PEMBUATAN ALAT TUNING PENGENDALI PID

Transkripsi

1 PEMBUATAN ALAT TUNING PENGENDALI PID Roekmono, Totok R. Biyanto trb@ep.its.ac.id ABSTRAK Proses di industri mempunyai karakteristik yang sangat beranekaragam. Hal ini memerlukan algoritma pengendali yang sesuai. Pengendali yang paling banyak dipakai adalah PID, yang memerlukan tuning agar menghasilkan respon yang sesuai dengan keinginan atau setpoint. Dalam rangka membantu para operator dan engineer dalam mentuning PID secara kasar dan dapat disempurnakan menggunakan fine tuning secara intuitif. Hasil pengujian alat tuning dibandingkan dengan perhitungan secara manual menunjukkan bahwa terdapat sedikit perbedaan yang masih dapat diterima untuk tuning secara kasar. Kata Kunci : Alat tuning, Proporsional Integral Derivatif, Portable PENDAHULUAN Hakikat utama sistem pengendalian adalah menjaga atau mengendalikan variabel proses agar selalu sama dengan set point. Untuk itu, sistem perlu diset agar tidak berosilasi pada semua kondisi operasi atau dengan kata lain sistem dalam keadaan stabil. Pengesetan inilah yang disebut sebagai tuning [5]. Sistem pengendalian yang banyak dipakai di industri adalah sistem pengendalian dengan algoritma On/Off dan PID. Performansi pengendalian PID sangat tergantung pada ketepatan parameter tuning PB, Ti, dan Td.[2,4] Tuning di lapangan/pabrik biasanya bersifat coba-coba, karena para operator/enginer terkadang tidak begitu mengerti tentang tuning proses, juga menghindari perhitungan yang rumit. Padahal setiap plant mempunyai karakteristik variabel proses yang berbedabeda, [1] yang berarti mempergunakan parameter tuning yang berbeda pula.[3] Sehingga perlu dikembangkan suatu alat tuning portable yang dapat membantu operator untuk memberikan parameter tuning yang sesuai dengan karakteristik variabel proses yang dikendalikan. Alat tuning portable terdiri dari mikrokontroler dan asesoris lain sepeti LCD dan software, sehingga sistem tuning dapat berjalan secara otomatis. Permasalahan yang dihadapi adalah bagaimana merancang alat tuning tersebut secara portable, dengan tujuan merancang dan membuat alat tuning pengendalian PID secara portable yang diharapkan dapat membantu dan memberi kemudahan kepada para operator/enginer dalam men-tuning suatu pengendalian PID di dunia industri. TINJAUAN PUSTAKA Sistem Pengendali Proporsional Integral Diferensial ( PID ) Sistem pengendalian PID memiliki ketiga sifat yang ada pada unsur P, I, dan D yang masing-masing berturut-turut berguna untuk mempercepat reaksi sistem, menghilangkan offset, dan mendapatkan energi ekstra di saat awal-awal perubahan load. Namun semua kelebihan pada pengendali PID tidak dapat dipakai untuk mengendalikan semua variabel proses. Kemudian dengan menyetel PB, Ti, dan Td, ketiga unsur tersebut dapat dibuat lebih menonjol dari yang lain. Unsur yang menonjol itulah yang kemudian yang akan membawa pengaruh pada response sistem pada keseluruhan Gc 1 G T C e.dt + B R G C T D de dt Gambar 1. Diagram pengendali PID

