Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Institut Teknologi Bandung
Jl. Ganesha 10, Bandung 40132 #)
E-mail : [email protected]
Abstrak
Kontrol Automatik telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Sistem kontrol ini bekerja dengan membandingkan keluaran “plant” dengan harga yang diinginkan, menentukan deviasi (error) dan menghasilkan sinyal kontrol yang akan memperkecil error sampai nol atau sampai harga yang kecil. Secara garis besar kontroler di industry dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu kontroler on-off, proporsional, integral, proporsional - turunan (PD), proporsional - integral (PI), dan kontroler proporsional - turunan - integral (PID). Salah satu arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system)3). Digital PI controller merupakan salah satu aplikasi dari sistem terintegrasi yang menggunakan sistem kontrol PI yang bekerja secara digital. Sistem ini memanfaatkan karakteristik dari mikrokontroller PIC 18F452 yang bisa diisi program sebagai pengontrol. Apabila sistem ini diaplikasikan dalam pengontrolan suhu, maka dengan mengunakan algoritma PI, kita dapat mencapai nilai suhu yang kita inginkan tanpa menghasilkan error steady state. Pengontrol PI bekerja dengan mengalikan dan mengintegralkan error yang dihasilkan.
Kata Kunci: Digital, PI, Controller
I. Pendahuluan
Digital PI controller merupakan salah satu jenis kontroler konvensional yang mengunakan algoritma proporsional–integral. Sistem kontrol ini bekerja dengan cara membandingkan keluaran dari kontroler
dengan setting point untuk mencari error dari setting point, kemudian nilai error ini dikuatkan dan kemudian diintegralkan. Apabila kontroler ini diimplementasikan pada mikrokontroler untuk mengontrol temperatur maka akan dihasilkan suatu sistem kontrol temperatur yang bisa berjalan sendiri dengan temperatur keluaran sesuai dengan setting point dan error yang sangat kecil.
*) Sekarang bekerja di Pusat Penelitian Fisika LIPI, Kompleks Puspitek Serpong, Tangerang 15314, Indonesia
Plant
Controller
RS232
Gambar 1 Board Kontroler PI
Salah satu arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system)3). Gambar 1 memperlihatkan modul kontroler PI lengkap dengan Plant yang akan dikontrol temperaturnya. Kontroler ini memanfaatkan karakteristik dari PIC18F452
93
yang bisa diprogram sebagai kontroler dan pengolahan data.
II. Teori Dasar Sistem Kontrol
Sebuah pengontrol otomatik bekerja dengan membandingkan keluaran aktual dari plant (process variable/PV) terhadap masukan referensi (set point/SP) sebagai nilai yang diinginkan. Dari perbandingan tersebut diperoleh nilai error yang menyatakan deviasi dari kedua parameter. Selanjutnya pengontrol akan menghasilkan sinyal kontrol sebagai upaya korektif yang akan mereduksi error sampai ketitik nol atau sebuah nilai steady state error tertentu. Mekanisme bagaimana pengontrol otomatik menghasilkan sinyal kontrol lazim disebut sebagai aksi kontrol (control action)2).
PENGONTROL PROSESPLANT/
Set Point Variabel
Proses
r(t) e(t) u(t) y(t)
Gambar 2 Diagram blok system control lingkar tertutup
Berdasarkan jenis sistem kontrolnya yang diimplementasikan, Kontroler dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu kontroler konvensional dan kontroler nonkonvensional. Kontroler konvensional terdiri dari kontroler on-off, proporsional, proporsional-integral, proporsional-derivatif, proporsional-integral-derivatif. Masing-masing kontroler ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing.
Kontroler on-off merupakan jenis kontroler yang paling sederhana, namun sistem yang menggunakan kontroler ini memiliki kelemahan yaitu masih terdapat dead band serta dapat merusak hardware kontroler karena aktivitas on dan off (relay) yang terlalu sering. Dalam kontroler proporsional, error yang terjadi dikuatkan terlebih dahulu sebelum dihubungkan ke actuator. Kontroler mempercepat proses, meningkatkan overshoot, tidak menghilangkan offset dan tidak merubah orde sistem. Kontroler proporsional-integral merupakan kontroler dimana errornya dikuatkan kemudian diintegralkan. Kontroler ini mempercepat proses dan
menghilangkan offset tetapi meningkatkan orde system sehingga akan menimbulkan osilasi. Kontroler proporsional-derivative bekerja dengan cara menguatkan error dan mendiferensialkan error tersebut. Kontroler jenis ini akan meredam osilasi dan mengurangi overshoot tetapi tidak menghilangkan offset.
Kontroler PID merupakan kontroler konvensional yang paling baik karena kontroler ini mrupakan gabungan dari kontroler proporsional, integral, dan derivative. Kontroler ini akan menghasilkan temperatur tanpa overshoot dan tanpa offset. Dalam penulisan ini akan lebih dibahas mengenai kontroler proporsional - integral (PI) karena dengan kontroler jenis ini sudah bisa dihasilkan temperature yang cukup stabil.
III. Perangkat Keras Digital PI
Controller
Digital PI Controller dilengkapi dengan resistor variabel yang berfungsi untuk mengatur nilai setting point dan parameter-parameter kontrol yang diperlukan, mikrokontroler PIC18F452 sebagai pengontrol, LCD sebagai penampil nilai temperatur yang terukur, sensor temperatur LM 35, plant, serta komunikasi serial RS232. diagram blok dari sistem kontrol temperatur secara keseluruhan terlihat pada gambar 3.
