PERANCANGAN PENGENDALI PID PADA PRESSURE PROCESS RIG (38-714) BERBASIS MIKROKONTROLLER AVR ATMega8535

PERANCANGAN PENGENDALI PID PADA PRESSURE PROCESS RIG (38-714) BERBASIS MIKROKONTROLLER AVR ATMega8535 Vector Anggit Pratomo. Jurusan Teknik Elektro, Universitas Pancasila [email protected]

Abstrak Pressure Process Rig (PPR) merupakan instrument yang digunakan untuk proses pengaturan presusure (tekanan) dan kecepatan aliran (flow) udara, pada proses pengendalian PPR Keberadaan pengendali pada tekanan dan kecepatan aliran udara memiliki nilai variable kendali dalam sebuah sistem proses yang memberikan kontribusi besar terhadap perilaku sistem. Tujuan dari penelitian ini akan dibahas perancangan pengendali PID digital berbasis mikrokontroller pada plant Pressure Process Rig 38-714, untuk mendapatkan respon sistem yang lebih baik dengan mengendalikan posisi bukaan aktuator yang berupa pressure control valve. Tuning parameter pengendali PID diperoleh dengan menggunakan grafik tuning PID controller yang dikembangkan oleh Ciancone dan Thomas E. Marlin. Kata Kunci : Pressure Process Rig(38-714), PID,Mikrokontroller AVR ATMega8535. Abstract Process Pressure Rig (PPR) is an instrument that is used to process presusure settings and flow velocity of air, in the presence of PPR control process controlling the pressure and air velocity has a value of variable control in a system process that contributes greatly to behavior of the system. The purpose of this study will be discussed digital PID controller design based on plant microcontroller Process Pressure Rig 38-714, to get a better response system by controlling the opening position of the actuator pressure control valve. PID controller tuning parameters obtained using the graphical tuning PID controller developed by Ciancone and Thomas E. Marlin. Key words: Pressure Process Rig (38-714), PID, ATMega8535 AVR microcontroller.

PENDAHULUAN Pada suatu sistem kendali, komponenkomponen penyusun sistem tidak dapat diubah tanpa berpengaruh kepada karakteristik plan. Perubahan-perubahan perilaku sistem hanya dapat dilakukan melalui penambahan suatu sub sistem, yaitu pengendali. Fungsi pengendali ini adalah mereduksi sinyal kesalahan (error), yaitu perbedaan antara sinyal setting (set point) dan sinyal aktual sehingga diperoleh sinyal aktual yang sama dengan sinyal setting. Kinerja sistem kendali yang diterapkan diketahui dari kecepatan reaksi sistem mengikuti sinyal aktual dan besar kesalahan (error) yang terjadi.

106

Salah satu jenis pengendali yang paling populer adalah pengendali Proportional Integrator Differentiator (PID). Pengendali PID merupakan pengendali konvensional tetapi masih sangat banyak dijumpai pada dunia industri. Proses perancangan dan realisasi yang tidak terlalu sukar sehingga implementasinya masih dapat berkembang, menyebabkan pengendali PID masih dapat bertahan sampai saat ini. Namun kelemahannya adalah pengendali jenis ini kurang cocok dipakai untuk sistem yang memerlukan keakuratan yang tinggi.

JURNAL TEKNIK FTUP, VOLUME 25 NOMOR 2 JUNI 2012

METODELOGI PENELITIAN 1. Identifikasi model dari sistem stem dilakukan dengan menggunakan metode step response.. Parameter model dihitun dihitung berdasarkan respon keluaran si sistem saat diberikan input fungsi step. parameter PID dengan 2. Tuning menggunakan aturan dan grafik tuning PID yang dibuat oleh Ciancone dan Thomas E.Marlin. 3. Membuat simulasi mikrokontroler dengan menggunakan s-function. 4. Menerapkan algoritma pengendalian PID di mikrokontoler AVR.

