Makalah Seminar Tugas Akhir
APLIKASIKENDALI PROPORSIONAL INTEGRAL PADA SISTEM PENGONTROLAN SUHU STUDI KASUS PENGENCER SUSU BAYI OTOMATIS IkaDzikrulKarimah1, Sumardi2, IwanSetiawan2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia .
Abstrak Dalam kurun waktu beberapa dekade perkembangan peradaban manusia, ilmu pengetahuan menjadi salah satu aspek yang berkembang amat pesat. Perkembangan ilmu pengetahuan dapat dirasakan dalam berbagai dimensi kehidupan manusia dan melewati batasan gender maupun kebangsaan. Perkembangan ilmu pengetahuan itu sendiri telah memacu perkembangan teknologi, hingga saat ini dapat kita rasakan sendiri bahwa kedua hal tersebut menjadi salah satu tolok ukur kemajuan peradaban suatu bangsa. Ilmu pengetahuan dikembangkan untuk menciptakan teknologi yang mempermudah pekerjaan manusia. Salah satu produk teknologi yang saat ini sedang banyak dikembangkan adalah teknologi otomatisasi. Pada tugas akhir ini, dibuat aplikasi kontrol PI pada sistem pengendalian suhu cairan. Sistem akan mengendalikansuhu cairan sesuai setpoint yang diberikan oleh operator. Tugasakhirinimemanfaatkan sensor LM35 sebagaiindikatoruntukmengatursuhudan electric heater yang berfungsisebagaiaktuator, push button sebagaiperangkat input, lcdsebagai media penampildankomputersebagaipusat monitoring sistem. Dari hasilpengujiandidapatkanbahwakontrol PID dapatdiaplikasikandenganbaikuntukmengontrolsuhucaira ndenganmenggunakanmetodepenalaan Ziegler Nichols.Denganmetodepenalaantersebutdidapatkan parameter kontrol PI yaituKp = 11 danTi = 117. Pada pengujian dengan penalaan parameter PID mampu menghasilkan tanggapan keluaran dengan rise timedanwaktupenetapanyang cukupcepat danketika sistem diberi gangguan,tanggapan keluaran akan tetap terjaga dalam kestabilan.
gender maupun kebangsaan. Perkembangan ilmu pengetahuan itu sendiri telah memacu perkembangan teknologi, hingga saat ini dapat kita rasakan sendiri bahwa kedua hal tersebut menjadi salah satu tolok ukur kemajuan peradaban suatu bangsa. Ilmu pengetahuan dikembangkan untuk menciptakan teknologi yang mempermudah pekerjaan manusia. Salah satu produk teknologi yang saat ini sedang banyak dikembangkan adalah teknologi otomatisasi.
Kata kunci:kontrolsuhu, kontrol PI, sensor LM35
1.2 Tujuan
Dalam segala aspek kehidupannya manusia mengharapkan kepraktisan sehingga upaya otomatisasi dibutuhkan untuk dikembangkan. Salah satu contohnya adalah dalam bidang pembuatan minuman. Dalam pengenceran susu bayi contohnya, terdiri dari beberapa tahapan proses yang memerlukan pengaturan terhadap suhu fluida. Pembahasan mengenai otomatisasi pengenceran susu bayi masih jarang dilakukan, oleh karena itu Tugas Akhir ini akan mengkaji perancangan alat pengencer susu bayi otomatis. Tahap awal pembuatan susu bayi adalah pemanasan air hingga suhu 100oC kemudian masuk ke proses pendinginan air 70oC untuk kemudian dicampur dengan susu bubuk, campuran susu tersebut baru dapat diminum setelah selanjutnya didinginkan mencapai suhu 37oC[14]. Oleh kareba itu itu dalam Tugas Akhir ini akan dibuat alat yang mampu mengatur pemanasan, pendinginan, serta pencampuran fluida.
Tujuan dari tugas akhir ini adalah merancang alat pembuat susu bayi otomatis dengan menggunakan kendali proporsional integral yang ditanamkan pada mikrokontroler ATMega 8535 untuk mengatur suhu cairan.
