FEEDFORWARD FEEDBACK CONTROL SEBAGAI PENGONTROL SUHU MENGGUNAKAN PROPORSIONAL - INTEGRAL BERBASIS MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535

Transkripsi

1 FEEDFORWARD FEEDBACK CONTROL SEBAGAI PENGONTROL SUHU MENGGUNAKAN PROPORSIONAL - INTEGRAL BERBASIS MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535 Makalah Seminar Tgas Akhir Jnanto Prihantoro 1, Trias Andromeda. 2, Iwan Setiawan 2 1 Mahasiswa dan 2 Dosen Jrsan Teknik Elektro, Fakltas Teknik, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Sdharto, Tembalang, Semarang, Indonesia ABSTRAK Feedforward feedback control merpakan sat pengontrol yang dapat dignakan secara efektif ntk mempercepat tanggapan sistem pengendalian sehingga sesai dengan setpoint yang dikehendaki. Hal ini dikarenakan feedforward dapat secara langsng mengoreksi perbahan load yang terjadi walapn akan tetap timbl error sehingga dibthkan feedback ntk mengatasi hal tersebt. Feedforward dapat mengrangi deviasi dari setpoint tapi hal ini berjalan lambat. Feedback dignakan ntk mengembalikan keadaan menj setpoint secara cepat tetapi mempnyai deviasi yang lebih lebar. Metode pengontrolan feedforward feedback ini banyak dignakan kebanyakan indstri ntk mempercepat respon kelaran mencapai stabil. Feedforward feedback control dignakan ketika single-loop tidak lagi dapat dignakan dan terdapat variabel tambahan. Selain it variabel pada secondary control hars mengidentifikasikan ganggan yang ekstrim, mempnyai hbngan sebab akibat dari valve ke secondary control, mempnyai respon kelaran yang lebih cepat daripada primary control. Metode pengontrol yang dignakan ntk biasanya berpa PI (Proporsional Integrall). PI merpakan penjmlahan dari da bah pengontrol antara lain proporsional dan integral yang masing-masing mempnyai fngsi yang berbeda. Kontroler ini memiliki parameter-parameter pengontrol, yait konstanta proporsional (Kp dan konstanta wakt integral (Ti). Mikrokontroller ATmega8535 adalah sebah mikrokontroller yang dapat dignakan sebagai pengontrol plant dan pengontrolan PI dalam bentk perangkat lnak. Dengan menggnakan sebah mikrokontroller, pengontrol dapat diterapkan pada plant secara fleksibel dibandingkan dengan menggnakan sebah kompter. Sedangkan plant yang akan diji adalah sebah reaktor yang dignakan ntk memanaskan dara dengan ap kering. Kata knci :, PI, mikrokontroller ATmega I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dewasa ini, banyak indstri menggnakan reaktor sebagai pemanas air yang dignakan ntk proses prodksi. Di mana air yang mask ke dalam reaktor dipanaskan dengan menggnakan ap yang bertekanan tinggi. Banyak sedikitnya ap yang mask ke dalam reaktor dikendalikan dengan menggnakan valve dengan metode PI (Proporsional Integral). Metode kendali PI yang dignakan akan mengendalikan valve, sehingga ap yang mask ke dalam reaktor dapat dikendalikan. Uap yang mask ke dalam reaktor akan memanaskan air sampai sh yang kita harapkan (set point). Setelah sh tercapai, air (hasil) akan dignakan ntk proses prodksi selanjtnya dan reaktor akan terisi air lagi ntk dipanaskan. Untk mengendalikan sat plant terlebih dahl perl melakkan pemodelan terhadap plant tersebt ntk mengetahi parameter-parameternya. Sehingga kita dapat mengidentifikasi plant tersebt (sifat dan karakteristiknya).dengan