APLIKASIMETODE INTERNAL MODEL CONTROL (IMC) ONE DEGREE OF FREEDOM (1 DOF) UNTUK PENGENDALIAN SUHU CAIRAN PADA HEATER

Transkripsi

1 APLIKASIMETODE INTERNAL MODEL CONTROL () ONE DEGREE OF FREEDOM ( DOF) UNTUK PENGENDALIAN SUHU CAIRAN PADA HEATER Yudha Prasetyo #, Iwan Setiawan,ST,MT #, Budi Setiyono,ST,MT #3 # Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro jl. Prof Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia # setiaone.iwan@gmail.com #3 Budisty@gmail.com Abstrak Internal Model Control () adalah suatu metode untuk merangcang suatu pengontrol umpan balik untuk membuat keluaran suaut proses yang stabil memberikan respon sesuai yang diinginkan terhadap perubahan setpoint, serta mengatasi pengaruh gangguan yang langsung masuk pada keluaran proses. Pengontrolq(s,Ɛ ) sistem untuk model yang sempurna merupakan inverse Water Heater adalah adalah sebuah tangki cairan yang di dalamnya terdapat heater (pemanas listrik) dan sensor suhu yang digunakan untuk membaca suhu cairan yang berada didalam tangki. Dalam tugas akhir ini dilakukan pengujian terhadap unjuk kerja dari metode Internal Model Control () One Degree of Freedom (DOF) dalam mengontrol suhu suatu cairan pada water heater. Pengendalian ini dilakukan dengan mengatur sinyal kontrol pada heater (pemanas). Metode ini di implementasikan pada mikrokontroler ATMEGA8535 dan dapat dimonitoring menggunakan LCD dan komputer. Kata kunci, pengendalian suhu air, Mikrokontroler Atmega8535, water heater, LM35. I. PENDAHULUAN Semakin berkembangnya teknologi terutama pada bidang industri, menuntut adanya suatu sistem kendali yang baik supaya dapat menunjang proses sekaligus untuk dapat meningkatkan efisiensi dalam proses produksi. Salah satu contoh metode yang sering digunakan pada industri yaitu kendali konvensional seperti PID. Pada dasarnya metode kendali PID mampu mengatasi permasalahan yang ada pada proses indutri, namun pada system biasa dengan umpan balik PID yang sering diterapkan pada kebanyakan sistem kontrol di industri saat ini mempunyau kelemahan, yaitu apabila ada gangguan yang tak diduga sebelumnya masuk ke keluaran, maka keluran sistem menjadi tidak sesuai dengan setpoint atau lama dalam mencapai harga yang diinginkan. Internal Model Control () adalah satu metode kontrol yang mengguanakan model dari plant yang ingin di kontrol.pengontrol dirancang berdasarkan persamaan matematis dari plant yang ingin di kontrol, p(s), dengan memilih parameter Ɛ yang sesuai agar kelauran sistem menjadi sesuai yang diharapkan. merupakan suatu metode untuk merancang suatu pengontrol umpan balik supaya membuat keluaran dari suatu proses yang stabil untuk : () memberikan respon sesuai yang diinginkan terhadap perubahan setpoint, dan () mengatasi pengaruh gangguan yang langsuk masuk pada keluaran proses. Pada tugas akhir ini, dirancang suatu sistem pengendalian suhu cairan pada water heater deangan menggunakan ATmega 8535 sebagai kontroler dan One degree of Freedom ( DOF) sebagai metode kontrol yang digunakan dengan tujuan untuk mendapatkan respon sistem yang diinginkan. II. DASAR TEORI Dasar teori dari makalah aplikasi metode internal model control () one degree of freedom ( DOF) mencakup: A. Self regulating Process Model self regulating process pada dasarnya dapat didekati oleh sebuah model matematis FOPDT (First Order Plus Ded Time) yang hanya dicirikan oleh tiga buah parameter yaitu Process transport delay L, Process time constant T, Process static gain- K Ketiga parameter yang menggambarkan dinamika proses, secara praktis dapat diperoleh atau diidentifikasi melalui eksperimen sederhana BumpTest atau sinyal tangga secara open loop pada mode kontrol manual (lihat Gambar ). SP (set Points) + PV - e(error) Kontroller PID Input dari Operator Kontroller PID komersil Auto Manual CO Sensor (Transmitter) Penggerak (Actuator) Gambar Percobaan BumpTest pada kontrol manual [0] MV Ex Proses Secara teknis percobaan BumpTest dilakukan dengan cara memberi perubahan tangga (step) sinyal output kontroler (CO) oleh operator pada saat proses mengalami keadaan steady (stabil) disekitar titik kerja nominalnya. Gambar menunjukan salah satu contoh hasil percobaan BumpTest.

