KONTROL PID UNTUK PENGATUR SUHU

Dalam konten ini kami akan menjelaskan tentang sebuah rangkaian Kontrol PID unuk engatur suhu yang di dalam rangkaian ini terdapat rangkaian driver, PID, Pengkondisi Sinyal, dan Catu daya. Yang pertama kami kan menjelaskan tentang rangkaian Catu Daya

Catu daya merupakan suatu Rangkaian yang paling penting bagi sistem elektronika. Ada dua sumber catu daya yaitu sumber AC dan sumber DC. Sumber AC yaitu sumber tegangan bolak - balik, sedangkan sumber tegangan DC merupakan sumber tegangan searah. Sumber Tegangan Bila diamati sumber AC tegangan berayun sewaktu-waktu pada kutub positif dan sewaktu-waktu pada kutub negatif, sedangakan sumber AC selalu pada satu kutub saja, positif saja atau negatif saja. Dari sumber AC dapat disearahkan menjadi sumber DC dengan menggunakan rangkaian penyearah yang di bentuk dari dioda.

Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.

Rangkaian Penyearah Biasanya output dari rangkaian diberi suatu filter kapasitor untuk menghilangkan riak sehingga diperoleh tegangan DC yang stabil. Untuk itu diperlukan suatu regulator tegangan yang berfungsi untuk menjaga agar tegangan bernilai konstan pada nilai tertentu. Regulator tegangan ini biasanya berupa IC dengan kode 78xx atau 79xx. Untuk seri 78xx digunakan untuk regulator tegangan DC positif, sedangkan 79xx digunakan untuk regulator DC negatif. Nilai xx menandakan tegangan yang akan diregulasikan. Misalnya kebutuhan sistem adalah positif 5 volt, maka regulator yang digunakan adalah 7805. IC regulator ini biasanya terdiri dari tiga pin yaitu input, ground dan output. Dalam menggunakan IC ini tegangan input harus lebih besar beberapa persen (tergantung pada data sheet) dari tegangan yang akan diregulasikan.

SKEMA

LAYOUT PCB

Prinsip Kerja

Kami menggunakan trafo sebesar 2A sebagai pencatu pada rangkaian. Pada rangkaian power supply ini terdapat diode bridge yang berfungsi sebagai penyearah arus. Output dari penyearah arus akan di filter untuk menghasilkan tegangan DC yang stabil. Rangkaian supply ian ini akan menghasilkan tegangan 5V,12V, -12V dengan menggunakan regulator. Untuk menghasilkan 5 V kami menggunakan ic 7805. Sedangkan untuk mengasilkan tegangan 12 V kami menggunakan ic 7812 dan untuk menghasilkan tegangan -12 V kami menggunakan ic 7912. Untuk menghasilkan tegangan 6 V, kami hanya menggunakan pembagi tegangan dengan tegangan AC sebesar 12 V dan resistor yang digunakan adalah 1KΩ. sesuai dengan rumus pembagi tegangan yaitu :

Driver

Driver (Actuator Ac) terdiri dari 3 sub system yaitu: zero croosing detector, line synchronized ramp generator, dan AC switch. Masing – masing sub system memiliki cara kerja sebagai berikut:
A. Zero crossing detector

System ini terdiri atas 2 op-amp yang berfungsi sebagai komparator dengan inputan gelombang AC sebesar 6 volt dan ground sebagai referensinya. Op-amp pertama akan menghasilkan output sebesar 12Volt – 2 volt = 10 volt (tegangan saturasi positif op-amp) saat tegangan AC pada fasa positif. Sedangkan tegangan output sebesar -12volt + 2 volt = -10volt (tegangan saturasi op-amp) saat tegngan Ac pada fasa negative. Op-amp kedua bekerja berkebalikan dengan op-amp pertama yaitu: pada saat op-amp pertama menghasilkan tegangan output positif maka op-amp kedua menghasilkan tegangan output negative dan sebaliknya. Frekuensi output op-amp yang dihasilkan memiliki ferkuensi sama dengan jala – jala listrik PLN (50Hz). Gelombang kotak ini kemudian diteruskan oleh kapasitor yang berfungsi untuk meneruskan tegangan AC dan menahan tegangan DC. Setelah itu, gelombang kotak akan diteruskan fasa positifnya dengan dioda yang akan dimasukan pada rangkaian line synchronized ramp generator.

B. Line synchronized ramp generator

Rangkaian ini merupakan rangakaian op-amp integrator yang kapasitornya dapat dihubung singkatkan dengan menggunakan transistor. Rangkaian ini memanfaatkan waktu pengisian dan pengosongan kapasitor. Rangkaian op-amp integrator diberi tegangan input sebesar -12volt agar didapatkan output berfasa positif. Waktu pengosongan kapasitor berdasarkan pada arus yang mengalir pada basis. Frekuensi switching transistor sebesar 60 Hz yang didapatkan dari rangkaian zero crossing detector. Pada saat transistor ON, maka kapasitor seakan-akan terhubung singkat sehingga tegangannya menjadi nol volt. Pada saat transistor OFF kapasitor akan mengisi kembali. Grafik dari rangkaian ini dapat dilihat melalui osiloskop berupa gelombag gigi gergaji.

