BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Penggunaan hidrogen (H2) sebagai sumber bahan bakar alternatif sangat menarik karena energi spesifiknya yang sangat tinggi dibandingkan dengan bahan bakar konvensional lainnya dan nol emisi. Produksi hidrogen elektrolitik dari air adalah metode yang menarik untuk menghasilkan hidrogen bersih [11]. Prinsip kerja elektroliser adalah proses elektrolisis air menjadi gas hidrogen dan oksigen dengan bantuan elektroda yang dihubungkan dengan sumber listrik. Elektroliser yang digunakan adalah tipe wet cell dan katalis yang digunakan adalah KOH.

Pengujian kinerja elektroliser terhadap variasi luas penampang dan konsentrasi KOH berdasarkan perhitungan daya yang dibutuhkan, volume gas yang dihasilkan serta efisiensi elektroliser. Pengujian kinerja alat dengan tegangan yang konstan yaitu 8,5 volt, konsentrasi KOH divariasikan hingga konsentrasi maksimum sebesar 0.5M. Semakin besar konsentrasi KOH, maka semakin besar arus yang dihasilkan.

Luas penampang elektroda juga sebanding dengan arus yang dihasilkan. Luas penampang I (9x11 cm) lebih efektif dibandingkan luas penampang II (9x14 cm) karena kebutuhan daya lebih rendah 42,5 watt, volume gas HHO lebih besar dan efisiensi lebih besar ( 95,76 mL dan 49,15 %) [12].

2.1 Dasar Teori 2.1.1 Hidrogen

Hidrogen adalah unsur yang terdapat dialam yang kelimpahan terbesar, tetapi hanya sedikit tertinggal di bumi. Dari analisis spectrum sinar yang dipancarkan oleh bintang, disimpulkan bahwa bintang terutama terdiri dari hidrogen. Hidrogen sangat reaktif sehingga di bumi hidrogen terdapat sebagai senyawa air mengandung hidrogen sebanyak 11,1% berat (11,1%), hidrokarbon misalnya gas alam 25%, minyak bumi 14% dan karbohidrat. Beberapa sifat fisika Hidrogen sebagai berikut:

Tabel 2.1 Karakteristik Hidrogen [11]

Lambang H

Nomor Atom 1

Konfigurasi electron 1s

¹

Massa atom relative 1,008 Energi ionisasi/kJ mol-1 1310

Kerapatan/g cm-3 0,00009

Titik didih/K 20

Temperature kritik 33

Jari-jari atom/nm 0,037

Potensi elektroda standard/V 0

6

2.1.2 Penggunaan Hidrogen

Pembakaran hidrogen dapat menghasilkan kalor sebanyak 286 kJ per mol hidrogen. Pada tabel dibawah ini dapat dibandingkan kalor yang dihasilkan oleh hidrogen dengan kalor yang dihasilkan oleh bahan bakar lain,

Tabel 2.2 Perbandingan Kalor Beberapa Jenis Bahan Bakar Fuel types Specific energy (MJ/kg) Energy density (MJ/L)

Diesel 45.6 38.6

Gasoline 46.4 34.2

Kerosene 42.8 33

LPG (propane) 49.6 25.3

Crude oil 46.3 37

Heating oil 46 37.4

Ethanol 29.7 23.4

Methanol 22.7 17.85

Butanol 36.1 29.2

Coal-Black 27.9 –

Coke 28.0 –

Wood 14 –

Natural gas 53.6 –

Methane 55.6 23.53

Hydrogen (liquid) 141.86 (HHV), 10.044 (HHV),

119.93 (LHV) 8.491 (LHV)

Hydrogen 141.86 (HHV), 5.323 (HHV),

(at 690 bar,15 °C) 191.93 (LHV) 4.500 (LHV) Hydrogen (gas) 141.86 (HHV), 0.01188 (HHV),

191.93 (LHV) 0.01005 (LHV)

Hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar sebab:

1. Dapat terbakar dalam oksigen membentuk air dan menghasilkan energi.

2. Bersama oksigen dapat digunakan dalam sel bahan bakar menghasilkan energi listrik.

Keuntungan jika hidrogen digunakan sebagai bahan bakar yaitu:

1. Suatu cuplikan hidrogen jika dibakar akan menghasilkan energi sebanyak kira- kira tiga kali energi yang dihasilkan bensin dengan berat yang sama.

