisi dari sudut picu ' ' . DayaAC (Alternating Current) dapat dikontrol sesuai dengan kebutuhan beban. Oleh karena itu kontrol tegangan AC (Alternating current) gelombang penuh satu fasa sering disebut juga sebagai kontrol dua arah (bi-directional controller). Gambar 1 menunjukkan kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh satu fasa menggunakan TRIAC.
Gambar 1. Kontrol tegangan AC gelombang penuh satu fasa menggunakan TRIAC[12][13] 2.2. Karakteristik Kontrol Tegangan AC (Alternatinf Current) Beban Resistif Karakteristik kontrol tegangan AC (Alternating Current) ditunjukkan dengan hubungan antara tegangan RMS keluaran V0(RMS) terhadap sudut picu. Berdasarkan Gambar 1, harga RMS (Root Mean Square) dari tegangan keluaran bebab dapat dicari dengan Pers 1.
VO2 RMS V 2 L RMS
1 2
2
v d t 2
(1)
L
0
Untuk kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang penuh dapat dicari dengan periode waktu pulsa keluaran adalah π rad karena bentuk gelombang tegangna keluaran terdiri dari setengah periode simetris positif dan negatif. Sehingga, tegangan keluaran RMS dapat ditentukan dengan pers. 2 sampai Pers.6.
V 2 L RMS
1
V
2
m
sin 2 t.dt
(2)
0
V 2 L RMS
1 2
2
v
2
L
.d t
(3)
0
Dimana:
vL vO Vm sin t ;untuk t to dan
t to 2 Sehingga: VL2 RMS
2 (4) 1 2 2 Vm sin t d t Vm sin t d t 2
VL RMS VS
dimana
VS
1 sin 2 2
Vm 2
Harga-RMS
dari
(5) sumber
tegangan masukan. Berdasarkan Pers.5 dapat di ketahui Karakteristik kontrol tegangan AC seperti ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2 Karakteristik Kontrol Tegangan-AC (Alternating Current) Gelombang Penuh Satu Fasa[12][13] b. Rangkaian TCA 785 Rangkaian penyulutan yang digunakan untuk memicu kerja dari triac adalah IC TCA785. Gambar 3 menunjukkan blok diagram dan prinsip kerja dari IC TCA 785. Siyal sinkron dari tegangan masukan dihubungkan dengan pin 5 (Usync) melalui resistor. Zero detector akan menentukan titik nol dan disimpan kedalam memori sinkron. Detektor ini kemudian akan mengendalikan sinyal gigi gergaji dengan frekuensi sesuai tegangan sinkronisasi. Kapasitor C10 dan C9 akan menentukan kemiringan dari gelombang gigi gergaji yang dihasilkan. Gelombang gigi gergaji akan dibandingkan dengan tegangan referensi (U11) dengan rangkaian comparator (pembanding). Sinyal keluaran comparator diteruskan kedalam rangkaian logic. Bila tegangan referensi pada U11 kecil atau bernilai nol maka sudut penyulutannya nol. Pulsa pentrigeran dapat digeser secara berkelanjutan dengan sudut fase antara 00 – 1800 dengan mengatur tegangan referensi. Pin 14 menghasilkan pulsa triger yang akan akan diteruskan ke triac melalui optoisolator triac yang akan memicu pulsa setengah gelpmbang positif. Pin 15 akan menghasilkan pulsa picu yang akan digunakan untuk memicu pulsa setengah gelombang negatif. Pada keluaran Q1 dan Q2 akan diperoleh pulsa positif dengan lebar pulsa sekitar 30 µs untuk setiap setengah cycle dari tegangan sumbernya. Lebar pulsa dapat diatur dengan mengubah nilai kapasitor C12. Pulsa keluaran negatif dihasilkan pada pin 2 dan pin 4 yaitu Q1 dan Q2.