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam kurun waktu beberapa dekade perkembangan peradaban manusia, ilmu pengetahuan menjadi salah satu aspek yang berkembang amat pesat. Perkembangan ilmu pengetahuan dapat dirasakan dalam berbagai dimensi kehidupan manusia dan melewati batasan
II. KAJIAN PUSTAKA 2.1 TeknikKendali PI
e1
e2
Pengendali PI adalah pengendali yang memiliki dua aksi pengendalian, yaitu aksi kendali proporsional dan aksi kendali integral. Diagram blok pengendali PI diperlihatkan pada Gambar 2.2 berikut ini. Kp referensi
error +
+
-
U(t)
+
1 K p e( t )dt Ti
umpan balik
Gambar 2.1 Diagram blok pengendali PI[1]. Aksi kendali proposional menyebabkan keluaran yang sebanding atau proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Aksi kendali integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki kesalahan pada keadaan mantap sama dengan nol. Pada sebuah plant yang tidak memiliki unsur integrator (1/s), jika hanya menggunakan aksi kendali proporsional keluaran sistem tidak akan mampu menghasilkan kesalahan keadaan mantapnya sama dengan nol.
u ( t ) K p et
Kp Ti
t
et dt (2.1) 0
Transformasi Laplace dari persamaan (2.1) menghasilkan :
2.2 Model Self Regulating Process Model self regulating process pada dasarnya dapat didekati oleh sebuah model matematis FOPDT (First Order Plus Ded Time) yang hanya dicirikan oleh tiga buah parameter sebagai berikut: Process transport delay (delay atau keterlambatan transportasi proses) - L Process time constant (konstanta waktu proses) -T Process static gain (penguatan tetap proses) - K Ketiga parameter yang menggambarkan dinamika proses, secara praktis dapat diperoleh atau diidentifikasi melalui eksperimen sederhana bump test atau sinyal tangga secara open loop pada mode kontrol manual. 2.1.1
PenalaanPengendali denganMetodeZieglerNichols
PID
Metode ke-1 didasarkan pada respon plant terhadap masukan tangga (step) dalam kalang terbuka. Plant yang tidak mempunyai integrator, akan menghasilkan kurva tanggapan terhadap masukan tangga, seperti halnya pada hasil respon uji Bumptest yang diperlihatkan pada gambar 2. Rumus-rumus untuk mencari parameter pengendali menggunakan metode kurva reaksi ditabelkan pada Tabel 1.
Es (2.2) Ti s Kp sU(s) K p sEs Es (2.3) Ti
Tabel 1 Rumus parameter PID dengan penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1. Pengendali Kp Ti Td P T/LK PI 0.9T/KL 3,33L PID 1,2T/KL 2L 0,5L
Persamaan (2.3) dibawa kembali ke kawasan waktu menjadi :
2.3 Sensor LM35
U(s) K p Es
Kp
du ( t ) det K p Kp et (2.4) dt dt Ti
Dengan menggunakan teknik backward difference,
dy( t ) y(k ) y(k 1) (2.5) dt T
persamaan (2.4) diubah ke dalam bentuk diskrit menjadi :
u (k ) u k 1 ek ek 1 K p (2.6) Kp T ek T T i K pT u (k ) u k 1 K p ek ek 1 ek (2.7) Ti
u (k ) u k 1 K p ek ek 1
K pT Ti
ek (2.8)
Dalam tugas Akhir ini, sensor suhu dipakai untuk mengamati suhu cairan dalam tabung. Sensor yang digunakan adalah WLM35TS (WaterproofLM35 Temperature Sensor) yang memakai sensor LM35DZ sebagai komponen utamanya. Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang berfungsi mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan[11]. LM35 hanya memiliki tiga kaki yang berfungsi dalam penggunaannya yaituTegangan keluaran sensor ini akan mengalami perubahan 10 mV untuk setiap perubahan suhu 1 C atau memenuhi Persamaan (2.9) [15].
e3
V out 10mV T (2.9) dengan T adalah suhu yang dideteksi dalam derajat Celcius. Sensor suhu LM35 tidak membutuhkan kalibrasi dalam pemakaiannya karena telah dikalibrasi langsung dalam derajat Celcius.
