Pengaturan Level Air dengan Kontrol PID

Pengaturan Level Ketinggian Air Menggunakan Kontrol PID[Thiang et al.]

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Universitas Kristen Petrahttp://puslit.petra.ac.id/journals/electrical/

79

Pengaturan Level Ketinggian Air Menggunakan Kontrol PID

Thiang, Yohanes TDS, Andre MulyaFakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra

email: [email protected]

Abstrak

Makalah ini menjelaskan tentang aplikasi sistem kontrol pada pengaturan level ketinggian air. Metode kontrolyang digunakan dalam sistem ini adalah kontrol proporsional integral derivatif (PID). Semua proses kontrol danakuisisi data dilakukan dengan menggunakan komputer (PC). Pengujian sistem telah dilakukan untukmengontrol level air dengan ketinggian antara 0 30 cm. Pengujian dilakukan dengan beberapa variasiparameter kontrol PID dengan input berupa fungsi step. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa parameter sistemkontrol level ketinggian air adalah Kp = 1 10, Ki = 0,1 5 dan Kd = 0,1 10.

Kata kunci: sistem kontrol, kontrol proporsional integral derivatif (PID), kontrol level air .

Abstract

This paper describes about the application of control system on liquid level control system. The control methodused in this system is proportional integral derivative (PID) controller. All control processes and data aquisitionis run by using a personal computer (PC). Experiment was done by controlling liquid level in level range 0 30cm. Experiment was also done by using various PID control parameter in which the input signal is step function.Experiment results show that the parameter of liquid level control system are Kp = 1 10, Ki = 0,1 5 and Kd= 0,1 10.

Keywords : control system, proportional integral derivative controller (PID), liquid level control .

1. Pendahuluan

Dalam era globalisasi, sektor industri memegangperanan yang sangat penting khususnya diIndonesia. Banyak industri-industri yang ber-kembang dengan pesat. Di dalam industri, sangatdibutuhkan sistem kontrol yang baik untuk dapatmenunjang proses berjalannya industri tersebutdan untuk meningkatkan efisiensi dalam prosesproduksi. Karena itu dalam makalah inidipaparkan suatu eksperimen sistem kontrol yangdiharapkan dapat memberikan kontribusi dalamdunia industri.

Dalam makalah ini akan dipaparkan tentangsistem kontrol ketinggian air dengan meng-gunakan metode kontrol proporsional integralderivatif (PID). Sistem kontrol PID itu sendiriakan dibahas pada bagian kedua dari makalahini. Sedangkan bagian ketiga dari makalah iniakan memaparkan penjelasan tentang sistemyang telah dirancang baik perangkat lunak danperangkat keras. Bagian keempat dari makalahini akan memaparkan hasil pengujian yang telah

Catatan: Diskusi untuk makalah ini diterima sebelum tanggal 1Desember 2004. Diskusi yang layak muat akan diterbitkan padaJurnal Teknik Elektro volume 5, nomor 1, Maret 2005.

dilakukan dan makalah ini akan ditutup denganbeberapa kesimpulan yang telah didapatkan.

2. Kontrol PID

Kontroler Proporsional Integral Derivatif (PID)adalah kontroler yang menggabungkan kontrolerproporsional, integral dan derivatif. Kontroler inidirepresentasikan dengan persamaan sebagaiberikut [1]:

++=t

dttde

TdKpdtteTiKp

teKptm0

)(.)()(.)( (1)

dimana Kp adalah konstanta proporsional, Timenyatakan waktu integral dan Td menyatakanwaktu derivatif.

Persamaan 1 adalah persamaan dalam domainwaktu. Untuk memudahkan penulisan dalamprogram, maka persamaan 1 dikonversikan kedalam bentuk diskrit, dengan menggunakan finitedifferential orde pertama yang direpresentasikandalam persamaan berikut:

( )tff

dtdf kk

k D-

= -1 (2)

Jurnal Teknik Elektro Vol. 4, No. 2, September 2004: 79 - 84


80

( ) =

D=n

kk tedtte

0

(3)

Sehingga persamaan 1 menjadi:

( )

D++

D-

= =

-n

kk

in

nndpn teT

etee

TKm0

1 1 (4)

Dimana:

i

spi T

TKK = dan

s

dpd T

TKK = dengan sTt =D

Apabila

nnn eSS += -1 (5)

Maka persamaan kontroler PID dalam bentukdiskrit adalah sebagai berikut[1]:

( )1--++= nndninpn eeKSKeKm (6)dimana nS = Jumlah error, 1-nS = jumlah errorsebelumnya, ne = error sekarang, 1-ne = errorsebelumnya, nm = output sekarang.

