Pengendali ketinggian air dengan mode proporsional - USD Repository

  PENGENDALI KETINGGIAN AIR DENGAN MODE PROPORSIONAL TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Oleh: Nama : Deri NIM : 025114076 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2007

  WATER LEVEL CONTROLLER USING PROPORTIONAL MODE FINAL PROJECT Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree In Electrical Engineering Study Program By: Name : Deri Student ID Number : 025114076 ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2007

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

  “Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.”

  Yogyakarta, 18 Oktober 2007 Deri

HALAMAN PERSEMBAHAN

  

Kupersembahkan karya tulis ini kepada :

” Tuhan Yesus Kristus terkasih,

Bapak dan Ibu Tercinta,

saudaraku Malvi Primanani tercinta,

Keluarga besarku tercinta,

  

Kekasihku tersayang,

Teman-temanku elektro 2002,

Almamaterku Teknik Elektro USD ”

  

MOTTO

Sa a t la ngk a h t e ra sa be ra t da n w a k t u

se a k a n be rhe nt i,

inga t la h sa t u ha l…

M a la m t a k a k a n se la lu m a la m ,

k a re na m e nt a ri a k a n se la lu a da di ujung

ge la p

  

‘t uk sina ri se t ia p la ngk a h

  

Pengendali Ketinggian Air Dengan Kendali Mode Proporsional

Nama : Deri

NIM : 025114076

  

INTISARI

  Tugas akhir ini mendeskripsikan tentang Pengendali Ketinggian Air dengan Kendali Mode Proporsional yang menggunakan pompa air untuk memperoleh ketinggian air yang stabil.

  Pengendali Ketinggian Air dengan Kendali Mode Proporsional diimplementasikan dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols. Masukan dari pengendali Proporsional adalah selisih tegangan antara set point dengan feedback (sensor). Dari hasil selisih itu kemudian digunakan untuk mengendalikan pompa air. Pada implementasi, terdapat 3 nilai level tegangan (set point) dengan besar tegangan yang berbeda-beda yaitu tegangan 3,8 Volt menyatakan kondisi ketinggian air 4 Cm, tegangan 4,9 Volt menyatakan ketinggian air 8 Cm, dan tegangan 5,5 Volt menyatakan kondisi ketinggian air 12 Cm. Pemilihan set point dilakukan dengan menekan tombol pemilih.

  Pengendali Ketinggian Air Dengan Kendali Mode Proporsional telah diimplementasikan dan dilakukan pengujian. Hasil yang diperoleh dalam pengujian adalah ketinggian air sesuai dengan yang diinginkan pada set point.

  Kata kunci : Suhu Air, Kendali Proporsional, Ziegler-Nichols.

  

Water Level Controller Using Proportional Mode

Name : Deri

Student Number: 025114076

ABSTRACT

  This final project describes about Water Level Controller Using Proportional Mode using a water pump to get the temperature constant. Water Level Controller Using Proportional Mode is applied using Ziegler-Nichols method. Input from Proportional controller is voltage difference between setting point and feedback (sensor). The differences are used to control water pump. In this applied, there are 3 set points with voltage difference which are 3,8 V to representation the condition of height water level 4 Cm, 4,9 V to representation the condition of height water level

  8 Cm, and 5,5 V to representation the condition of height water level 12 Cm. The selection of voltage level is done by pressing the selection button.

  Water pump Controller Using Proportional Mode is successfully applied after finishing some operation tests due to the preparation of final arrangement. The Result of operation tests is water level condition according to setting point.

  Key words: Water Level, Proprotional method, Ziegler-Nichols.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, karena atas Anugerah-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dan lancar.

  Dalam proses penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu banyak pihak yang telah memberikan perhatian dan bantuan dengan caranya masing- masing sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan terima kasih antara lain kepada :

  1. Tuhan Yesus atas penyertaan dan bimbingannya.

  2. Bapak Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik.

  3. Bapak Augustinus Bayu Primawan, S.T., M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro.

  4. Ibu B. Wuri Harini, S.T., M.T. selaku pembimbing I atas ide-ide yang berguna, bimbingan, dukungan, saran dan kesabaran bagi penulis dari awal sampai tugas akhir ini bisa selesai.

  5. Martanto, S.T., M.T. selaku pembimbing II yang telah bersedia meluangkan waktu serta memberikan bimbingan dan saran yang tentunya sangat berguna untuk tugas akhir ini.

  6. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  7. Bapak dan Ibu tercinta atas semangat, doa serta dukungan secara moril maupun

  8. Saudaraku, Malvi Primanai atas dukungan, cinta, bantuan yang sangat berguna.

  9. Kekasihku tersayang, atas segala waktu, bantuan dan dukungannya.

  10. Teman-teman elektro ”2002” : Nango, Dhanny, Yoga, Bhul’s, Gepeng, Andex, Plenthonx, Memet, Lambe’z, Roby, Broto, Wawan, Hari, P-K, Lele, Dhika, Sinung, Oscar, Ido, Kobo, Ari W, Denny, Koten, Ahok, Iyok, Erick, Andi S, Alex, Pandu, Heri S dan teman-teman seperjuangan lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu di sini. Saya ucapkan banyak terima kasih atas dukungannya.