2. Dalam mesin kendaraan bermotor hidrogen akan terbakar lebih efisien jika dibandingkan dengan bahan bakar lain.

3. Pembakaran hidrogen kurang menghasilkan polusi. Polutan yang terjadi hanya oksida nitrogen yang terjadi jika suhu pembakaran sangat tinggi.

4. Mesin yang menggunakan hidrogen mudah diubah agar dapat menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar.

Alasan utama mengapa hidrogen masih belum digunakan secara besar-besaran

sebagai sumber energi yaitu:

7

1. Produksi hidrogen masih cukup mahal

2. Kesukaran dalam menyimpan

Penggunaan hidrogen selain sebagai bahan bakar adalah sebagai berikut : 1. Sintesis amonia.

2. Pembuatan asam nitrat (oksidasi amonia menghasilkan NO, amonia diperoleh dari hasil haber).

3. Pembuatan margarin. Minyak yang merupakan ester tidak jenuh diubah menjadi senyawa yang jenuh menggunakan katalis nikel Ramey.

4. Pembuatan bahan bakar “petroleum”. Dengan menggunakan katalis, serbuk batu bara diubah menjadi minyak hdrokarbon (petroleum hidrocarbon), kemudian disuling menjadi bensin, minyak pelumas, dan sebagainya. 1 kg batu bara dapat menghasilkan 1 dm

³

bensin).

5. Sintesa metanol.

6. Hidrogen adalah gas yang paling ringan. Sering digunakan untuk balon meteorologi.

7. Digunakan sebagai cairan krigonik untuk menghasilkan suhu rendah.

8. Reaksi dengan O

2

menghasilkan energi besar. Pembakar (obor) oksihidrogen dapat menghasilkan suhu 2500

^o

C. Oleh karena kalor pembakaran yang besar 120 kJ/g cairan hidrogen digunakan sebagai bahan bakar roket.

9. Dalam jangka panjang untuk mengatasi problema energi, hidrogen dapat menarik perhatian, karena bahan baku air berlimpah-limpah.

2.1.3 Produksi Hidrogen

1. Mengalirkan uap air melalui karbon panas C

(s)

+ H

2

O → CO

(g)

+ H

2(g),

H

2

yang dihasilkan dengan cara ini tidak murni sebab sukar memisahkan CO. campuran H

2

dan CO disebut gas air. Gas air termasuk bahan bakar penting dan mempunyai kalor pembakaran besar.

2. Mengalirkan uap air melalui besi panas 3Fe

(s)

+ 4H2O → Fe

3

O

4

+ 4H

2(g).

3. Pada kilang minyak bumi, hidrogen merupakan hasil samping dari cracking hidrokarbon. Gas hidrokarbon dialirkan melalui katalis panas dan terurai menjadi hidrogen dan hidrokarbon lain. Hidrokarbon yang lebih ringan seperti metana (metana dapat juga berasal dari gas alam), dipanaskan dengan suhu 750oC dan tekana 10 atm, CH

4(g)

+ H

2

O

(g)

→ CO

(g)

+ 3H

2(g).

4. Hidrogen yang sangat murni (99,9%), tetapi mahal, diperoleh dengan cara elektrolisis air, dimana 2H

2

O → 2H

2(g)

+ O

2(g)

. Jumlah hidrogen yang cukup banyak diperoleh juga dari hasil samping industri klor-alkali, dimana diperoleh Cl

2

dan NaOH dari elektrolisis larutan NaCl.

5. Di laboratorium hidrogen murni diperoleh dari reduksi ion hidrogen dengan logam seng (pada prinsipnya dengan logam yang potensial elektodanya negatif) Zn

(s)

+ 2H

⁺

→ Zn

²⁺

+ H

2(g)

. Selain dari pada itu dari reaksi logam aluminium dengan basa 2Al

(s)

+ 2OH

^-

+ 6H

2

O → 2Al(OH)

^4-

+ 3H

2(g)

, atau CaH

2

dengan air CaH

2(s)

+ 2H

2

O → Ca

²⁺

+ 2OH

^-

+ 2H

2(g)

[15].