teridentifikasinya sat plant akan memdahkan kita ntk mengendalikan plant dengan metode PI. Dengan metode PI, akan diperoleh respon kelaran yang lebih stabil dibandingkan metode onoff. Hal ini dikarenakan pada PI terdapat da pengontrol antara lain proporsional dan integral. Masing-masing pengontrol mempnyai fngsi yang berbeda yang akan mempengarhi kestabilan dari respon kelaran. Akan tetapi apabila terdapat ganggan pada smber air, respon kelaran akan mencapai stabil dalam wakt yang lama. Hal ini mengakibatkan banyak indstri menggnakan metode feedforward feedback control ntk mengendalikan sat plant agar diperoleh kestabilan yang lebih cepat. Berdasarkan hal tersebt maka dibatlah sat pengontrol sh yang mempnyai prinsip kerja seperti diatas, yait dengan memodifikasi smber 1

2 yang dikontrol, dalam hal ini air diganti dengan dara dan valve diganti dengan da bah kipas dc. 1.2 Tjan Tjan yang ingin dicapai pada tgas akhir ini adalah 1. Menerapkan kontroller PI pada plant pengendalian sh secara feedforward feedback control dengan menggnakan mikrokontroller ATmega8535 sebagai media pengontrol. 2. Membandingkan respon kelaran antara plant yang menggnakan feedforward feedback control dengan single loop control 1.3 Pembatasan Makalah Dalam pembatan tgas akhir ini penlis membatasi permasalahan sebagai berikt : 1. Plant yang diji adalah plant pengendalian sh. 2. Smber pemanas berpa flow ap. 3. Metode pengontrolnya PI (Proporsional Integral) secara. 4. Mikrokontroller yang dignakan adalah mikrokontroller ATmega Pembatan perangkat lnak menggnakan Bahasa C embedded. 6. Tidak membahas handshaking komnikasi serial. 7. Ganggan sh yang diberikan berpa sh panas menggnakan hairdryer. 8. Proses yang dapat dilakkan oleh sistem hanyalah proses pemanasan dan sh plant dianggap merata di daerah yang diatr shnya. 9. Jangkaan pengatran sh dara adalah 30 o C sampai dengan 42 o C dengan kenaikan sebesar 0,1 o C, sedangkan jangkaan pengkran sh adalah 25 o C sampai dengan 100 o C. 10. Pembatan program bant menggnakan bahasa visal Delphi 7.0, dan antarmka melali komnikasi serial sebagai tampilan. II. DASAR TEORI 2.1 Pengendali PID (Proporsional-Integral) Pengendali PI adalah sat sistem pengendali yang merpakan gabngan antara pengendali proporsional dan integral. Dalam wakt kontiny, sinyal kelaran pengendali PID dapat dirmskan sebagai berikt. (t) K dengan (t) K p p e t 1 T i t 0 e t dt T d t de dt = sinyal kelaran pengendali PI = konstanta proporsional T i = wakt integral T d = wakt trnan K i = konstanta integral K d = konstanta trnan e(t) = sinyal kesalahan (e(t) = referensi kelaran plant) Jadi, fngsi alih pengendali PID (dalam domain s) dapat dinyatakan sebagai berikt : K i Gc s K p K d s s Diagram blok pengendali PID dapat dilihat pada Gambar 1. maskan E(s) Ki K K s + p d - s Y(s) U(s) Gambar 1 Diagram blok pengendali PID 2.2 Feedforward Feedback Control Feedforward Control (Kontrol Umpan Maj) Feedforward Controller Maniplated inpt Process Distrbances Controller Gambar 2 Diagram blok pengendali feedforward otpt Berdasarkan Gambar 2 konfigrasi kontrol feedforward mengkr ganggan secara langsng dan mengambil aksi kontrol ntk mengeliminasi dampak ganggan tersebt terhadap kelaran (otpt proses) Feedback Control (Kontrol Umpan Balik) Pada sistem pengatran kalang terttp, aksi