OMEGA Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
Implementasi Modul Kontrol Temperatur Nano-Material ThSrO Menggunakan Mikrokontroler Digital PIC18F452 Moh. Hardiyanto1,2 1
Program Studi Teknik Industri, Institut Teknologi Indonesia 2 Laboratory of LHC CERN - Lyon, France 2 Betha Group - Lab. Micro Hadron-Muon Collider, Deyna, Darmstadt, Germany E-mail: moh hardiyanto
[email protected]
Abstrak Kontrol otomatis telah memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan nano-material ThSrO. Sistem kontrol ini bekerja dengan membandingkan keluaran ”plant” dengan harga yang diinginkan, menentukan deviasi (error) dan menghasilkan sinyal kontrol yang akan memperkecil error sampai nol atau sampai harga yang kecil. Secara garis besar kontroler di industri dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu kontroler on-off, proporsional, integral, proporsional-turunan (PD), proporsionalintegral (PI), dan kontroler proporsional-turunan-integral (PID). Salah satu arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system). Kontroler Digital PI merupakan salah satu aplikasi dari sistem terintegrasi yang menggunakan sistem kontrol PI yang bekerja secara digital. Sistem ini memanfaatkan karakteristik dari mikrokontroler PIC18F452 yang bisa diisi program sebagai pengontrol pada nano-material ThSrO. Apabila sistem ini diaplikasikan dalam pengontrolan temperatur, maka dengan mengunakan algoritma PI, kita dapat mencapai nilai suhu yang kita inginkan tanpa menghasilkan error steady state. Pengontrol PI bekerja dengan mengalikan dan mengintegralkan error pada rising time ekuivalen 68 dengan Kt mendekati limit 0,755 yang dihasilkan. Kata kunci: Nano-material ThSrO, PIC18F452, kontroler, PI Digital.
Pendahuluan
memanfaatkan karakteristik dari PIC18F452 yang Digital PI controller merupakan salah satu jenis bisa diprogram sebagai kontroler dan pengolahan kontroler konvensional yang mengunakan algoritma data. proporsionalintegral yang dipakai pada jenis nanomaterial ThSrO. Sistem kontrol ini bekerja dengan cara membandingkan keluaran dari kontroler Teori Dasar Sistem Kontrol Sebuah pengontrol otomatik bekerja dengan dengan setting point untuk mencari error dari setmembandingkan keluaran aktual dari plant (proting point, kemudian nilai error ini dikuatkan dan cess variable / PV) terhadap masukan referensi (set kemudian diintegralkan. Apabila kontroler ini dipoint / SP) sebagai nilai yang diinginkan. Dari implementasikan pada mikrokontroler untuk menperbandingan tersebut diperoleh nilai error yang gontrol temperatur maka akan dihasilkan suatu sismenyatakan deviasi dari kedua parameter. Selantem kontrol temperatur yang bisa berjalan sendiri jutnya pengontrol akan menghasilkan sinyal kontrol dengan temperatur keluaran sesuai dengan setting sebagai upaya korektif yang akan mereduksi error point dan error yang sangat kecil. sampai ke titik nol atau sebuah nilai steady state Salah satu arah perkembangan sistem kontrol error tertentu. Mekanisme bagaimana pengontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem terintegrasi (embedded system). Gambar 1 memper- otomatik menghasilkan sinyal kontrol lazim disebut lihatkan modul kontroler PI lengkap dengan ”plant sebagai aksi kontrol (control action). yang akan dikontrol temperaturnya. Kontroler ini Berdasarkan jenis sistem kontrolnya yang di37
OMEGA Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
implementasikan, kontroler dikelompokkan menjadi dua bagian yaitu kontroler konvensional dan kontroler nonkonvensional. Kontroler konvensional terdiri dari kontroler on-off, proporsional, proporsional-integral, proporsionalderivatif, proporsional-integral-derivatif. Masingmasing kontroler ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing.
lebih dibahas mengenai kontroler proporsionalintegral (PI) karena dengan kontroler jenis ini sudah bias dihasilkan temperatur yang cukup stabil.