2.2 Elektro Kimia

Suatu alat yang digunakan untuk menghasilkan listrik dari reaksi redoks

spontan atau sebaliknya yang menggunakan listrik untuk menggerakkan reaksi

redoks non-spontan disebut sel elektrokimia. Dalam setiap proses elektrokimia,

elektron mengalir dari satu zat kimia ke zat lainnya, digerakkan oleh reaksi

8

oksidasi-reduksi (redoks). Reaksi redoks terjadi ketika elektron ditransfer dari zat yang teroksidasi menjadi zat yang sedang direduksi. Reduktor adalah zat yang kehilangan elektron dan teroksidasi dalam proses tersebut, oksidan adalah spesies yang memperoleh elektron dan berkurang dalam proses. Energi potensial yang terkait ditentukan oleh perbedaan potensial antara elektron valensi dalam atom unsur yang berbeda. Karena tidak mungkin untuk memiliki reduksi tanpa oksidasi dan sebaliknya, reaksi redoks dapat digambarkan sebagai dua reaksi setengah, satu merupakan proses oksidasi dan satu proses reduksi. Untuk reaksi seng dengan bromin, keseluruhan reaksi kimia adalah sebagai berikut [14]:

Zn

(s)

+ Br

2(aq)

→ Zn

(aq)2+

+ 2Br

(aq)-

(2.1) Setengah reaksi adalah sebagai berikut:

Br

2(aq)

+ 2e

^-

→ 2Br

(aq)-

(2.2)

Zn

(s)

→ Zn

(aq)2+

+2e

^-

(2.3)

Setiap setengah reaksi ditulis untuk menunjukkan apa yang sebenarnya terjadi dalam sistem, Zn adalah reduktor dalam reaksi ini (kehilangan elektron), dan Br

2

adalah oksidan (memperoleh elektron). Menambahkan dua setengah reaksi memberikan reaksi kimia keseluruhan (Persamaan 2.1). Reaksi redoks seimbang ketika jumlah elektron yang hilang oleh reduktor sama dengan jumlah elektron yang diperoleh oksidan. Seperti halnya persamaan kimia seimbang, keseluruhan proses ini netral secara listrik, artinya, muatan netto sama di kedua sisi persamaan.

Dimungkinkan untuk secara terpisah memisahkan setengah reaksi oksidasi dan reduksi dalam ruang, selama ada rangkaian lengkap, termasuk hubungan listrik eksternal, seperti kawat, di antara kedua setengah reaksi. Ketika reaksi berlangsung, elektron mengalir dari reduktor ke oksidan melalui sambungan listrik ini, menghasilkan arus listrik yang dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan. Ada dua jenis sel elektrokimia: sel galvanik dan sel elektrolitik.

Sel-sel galvanik diberi nama untuk fisikawan dan dokter Italia Luigi Galvani (1737-1798), yang mengamati bahwa otot-otot kaki katak yang membedah bergerak ketika sengatan listrik kecil diterapkan, menunjukkan sifat listrik impuls saraf menggunakan energi yang dilepaskan selama reaksi redoks spontan. (ΔG <0) untuk menghasilkan listrik. Jenis sel elektrokimia ini sering disebut sel volta setelah penemunya, fisikawan Italia Alessandro Volta (1745–1827).

Sebaliknya, sel elektrolitik mengkonsumsi energi listrik dari sumber eksternal, menggunakannya untuk menyebabkan reaksi redoks yang tidak terjadi spontan (ΔG> 0). Kedua jenis mengandung dua elektroda, yang merupakan logam padat yang terhubung ke sirkuit eksternal yang menyediakan koneksi listrik antara dua bagian sistem. Setengah reaksi oksidasi terjadi pada satu elektroda (anoda), dan setengah reaksi reduksi terjadi pada yang lain (katoda). Ketika sirkuit ditutup, elektron mengalir dari anoda ke katoda. Elektroda juga dihubungkan oleh elektrolit, suatu zat ionik atau larutan yang memungkinkan ion untuk berpindah di antara kompartemen elektroda, dengan demikian menjaga netralitas listrik sistem.

Jika kita membangun sel elektrokimia di mana satu elektroda adalah logam

tembaga direndam dalam larutan 1 Mol Cu

2+

dan elektroda lainnya adalah logam

kadmium direndam dalam larutan 1 Mol Cd

2+

dan kemudian menutup sirkuit, beda

9

potensial antara dua kompartemen adalah 0,74 V. Elektroda kadmium akan mulai larut (Cd dioksidasi menjadi Cd

2+

) dan merupakan anoda, sedangkan tembaga logam akan disimpan pada elektroda tembaga (Cu

2+

direduksi menjadi Cu)[15].