3. Deskripsi Sistem

3.1 Perangkat Keras

Gambar 1. Blok Diagram Perangkat KerasSistem

Gambar 1 menunjukkan blok diagram sistemyang telah dibuat. Plant terdiri dari dua buahbejana atau tangki yang terbuat dari kaca. Tangkiyang bawah merupakan tempat penampungan airberukuran 39 x 34 x 35 cm. Tangki yang di atasberfungsi sebagai plant yang diatus levelketinggian airnya. Tangki ini berukuran 19 x 14x 40,5 cm. Sebuah pompa digunakan untukmenaikkan air dari tangki penampungan kedalam tangki plant. Spesifikasi pompa yangdigunakan adalah 12 VDC, 3,5 A. Untuk

mengatur pembuangan air digunakan sebuah stopkran dan sebuah solenoid valve. Stop krandigunakan untuk pembuangan air secara manualdan solenoid valve untuk pembuangan air yangdikontrol melalui personal computer (PC).

Sensor yang digunakan untuk mengukurketinggian air adalah potensiometer. Untukmengkonversi gerakan naik-turun ketinggian airmenjadi gerakan rotasi yang akan memutarpotensiometer, digunakan sebuah pelampungdan pemberat yang dirangkai dalam sebuahsistem katrol (lihat gambar 1). Besar poten-siometer yang digunakan adalah 5 kW. Berikutgambar 2 memperlihatkan rangkaian potensio-meter yang mengubah ketinggian air menjaditegangan. Rangkaian ini mengeluarkan teganganoutput sebesar 0 1,194 volt untuk rangepengukuran ketinggian air dari 0 30 cm.

Gambar 2. Rangkaian Sensor Potensiometer

Karena tegangan input ADC dirancang sebesar 0 5 volt maka diperlukan sebuah rangkaianamplifier sebagai penguat tegangan denganfaktor penguatan sebesar 4,187. Rangkaian yangdigunakan adalah rangkaian non invertingamplifier dengan rangkaian seperti yangditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian Non Inverting Amplifier

Rangkaian analog to digital converter (ADC)diperlukan untuk mengubah data ketinggian airyang sinyal analog menjadi digital untuk dapatdibaca oleh PC. Dalam aplikasi ini, ADC yangdigunakan adalah ADC 0804 yang mempunyaisatu input analog dan output digital 8 bit.



81

Rangkaian ADC ini membutuhkan teganganreferensi 2,5 volt. Tegangan referensi inidihasilkan dari LM336-2,5.Secara lengkaprangkaian ADC dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 4. Rangkaian ADC 0804

Output ADC dihubungkan ke PC melalui paralelport LPT1. LPT1 hanya mempunyai 5 bit inputsedangkan ADC mempunyai output 8 bit. Karenaitu untuk dapat melakukan pembacaan 8 bit,maka digunakan sebuah multiplekser yaitu IC74LS241. Pin input yang digunakan adalah pinS4, S5, S6 dan S7. Pin-pin ini dapat diakses olehprogram melalui port dengan alamat 379h.Sinyal kontrol ADC (WR dan RD) danmultiplekser (1G dan 2G) dihubungkan melaluipin-pin C0, C1 dan C2. Rangkaian lengkapkoneksi ini dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5. Koneksi ADC ke Paralel Port LPT1

Proses kontrol PID dilakukan oleh PC denganmenggunakan persamaan 6. Output dari kontro-ler digunakan untuk menggerakkan pompa air

atau solenoid valve untuk pembuangan air.Rangkaian driver solenoid valve dibentuk darisebuah relay dan transistor BD139. Teganganbasis dari transistor BD139 di-drive dari sebuahinverter IC 74LS04 yang terkoneksi dengan

komputer melalui paralel port LPT1 Pin 3C .Rangkaian lengkap driver solenoid valve dapatdilihat pada gambar 6.

