PENGENDALIAN SISTEM PEMANAS AIR BERTENAGA LISTRIK DENGAN PENGENDALI PID DAN PENGENDALI MIKRO AT89S51

PENGENDALIAN SISTEM PEMANAS AIR BERTENAGA LISTRIK DENGAN PENGENDALI PID DAN PENGENDALI MIKRO AT89S51 Sujono Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Budi Luhur Jl. Ciledug Raya Petukangan Utara Jakarta Selatan 12260

E-mail : [email protected] Abstract— In this paper will be discussed about heating of water with electrical heater. Heating the water happened by flowing heat energy result of electrical energy conversion. Water temperature control result is done by arranging number of electric energies converted to become heat and poured into in water. Arrangement of the electric energy is done by the way of dismemberment (chopping) voltage signal passed to element heater. Source voltage chopper network for heater is made with principal components in the form of triac Q40006L4. As temperature sensor from heated water, applied LM35DZ measuring up to linear so that would more easily in operation. Controller PID applied is made from network op-amp configuration to become proportional amplifier, integrator and differentiator. Key Words—Chopping, Q40006L4, PID.

suhu pada sistem pemanas air bertenaga listrik (electric water heater). Bekerjanya sistem

mikrokontroler

K besar

saat

ini

memberikan peran yang sangat dalam

kehidupan

AT89C51

yang

mikro standar

industri

didapatkan

dan

mudah

pasaran[1].

Pengendalian

di

temperatur

melalui pengendali PID (Proportional Integral Derivative) dilakukan dengan set point temperatur air sebesar 50° C. II.

SISTEM PEMANAS AIR BERTENAGA LISTRIK (ELECTRIC WATER HEATER) Sistem

otomatis

dengan

merupakan pengontrol

I. PENDAHULUAN ontrol

dikendalikan

untuk

pemanas

memanaskan

air

berfungsi

air

dengan

menggunakan elemen pemanas bertenaga

manusia.

listrik. Temperatur air hasil pemanasan

Beberapa di antaranya adalah otomatisasi

akan sebanding dengan jumlah energi

pada sistem robot, pengendalian suhu,

listrik yang dipasok ke sistem dan

pengaturan

dikonversi

kelembaban

udara

dalam

menjadi

energi

panas.

sebuah ruangan, dan lain sebagainya

Pengendalian temperatur hasil pemanasan

untuk mendukung jalannya proses yang

dilakukan dengan cara mengatur atau

ada di industri.

memanipulasi jumlah pasokan daya listrik

Dalam tulisan ini akan dibahas tentang perancangan suatu pengendalian

yang diberikan ke elemen pemanas (heater).

Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51

35

2

1

akan,

penguat. Dalam hal ini rangkaian penguat

dilakukan

tegangan yang digunakan adalah dengan

pengendali

op-amp LF356N. Rangkaian lengkap

Proporsional Integral dan Derivative

seperti disajikan pada Gambar 2 berikut

(PID) dan pengendali mikro AT89S52.

ini.

pengendalian

ini

3

tulisan

4

Dalam

temperatur D

3

7

2

653FL 1 CI

CCV2

7

K1 51 R

6

53 ML uhuSr os ne S

3

K1 11 R

6

K1 21 R

4 1

5

5

K22 31 RV

1

4 1

2 V51K22 11 RV

V51-

TUOV

C

3 DNG

653FL 2 CI

D I PeK 9080 CDAe K

V5+

1.

K1 31 R

adalah sebagaimana terlihat pada Gambar

V51+

Blok Diagram sistem secara lengkap

K1 61 R

memanaatkan

V51+

dengan

Fu 1 1C

V51+ V51+ K01 21 RV

+ _

PID

Switcher

Heater

Gambar 2. Rangkaian Penguat Tegangan Keluaran Sensor Suhu[2] Rangkaian penguat terdiri dari dua

B

tingkat ADC

Penguat

yang

menghasilkan Gambar 1. Blok Diagram Sistem Pengendali Pemanas Air Bertenaga Listrik

difungsikan untuk

ini,

tegangan

analog

hasil

sensor suhu LM35DZ. Vr1.1 dan Vr 1.3.

keypad

memasukkan nilai

display

1

sedangkan

akan

penguatan terhadap tegangan keluaran

setpoint untuk suhu hasil pemanasan yang diinginkan,

masing

untuk

berfungsi untuk kalibrasi besarnya faktor penguatan dari masing-masing tingkat penguat. Besarnya penguatan tiap tingkat rangkaian penguat adalah: 2

sistem

A

Pada

masing

Sensor

3

DAC

4

Pengendali Mikro

Keypad

K5 71 R

Display Suhu

menampilkan nilai setpoint dan nilai A V1  

aktual dari suhu hasil pemanasan. A.