2.2.1 Elektrolisis

Dalam persamaan termodinamika reaksi pemisahan air adalah transformasi non-spontan. Dalam sel elektrolisis air, listrik digunakan untuk memecah molekul air menjadi hidrogen dan oksigen gas. Reaksi setengah sel (dan mekanisme yang terkait) bergantung pada pH elektrolit. Dalam media asam, pemisahan air terjadi menurut (Persamaan 2.4, 2.5, 2.6). Produksi gas oksigen dan hidrogen dapat dilakukan melalui proses elektrolisasi air (H

2

O) menjadi gas hidrogen (H

2

) dan oksigen (O

2

). Pemisahan hidrogen (H

2

) dan O

2

dalam elektrolisis air.

Anoda

^(-)

:H

2

O(l) →

¹

2

O

2

(g) + 2H

⁺

+ 2e

^-

(2.4) Katoda

⁽⁺⁾

:2H

⁺

+ 2e

^-

→ H

2

(g) (2.5) Reaksi penuh :H

2

O(l) → H

2

(g) +

¹

2

O

2

(g) [1] (2.6) Dalam air murni pada katoda bermuatan negatif, reaksi reduksi terjadi, dengan elektron (e

^-

) dari katoda diberikan ke kation hidrogen untuk membentuk gas hidrogen. Setengah reaksi, seimbang dengan asam dijabarkan dalam (Persamaan 2.7).

Reduksi pada katoda : 2H

⁺

(aq) + 2e

^-

→ H

2

(g) (2.7) Pada anoda bermuatan positif, terjadi reaksi oksidasi, menghasilkan gas oksigen dan memberikan elektron ke anoda untuk menghasilkan reaksi dijabarkan dalam (Persamaan 2.8).

Oksidasi pada anoda : 2H

2

O(l) → O

2

(g) + 4H

⁺

(aq) + 4e

^-

[2] (2.8) Aliran gas oksigen dan hidrogen yang dihasilkan dari proses elektrolisasi air, dialirkan kedalam bejana terpisah. [17].

2.2.2 Larutan Elektrolit

Pada Kamus Besar Bahasa Indonesia, definisi elektrolit adalah senyawa yang larutannya merupakan penghantar arus listrik, dan atau bahan cairan yang terdapat di antara elektrode positif dan negatif, seperti pada baterai, aki mobil, dan kondensator. Elektrolit adalah suatu zat terlarut atau terurai ke dalam bentuk ion- ion dan selanjutnya larutan menjadi konduktor elektrik [2]. Air adalah pelarut (solven) yang baik untuk senyawa ion dan mempunyai sifat menghantarkan arus listrik. Secara teoritis, pemberian potensial akan menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen seperti persamaan (2.9) dan (2.10).

Katoda : 2e

^-

+ 2H

2

O

(l)

→ H

2(g)

+ 2OH

^-(aq)

(2.9)

Anoda : 2H

2

O

(l)

→ 4H

⁺(aq)

+ O

2(g)

+ 4e

^-

(2.10)

Elektrolit merupakan gabungan antara air dan katalis. Katalis merupakan suatu zat

yang dapat mempercepat suatu laju reaksi, namun ia sendiri secara kimiawi, tidak

10

berubah pada akhir reaksi. Katalis digunakan untuk mempercepat laju reaksi menghasilkan gas HHO pada proses elektrolisis. Larutan elektrolit merupakan larutan yang dibentuk dari zat elektrolit. Sedangkan zat elektrolit itu sendiri merupakan zat-zat yang di dalam air terurai membentuk ion-ionnya. Zat elektrolit yang terurai sempurna di dalam air disebut elektrolit kuat dan larutan yang dibentuknya disebut larutan elektrolit kuat. Zat elektrolit yang hanya terurai sebagian membentuk ion-ionnya di dalam air disebut elektrolit lemah dan larutan yang dibentuknya disebut larutan elektrolit lemah.

