Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan
advertisement
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 Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 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 38 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010 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 Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 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 40 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010 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. Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 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 42 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010 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 Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 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. 44 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010 Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur 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 20 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 Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur 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. Pengendalian Sistem Pemanas Air Bertenaga Listrik Dengan Pengendali PID & Mikon AT89S51 47