Pendeteksi Suhu Air Pendeteksi

suhu

air

ini memiliki lionearitas tegangan keluaran terhadap kenaikan suhu yang dideteksi kenaikan

tegangan

keluaran

sebesar 10 mV/OC. Dengan demikian tegangan keluaran sensor terlalu kecil dan diperlukan suatu rangkaian pengkondisi sinyal

tegangan

berupa

rangkaian

36 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010

...(1)

yang

digunakan adalah LM35DZ. Komponen

dengan

R VR 12 dan A V 2   17 R 15 R 11

B. Peubah Analog ke Digital (A/D Converter) 0809 Tegangan rangkaian

analog

penguat

keluaran

harus

dari

dikonversi

menjadi sinyal digital agar dapat diproses oleh pengendali mikro dan ditampilkan pada rangkaian display sebagai nilai suhu air aktual. Rangkaian lengkap ADC 0809 Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

6

4

3

2

ini.

sebagai berikut:

NOKI MEK LATI GI DT UPT UO

V( ketelitian ) 

Re solusi x Vref maks

...(2)

28  1

8 7 6 5 4 3 2 1

4047 A2 CI

C T NI 2. 3P

Untuk resolusi = 1 dan tegangan R W6. 3P

2

1 CI 71 41 51 8 81 91 02 12

1 1

0. 3P

6 4

DR7. 3P

dari ADC tersebut adalah:

82

2- NI

1- NI 3- NI

COE 5- NI C- DDA B- DDA A- DDA

6- NI 7- NI

22

1 2 3 4 5

ELA

01 6 9

KCOLC TRATS ELBANE

5 2047 B3 CI

72 r os neSt a ugneP nara ul e Kir a D 62

0- NI 4- NI

7 32 42 52

2047 A3 CI

3

8- 2bsl 7- 2 6- 2 5- 2 4- 2 3- 2 2- 2 1- 2bs m

2

referensi Vref = 5 Volt, maka ketelitian

)-(fer 9080 CDA ) +(fer

2047 D3 CI

61 V5+ 21 2047 C3 CI

11

31

9 91 R

011 R

K1

K1

1X

R033 81 R

z Hk 554

Gambar 3. Rangkaian A/D Converter

1x5  19.6078431 Volt 28  1 ...(3)

0809 Proses

ADC 0809 memiliki 8 saluran masukan

analog

yang

dapat

perintah

diatur

konversi start

dilakukan yaitu

logika

setelah HIGH

elti T

saluran

diberikan pada kaki START (kaki no 6).

masukan analog yang ingin digunakan

Sedangkan hasil konversi dikirimkan ke

r eb mu N

6 : y B n war D f o t ee hS

HCS. 9080\ 1~ET AEH3\: D 8002-r p A- 91

B ezi S

: eli F : et a D

5

4

Pemilihan

noi si ve R

pemakaiannya.

3

2

mengatur

Tri State Output Latch Buffer yang

kombinasi bit pada ADD C, ADD B dan

kompatible dengan level tegangan TTL,

ADD A.

yaitu sebuah buffer penahan yang bersifat

dapat

dilakukan

dengan

tingkat dimana tingkat pertama terjadi Tabel 1. Kombinasi Bit Untuk Pemilihan Saluran Masukan ADC0809 Saluran Masukan Yang digunakan

IN-0 IN-1 IN-2 IN-3 IN-4 IN-5 IN-6 IN-7

Alamat ADD B L L H H L L H H

ADD C L L L L H H H H

ADD A L H L H L H L H

pada saat data hasil konversi masuk ke input dari bagian ini. Tingkat kedua saat data tersebut di latch ke dalam buffer internal dan ketiga adalah saat sinyal ENABLE yang berlogika 1 diberikan ke kaki ENABLE (kaki no 9) sehingga data yang ada dalam buffer internal dikirim ke bagian output (MSB 2-1 ... LSB 2-8).

