Pengontrol PID: Cara Kerja, Struktur dan Tuning

Sebelum menjelaskan Kontroler PID, mari kita revisi tentang Sistem Kontrol.  Ada dua jenis sistem;  sistem loop terbuka dan sistem loop tertutup.  

Sistem loop terbuka juga dikenal sebagai sistem yang tidak terkontrol dan sistem loop tertutup dikenal sebagai sistem terkontrol.  

Pada sistem loop terbuka, keluaran tidak dikontrol karena sistem ini tidak memiliki umpan balik dan pada sistem loop tertutup, keluaran dikendalikan dengan bantuan pengontrol dan sistem ini memerlukan satu atau lebih jalur umpan balik.  

Sistem loop terbuka sangat sederhana tetapi tidak berguna dalam aplikasi kontrol industri karena sistem ini tidak terkontrol.  

Sistem loop tertutup merupakan hal yang kompleks tetapi paling berguna untuk aplikasi industri, karena pada keluaran sistem ini dapat stabil pada nilai yang diinginkan, PID adalah contoh Sistem Loop Tertutup.  

Diagram blok dari sistem ini seperti yang ditunjukkan pada gambar-1 di bawah ini.

Sistem loop tertutup juga dikenal sebagai sistem kontrol umpan balik dan jenis sistem ini digunakan untuk merancang sistem yang stabil secara otomatis pada keluaran atau referensi yang diinginkan.  

Untuk alasan ini, ini menghasilkan sinyal kesalahan.  Sinyal kesalahan e (t) adalah selisih antara output y (t) dan sinyal referensi u (t) Arduino vs Raspberry Pi Perbedaan antara keduanya

Ketika kesalahan ini nol berarti keluaran yang diinginkan tercapai dan dalam kondisi ini keluaran sama dengan sinyal referensi.

Misalnya, pengering berjalan beberapa kali, yang merupakan nilai yang telah ditentukan sebelumnya.  

Saat pengering DIHIDUPKAN, timer mulai dan akan berjalan sampai timer berakhir dan memberikan output (kain kering).  

Ini adalah sistem loop terbuka sederhana, di mana keluaran tidak perlu dikontrol dan tidak memerlukan jalur umpan balik.  

Jika dalam sistem ini, kami menggunakan sensor kelembaban yang memberikan jalur umpan balik dan membandingkannya dengan titik setel dan menghasilkan kesalahan.  

Pengering bekerja hingga kesalahan ini nol.  Artinya, jika kelembapan kain sama dengan set point, pengering akan berhenti bekerja.  

Dalam sistem loop terbuka, pengering akan berjalan untuk waktu yang tetap terlepas dari pakaian kering atau basah.  Namun dalam sistem loop tertutup, pengering tidak akan bekerja untuk waktu yang tetap, ia akan bekerja hingga pakaian kering.  

Ini adalah keuntungan dari sistem loop tertutup dan penggunaan pengontrol.

Kontroler PID dan Cara Kerjanya:

Jadi, apa itu pengontrol PID?  Kontroler PID diterima secara universal dan paling umum digunakan dalam aplikasi industri karena kontroler PID sederhana, memberikan stabilitas yang baik dan respon yang cepat.  

PID adalah singkatan dari proporsional, integral, derivatif.  Dalam setiap aplikasi, koefisien dari ketiga tindakan tersebut divariasikan untuk mendapatkan respon dan kontrol yang optimal.  

Input pengontrol adalah sinyal kesalahan dan output diberikan ke pabrik / proses.  Sinyal keluaran pengendali dibangkitkan sedemikian rupa sehingga keluaran dari plant berusaha untuk mencapai nilai yang diinginkan.

Kontroler PID adalah sistem loop tertutup yang memiliki sistem kontrol umpan balik dan membandingkan variabel Proses (variabel umpan balik) dengan set Point dan menghasilkan sinyal kesalahan dan karenanya menyesuaikan output sistem.  

Proses ini berlanjut hingga kesalahan ini mencapai Nol atau nilai variabel proses menjadi sama dengan titik setel.

Kita akan belajar tentang tindakan Proporsional, Integral, dan Turunan nanti di artikel ini.

Pengontrol PID memberikan hasil yang lebih baik daripada pengontrol ON / OFF.  Dalam pengontrol ON / OFF, hanya dua status yang tersedia untuk mengontrol sistem.  

Bisa ON atau OFF.  Ini akan ON ketika nilai proses kurang dari set point dan akan OFF ketika nilai proses lebih besar dari set point.  

Dalam pengontrol ini, keluaran tidak akan pernah stabil, ia akan selalu berosilasi di sekitar setpoint.  Namun pengontrol PID lebih stabil dan presisi dibandingkan dengan pengontrol ON / OFF.

Kontroler PID merupakan kombinasi dari tiga istilah;  Proporsional, Integral dan Turunan.  Mari kita pahami ketiga istilah ini satu per satu.

