APLIKASI PID SEBAGAI KONTROL SUHU PANAS RUANGAN

1 Feranita, 1 Suwitno, 2 Hamim 1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau

1 Alumni Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Riau Kampus: Binawidya Km. 12,5 Simpang Baru Pekanbaru 28293, Riau.

e-mail: feranitadjalil@yahoo.co.id

Abstrak

Pengontrolan suhu panas ruangan dengan kontroler Proporsional Integral Derivative (PID) merupakan suatu kontrol umpan balik yang digunakan untuk mendapatkan suhu panas pada nilai tertentu dan kemudian mempertahankannya. Pengontrolan suhu panas ruangan ini dilakukan dengan cara menyesuaikan tegangan yang menjadi referensi (set point) agar sama dengan tegangan yang keluar dari sensor suhu. PID difungsikan sebagai kontroler, plant yang dikontrol adalah sebuah pemanas (heater) dan sensor yang digunakan adalah LM35D. Input referensi berasal dari set point yang diberikan oleh user. Tegang-an set point ini akan dibandingkan dengan tegangan umpan balik yang merupakan output dari sensor suhu. Apabila terdapat perbedaan, berarti suhu yang terjadi belum sama dengan suhu yang diinginkan. PID sebagai kontroler yang mengontrol pemanas secara otomatis akan melakukan aksi pengendalian suhu yaitu meminimalisasi perbedaan nilai tegangan tersebut sehingga tercapai suatu keadaan dimana nilai set point akan sama atau mendekati dengan nilai tegangan umpan balik keluaran sensor suhu. Suhu ruangan dapat diketahui melalui LCD melalui pemrograman pada mikrokontroller ATmega8535.

Kata kunci: Mikrokontroller Atmega8535, PID Controller, Temperature Controller.

1. PENDAHULUAN

Sistem pengontrolan otomatis banyak memberikan keuntungan bagi manusia. Selain dapat mempercepat waktu kerja, pengontrolan otomatis juga dapat mengurangi kesalahan yang dilakukan oleh manusia (human error) dan meningkatkan efektifitas

32

kerja. Salah satu aplikasi pengontrolan otomatis yang dapat kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah pengontrolan suhu.

Berbicara tentang pengontrolan suhu, maka sebuah pengontrol otomatis diperlukan untuk mengontrol suhu sebuah ruangan. Suhu sebuah ruangan perlu dikendalikan dan tetap terjaga agar dapat dimanfaatkan untuk keperluan tertentu. Beberapa ruangan seperti ruangan server, ruang penyimpanan darah, ruang perawatan bayi dan sebagainya, memerlukan pengontrolan otomatis untuk mengontrol suhu ruangan tersebut.

Control Proportional, Integral, Derivative (PID) sebagai salah satu alat kontrol otomatis yang terkenal didunia industri akan digunakan untuk mengontrol suhu panas sebuah ruangan. Dengan menggunakan kontrol PID, tegangan umpan balik yang merupakan output dari sensor suhu bernilai sesuai atau mendekati dengan besarnya tegangan yang diberikan oleh user melalui set point.

2. BAHAN DAN METODE

Kontroler PID adalah kontroler umpan balik uang mempunyai elemen-elemen controler P, I, dan D yang masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metode pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust, sehingga menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik, (Gambar 1).

Gambar 1. Umpan balik kontroler PID (Chairuzzaini, 2006)

Proses Kerja Sistem

Proses kerja sistem dijabarkan dalam blok diagram seperti pada Gambar 2. Blok diagram sistem digunakan untuk memberikan informasi mengenai sistem secara keseluruhan. Aplikasi kontroler PID untuk pengontrolan suhu ruangan

33

menggunakan sistem umpan balik (feedback). Adapun blok diagram secara umum dari sistem ini adalah:

Gambar 2. Blok diagram sistem

Pada Gambar 3 ditunjukan sebuah blok diagram secara lengkap dengan menggunakan umpan balik dari sistem pengontrolan suhu ruangan.