Gambar 3. Diagram blok sistem kontrol temperatur
94
8 1 4 3 2 1 U1A LM358N 1 2 Error_In R0 + C0 +9 1 3 2 VR0 1 TP1 RA0 + C0SGambar 4 rangkaian sensor temperatur
Dalam sistem pengontrol temperatur yang dibuat, digunakan sensor temperatur dengan tipe LM35. Sensor tipe ini dapat merepresentasikan temperatur kedalam tegangan listrik dengan hubungan 10 mV untuk setiap derajat celcius serta memiliki ketelitian sampai 0.5oC 5). Sebagai
contoh temperatur 30oC akan
direpresentasikan oleh LM35 kedalam tegangan 300 mV. Sinyal dari LM 35 kemudian dikuatkan tiga kali terlebih dulu sebelum masuk ke mikrokontroler PIC18F452.
Proses konversi ADC dilakukan dengan menggunakan ADC internal yang terdapat dalam PIC18F452 yang memiliki resolusi 10 bit. Untuk menyederhanakan proses pengolahan data pada mikrokontroler, hanya 8 bit MSB dari 10 bit hasil konversi ADC yang diambil untuk merepresentasikan sinyal yang masuk. Mikrokontroler akan mengolah data ini untuk kemudian disalurkan ke DAC untuk menyalakan pemanas dan pendingin.
PWM internal PIC16F877 merepresentasikan besaran data digital kedalam besaran analog melalui parameter duty cycle yang memiliki resolusi maksimal 10 bit.
Sinyal yang dihasilkan oleh modul PWM tidak dapat langsung diumpankan ke aktuator lampu dan kipas karena mikrokontroler memiliki keterbatasan dalam menyuplai arus listrik. Oleh karena itu diperlukan rangkaian driver untuk menyuplai daya yang cukup ke aktuator. Rangkaian ini pada dasarnya terdiri atas dua buah transistor NPN yaitu BD139 dan TIP3055 dalam konfigurasi darlington. Pin CCPx R1 1k Q1 BD139 Q2 2N3055 D1 IN4001 C1 100nF +12 V LAMPU
Gambar 5. rangkaian driver PWM Peraga LCD yang digunakan adalah tipe matrik yang dapat menampilkan 16 karakter sebanyak dua baris. Peraga ini merupakan media untuk menampilkan status maupun parameter-parameter proses. Selain itu peraga ini juga dapat digunakan untuk mengakses menu dalam mengkonfigurasi sistem. Dalam berkomunikasi dengan peraga LCD, mikrokontroler terhubung melalui jalur data yang lebarnya 8 bit serta tiga buah pin untuk kontrol. Untuk jalur data menggunakan seluruh pin pada port D mikrokontroler, sedangkan untuk untuk jalur kontrol menggunakan port E 3).
RD7 Rd6 RD5 RD4 RD3 RD2 RD1 RD0 RE2 RE1 RE0 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VS S 1 VD D 2 VE E 3 LCD DISPLAY 2x16 Character CO NT R A S +5 V
Gambar 6. Rangkaan aplikasi LCD Sistem komunikasi yang disertakan dalam sistem pengontrol temperatur ini adalah antarmuka serial melalui port COM pada komputer. Sistem antarmuka ini dipilih karena sudah lazim digunakan serta ketersediaan modul USART dalam PIC18G4520 yang memudahkan implementasinya3)
95
Gambar 7. rangkaian aplikasi komunikasi serial.
IV. Implementasi Perangkat Lunak
Digital PI Controller
Persamaan umum dalam kontroler PID seperti pada persamaan 11).
( ) ( ) ( ) ( )
0 t p i d de t u t K e t K e t dt K dt = +∫
+ (1) dimana Ki =Kp/Ti, Kd = KpTd. denganmemberi nilai Kd = 0 akan diperoleh
persamaan untuk system kontrol Proporsional - integral (persamaan 2).
( ) ( ) ( )
0 t p iu t =K e t +K ∫e t dt
(2)Program utama yang disusun untuk PIC18F452 adalah rangkaian rutin-rutin yang di eksekusi oleh mikrokontroler sebagai alur utama program. Bagian ini meliputi tahap inisialisasi dimana konfigurasi awal dari modul modul yang digunakan serta fungsi-fungsinya didefinisikan. Tahap yang penting adalah ketika mikrokontroler menjalankan algoritma aksi kontrol yang diimplementasikan yakni aksi kontrol proporsional-integral-derivative. Kontroler Proporsionl-Integral (PI) diperoleh dengan memberi nilai Kd =0. Tahap
ini meliputi pembacaan set point dan
membandingkannya dengan variabel proses untuk menghitung error. Pada tahap ini juga dibaca parameter KP, Ki, Kd yang digunakan untuk menghitung sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang telah dihitung selanjutnya digunakan untuk memperbarui duty cycle sinyal PWM yang dihasilkan untuk menggerakkan aktuator. Secara garis besar struktur dari program utama dapat dilihat gambar 8. Inisialisasi Mulai Baca Parameter PV, SP, Kp, Ki, Kd Hitung error error= 0? Aksi PID
u(t) = Kpe(t) + Ki≅E(t)dt + Kdde(t)/dt
Update PWM
Selesai TIDAK YA
Gambar 8. Diagram alir program utama kontroler Proporsional - Integral (Kd = 0)
pada mikrokontroler PIC 18F452
V. Data Pengamatan
dengan memasukan berbagai nilai Kp ,Ki, dan Kd = 0. diperoleh data seperti pada gambar 9 sampai gambar 11.