PENGENDALIAN SUHU SECARA CASCADE CONTROL MENGGUNAKAN PROPORSIONAL INTEGRAL BERBASIS MIKROKONTROLLER ATMEGA 8535

Transkripsi

1 PENGENDALIAN SUHU SECARA CASCADE CONROL MENGGUNAAN PROPORSIONAL INEGRAL BERBASIS MIROONROLLER AMEGA 8535 Dheka Bakt.W. 1, Iwan Setawan, S. M. 2, ras Anromea, S. M. 2 Jrsan eknk Elektro, Fakltas eknk, Unverstas Donegoro, Jln. Prof. Sharto, embalang, Semarang, Inonesa Abstrak Paa engenalan sh sebah heat exchanger, teraat loa ata ganggan aa roses (loo) yang kala tak erhatkan akan menja sangat mergkan. Ganggan t aalah erbahan tekanan smber steam. Anakata smber steam terr atas beberaa boler yang energnya selan aka heat exchanger jga aka sstem tlty yang lan. Begt emakaan anas temat lan menngkat, tekanan smber steam tent akan menrn. Sstem engenalan keman erbak engan menambahkan engenal alran antara engenal sh an control. Ja, manlate varable (varabel yang manlas) ar engenal sh menja set ont bag engenal alran. onfgras engenalan semacam nlah yang lazm sebt cascae control (engenalan bertngkat). Dengan menggnakan engenalan bertngkat akan aatkan tanggaan kelaran sesa engan yang harakan, walan teraat ganggan bera tekanan steam. Dbanngkan engan sngle control, engenalan bertngkat lebh hanal alam engenalannya. ata knc : cascae control (engenalan bertngkat), PI (Proorsonal-Integral), ato tnng Zegler-Nchols, mkrokontroler Amega8535. I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam na nstr nyata, banyak kebthan roses yang tak aat selesakan engan loo seerhana yang hanya menganalkan sebah mata ranta feeback. Contoh alng nyata aalah engenalan sh aa heat exchanger. Anakata smber a terr atas beberaa boler yang energnya selan aka heat exchanger jga aka sstem tlty yang lan. Begt emakaan anas temat lan menngkat, tekanan smber a tent akan menrn. Pengenalan sh tak akan segera melhat erbahan tekanan a n sebelm sh fla benar-benar trn. Sebenarnya enrnan tekanan a aat atas engan segera kala saja alran a jga kenalkan. Sstem engenalan keman erbak engan menambahkan engenal alran antara engenal sh an control valve. Ja, manlate varable (varabel yang manlas) ar engenal sh menja set ont bag engenal alran. onfgras engenalan semacam nlah yang lazm sebt cascae control (engenalan bertngkat). n, engenalan sh tak erl katr aa erbahan tekanan smber a, karena alran a jga kenalkan oleh enganal alran. 1. Menerakan engenal PI (Proorsonal Integral) aa lant engenalan sh secara cascae control (engenalan bertngkat) engan mkrokontroller Amega 8535 sebaga mea engenal. 2. Membanngkan reson kelaran antara lant yang menggnakan sngle control engan cascae control. 1.3 Pembatasan Masalah Dalam embatan tgas akhr n enls membatas ermasalahan sebaga berkt : 1. Plant yang j aalah lant engenalan sh. 2. Metoe engenalannya PI (Proorsonal an Integral) secara cascae engan enalaan menggnakan metoe Zegler-Nchols Ganggan alam engenalan sh bera kaceatan alran (flow) a. 4. Menggnakan a loo aa engenalan bertngkatnya ntk mengenalkan sh, yat bera engenalan sh an engenalan alran a. 5. Mkrokontroller yang gnakan aalah mkrokontroller Amega Pembatan erangkat lnak menggnakan bahasa C embee sebaga engenalanya an Borlan Delh 7 sebaga erangkat lnak ntk tamlan. 1.2 jan jan yang ngn caa aa tgas akhr n aalah : - 1 -