  11. Teman-teman Operator warnet Blackberry Underground : KJ, M’ Moko, Dany, Edo, Andre, Nico, Dipha, Deras, Rico, Budy, Lian, Phia, Elin, Yoan dan teman- teman lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu di sini. Saya ucapkan banyak terima kasih atas dukungannya.

  12. Dan seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu.

  Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih kurang dari sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini sangat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.

  Yogyakarta,

  18 Oktober 2007 Penulis

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .......................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................. v

HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................... vi

HALAMAN MOTTO .................................................................................... vii

  

INTISARI ....................................................................................................... viii

ABSTRACT .................................................................................................... ix

KATA PENGANTAR.................................................................................... x

DAFTAR ISI................................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xvi

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xix

BAB I. PENDAHULUAN

  1.1 Judul…………………………………………………………………… 1

  1.2 Latar Belakang ....................................................................................... 1

  1.3 Tujuan dan manfaat penelitian ............................................................... 2

  1.4 Perumusan Masalah ............................................................................... 2

  1.5 Batasan Masalah .................................................................................... 3

  1.6 Metodologi Penelitian ............................................................................ 3

  BAB II. DASAR TEORI

  2.1 Sistem Kendali ....................................................................................... 5

  2.1.1 Gerbang Logika AND ............................................................... 5

  2.1.2 Konfigurasi Sistem Kendali ...................................................... 7

  2.1.3 Variabel Sistem Kendali ........................................................... 9

  2.2 Sensor dan Transduser ........................................................................... 10

  2.3 Deteksi Kesalahan.................................................................................. 11 2.4 Aktuator .................................................................................................

  12

  2.5 Penggerak ( Driver ) Motor ................................................................... 13 2.6 Pembangkit Pulsa ...................................................................................

  14

  2.7 Solid-State Relay (Optoisolator) ............................................................ 15

  2.8 Metode Ziegler-Nichols pada Perancangan Kontroler PID ................... 17

  2.8.1 Metode Kurva Reaksi................................................................. 17

  2.8.2 Kendali Proporsional.................................................................. 19

  2.9 Op-amp .................................................................................................. 22

  2.10 Tanggapan Sistem.................................................................................. 28

  BAB III PERANCANGAN

  3.1 Sistem Pengendalian Ketinggian Air..................................................... 29 3.1.1 Pelampung ................................................................................

  29

  

3.1.2 Pengisi Bak Air(Pompa air) dan Pengurang Bak Air(Kran)… 30

  3.2 Sensor Ketinggian Air dan Set point ..................................................... 31

  3.4 Pengendali (Kontroler) ..........................................................................

  4.3.2 Kendali Proporsional pada set point kedua ............................... 67

  74 5.2 Saran ......................................................................................

  BAB V. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan ......................................................................................

  4.4.3 Unjuk Kerja Sistem Pada Set point ketiga ................................ 70

  4.4.2 Unjuk Kerja Sistem Pada Set point kedua................................. 69

  4.4.1 Unjuk Kerja Sistem Pada Set point Pertama .............................. 69

  4.4 Pengamatan Unjuk Kerja Sistem ........................................................ 69

  4.3.3 Kendali Proporsional pada set point ketiga............................... 68

  4.3.1 Kendali Proporsional pada set point pertama............................ 66

  34 3.5 Driver ..................................................................................................

  4.3 Pengamatan Kendali Proporsional ....................................................... 66

  4.2.3 Pengamatan Sensor pada Set point Ketiga (12 cm).................... 55

  4.2.2 Pengamatan Sensor pada Set point Kedua (8 cm) ..................... 47

  4.2.1 Pengamatan Sensor pada Set Point Pertama (4 Cm).................. 41

  41

  4.1 Pengamatan Plant dan Kinerja Plant ................................................... 39 4.2 Pengamatan sensor ...............................................................................

  36 BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN

  74

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

BAB I PENDAHULUAN I.1 Judul Pengendali ketinggian air berbasis Pengendali Proporsional I.2 Latar Belakang Dengan berkembangnya ilmu dan teknologi mengakibatkan

  perkembangan teknologi elektronika juga berkembang. Kemajuan perkembangan teknologi elektronika menyebabkan persaingan dalam dunia industri semakin meningkat. Efisiensi produksi umumnya dianggap sebagai kunci sukses. Efisiensi produksi meliputi area yang luas, antara lain : a. Mengurangi kontrol manual yang dilakukan oleh manusia.

  b. Mempertinggi laju produksi.

  c. Menurunkan biaya produksi.

  Pengendali otomatis ini merupakan salah satu cara meningkatkan efisiensi produksi suatu industri. Dalam penelitian ini peneliti mempelajari dan mempraktekkan aplikasi suatu sistem pengendali otomatis. Pengendali otomatis dalam suatu proses pengendalian ketinggian air salah satunya adalah dengan sistem kendali proporsional. Pengendalian ketinggian air dalam suatu bak air ini meliputi beberapa komponen penting, yaitu: pompa ketinggian air dengan kendali proporsional ini merupakan pengendali dengan kalang tertutup.