pengendalian dipengarhi oleh sinyal kesalahan penggerak (selisih antara sinyal referensi dengan sinyal mpan balik). Sistem pengatran kalang terttp melibatkan mpan balik negatif. Secara mm, diagram blok sistem pengatran ini dapat dilihat pada Gambar 3. maskan + - Pengendali sinyal kendali Umpan Balik Plant / Proses Gambar 3 Diagram blok pengendali feedback kelaran Feedforward Feedback Control Pada sistem pengendalian heat exchanger jika terjadi perbahan load pada plant sedangkan flow 2

3 pada steam tetap maka dapat dignakan sistem pengendalian feedback, tetapi jika perbahan load terjadi terlal cepat maka dibthkan sistem pengendalian lain, hal ini dikarenakan jalr feedback konvensional perl melihat error sebelm melakkan tindakan mengoreksi. Sistem feedback ini tidak akan mamp mengatasi load dengan baik kala frekensi perbahan load terlal cepat. Ganggan flow dilakkan ntk mengrangi load yang besar yang dapat menggangg proses otpt. Tetapi perancangan sistem sepenhnya diserahkan kepada perancang karena diharapkan interaksi antara feedforward dan feedback dapat berkrang. Pada Gambar 7 dapat dilihat perbandingan tanggapan kelaran antara single loop dengan feedforward feedback yait : set point error Otpt Gambar 7 Respon kelaran single loop dan Gambar 4 Diagram blok sistem pengendalian heat exchanger Desain sistem pengendalian feedforward feedback control dapat dilihat pada Gambar 8. Temperatr e Transmitter Water Inpt Valve 2 Agitator Gsp(s) d (s) TT Temperatre Controller Gff(s) Gd(s) TC Valve 1 Sensor Level L y sp (s) C(s) (s) Gp(s) y(s) Set Point Temperatr e TT Transm itter Gambar 5 Sistem pengendalian heat exchanger Pada contoh melali Gambar 5 flow flida proses dikr dan sinyal pengkran inilah yang kemdian dipakai sebagai bagian dari sinyal koreksi. Oleh karena itlah, sistem feedforward jga bisa disebt dengan distrbance feedback. Ganggan flow Steam Retrn Valve 3 Drain Gambar 8 Diagram blok desain sistem feedforward feedback control III. PERANCANGAN Secara mm blok diagram perancangan sistem pengendalian sh menggnakan metode dapat dilihat pada Gambar 9. FF Kontrol sensor sh + pengondisi sinyal ( set point error Otpt ff r PID fb y1 Kipas DC y reaktor Gambar 6 Diagram blok sistem feedforward feedback control Kerja jalr feedforward dapat diterapkan dalam berbagai macam cara, salah satnya dapat dilihat pada Gambar 6. Perancangan sistem feedforward berdasarkan kebthan proses, hal ini sensor sh + pengondisi sinyal Gambar 9 Blok diagram pengendalian sh dengan 3.1 Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Perancangan perangkat keras dapat dapat dilihat pada Gambar 10. 3

4 Kipas _ dc Pemanas ini bekerja dengan smber tegangan ac (bolak-balik) dengan menghasilkan sh maksimal 100 o C. sensor _ sh aliran _ ap Kipas _ dc Kipas _ dc _ II aliran _ ap Kipas _ dc _ I sensor _ sh pemanas Kipas _ dc Relay dan Driver Relay Relay dan driver relay dignakan ntk mengendalikan panas pada pemanas (heater) dengan metode pengendalian on-off sehingga sh pada pemanas (heater) tetap (konstan).. Rangkaian driver relay dapat dilihat pada Gambar 12. Pengondisi Sinyal I Pengondisi Sinyal II LCD Pengondisi Sinyal III Mikrokontroler ATmega 8535 Driver PWM I Driver PWM II (ADC internal + PWM internal) Keypad Driver Relay Gambar 10 Blok diagram perancangan