Ketelitian sinyal

analog

memberikan

dalam dapat

nilai

mengkonversi diatur

tegangan

Setelah konversi selesai, maka kaki End

dengan

Of Conversion (EOC) akan mengeluarkan

referensi

sinyal berlogika LOW, selanjutnya agar data hasil konversi tersebut dapat diakses


37

A

CCV 8

01 21

V( ketelitian ) 

B

1

(Vref) dan secara matematis dinyatakan

D

5

yang digunakan seperti Gambar 3 berikut

1

oleh

pengendali

mikro

maka

paad

diinginkan

dapat

diatur

dengan

masukan RD harus diberikan sinyal

melakukan penalaan terhadap nilai Vr2.1.

berlogika LOW yang akan diteruskan ke

Besarnya tegangan keluaran mengikuti

ENABLE.

persamaan :

C. Peubah Digital ke Analog (D/A

Vout  Vref x

Converter) 0800 Peubah digital ke analog digunakan untuk

mengkonversi

sinyal

digital

Vref = tegangan referensi skala batas atas

akan dibuat, setpoin diberikan dalam digital,

sehingga

...(4)

dimana :

menjadi sinyal analog. Pada sistem yang

bentuk

Y 256

Y

sebelum

D.

= masukan digital Pengendali Proporsional Integral

diumpankan ke pengendali PID, terlebih

dan Diferensial (PID)

dahulu harus dikonversi menjadi sinyal

Pengendali PID yang digunakan

merepresentasikan

nilai

3

2

diinginkan.

1

Rangkaian

blok diagram seperti pada Gambar 5.

lengkap D/A Converter 0800 secara

Pengendali ini akan mengolah sinyal

lengkap seperti disajikan dalam Gambar 4

masukan yaitu berupa nilai setpoint suhu

berikut ini.

yang diinginkan dan nilai suhu aktual

D

yang

4

setpoint

adalah memiliki struktur paralel dengan 5

yang

6

analog

yang terjadi. Selisih antara kedua nilai 7 K4 82 R

tersebut akan diolah untuk menentukan V21+ V51-

V51+

023 42 R

sistem pemanas. Pengendali PID memiliki

1 4

K22 22 V 2

6 B 0080 CAD 5B 1 CI )-(fr V 4B 3B ) +(fr V 2B 1 Bbs m t uoI t uoI cl V 3 -V

8 Bbsl 7B

P MOC

2 4

6 3 V51+

41

DI Pt upnI e K

653FL 2 CI

7

8 21 7 11 6 01 5 9 4 8 3 7 2 6 1 5 ti B 8 nI l ati gi D 1J

+V31

C

5

sinyal kendali yang harus diberikan ke

tiga parameter utama yaitu nilai Kp, Ti dan Td yang harus dipilih secara tepat sehingga

sistem

pengedalian

dapat

51 K01 12 RV

1 61

V51+

7 K4 62 R

Fn 001 42 C MHO 022 52 R

bekerja dengan optimal.[3]

Fn 001 52 C

V51-

B

Gambar 4. D/A Converter 0800 P Setpoint

Agar didapatkan tegangan keluaran

+

I -

+

+ Output

+

dengan kisaran antara 0 V sampai dengan

D

Vref maka pada kaki 3 IC op-amp

Feedback

A

elti T

LF356N dihubungkan dengan ground.

ezi S

: eli F : et a D B

5

4

3

2


yang

HCS. 0080\ 1~ET AEH3\: D 8002-r p A- 91

keluaran

Paralel

6 : y B n war D f o t ee hS

tegangan

r eb mu N

atas

noi si ve R

Batas

Gambar 5. Pengendali PID Struktur Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

1

2

struktur

3

1

PID

paralel

2. Bagian Penguat Proporsional Pada

memiliki 4 bagian utama yaitu bagian pembanding,

penguat

Pengendali PID

proporsional,

Pada

dasarnya

pengendali

integrator, diferensiator dan penjumlah.

proportional

1.

penguat tegangan. Rangkaian penguat

Bagian

Pembanding

4

Pengendali

Pada

tegangan

D

Pengendali PID Bagian pembanding berfungsi untuk

merupakan

yang

rangkaian

difungsikan

sebagai

pengendali proportional adalah seperti

membandingkan masukan nilai setpoint

pada Gambar 7 berikut ini.

dengan masukan nilai aktual. Dari hasil

4

K01 34 RV 4 1

K001 24 RV

BUSt upt u Oir a D

2

C

suhu yang terjadi. Bagian pembanding tersebut dibuat denga penguat op-amp dan

6 3 7

dikondisikan sedemikian rupa sehingga

K01 44 R

memiliki faktor penguatan sebesar 1 kali.

V51+

Rangkaian lengkapnya adalah seperti ada gambar 6.