2 II. DASAR EORI 2.1 Pengenal PID Pengenal PID aalah sstem engenal gabngan antara engenal roorsonal, ntegral, an fferensal. Dalam wakt kontny, snyal kelaran engenal PID rmskan sebaga : t t 1 e (t) e t e t t... (2.1) t 0 engan : (t) = snyal kelaran engenal PID = konstanta roorsonal = wakt ntegral = wakt fferensal = konstanta ntegral = konstanta fferensal e (t) = snyal kesalahan( e (t) = referens kelaran lant) Ja, fngs alh engenal PID (alam oman s) aat nyatakan sebaga berkt. Gc s s... (2.2) s Dagram blok engenal PID aat lhat aa Gambar 2.1. s s Gambar 2.1 Dagram blok engenal PID 2.2 Pengembangan Metoe Penalaan ea Zegler-Nchols Penalaan engenal PID aalah mencar nla,, an. Metoe enalaan kea Zegler-Nchols kembangkan engan relay sebaga engenal sstem. Relay angga menggantkan fngs engenal roorsonal yang gnakan aa metoe enalaan kea Zegler-Nchols. Dagram blok sstem man balk engan relay sebaga engenal tnjkkan Gambar Gs y yang eroleh engan snyal kenal,, tnjkkan oleh Gambar 2.3. Gambar 2.3 Maskan an kelaran sstem engan man balk relay Oslas aat terja bla snyal kelaran melal ttk nol saat relay bernah oss. Selan t, komonen asar ar snyal kelaran an maskan hars memlk fase yang berlawanan, sehngga kons yang hars enh agar oslas aat terja aalah sebaga berkt : a 1...(2.3) 4 an 2 /...(2.4) engan : = engatan asar a = amlto gelombang sns = amlto gelombang erseg = eroe asar Parameter-arameter PID eroleh engan mengoeraskan nla-nla yang telah aat ar roses enalaan engan tetaan-tetaan emrs Zegler-Nchols aa metoe enalaan ke-2 Zegler- Nchols yang tnjkkan abel 2.1. abel 2.1 Penalaan Zegler-Nchols metoe ke-2 Pengenal P PI PID Pengenalan Cascae (Bertngkat) Cr khas sstem engenalan cascae (bertngkat) aalah aanya manlate varable (varabel yang manlas) sebah engenal yang menja set ont ar engenal lan. Dagram blok engenalan bertngkat aat lhat aa Gambar Gambar 2.2 Dagram blok sstem man balk engan kenal relay Prns asar metoe n aalah aanya batas nla eroa roses oslas, jka kenalkan menggnakan metoe kalang tertt engan relay sebaga engenal. Snyal maskan an kelaran Gambar 2.4 Dagram blok sstem engenalan bertngkat (cascae) - 2 -

3 Dar Gambar 2.4 terlhat bahwa aa a jalr man balk aa sstem engenalan bertngkat (cascae control), sehngga terbentk a mata ranta engenalan (kalang). Mata ranta ata kalang bagan lar (oter loo) sebt rmary loo ata master, an mata ranta ata kalang bagan alam (nner loo) sebt seconary loo ata slave. Master ata rmary loo mengenalkan roses varabel rmer (roses sh fla). Seangkan slave ata seconary loo mengenalkan roses varabel sekner (alran a). Alasan enggnaan engenalan bertngkat (cascae control) alam mengenalkan lant aalah sebaga berkt : 1. Reson kelaran ar sngle control tak sesa engan yang harakan. 2. eraat enambahan varabel sekner alam engenalan lant. 3. Dengan aanya engenal sekner yang lebh ceat, aat mengatas ganggan aa kalang sekner. Alasan tak gnakannya engenalan bertngkat (cascae control) aalah : 1. Baya ata rg-rg engkran varabel sekner. 2. erwetan aa engenalannya. Perbeaan reson kelaran antara sngle loo engan engenalan bertngkat (cascae control) aat lhat aa Gambar Setelah arameter-arameter PID aa kalang rmer an kalang sekner ketah, maka moe cascae aat jalankan ntk engenalan lant. III. PERANCANGAN Secara mm, agram blok erancangan sstem engenalan sh engan engenalan bertngkat (cascae control) tnjkkan seert aa Gambar 3.1. r1 r2 y 2 y1 Gambar 3.1 Dagram blok engenalan sh engan engenalan bertngkat (cascae control) Perancangan sstem engenalan sh engan engenalan bertngkat (cascae control) melt erancangan erangkat keras (harware) an erancangan erangkat lnak (software). 3.1 Perancangan Perangkat eras (Harware) Perancangan erangkat keras aat tnjkkan seert Gambar 3.2. (a) (b) Gambar 2.5 Perbanngan reson kelaran antara sngle loo engan engenalan bertngkat (a) sngle loo (b) engenalan bertngkat (cascae control) Berkt langkah-langkah enalaan alam engenalan bertngkat (cascae control) : 1. Meletakkan kea kalang aa oss manal. 2. Pengoerasan kalang hars selal mla ar kalang sekner. 3. Memlh moe manal ntk mencar arameter PID aa kalang sekner, namn tak sama menggangg roses varabel rmer. 4. Setelah menyettng kalang sekner menghaslkan reson yang ck manta, keman memersakan metoe ato tnng ntk mencar arameter PID aa kalang rmer. 5. Meletakkan kalang rmer aa oss ato tnng an melakkan enalaan kalang rmer. Gambar 3.2 Dagram blok erancangan erangkat keras Sstem Mnmm Mkrokontroller Amega 8535 Sstem mkrokontroller Amega 8535 bentk ar beberaa rant maskan-kelaran. Hbngan mkrokontroller Amega 8535 engan rant maskan-kelaran tnjkkan seert aa Gambar