perangkat keras Plant Model Pengendalian Sh dengan Feedforward Feedback Control Plant yang dignakan ntk pengendalian sh dengan adalah berpa kotak dengan kran panjang x lebar x tinggi = 30 x 15 x 50 cm. Di dalam plant terdapat sebah sensor sh LM35 yang diletakkan jah dari smber pemanas dengan dara sebagai media yang dipanaskan Sistem Minimm Mikrokontroller ATmega8535 Sistem mikrokontroller Atmega8535 dibentk dari beberapa piranti maskan-kelaran. Hbngan mikrokontroller Atmega8535 dengan piranti maskan-kelaran dapat dilihat pada Gambar 11. Mikrokontroler ATmega 8535 Port A Port B Port C Sensor_sh pengondisi _sinyal PA.0 PA.2 PA.3 Keypad 4 4 PA. 4 PA.7 PB. 4 PB.7 Gambar 12 Rangkaian driver relay Sensor Sh LM35 dan Pengondisi Sinyal Rangkaian pengkondisi sinyal yang sesai ntk mengbah jangkaan tegangan antara 0,25 sampai 1 volt menjadi 0 sampai 5 volt adalah pengat selisih, dapat dilihat pada Gambar 13. Pengat ini akan mengrangkan tegangan maskan dengan nilai 0,25 volt, sebagai tegangan paling kecil yang dikr, sehingga jangkaan tegangan yang akan dikatkan menjadi 0 sampai 0,75 volt. Selanjtnya, tegangan dengan jangkaan 0 sampai 0,75 volt ini akan dikatkan sebesar 6,67 kali agar sesai dengan tegangan yang dibthkan yait 0 sampai 5 volt. sensor_sh 12V 1k 12V 5V 1k 1k Gambar 13 Rangkaian pengkondisi sinyal I, II dan III 1k 12V 12V 1k 5.67k 12V 12V ADC _ internal Port D LCD PC. 0 PC.7 Aktator PB. 3( driver _ PWM 0) PD. 3( drver _ relay) PD. 7( driver _ PWM 2) Driver PWM (Plse Width Modlation) Skema dari driver PWM dapat dilihat pada Gambar 14. Gambar 11 Interaksi sistem mikrokontroller Atmega 8535 dengan komponen I/O Pemanas (Heater) Pemanas (heater) yang dignakan berpa kawat nikelin 300 watt dengan panjang 1 meter. Gambar 14 Rangkaian driver PWM 4

5 3.1.7 LCD dan Driver LCD (Liqid Crystal Display) Skema LCD dapat dilihat pada Gambar 15. Gambar 15 Rangkaian LCD tipe M Perancangan Perangkat Lnak (Software) Diagram Alir Program Utama Program tama mengatr keselrhan jalannya program yang melipti sb rtin-sb rtin. Sb rtin akan melaksanakan fngsi-fngsi tertent yang dibthkan ntk sistem pengontrolan. Adapn diagram alir dari program tama dapat dilihat pada Gambar 16. cplik perhitngan sinyal kontrol, dan ntk menghasilkan PWM (Plse Width Modlation) internal. PWM internal ini terletak pada Port D.7 ntk Timer2. IV. PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Pengjian Kalang Terbka Tanggapan kelaran pada pengjian kalang terbka akan memberi tah kelayakan ato tning Ziegler-Nichols ini dalam mencari parameter proporsional dan integral 0.1 L / T 0.6. Pada pengjian kalang terbka, mikrokontroller memberi maskan berpa sinyal kendali ke driver PWM 2 sebesar 7F h yang setara dengan 6 volt dan PWM 0 sebesar 80 h yang setara dengan 6 volt. Sinyal kendali tersebt akan mengendalikan sh pada plant model. Tanggapan kelaran sh pada plant dapat dilihat pada Gambar 17. Gambar 17 Tanggapan kelaran plant sh ntk kalang terbka Tidak Gambar 16 Diagram alir program tama Sb Rtin Interpsi Timer0 Sb rtin interpsi Timer0 dignakan ntk sampling wakt pengambilan ADC internal yait adc_data[0] dan adc data[3] terletak pada Port A.0 dan Port A.3, dan ntk menghasilkan PWM (Plse Width Modlation) internal. PWM internal ini terletak pada Port B.3 ntk Timer0. Ya Tanggapan kelaran