Larutan elektrolit terdiri dari larutan elektrolit kuat, contohnya HCl, H

2

SO

4

, dan larutan elektrolit lemah, contohnya CH

3

COOH, NH

3

, H

2

S. Larutan elektrolit dapat bersumber dari senyawa ion (senyawa yang mempunyai ikatan ion) atau senyawa kovalen polar (senyawa yang mempunyai ikatan kovalen polar). Zat elektrolit yang terurai dalam air menjadi ion-ion [16]

2.2.3 Elektroda

Elektroda hidrogen standar memainkan peran elemen referensi dasar dalam perangkat elektrokimia, namun, dalam praktiknya, sulit untuk ditangani. Oleh karena itu, elektroda referensi sekunder lebih disukai dalam sebagian besar percobaan. Referensi elektroda sekunder harus memenuhi kriteria berikut:

1. Elektroda harus reversibel secara kimia dan elektrokimia, yaitu potensinya diatur oleh persamaan Nernst dan tidak berubah dalam waktu.

2. Potensi harus tetap hampir konstan ketika arus kecil melewati elektroda dan membalikkan ke nilai aslinya setelah aliran arus kecil tersebut (yaitu elektroda yang tidak dapat dipolarisasi).

3. Koefisien termal potensial harus kecil. Sementara tidak ada elektroda referensi yang menawarkan semua sifat ini pada tingkat yang sama, beberapa elektroda sangat dekat dengan perilaku ideal [17].

2.3 Buck Converter

Sumber tegangan memiliki sifat mempertahankan tegangan output tanpa bergantung pada arus beban. Demikian pula, sumber arus ideal adalah elemen sirkuit yang mempertahankan arus yang ditentukan tanpa bergantung pada tegangan keluaran. Sumber arus merupakan sumber yang menyediakan arus konstan tanpa dipengaruhi variasi resistansi beban. Sumber arus dapat dibuat dari kombinasi dioda, transistor (BJT dan Mosfet), dan Op-Amp. Konverter DC-DC berlaku seperti halnya trafo/transformer yang mengubah tegangan AC tertentu ke tegangan AC yang lebih tinggi atau lebih rendah. Tidak ada peningkatan ataupun pengurangan daya masukan selama pengkonversian bentuk energi listriknya, sehingga secara ideal persamaan dayanya dapat dituliskan dengan (Persamaan 2.11). Konverter DC-DC dapat dibagi menjadi 2 kategori, yaitu yang terisolasi dan yang tak terisolasi. Kata ’isolasi’ disini secara sederhana bermakna adanya penggunaan trafo (isolasi galvanis) antara tegangan masukan dan tegangan keluaran. Beberapa sumber menyebutkan bahwa konverter DC-DC yang tak terisolasi dengan istilah direct converter, dan konverter yang terisolasi dengan istilah indirect converter.

P

in

= P

out

+ P

losses

(2.11)

11

Karena sebagian besar energi terbarukan menghasilkan tegangan DC, rangkaian elektronika daya seperti konverter DC-DC digunakan untuk mengubah tegangan DC ke level tegangan DC yang berbeda. Saat ini konverter ini banyak digunakan dengan aplikasi elektronik modern seperti aplikasi fotovoltaik (PV) atau Panel Surya. Pada buck converter tegangan keluaran (Vo) selalu lebih rendah dari tegangan masukan (Vs) tergantung pada siklus tugasnya (D). Persamaan (2.12) dapat digunakan untuk menghitung tegangan keluaran berdasarkan duty cycle (D).

Persamaan (2.13) dan (2.14) digunakan untuk menghitung nilai induktor pada saat mendesain buck converter. Dalam menghitung nilai induktor harus lebih besar 25%

dari nilai minimum induktor, L

min

diperoleh pada persamaan (2.13) untuk memastikan rangkaian akan beroperasi secara kontinyu. Selanjutnya arus induktor maksimum (I

max

) dan arus induktor minimum (I

min

) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.14), (2.15) dan (2.16). Nilai I

min

harus lebih positif agar dapat menopang arus yang terus menerus. Nilai kapasitor (C) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.18) dengan tegangan riak keluaran yang dapat didefinisikan sebagai sebagian kecil dari tegangan keluaran [18].

