Implementasi Modul Kontrol Temperatur Menggunakan Kontroler PID Digital Berbasis Mikrokontroler PIC18F4520
Tugas Akhir Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung
Oleh: Suryadi 10203016
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Implementasi Modul Kontrol Temperatur Menggunakan Kontroler PID Digital Berbasis Mikrokontroler PIC18F4520
Tugas Akhir Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika Institut Teknologi Bandung
Oleh: Suryadi 10203016
Telah diperiksa dan disahkan Pembimbing Tugas Akhir
Dr. Eng. Khairurrijal, M.Si. NIP: 131967089
PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
ABSTRAK Implementasi Modul Kontrol Temperatur Menggunakan Kontroler PID Digital Berbasis Mikrokontroler PIC18F4520 Oleh Suryadi NIM: 10203016
Sistem kontrol temperatur telah dirancang dan diimplementasikan menggunakan kontroler PID digital berbasis mikrokontroler PIC18F4520. Sistem ini memanfaatkan karakteristik dari mikrokontroler PIC18F4520 yang memiliki ADC internal dengan resolusi 10 bit, 2 buah penghasil PWM, dan 32 Kb flash memory yang memungkinkan untuk diisi program kontroler PID secara digital. Untuk setting point 600C diperoleh KP sebesar 500, KI sebesar 0,1, dan KD sebesar 10 dengan galat keadaan tunak sebesar 0,37 %. Sistem ini dapat diaplikasikan untuk mengontrol temperatur pada proses sterilisasi alat atau bahan di industri minuman atau farmasi.
i
ABSTRACT Temperature Control Module Implementation Using Digital PID Controller Based on PIC18F4520 Microcontroller By Suryadi NIM: 10203016
A temperature control system has been designed and implemented. This system uses digital PID controller which works using a PIC18F4520 microcontroller. The PIC18F4520 microcontroller has an internal ADC with 10bit resolution, two units of PWM source and 32 Kb flash memory. These characteristics of PIC18F4520 microcontroller were used by the control system so that the digital PID controller program could be uploaded. For the setting point 600C, it was found that KP, KI, and KD were 500, 0.1, and 10, respectively, and the steady state error value was 0.37 % . This system can be applied for controlling temperature of sterilization process in beverages or pharmaceutical industry.
ii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Yang Maha Kuasa, karena dengan kuasa, kehendak serta bimbingan-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir program sarjana ini. Tugas akhir ini ditulis sebagai persyaratan kelulusan tingkat sarjana pada Program Studi Fisika Institut teknologi Bandung dan merupakan laporan atas diselesaikannya
penelitian
dengan
judul
”Implementasi
Modul
Kontrol
Temperatur Menggunakan Kontroler PID Digital Berbasis Mikrokontroler PIC18F4520”. Tugas akhir ini merupakan pengembangan dari tugas akhir yang telah dikerjakan oleh saudara Suryadi yang meliputi Perancangan dan Implementasi Modul Kontrol Temperatur Berbasis Mikrokontroler PIC16F877. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik yang membangun akan penulis terima dengan senang hati. Akhir kata penulis berharap agar tugas akhir ini bermanfaat, khususnya bagi penulis maupun pihak-pihak yang berkepentingan.
Bandung, September 2007
Penulis
iii
UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan mengucap puji dan syukur ke hadirat Allah Yang Maha Agung, tidak lupa penulis juga mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang membantu terselesaikannya tugas akhir ini: 1. Bapak dan Ibu tercinta yang senantiasa memberi dukungan, do’a, kasih sayang, nasihat serta bantuan kepada penulis sejak kecil. 2. Uwa dan paman sekeluarga yang telah memberi dukungan dan bantuan selama penulis menjalani kuliah di Program Studi Fisika ITB. 3. Bapak Dr. Eng. Khairurrijal, M.Si., selaku dosen pembimbing yang senantiasa mengarahkan, memotivasi dan membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir, serta atas segala bantuannya yang sangat banyak baik materi maupun nonmateri. 4. Bapak Dr. Eng. Mikrajuddin Abdullah dan Bapak Dr. rer. nat. Umar Fauzi atas kesediaannya menjadi dosen penguji. Terima kasih atas saran dan masukannya mengenai tugas akhir penulis. 5. Kakakku, Tita Mintarsih yang telah memberi masukan, nasihat serta bantuannya kepada penulis sejak kecil. 6. Kepada Dosen serta staf pengajar Fisika: Pak Supri, Pak Mitra, Pak Wahyu dan dosen lainnya terima kasih atas ilmu serta bimbinganya. 7. Pak Ohin dan Pak Dadang, yang belum tergantikan di lab. ELKA. Terima kasih atas segala bantuannya.