plant sh mennjkkan adanya wakt mati (dead time) setelah pemanas dinyalakan, namn sh belm mlai memanas. Besarnya wakt mati (L) yang dihasilkan sebesar 54.5 detik dan konstanta wakt (T) dari tanggapan tersebt sebesar 438 detik. Perbandingan besar wakt mati terhadap konstanta wakt (L/T) menghasilkan nilai Penalaan Sh dengan Ato Tning Ziegler Nichols Penalaan parameter-parameter proporsionalintegral dilakkan agar dapat diperoleh parameterparameter yang sesai ntk plant model. Referensi yang diberikan adalah sebesar 35 o C yang setara dengan nilai 22 h. Pada saat diolah oleh mikrokontroller dengan sinyal kendali relay yang diberikan ketika keadaan off ke driver PWM 2 sebesar 00 h yang setara dengan 0 volt dan PWM 0 sebesar FF h yang setara dengan 12 volt. Sedangkan ketika keadaan on, sinyal kendali relay yang diberikan ke driver PWM 2 sebesar 44 h yang setara dengan 3.2 volt dan PWM 0 sebesar BB h yang setara dengan 8.8 volt Sb Rtin Interpsi Timer2 Sb rtin interpsi Timer2 dignakan ntk wakt cplik dalam melakkan ato tning, wakt 5

6 (b) gain 10 (c) gain 12 Gambar 18 Tanggapan kelaran ato tning Ziegler Nichols Tanggapan sh plant berosilasi dengan sh minimal 34.2 o C yang setara dengan 7D h ntk 10 bit ata setara dengan 1F h ntk 8 bit sampai dengan sh maksimal 35.8 o C yang setara dengan 93 h ntk 10 bit ata setara dengan 24 h ntk 8 bit. Nilai amplitdo osilasi ( a ) didapatkan sebesar 3 h, dan nilai perioda osilasi ( T ) sebesar 40 detik. Penalaan dengan data yang ditnjkkan Gambar 18 menghasilkan parameter-parameter PI sebagai berikt : d h K p 5.61 a π 3h 3.14 Kp 5.61 K i T Perbandingan Tanggapan Sh Secara Single Control Dengan Tanggapan Sh Secara Feedforward Feedback Control Perbandingan Pengarh Gain Pada Pengendalian Feedforward Feedback Control Berikt ini akan ditnjkkan pengarh perbedaan nilai gain ntk pengendalian secara yang bertjan agar diperoleh nilai optimal ntk pengendalian secara yait dengan cara membandingkan ketiga nilai gain (8, 10, dan 12) ntk sh 35 o C. Sh 35 o C Pengarh nilai gain yang diberikan pada pengendalian ntk setting point 35 o C dapat dilihat pada Gambar 19.. (a) (b) (c) Gambar 19.Pengarh gain pada pengendalian sh 35 o C (a) gain 8 Berdasarkan Gambar 19 dapat dilihat bahwa gain 12 lebih baik dignakan ntk sh 35 o C hal ini dikarenakan tanggapan yang terjadi pada kelaran pengendalian sh setelah diberikan ganggan lebih cepat mencapai stabil dibandingkan dengan gain yang lain Tanggapan Sistem Terhadap Setting Point 35 o C Ganggan berpa ap panas selama 12 detik. (a) (b) Gambar 20 Tanggapan sistem pengendalian sh dengan setting point 35 o C dan ganggan selama 12 detik (a) single control (b) feedforward feedback control Ketika terjadi ganggan selama 12 detik pada wakt 600 detik, tanggapan pada pengendalian sh secara single control mengalami kenaikan yang agak drastis pada batas atasnya yait mencapai dan batas bawah mencapai sh o C. dari set point. Tanggapan kembali stabil setelah 1474 detik dengan sh antara 34.9 o C sampai dengan 35.2 o C. Sedangkan tanggapan pengendalian sh secara ketika terjadi ganggan ap panas selama 12 detik pada wakt 650 detik mengalami kenaikan pada batas atas sh mencapai o C dan mempnyai nilai batas bawah sekitar o C. Tanggapan kembali stabil setelah 684 detik dengan sh antara 34.9 dan 35.2 o C. 4.4 