2 Diagram pengendali PID akan merupakan bentuk paralel dari ketiga unit kontrol seperti pada Gambar 1. Transfer function pengendali PID ini adalah sebagai berikut : de O = G C (e + e.dt + Td ) + B ( dt dimana G, Ti, dan Td masing-masing adalah gain (100%/Pb), integral time, dan derivative time. Jika pada input pengendali PID diberi sinyal mendadak (fungsi step), output-nya (O) merupakan jumlah dari output step pengendali P, output ramp pengendali I, dan output pulsa pengendali D seperti pada Gambar 1. Pengaruh PB, Ti, dan Td pada respon dapat disimpulkan sebagai berikut : C 1 Ti a. PB yang kecil akan membuat pengendali menjadi sensitif dan cenderung membawa loop berosilasi. Sedangkan PB yang besar akan meninggalkan offset yang besar juga. b. Ti yang kecil akan bermanfaat untuk menghilangkan offset, tetapi juga cenderung membawa sistem menjadi lebih sensitif dan lebih mudah berosilasi. Sedangkan Ti yang besar belum tentu efektif menghilangkan offset dan cenderung membuat respon menjadi lambat. c. Td yang besar akan membawa unsur D menjadi lebih menonjol sehingga respon cenderung cepat. Sedangkan Td yang kecil kurang memberi ekstra di saat-saat awal. Tidak seperti pengendali elektronik, dimana unsur D bisa dimatikan sama sekali, unsur D pada pengendali pneumatik hanya bisa dibuat minimum. Dengan demikian pengendali PID pneumatik tidak pernah dipakai untuk proses variabel yang mengandung gelombang atau riak (noise) walaupun Td dibuat sekecil mungkin. Tuning Pengendalian Metode Kurva Reaksi Ada dua metode yang disebut sebagai metode tuning Ziegler-Nichols. Metode pertama yaitu metode kurva reaksi dan metode kedua yaitu metode osilasi. Dalam penelitian ini yang digunakan adalah metode kurva reaksi. Kurva reaksi dikenal dengan istilah reaction curve atau reaction rate [5]. Metode ini masih sangat populer sampai sekarang karena sifatnya yang praktis dan tidak membahayakan kepentingan proses seperti pada metode osilasi. Metode ini mudah untuk dijalankan, meskipun metode ini tidak umum namun metode ini memberikan model yang mencukupi untuk berbagai aplikasi. Metode kurva reaksi proses terdiri dari empat aksi sebagai berikut : Mengkondisikan proses untuk mencapai kondisi steady Memberikan perubahan step pada variabel input Merekam respon input dan output sampai proses mencapai keadaan steady Kembali menjalankan perhitungan dengan metode kurva reaksi proses Perhitungan secara grafis didefinisikan oleh persamaan model First-Order-Plus-Death-Time (FOPDT) yang dituliskan dengan : Dimana : X(s) Y(s) τ Φ = input = output = waktu konstan (time konstan) = waktu mati (dead time) (2) Gambar 2 Kurva reaksi proses metode I

3 Ada dua teknik yang berbeda dalam mencari parameter FOPDT di atas. Metode yang pertama diadaptasi oleh Ziegler dan Nichols yang ditunjukkan pada Gambar 2. Perubahan yang terjadi pada output sebesar Δ akibat perubahan input sebesar δ. Nilai yang diplot dalam grafik berhubungan dengan parameter model yang berdasarkan pada persamaan berikut: Y (t) = Kp δ [1 - e (t-θ)/τ ] (3) Langkah-langkah yang perlu dilakukan untuk memperoleh kurva reaksi antara lain : Mula-mula sistem closed loop harus dirubah menjadi sistem open loop dengan memindahkan kontroler ke posisi manual. Kemudian naikkan bukaan control valve secara mendadak sebesar 5% sampai 10%. Rekam kenaikan measured variable atau process variable dengan recorder yang cepat.. Gambar hasil pencatatan itu pada kertas grafik. Secara umum akan didapat kurva S seperti pada Gambar 2. Gambar garis singgung (slope), usahakan securam mungkin tetapi masih tetap berhimpitan dengan bagian tengah dari kurva S. Cari besarnya reaction rate (R) dengan : R = B / A (4) Bagi R dengan persentasi kenaikan bukaan control valve di langkah 1, sehingga didapat unit reaction rate (R : R R1 (5) BukaanValve ( MV ) Garis potong antara slope dan sumbu waktu menghasilkan dead time atau lazim disebut effective lag yang ditandai dengan L. Berdasarkan R1 dan L, nilai PB, Ti, dan Td dapat disetel sesuai dengan Tabel 1 berikut agar didapat respon dengan quarter-amplitude decay. Tabel 1 Metode I Tuning ZN Kurva Reaksi Pengendali P PI PID PB R1.L R1.L / 0,9 R1.L / 1,2 Ti 3,33 L 2 L Td 0,5 L Teknik yang kedua, menggunakan perhitungan grafik seperti yang tertera pada Gambar 3. Gambar 3 Kurva reaksi proses metode II Perubahan nilai output steady state Δ yang disebabkan oleh perubahan step nilai input δ; waktu saat output mencapai 63% dari nilai akhir dan 28% dari nilai akhir. Sembarang nilai dari dua waktu dapat dipilih untuk menentukan parameter yang tidak diketahui, τ dan θ. Kedua waktu tersebut dipilih saat respon transient mengalami perubahan yang benar. Sehingga parameter model tersebut dapat ditentukan dengan akurat. Persamaannya adalah : Y(θ+τ)=(1-e)=0,632 (4) Y(θ+τ/3)=(1-e)=0,283 (5) Nilai dari waktu saat output mencapai 28,3 dan 63,2 persen dari nilai akhir digunakan untuk menghitung parameter model. t28% = θ + τ/3 τ = 1.5 ( t63% - t28%) (6) t63% = θ + τ θ = t63% - τ Tabel 2. Metode II Tuning ZN Kurva Reaksi Pengendali Kc Ti Td P PI PID T K 0.9T K 4T 3K