Perangkat Keras Kontroler Digital PI Kontroler Digital PI dilengkapi dengan resistor variabel yang berfungsi untuk mengatur nilai setting point dan parameter-parameter kontrol yang diperlukan, mikrokontroler PIC18F452 sebagai pengontrol, LCD sebagai penampil nilai temperatur yang terukur, sensor temperatur LM 35, plant, serta komunikasi serial RS232. Diagram blok dari sistem kontrol temperatur secara keseluruhan terlihat pada Gambar 3.
Gambar 1 Board kontroler PI.
Gambar 2 Diagram blok sistem kontrol lingkar tertutup.
Kontroler on-off merupakan jenis kontroler yang paling sederhana, namun sistem yang menggunakan kontroler ini memiliki kelemahan yaitu masih terdapat dead band serta dapat merusak hardware kontroler karena aktivitas on dan off (relay) yang terlalu sering. Dalam kontroler proporsional, error yang terjadi dikuatkan terlebih dahulu sebelum dihubungkan ke aktuator. Kontroler mempercepat proses, meningkatkan overshoot, tidak menghilangkan offset dan tidak merubah orde sistem. Kontroler proporsional-integral merupakan kontroler dimana error-nya dikuatkan kemudian diintegralkan. Kontroler ini mempercepat proses dan menghilangkan offset tetapi meningkatkan orde sistem sehingga akan menimbulkan osilasi. Kontroler proporsional-derivatif bekerja dengan cara menguatkan error dan mendiferensialkan error tersebut. Kontroler jenis ini akan meredam osilasi dan mengurangi overshoot tetapi tidak menghilangkan offset. Kontroler PID merupakan kontroler konvensional yang paling baik karena kontroler ini merupakan gabungan dari kontroler proporsional, integral, dan derivatif. Kontroler ini akan menghasilkan temperatur tanpa overshoot dan tanpa offset pada nano-material ThSrO. Dalam penulisan ini akan 38
Gambar 3 Diagram blok sistem kontrol temperatur spesifik untuk nano-material ThSrO.
Gambar 4 Rangkaian sensor temperatur.
Dalam sistem pengontrol temperatur yang dibuat, digunakan sensor temperatur dengan tipe LM35. Sensor tipe ini dapat merepresentasikan temperatur ke dalam tegangan listrik dengan hubungan 10 mV untuk setiap derajat celcius serta memiliki ketelitian sampai 0,5 o C. Sebagai contoh temperatur 30 o C akan direpresentasikan oleh LM35 ke dalam tegangan 300 mV. Sinyal dari LM35 kemudian dikuatkan tiga kali terlebih dulu sebelum masuk ke mikrokontroler PIC18F452.
OMEGA Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
Proses konversi ADC dilakukan dengan menggunakan ADC internal yang terdapat dalam PIC18F452 yang memiliki resolusi 10 bit. Untuk menyederhanakan proses pengolahan data pada mikrokontroler, hanya 8 bit MSB dari 10 bit hasil konversi ADC yang diambil untuk merepresentasikan sinyal yang masuk. Mikrokontroler akan mengolah data ini untuk kemudian disalurkan ke DAC untuk menyalakan pemanas dan pendingin. PWM internal PIC16F877 merepresentasikan besaran data digital ke dalam besaran analog melalui parameter duty cycle yang memiliki resolusi maksimal 10 bit. Sinyal yang dihasilkan oleh modul PWM tidak dapat langsung diumpankan ke aktuator lampu dan kipas karena mikrokontroler memiliki keterbatasan dalam menyuplai arus listrik. Oleh karena itu diperlukan rangkaian driver untuk menyuplai daya yang cukup ke aktuator. Rangkaian ini pada dasarnya terdiri atas dua buah transistor NPN yaitu BD139 dan TIP3055 dalam konfigurasi Darlington.
Gambar 6 Rangkaian aplikasi LCD.