Gambar 3. Blok diagram sistem pengontrolan suhu ruangan

Prinsip Kerja Sistem

Sebuah input diberikan oleh user dengan menggunakan potensiometer. Input ini kemudian diterima oleh kontroler PID dan dimanfaatkan oleh plant yaitu bola lampu halogen H4 sebagai pemanas untuk menghasilkan suhu ruangan. Dikarenakan tegangan dan arus yang dihasilkan oleh kontroler PID sangat terbatas dan tidak mampu untuk mengaktuasi bola lampu halogen H4, maka ditambahkan sebuah rangkaian driver atau pengemudi lampu. Rangkaian driver lampu ini menggunakan pulse width modulation (PWM), dimana duty cicle PWM ini diatur oleh keluaran kontroler PID. Dengan demikian maka dapat dikatakan bahwa suhu ruangan yang ada dapat dikendalikan oleh kontroler PID.

Dengan menggunakan sensor suhu LM35, besaran fisis berupa panas ini akan dikonversi menjadi sebuah tegangan dan dikirim kerangkaian pengkondisian sinyal

Input Potensiometer

Proporsional

Integral

Derivative

Driver Lampu/PWM from Atmega

8535

Lampu (Heater)

Filter RC

Filter RC

Filter RC

Filter RC

Filter RC

LM35D

Signal Conditioning

Sinyal Feedback Amplifier

ADCMikrokontroler ATMega8535L LCD

+-

Set Point Error Detector

34

setelah melewati rangkaian filter. Output dari signal conditioning merupakan tegangan rata-rata dari jumlah tegangan masing-masing sensor suhu, yang akan digunakan sebagai tegangan umpan balik. Tegangan inilah yang akan diatur dan diolah oleh kontroler PID sehingga, diperoleh keadaan dimana tegangan umpan balik ini nilainya sama atau mendekati dengan set point. Masukan ADC diperoleh dari tegangan rata-rata yang diperkuat kemudian diolah oleh mikrokontroller ATmega8535 sehingga suhu rata-rata ruangan dapat ditampilkan oleh Liquid Crystal Display (LCD).

3. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Untuk analisa, maka dilakukan penghitungan data output LM35D dan amplifier secara teori, yaitu sebagai berikut:

( ) TCmVDLMVout *1035 o= (1)

DLMVV outoutAmp 35*5= (2)

Berdasarkan pada persamaan diatas, maka secara teori output LM35D dan amplifier dapat dilihat pada tabel 1

Tabel 1 Perhitungan teori sensor Suhu LM35D Suhu

(Celcius) Vout LM35D / Vrata-rata

(mV) Vout Amplifier

(V) 27 270 1.35 28 280 1.4 29 290 1.45 30 300 1.5 31 310 1.55

Fungsi Alih Sistem

Proses awal untuk mengetahui kemampuan kontroler PID dalam melaksanakan aksi pengontrolan atau pengendalian suhu panas ruangan adalah dengan mengetahui respon sistem yang ditunjukan oleh plant yaitu pemanas dan sensor. Dengan mengetahui respon atau karakteristiknya ini maka kita dapat memberikan parameter kontrol yang sesuai dan dibutuhkan oleh sistem. Respon dari plant ini diambil dengan metode reaksi sistem untaian terbuka (open loop). Secara umum, respon yang dihasilkan dengan metode ini adalah sebuah respon dengan kurva yang dihasilkannya adalah sebagai berikut:

ytsfds

K

Bb

Selanyang ada matidak mutlaksistem tersebfungsi alih, dihasilkan. sistem adala

Keterangan:K = peT = wa

Berdasarkanberikut:

)()(

sRsC

njutnya, untaka dapat kitk akan tetapbut. Sebagamaka paramBerdasarkan

ah orde satu,

erbandingan aktu respon

n keterangan

Gam

1))

+=

TsK

Gambar 4 R

tuk lebih meta perhitungi dapat bermi langkah awmeter yang n respon padengan pers

antara suhupada kondis

n tersebut

mbar 5. Respo

Respon plant u

emudahkan gkan fungsi amanfaatkan uwal untuk mharus diperh

ada Gambarsamaan dari

u dengan tegasi 63.2% dari

maka diten

on untuk men

untaian terbuk

melakukan alih dari planuntuk memp

melakukan phatikan adal

diatas, daporde satu ad

angan (°Celci nilai refere

ntukan kom

nentukan fung

ka

aksi kontront tersebut. F

permudah anenentuan dalah orde darpat diketahudalah sebaga

cius/Volt) ensi

mpoen-komp

gsi alih

ol pada sisteFungsi alih

nalisa terhadan perhitungri sistem yaui bahwa orai berikut:

(

ponen sebag

35

em ini

dap gan ang rde

3)

gai

36

Tegangan setpoint yang diberikan adalah sebesar 10 Volt, sedangkan tegangan awal adalah 5.8 Volt. Suhu yang dihasilkan pada saat respon telah mencapai setpoint adalah 48 °C, sedangkan suhu pada tegangan 5.8 Volt adalah suhu kamar pada saat pengukuran, yaitu sebesar 29 °C. Tegangan awal ini diperoleh dari proses penguatan sebesar 20 kali penguatan terhadap setpoint, seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Dengan diketahuinya beberapa komponen diatas maka dilakukan perhitungan fungsi alih yaitu sebagai berikut:

1)()(

+=

TsK

sRsC

Keterangan:

5238.42.4

198.510

2948==

−−

=K

( ) ( )[ ][ ]

( )

1204544.8

4544.86544.28.5%2.63*2.48.5%2.63*8.5108.5

%2.63

%)2.63(

%2.63

≈

≈

=+=+=

−+=

TV

VV

maka persamaan fungsi alihnya adalah:

( ) 11205238.4)(

1)()(

+=

+=

ssRsC

TsK

sRsC

Fungsi alih dari sistem ini selanjutnya disimulasikan dengan menggunakan Matlab versi 5.3. Untuk proses awal, simulasi ini dilakukan tanpa menggunakan umpan balik dan tanpa kontroler. Untuk melakukan simulasi pada matlab maka konstanta dari fungsi alih diatas harus dibagi dengan 10 agar sesuai dengan set point yang digunakan. Hal ini perlu dilakukan karena step satuan untuk matlab umumnya menggunakan satu step satuan.

Dari hasil simulasi yang dilakukan dengan manggunakan mathlab, terdapat persamaan dengan respon sistem. Dengan demikian berarti fungsi alih yang dihasilkan dapat digunakan untuk membantu menentukan parameter PI.

R

rbpkkbdr

tt

G

Respon PID

Kontruangan. Ubeberapa kaparameter-pkontroler PIketiga parambeda. Seladigunakan sruangan.

Berikterhadap konterjadi pada

Gambar 6. Pe

Gambar 7.

D Terhadap

troler PID Untuk mengeali pengujianarameter koID dapat dimeter tersebuanjutnya, seebagai refer

kut ini adalntroler PID. sistem peng

engujian fung

Pengujian fun

Sistem

digunakan etahui kinen pada sisteontroler PIDilakukan secut. Dari penetiap kontrorensi untuk m

lah hasil peParameter P

gontrolan su

gsi alih denga

ngsi alih deng

untuk proserja dari ranm yang adayaitu Kp,

cara individngujian ini aoler yang mmengontrol

engujian yaPID digunak

uhu panas rua

an mathlab tan

gan matlab ta

es pengontrngkaian inia. PengujianKi dan Kd.

dual maupunakan dihasilmemiliki resistem yaitu

ang dilakukakan untuk mangan.

npa umpan ba

anpa kontrole

rolan suhu i, maka pe

n ini melipuPengujian p

n dengan kkan respon

espon yang u pengendali

an secara bengetahui pe

alik

er

panas sebuerlu dilakukti penggunaparameter d

kombinasi dyang berbedterbaik ak

ian suhu pan

berulang-ulaerubahan ya

37

uah kan aan ari ari da-kan nas

ang ang

Gamba

Gamba

Gambar

ar 8. Tampilan

ar 10. Tampil

r 12. TampilaKi=0.5]

n osiloskop P

an osiloskop

an osiloskop P]

P [Kp=100]

P [Kp=1000]

PI [Kp=500

Gambar 9

]