4 Mkrokontroler Amega 8535 Port A Port B Sensor_sh engons_snyal PA.0 PA.2 eya 4 4 PA. 4 PA.7 PB. 4 PB.7 Port C Port D PB.1 PC. 0 PC.7 Otocoler LCD Aktator PB. 3( rver _ PWM 0) PD. 3( rver _ relay) PD. 7( rver _ PWM 2) Gambar 3.3 Interaks sstem mkrokontroller Amega 8535 engan komonen I/O Gambar 3.5 Rangkaan engkons snyal I an II Drver PWM (Plse Wth Molaton) Skema ar rver PWM n tnjkkan aa Gambar Relay an Drver Relay Drver relay tnjkkan aa Gambar 3.4. Gambar 3.4 Rangkaan rver relay Paa rangkaan rver relay teraat transstor nn BD 139 yang berfngs sebaga saklar. ransstor n akan on (aktf) aabla kelaran Port D.3 aa mkrokontroller Amega 8535 berlogka 1, seangkan akan off aabla kelaran berlogka Sensor LM35 an Pengons Snyal Jangkaan engkran sstem n antara 25 o C sama engan 100 o C, sehngga tegangan yang kelarkan sensor LM35 beraa alam jangkaan 0,25 volt sama 1 volt. Rangkaan engkons snyal yang sesa ntk mengbah jangkaan tegangan antara 0,25 sama 1 volt menja 0 sama 5 volt aalah engat selsh, seert yang tnjkkan aa Gambar 3.5. Pengat n akan mengrangkan tegangan maskan engan nla 0,25 volt, sebaga tegangan alng kecl yang kr, sehngga jangkaan tegangan yang akan katkan menja 0 sama 0,75 volt. Selanjtnya, tegangan engan jangkaan 0 sama 0,75 volt n akan katkan sebesar 6,67 kal agar sesa engan tegangan yang bthkan yat 0 sama 5 volt. Gambar 3.6 Rangkaan rver PWM (Plse Wth Molaton) Paa rangkaan rver PWM teraat transstor nn BD 139 yang berfngs sebaga saklar. ransstor n akan on (aktf) aabla kelaran Port D.7 ntk PMW 2 ata Port B.3 ntk PWM 0 aa mkrokontroller Amega 8535 berlogka 1, seangkan akan off aabla kelaran berlogka Rangkaan Otocoler Rangkaan otocoler aalah sebaga berkt : Gambar 3.7 Rangkaan sensor otocoler Otocoler terr ar LED an etektor cahaya (hototransstor) yang berfngs ntk menerma cahaya yang ancarkan oleh LED. Sesa engan rangkaan aa Gambar 3.7, maka otocoler akan menghaslkan tegangan kelaran hgh aa saat tak aa cahaya yang mengena

5 ermkaan etektor. Seangkan saat cahaya mengena etektor maka tegangan kelaran ar etektor aalah low. 3.2 Perancangan Perangkat Lnak (Software) Program tama mengatr keselrhan jalannya rogram yang melt sb rtn-sb rtn. Sb rtn akan melaksanakan fngs-fngs tertent yang bthkan ntk sstem engenalan. Aan agram alr ar rogram tama tnjkkan aa Gambar 3.8. IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN Pengjan lakkan engan membanngkan antara engenalan sh secara sngle loo engan aanya ganggan an engenalan sh secara cascae control engan aanya ganggan. D mana aa masng-masng engjan teraat engjan kalang terbka, an engjan tnng Zegler- Nchols alam menaatkan nla arameterarameter PI (Proorsonal an Integral). 