DASAR TEORI 3.1. Pressure Process Rig 38-714 714 Aparatus yang digunakan dalam process Rig 38-714 pada Gambar 1. adalah

Sistem ini membentuk sebuah sistem Single Input Single Output (SISO) dengan sumber input berupa air compressor. Sistem ini juga memungkinkan kita untuk dapat mempelajari mempelaja operasi dari setiap komponennya dan mempelajari koneksi sistem tersebut ke pengendali elektrik melalui transduser tekanan/arus. Sistem ini memiliki 2 buah Regulator (R1 dan R2), 6 buah indikator tekanan (G1, G2, …, G6), dan 7 buah valve (V1, V2, …, V7). Regulator R1 digunakan untuk mengendalikan tekanan yang diukur oleh G1. Regulator R2 digunakan untuk mengatur tekanan yang diukur oleh G3 atau G4 atau G5. Sementara indikator tekanan G6 digunakan untuk menunjukkan tekanan pada air receiver.. Output yang akan dikendalikan pada sistem ini ada dua buah, yaitu tekanan pada G5 dan perbedaan tekanan antara G4 dan G5. Pressure transmitter (38-461) (3 berfungsi mengubah output pressure sensor agar menjadi standard input yang sesuai bagi controller. Differential Pressure transmitter (38-462) berfungsi mengubah output differential pressure sensor agar menjadi standard input yang sesuai bagi controller 3.2. Kendali Proportional, Derivative (PID)

Integral,

dan

Kendali PID merupakan gabungan kendali Proportional, Integral dan Derivative. Persamaan kendali PID diberikan oleh : Gambar 1. Pressure Process Rig Aparatus ini ini terdiri dari: • Sebuah Pneumatic Control Valve, • Sebuah I/P Converter, • Sebuah Blok Orifice, • Sebuah Flowmeter, Enam buah pengukur tekanan (Gauge), • Dua buah Regulator tekanan, • Sebuah Sensor tekanan, • Sebuah Sensor perbedaan tekanan, • Sebuah Air Receiver, • Tujuh buah Valve, dan • Beberapa buah saluran pipa yang menghubungkan komponen komponen-komponen di atas.


m(t ) = K p e(t ) + K p Td

de(t ) K p + dt Ti

m(t ) = K p e(t ) + K D

t de(t ) + K I ∫ e(t ) …..(2) 0 dt

∫ e(t ) …….(1) t

0

Fungsi alihnya adalah

K M (s ) = K p + I + K D s ……………(3) E (s ) s Diagram blok dan aksi diperlihatkan pada gambar 3.

keluarannya

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masingmasing masing pengendali P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengendali ngendali proposional

107

plus integral plus derivative (pengendali PID). Elemen-elemen elemen pengendali P, I dan D masing masingmasing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. luaran pengendali PID merupakan jumlahan Keluaran dari keluaran pengendali proportional, keluara keluaran pengendali integral. Gambar 2 menunjukkan hubungan tersebut.

Gambar 3. Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk pengendali PID 3.3. Mikrokontroler ATMega 8535

e(

Ramp

0 t m(t)

Aksi kendali PID Aksi kendali P PD

Hanya 0

t

Gambar 2. Blokk diagram pengendali PID analog dan keluarannya Karakteristik pengendali PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh aruh pada respon sistem secara keseluruhan.

108

ATMega 8535 merupakan salah atu kelas dari mikrokontrollr AVR atau sebuah kependekan dari Alf and Vegard’s Risc Processor merupakan chip mikrokontroler yang diproduksi oleh Atmel. AVR termasuk kedalam jenis mikrokontroler RISC (Reduced Reduced Instruction Set Computing)) 8 bit. Berbeda dengan mikrokontroler keluarga MCS-51 MCS yang berteknologi CISC (Complex Complex Instruction Set Computing). ). Pada mikrokontroler dengan teknologi RISC semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit (16 bits words) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 clock, sedangkan pada teknologi CISC seperti yang diterapkan dit pada mikrokontroler MCS-51, MCS untuk menjalankan sebuah instruksi dibutuhkan waktu sebanyak 12 siklus clock. Secara umum dapat dikelompokkan ke dalam 4 kelas yaitu: ATtiny, ATMega,AT90Sxx ATMega, dan AT86RFxx. Perbedaan yang terdapat pada masing-masing masing kelas s adalah kapasitas memori, peripheral, dan fungsinya. Dalam hal arsitektur maupun instruksinya, hampir tidak ada perbedaan sama sekali. Dalam hal ini ATMega 8535 dapat beroperasi pada kecepatan maksimal 16MHz serta memiliki 6 pilihan mode sleep untuk menghemat emat penggunaan daya listrik.