Gambar 1

Gambar

9. Tampilan o

11. Tampilan Ki=0.05]

13. Tampil[Kp=10

osiloskop P [K

osiloskop PI

lan osiloskop000 Ki=1]

38

Kp=500]

[Kp=100

p PI

D

T

A

2

3

Data yang d

Tabel 2. DataKoOp

Analisa data1. Pada saa

100% (Tbekerja (Td) atau

2. Pada saamencapadetik, da

3. Pada saadidapat Respon lmenamb

Gambar 14.T

iperoleh dar

a perbandingaontroler Kpen loop

P P 5P 8P 1PI PI PI 5PI 1

PID PID 1

a perbandingat Kp digun

Tr) sangat ladengan baiku waktu yanat Kp yang dai 100% leban waktu yanat Kp yang untuk menclebih lambat

bah orde siste

Tampilan osil

ri hasil pengu

an kontroler PKp Ki 1 -

100 - 500 - 800 -

1000 - 100 0.05100 0.5 500 0.5

1000 0.5 100 0.05

1000 0.5

gan kontrolernakan sebes

ama yaitu 55k apabila nig dibutuhkandigunakan s

bih singkat ng dibutuhka

digunakan capai Tr sebt dibanding Kem)

loskop PID [K

ujian rangka

PID Kd T

- 5- 5- 5- 4- 4- 4- 4- 5- 7

0.003 60.028 7

r PID: sar 100 mak50 detik, hal ilai Kp tinggn untuk mensebesar 1000dari pada pan untuk mensebesar 100besar 710 dKp, Dapat m

Kp=1000 Ki=

aian PID ada

Tr Td 50 150 30 150 00 140 40 130 20 130 40 130 40 130 20 140 10 160 80 140 50 120

ka yang dibini terjadi k

gi (Reverenncapai 50% a0 maka wakpemakaian Kncapai 50% 00 dan Ki sdetik disebamenimbulkan

=0.5 Kd=0.02

alah sebagai b

butuhkan unkarena sifat Knsi 1000), Dadalah 150 d

ktu yang dibuKp sebesar

sebesar 130sebesar 0.5, abkan sifat n ketidakseta

8]

berikut:

ntuk mencapKp yang dap

Dan time deldetik. utuhkan unt100 yaitu 4

0 detik. Respon ya

dari Ki yaitabilan (Kare

39

pai pat lay

tuk 420

ang tu:

ena

4. Paunnadesissaa

yang mketika

secarayang sdiinginmaupu

Respo

denganadalahpanas,panas melaktertentlain.

Respo

ada saat Kp ntuk mencapamun waktu tik disebabk

stem yang bat ada perub

Rise Time menjadi refea respon terse

Dari hasil a umum parasignifikan tenkan. Perubaun Kd seper

on PID Terh

Tahap selan memberik

h panas dari, yaitu sumbgangguan.

kukan prosestu dari pem

on Plant Ope

berharga 10pai 100% be

yang dibutkan karena sberosilasi, mahan error.

(Tr) adalah erensi. Sedaebut mencap

pengujian kameter-paramerhadap keceahan respon rti pada data

hadap Gan

anjutnya unkan gangguai sumber yanber panas d

Dari pengus pengontrolanas yang d

en Loop tan

Gambar 1

000 dan Ki erkisar antatuhkan untukifat dari Kd

memperbaiki

waktu yang angkan Timpai 50% antakontroler PImeter dari kepatan respoyang terjadi

a diatas relat

gguan

ntuk mengujan terhadap sng lain. Den

dari pemanasujian ini akalan suhu yaidikontrol da

npa ganguan

5. Tampilan o

0.5 dan Kdara 750 ini k mencapai antara lain

i respon tran

dibutuhkan me Delay (Tdara nilai refeID terhadapkontroler PIDon umpan bai untuk setiatif kecil.