4 Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umumnya dapat menyimpan program di dalamnya. Ada perbedaan penting antara mikroprosesor dengan mikrokontroler. Perbandingan ROM dan RAM yang besar, artinya program kontrol disimpan dalam ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar, RAM digunakan sebagai tempat penyimpan sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan. Selain itu, beberapa jenis mikrokontroler juga mempunyai unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi di dalamnya. Sedangkan mikroprosesor memiliki sistem yang terdiri dari : CPU (Central Processing Unit), memory chips (RAM dan ROM), address decoder chip, input and output interface chips (PIO dan UART), serta struktur bus. Mikrokontroler ATmega 8535 ATmega8535 adalah mikrokontroler 8-bit yang telah terintegrasi dengan ADC. Perangkat-perangkat yang tersedia dalam ATmega8535 adalah sebagai berikut : 8 Kbyte PEROM yang dapat diprogram hingga kali. 512 Kbyte EEPROM 512 Kbyte SRAM internal 32 Input/Output 8 channel internal ADC dengan akurasi hingga 10 bit 2 Timer/Counter 8 bit 1 Timer/Counter 10 bit beroperasi pada kecepatan 0-16 MHz tegangan operasi 4,5-5,5 V Pada gambar di bawah ini dapat dilihat konfigurasi pin ATmega8535, berikut penjelasan mengenai konfigurasi pin-pin tersebut: Pin 10 berfungsi sebagai sumber VCC Pin 11 merupakan GND (ground) Port A (pin 33-40) merupakan port 8-bit dua arah. Selain itu port A juga dapat difungsikan sebagai input untuk internal ADC 8 channel. Port B (pin1-8) dan port C (pin 21-29) adalah port input 8 bit dua arah. Port D (pin 14-20) juga merupakan port 8 bit dua arah namun seperti halnya port A. Gambar 4 Mikrokontroler ATmega8535 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT Alat tuning ini terdiri dari hardware yaitu : mikrokontroler ATmega8535 dengan internal ADC, rangkaian I/V, LCD karakter, dan keypad 3x4, dengan struktur sebagai berikut : Input dari pengendali (MV dan PV) I/V converter ADC Mikrokontroler LCD Gambar 5. Diagram Bbok peralatan tuning

5 Adapun prinsip kerja alat tuning ini adalah sebagai berikut : Pasang konektor antara pengendali dan alat tuning, kemudian alat dinyalakan, maka mikrokontroler akan membaca input dari ADC yang berupa MV dan PV. Setelah itu mikrokontroler memulai proses pencatatan sinyal-sinyal yang masuk. Sinyal-sinyal yang masuk tersebut merupakan sinyal yang dihasilkan dari proses pengendalian yang dilakukan pada plant dan pengendali. Proses itu berjalan selama jangka waktu tertentu hingga didapatkan PV steady state. Bila telah didapatkan steady state, maka mikrokontroler akan memulai proses penghitungan hingga hasil penghitungan yang berupa nilai PB, Ti, Td muncul di layar. Minimum Sistem ATmega8535 Rangkaian minimum system untuk mikrokontroler menggunakan komponenkomponen sebagai berikut : IC ATmega8535, kristal 12 MHz, dua buah kapasitor masing-masing 33 pf, dan rangkaian downloader-nya. Sedangkan perancangan input dan output pada mikrokontroler ATmega8535 dapat dilihat pada Tabel 3 berikut. Tabel 3. Perancangan I/O PORT Port A, pin 6 dan pin 7 Port B Port C - Port D - Keterangan Input dari pengendali Output ke LCD dipakai dalam alat ini seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut ini. Gambar 6 Rangkaian I/V converter Akuisisi Data Sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian I/V masih merupakan sinyal analog, karena dalam rangkaian I/V sinyal hanya diubah dari arus ke bentuk tegangan. Sedangkan sinyal yang dapat diproses di dalam mikrokontroler berupa sinyal digital. Oleh karena itu, diperlukan ADC. ADC yang digunakan di sini adalah internal ADC yang ada dalam mikrokontroler ATmega8535. ADC ini hampir sama dengan ADC-ADC yang lainnya yang mempunyai tegangan referensi dan 8 input channel. Namun channel-channel input tersebut menjadi satu dengan input channel mikrokontroler. Display Untuk menampilkan output hasil proses tuning yang berupa PB, TR, dan TD, maka diperlukan display (layar). Display yang digunakan adalah LCD 16 x 2. Dimana data-data dari mikrokontroler dikirimkan ke LCD melalui data bus-data bus mulai dari DB0 sampai dengan DB7 sebagaimana gambar berikut : I/V Converter Sinyal analog yang dihasilkan dari plant dan pengendali berupa arus. Sinyal inilah yang dijadikan sebagai parameter yang nantinya diolah dalam mikrokontroler sehingga menghasilkan data-data yang dibutuhkan. Sementara sinyal yang bekerja dalam mokrokontroler merupakan sinyal digital, yang dalam hal ini berupa tegangan, maka sinyal output dari pengendali tersebut harus diubah yaitu melalui sebuah rangkaian current to voltage converter atau yang biasa disebut I/V converter. Rangkaian I/V yang +5 V $80h $8Fh $0C0h 100 K RS R/W E D0D1D2 D3D4D5D6D7 $0CFh Keterangan : P2.6 P2.7 P0.0 P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 Gambar 7 LCD 16 x 2 1N Vss 5. R/W 9. DB2 13. DB6 +5V