4.1 Pengjan alang erbka Paa engjan kalang terbka, mkrokontroller member maskan bera snyal kenal ke rver PWM 2 sebesar 7F h yang setara engan 6 volt an PWM 0 sebesar 80 h yang setara engan 6 volt. anggaan kelaran sh aa lant tnjkkan aa Gambar 4.1. Gambar 4.1 anggaan kelaran lant sh ntk kalang terbka Gambar 3.8 Dagram alr rogram tama ntk engenalan bertngkat (cascae control) Sb Rtn Inters mer 0 Sb rtn nters mer 0 gnakan ntk wakt clk menghtng keceatan alran a (flow), wakt clk engamblan ADC nternal, an ntk menghaslkan PWM (Plse Wth Molaton) nternal. PWM nternal n terletak aa Port B.3 ntk mer Sb Rtn Inters mer 1 Sb rtn nters mer 1 berfngs sebaga encacah frekens eksternal yang berasal ar otocoler. D mana engan mencacah frekens eksternal yang berasal ar otocoler, aat menghtng besarnya keceatan alran a Sb Rtn Inters mer 2 Sb rtn nters mer 2 gnakan ntk wakt clk alam melakkan ato tnng, wakt clk engenalan on-off, wakt clk erhtngan snyal kontrol, an ntk menghaslkan PWM (Plse Wth Molaton) nternal. PWM nternal n terletak aa Port D.7 ntk mer 2. Besarnya wakt mat (L) yang haslkan sebesar 54.5 etk an konstanta wakt () ar tanggaan tersebt sebesar 438 etk. Perbanngan besar wakt mat terhaa konstanta wakt (L/) menghaslkan nla Penalaan Sh engan Ato nng Zegler-Nchols Penalaan arameter-arameter roorsonalntegral lakkan agar aat eroleh arameterarameter yang sesa ntk lant moel. Referens yang berkan aalah sebesar 35 o C yang setara engan nla 88 h. Paa saat olah oleh mkrokontroller engan snyal kenal relay yang berkan ketka keaaan off ke rver PWM 2 sebesar 00 h yang setara engan 0 volt an PWM 0 sebesar FF h yang setara engan 12 volt. Seangkan ketka keaaan on, snyal kenal relay yang berkan ke rver PWM 2 sebesar 96 h yang setara engan 7.06 volt an PWM 0 sebesar 69 h yang setara engan 4.94 volt. Gambar 4.2 anggaan kelaran ato tnng Zegler Nchols - 5 -

6 anggaan sh lant beroslas engan sh mnmal 34.2 o C yang setara engan 7D h ntk 10 bt ata setara engan 1F h ntk 8 bt sama engan sh maksmal 35.8 o C yang setara engan 93 h ntk 10 bt ata setara engan 24 h ntk 8 bt. Nla amlto oslas ( a ) aatkan sebesar B h, an nla eroa oslas ( ) sebesar 40 etk. Penalaan engan ata yang tnjkkan Gambar 4.2 menghaslkan arameter-arameter PI sebaga berkt : h 6.11 a π B h ketka terja ganggan alran a aa wakt 700 etk tak mengalam erbahan sh. Dar hasl engjan engenalan sh secara sngle control an engenalan sh secara cascae control aat bat abel 4.1. abel 4.1 Hasl engjan engenalan sh 4.3 Perbanngan anggaan Sh secara Sngle Control engan anggaan Sh secara Cascae Control anggaan sstem engenalan sh secara sngle control an engenalan sh secara cascae control engan settng ont 40.0 o C an ganggan alran a yang melambat 7.0 m/s aat lhat aa Gambar 4.3. (a) (b) Gambar 4.3 anggaan sstem engenalan sh engan settng ont 40.0 o C an ganggan alran a yang melambat 7.0 m/s (a) sngle control (b) cascae control anggaan engenalan sh mencaa kestablan (settng ont) engan tolerans 0.3% ar settng ont (40.0 o C), yat antara sh 39.9 o C sama sh 40.1 o C. etka terja ganggan alran a melambat 8 m/s aa wakt 400 etk, tanggaan aa engenalan sh secara sngle control mengalam enrnan rasts, yat mencaa sh 37.5 o C. anggaan kembal stabl setelah etk engan sh 39.9 o C. Seangkan tanggaan engenalan sh secara cascae control ketka terja ganggan alran a aa wakt 400 etk tak mengalam erbahan sh. Paa wakt 700 etk, keceatan alran a kembal seert semla (9.5 m/s). etka alran a 9.5 m/s, tanggaan aa engenalan sh secara sngle control mengalam kenakan rasts, yat mencaa sh 41.8 o C. anggaan kembal stabl setelah etk engan sh 40.1 o C. Seangkan tanggaan engenalan sh secara cascae control 4.4 Analsa anggaan Sh secara Sngle Control engan anggaan Sh secara Cascae Control Paa abel 4.1 aat lhat bahwa teraat erbeaan antara tanggaan kelaran engenalan sh secara sngle control an tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control aalah sebaga berkt : 1. anggaan kelaran engenalan sh secara sngle control cenerng trn ketka teraat ganggan alran a (alran a melambat). Seangkan tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control cenerng nak ata stabl ketka teraat ganggan alran a (alran a melambat). 