ji kemampusistem yangngan demikis referensi oan dibuktikaitu proses man mengatas

n dan tanpa

osiloskop unt

d 0.028 wakdisebabkan 50% sanga

memberikannsien, karen

untuk mencd) adalah waerensi dengap sistem, dapD tidak memalik untuk map pengguna

uan dari kog ada. Ganggian berarti toleh kontrolan bahwa komempertahansi gangguan

a kontroler

taian terbuka

ktu yang dibkarna nilai

at singkat yn efek redamna memberik

capai 100% daktu yang dipan nilai awalpat dianalisamberikan be

menuju kondan paramete

ontroler PIDguan yang dterdapat dualer PID danontroler PIDnkan suhu pa

dari peman

40

butuhkan dari Ki

aitu 120 man pada kan aksi

dari nilai perlukan . a bahwa erubahan disi yang er Kp, Ki

D adalah diberikan a sumber n sumber D mampu

ada nilai nas yang

R

s

wKgplgs

K

Respon Plan

Respsecara berga15 adalah re

Datawaktu 950 Kemudian, ganguan dihpertama yanlebih sekitagangguan testabil (steady

GamKetika resp

Gambar 16.

nt Open Loo

pon plant opantian setelaespon yang da steady state

detik, sepesetelah 180

hidupkan. Ang telah stabar 18 meniterjadi pada wdy state) sepe

Gamb

mbar 18 adalpon dari pe

. Tampilan pemanas sis

op dengan g

pen loop iniah salah satuditunjukan ole (keadaan srti yang dit0 detik kon

Akibat adanybil menjadi nt seperti pawaktu 1320 erti pada Gam

bar 18. Tamp

lah respon demanas pert

osiloskop stem

ganguan dan

i terdiri dariu pemanas bleh pemanassudah stabil )tunjukan pandisi steadyya pemanas naik kembalada Gambar

detik dimanmbar 18.

ilan osiloskop

dari pemanatama telah

dari Ga

n tanpa kon

i dua buah pberada dalam

s pertama. ) untuk pemada Gambary state berlgangguan ini pada waktur 17. Akhirna respon pe

p pemanas g

as pertama ymenunjukan

ambar 17. Tanas

ntroler

pemanas yanm keadaan s

manas referenr 16. dan langsung, mni, maka reu 1130 detikr dari kenaemanas gan

angguan

yang relatif n nilai yan

mpilan osilos sistem yang

ng dihidupkstabil. Gamb

nsi terjadi pa Gambar 1

maka pemanspon pemank atau kuraikan pemangguan relati

hampir stabng stabil pa

oskop pema-g stabil

41

kan bar

ada 17. nas nas ang nas ive

bil. ada

tegangGambmenunwaktustate (

karenagangg denganuji cobterhadadalah

Respo•

Gam

gan 10 voltar 18 adanynjukan bahw

u. kondisi re(ess) yang dis

Gam

Dari hasil a adanya gauan yang dib

Setelah din tanpa gangba terhadap

dap kinerja kh tampilan pr

on Plant tanSetpoint 40

mbar 20. RespKp=1

t (Gambar ya kenaikanwa gangguanespon dari psebabkan ole

mbar 19. Tamp

simulasi terlangguan. Bberikan meniketahui masgguan dan akontroler PI

kontroler Proses pengen

npa ganguan0 Celcius (8

pon dengan 100 Ki=0.05

16) maka pn respon yann bekerja sepemanas kedeh pemanas g

pilan osilosko

lihat jelas baesarnya nila

nyebabkan esing masing

ada gangguanID. Dengan ID dalam mndalian suhu

n dengan ko8 Volt),

kontroler

pemanas keng sangat b

ecara optimadua (Gambagangguan ad

op pemanas g

ahwa responai kenaikan error steady g respon dan, maka tahuji coba ini

mengontrol su panas ruang

ontroler (clo

Gambar 2

dua dihidupbesar. Prosesal. telah stabr 19) akan dalah sebesa

gangguan yan

dari plant mini tergant

state akan sari sistem uap selanjutni diharapkansuhu panas rgan oleh kon

ose loop)

21. Respon Kp=100 K

pkan. Tamps ini dilakukbil Setelah bstabil. Erro

ar 1.2 volt

ng stabil

mengalami ktung pada bemakin besa

untaian terbunya adalah dn adanya pemruangan. Bentroler PID.

dengan koKi=1

42

pak pada kan guna beberapa or steady

kenaikan besarnya ar . uka baik ilakukan

mbuktian erikut ini

ontroler

R

mydg

pg5

Respon Plan• Setpo

Dari

mencapai seyang kedua diberikan segangguan tid

Samapertama menganguan dar550 detik.