Displai LCD
ATMEGA-16
SP =30o C
Driver Heater
Heater
Serial RS232 Kontroller (P, I,D)
Sensor Suhu
Gambar 4. Blok diagram perancangan sistem pengontrolan suhu heater dengan sistem kontrol tegangan AC RMS dan kontrol PID. Gambar 3. Blok diagram dan prinsip kerja rangkaian TCA 785[8] 2.3. Kontrol Tertutup PID (Proporsional, Integrator dan Differensiator) Sistem kontrol PID terdiri dari tiga cara pengaturan yaitu kontrol P, I dan D dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Perancangan sistem kontrol PID dilakukan dengan mengubah parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran dari sistem terhadap sinyal masukan sesuai dengan yang harapkan serta mendapatkan solusi yang terbaikdari permasalahan pada sistem/plant kita. Kombinasi dari ketiga control tersebut disebut dengan Aksi Mode Kontrol Kombinasi P, I dan D. Tabel 1 menunjukkan mode kontrol PID. Tabel 1. Aksi Mode Kontrol Aksi Mode Elemen Transfer Fuction C(s) PID Proporsional (P)
P
Integral (I) dengan Ti=1
I
Proporsional integral (PI)
P dan I
Proporsional Derivatif (PD)
P dan D
Proporsional Integral Derivatif
P, I dan D
C(s) = Kp
3.HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Blok diagram Pengontrolan Suhu Gambar 4 menunjukkan blok diagram perancangan hardware sistem pengontrolan suhu heater dengan sistem kontrol tegangan AC RMS dan kontrol PID.
3.2. Perancangan Driver Heater Rangkaian driver heater berfungsi untuk mengatur besar kecilnya daya yang menyuplai heater sesuai dengan keluaran dari logika kontroler. Pengaturan daya heater dilakukan dengan mengatur tegangan RMS yang masuk ke heater. Perancangan driver heater dalam sistem ini menggunakan kontrol tegangan RMS melalui triac. Sudut picu triac diatur menggunakan keluaran pulsa rangkaian TCA785, sedangkan untuk mengatur pulsa keluaran rangkaian TCA785 digunakan rangkaian DAC (Digital to Analog Converter) yang diatur oleh mikrokontroller berdasarkan keluaran logika dari kontroller. Perancangan driver heater secara keseluruhan terdiri dari rangkaian TCA785, rangkaian DAC dan rangkaian triac. 3.2.1. Rangkaian TCA 785 Rangkaian TCA 785 berfungsi sebagai pengatur tegangan AC sinus yang akan disupply ke beban AC resistif, dalam hal ini adalah heater. Prinsip kerja dari rangkaian TCA adalah menghasilkan pulsa yang akan digunakan untuk memicu TRIAC sehingga menghasilkan tegangan AC yang berubah-ubah sesuai dengan besarnya sudut picu tau sudut penyulutan. Gambar 5 menunjukkan rangkaian TCA 785.
Gambar 5. Rangkaian TCA 785 3.2.2. Rangkaian TRIAC Triac dirancang menggunakan Q4004 karena triac digunakan untuk switching daya heater. Optotriac MOC 3010 dipasang sebelum daya masuk ke triac, yang berfungsi untuk memisahkan rangkaian tegangan rendah dan rangkaian tegangan tinggi. Gambar 6 menunjukkan rangkaian Triac
Gambar 6. Rangkaian Triac 3.2.3. Rangkaian DAC MAX518 DAC dibangun menggunakan IC MAX518 dimana terdapat 2 channel DAC dengan tegangan keluaran DAC 0 s/d Vcc (+5V). Keluaran DAC channel 0 dari MAX518 digunakan untuk mengatur keluaran sinyal pulsa dari TCA785. Sudut picu keluaran IC TCA785 (pin 14 dan pin 15) dapat diatur mulai dari 0o s/d 180oC. Pengaturan sudut dilakukan pada pin 11 (control voltage). Tegangan yang masuk ke pin 11 adalah 0 s/d tegangan puncak segitiga pada pin 10 (sekitar 15 volt). Dengan kondisi ini maka keluaran DAC channel 0 yang semula 0 s/d 5 Volt harus dinaikkan menjadi 0 s/d 15 V dengan menggunakan rangkaian non inverting amplifier. Perencanaan DAC ini menggunakan non-inverting amplifier dengan desain sebagai berikut: VAwal = 5 V VAkhir = 15V R4 = 10kΩ Besarnya R3 dicari dengan menggunakan Persamaan 6. (6)
Gambar 8. Rangkaian DS1822 3.4. Perancangan Kontroller Diagram blok kontroller ditunjukkan pada gambar 9.