ATMEGA 8535 pb_start
1
pb_mix
2
pb_out
3
pb_wash
4 5 6
VCC
(XCK/T0) PB0
PA0 (ADC0)
(T1) PB1
PA1 (ADC1)
(INT2/AIN0) PB2
PA2 (ADC2)
(OC0/AIN1) PB3
PA3 (ADC3)
(SS) PB4
PA4 (ADC4)
(MOSI) PB5
PA5 (ADC5)
(MISO) PB6
PA6 (ADC6)
7 8
VCC KIPAS
9
4k7
Reset
10 11 12
33pF 330
13 +5 V
15 33pF
16
10 K
19 20
INTERUPT
PC7 (TOSC2)
XTAL1
PC6 (TOSC1)
(RXD) PD0
PC5
(TXD) PD1
PC4
(INT0) PD2
PC3
(INT1) PD3
PC2
PIND.6
(OC1B) PD4
PC1 (SDA)
(OC1A) PD5
PC0 (SCL)
(ICP1) PD6
330 1
MOC3020
330
PORTA.0
32 31
29 28 27 26 25
LCD (Liquid Crystal Display)
24 23 22 21
PD7 (OC2)
6
LM 35
30
AVCC
XTAL2
560
BT12A G
4
MT1
330
MT2
MOTOR SERVO
Vout
33
GND
GND
2
+Vcc
34
29/2W
220 VAC
18 VCC
IN4002
35
AREF
VCC
+5 V
36
17
4N25
IN4002
37
Heater
IN4002
38
PA7 (ADC7)
RESET
10nF/400V
IN4002 AC 12 V
39
14
4 MHz
330/ 10W
(SCK) PB7
40
GND
Gambar 2.2 Sensor suhu LM35
Gambar 3.2 Alokasi port pada sistem minimum mikrokontroler Atmega8535.
.
III. PERANCANGAN 3.1 Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Secara umum bentuk fisik hardware tampak depan dan belakang dapat dilihat pada Gambar 3.1.
3.2 Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak dari sistem yang akan dibangun meliputi inisialisasi I/O register dan variabel, sistem utama , penggunaan push button, pembacaan suhu sensor LM35, penggunaan motor servo, pengaturan triac, penggunaan mixer dan tampilan LCD. Diagram keadaandari program utama dapat dilihat pada Gambar 3.5 berikut ini.
Gambar 3.1 Hardware tampak depan dan belakang.
Stainless steel dipilih menjadi bahan pembentuk rangka hardware berdasarkan beberapa pertimbangan, pertimbangan yang pertama yakni ketahanannya terhadap pemanasan suhu tinggi mengingat proses pengenceran susu formula membutuhkan pemanasan air dengan suhu tinggi. Sedangkan pertimbangan selanjutnya adalah ketahanannya terhadap korosi, faktor ini dinilai sangatpenting untuk menjaga kebersihan susu formula.
Gambar 3.3 Diagram keadaan prosedur ScanKey.
Setelah selesai inisialisasi, program dilanjutkan dengan melakukan pemanasan bila tombol start ditekan, ketika sensor suhu LM35 membaca suhu 98oCmaka state pendinginan akan dimulai hingga suhu mencapai 70oC. Setelah suhu yang diinginkan tercapai, sistem akan menjaga suhu tetap stabil hingga susu bubuk dimasukkan dan tombol mix ditekan baru kemudian proses pengadukan dan pendinginan dimulai. Setelah LM35 membaca suhu 37oC, sistem kembali menjaga suhu tetap stabil pada suhu tersebut hingga tombol out ditekan atau hingga timer menunjukkan 2 jam.
e4
Pada perancangan Tugas Akhir ini parameter kendali PI didapatkan dari karakteristik sistem dengan memberikan sinyal kontrol (u(t)) secara manual. Untuk melakukanpencarian kendali PI ini, sebelumnya mode sistem diubah menjadi manual, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.8. Sinyal kontrol yang diberikan operator, merupakan sinyal kontrol tangga, dan besarnya sinyal kontrol ditentukan langsung oleh operator.