Gambar 7. Penguat Proportional dengan Op-amp TL071

1 3K40R V51-

Besarnya faktor penguatan tegangan

B

menyatakan nilai parameter pengendali

5

l a noi sr opor P e K

4 1

K01 14 RV 2 r ot ar get nI e K

K01 14 R t ni opt e S

6 3 170LT 14 CI

7

5

2

nilai suhu yang diinginkan dengan nilai

170LT 14 CI

3

besarnya perbedaan yang terjadi antara

MUS e K

menunjukkan

V51-

yang

nilai

5

(error)

didapatkan

6

selisih

akan

K001 34 R

pembandingan

propotional (Kp). Keluaran rangkaian pengendali proportional akan diumpankan ke

rangkaiana

penjumlah

untuk

K01 44 R

e vit a vire De K

dijumlahkan dengan keluaran pengendali

kcabdee F K01 24 R

V51+

integral dan diferensial. Gambar 6. Bagian Pembanding Pada Pengendali PID Struktur Paralel Besarnya tegangan keluaran dari bagian pembanding tersebut adalah:

Kp  Av  3.

Bagian

Vout R   43 Vin VR42

Penguat

...(6)

Integral

Pada

Pengendali PID Bagian ini akan melakukan operasi integral

secara

matematis

terhadap

3

...(5) 2

1


4

Vout  Vin setpo int  Vin feedback

39

A

4

3

menghasilkan

sinyal

keluaran. Sehingga jika sinyal masukan

4. Bagian Penguat Differensiator Pada

bernilai konstan, maka keluarannya akan

Pengendali PID

berbentuk lereng (ramp) secara linier. integral

yang

2

penguat

akan melakukan operasi diferensial secara 3

1

Rangkaian

Bagian penguat differensiator ini

dimaksud adalah seperti pada Gambar 8

matematis

terhadap

masukan

berikut ini.

menghasilkan sinyal keluaran. Sehingga

untuk

jika sinyal masukan bernilai konstan,

Fu 022 14 C

maka keluarannya akan berbentuk lereng

D

K001 34 R

(ramp) secara linier. Rangkaian penguat

V51-

integral yang dimaksud adalah seperti pada Gambar 9 berikut ini.

5

4 1

K01 34 RV K001 24 RV

BUSt upt u Oir a D

2

K001 64 RV

MUS e K

V51-

170LT 14 CI

5

4 1

K01 74 RV Fu 22 24 C 2

C

V51+

BUSt upt u Oir a D

6

K1 84 R

3 7 K1 014 R

amp TL071

170LT 14 CI

2 K8 94 R

3

Gambar 8. Penguat Integral dengan Op-

MUS e K

6 7

4

2

untuk

5

masukan

V51+

Gambar 9. Penguat Differensiator dengan Op-amp TL071

Tegangan keluaran penguat integral merupakan hasil operasi intagrel terhadap

Tegangan keluaran dari rangkaian

sinyal tegangan masukan. Persamaan B

matematis operasi integral tersebut adalah

penguat differensiator tersebut adalah

sebagai berikut.

merupakan

hasil

operasi

differensial

terhadap sinyal tegangan masukan dengan persamaan matematis sebagai berikut:

t

1 Vout ( t )   VR44 xC41



dVin ( t )dt ...(7)

0

Vout ( t )  VR46 x C42

dVin ( t ) dt elti T

A

3

Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

4

3

2

1


4

= periode integrasi

5

dt

: eli F : et a D

= tegangan masukan

B ezi S

Vin(t)

HCS. L RGTNI\ 1~ET AEH3\: D 8002-r p A- 91

...(8)

r eb mu N

dimana :

2

dimana :

Tegangan keluaran dari rangkaian

dVin(t)= perubahan tegangan masukan dt = selang waktu yang terjadi

penguat penjumlah tersebut adalah sesuai dengan persamaan berikut ini.

5. Bagian Penguat Penjumlah Pada Pengendali PID

R  R R Vout    414 Vin( P )  414 Vin( I )  414 Vin( D )  R412 R413  R411 

...(10)

Bagian penguat penjumlah ini akan memiliki fungsi utama yaitu sebagai operasi

Jika dipilih tahanan yang nilainya sama

penjumlahan) secara matematis terhadap

yaitu R411 = R412 = R413 = R414 = 10 k,

masukan

untuk

maka tegangan keluarannya adalah:

keluaran.

Sinyal

bagian

dari

menghasilkan tegangan

keluaran

sinyal

masukan

masing-masing

proporsional,

integral

differensiator.