Sistem komunikasi yang disertakan dalam sistem pengontrol temperatur ini adalah antarmuka serial melalui port COM pada komputer. Sistem antarmuka ini dipilih karena sudah lazim digunakan serta ketersediaan modul USART dalam PIC18G4520 yang memudahkan implementasinya.
Gambar 7 Rangkaian aplikasi komunikasi serial.
Implementasi Perangkat Lunak Kontroler Digital PI Persamaan umum dalam kontroler PID seperti pada Persamaan 1.
Gambar 5 Rangkaian driver PWM.
Peraga LCD yang digunakan adalah tipe matrik yang dapat menampilkan 16 karakter sebanyak dua baris. Peraga ini merupakan media untuk menampilkan status maupun parameter-parameter proses. Selain itu peraga ini juga dapat digunakan untuk mengakses menu dalam mengkonfigurasi sistem. Dalam berkomunikasi dengan peraga LCD, mikrokontroler terhubung melalui jalur data yang lebarnya 8 bit serta tiga buah pin untuk kontrol. Untuk jalur data menggunakan seluruh pin pada port D mikrokontroler, sedangkan untuk untuk jalur kontrol menggunakan port E. 39
Z u(t) = Kp e(t) + Ki
t
e(t)dt + Kd 0
de(t) dt
(1)
K
Dimana Ki = Tip dan Kd = Kp Td , dengan memberi nilai Kd = 0 akan diperoleh persamaan untuk sistem kontrol proporsional-integral (Persamaan 2). Z t u(t) = Kp e(t) + Ki e(t)dt (2) 0
Program utama yang disusun untuk PIC18F452 adalah rangkaian rutin-rutin yang dieksekusi
OMEGA Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
oleh mikrokontroler sebagai alur utama program. Bagian ini meliputi tahap inisialisasi dimana konfigurasi awal dari modul-modul yang digunakan serta fungsi-fungsinya didefinisikan. Tahap yang penting adalah ketika mikrokontroler menjalankan algoritma aksi kontrol yang diimplementasikan yakni aksi kontrol proporsional-integral-derivatif. Kontroler proporsionl-integral (PI) diperoleh dengan memberi nilai Kd = 0. Tahap ini meliputi pembacaan set point dan membandingkannya dengan variabel proses untuk menghitung error. Pada tahap ini juga dibaca parameter Kp , Ki , Kd yang digunakan untuk menghitung sinyal kontrol. Sinyal kontrol yang telah dihitung selanjutnya digunakan untuk memperbarui duty cycle sinyal PWM yang dihasilkan untuk menggerakkan aktuator. Secara garis besar struktur dari program utama dapat dilihat Gambar 8.
Gambar 9 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, Ki = 0, Kd = 0.
Gambar 10 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, Kp = 20, Kd = 0.
Rise time untuk Ki = 01 dan Ki = 02 berturutturut adalah 68 dan 48 s. Respons suhu untuk Ki = 02 berbentuk sinusoidal yang bersifat divergen.
Gambar 8 Diagram alir program utama kontroler proporsional-integral (Kd = 0) pada mikrokontroler PIC18F452.
Data Pengamatan Dengan memasukan berbagai nilai Kp , Ki , dan Kd = 0 diperoleh data seperti pada Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11.
40
Gambar 11 Respons temperatur nano-material ThSrO dengan SP = 100, Kp = 20, Ki = 01, Kd = 0.
OMEGA Jurnal Fisika dan Pendidikan Fisika Vol 1, No 1 (2015)
ISSN: 2443-2911
Kesimpulan
Referensi
Respons kontrol temperatur nano-material ThSrO paling stabil terjadi pada saat Kp = 20, Ki = 01, Kd = 0 dengan rising time (waktu mencapai setting point) sebesar 68 s.
41
[1] [2] [3] [4]
K. Ogata. IEEE Int’l. J. 8, 209 (2013). S. Hingis. British Elec. J. 4, 304 (2013). Thomas, Kluger. IEEE Int’l. J. 9, 421 (2013). Ziermann, Ludovitch. British Elec. J. 4, 422 (2013). [5] A. Zuveth. Am. Elec. Eng. J. 7, 156 (2013).