  I.3 Tujuan dan manfaat penelitian

  Tujuan dari penelitian ini adalah membuat suatu sistem pengendali ketinggian air menggunakan sistem kendali proporsional dengan nilai

  error yang tidak terlalu besar dan dapat menentukan nilai konstanta proporsionalnya.

  Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

  a. Penulis dapat membuat rangkaian pengendali dengan pengendali proporsional.

  b. Sebagai alat bantu pengendali pada pabrik-pabrik kimia.

  c. Sebagai alat bantu dalam pengaturan debit air pada bendungan.

  d. Mempermudah pengendalian ketinggian air.

  e. Sebagai alat bantu pengendalian otomatis dalam dunia industri, khususnya yang membutuhkan pengendalian ketinggian air.

  I.4 Perumusan Masalah

  Dengan melihat tujuan dan latar belakang yang ada, maka permasalahan yang dapat dirumuskan pada pembuatan alat ini adalah sebagai berikut: a. Apakah pengendali ketinggian air yang dibuat dengan sistem pengendali proporsional ini akan memiliki tingkat ketelitian yang tinggi?

  b. Apakah sistem yang dirancang dapat bekerja dengan baik?

  c. Apakah pengendali proporsional yang dirancang dapat mencapai kestabilan?

I.5 Batasan Masalah

  Agar permasalahan yang ada tidak berkembang menjadi luas, maka perlu adanya batasan terhadap permasalahan yang akan dibuat yaitu: a. Pengendali ketinggian air dengan kendali proporsional ini ditentukan dengan set point tertentu.

  b. Terdapat tiga set point yang digunakan pada pengendali ketinggian air dengan kendali proporsional ini.

  c. Bak air yang digunakan adalah dua buah bak aquarium (satu bak digunakan sebagai sumber) dengan panjang 30 cm, lebar 15 cm, dan tinggi 15 cm.

  d. Jarak antara batas atas dan batas bawah kurang lebih sekitar 10 cm.

1.6 Metodologi Penelitian

  Metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam pembuatan alat yaitu: a. Mengumpulkan data dan informasi dari internet maupun perpustakaan yang berhubungan dengan alat, yang diharapkan dapat membantu dalam proses selanjutnya.

  b. Merancang plant. Membuat perencanaan miniatur dari alat yang akan dibuat. Dalam perancangan plant ini gambar dibuat dengan komputer kemudian dibuat secara nyata.

  c. Mengambil data plant. Pengambilan data pada plant ini berhubungan dengan set point sensor yang akan digunakan dalam perancangan, sehingga set point yang dirancang sesuai dengan yang diinginkan.

  d. Merancang kendali. Dalam perancangan kendali berhubungan dengan pembuatan pengendali proporsional yang akan digunakan sebagai pengendali sistemnya.

  e. Implementasi.

  f. Pengujian.

  g. Penulisan laporan.

1.7 Sistematika Penulisan

  Sistematika penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I Pendahuluan Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan

  manfaat dari penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, metodologi penelitian, serta sistematika penulisan.

BAB II Dasar Teori Bab ini berisi tentang dasar teori yang digunakan untuk

  membuat Pengendali suhu air yang disertai dengan penjelasan.

  BAB III Rancangan Penelitian Bab ini berisi tentang rancangan peralatan yang dibuat,

  pemilihan komponen, serta penjelasan singkat tentang cara kerja peralatan.

  BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab ini berisi tentang pembahasan dan analisis mengenai hasil penelitian yang telah dilaksanakan. BAB V Kesimpulan dan Saran Bab ini berisi tentang kesimpulan dan spesifikasi peralatan

  yang dibuat serta saran-saran untuk perbaikan alat dan penelitian selanjutnya.

BAB II DASAR TEORI

2.1. Sistem Kendali

2.1.1. Tinjauan Umum Sistem Pengendalian

  Sistem kendali adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran pada suatu rangkuman atau jangkauan nilai tertentu, dalam istilah lain disebut juga teknik pengaturan. Sistem pengendalian ditinjau dari segi peralatan, sistem kendali terdiri dari berbagai susunan komponen fisis yang digunakan untuk mengarahkan aliran energi ke suatu mesin atau proses agar dapat menghasilkan sesuatu, dalam hal ini menghasilkan tinggi permukaan air tertentu pada bak air [1]. Secara umum sistem kendali dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Pengendali manual dan otomatis.

  Pengendalian secara manual adalah pengendalian yang dilakukan oleh manusia yang bertindak sebagai operator, sedangkan pengendalian secara otomatis adalah pengendalian yang dilakukan oleh mesin-mesin atau peralatan yang bekerja secara otomasis dan pengoperasiannya di bawah pengawasan manusia.