Respon sistem pada pengujian kalang terbuka menunjukkan plant sistem pengendalian level cairan termasuk model IPDT, penalaan Ziegler Nichols dapat dilakukan pada Kp dan Ti. Nilai Kp dan Ti pada model IPDT dapat dihitung dengan penalaan empiris Ziegler Nichols pertama sebagai berikut:
Kp
0,9 0,95 19,78 20 K * L 0,0013 35
Ti 3,3 L 3,3 35 116,55 117 Pengujian penalaan Ziegler Nichols dilakukan dengan mengujikan nilai Kp dan Ti hasil perhitungan yaitu Kp = 20 dan Ti = 117 pada setting point 980C.. Gambar 3.4 Blok diagram perhitungan parameter kendali PID IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1 Pengujian Perangkat Keras 4.1.1 Pengujian Sensor Pengujian sensor ini dilakukan dengan membandingkan pembacaan sensor LM35 dengan termometer. Data hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 4.1. Tabel 2 Perbandingan suhu pembacaan termometer dengan pembacaan sensor LM35. Gambar 3.5 Respon sistem pengujian penalaan Ziegler Nichols.
Pada Gambar 3.5 dapat diketahui bahwa pada pengujian dengan penalaan Ziegler Nichols respon telah mencapai setting point dan kestabilan. Waktunaikuntuksetting point 980C dari suhu awal 22,20C adalah 271 detiksedangkanwaktupenetapannyaadalah482 detik tanpa overshoot, dengan osilasi kecil. . 4.1.3 Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa suhu pembacaan sensor suhu yang terukur proporsional dan memiliki rata-rata error sebesar 1,360C. Jadi kalibrasi pada program untuk sensor potensiometer sudah bisa dikatakan baik. 4.1.2 Pengujian Sistem
Pengujian Respon Sistem Terhadap Pengurangan Volume Air
Daya tahan sistem terhadap perubahan dan kecepatan respon sistem untuk kembali ke referensi dapat diketahui dalam pengujian ini yakni dengan bukaan penuh valve input pada sistem yang telah mencapai kestabilan pada suatu nilai referensi. Perlakuan ini dilakukan pada setting point 370C dengan suhu awal 38,20C. Hasil pengujian respon sistem ditunjukkan pada Gambar 3.6.
e5
Gambar 3.7 Respon sistem kendali PI dengan gangguan pada suhu 700C.
Berdasarkan gambar di atas respon sistem terhadap gangguanberupa pemberian air bersuhu 960C padasetting point 700C adalah terjadinya kenaikan suhu sebesar10,60C. Saat perubahan terjadi sistem tetap berusaha mengembalikan keadaansteadynya dengan melakukan pendinginan. Keadaan steadydapat dicapai kembali setelah 402 detik dengan error steady 1% - 4%.
Gambar 3.6 Respon sistem kontrol PID terhadap gangguan.
Berdasarkan gambar di atas respon sistem terhadap bukaan valve pada setting point 370C nyaris tidak tampak. Namun bila kita cermati grafik sinyal kontrol dapat kita lihat adanya perubahan ketika terjadi pembukaan valve, kesimpulan yang dapat ditarik adalah bahwa sistem menyadari adanya gangguan dan menaikkan sinyal kontrol sebagai akibat perubahan yang terjadi. 4.1.4
Pengujian Ketahanan Sistem terhadap Gangguan
Daya tahan sistem terhadap gangguan dan kecepatan respon sistem untuk kembali ke referensi sebelum gangguan dapat diketahui dengan melakukan pengujian dengan memberikan gangguan berupa pemberian air bersuhu 960C pada sistem yang telah mencapai kestabilan pada suatu nilai referensi. Hasil pengujian respon sistem ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.8 Respon sistem kendali PI dengan gangguan pada suhu 370C. Berdasarkan gambar di atas respon sistem terhadap gangguan berupa pemberian air bersuhu 960C pada setting point 370C adalah terjadinya kenaikan suhu sebesar19,90C. Saat perubahan terjadi sistem tetap berusaha mengembalikan keadaan steadynya dengan melakukan pendinginan. Keadaan steady dapat dicapai kembali setelah 3480 detik dengan error steady 3,8%. Hasil dari respon sistem PI dengan gangguan dapat kita ketahui bahwa walaupun dilakukan penambahan cairan bersuhu lebih tinggi sistem dapat mengembalikan keadaan steadynya dengan error steady yang terjadi pada kedua pengujian tidak lebih dari 5%. 4.1.5
Pengujian Kendali PI terhadap Penurunan Set Point
Pengujian dengan setting point turun ini bertujuan untuk mengetahui kecepatan respon kendali sistem terhadap perubahan penurunan setting point.