𝐷 =

^𝑉𝑜

𝑉_𝑠

(2.12)

𝐿

_𝑚𝑖𝑛

=

^{(1−𝐷)𝑅}

2𝑓

(2.13)

𝐿 = 1.25𝐿

_𝑚𝑖𝑛

(2.14)

𝐼

_𝐿

=

^𝑉𝑜

𝑅

(2.15)

𝐼

_𝑚𝑎𝑥

= 𝐼

_𝐿

+

^∆𝑖𝐿

2

(2.16)

𝐼

_𝑚𝑖𝑛

= 𝐼

_𝐿

−

^∆𝑖𝐿

2

(2.17)

𝐶 =

^1−𝐷

8𝐿(^∆𝑉𝑜

𝑉𝑜)𝑓²

(2.18)

2.4 Kontrol PID

Dalam kontrol sistem dinamis, tidak ada kontrol yang menikmati keberhasilan dan kegagalan kontrol PID. Dari semua teknik desain kontrol, PID controller adalah yang paling banyak digunakan. Lebih dari 85% dari semua pengontrol dinamis adalah dari variasi PID [19]. Sebenarnya ada berbagai jenis dan metode desain untuk pengontrol PID. Tiga istilah pengontrol PID memenuhi tiga persyaratan umum dari sebagian besar masalah kontrol. Istilah integral menghasilkan nol kondisi mapan dalam melacak setpoint konstan, hasil yang biasanya dijelaskan dalam hal prinsip model internal dan ditunjukkan dengan menggunakan teorema nilai akhir. Kontrol integral juga memungkinkan penolakan total terhadap gangguan konstan. Sementara kontrol integral menyaring noise sensor frekuensi yang lebih tinggi, itu lambat dalam menanggapi kesalahan saat ini.

Di sisi lain, istilah proporsional merespons segera kesalahan saat ini, namun

biasanya tidak dapat mencapai akurasi set point yang diinginkan tanpa keuntungan

besar yang tidak dapat diterima [20].

12

Sesuai dengan namanya, pengendali ini merupakan kombinasi dari tiga sistem kendali yaitu proportional, integral dan derivative. Jika masing-masing dari ketiga pengendali tersebut berdiri sendiri, hasil yang dicapai kurang bagus sebab masing-masing memiliki kelemahan dan kelebihan sendiri-sendiri (Tatang dkk., 2007). Karena itu kombinasi dari ketiga sistem kendali tersebut diharapkan dapat mengeliminasi kelemahan masing-masing dan mampu memberikan kontribusi dari kelebihan masing-masing. Tanggapan sistem kendali PID terhadap perubahan parameter seperti terlihat pada Tabel 2.3 sebagai berikut.

Tabel 2.3 Tanggapan Sistem Kendali PID Terhadap Perubahan Parameter (Erwin, 2009).

Tanggapan loop tertutup

Waktu

naik Overshoot Waktu turun

Kesalahan keadaan

tunak Proporsional (Kp) Menurun Meningkat Perubahan

kecil Menurun

Integral (Ki) Menurun Meningkat Meningkat Hilang

Derivative (Kd) Perubahan

kecil Menurun Menurun Perubahan

kecil

Masing-masing kendali dapat bekerja dan diimplementasikan baik secara terpisah maupun kombinasi secara bersamaan dengan tujuan saling melengkapi diantara masing-masing karakteristik kendali tersebut. Penjelasan untuk masing- masing kendali, berikut ini:

Pada aksi kendali proporsional, keluaran sistem kendali akan berbanding lurus dengan masukan dan error, dan menghasilkan tanggapan yang cepat. Akan tetapi overshoot meningkat sehingga sistem cukup bermasalah terutama saat awal beroperasi.

Untuk kendali integral, keluaran sistem berubah dengan cepat sesuai perubahan error, sehingga error steady state mendekati nol. Sedangkan aksi kendali derivative bekerja sesuai dengan laju perubahan error. Oleh karena itu, kendali ini berfungsi mereduksi laju perubahan error sehingga menjaga kestabilan sistem. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter Kp, Ki dan Kd supaya tanggapan keluaran sistem sesuai yang diinginkan.

Pengendali PID ini paling banyak dipergunakan karena sederhana dan mudah dipelajari serta penalaan parameternya. Lebih dari 95 % proses di industri menggunakan pengendali ini. Pengendali ini merupakan gabungan dari pengendali proportional (P), integral (I), dan derivative (D).