  Dalam perancangan pengendali tinggi permukaan air ini peralatan-peralatan yang digunakan adalah peralatan elektronis dan peralatan mekanis. Berdasarkan hal tersebut, karakteristik penting dari sistem kontrol automatik menurut Katsuhiko Ogata[1] adalah sebagai berikut : a. Sistem kendali otomatik merupakan sistem dinamis yang dapat berbentuk linear atau nonlinear.

  b. Bersifat menerima masukan, memprosesnya, mengolahnya, dan kemudian mengembangkannya.

  c. Komponen atau unit yang membentuk sistem pengendalian tinggi permukaan air ini akan saling mempengaruhi.

  d. Bersifat mengembalikan sinyal ke bagian masukan atau umpan balik dan sinyal umpan balik ini digunakan untuk memperbaiki sistem.

  2. Pengendali kalang tertutup dan kalang terbuka.

  Dalam sistem pengendali kalang tertutup besaran keluaran sistem pengendalian memberikan efek terhadap masukan sebagai besaran yang dikendalikan sehingga dapat dibandingkannya terhadap nilai yang dicatat melalui alat pencatat. Perbedaan nilai yang terjadi antara besaran yang dikendalikan dan ditampilkan dengan alat pencatat digunakan sebagai koreksi yang pada gilirannya akan merupakan besaran pengendalian. Jadi dengan kata lain, sistem kendali edaran tertutup adalah sistem kendali berumpan balik.

  Sinyal kesalahan penggerak merupakan selisih antara sinyal masukan dengan sinyal umpan balik adalah suatu fungsi sinyal keluaran yang diumpankan ke pengendali untuk memperkecil kesalahan dan membuat keluaran sistem mendekati nilai yang ditentukan. Dengan kata lain, istilah kalang tertutup berarti menggunakan aksi umpan balik untuk memperkecil kesalahan sistem.

  Jika sistem kendali digunakan untuk menggantikan operator manusia maka sistem kendali tersebut menjadi otomatik.

  Dimisalkan sistem tersebut digunakan untuk mengendalikan tinggi permukaan air dalam bak air. Set point digunakan untuk memberikan sinyal masukan referensi tinggi permukaan air. Tinggi permukaan air dalam bak air diukur dengan alat ukur tinggi permukaan air berupa sensor ketinggian permukaan air. Kedua input tersebut dibandingkan dengan sebuah pembanding, hasil perbandingan sinyal dari set point dengan sinyal dari sensor ketinggian permukaan air tersebut digunakan untuk menggerakkan proses pengendalian ketinggian permukaan air.

  Dalam sistem pengendali kalang terbuka besaran keluaran sistem pengendalian tidak memberikan efek terhadap masukan sebagai besaran yang dikendalikan. Jadi sistem pengendalian kalang terbuka adalah sistem kendali yang tidak berumpan balik.

2.1.2. Konfigurasi Sistem Kendali

  Dalam gambar 2.1. ditunjukkan gambar diagram kotak secara umum dalam kendali edaran tertutup.

  Pengndali Proses

• + Masukan

  G2 G1 (IN)

• - Keluaran

  (OUT) Jalur Umpan Balik H Gambar 2.1. Elemen-elemen kendali kalang tertutup.

  Besarnya perbandingan antara masukan (IN) dengan keluaran (OUT) dalam gambar (2.1) seperti pada persamaan (1) di bawah ini.

  ×

  OUT G

  1 G

  2 ( 2.1 )

  = × + ×

  IN

  1 (G

  1 G

  2 H) Secara umum, elemen dari sebuah kontrol rangkaian tetutup terdiri dari[1] :

  1. Masukan IN.

  Elemen ini berfungsi untuk mengubah besaran yang dikontrol menjadi sinyal masukan bagi sistem kontrol.

  2. Pengendali G1.

  Berfungsi untuk memproses sinyal kesalahan yang terjadi dan setelah sinyal kesalahan tersebut dimasukkan melalui elemen pengendalian, akan dihasilkan sinyal yang berfungsi sebagai pengendali proses.

  3. Proses G2.

  Elemen ini dapat berupa proses mekanis, elektris, hidraulis, permukaan air ini hanya menggunakan proses mekanis dan elektris.

  4. Jalur Umpan Balik H.

  Bagian sistem yang mengukur keluaran yang dikontrol dan kemudian mengubahnya menjadi sinyal umpan balik.

2.1.3. Variabel Sistem Kendali

  Berdasarkan jumlah elemen yang menyusun suatu sistem kendali, terdapat beberapa variabel pengendalian yaitu :

  1. Set point adalah nilai acuan yang ditentukan secara variabel dan dikendalikan selama pengendalian.

  2. Masukan acuan adalah sinyal aktual yang masuk ke sistem pengendalian.

  3. Keluaran yang dikendalikan merupakan nilai yang akan di pertahankan bagi variabel yang dikendalikan, dan merupakan nilai yang ditampilkan oleh alat pencatat.

  4. Variabel yang dimanipulasi adalah sinyal dari elemen pengendalian dan berfungsi sebagai sinyal pengendalian tanpa adanya gangguan.