e6
V. PENUTUP 5.1
Gambar 3.9 Respon sistem kontrol PID terhadap gangguan. Berdasarkan Gambar 4.11 dapat dilihat hasil pengujian respon sistem pengendalian level cairan pada perubahan setting point turun atau semakin kecil dengan lama pengujian 9.702 sekon. Pada awalnya sistem diberi setting point tinggi sebesar 950C dari suhu awal 24,50C. Hasil analisa dari pengujian tersebut didapatkan: 1. Untuk setting point 950C: Respon telah mencapai kestabilan dengan error 3,1%. Waktu respon untuk memberikan tanggapan adalah 68 detik Waktu naik (Tr) untuk setting point 950C dari suhu awal 320C adalah 217 detik. Waktu tunda (Td) adalah 168 detik Waktu penetapan(Ts) adalah 371 detik 2. Untuk setting point 700C: Respon telah mencapai kestabilan dengan error 0,9%. Waktu respon untuk memberikan tanggapan adalah 22 detik Waktu naik (Tr) untuk setting point 700C dari suhu awal 96,10C adalah 455 detik. Waktu tunda (Td) adalah 244 detik Waktu penetapan(Ts) adalah 590 detik 3. Untuk setting point 370C: Respon telah mencapai kestabilan dengan error 6,2%. Waktu respon untuk memberikan tanggapan adalah 114 detik Waktu naik (Tr) untuk setting point 370C dari suhu awal 70,50C adalah 1824 detik. Waktu tunda (Td) adalah 753 detik Waktu penetapan(Ts) adalah 2497 detik
Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Berdasarkan hasil pengujian sensor LM35, ratarata error yang didapatkan adalah 1,36. 2. Berdasarkan hasil pengujian perilaku motor servo, motor servo dapat bergerak sesuai dengan perintah yang diberikan yaitu perintah menutup dan keran membuka (membuka 800 terhadap posisi awal). 3. Pada pengujian kalang terbuka dengan eksperimen bump test untuk ΔCO = 100% dari CO awal 0%, plant sistem pengendalian suhu termasuk model IPDT dengan nilai L = 35 detik, dan K* = 0,0013 0C/ %. 4. Penalaan kontrol PI padasistem pengendalian suhu dengan metode Ziegler Nichols pertama didapatkan parameter Kp = 20 dan Ti = 117. Dengan parameter tersebut respon sistem kontrol PI mampu mencapai setting point dengan cukup cepat dan stabil. Pada pemberian setting point980C, kontrol PI dengan penalaan Ziegler Nichols pertama memiliki nilai Tr = 271 detik, Td = 261 detik dan Ts = 482 detik tanpa overshoot. 5. Pada pengujian pengurangan volume, respon sistem terhadap bukaan valve pada setting point 370C nyaris tidak tampak, namun pada grafik sinyal control dapat dilihat system mengenali adanya perubahan dan merespon dengan kenaikan sinyal control. 6. Pada pengujian respon sistem terhadap gangguan, respon sistem terhadap gangguan berupa pemberian air bersuhu 960C pada setting point 700C adalah terjadinya kenaikan suhu sebesar10,60C. Namun demikian, keadaan steady dapat dicapai kembali setelah 402 detik dengan error steady 1% - 4%. Sedangkan untuk pemberian air bersuhu 960C pada setting point 370C kenaikan suhu yang terjadi adalah19,90C dan keadaan steady dapat dicapai kembali setelah 3480 detik dengan error steady 3,8%. 7. Pada pengujian dengan nilai setting point turun, respon sistem mampu mengikuti penurunan setting point. Saat mencapai setting point yang pertama 950C diperoleh Tr sebesar 217 detik dan Ts sebesar 371 detik. Ketika sistem melakukan perubahan setting point menjadi 700C diperoleh nilai Tr sebesar 455 detik dan Ts sebesar 590 detik. Terakhir ketika sistem melakukan perubahan setting point menjadi 400C yang Tr
e7
dan Ts diperlukan adalah 1824 detik dan 2497 detik.