iv
8. Pak yeye, Pak Dede, Pak Imbalo, dan seluruh karyawan Program Studi Fisika. 9. Kang Asep (master ELKAFI) dan Kang Miftah, terima kasih atas segala masukan dan bantuannya. 10. Kakak S2: Pak Dedi, dan Pak Yatno 11. Teman Seperjuangan ELKAHFI, Heri ”drifter tangguh ELKAFI” yang telah bersedia berdiskusi dalam hal elektronika dan bekerja sama dalam pengerjaan tugas (proyek) dari dosen, Yanuar ”Tukang dagang” terima kasih telah membantu dalam hal packing (proyek) dan telah mengisi hari-hari di ELKAHFI menjadi lebih ramai, nur yang penyabar, sing sabar nya ngulik keypadna. 12. Adik ELKAHFI 2004: Tiin, Rini, dan Yuda. 13. Senior ELKAFI: Teh Maria, K’ Arif, K’ Johan, K’ Marsandhi, K’ Gun gun, K’ Fathi, Atep, terima kasih atas bantuan dan dorongannya. 14. Teman teman ELKAFI 2003: Harri, Aah, Zam zam, Zaki, Opik, nur, Ria, Rani, Indri, Anisa terima kasih telah mengisi hari-hari di lab. ELKA menjadi lebih hidup. 15. Teman-teman HIMAFI 2003 dan teman-teman HIMAFI lainnya. 16. Semua pihak yang telah membantu yang tidak dapat dituliskan namanya satu persatu.
v
DAFTAR ISI
ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT............................................................................................................ ii KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii UCAPAN TERIMA KASIH.................................................................................. iv DAFTAR ISI.......................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. ix BAB 1
Pendahuluan .............................................................................................1
1.1.
Latar Belakang .........................................................................................1
1.2.
Tujuan ......................................................................................................2
1.3.
Rumusan Masalah ....................................................................................2
1.4.
Ruang Lingkup Kajian.............................................................................3
1.5.
Metodologi Penelitian..............................................................................3
BAB 2
Kontroler PID...........................................................................................4
2.1.
Teori Dasar Sistem Kontrol .....................................................................4
2.2.
Kontroler Proporsional.............................................................................5
2.3.
Kontroler Proporsional Derivatif (PD) ....................................................6
2.4.
Kontroler Proporsional Integral (PI) ........................................................7
2.5.
Kontroler Proporsional-Integral-Derivatif (PID) .....................................7
2.6.
Aturan Ziegler-Nichols dalam Pencarian Parameter Kontroler PID .......8
BAB 3
Implementasi Modul Kontrol Temperatur .............................................10
vi
3.1.
Perangkat Keras Kontroler PID Digital dan plant .................................10
3.1.1.
Rangkaian sensor temperatur .........................................................12
3.1.2.
Mikrokontroler PIC18F4520 .........................................................13
3.1.2.1.
Port I/O mikrokontroler .........................................................16
3.1.2.2.
ADC internal ..........................................................................17
3.1.2.3.
PWM (Pulse Width Modulator).............................................19
3.1.2.4.
Komunikasi serial mode asinkron (EUSART Asynchronous ) 21
3.1.3.
Rangkaian aktuator ........................................................................23
3.1.4.
Tampilan peraga LCD....................................................................24
3.1.5.
Rangkaian Komunikasi serial RS232 ............................................25
3.2.
Perangkat Lunak ....................................................................................26
3.2.1.
Program Utama ..............................................................................26
3.2.2.
Program Pendukung.......................................................................28
3.2.2.1.
Subrutin program ADC..........................................................28
3.2.2.2.
Subrutin program PWM.........................................................29
3.2.2.3.
Subrutin peraga LCD .............................................................30
3.2.2.4.