2 Berikut ini adalah bentuk alternative dari DOF Gambar Respon Tangga percobaan BumpTest untuk model FOPDT [0] Gambar diatas merupakan grafik respon tangga percobaan BumpTest yang mana parameter-parameter proses FOPDT (First Order Plus Ded Time) dapat dicari sebagai berikut: a. Keterlambatan transportasi proses (L) = waktu yang terjadi pada proses yang dihitung sejak terjadi perubahan tangga pada CO sampai variabel proses (PV) yang dikontrol mulai menanggapi perubahan input CO. b. Konstanta waktu (T) = Waktu yang di perlukan sehingga nilai PV mencapai kurang lebih 63 % dari keadaan steady akhir setelah waktu tunda. c. Gain Statis Proses (K) = Perbandingan perubahan PV terhadap perubahan CO dalam keadaan steadynya. Gain statis bisa bernilai positif maupun negatif tergantung jenis control valve yang di gunakan. PV PV PV 0 K () CO CO CO 0 Gambar Konfigurasi alternatif dari Berikut ini adalah komponen dari : ) Fungsi Alih Untuk pengontrol umpan balik C(s) pada gambar.6 berlaku : Hubungan masukan-keluaran dari gamabr.7 dapat diberikan sebagai berikut: () (3) () B. Internal Model Control () One Degree of Freedom ( DOF) Karakteristik adalah dimana bagian pengontrol terdiri dari kontroler dan simulasi model proses. Ini menyatakan bahwa pengontrolan dapat dilakukan jika sistem kontrol merangkum secara eksplisit maupun implisit beberapa model representasi dari proses yang akan dikontrol. Hal ini berarti keluaran (output)yang dikontrol mengikuti referensi dari masukan (input) tanpa adanya kesalahan steady (steady state error) jika model yang dikontrol termasuk sistem kalang tertutup yang stabil. [7]. Berikut ini merupakan skema dari sistem Internal Model Kontrol derajat kebebasan ) tidak memiliki komponen offset Gain steady state semua fungsi alih yang stabil dapat diperoleh dengan mengganti variable laplace s dengan nol. Untuk persamaan (.9) maka: (5) (6) (7) Persamaan karakteristik dari persamaan (7) diatas adalah ; Gambar 3 Diagram blok sistem DOF (8) Jika persamaan (3)dan () stabil, dan jika dipilih gain steady-state dari pengontrol q(0) adalah inverse dari model gain ( ) yang diperoleh dari persamaan (8), maka gain dari denominator persamaan (3) dan () adalah p(0) q(0). Sehingga gain antara setpoint r(s) dan y(s) adalah ; gain

3 antara gangguan d(s) dan y(s) adalah 0, dan tidak ada deviasi steady-state antara keluaran proses dan setpoint. Berikut ini adalh penurunan matematisnya : Dari persamaan (3) +Vcc Vout GND (9) Gambar 5 Sensor suhu LM35. Dari persamaan () (0) Suatu sistem kontrol yang ideal akan memaksa keluaran dari proses untuk mencapai setpoint secara langsung, menekan semua gangguan sehingga tidak mempengaruhi keluarannya. Sehingga, suatu sistem kontrol yang sempurna akan memenuhi persamaan : () () D. Integral Time Absolut Error (ITAE) Kriteria ITAE merupakan suatu kriteria indeks performansi dimana nilai indeks performansinya didasarkan pada hasil integral waktu dan harga mutlak dari error. Kriteria ini dapat dirumuskan berdasarkan persamaan. [7] (5) Pada kriteria ini kesalahan awal yang besar pada respon tangga satuan (step) mendapatkan bobot yang rendah, sedangkan kesalahan yang terjadi setelah respon transien memiliki bobot yang tinggi. Dari persamaan (3) dan () untuk mencapai keadaan seperti persamaan () dan () diatas dibutuhkan : dan (3) Karena itu untuk memperoleh pengontrolan yang sempurna pada, dibutuhkan model yang sempurna. Namun pada kenyataannya, tidak ada model yang benarbenar sempurna, dan jika suatu model adalah model dinamis, tidak ada pengontrol yang secara sempurna dapat menginverse model dari proses.pengontrol tersebut hanya dapat mendekati sempurna dalam menginverse model. C. Sensor LM 35 Sensor suhu LM35 digunakan untuk mengetahui besarnya suhu. ICini akan mengubah nilai suhu menjadi besaran tegangan denganjangkauan (range) suhu yang mampu dirasakan oleh LM35 adalah dari o C sampai dengan 50 o C. Tegangan keluaran sensor ini akan mengalami perubahan 0 mv untuk setiap perubahan suhu C atau memenuhi Persamaan (.5). [0] III. PERANCANGAN Perancangan alat pada tugas akhir ini meliputi perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. A. Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras sistem pengendalisuhu cairan ini terdiri dari mikrokontroler AVR ATmega3, sensor suhu LM35, Keypad, LCD, kendali tegangan AC sebagai pengaturan tegangan input heater, heater sebagai aktuator, push button sebagai unit masukan dan LCD sebagai perancangan display. Secara umum perancangan perangkat keras sistem ditunjukan pada gambar 8. () dengan T adalah suhu yang dideteksi dalam derajat Celcius. Gambar 6 Rancangan hardware plant pengendali suhu cairan. 3

4 B. Perancangan Perangkat Lunak Pada Mikrokontroler Bahasa pemograman mikrokontroler yang digunakan adalah bahasa C dengan kompiler CodeVisionAVR versi dan metode kontrol yang digunakan untuk aplikasi ini adalah DOF. Berikut ini blok diagram yang menjadi acuan dalam perancangan program. (7) Bagian dari persamaan () yang dapat direalisasikan secara fisik pada suatu pengontrol adalah proses gain (K), dalam hal s e 30 ini K=0,35 dan τ=337. Sedangkan bagian mewakili prediksi dari keluaran yang belum diperoleh dan tidak mungkin direalisasikan. Diferensiasi tanpa filter pada real time tidak dapat diwujudkan, dan misalkan dapat pun, tidak dapat di implemenatasikan karena penguatan derau pada keluaran proses yang terukur akan sangat besar. Maka dari itu untuk mengimplemntasikan pengontrol q(s) pada proses yang diberikan adalah sebagai berikut : Gambar 7. Diagram bloksystem control DOF C. Perancangan Pengontrol DOF Perancangan pengontrol DOF ini meliputi pencarian model plant dengan bunptest, penentuan parameter Ɛ ) Bumptest Untuk mengetahui model dari plant ini, maka model plant dicari dengan menggunakan metode bumptest. Berikut ini adalah hasil bumptest (8) Dari persamaan (7), maka persamaan pengontrol plant heat exchanger pada sistem ini adalah : (9) Dengan Ɛ = konstanta waktu filter (filter time constant) yang dipilih untuk menghindari penguatan derau yang terlalu besar dan untuk mengatasi kesalahan dalam pemodelan. Pemilihan parameter pada persamaan (9) tergantung pada batas penguatan derau yang dapat diterima olehpengontrol dan kesalahan pada pemodelan.untuk menghindari penguatan derau yang terlalu besar, Ɛ dipilih sedemikian sehingga gain pengontrol pada frekuensi tinggi tidak lebih dari 0 kali besar gain pada frekuensi rendah. Untuk pengontrol yang fungsi alihnya merupakan suatu rasio polynomial, kriteria ini dapt diekspresikan sebagai berikut : [] (0) Gambar 8 Hasil uji Bumptest dengan nilai co sebesar 0% Dari gambar diatas dapat diketahui parameter L=30, T= 337, dan K= 0,35. Sehingga model sistem adalah (6) Kriteria yang diberikan oleh persamaan (9) diatas muncul dari praktek industri standar yang membatasi gain pada frekuensi tinggi padapengontrol untuk tidak lebih dari 0 kali dari gain pada frekuensi rendah. Faktor pengali 5 dan 0 juga sering ditemui pada industri di lapangan []. Dengan mensubtitusi persamaaan (9) ke dalam persamaan (0) maka didapatkan : ; ) Penentuan Parameter Ɛ Seperti yang telah sebelumnya, untuk menghasilkan sistem kontrol yang sempurna, pengontrol harus secara sempurna merupakan kebalikan dari proses yang sempurna. Sehingga dengan membalik persamaan (6) dihasilkan persamaan : Dari persamaan diatas, untuk s maka Ɛ,8. Untuk proses yang sama, maka untuk factor penguatan derau 5 dan 0 besar konstanata waktu filter berturut turut adalah 9,6 dan 99,.