5.2
Saran Untuk pengembangan sistem lebih lanjut, maka ada beberapa saran yang dapat dilakukan yaitu sebagai berikut: 1. Menggunakan sensor yang memiliki keakuratan dan stabilitas yang lebih baik. 2. Menggunakan perangkat pendingin yang lebih baik lagi sehingga respon sistem pada saat penurunan suhu dapat lebih dipercepat, 3. Menggunakan metode pengontrolan lain seperti fuzzy, fuzzy hibrid, fuzzy sebagai tuning PID, jaringan syaraf tiruan, algoritma genetik. 4. Penggunaan bahan dapat lebih diperhatikan lagi untuk menjamin kelayakan produk.
[1]
[2]
DAFTAR PUSTAKA Benjamin C. Kuo, Automatic Control System Sixth Edition, Prentice-Hall, New Jersey, 1991. Heryanto, M. Ary dan Wisnu Adi P, Pemrograman Bahasa C Untuk Mikrokontroler ATMEGA 8535, Penerbit Andi, Yogyakarta, 2008.
[3]
Malvino. “Prinsip – Prinsip Elektronika”. Jakarta : Erlangga, 1996.
[4]
Mukhaitir, A. Shafi, Aplikasi Kendali PID Menggunakan Skema Gain Scheduling untuk Pengendalian Suhu Cairan pada Plant Electric Water Heater,Skripsi S-1, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang.
[5]
Nuswantara, Satria Mukti, Perancangan Proses Otomatis Pada Sistem Kontrol Servo Valve untuk Pencampuran Fluida Warna Berbasis Mikrokontroler,Skripsi S1, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang.
[6]
Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid 1, diterjemahkan oleh Edi Leksono, Erlangga, Jakarta, 1994. Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid 2, diterjemahkan oleh Edi Leksono, Erlangga, Jakarta, 1994. Setiawan, Iwan, Kontrol PID untuk Proses Industri, Elex Media Komputindo, Jakarta, 2008. Setiawan, Iwan, Perancangan Sistem Embedded Berbasis Statechart: Studi
[7]
[8]
[9]
Kasus Pada Line Follower Mobile Robot, http://iwan.blog.undip.ac.id. Juni 2009. [10] Setiawan, Iwan, Programmable Logic Controller (PLC) dan Teknik Perancangan Sistem Kontrol, Penerbit Andi, Yogyakarta, 2006. [11] Suyadhi, Taufiq Dwi Septian, Buku Pintar Robotika, Penerbit Andi, Yogyakarta, 2010. [12] ----------, ATmega8535 Data Sheet, http://www.atmel.com. [13] ----------, Liquid Crystal Display Module M1632 : User Manual, SeikoInstrument Inc., Japan, 1987. [14] www.medicastore.com [15] ----------, http://www.national.com/ds/LM/LM35.pd f [16] www.id.wikipedia.org
e8
BIODATA IkaDzikrulKarimah(L2F005541). Lahir di Semarang, 21 Oktober 1987. Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro 2005, Konsentrasi Kontrol, Universitas Diponegoro.
Menyetujui dan Mengesahkan, Pembimbing I Pembimbing II
Sumardi, S.T., M.T. NIP. 196811111994121001
Iwan Setiawan, S.T., M.T. NIP. 197309262000121001