  5. Sinyal umpan balik adalah sinyal yang merupakan fungsi dari keluaran yang dicatat oleh alat pencatat.

  6. Sinyal kesalahan adalah selisih antara sinyal acuan dari set point dengan sinyal sensor ketinggian permukaan air.

  7. Sinyal gangguan adalah sinyal-sinyal tambahan yang tidak diinginkan.

2.2. Sensor dan Transduser

  Sensor digunakan sebagai elemen yang langsung mengadakan kontak dengan yang diukur. Transduser berfungsi untuk mengubah besaran fisis yang diukur menjadi besaran fisis lainnya. Pada umumnya adalah mengubah besaran-besaran fisis tersebut menjadi besaran listrik.

  Salah satu komponen elektronika yang dapat digunakan sebagai transduser posisi hambatan adalah potensiometer. Potensiometer adalah suatu hambatan yang dapat diubah nilai resistansinya dengan cara mekanik (memutar/menggeser). Potensiometer terdiri atas sebuah jalur atau track yang mempunyai resistansi menyeluruh yang konstan dengan sebuah penyapu (wiper) yang dapat bergerak sambil tetap bersentuhan dengan jalur atau track.

  Dalam gambar 2.2 (a) ditunjukkan gambar simbol potensiometer pada rangkaian elektronika dan dalam gambar 2.2 (b) ditunjukkan gambar perbandingan antara hambatan RA dan RB pada potensiometer.

  Vout

Gambar 2.2. (a) Simbol potensiometer, (b) Perbandingan hambatan RA dan RB pada potensiometer

  Besarnya tegangan keluaran Vout pada potensiometer ditentukan oleh perbandingan RA dan RB seperti pada persamaan (2.2) sesuai dengan

  RA

  (2. 2 )

  

Vout = Vin x

• RA RB 2.3. Deteksi Kesalahan.

  Deteksi kesalahan berfungsi untuk mengukur kesalahan yang terjadi antara keluaran aktual dengan keluaran yang diinginkan. Deteksi kesalahan merupakan selisih antara tegangan keluaran dari set point dengan tegangan dari sensor ketinggian permukaan air.

  Deteksi kesalahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah penguat beda tegangan. Dalam gambar 2.3 ditunjukkan gambar rangkaian penguat beda tegangan

  Rf

• ^- VI

  R1

  2 ₊

  1

  3 Vout

U1A

Gambar 2.3. Rangkaian penguat beda tegangan

  Dari gambar 2.3 besarnya keluaran Vout adalah :

  V

  2 R

  3 R

  1 Rf × ×

• Rf ×
• Vout =

  V

  1 ( 2.3 )

  1 R

  2 R

• R

  3 R

  1 Untuk R1 = R2 = R3 = Rf ( 2.4 ) maka Vout = V2 – V1

  R

  1 R

  2 =

  Untuk

  3 Rf R

  Rf

  × − Maka Vout = (

  V

  2 V 1 ) ( 2.5 )

  R

  1 2.4. Aktuator.

  Aktuator digunakan untuk mengendalikan aliran energi ke sistem yang dikendalikan. Alat ini disebut juga dengan elemen pengendali akhir.

  Elemen keluaran ini harus mempunyai kemampuan untuk menggerakkan beban ke suatu nilai yang ditentukan.

  Pompa air aquarium adalah salah satu jenis Aktuator. Pompa air yang digunakan dalam penelitian mempunyai daya 20 W dengan frekuensi

  50 Hz, sedangkan tegangan yang dibutuhkan untuk mencatu sebesar 220 Volt. Debit air pada pompa ini dapat diatur keluarannya, sehingga proses pengisian air bisa cepat atau lambat. Pompa air aquarium dalam penelitian ini digunakan untuk memompa atau mengisi air.

2.5. Penggerak ( Driver ) Motor

  Untuk mengendalikan motor AC menggunakan tegangan DC dapat digunakan komponen elektronika dengan nama triac. Triac atau AC

  switch , merupakan saklar arus bolak–balik bentuk trioda (mempunyai 3

  elektroda). Pada dasarnya triac terdiri dari dua SCR (Silicon Controlled

  Rectifier ) yang terpasang paralel, dan dilengkapi dengan elektroda

Gambar 2.4. Bentuk fisik triac.

  Keunggulan triac adalah dapat digunakan untuk mengatur daya dalam batas–batas lebih lebar, artinya dengan triac arus dapat mengalir ke arah bolak–balik dan triac dipakai untuk pengaturan daya gelombang penuh.

  

Triac mempunyai tiga terminal, dua terminal utama yakni MT1 dan MT2

  serta satu gerbang G (gate). Terminal MT1 dan MT2 dirancang demikian sebab aliran arus adalah dua arah.

  Jika terminal MT1 dan MT2 diberi tegangan AC dan gate dalam kondisi mengambang maka tidak ada arus yang dilewatkan oleh triac sampai pada tegangan breakover triac tercapai. Pada kondisi ini triac

  

OFF . Pada saat gate diberi arus positif atau negatif maka tegangan

breakover ini akan turun. Semakin besar nilai arus yang masuk ke gate

  maka semakin rendah tegangan breakover-nya. Pada kondisi ini triac menjadi ON selama tegangan pada MT1 dan MT2 di atas nol volt.