Berikut adalah flowchart pengendalian PID pada menggunakan mikrokontroller

dari proses proses rig

START

Inisialisasi: ADC.0<< PORTA. 0 (output proses=PID) ADC.1<< PORTA. 1 (input proses= cv) PORTD.1<< output serial Set UART: 115200,8,N,1 SET TIMER0 PORTC<< output pin to ADC

1

Integral: error_sum=error_sum-error Iv= Kc*dt/Ti* error_sum

SETING NILAI AWAL : dt=0.01s Kc=3. 1654 Ti= 0. 2962 Td=0. 0156 U1_prev=0 Error=0 error_sum=0 PID=0;

Derivative: Dv =((cv-cv_prev)/dt)*Kcd cv_prev=cv

PID: PID=Pv+Iv-Dv PORT.C=PID 2 BACA SET POINT

TIMER. 0 OVF

Kirim Data Serial KePC Untuk data log Print: sp,PID, cv No No 2

Yes Yes BACA ADC( CV) error=sp-cv

Propotional Pv= KC*error

1

Gambar 7. Flowchart

Gambar 4.. Arsitektur dan Konfigurasi Pin ATMEGA 8535

4.1. Identifikasi model PERANCANGAN PENGENDALI PID Pada sinyal proses perancangan pressure rig pengendali PID menggunakan Mikrokontroller ditunjukan pada Gambar 6. Untuk sinyal keluaran dari sensor pressure dan sensor flow yang merupakan besaran arus akan di ubah ke niali besaran tegangan, dikarenakan perubahan sinyal analog ke digital pada

Parameter model dihitung berdasarkan respon keluaran system saat diberikan input fungsi step. Model yang akan dibuat adalah model orde satu dengan dead time.

Gp ( s ) =

Ke −θs ………………...………..(4) ……………… τs + 1

Langkah identifikasi model sebagai berikut; 1. Mencari kurva respon sistem s tanpa pengendali endali yang dianggap paling ideal dengan mengatur besar input step. 2. Menghitung parameter K, θ(dead θ time) dan τ(time constant) 3. Memodelkan sistem stem Gp(s) sebagai model orde satu dengan dead time. Dari hasil praktikum diperoleh grafik sinyal output dan sinyal input yang diberikan ke sistem, sbb:

Gambar 6.. Ilustrasi arah aliran sinyal pada sistem


109

Input yang diberikan berupa input step dengan initial value 0,4 dan final value 2 (δ = 1,6). Step time 5. Grafik input dan output hasil simulasi Gp(s) adalah sbb:

Gambar 8.. Grafik sinyal output dan input hasil praktikum. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa input yang diberikan adalah input step dengan step time mulai dari lima, initial value 0,4 dan final value 2 (δ = 2-0,4 0,4 = 1,6). berdasarkan grafik sinyal output, maka ∆ ≈ 0,556. Kp = ∆ /

δ=

0,556 = 0,3475 1,6

τ = 1,5 (t63% - t28%) Berdasarkan grafik output : t63% ≈ 0,343 t28% ≈ 0,184

Gambar 10 Grafik input dan output dari transfer funtion Gp(s) yang disimulasi dengan matlab. Dari gambar 10 grafik hasil simulasi nilai delta(∆) ≈ 0,4094, berbeda dengan nilai ∆ hasil praktikum, hal ini disebakan karena kekurangtelitian dalam pembacaan grafik dan pembulatan nilai-nilai nilai lainya pada Gp(s) yang disimulasi. • Penambahan PID pada system Gp(s)

maka τ = 1,5 (0,343 – 0,184) τ = 0,2375 θ = t63% - τ = 0,343 – 0,2375 θ = 0,106 Gp(s)