6 2. Vdd 6. E 10.DB3 14. DB7 3. Vee 7. DB0 11.DB4 15. A 4. RS 8. DB1 12.DB5 16. K Perancangan Perangkat Lunak Perangkat lunak atau yang biasa disebut software ini dibuat dengan menyesuaikan bahasa pemrograman yang dapat diterima oleh mikrokontroler. Selain bahasa assembly, ATmega8535 juga dapat diprogram dengan bahasa C, yang dalam hal ini adalah C Compiler. Tampilan software yang dapat digunakan dalam memprogram ATmega8535 dengan C Compiler seperti ditunjukkan dalam Gambar 8. Gambar 8 Tampilan Software C Compiler mulai Inisialisasi ADC dan LCD Baca input ADC PVmax didapat? Gambar 10 Bentuk alat tuning tampak depan PENGUJIAN DAN ANALISA ALAT Pengujian pada alat tuning PID ini dilakukan pada plant pengendalian level dengan pengulangan lima kali diperoleh hasil PV dan MV yang hampir sama pada setiap ulangan, seperti pada Gambar 11. tegangan terukur (Volt) /0/1900 1/14/1900 1/28/1900 waktu (detik) 2/11/1900 PV (I) PV (II) PV (III) PV (IV) PV (V) MV (I) MV (II) MV (III) MV (IV) MV (V) Gambar 11 Hasil pengukuran PV dan MV Grafik hasil pengukuran di atas dibandingkan dengan perhitungan secara manual dengan proses sebagai berikut : Δ PV = B = PVmax PVawal = 3,16 0 = 3,16 Hitung dengan metode kurva reaksi ZN Tampilkan ke LCD selesai Gambar 9 Diagram alir proses perangkat lunak Δ MV = MVmax MVawal = 0,8 0 = 0,8 PV63% = 0,63. B = 0,63. 3,16 = 1,99 (pada grafik angka tersebut terletak pada detik ke 26 sehingga t63% = 26) PV28% = 0,28. B = 0,28.3,16 = 0,88 (pada grafik angka tersebut terletak pada detik ke 18 sehingga t28% = 18)

7 A = t100% t28% = = 27 R = B / A = 3,16 / 27 = 0,12 R1 = R / ΔMV = 0,12 / 0,8 = 0,15 L = t28% = 18 Perhitungan diatas dimasukkan ke Tabel 2 diperoleh nilai tuning pada pengujian pertamaseperti pada Tabel 4. Tabel 4 Hasil tuning dengan manual P PI PID Pengendal i PB [3] Luyben M, Luyben W, 1997, Essential of Process Control, McGraw-Hill Chemical Engineering Series [4] Morari, M. and E. Zafirou,1989, Robust Process Control, Prentice- Hall, Englewood Cliffs, NJ [5] Ogata, Katsuhiko, 1997, Modern Control Engineering, Prentice Hall Inc, N.J, USA Ti Td Tabel 5 Hasil tuning menggunakan alat Pengendali P PI PID PB 3,2 3,56 2,67 Ti - 56,61 34 Td - - 8,5 Dari hasil tuning dengan perhitungan maupun dengan alat tuning, terdapat sedikit perbedaan disebabkan perbedaan pendekatan penentuan setling time, time konstan dan dead tme pada PV, namun masih dalam batas toleransi untuk tuning secara kasar. KESIMPULAN Telah dibuat alat tuning PID yang portable, memudahkan operator / engineer mentuning dengan tepat, cepat dan akurat. Walaupun terdapat perbedaan antra perhitungan alat dan manual namun masih dalam batas toleransi untuk tuning secara kasar. DAFTAR PUSTAKA [1] Biyanto, TR., 2005, Internal Model Control Neural Network Gain Scheduling, Journal Electrical Vol. 5 No 2, Engineering - Kristen Petra University [2] Luyben, W.L., 1990, Process Modeling, Simulation, and Control for Chemical Engineers, McGraw-Hill Inc. Singapore