  Apabila tegangan pada MT1 dan MT2 sudah mencapai nol volt maka kondisi kerja triac akan berubah dari ON ke OFF. Ketika triac sudah menjadi OFF kembali, triac akan selamanya OFF sampai ada arus trigger ke gate dan tegangan MT1 dan MT2 melebihi tegangan breakover-nya.

  Pada gambar 2.5 memperlihatkan daerah kerja triac.

Gambar 2.5. Kurva karakteristik triac.

2.6 Pembangkit Pulsa.

  PWM merupakan rangkaian yang menghasilkan variasi pulsa untuk masukan dc yang bervariasi. Dengan menggunakan PWM akan didapatkan nilai duty cycle yang berubah-ubah tergantung masukan dc. Pada prinsipnya PWM tersebut membandingkan tegangan segitiga yang berperiode konstan tertentu dengan tegangan dc yang berubah-ubah. Hasil yang didapatkan berupa gelombang kotak dengan perbandingan periode on-off yang berubah. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 2.6. Misal suatu gelombang segitiga dibandingkan dengan tegangan sebesar Vdc yang berpolaritas positif, maka akan didapatkan gelombang kotak.

Gambar 2.6 Bentuk pulsa PWM

2.7 Solid-State Relay.

  Pada relai yang berjenis relai solid state(solid-state relay = SSR) ini tidak mempunyai kumparan dan kontak sesungguhnya dibandingkan dengan relai elektromekanis(Electromechanics relay = EMR). Sebagai pengganti digunakan alat penghubungan semikonduktor seperti transistor bipolar, MOSFET, SCR, atau triac. Solid-state Relay tidak mempunyai bagian yang berputar, relai tersebut tahan terhadap goncangan dan getaran serta ditutup rapat terhadap kotoran dan kelembaban. SSR merupakan aplikasi pada pengisolasian rangkaian kontrol tegangan-rendah dari rangkaian beban-daya-tinggi. Dioda yang memancarkan cahaya(LED) yang digabungkan pada rangkaian input menyala mengeluarkan cahaya apabila kondisi pada rangkaian benar-benar untuk mengaktifkan relai. Cahaya LED pada fototransistor, yang kemudian menghantar, menyebabkan arus trigger diberikan pada triac.

  Solid-state Relay dapat digunakan untuk mengontrol beban ac atau

  dc. Jika relai dirancang untuk mengontrol beban ac, digunakan triac untuk menghubungkan beban Iin. Tegangan kontrol untuk SSR dapat arus searah dan bolak-balik, dan biasanya berkisar antara 3 sampai 32 V untuk DC dan 80 dan 280 V untuk AC. Arus beban maksimum mencapai 50 A adalah mungkin pada ukuran kerja tegangan Iin 120, 240, dan 480 Vac. Pada sebagian besar aplikasi, SSR digunakan sebagai perantara antara rangkaian kontrol tegangan rendah dengan tegangan Iin ac yang lebih tinggi. Untuk

  SSR mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan EMR. SSR lebih terpercaya dan mempunyai umur pemakaian yang lebih panjang. karena SSR tidak mempunyai bagian yang berputar, Dapat juga digabungkan dengan rangkaian transistor dan sirkuit IC. SSR tidak banyak menimbulkan interferensi elektromagnetis. SSR lebih tahan terhadap goncangan dan terhadap getaran, mempunyai waktu respon yang lebih cepat[2].

  

R12

_IN

  1 MG1

  6 MOTOR AC

  1 R11

  2 MOC TRIAC

  1

  4

  2 220 v olt

  2 Gambar 2.7. SSR yang dirangkai secara optis.

2.8. Metode Ziegler-Nichols pada Perancangan Kontroler PID

  Penalaan parameter kontroler PID (Proportional Integral Differential) selalu didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (Plant).

  Dengan demikian betapapun rumitnya suatu plant, perilaku plant tersebut harus diketahui terlebih dahulu sebelum penalaan parameter PID itu dilakukan. Karena penyusunan model matematik plant tidak mudah, maka dikembangkan suatu metode eksperimental. Metode ini didasarkan pada reaksi plant yang dikenai suatu perubahan. Dengan menggunakan metode itu model matematik perilaku plant tidak diperlukan lagi, karena dengan menggunakan data yang berupa kurva keluaran, penalaan parameter PID telah dapat dilakukan[3]

2.8.1. Metode Kurva Reaksi

  Metode ini berdasarkan terhadap reaksi sistem untaian terbuka. Plant sebagai untaian terbuka dikenai sinyal fungsi tangga satuan (gambar 2.8).

  Kalau plant minimal tidak mengandung unsur integrator atau pole-pole kompleks, reaksi sistem akan berbentuk S. Dalam gambar 2.9 menunjukkan kurva berbentuk S tersebut. Kelemahan metode ini terletak pada ketidakmampuannya untuk plant integrator maupun plant yang mempunyai pole komplek.

Gambar 2.8. Respon tangga satuan sistemGambar 2.9. Kurva Respons berbentuk S.