Gambar 9. Diagram Blok Kontroler Kontroler akan membaca E (Error), E didapatkan dari selisih antara SP (Setting Point) dengan AV (Actual Value). AV didapatkan dari hasil pembacaan sensor DS1822 melalui komunikasi data satu wire yang akan dikonversikan menjadi nilai suhu (oC). Keluaran kontroler akan disaturasikan ke nilai DAC yaitu 0255, kemudian dikirimkan ke driver heater melalui komunikasi I2C DAC selanjutkan oleh driver heater akan dikonversikan kenilai tegangan AC RMS 0220V. Berdasarkan pada proses identifikasi plant maka didapatkan transfer fuction dari heater seperti ditunjukkan pada persamaan 7. (7) Parameter kontroler P, PI dan PID ditentukan berdasarkan tuning metode Ziegler Nichols. Tabel 2. Parameter P,PI dan PID Tipe Kp Ki Kd Kontroler P 1077.04 Kp x 0 =0
Gambar 7. Rangkaian DAC MAX518 Perancangan Sensor Suhu DS1822 Rangkaian DS1822 merupakan rangkaian sensor suhu, rangkaian sensor suhu dalam sistem ini ditunjukkan pada gambar 8.
I
968.88
Kp x 0=0
PID
1292.56
Kp x 54,5 = 70444.52
3.3.
3.5. Hasil Pengujian Rangkaian Heater Hasil pengujian rangkaian driver heater ditunjukkan pada Tabel 2 dengan masukan berupa tegangan DC keluaran dari DAC mulai dari 0 s/d 255 atau sudut penyulutan mulai 0 s/d 180o dengan pengontrolan tegangan AC-AC terkontrol gelombang penuh..
Tegangan supply DC adalah 4,95V dan VAC = 224 VAC. Tabel 2 Data pengujian driver heater Sudut picu (o)
Tegangan DAC Ch0 (Tp0)
V Heater (TP7)
Data DAC
Hasil ukur (V)
Hitung (V)
% Error
Hasil ukur (V)
Hitu ng (V)
% Error
0
0
0,00
0,00
0,00
224
224
0
30
42
0,82
0,82
1,23
213
218
2,29
60
85
1,65
1,64
0,61
172
180
4,44
90
127
2,46
2,46
0
105
112
6,25
120
170
3,29
3,29
0
37
44
14,06
150
212
4,10
4,10
0
4
6
33,33
180
255
4,93
4,93
0
0
0
0
Hasil pengukuran tegangan dan sinyal rangkaian driver heater dengan menggunakan oscilloscope, ditunjukkan pada Gambar 10 sampai Gambar 13, sedangkan untuk gambar dengan variasi sudut pemicuan sesuai dengan data terlampir. a) Sinyal pada kaki sinkronisasi (TP3) Vsink = 1,64 div x 50mV/div = 82 mV dan T= 4 div x 5 ms/div = 20 ms (f=50Hz)
Gambar 10. Sinyal Sinkronisasi b) Sinyal pada sinyal segitiga (TP4) dan tegangan kontrol (TP2)
Gambar 11. Sinyal segitga dan tegangan control Vsegitiga = 2,95 div x 5V/div = 9,75V dan T = 2div x 5ms/div = 10ms (f= 100Hz). c) Sinyal Pulsa (TP5)
Gambar 12. Sinyal pulsa Vpulse = 2,5 div x 5V/div =12,5V dan T=1 div x 10ms/div = 10ms (f=100Hz) d) Sinyal output/tegangan heater (TP6)
Gambar 13. Sinyal tegangan heater pada sudut pemicuan 90oC
Grafik 1. Karakteristik driver heater Grafik 1 menunjukkan karakteristik dari driver heater dengan menggunakan pengontrolan tegangan RMS AC-AC terkontrol gelombang penuh. Karakteristik driver heater dengan menggunakan TCA 785 mendekati karateristik pengontrolan tegangan AC ke AC secara teori, sehingga pada sudut penyulutan 0o akan didapatkan tegangan maksimum sesuai dengan tegangan maksimum sebaliknya jika diberi sudut penyulutan 180o maka tegangan yang dihasilkan semakin mendekati harga nol. 3.5. Hasil Pengujian Sistem Kontrol PID Pengujian sistem kontrol PID menggunakan setting point suhunya sebesar 30oC. Grafik 2 menunjukkan hasil sistem kontrol PID dengan suhu awal sebesar 24oC. Sistem heater yang dibuat cenderung berosilasi pada titik referensi dengan nilai osilasi sebesar ±0.1oC dan overshoot terjadi di awal waktu kontinyu sebesar ±0.3oC. sistem akan mencapai steady state pada saat sistem berjalan 3 jam.