Keluaran

penjumlahan

dari

Vout   Vin( P )  Vin( I )  Vin( D ) ...(11)

dan

hasil

proses

3

rangkaian

ini

4

berasal

(melakukan

5

penjumlah

Yaitu merupakan hasil jumlahan dari

merupakan sinyal kendali yang utuh

tegangan masukan.

sebagai hasil akhir dari pemrosesan

E.

Rangkaian Sulut (Trigger) pada

terhadap masukan utama pengendali yaitu

Saklar

Elektronik

Untuk

sinyal setpoint dan umpan balik.

Pengaturan Daya Pada Heater

Rangkaian penguat integral yang

Rangkaian ini berfungsi sebagai catu

dimaksud adalah seperti pada Gambar 10

daya pada kaki gate daripada triac

berikut ini.

Q4006L4 yang digunakan sebagai saklar elektronik untuk mengatur besarnya daya K01 414 R

listrik

yang

diberikan

pada

elemen

V51-

pemanas listrik (Electrics Heater). Triac K01 84 RV 5

K01 114 R 2

K01 214 R

6 V5 1Z

170LT 14 CI

3 7

yang

digunakan

memiliki

kapasitas tegangan kerja sebesar 198 Volt MWP e K

P ORPt upt u Oir a D

4 1

Q4006L4

K1 514 R

K01 314 R

TNI t upt u Oir a D FI Dt upt u Oir a D

V51+

Gambar 10. Rangkaian Penguat Penjumlah dengan Op-amp TL071

DC. Elemen pemanas sebagai beban listrik untuk memanaskan air memiliki tahanan dalam sebesar 51 ohm. Berikut ini adalah gambar rangkaian sulut yang dimaksud di atas.


41

2

D D

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 8 0 C ADt u pnI e K 2J

K01 124 R

COE Fu 1 3C

1X

Fp 0 3 1C

5

4 1

4 1

5

MUSt upt u Oir a D

K1 814 R

7 K1 224 R

K1 714 R

3 7

653FL 74 CI

K01 024 R K01 314 RV

V51+

K1 1R

2X 91 z H M2 1 1X Fp 0 3 2C

B

Gambar 11. Rangkaian Sistem Minimum Pengendali Mikro AT89S51 G. Diagram Alir Program A

noi si ve R

Untuk

bisa

berfungsi

sebagai

: y B n war D f o t ee hS

r eb mu N

elti T ezi S B

HCS. MWP\ 1~ET AEH3\: D 8002-r p A- 91

pengatur seluruh kinerja sistem, maka 6

: eli F : et a D 5

4

3

Keluaran data digital akan digunakan

pengendali

masing-masing

diprogram. Diagram alir perangkat lunak

tampilan

nilai

A

setpoint dan nilai ektual daripada suhu, 1

mikro adalah sebagaimana tercantum pada tabel 2. Tabel 2. Penggunaan Port Input-Output Pengendali Mikro No Pin

IN/OUT

Port

10

Output

P3.0

16

Output

P3.6

17

Output

P3.7

32 s/d 39

Output

P0.0 s/d P0.7

12

Input

P3.2

21 s/d 28

Input

P2.0 s/d P2.7

START 2

penggunaan port input-output pengendali

harus

yang digunakan adalah sebagai berikut.

masukan bagi DAC0800, dan sinyal kendali jalannya ADC0809. Secara rinci

tersebut

3

untuk

mikro

Inisialisasi : - Tampilan AWAL 0000 - Isi nilai setpoint = 50

Baca Suhu Aktual : - ADC start konversi - Tunggu EOC - Ambil hasil Konversi

Keterangan Pemilih mode kerja (RD/WR) pada ADC0809 Bit Kendali WR bagi ADC0809 Bit Kendali RD bagi ADC0809 Data Digital masukan bagi DAC0800 Bit Tanda Akhir dari Proses Konversi ADC0809 Data Digital Hasil Konversi ADC0809


Baca Suhu Aktual : - ADC start konversi - Tunggu EOC - Ambil hasil Konversi

Koreksi Tampilan Aktual : - Ambil Data Tampilan dari Database - Tampilkan ke Display

Koreksi Sinyal Kendali : - Koreksi Data Digital 8 bit masukan DAC sebagai kata kendali untuk mengatur daya Heater

Gambar 12. Diagram Alir Perangkat Lunak Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

4

2

6 V51+

V51+

V5 +

9 81

K1 714 R

Masukan 0809.

