ELEKTRO
Edisi ke Lima Belas, Nopember 1998
KENDALI

Metode Ziegler-Nichols pada Sistem Kontrol Servo Posisi Berbasis Komputer IBM-PC
Home
Halaman Muka

Sajian Utama
Sajian Khusus
Komputer
Energi
Elektronika
Metode penentuan parameter pengontrol PID – Ziegler Nichols – memiliki kelebihan dibandingkan dengan metode klasik. Salah satu kelebihan tersebut adalah: tidak ditekankannya penurunan model matematik komponen yang akan diatur (plant). Perhitungan parameter-parameter pengontrol proporsional, integral dan diferensial PID hanya dilakukan untuk menentukan ultimate gain Ku dan ultimate period Tu dari respon step sebuah plant (lihat artikel 'Pengenalan Metode Ziegler-Nichols Pada Perancangan Kontroler PID' di ELEKTRO Edisi 12 ).

Tulisan ini menguraikan hasil eskperimen penggunaan metode Ziegler-Nichols pada Perancangan pengontrol sistem kontrol servo posisi berbasis Komputer IBM-PC. Perangkat keras yang digunakan selama eksperimen akan dijelaskan pada bagian pertama tulisan ini. Pencarian ultimate gain Ku dan ultimate period Tu plant akan juga diuraikan, dan akhirnya diberikan penjelasan tentang hasil eksperimen. Hasil eksperimen itu memberikan kesimpulan tentang pengaruh pengontrol P(Proporsional), PI (Proporsional + Integral) dan PID (Proporsional + Integral + Diferensial) terhadap spesifikasi waktu sistem kontrol.
 

Gambar 1: Eksperimen di laboratorium Sistem pengaturan UNIBRAW – MALANG
 

Perangkat Keras

Perangkat keras sistem ini terdiri atas komputer PC/AT, modul antarmuka (interface card) PCL-714, motor DC servo merk leybold 734-14, Penguat daya 734-13, rangkaian penyesuai keluaran-masukan. Komputer PC/AT mengendalikan penggerak motor yang mendasarkan kerjanya pada algoritma aksi pengontrol PID-Ziegler Nichols (proporsional integral diferensial). Komunikasi data antara komputer dengan rangkaian penggerak motor menggunakan susunan paralel 8 bit yang disesuaikan dengan kapasitas yang dimiliki oleh rangkain antarmuka A/D D/A PCL-714. Rangkaian eskperimen selengkapnya ditunjukkan oleh gambar 1.

Komputer PC/AT dengan prosesor Intel 80386 merupakan komputer yang mempunyai lebar jalur data 16 bit (data bus D0-D15) dan lebar jalur alamat 20 bit (address bus A0-A19). Data bus terbagi dua: D0-D7 dan D8-D15. Jalur D0-D7 terpasang pada expansion slot sedangkan D8-D15 terpasang pada AT-bus slot. Sinyal-sinyal yang dikeluarkan pada expansion slot antara lain adalah 2 macam sinyal clock ( Clk, Osc), kontrol untuk I/O (input/output) dan memori, kontrol untuk proses-proses interupt, kontrol untuk operasi DMA serta beberapa macam tegangan catu daya dan ground.

Rangkaian antarmuka (interfacing) menggunakan alamat A0..A9. Pemetaan alamat diklasifikasikan menjadi 2 bagian. Bagian pertama merupakan daerah alamat heksadesimal 0000 sampai 01FF. Sedangkan bagian kedua adalah alamat heksa desimal 0200 sampai 03FF. Pengkodean alamat terminal masukan keluaran slot memakai daerah alamat bagian kedua.

Modul A/D-D/A PCL 714 mempunyai beberapa fasilitas, yakni fasilitas Analog to Digital Converter (ADC), Digital to Analog Converter (DAC), Digital input/output (D I/O). Fungsi pengubah sinyal analog ke digital (ADC) mempunyai spesifikasi sebagai berikut:

    Jangkauan masukan : Bipolar ± 5 V, ± 1 V
    Saluran masukan : 16
    Ketepatan : ± 0.15 pada jangkauan ± 5 V
    ± 0.25 pada jangkauan ± 1 V
    Impedansi masukan : > 10 mega ohm
    Waktu konversi : < 40 mikrodetik
    Resolusi : 14 bit
Seperti dijelaskan di atas, selain fasilitas ADC, PCL 714 juga mempunyai fasilitas DAC dengan spesifikasi berikut:
    Jangkauan keluaran : Bipolar - 5 V sampai + 5 V
    Saluran keluaran : 1 standar dan 1 cadangan
    Ketepatan : 0.1 pada 25 ° C
    Impedansi masukan : > 10 mega ohm
    Waktu settling : < 30 mikrodetik
    Resolusi : 14 bit
Modul antar muka PCL 714 dikendalikan oleh PC/AT melalui port masukan/keluaran. Pengalamatannya menggunakan alamat dasar (base address) port I/O yang telah disediakan oleh PC/AT. Pemilihannya dilakukan dengan mengatur 5 posisi switch ( SW1 - SW5 ) yang telah disediakan card PCL-714. Tersedia alamat dari 200 h sampai 3F0 h.

Penggerak motor DC servo adalah peralatan buatan leybold dengan type 734 14. Motor penggerak ini menggunakan medan magnit tetap, sehingga kecepatan putarnya dapat dikontrol melalui pengontrolan tegangan jangkar. Pada sumbu utama motor dipasang piringan inersia yang dihubungkan dengan potensiometer dan jarum penunjuk. Jarum penunjuk berfungsi untuk menunjukkan posisi sudut yang telah dicapai. Besaran posisi ini diubah menjadi tegangan oleh potensiometer.

Peralatan penguat menggunakan modul tipe 734 13. Modul ini memiliki dua penguat. TCA 365B merupakan komponen utama yang dirangkai dengan konfigurasi non-inverting dan inverting amplifier. Pada konfigurasi non-inverting sinyal yang dihasilkan pada terminal (2) mengalami penguatan dengan pergeseran phase f = 0° , sedangkan konfigurasi inverting keluaran terminal (3) penguatannya mempunyai pergeseran phase f = 180 ° dari sinyal masukannya (1).

Komponen penguat daya (amplifier) hanya melakukan penguatan arus, sedangkan penguatan tegangannya adalah satu. Resistansi input dari penguat ini adalah Re = 4,7 W , dan tiga buah resistansi outputnya adalah RL (2-3), RL (2-0) atau RL (3-0). Ketiganya dapat dipilih secara internal, sehingga amplifier mampu menghasilkan arus maksimum IC = 3 A.

Perangkat Lunak

Komputer dilengkapi dengan perangkat lunak agar data masukan setiap periode pencuplikan dapat dibaca dan dibandingkan dengan harga yang diinginkan. Data eror itu dihitung dengan berdasarkan algortima pengontrol. Hasil perhitungan itu kemudian dikirim ke peralatan penguat dengan melalui perangkat D/A PLC 714. Diagram alir algoritma perangkat lunak ditunjukkan oleh gambar 2.
 
Gambar 2 Diagram alir pengontrolan setiap periode

Inisialisasi

Rutin Inisialisasi berfungsi untuk menyiapkan rangkaian antar muka PCL-714 pada mode yang diinginkan. Rangkaian antar muka PCL-714 dipasang pada alamat 220 heksa dengan mode picuan internal (alamat 220 heksa + 11 bernilai 1), sedangkan saluran ADC yang digunakan dipilih melalui alamat 220h + 10. Jalur data untuk operasi ADC/DAC di kontrol melalui alamat 220 heksa + 5 untuk bit tinggi dan 220 heksa + 4 untuk bit rendah. Rutin tersebut adalah :
 
    Const
    Port_pcl : Integer = $220;
    Ctrl_trig : Integer = $220+11;
    Ctrl_chn : Integer = $220+10;
    Port_hi : Byte = $220+5;
    Port_lo : Byte = $220+5;

    Procedure Inisialisasi;
    Begin

    Port[Port_pcl] := 0;
    Port[Ctrl_trig] := 0;
    Port[Port_chn] := 15;
    Port[Port_hi] := 45;
    Port[Port_lo] := 0;

    End;

Ketika program pertama kali dijalankan, alamat 220 heksa diberikan nilai nol. Cara ini dapat mencegah adanya kesalahan pada proses selanjutnya. Agar data DAC bipolar yang dikeluarkan bernilai 0, maka pada alamat heksa 220 + 5 diberikan nilai 45 alamat 220 heksa + 4 diberikan nilai 0.