2. anggaan kelaran engenalan sh secara sngle control cenerng nak ketka teraat ganggan alran a (alran a ceat). Seangkan tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control cenerng trn ata stabl ketka teraat ganggan alran a (alran a ceat). 3. Perbahan sh aa engenalan secara sngle control mengalam enymangan yang besar tertama ketka ganggan alran anya besar (alran a melambat ata ceat). Seangkan tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control mengalam enymangan sekt ata stabl ketka teraat ganggan alran a (alran a melambat ata ceat). Hal-hal yang menyebabkan erbeaan antara tanggaan kelaran engenalan sh secara sngle control an engenalan sh secara cascae control antara lan : 1. Paa engenalan sh secara sngle control tak teraat erhtngan nla ar alran a - 6 -

7 aa snyal kontrolnya. Sehngga ketka terja ganggan alran a, tanggaan sh akan menymang ar kestablan an akan mencaa kestablan engan wakt yang ck lama. Hal n karenakan teraatnya engenalan Proorsonal an Integral yang aat membat sstem mencaa kestablan (sesa settng ont). 2. Seangkan aa engenalan sh secara cascae control teraat erhtngan nla ar alran a aa snyal kontrolnya. Sehngga ketka terja ganggan alran a, tanggaan sh tak akan mengalam erbahan (stabl). Hal n karenakan sebelm alran a memanaskan lant moel, besarnya alran a sah sensor an ata ar sensor akan olah ke alam engenalan yang akan mengenalkan kas c (smlas ar valve). D mana engenalan alran a lebh ceat ar aa engenalan sh. V. PENUUP 5.1 Pent Berasarkan engjan an analss yang telah lakkan, maka aat smlkan hal-hal sebaga berkt : 1. anggaan kelaran engenalan sh secara sngle control cenerng trn ketka teraat ganggan alran a (alran a melambat). Seangkan tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control cenerng nak ata stabl ketka teraat ganggan alran a (alran a melambat). 2. anggaan kelaran engenalan sh secara sngle control cenerng nak ketka teraat ganggan alran a (alran a ceat). Seangkan tanggaan kelaran engenalan sh secara cascae control cenerng trn ata stabl ketka teraat ganggan alran a (alran a ceat). 3. Besarnya erbahan sh ketka terja ganggan alran a (flow) tergantng ar besarnya ganggan alran a (flow). Semakn besar ganggan alran a (alran a semakn melambat ata ceat) maka erbahan sh semakn besar. 4. Besarnya wakt erbahan sh ketka terja ganggan ntk mencaa stabl tergantng ar besarnya ganggan alran a (flow). Semakn besar ganggan alran a (alran a semakn melambat ata ceat) maka besarnya wakt ntk erbahan sh semakn besar. 5.2 Saran Beberaa hal yang aat sarankan ar elaksaan tgas akhr n aalah : 1. Untk menaatkan tanggaan sh kelaran yang lebh bak, maka aat coba engan : Menggnakan lant moel sesa engan nstr, msalnya kas c gant engan valve lnear, a ntk memanaskan bera a basah bkan a kerng, bena yang anaskan bera bena car bkan ara. 2. Daat kembangkan engan membat engenalan jarak jah (remote) engan erantara komter. DAFAR PUSAA [1] Astrom, John an Bjorn Wttenmark, Aatve Control, Ason-Wesley Pblshng Comany, Inc. [2] Broslow, Coleman/Bab Joseh, echnqes of Moel-Base Control, Prentce Hall Internatonal Seres, New Jersey, [3] Gnters, Frans, Falsafah Dasar: Sstem Pengenalan Proses, P Elex Mea omtno, Jakarta, [4] Jacqot, Raymon G., Moern Dgtal Control Systems, Marcel Dekker Inc, New York, [5] Ogata, atshko, eknk ontrol Atomatk Jl 1, terjemahkan oleh E Leksono, Erlangga, Jakarta, [6] Ogata, atshko, eknk ontrol Atomatk Jl 2, terjemahkan oleh E Leksono, Erlangga, Jakarta, BIODAA MAHASISWA Pembmbng I DHEA BAI.W. (L2F ) Mahasswa Jrsan eknk Elektro, Fakltas eknk Unverstas Donegoro Semarang, engan lhan konsentras ontrol. Mengetah/Mengesahkan, Pembmbng II Iwan Setawan, S. M. ras Anromea, S. M. NIP NIP