Secara umum fungsi dari masing-masing kontroler dalam kontroler PID adalah sebagai berikut:

a. Proportional

- Berfungsi untuk mempercepat terjadinya respons terhadap sinyal error.

13

- Bekerja efektif pada daerah sebelum sistem mencapai daerah set point /

kondisi start.

b. Integral

- Berfungsi memelihara sinyal kontrol konstan.

- Bekerja efektif pada daerah di mana sistem mencapai set point.

c. Derivative

- Berfungsi mendapatkan sinyal kontrol dari perubahan errornya.

- Bekerja efektif pada daerah transient.

Berikut ini merupakan blok diagram dari sistem pengendali berumpan balik (closed loop) seperti pada Gambar 2.1 berikut.

error PID

Plant Output

Sensor -

SP

PV

Gambar 2.1 Diagram Blok Sistem Pengendali Berumpan Balik dimana :

Plant : sistem yang akan dikendalikan

Controller : Pengendali yang memberikan respon untuk memperbaiki respon Error : SP – PV

dengan Set Point (SP) adalah suatu parameter nilai referensi atau nilai yang diinginkan. Present Value (PV) adalah variable terukur yang di umpan balikan oleh sensor. Keluaran pengendali PID akan mengubah respon mengikuti perubahan yang ada pada hasil pengukuran sensor dan set point yang ditentukan. Pembuat dan pengembang pengendali PID menggunakan nama untuk mengidentifikasi ketiga model pada pengendali yaitu:

P (Kp) = Konstanta Proportional (2.19)

I (Ki) = ∫

_T¹

iS

=

^Ki

s

= Konstanta Integral (2.20) D (Kd) = T

_d^{d e(t)}

dt

= Konstanta Derivative (2.21) Atau secara umum persamaannya adalah sebagai berikut:

u(t) = K

_p

. e(t) + Ki. ∫ e(t)dt + Kd.

^{d e(t)}

dt

(2.22)

2.4.1 Perancangan sistem kendali PID

Kendali PID (Proportional Integral Derivatif) diterapkan pada sistem

mikrokontroller dimana input merupakan set point nilai arus yang dikehendaki oleh

sistem, m(t) merupakan output tegangan ke beban yang akan mempengaruhi

besarnya nilai arus yang mengalir, dijabarkan dalam persamaan (2.27). Umpan

balik adalah input sinyal arus yang dibaca oleh sensor arus yang diumpanbalikkan

14

kepada mikrokontroller. Dimana e(t) merupakan selisih error m(t) dengan input (set point).

𝐼 =

^𝑉

𝑅

(2.30)

Dimana :

I : Besarnya arus mengalir (Ampere) V : Tegangan supply (volt)

R : hambatan pada beban (Ohm)

dimana :

input : set point

umpan balik : nilai pembacaan sensor arus e(t) : selisih error m(t) dengan input Kp : konstanta proporsional

Ti : konstanta integral Td : konstanta derivatif

m(t) : output

Yang harus dilakukan proses tuning secara manual dengan menginputkan beberapa parameter sehingga sistem dapat berjalan dengan baik. Respon suatu sistem kontrol selalu menunjukkan osilasi teredam sebelum mencapai steady-state. Penggolongan karakteristik respons transien suatu sistem kendali terhadap masukan tangga satuan.

Pengelompokan ini didefinisikan sebagai berikut:

a. Waktu naik tr :

Waktu naik adalah waktu yang diperlukan oleh respons untuk naik dari 10%

menjadi 90%, 5% menjadi 95%, atau 0% menjadi 100% dari nilai akhir yang

biasa digunakan. Untuk sistem atas redaman waktu naik yang biasa digunakan

10% menjadi 90%.

15

b. Overshoot maksimum Mp :

Overshoot maksimum adalah nilai puncak kurva respons diukur dari satuan.

c. Waktu steady-state ts :

Waktu steady-state adalah waktu yang diperlukan untuk merenspons kurva agar dapat mencapai dan tetap berada dalam gugus nilai akhir ukuran yang disederhanakan dengan presentase mutlak harga akhirnya (biasanya 2% atau 5%). Waktu steady-state tadi dihubungkan tetapan waktu terbesar sistem kontrol [19].

Gambar 2.2 Kurva Respon Tangga Satuan Menunjukkan tr, Mp dan ts