  Kurva berbentuk S mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan waktu tunda T. Dari gambar 2.9 terlihat bahwa kurva reaksi berubah naik, setelah time constant L. Sedangkan time constant menggambarkan perubahan kurva setelah mencapai 63,2% dari keadaan mantapnya. Pada kurva dibuat suatu garis yang bersinggungan dengan garis kurva. Garis singgung itu akan memotong dengan sumbu absis dan garis maksimum. Perpotongan garis singgung dengan sumbu absis merupakan ukuran waktu mati, dan perpotongan dengan garis maksimum merupakan time constant yang diukur dari titik waktu L.

  Tabel 1 Penalaan paramater PID dengan metode kurva reaksi

  Tipe Kontroler K p T i T d

  1 P .T/L ~

  K

  ,

  9 PI .T/L L/0.3 0

  K

  1 ,

  2 PID .T/L 2L 0,5L

  K Penalaan parameter PID didasarkan perolehan kedua konstanta itu.

  Zeigler dan Nichols melakukan eksperimen dan menyarankan parameter penyetelan nilai Kp, Ti, dan Td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut. Tabel 1 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi.

2.8.2 Kendali Proporsional

  Kendali proporsional merupakan salah satu sistem kendali dari sekian banyak sistem pengendali yang digunakan dalam pengendalian ketinggian air dalam bak air. Kendali proporsional mempunyai keluaran yang sebanding/proporsional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya). Secara sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran kontroler proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya [4].

  Dalam gambar 2.10. ditunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan keluaran kontroler proporsional. Sinyal kesalahan (error) merupakan selisih antara besaran

  

setting dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi

  kontroler, untuk mengeluarkan sinyal positip (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).

  Sp E(s) M(s)

  Kp

  X - + aktual Gambar 2.10 Diagram blok kontroler proporsional.

  Kontroler proporsional memiliki dua parameter, pita proporsional (proportional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroler efektif dicerminkan oleh pita proporsional, sedangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, Kp [5].

  Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (Kp) ditunjukkan secara prosentasi oleh persamaan berikut :

  1 ( 2.6 )

  = 100

  PB x Kp Keluaran Kontroler Saturation (%)

  Gain G1

  100 Tanggapan proporsional

50 Gain G2

  Saturation Band Error

  ( - ) (+)

  Sempit (%) Band

  Lebar

Gambar 2.11. Proportional band dari kontroler proporsional tergantung pada penguatan.

  Dalam gambar 2.11. ditunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran kontroler dan kesalahan yang merupakan masukan kontroler. Ketika konstanta proporsional bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit

  Ciri-ciri kontroler proporsional harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroler proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini :

  1. Kalau nilai Kp kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.

  2. Kalau nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantapnya. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berisolasi.

  2 R2

  

1

  3 ^- R2

  2

  1 ₊ Vin

  3 Vout

  Gambar 2.12.Rangkaian kendali proporsional Dari gambar (2.12) diperoleh persamaan sebagai berikut

  R

  2 = −

  Vout ( xVin ) ( 2.7 ) R

  1 Vout R

  2 = = −

  Kp

  ( 2.8 )

  Vin R

  1 Dengan Vout = Tegangan keluaran Vin = Tegangan masukan

2.9. Op-amp

  Op-amp yang sering digunakan adalah uA741C atau biasa disebut dengan 741. Alat ini disebut juga dual-in-line package atau paket dua jalur.Gambar 2.13a menunjukkan op-amp uA741. Alat ini sangat popular karena bekerja dengan baik, mudah digunakan, murah dan mudah didapat.

  Di dalam IC terdapat sepotong silikon yang memuat 20 transistor dan 11 resistor [ 6 ].

  uA 741

(a)

tak ada offset null hubungan input V+ membalik output input tak membalik offset null V-

  

(b)

Gambar 2.13 (a) Rangkaian terintegrasi mini-DIL (b)Fungsi dari setiap hubungan pin uA741

  Hubungan antar pin diperlihatkan pada gambar 2.13b. Bintik di pojok, atau di ujung kemasan menunjukkan ujung penghitungan bilangan atau nomor pin Sebagian besar kemasan elektronik, penghitungan pin berlawanan dengan arah jarum jam, dilihat dari atas. Terminal offset

  null membetulkan dari luar ketidaksimetrisan kecil yang terjadi pada waktu membuat op-amp.

  Dalam gambar 2.13 (a) dan 2.13 (b) diperlihatkan gambar secara skematis op-amp 741, yang sangat populer. Rangkaian relatif langsung, sehubungan dengan jenis rangkaian transistor. Op-amp ini mempunyai tingkat transistor npn tunggal emitor yang memberikan penguatan yang besar. Pengikut emitor npn mengemudikan tingkat output pengikut emitor

  push-pull , termasuk rangkaian pembatas arus.

  Rangkaian ini khas sifatnya pada sebagian besar op-amp yang tersedia. Dalam penerapannya sifat-sifat penguat ini mendeteksi karakteristik kemampuan op-amp yang ideal. Dapat dilihat sejauh mana sebenarnya op-amp telah menyimpang dari keadaan idealnya, konsekuensi apa yang dialami pada saat mendesain rangkaian, dan apa yang dapat dilakukan untuk mengatasinya.