Gambar 22.

Gamba

nt dengan goint 45 Celc

Gambar detpoint pad

dihidupkanetelah sistemdak berpenga halnya pencapai kondri pemanas

Respon deKp=500 Ki=0

ar 24. Model

ganguan danius (10 Volt

di atas dapada waktu 31n pada wakt

m stabil selamaruh terhadaenjelasan padisi setpoint lain diberik

engan kont0.5

gangguan

n kontrolert),

at dijelaskan10 detik. Setu 350 detikma 40 detik. ap kenaikan ada Gambapada waktu

kan. Ganggu

troler Ga

Gam

(close loop)

n bahwa telah menc

k. Dengan k Dari Gambsuhu ruangar sebelumnyu 380 detik.uan ini diaw

ambar 23. ReKp

mbar 25. RespKp=(Tr)(Tg

)

respon pemcapai kestabkata lain bahbar tersebut, an. ya, respon Kemudian

wali pada wa

espon dengap=1000 Ki=0.

spon denga=100 Ki=0.0) =310, Wa

g=350)

manas pertambilan, pemanhwa gangguterlihat bahw

dari pemansetelah stab

aktu ganggu

an kontrole.5 Kd=0.028

an kontrol05 Time Ri

aktu Ganggu

43

ma nas uan wa

nas bil, uan

er

ler ise an

44

(a) (b)

Gambar 26. Respon dengan kontroler Kp=1000 Ki=0.5 Time Rise (Tr) =380, Waktu Gangguan (Tg=550)

4. KESIMPULAN

Dari hasil analisa dan pembahasan dapat disimpulkan : 1. Untuk menentukan bahwa kontrol berjalan dengan baik, jika nilai referensi

sama dengan nilai output, dengan menentukan parameter-parameter Kp, Tr, Td.

2. Parameter-parameter PID yang dianggap ideal dari analisa adalah: Kp=1000, Ti=0.5, Td=0.028.

DAFTAR PUSTAKA

Chairuzzaini, Rusli, Ariyanto, R. ”Pengenalan Metode Ziegler-Nichols pada Peran-cangan Kontroler pada PID”. Tersedia: http://www.elektroindonesia.com/elektro/tutor12.html [27 Desember 2006]

Clayton, G. and Winder, S. (2005). Operation Amplifier Fifth Edition. Jakarta: Erlangga.

Expertune. What is PID – Tutorial Overview. Tersedia:

http://www.expertune.com/tutor.html [8 Januari 2007]

Hartono, J. (2003). Konsep Dasar pemrograman Bahasa C. Yogyakarta: Andi Yogyakarta.

Iqwandy, D. (2005). System Pemantau dan Pengendali Suhu Ruang dengan Menggunakan Metode Fuzzy Logic dan Dilengkapy System Informasi Berbasis SMS (Short Messaga Service). Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan.

45

Jurelly, F. (2006). Kontrol Otomatis Kecepatan Putar Motor DC dengan PID. Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan.

Malvino, A. (2004). Prinsip-Prinsip Elektronika. Jakarta: Salemba Teknika.

Novita, S. (2004). Rangkaian Elektronika III. Politeknik Caltex Riau: Tidak diterbitkan.

Pitowarno, E. (2006). Robotika: Desain, Kontrol, dan Kecerdasan Buatan. Yogyakarta: Andi Yogyakarta.

Uyanto, S. (2001). Petunjuk Lengkap Pemrograman Komputer dengan Bahasa C. Jakarta: PT. Gramedia Widiasarana.

University of Michigan. Control Tutorial For Mathlab: PID Tutorial, Tersedia: http://www.engin.umich.edu/group/ctm/PID/PID.html [8 Januari 2007]

William, C.D.H. Controller Circuit. Tersedia: http://www.newton.ex.ac.uk/teaching/CDHW/Feedback/DIY-PID.html

[8 Januari 2007)