Gp(s)

 Kp     τs + 1  0,3475  -0,106s  = e    0,2375s +1  -θs

=e

-0,106s

=e

 0,3475     0,2375s +1 

Setelah didapat transfer function (Gp(s)), selanjutntya disimulasi dengan matlab, diagram blok simulasi adalah sbb:

Bentuk umum PID:

1 dv edt − Td ∫ Ti dt 1 Kc(1 + )e( s) − KcTdsY ( s) Tis

Kc (e +

)

Mencari nilai nilai Kc, Kid an Kd

Time sampling ditentukan 0,01 (ketentuan time sampling, ∆t ≤ 0,05 (θ+ τ)), )), jadi time sampling nya harus ≤ 0,017175. θ pada sistem s diskrit (θ') = θ + ∆t/2 = 0,111.

Gambar 9. Diagram blok simulasi system Gp(s) pada matlab.

110


Gambar.12.. Diagram blok simulasi sistem si Gp(s) yang sudah dengan PID Pada simulasi Gp(s) dengan PID, input berupa input step dengan initial value 0,4 dan final value 2, sedangkan step time nya mulai dari 5.

Gambar 11.. Metode Grafik Ciancone Berdasarkan grafik diatas, nilai Kc, Ti dan Td dapat dicari :

 θ'  ' θ +τ

 0,111  = = 0,3185  0,3485

Dari grafik diatas, Kc.Kp ≈ 1,1 Kp = 0,3475

1,1 = 3,1654 0,3475 ’ Ti / ( θ + τ ) ≈ 0,82

Kc =

Gambar 13.. Grafik input output hasil simulasi sistem stem Gp(s) dengan kontroler PID. Simulasi PID pada sistem stem Gp(s) dengan menggunakan s_function sebelum melakukan pemrograman dengan Mikrokontroller. kontroller.

’

θ + τ = 0,3485 Ti = 0,82 x 0,3485 = 0,2962 Scope 1

’

Td / ( θ + τ ) ≈ 0,045 Td = 0,045 x 0,3485 = 0,0156

1 )e( s) − KcTdsY ( s) Tis 1 3,1654 (1 + )e( s ) − 0,01556 sY ( s )) 0,2962 s Kc(1 +

Setelah didapat PID nya, sistem stem Gp(s) yang telah di rangkai dengan PID selanjutnya disimulasikan, diagram simulasinya sebagai berikut :


0.3473 *[1] pidoke 0.23895 s+1 S-Function

Transport Delay

Transfer Fcn

Scope

Signal 2

Signal Builder Scope 2

Gambar 14. Diagram Blok simulasi sistem s Gp(s) dengan s_function

111

2R PORTC0 2R

PORTC.1

2R

PORTC.2

2R

PORTC.3

2R

PORTC.4

2R

PORTC.5

2R

PORTC.6

2R

PORTC.7

Function Gambar 15 Hasil simulasi s-Function 4.2. Perancangan kontroler menggunakan mikrokontroler mikrokontroler.

R R R

1R

R

Gambar 16. Digital to analog converter dengan menggunakan PORTC mikrokontroler sebagai input DAC dan Rangkaian pembatas keluaran sebesar 2 volt. 4.4. Hasil Pengendali Menggunakan PID Mikrokontroller

Proses Rig Menggunakan

Setelah dilakukan pengendalian dengan menggunakan metode pengendali PID pada Proses Rig dengan menggunakan Mikrokontroller terlihat pada gambar 4.8.