  Op-amp ideal mempunyai karakteristik sebagai berikut : 1. Impedansi input mode differential atau tunggal = tak terbatas.

  2. Impedansi input edaran terbuka = 0.

  3. Penguat tegangan tunggal mode = 0.

  4. Vout = 0, apabila kedua input pada tegangan yang sama tegangan offset sama dengan 0.

  5. Output akan berubah secara seketika karena kecepatan putar tak terbatas.

  Tinjauan terperinci atas penguat operasional adalah sebagai berikut :

  1. Arus input Terminal-terminal input menyerap atau arus bias bergantung pada

  b

  jenis op-amp. Sedikit arus yang disebut arus bias input I yang besarnya sama dengan separuh jumlah arus input bila semua input disatukan atau kedua arus input hampir sama dan hanya merupakan arus basis dari transistor input. Untuk op-amp 741 arus biasnya adalah 80 nA. Perlunya arus input adalah untuk menimbulkan beda tegangan pada resistor-resistor jaringan umpan balik, jaringan bias, atau impedansi sumber. Nilai reristor akan membatasi ketergantungan sepenuhnya terhadap penguatan rangkaian dc dan seberapa besarnya variasi input yang dapat ditolerir.

  Op-amp tersedia dengan arus bias input sampai dengan satu nanoampere atau kurang untuk tipe-tipe rangkaian input transistor atau sampai beberapa pikoampere untuk tipe-tipe rangkaian input FET. Pada umumnya, transistor op-amp diharapkan untuk bekerja pada kecepatan tinggi yang arus biasnya lebih tinggi.

  2 Arus offset input Arus offset input adalah nama lain untuk selisih arus antara kedua arus input. Tidak seperti arus bias input, arus offset input merupakan akibat variasi pembuatan, karena rangkaian input simetris menghasilkan arus bias yang identik pada kedua input. Artinya bahwa sekalipun op-amp dikemudikan oleh impedansi sumber yang identik, op-amp akan melihat beda tegangan di antara input. Pada umumnya, arus offset adalah sekitar sepersepuluh arus bias. Untuk op-amp 741 arus offset =10 mA.

  3 Kisaran input tunggal mode

  Input sebuah op-amp harus tetap dalam satu kisaran tegangan

  tertentu yang umumnya kurang dari kisaran catu penuh, agar dapat bekerja dangan semestinya. Apabila input keluar dari batas ini, penguatan op-amp dapat berubah secara drastis, bahkan ada tanda- tanda pembalikan. Untuk op-amp 741 yang bekerja pada catu + 15 volt, batas input tunggal mode adalah + 12 volt.

  4. Impedansi input Impedansi input menunjukkan resistansi input differential.

  Impedansi yang terdapat pada satu input dengan input lain diketanahkan, yang biasanya jauh lebih kecil dari pada resistansi tunggal mode. Untuk op-amp 741 besarnya sekitar 2 M ohm. Op-amp input FET umumnya mempunyai Rin = 10000 mega ohm atau lebih.

  5. Kisaran input diferensial Beberapa op-amp hanya mengijinkan tegangan terbatas di antara

  input , kadang-kadang sebesar + 0,5 volt, meskipun sebagian besar

  membolehkan input differential mendekati tegangan catunya. Melebihi batas maksimal yang telah di tentukan dapat merusakkan op-amp tersebut.

2.10 Tanggapan Sistem

  Sebagian besar sistem kontrol adalah sistem kawasan waktu; yang berarti, sistem ini harus menunjukkan respon waktu yang dapat diterima [8]. Respon sistem kontrol sering menunjukkan osilasi teredam sebelum mencapai keadaan tunak. Dalam menentukan karakteristik tanggapan

  

system control terhadap masukan tangga satuan, biasanya dicari

  parameter-parameter berikut:

  1. Waktu Tunda ( Delay Time ), t

  d

  Yaitu waktu yang diperlukan tanggapan mencapai setengah harga akhir yang pertama kali.

  2. Waktu Naik ( Rise Time ), t r Yaitu waktu yang diperlukan tanggapan untuk naik dari 10% hingga 90% dari harga akhirnya.

  3. Waktu Penetapan ( Settling Time ), t s Yaitu waktu yang diperlukan kurva tanggapan dan menetap dalam daerah disekitar harga akhir yang ukurannya ditentukan dengan persentase mutlak dari harga akhir (biasanya 5% atau 2%).

  4. Waktu Puncak (peak time), t

  p

  Yaitu waktu yang diperlukan respon untuk mencapai puncak lewatan pertamakali.

  5. Lewatan maksimum (maximum overshoot), M p Yaitu harga puncak maksimum dari kurva respon yang diukur dari satu. Jika harga keadaan tunak respon tidak sama dengan satu, maka biasa digunakan persen lewatan maksimum. Parameter ini didefinisikan sebagai Persen lewatan maksimum = % 100