NESP EL A PP V

653FL 84 CI

DR RW

9 0 80 CDAt u Oir a D 1J

C

K01 914 R

3

Fu1. 0 34 C

jalannya

ADC

TBS R

4L6004 Q 1 RT

2 6

dari

92 03 13 V5 +

K1 714 R K1 714 R

n oit cel e S DR/ R W

V51-

berasal

2P 2P 2P 2P

71 61 51 41 31 21 11 01

K01 414 RV

RET AEH 2 1J 1

V51+ K01 114 RV

eksternal

3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P 3P

Dat a D Dat a D Dat a D Dat a D

K01 214 RV

V51-

ada.

7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0.

A5 1F

yang

2P 1598 2 P 1 CI 2P 2P

V51+

proses

ST89S51

mengatur

0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

yal psi yal psi yal psi yal psi

V891+

seluruh

untuk

12 22 32 42 52 62 72 82

AT AD HCT AL AT AD HCT AL AT AD HCT AL

digunakan

mikro

8 7 6 5 4 3 2 1

8 7 6 5 4 3 2 1

Pengendali

7. 1 P 6. 1 P 5. 1 P 4.C1 P 3. 1 P 2. 1 P 1. 1 P 0. 1 P

89S51

0P 0P 0P 0P 0P 0P 0P 0P

Rangkaian Pengendali Mikro AT

7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0.

F.

23 33 43 53 63 73 83 93

Gambar 11. Rangkaian Sulut Pada Saklar Elektronik dengan Triac Q4006L4

2

B.

III. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

Heater

Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian

rangkaian

sensor

Pengujian Rangkaian Sulut dan Sebagai

Plan

Yang

Dikendalikan

suhu,

pengujian rangkaian plan yang mencakup

Pada sistem ini rangkaian sulut dan

rangkaian sulut dan heater, dan pengujian

heater merupakan bagian dari sistem

sistem secara keseluruhan.

keseluruhan yang berfungsi sebagai plan.

A. Pengujian Rangkaian Sensor Suhu

Bagian ini menerima masukan masukan

Pengujian rangkaian sensor suhu

(MV=Manipulated

Variable)

berupa

dilakukan dengan melakukan pengamatan

tegangan trigger bagi rangkaian sulut.

dan

tegangan

Keluaran (PV=Process Variable) dari

keluaran terhadap setiap perubahan suhu

bagian ini adalah suhu air hasil dari

yang

proses pemanasan oleh heater.

pengukuran

terjadi.

besarnya

Hasil

pengujian

yang

didapatkan adalah seperti pada Gambar 13. Input (MV)

Output (PV)

F(s)

Grafik Tanggapan Sensor Terhadap Perubahan Suhu

1200

Gambar 14. Blok Diagram Plan

Vout (Volt)

1000 800

Pengujian

600

dilakukan

dengan

memberikan perubahan tegangan trigger

400

masukan kemudian diamati tegangan

200

keluaran

0 0

50

100

150

Suhu (Derajat Celcius)

Gambar 13. Grafik Tanggapan Sensor Suhu LM35DZ terhadap Perubahan Suhu

sensor

suhu

merepresentasikan

nilai

pemanasan

heater.

oleh

yang

suhu

hasil

Perubahan

tersebut diberikan secara step. Waktu pengamatan dilakukan dengan jeda waktu

Pengujian dilakukan untuk suhu

(sampling time) 1 menit.

Pengujian

30OC sampai dengan 96OC. Dari hasil

dilakukan dengan 2 jenis perubahan level

pengujian

tegangan trigger yang berbeda yaitu dari

tersebut

menunjukkan yang

0 ke 2 volt dan dan dari 0 ke 1 volt.

digunakan. Hal ini akan memudahkan

Grafik hasil pengujian yang didapatkan

dalam pengendalian sistem.

adalah seperti pada Gambar 15 dan 16.

kelinieran

dari

sensor

suhu


43

700 Tegangan Keluaran Sensor LM35DZ (mVolt)

Tegangan Output Sensor LM35DZ (mVolt)

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

600

500

400

300

200

100

0 0

50

100

150

200

0

20

40

Waktu (menit)

Gambar 15. Grafik Respon Rangkaian Plan (Rangkaian Sulut dan Heater) Untuk Tegangan Trigger berubah dari 0 ke 2 Volt. Dari hasil pengujian yang pertama (tegangan sulut sebesar 2 Volt) nampak bahwa tegangan keluaran sensor suhu LM35DZ tidak bisa mencapai 1000mV (ekivalen dengan suhu 100OC). Walau ditunggu sampai 170 menit tegangan maksimal keluaran sensor suhu hanya mencapai 872mV (ekivalen dengan suhu 87OC). Hal ini menunjukkan bahwa untuk level tegangan trigger 2 volt, plan hanya mampu melakukan pemanasan air sampai suhu sekitar 87OC. Untuk pengujian kedua dilakukan dengan tegangan trigger sebesar 1 volt kemudian dilakukan pengamatan dengan cara yang sama dan didapatkan hasil seperti pada Gambar 16.