C. AC switching

Rangkaian ini merupakan driver utama yang berhubungan langsung dengan tegangan yang akan dikontrol yaitu tegangan AC lampu pijar. Pada rangkaian ini digunakan op-amp sebagai komparator antara gelombang gigi gergaji dan tegangan keluaran kontroler. Output komparator ini berupa sinyal PWM yang dapat diatur lebar pulsanya sesuai dengan tegangan dari kontroler. Untuk menghubungan PWM yang dihasilkan dengan tegangan AC lampu pijar maka perlu digunakan opto triac yang berfungsi untuk men-triger triac. Triac akan ON pada saat gate diberi tegangan sehingga arus akan mengalir ke beban (lampu pijar) menyebabkan lampu menyala, begitu sebaliknya.

Skema Rangkaian

LAYOUT

Gambar Gelombang Keluaran pada OSC

1. Pada Titik A

2. Pada Titik D

3. Pada Titik F

4. Pada titik I

PID controller adalah controler yang banyak digunakan dalam industrisistem kontrol. Sebuah kontroler PID menghitung error sebagai perbedaan antara diukur variabel proses dan diinginkan setpoin. Controller berupaya untuk meminimalkan kesalahan dengan menyesuaikan proses input kontrol. Dengan tidak adanya pengetahuan tentang proses yang mendasari, kontroler PID adalah kontroler yang terbaik. Namun, untuk kinerja terbaik, parameter PID yang digunakan dalam perhitungan harus di setel sesuai dengan sifat sistem.
Proporsional, K p

Nilai yang lebih besar biasanya berarti tanggapan yang lebih cepat karena kesalahan yang lebih besar, semakin besar kompensasi istilah proporsional. Keuntungan yang proporsional terlalu besar akan menyebabkan ketidakstabilan dan proses osilasi.

Integral , K i

Nilai lebih besar menyiratkan kesalahan steady state lebih cepat dieliminasi. Trade-off overshoot yang lebih besar: setiap kesalahan negatif terpadu selama respon transien harus diintegrasikan pergi oleh kesalahan positif sebelum mencapai kondisi mapan.

Derivatif, K d

Penurunan lebih besar nilai overshoot, tetapi memperlambat respon transien dan bisa mengakibatkan ketidakstabilan karena amplifikasi sinyal noise dalam diferensiasi kesalahan.

Tuning loop kontrol adalah penyesuaian parameter kontrol (keuntungan / band proporsional, keuntungan integral / reset, keuntungan derivatif / rate) dengan nilai-nilai optimum untuk respon kontrol yang diinginkan. Stabilitas (osilasi dibatasi) merupakan kebutuhan pokok, tapi lebih dari itu, sistem yang berbeda memiliki perilaku yang berbeda, aplikasi yang berbeda memiliki kebutuhan yang berbeda, dan beberapa konflik desiderata. Selanjutnya, beberapa proses memiliki tingkat non-linearitas dan parameter yang bekerja baik pada kondisi beban penuh-tidak bekerja ketika proses ini dimulai dari tanpa beban-; ini dapat dikoreksi dengan penjadwalan keuntungan (menggunakan parameter yang berbeda di berbagai operasi daerah). Pengendali PID sering memberikan kontrol yang diterima bahkan tanpa adanya tuning, tetapi kinerja secara umum dapat ditingkatkan dengan tuning hati-hati, dan kinerja mungkin tidak bisa diterima dengan tuning miskin.

Skema

Cara kerja

PID adalah gabungan antara kontroler Proportional(P), Integral (I), dan Derivative (D). kontroler Proportional digunakan untuk mempercepat respon terhadap error yang sedang terjadi (present time). Kontroler integral digunakan untuk mengurangi error steady state dengan cara mengakumulasikan error selama selang waktu tertentu (Past time). Kontroler derivative bekerj dengan cara memprediksi error yang akan terjadi berdasarkan perubahan error yang telah terjadi (Future time). Dengan menggabungkan ketiga kontroler tersebut secara parallel, maka akan diperoleh respon masing – masing kontroler. Respon yang dihasilkan dari kontroler PID ialah cepat(kontroler proportional), memperbaiki respon (kontroler integral) , dan mempercepat waktu mantap (kontroler Derivative). Dengan menggunakan kontroler PID akan mendapatkan suatu respon yang baik dalam pengontrolan system agar sesuai dengan yang kita harapkan.

Pengkondisi sinyal

Pengkondisi sinyal, digunakan untuk mengkondisikan sinyal keluaran dari sensor agar bisa digunakan. Misal menggunakan sensor lm35 (pengukur suhu). Dari datasheetnya lm35 mengeluarkan tegangan 10mV/0c. untuk mengukur suhu dari 0-500c maka keluaran dari lm35 adalah 0-0.5volt, sehingga apabila langsung digunakan atau dikoneksikan dengan mikro atau komputer, tidak akan bisa dibaca. Oleh karena itu, digunakanlah rangkaian pengkondisi sinyal, yang mana rangkaian ini bisa digunakan untuk menguatkan atau melemahkan sinyal masukan dari sensor atau bahkan mengeser (span).

Skema Rangkaian

LAYOUT

Sensor yang digunakan adalah LM 35 yang memiliki output 10 mV tiap kenaikan 1⁰C. Pada suhu 20⁰C, LM 35 memiliki output sebesar 200 mV dan pada suhu 80⁰C LM 35 memiliki output sebesar 800 mV. Oleh karena itu diperlukan rangkaian op-amp agar pada output 200 mV LM 35 tegangan output op-amp sebesar 0 Volt dan pada suhu 80⁰C output op-amp sebesar 10 Volt. Rangkaian op amp yang pertama merupakan rangkaian op-amp inverting yang mengalikan Vin sebesar 10 kali.

Out = 0V - 10V