5 A. Pengujian Sensor LM35 IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Pengujian sensor ini dilakukan dengan membandingkan pembacaan sensor LM35 dengan termometer. Data hasil pengukuran dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel Perbandingan suhu pembacaan termometer dengan pembacaan sensor LM35. No Suhu terukur ( C) Sensor LM35 ( C) 3 3, 33 3, , 36 35, , ,7 7 3,8 8 3, , , B. Pengujian Sistem ) Pengujian dengan Referensi tetap Pengujian ini dilakukan dengan memberikan setpoint sebesar 3 C. Berikut ini adalah hasil pengujiannya. Tabel Perbandingan respon sistem dengan Metode Suhu Ref T awal r ( C) (s) ( C) M p Ɛ =,8 3 Ɛ =9,6 Ɛ =99, Kp : 63, Ti : 56 Td : T s (s) ITAE % % % % Pada pengujian ini terlihat bahwa respon sistem dengan menggunakan metode dengan parameter Ɛ =,8 lebih baik dari yang lainnya. Hal ini terlihat dari waktu naik respon (t r ) dan waktu penetapan (t s ) paling cepat diantara metode yang lain. Selain dari respon sistem hal ini juga terlihat dari nilai indeks performansi kesalahan ITAE yang paling kecil dari yang lain,yaitu bernilai 538. ) Pengujain dengan Referensi naik Pengujian ini dilakukan dengan memberikan setpoint sebesar 3 C. Setelah mencapai keadaan steady kemudian setpoint dinaikan menjadi 37 C. Berikut ini adalah hasil pengujiannya. Gambar 9 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ,8 dengan Gambar 3 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ,8 dengan Gambar 0 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 9,6 dengan Gambar Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 9,6 dengan Gambar Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 99, dengan Gambar 5 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 99, dengan Gambar Respon sistem metode PID dengan 5

6 Gambar 6 Respon sistem metode PID dengan Tabel 3 Perbandingan respon sistem dengan Suhu Ref T Metode awal r M ( C) (s) p ( C) 3 Ɛ =,8 Ɛ =9,6 Ɛ =99, Kp : 63, Ti : 56 Td : T s (s) ITAE % % % % Pada pengujian ini terlihat bahwa respon sistem dengan menggunakan metode dengan parameter Ɛ =,8 lebih baik dari yang lainnya. Hal ini terlihat dari waktu naik respon (t r ) dan waktu penetapan (t s ) paling cepat diantara metode yang lain. Selain dari respon sistem hal ini juga terlihat dari nilai indeks performansi kesalahan ITAE yang paling kecil dari yang lainya yaitu sebesar 36. 3) Pengujain dengan Gangguan Daya tahan sistem terhadap gangguan dan kecepatan respon sistem untuk kembali ke referensi setelah diberikan gangguan, yaitu dengan gangguan berupa es batu pada tangki water. Pemberian gangguan ini dilakukan pada sistem yang telah mencapai kestabilan pada suatu nilai referensi. Referensi suhu yang digunakan yaitu 35 C dengan suhu awal ±9,5 C. berikut ini adalah hasil pengujiannya. Gambar 7 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ,8 dengan gangguan Gambar 8 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 9,6 dengan gangguan Gambar 9 Respon sistem metode DOF dengan Ɛ 99, dengan gangguan Gambar 0 Respon sistem metode PID dengan gangguan Pada pengujian respon sistem dengan gangguan terlihat bahwa respon sistem dengan parameter Ɛ =,8 memiliki respon yang baik untuk mengatasi gangguan yang diberikan. Dimana waktu yang dibutuhkan untuk mengatasi gangguan selama kurang lebih 37s. V. PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis yang dilakukan pada sistem pengendalian suhu, didapatkan kesimpulan sebagai berikut :. Pada pengujian dengan 3 C, metode dengan parameter Ɛ =,8 diperoleh nilai ITAE 538, pada dengan parameter Ɛ =9,6 diperoleh nilai ITAE 3965, dan pada dengan parameter Ɛ =99, diperoleh nilai ITAE 575. Sedangkan dengan metode PID dengan penalaan Ziegler-Nichols I diperoleh nilai ITAE Pengujian ini menunjukkan untuk pengujian dengan metode dengan parameter Ɛ =,8 memiliki unjuk kerja yang paling baik.. Pada pengujian dengan referensi naik, metode dengan parameter Ɛ =,8 diperoleh nilai ITAE 36, pada dengan parameter Ɛ =9,6 diperoleh nilai ITAE 390, dan pada dengan parameter