60

80

100

120

Waktu (menit)

Gambar 16. Grafik Respon Rangkaian Plan (Rangkaian Sulut dan Heater) Untuk Tegangan Trigger berubah dari 0 ke 1 Volt. Dari hasil pengujian yang kedua (tegangan sulut sebesar 1 Volt) nampak bahwa tegangan keluaran sensor suhu LM35DZ juga tidak bisa mencapai 1000 mV (ekivalen dengan suhu 100 Walau

ditunggu

sampai

102

O

C).

menit

tegangan maksimal keluaran sensor suhu hanya

mencapai

656

mV

(ekivalen

O

dengan suhu 65 C). Hal ini menunjukkan bahwa untuk level tegangan trigger 1 volt, plan hanya mampu melakukan pemanasan air sampai suhu sekitar 65 OC. Dari kedua gambar tersebut diatas menunjukkan bahwa plan bersifat self regulated dan open loop stable. Dimana ketika diuji secara open loop, memberikan tanggapan yang stabil dengan sendirinya walau diperlukan waktu yang relatif lama. Hal ini dikarenakan proses pemanasan air tidak mungkin dilakukan secara instan.



Hasil pengujian ini akan digunakan

yang pertama dipilih pada titik dimana

untuk menentukan parameter fungsi alih

keluaran plan berada pada level 63.2 %

yang merepresentasikan dinamika sistem

dari keluaran steady state. Titik kedua

tersebut. Dari kedua hasil pengujian

dipilih pada titik dimana keluaran plan

tersebut diatas dipilih hasil pengujian

berada pada level 28.3 % dari keluaran

pertama dengan tegangan trigger 2 volt

steady state. Berdasarkan hal tersebut

yang akan digunakan untuk identifikasi

maka didapatkanlah titik ujinya yaitu

fungsi alih plan tersebut.

seperti Gambar 18.

IV. IDENTIFIKASI FUNGSI ALIH

dengan asumsi bahwa fungsi alih plan tersebut merupakan fungsi orde satu dengan waktu tunda dengan bentuk umumnya adalah sebagai berikut:

K F( s )  e  t d .s  .s  1

Tegangan Output Sensor LM35DZ (mVolt)

1000

Identifikasi fungsi alih dilakukan

900 800 700

(46.5 ; 651.2)

600 500

(19.4 ; 441.8)

400 300 200 100 0

...(12)

0

50

100

150

200

Waktu (menit)

dimana: K

= proses Gain

td

= waktu tunda



= konstanta waktu yaitu besarnya

Gambar 17. Identifikasi Fungsi Alih Titik uji pertama: t1 = 19.4 menit Titik uji kedua: t2 = 46.5 menit

waktu yang dibutuhkan hingga keluaran plan mencapai 63.2 % dari keluaran steady state s

dilakukan

dengan

maksud untuk menentukan nilai–nilai dari parameter K, td dan  yang mewakili dinamika plan tersebut. Dalam tulisan ini metode yang digunakan untuk identifikasi adalah

metode

smith.

parameter plan td dan  dapat ditentukan sebagai berikut:

= variabel laplace Identifikasi

Berdasarkan metode smith maka

Metode

ini

=

3 3 ( t 2  t1 ) = ( 46.5  19.4 ) = 41.25 2 2

dan waktu tundanya: td = t 2

  = 46.5 – 41.25 = 5.25

menit Parameter

K

ditentukan

dari

dilakukan dengan menentukan 2 titik uji

perbandingan antara perubahan keluaran

dari

saat steady state dengan perubahan

grafik

respon

plan

terhadap

masukan yang diberikan. Dari pengujian perubahan masukan secara step. Titik uji Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 45

yang dilakukan pada saat tegangan trigger

mencapai output steady state sebesar 32

diberikan,

LM35DZ

menit dihitung sejak perubahan setpoint

berada pada nilai 272 mV. Setelah

diberikan. Output steady state masih

tegangan

keluaran

mengalami osilasi walaupun tidak terlalu

sensor menjadi 872 mV pada saat steady

besar. Lambatnya respon sistem bisa

state.

masukan,

dikarenakan beberapa faktor antara lain

perubahan diberikan dari 0 menjadi 2

setting parameter pengendali PID yang

volt. Dengan demikian dapat ditentukan

belum optimal, kapasitas elemen pemanas

besarnya parameter K sebagai berikut ini.