Gambar 6. Rangkaian Driver Solenoid Valve

Rangkaian driver pompa digunakan dua buahtransistor NPN yaitu 2N3005 dan TIP31A.Kedua transistor ini dihubungkan membentukrangkaian darlington agar mendapatkanpenguatan yang besar, sehingga arus Ib transistoryang digunakan kecil. Sebuah transistor BD139dan relay digunakan untuk mematikan danmenyalakan pompa. Gambar lengkap rangkaiandriver pompa dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7. rangkaian Driver Pompa

Dari hasil percobaan pompa, diketahui bahwapompa bekerja (mengeluarkan air lewat pipaPVC) pada tegangan 4 sampai 12 volt. Bilategangan input pompa kurang dari 4 volt, pompabelum dapat menaikkan air ke atas. Dengandemikian, tegangan input driver motor dapatdiketahui (dengan menggunakan persamaan 7)yaitu 5,8 sampai 13,8 volt dengan asumsitegangan jatuh pada Rb sebesar 0,4 volt.

ParalelPort

LPT1



82

pompaBERbin VVVV ++= 2 (7)

Rangkaian driver pompa mendapat inputan darioutput rangkaian digital to analog converter(DAC) yang dilewatkan sebuah rangkaianpengkondisi sinyal yaitu rangkaian zero andspan. Rangkaian DAC dan rangkaian zero andspan dapat dilihat pada gambar 8 dan 9.

Gambar 8. Rangkaian DAC

Gambar 9. Rangkaian Zero and Span

Dalam aplikasi ini, DAC yang digunakan adalahDAC 0808 yang merupakan DAC 8 bit denganoutput dari 0 sampai 5 volt. Karena rangetegangan input driver pompa sebesar 5,8 sampai13,8 volt maka digunakan rangkaian zero andspan untuk menyesuaikan tegangan output DACdengan tegangan input driver pompa. RangkaianDAC mendapat input dari PC melalui paralelport LPT1. Jalur data DAC D0 samapai D7dihubungkan dengan jalur data paralel port LPT1D0 samapai D7 pada pin 2 sampai 9. Dengandemikian untuk mengubah kecepatan motorpompa dapat dilakukan dengan mudah yaituhanya dengan mengubah data input DAC.

3.2 Perangkat Lunak

Pada umumnya program yang dibuat bertugasuntuk memonitor ketinggian air, melakukanproses kontrol dan menggerakkan pompa dansolenoid valve. Proses ini terus dilakukan sampaiketinggian air dalam tangki sesuai dengan yangdiinginkan. Proses perhitungan kontrolerIDdilakukan dengan menggunakan persamaan yang

telah dijabarkan terdahulu yaitu persamaan 5 dan6. Karena DAC yang digunakan adalah DAC 8bit (range data digital dari 0 255) maka bilahasil perhitungan (persamaan 6) dari kontrolermelebihi 255 maka data DAC di-set 255 yangberarti pompa bekerja maksial. Tetapi, bila hasilperhitungan dari kontroler kurang dari 0 makadata DAC di-set 0 yang berarti pompa tidakbekerja sama sekali dan solenoid valve dibuka.Program telah dirancang dengan menggunakanbahasa pemrograman borland delphi. Berikutgambar 10 menunjukkan diagram alir dariprogram yang telah dibuat.

Gambar 10. Diagram Alir Program

4. Pengujian Sistem

Pengujian sistem pengaturan level ketinggian airdilakukan dengan memberikan input fungsi step.Pengujian juga dilakukan dengan berbagaikonstanta Kp, Ki dan Kd serta dua kondisi sistemyaitu sistem tanpa gangguan dan sistem dengangangguan. Range pengukuran ketinggian airadalah 0 30 cm yang dikonversikan oleh ADCmenjadi data 0 255. Dalam pengujian ini dataketinggian air yang diguanakan adalah dalamskala yang ditunjukkan oleh ADC 0 255.

4.1 Pengujian Sistem Tanpa Gangguan

Dalam pengujian ini, dilakukan percobaandengan nilai salah satu konstanta kontrolerdiubah sedangkan nilai konstanta kontroler yanglain tetap. Pengujian sistem ini dilakukan dengan



83

nilai setting point ketinggian air sebesar 100yang menunjukkan ketinggian air 11,76 cm.Gambar 11 sampai gambar 14 menunjukkanrespon sistem dari hasil percobaan yang telahdilakukan.