3,1654 )e( s ) − 0,01556sY ( s )) 0,2962 s

Persamaan PID ini selanjutnya diterapkan pada algoritma pengendali di dalam mikrokontroler. Proses yang akan dikendalikan adalah proses kontinyu sehingga diperlukan DAC untuk merubah sinyal kendali digital U(z) ke sinyal kendali dalam m bentuk sinyal kontinyu U(t). 4.3. Perancangan Digital Converter (DAC).

to

Gambar 17.Pengendali Pengendali PID

Analog

MIKROKONTROLER

Setpoint X(t)

X(Z)

Sebelum digunakan sinyal kendali U(z) dari mikrokontroler harus dirubah ke bentuk kontinyu U(t) karena sistem yang akan dikendalikan bukan sistem digital. Diperlukan DAC untuk merubah sinyal digital ke bentuk kontin kontinyu. Dapat dituliskan persamaan sebagai berikut: D D D D D D D D = 5( 7 + 6 + 5 + 4 + 3 + 2 + 1 + 0 + ) 2 4 8 16 32 64 128 255

E(z)

ADC1

U(z) PI

+

112

R

PID

Time sampling ( ∆t ) ditentukan sebesar 0,01. Nilai Kc = 3,1654, Ti = 0,2962, dan Td = 0,0156, sehingga persamaan PID nya menjadi

Vout

Rangkaian pembagi tegangan

R

2R

Dari data Kc, Ti, dan Td di atas dapat dirancang sebuah pengendali PID dengan mikrokontroler. Salah satu mikrokontroler yang dapat digunakan sebagai pengendali PID adalah mikrokontroler ATmega8535 (AVR). ATmega8535 memiliki ADC internal sehingga memudahkan dalam mengkonversi besaran sinyal kontinyu ke digital baik dari input settling time maupun dari feedback keluaran sensor. Clock maksimal ATmega8535 sampai dengan 16 MHz.

(3,1654 +

R

U(t) DAC

+

-

V to I Converter

PROSES

-

D

Y(Z)

ADC0

I to V Converter

SENSOR

Gambar 18. Diagram blok pengendalian proses dengan PID menggunakan mikrokontroler.


Y(t)

Ada beberapa hal yang diperhatikan pada pengendali proses rig diantaranya yaitu: 1. Pengendali pada converter arus ke tegangan tidak mengenal adanya besaran sinyal negatif . 2. Batasan pada Proses Rig untuk tegangan sebagai sinyal masukan antara 0 – 4 volt. Pada pengendali ini tegangan yang digunakan adalah 0.4 volt – 2 volt. 3. Dikarenakan tegangan keluaran pada DAC adalah 0volt – 5 volt maka dibutuhkan rangkaian pembagi setelah keluaran dari DAC (gambar 16.) . KESIMPULAN Dari hasil pengendali Proses Rig berbasis Mikrokontroller ATMEGA 8535 dan selama melakukan percobaan di dapatkan : 1. Nilai parameter KC,Ti dan Td mempengaruhi dari respon time pengendali. 2. PID dalam discret time memiliki ketentuan time sampling sebesar 0.01. 3. Keluaran pada mikrokontroller tidak mengenal tegangan minus, sehingga dilakukan manipulasi proses pemrograman dengan menggunakan batasan. 4. Pengendali tidak dapat mengikuti set point disebabkan karena proses akumulasi pada program dilakukan dengan percobaan kesalahan sehingga tidak dapat menentukan nilai tengah pengendali dari besaran bit 256. DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4.

Modul Proses Rig 38-714, Teknik Elektro Kendali Industri, Universitas Indonesia. Stuart R Ball,Analog Interfacing to embedded to microprocessor system, 2 nd edition, Elsevier 2004. Katsuhiko Ogata, Moderen Controll nd Enginering, 2 Edition, Prentichall 1997. Ardi Winoto,Mikrokontroller AVR ATmega 8/32/16/8535 dan pemrogramannya dengan Bahasa C pada WIN AVR, Informatika Bandung, 2008.


113

PERANCANGAN PENGENDALI PID PADA PRESSURE PROCESS RIG (38-714) BERBASIS MIKROKONTROLLER AVR ATMega8535

Recommend Documents