Analisa Tanggapan Sh secara Single control dengan Tanggapan Sh secara Dari hasil pengjian pengendalian sh secara single control dan pengendalian sh secara ntk setting point yang bervariasi yait 35 o C, 37 o C dan 39 o C dapat dilihat pada Tabel 1 yang memat besarnya setting point, toleransi kestabilan sh, besarnya ganggan, perbahan sh ketika terjadi ganggan, wakt perbahan sh ketika terjadi ganggan ntk mencapai stabil. Tabel 1 Hasil pengjian pengendalian sh secara single control dan pengendalian sh secara 6

7 V. PENUTUP 5.1 Kesimplan Berdasarkan pengjian dan analisis yang telah dilakkan, maka dapat disimplkan hal-hal sebagai berikt : 1. Untk sh maskan tetap (tidak terjadi ganggan ) maka feedforward tidak berfngsi sehingga kelaran antara pengendalian dengan menggnakan singleloop dan feedforward feedback sama. 2. Tanggapan kelaran pengendalian sh secara single control cenderng naik dan memiliki deviasi yang lebar ntk ganggan selama 12 detik. Sedangkan tanggapan kelaran pengendalian sh secara feedforward feedback control cenderng naik tetapi deviasi yang dihasilkan lebih sempit ntk ganggan yang sama. 3. Kestabilan yang diperoleh antara single control dengan setelah diberikan ganggan berpa ap panas selama 12 detik lebih cepat pada feedforward feedback control. 4. Untk pengendali feedforward, gain yang dipilih adalah 12 hal ini dikarenakan berdasarkan pengjian gain 12 memberikan kelaran pengendalian sh yang lebih baik ketika diberikan ganggan selama 12 detik bila dibandingkan dengan da gain lain yait 8 dan Besarnya wakt perbahan sh ketika terjadi ganggan ntk mencapai stabil tergantng dari besarnya ganggan ap panas yang diberikan. Semakin besar ganggan maka besarnya wakt ntk perbahan sh semakin besar Saran Beberapa hal yang dapat disarankan dari pelaksaan tgas akhir ini adalah 1. Untk mendapatkan tanggapan sh kelaran yang lebih baik, maka dapat dicoba dengan : Menggnakan plant model sesai dengan indstri, misalnya kipas dc diganti dengan valve linear, ap ntk memanaskan berpa ap basah bkan ap kering, benda yang dipanaskan berpa benda cair bkan dara. Dalam penalaan PI (Proporsional dan Integral) secara ato tning bisa menggnakan metode IMC (Internal Mode Control). Hal ini dikarenakan dengan metode IMC akan mendapatkan nilai-nilai parameter yang lebih optimal dibandingkan dengan metode Ziegler-Nichols Ganggan yang dikontrol dapat berpa berpa flow (aliran), mapn tekanan. 3. Dapat dikembangkan dengan membat pengendalian jarak jah (remote) dengan perantara kompter. DAFTAR PUSTAKA [1] Astrom, John and Bjorn Wittenmark, Adaptive Control, Addison-Wesley Pblishing Company, Inc. [2] Brosilow, Coleman/Bab Joseph, Techniqes of Model-Based Control, Prentice Hall International Series, New Jersey, [3] Gnters, Frans, Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses, PT Elex Media Komptindo, Jakarta, [4] Jacqot, Raymond G., Modern Digital Control Systems, Marcel Dekker Inc, New York, [5] Ogata, Katshiko, Teknik Kontrol Atomatik Jilid 1, diterjemahkan oleh Edi Leksono, Erlangga, Jakarta, Jnanto Prihantoro, saat ini sedang menyelesaikan pendidikan program Strata 1. Mahasiswa JrsanTeknik Elektro Universitas Diponegoro mengambil konsentrasi Kontrol Mengetahi/Mengesahkan, Pembimbing I Pembimbing II Trias Andromeda ST.MT. Iwan Setiawan ST.MT. NIP NIP