Pengolahan Data

Pengolahan data menggunakan algoritma kontrol PID. Algoritma ini bermaksud untuk melakukan penjumlahan dari proses-proses penguatan, pengintegralan dan penurunan nilai error dan mengeluarkan hasil perhitungan sebagai sinyal kontrol. Algoritma pengolahan data pengontrol PID memiliki bentuk persamaan transformasi Z sebagai berikut:

(1)

Untuk merealisasikan Persamaan (1) dalam perangkat lunak (sofware), terlebih dulu persamaan itu diubah kedalam persamaan pecahan polinomial z sebagai berikut:

n ³ m (2)

dengan ai, bi merupakan konstanta.

Suku z-1 pada persamaan 2 menyatakan proses sebuah waktu tunda (delay time). Diagram bloknya bloknya ditunjukkan oleh gambar 3.

 

Gambar 3
Gambar 3 Elemen waktu tunda (delay time)

Berdasarkan persamaan 2, fungsi alih pengontrol PID dari persamaan 1 dapat dinyatakan dalam bentuk berikut ini.

(3)

dengan: a1 = -1

a2 = 0
b0
b1
b2 =KD / T
Diagram blok persamaan 3 ditunjukkan oleh gambar 4. Bentuk fungsi M(z) dari persamaan 3 adalah sebagai berikut:

(4)

Persamaan beda yang menyatakan persamaan 4 adalah sebagai berikut:

(5)

dengan: k = 0,1,2,3, …
m(k) = Keluaran kontroler PID saat ini
m(k-1) = Keluaran kontroler PID sebelum saat ini
e(k) = Error masukkan saat ini
e(k-1) = Error masukkan sebelum saat ini
e(k-2) = Error Masukkan sebelum saat ini

Gambar 4 Blok diagram Algoritma PID

Diagram alir dari pengolahan data yang didasarkan algoiritma PID ditunjukkan oleh gambar 5.

Gambar 5 Diagram alir Algoritma PID

Dengan menggunakan bahasa pemrograman PASCAL, berikut ini diberikan prosedur perhitungan dari algortima PID.
 

    Procedure Algol_PID;
    Var

    Kp,Ki,Kd,T,a1,b0,b1,b2,
    V_back, V_ref, V_Out : Real;
    k : Integer;

    Begin

    V_Back := 0;
    a1 := -1;
    b0 := Kp + Kp T/2 + Kd/T;
    b1 := -(Kp+2*Kd);
    b2 := Kd;
    k := 0;
    T := 0.06
    M[-1] := 0; E[0] := 0; E[-1] :=0; E[-2] := 0;

    Repeat

    E[k] := V_Ref-V_Back;
    M[k] := -a1*M[k-1]+b0*E[k]+b1*E[k-1]+b2*E[k-2];
    V_Out := M[k];
    if V_Out >= 4.99 then V_Out := 4.99;
    if V_Out >= -4.99 then V_Out := -4.99;
    DAC(V_Out);
    M[k-1] := M[k];
    E[k-1] := E[k];
    E[k-2] := E[k-1];
    k := k + 1;
    V_Back := V_ADC;

    Until E[k] = 0 or (k=500);
    End;

Parameter Pengontrol - Zeigler-Nichols

Nilai konstanta pengontrol sistem ditentukan dengan menggunakan metode osilasi. Pada metode osilasi, pertama ditentukan nilai konstanta pengontrol proporsional. Setelah nilai konstanta pengontrol proporsional diketahui, ditentukan nilai konstanta pengontrol integral dan diferensial.

Langkah-langkah penentuan konstanta pengontrol PID adalah sebagai berikut:

  1. Menghubungkan keluaran sistem dengan Osilloscope Stroge atau plotter HM 8188 untuk mengetahui tanggapan dari sistem.
  2. Memberikan nilai konstanta proporsional dan menyetel Ti = ¥ dan Td=0. Nilai konstanta proporsional diubah secara bertahap hingga tanggapan sistem berosilasi secara kontinyu.
  3. Mengamati dan mencatat nilai ultimate gain Ku dan ultimate period Tu.

Sambungannya...Hasil Pengujian


[ Sajian Utama] [ Sajian Khusus ]
[KOMPUTER] [ENERGI] [ELEKTRONIKA]

Please send comments, suggestions, and criticisms about ELEKTRO INDONESIA.
Click here to send me email.
[ Halaman Muka
© 1996-1998 ELEKTRO Online.
All Rights Reserved.