Gambar 11. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=1, Ki=0,1 dan Kd=0,1

Gambar 12. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=1, Ki=5 dan Kd=0,1

Gambar 13. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=10, Ki=0,1 dan Kd=5

Gambar 14. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=10, Ki=0,1 dan Kd=0,1

Dari hasil percobaan yang ditunjukkan olehgambar 11 dan gambar 12 terlihat dengan hargaKi yang besar (Kp dan Kd tetap) akanmemperbesar overshoot dan undershoot. Danjuga dengan Ki yang besar pencapaian keadaansteady state jauh lebih lama dan sistemberosilasi. Sedangkan pada gambar 13 dan 14terlihat dengan harga Kd yang besar (Kp dan Kitetap) akan memperkecil overshoot dan jugamempercepat pencapaian keadaan steady state.Dan dari gambar 11 dan gambar 14 untuk hargaKp yang besar (Ki dan Kd tetap) akanmemperkecil overshoot dan mempercepatpencapaian steady state.

4.2 Pengujian Sistem dengan Gangguan

Dalam percobaan ini, parameter pengujian yangdigunakan sama dengan pengujian yangdilakukan sebelumnya yaitu tanpa gangguan.Perbedaannya adalah dalam pengujian ini, sistemdiberi gangguan berupa pembukaan kran airmanual sebanyak dua putaran. Berikut gambar15 sampai 18 menunjukkan hasil percobaan yangtelah dilakukan.

Gambar 15. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=1, Ki=0,1 Kd=0,1 dan Gangguan 2

Putaran Kran Manual

Gambar 16. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=1, Ki=5, Kd=0,1 dan Gangguan 2

Putaran Kran Manual



84

Gambar 17. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=10, Ki=0,1 Kd=5 dan Gangguan 2

Putaran Kran Manual

Gambar 18. Respon Sistem Kontroler PIDdengan Kp=10, Ki=0,1 Kd=0,1 dan 2 Gangguan

Putaran Kran Manual

Dari hasil percobaan yang ditunjukkan olehgambar 15 dan gambar 16 terlihat dengan hargaKi yang besar (Kp dan Kd tetap) akanmemperbesar overshoot dan undershoot. Danjuga dengan Ki yang besar, pencapaian keadaansteady state jauh lebih lama dan sistemberosilasi. Sedangkan pada gambar 17 dangambar 18 terlihat dengan harga Kd yang besar(Kp dan Ki tetap) akan memperkecil overshootdan juga mempercepat pencapaian keadaansteady state. Dan dari gambar 15 dan gambar 18untuk harga Kp yang besar (Ki dan Kd tetap)akan memperkecil overshoot dan mempercepatpencapaian steady state. Secara keselurhan,untuk kontroler dengan parameter Ki yang tidakterlalu besar, sistem masih dapat dikontrolwalaupun ada gangguan.

5. Kesimpulan

Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, dapatdiambil kesimpulan bahwa sistem kontrol PIDyang dibuat mampu mengontrol level ketinggianair. Secara umum untuk aplikasi yang telahdibuat, semakin besar harga Kp maka sistemlebih cepat mencapai steady state dan juga risetime semakin kecil. Semaikn besar harga Ki akan

membuat respon sistem berosilasi dan lebihlambat mencapai keadaan steady state. Semakinbesar harga Kd dapat membuat overshootsemakin kecil.

Daftar Pustaka

[1]. Stuart Bennet, Real Time Computer ControlAn Introduction. Hertfordshire: PrenticeHall International (UK) Ltd, 1988.

[2]. Michael J. Jacob, Industril ControlElectronics. New Jersey: Prentice Hall,1988.

[3]. Christopher T. Killian, Modern ControlTechnology Components and Systems, St.Paul Minneapolis: West Publishing Com-pany, 1996.

[4]. Dale R. Patrick, Stephen W. Fardo,Industrial Proces Control Systems, NewYork : International Thomson PublishingCompany, 1997.

[5]. Katsuhiko Ogata, Modern Control Engi-neering, New Jersey : Prentice Hall, 1997.

Documents

Pengaturan Level Air dengan Kontrol PID