(heater) atau kondisi lingkungan sekitar

PV 0.872  0.272 0.600    0 .3 MV 20 2

yang turut mempengaruhi kinerja sistem

K

keluaran

trigger

sensor

diberikan

Sedangkan

untuk

pemanas ini.

Dengan demikian fungsi alih dari plan adalah :

600

V.

0 .3 e  5.25 s 41.25 s  1

PENGUJIAN SISTEM KESELURUHAN DENGAN PENGENDALI PID

500 Vout Sensor Suhu (mV)

F( s ) 

400

300

200

100

0 0

20

yang telah dibahas sebelumnya, maka

60

80

100

Waktu (menit)

Berdasarkan parameter fungsi alih orde satu dengan waktu tunda seperti

40

Gambar 18. Tanggapan Sistem Yang Dikendalikan Dengan PID Saat Diberikan Perubahan Setpoint menjadi 50OC

dapat ditentukan parameter pengendali PID dengan metode Quarter Decay Ratio. Dengan

metode

tersebut

didapatkan

parameter pengendali proporsional Kp = 4.46 , parameter integral Ti = 8.86 dan parameter pengendali differensial Td = 0.808. Dengan setting PID tersebut dilakukan

simulasi

sistem

secara

keseluruhan seperti Gambar 19.

VI. KESIMPULAN Dari

pembahasan

dilakukan sebelumnya

yang dapat

telah diambil

kesimpulan sebagai berikut: 1. Sensor

suhu

LM35DZ

memiliki

respon yang linear dimana tegangan keluaran berbanding lurus dengan suhu.

Dari Gambar 19 nampak bahwa respon sistem sangat lambat, terlihat dari waktu yang dibutuhkan sistem untuk 46 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010


2. Rangkaian sulut dan heater sebagai

[4]

Ogata,

Katsuhiko,

“Teknik

plan yang dikendalikan memiliki sifat

Kontrol Automatik”, Terjemahan

self regulated dan open loop stabil.

Ir, Edi Laksono, Erlangga, Jakarta,

3. Plan yang dikendalikan bisa dianggap sebagai sistem orde satu dengan waktu

1991. [5]

Robert F Coughlin & Fredrick F

tunda dengan parameter K=0.3 ;

Driscoil, “Penguat Operasional

=41.25 dan td=5.25 menit .

dan Rangkaian Terpadu Linear”, Alih Bahasa oleh Herman Widodo

4. Pengendalian plan menggunaka PID

Soemitro, Erlangga, Jakarta, 1983.

dengan parameter Kp=4.46 ; Ti=8.86 dan Td=0.808 menghasilkan respon

[6]

Roger L Tokheim, “Elektronika

sistem yang masih relatif lambat

Digital”, Alih Bahasa oleh Ir.

dimana keluaran baru mencapai titik

Sutisno M.Eng., Jakarta 1995.

kestabilannya dalam kurun waktu sekitar 32 menit. 5. Output steady state masih mengalami O

[7]

Budi Haryo Raharjo, “Simulasi Sistem

Pencelupan

Badan

Mobil

Pada

Kerangka Proses

sedikit osilasi di sekitar 50 C, hal ini

Perakitan Mobil Berbasis Mikro

dimungkinkan seting parameter PID

AT89C51”, Skripsi, Jakarta, 2005.

yang harus ditala ulang.

REFERENSI [1]

Paulus Andi Nalwan, “Panduan Praktis Teknik Antar Muka dan Pemrograman

Mikrokontroler

AT89S51”,

Elekmedia

Komputindo, Jakarta, 2003. [2]

Fredrick W. Hughes, “Panduan Op-Amp,

Elex

Media

Komputindo”. [3]

Jerald G. Graeme & Gene E. Tobey, “Operational Amplifier”. McGraw Hill International Book Company, Singapore, 1981.


47

PENGENDALIAN SISTEM PEMANAS AIR BERTENAGA LISTRIK DENGAN PENGENDALI PID DAN PENGENDALI MIKRO AT89S51

Recommend Documents