Ɛ =99, diperoleh nilai ITAE 966. Sedangkan dengan metode PID dengan penalaan Ziegler-Nichols I diperoleh nilai ITAE 807.Pengujian ini menunjukkan untuk pengujian dengan metode dengan parameter Ɛ =,8 memiliki unjuk kerja yang paling baik. 3. Pada pengujian dengan gangguan berupa es batu seberat kurang lebih 00 gram, metode dengan parameter Ɛ =,8 membutuhkan waktu sekitar 37 s untuk mengatasi gangguan, pada dengan parameter Ɛ =9,6 sekitar 6, dan pada dengan parameter Ɛ =99, sekitar 87. Sedangkan dengan metode PID dengan penalaan Ziegler-Nichols I dibuthkan waktu sekitar 5 untuk mengatasi gangguan. Pengujian ini menunjukkan untuk pengujian dengan gangguan metode dengan parameter Ɛ =,8 memiliki unjuk kerja yang paling baik. 6

7 . Metode dengan parameter Ɛ =,8 terbukti lebih baik dibandingkan dengan metode PID dengan penalaan Ziegler-Nichols I pada plant heat exchanger B. Saran Pada pengembangan sistem lebih lanjut ada beberapa saran yang dapat dilakukan yaitu sebagai berikut:. Pada pemodelan sistem ini hendaknya dilakukan dengan sangart teliti agar respon sistem yang dihasilkan jauh lebih baik.. Penggunaan heater pada pengendalian suhu sebaiknya menggunakan heater dengan daya yang lebih besar misalnya 3000watt, sehingga dalam penentuan referensi bisa lebih tinggi dan respon sistem yang didapatkan lebih cepat. DAFTAR PUSTAKA [] Brosilow, Coleman, Babu Joseph, Techniques of Model Based Control, Prentice Hall PTR, New Jersey, 00 [] G. Jacquot, Raymond, Modern Digital Control System, Marcel Dekker Inc, New York, 98. [3] Heryanto, M. Ary dan Wisnu Adi P, Pemrograman Bahasa C Untuk Mikrokontroler ATMEGA8535, Penerbit Andi, Yogyakarta, 008. [] J. Cooper, Douglas, Practical Prosses Control Using Control Station, Control Station LLC, Stors, 00 [5] Kusnadi, Asana, Perancangan Pengontrol dan Analisa Respon pada Sistem Inrenal model Control, Skripsi S-, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang [6] Malvino. Prinsip Prinsip Elektronika. Jakarta : Erlangga, 996. [7] Mohutsiwa, Donald A., PID Tuning Controller Using Internal Model Control Methods, Thesis, University of Southern Queensland, Australia [8] Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid, diterjemahkan oleh Edi Leksono, Erlangga, Jakarta, 99. [9] Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik Jilid, diterjemahkan oleh Edi Leksono, Erlangga, Jakarta, 99. [0] Rindho, Prestian, Tuning Parameter Proporsional Integral Dengan Fuzzy Logic Untuk Pengaturan Suhu Air Pada Plant Heat Exchanger, SkripsiS-, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang. [] Rivera. Daniel.A., Internal Model Control A Comprehensive View, Arizona State University, Arizona, 999 [] Shafi M, Ahmad, Aplikasi kendali PID Menggunaka Skema Gain Scheduling Untuk Pengendalian Suhu Cairan pada Plant Electric Water Heater, SkripsiS-, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang. [3] Setiawan, Iwan, Fungsi Soft Timer Untuk Keperluan Operasi Tundaan Dan Penjadwalan (Schedulling) Pada Sistem Embedded, Juni 009. [] Setiawan, Iwan, Kontrol PID untuk Proses Industri, PT. Elex Media Komputindo,Jakarta,008. [5] Setiawan, Iwan, Perancangan Sistem Embedded Berbasis Statechart: Studi Kasus Pada Line Follower Mobile Robot, Juni 009. [6] Setiawan, Iwan, Software Development Methodology for Robotic and Embedded Systems (from drawing to coding), Desember [7] Wibowo Wisnu, Aplikasi Teknik Kendali Gain Scheduling Pada Sistem Kontrol Valve Untuk Pengendalian Tinggi Muka Cairan Pada Limas Terpancung, SkripsiS-, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang. [8] , Atmega8535 Data Sheet, [9] , Liquid Crystal Display Module M63 : User Manual, Seiko Instrument Inc., Japan, 987. [0] , BIODATA MAHASISWA Yudha Prasetyo (LF ) Saat ini sedang melanjutkan studi pendidikan strata I di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Konsentrasi Kontrol. Mengetahui dan mengesahkan, Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Iwan Setiawan, ST, MT NIP Tanggal: Budi Setiyono, ST, MT NIP Tanggal: 7