Subrutin komunikasi serial RS232.........................................31
BAB 4
Optimalisasi Kontroler PID ...................................................................32
4.1.
Fungsi transfer plant ..............................................................................32
4.2.
Kedudukan Akar (Root Locus) ..............................................................37
BAB 5
Pengujian Sistem Kontrol dan Analisis .................................................39
5.1.
Aplikasi Display Controller ...................................................................39
vii
5.2.
Pengujian Sistem Kontrol ......................................................................40
5.2.1.
Kalibrasi Penguat Sensor ...............................................................40
5.2.2.
Respon Loop Terbuka....................................................................42
5.2.3.
Respon Loop Tertutup ...................................................................42
BAB 6
Kesimpulan dan Saran ...........................................................................49
6.1.
Kesimpulan ............................................................................................49
6.2.
Saran ......................................................................................................49
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................52 Lampiran 1 Skema Rangkaian Kontroler PID Digital ...........................................54 Lampiran 2 Foto Alat.............................................................................................55 Lampiran 3 Makalah ..............................................................................................60 Lampiran 4 Daftar Publikasi ..................................................................................65 LAMPIRAN 5 PUBLIKASI................................................................................66 RIWAYAT HIDUP .............................................................................................107
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Kontrol Sederhana ............................................4 Gambar 2.2 Diagram blok kontroler proporsional...................................................5 Gambar 2.3 Diagram blok kontroler PD..................................................................6 Gambar 2.4 Diagram blok kontroler PI ...................................................................7 Gambar 2.5 Diagram blok kontroler PID.................................................................7 Gambar 2.6 Osilasi dengan perioda Pcr...................................................................9 Gambar 3.1 Kontroler PID digital beserta aktuator dan plant-nya ........................11 Gambar 3.2 Sensor Temperatur .............................................................................12 Gambar 3.3 Device mikrokontroler PIC18F4520 (a) dan diagram blok mikrokontroler PIC18F4520 (b) ............................................................................14 Gambar 3.5 Programmer WINPIC ........................................................................16 Gambar 3.6 Diagram blok ADC internal ...............................................................18 Gambar 3.7 Output PWM ......................................................................................19 Gambar 3.8 Rangkaian driver PWM......................................................................23 Gambar 3.9 Rangkaian Peraga LCD......................................................................24 Gambar 3.10 Rangkaian komunkasi serial RS232 ................................................25 Gambar 3.11 Diagram alir kontroler PID Digital ..................................................26 Gambar 3.12 Diagram alir konversi ADC internal ................................................29 Gambar 3.13 Diagram alir generator PWM...........................................................30 Gambar 3.14 Diagram alir penulisan LCD ............................................................30
ix
Gambar 3.15 Diagram alir komunikasi serial RS232 ............................................31 Gambar 4.1 Diagram blok sistem kontrol sederhana.............................................32 Gambar 4.2 Diagram blok plant temperatur ..........................................................32 Gambar 4.3 Simulasi respon temperatur plant.......................................................36 Gambar 4.4 Diagram blok sistem loop tertutup.....................................................37 Gambar 4.5 Kedudukan akar .................................................................................37 Gambar 5.1 Aplikasi Display Controller...............................................................39 Gambar 5.2 Proses Kalibrasi Penguat Sensor........................................................40 Gambar 5.3 Grafik kalibrasi temperatur ................................................................41 Gambar 5.4 Respon loop terbuka...........................................................................42 Gambar 5.5 Respon temperatur dengan SP=600C, KI = 0,01, KD = 10, dan KP yang bervariasi .......................................................................................................43 Gambar 5.6 Respon temperatur dengan SP = 600C, KP = 10, KI = 0,01, KD = 10 ................................................................................................................................44 Gambar 5.7 Respon temperatur dengan SP = 600C, KP = 500, KD = 10, dan KI yang bervariasi .......................................................................................................45 Gambar 5.8 Respon temperatur dengan menggnakan SP = 60, KP = 500, KI =0,1, dan KD yang bervariasi..........................................................................................46 Gambar 5.9 Respon temperatur (a) dan respon error temperature (b) dengan menggunakan SP = 60, KP = 500, KI = 0,1, dan KD = 10...................................47
x