[6] [7]
[8] [9]
[10] Grafik 2. Sistem Kontrol PID 4.KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian modul pengontrolan suhu dengan menggunakan ATMEGA-16 dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Rangkaian elektrik modul pengontrolan suhu terdiri dari 4 bagian utama yaitu rangkaian sensor DS1822, rangkaian DAC MAX 518, rangkaian TRIAC dan rangkaian TCA 785. 2. Rangkaian kontrol driver heater menggunakan tegangan kontrol AC RMS dan kontrol sudut picu memiliki error 10,77%. 3. Sistem kontrol PID dengan plant heater yang dibuat cenderung berosilasi dengan nilai osilasi sebesar ±0.1oC dan overshoot terjadi di awal waktu kontinyu sebesar ±0.3oC dan sistem mencapai steady state pada waktu 3 jam 4.2. SARAN 1. Pengontrolan dikembangkan dengan menggunakan sistem kontrol lainnya seperti Fuzzy, Neural Network. 2. Menghitung konsumsi daya yang diperlukan untuk setiap pengontrolan suhu sehingga diketahui effisiensi dayanya 5.DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3] [4]
[5]
Ali Muhamad.2004. Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID dengan software Matlab. Jogjakarta : Univeristas Negeri Jogjakarta Astrom Karl Johan. 2002. Control System Design – Chapter. PID control. USA : Instrument Society of America. Data Sheet 1994 Phase Control IC TCA785. Jerman : Siemens Faishol Fathu Riza . Perancangan sistem pengendali suhu dan monitoring kelembaban berbasis ATMEGA 8535 pada plant inkubator. Pongki Hartanto. Kontrol suhu untuk menjaga adonan permen dan valve untuk mengeluarkan permen sebesar 2,5 Gram.
[11]
[12]
[13]
[14]
Datasheet BC546, BC547,BC548. USA :Motorola Datasheet DS1822 Econo 1-Wire Digital Thermometer. USA : Maxim Integrated product, Dallas Semiconductor. Datasheet Phase Control IC TCA 785 Jerman : Siemens Datasheet 2-Wire Serial 8-bit DAC with Rail to Rail Outputs. USA : Maxim Integrated Product, Dallas Semiconductor. Aljabbar 2008, kalor. Dunia Fisika diakses pada 31 maret 2012 http://alljabbar.wordpress.com/2008/03/23/ka lor. Operational Amplifier, diakses pada 31 maret 2012, http://en.wikipedia.org/wiki/Operational amplifier Hart, Daniel W, Power Electronics, Valparaiso University, Valparaise, Indiana 2010. Rashid, Muhammad H, Power Electronics Handbook, University of Florida/ University of West Florida Joint Program and Computer Engineering, Pensacola, Florida 2001. .................., 1996, MATLAB Automatic Control Toolbox : Version 4: User’s Guide, The Math Work Inc