Mode Kontrol PID:

Respon proporsional (P):

Istilah 'P' sebanding dengan nilai kesalahan yang sebenarnya.  Jika kesalahan besar, output kontrol juga besar dan jika kesalahan kecil, output kontrol juga kecil, tetapi faktor penguatan (Kp) adalah

Juga memperhitungkan.  Kecepatan respon juga berbanding lurus dengan proporsional gain factor (Kp) Merancang Sirkuit PCB Secara Online Gratis dengan EasyEDA

Jadi, kecepatan respon ditingkatkan dengan meningkatkan nilai Kp tetapi jika Kp dinaikkan melebihi kisaran normal, variabel proses mulai berosilasi dengan kecepatan tinggi dan membuat sistem tidak stabil.

y (t) ∝ e (t)

 y (t) = ki * e (t)

Dimana Kp adalah faktor keuntungan proporsional.

Disini error yang dihasilkan dikalikan dengan faktor gain proporsionalitas (konstanta proporsional) seperti terlihat pada persamaan di atas.  

Jika hanya pengontrol P yang digunakan, pada saat itu diperlukan reset manual karena menjaga error steady state (offset).

Tanggapan integral (I):

Pengontrol integral umumnya digunakan untuk mengurangi kesalahan kondisi tunak.  Istilah 'I' diintegrasikan (sehubungan dengan waktu) dengan nilai kesalahan yang sebenarnya.  

Karena integrasi, nilai kesalahan yang sangat kecil, menghasilkan respon integral yang sangat tinggi.  Tindakan pengontrol integral terus berubah hingga kesalahan menjadi nol.

y (t) ∝ ∫ e (t)

y (t) = ki ∫ e (t)

Dimana Ki adalah faktor keuntungan proporsional.

Penguatan integral berbanding terbalik dengan kecepatan respons, meningkatkan ki, menurunkan kecepatan respons.  Pengontrol proporsional dan integral digunakan gabungan (pengontrol PI) untuk kecepatan respons yang baik dan respons kondisi tunak.

Tanggapan turunan (D):

Pengontrol turunan digunakan dengan kombinasi PD atau PID.  Itu tidak pernah digunakan sendiri, karena jika kesalahan konstan (bukan nol), keluaran pengontrol akan menjadi nol.  

Dalam situasi ini, controller berperilaku life zero error, tetapi sebenarnya terdapat beberapa error (konstan).  

Keluaran pengontrol turunan berbanding lurus dengan laju perubahan kesalahan terhadap waktu seperti yang ditunjukkan pada persamaan.  

Dengan menghilangkan tanda proporsionalitas, kita mendapatkan konstanta gain turunan (kd).  

Umumnya, pengontrol turunan digunakan ketika variabel prosesor mulai berosilasi atau berubah pada kecepatan yang sangat tinggi.  

D-controller juga digunakan untuk mengantisipasi perilaku error by error curve di masa mendatang.  Persamaan matematis seperti gambar di bawah ini;

y (t) ∝ de (t) / dt

y (t) = Kd * de (t) / dt

Dimana Kd adalah faktor keuntungan proporsional.

Pengontrol proporsional dan integral:

Ini adalah kombinasi dari pengontrol P dan I.  Output dari pengontrol adalah penjumlahan dari kedua respon (proporsional dan integral).  Persamaan matematis seperti yang ditunjukkan di bawah ini;

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt)

y (t) = kp * e (t) + ki ∫ e (t) dt

Pengontrol Proporsional dan Derivatif: Ini adalah kombinasi dari pengontrol P dan D.  Output dari pengontrol adalah penjumlahan dari respon proporsional dan turunan.  Persamaan matematis pengontrol PD adalah sebagai berikut;

y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt)

 y (t) = kp * e (t) + kd * de (t) / dt

 Pengontrol Proporsional, Integral, dan Turunan: Ini adalah kombinasi dari pengontrol P, I dan D.  Output dari pengontrol adalah penjumlahan dari respon proporsional, integral dan turunan.  Persamaan matematis pengontrol PD adalah sebagai berikut;

y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt)

y (t) = kp * e (t) + ki ∫ e (t) dt + kd * de (t) / dt

Jadi, dengan menggabungkan respon kontrol proporsional, integral dan turunan ini, bentuk kontroler PID.

Metode Tuning untuk Kontroler PID:

Untuk keluaran yang diinginkan, pengontrol ini harus disetel dengan benar.  Proses mendapatkan respon ideal dari kontroler PID melalui pengaturan PID disebut tuning kontroler.  

Setting PID berarti mengatur nilai gain optimal dari respon proporsional (kp), derivatif (kd) dan integral (ki).  Kontroler PID disetel untuk penolakan gangguan artinya tetap pada setpoint dan pelacakan perintah tertentu, artinya jika setpoint berubah, keluaran kontroler akan mengikuti setpoint baru.  

Jika pengontrol disetel dengan benar, keluaran pengontrol akan mengikuti setpoint variabel, dengan osilasi yang lebih sedikit dan redaman yang lebih sedikit.

Ada beberapa metode untuk menyetel pengontrol PID dan mendapatkan respons yang diinginkan.  Metode pengontrol tuning adalah sebagai berikut;

• Metode trial and error
• Teknik kurva reaksi proses
• Metode Ziegler-Nichols
• Metode relai
• Menggunakan software

1. Metode trial and error:

Metode trial and error juga dikenal sebagai metode tuning manual dan metode ini adalah metode yang paling sederhana.  

Dalam metode ini, pertama-tama tingkatkan nilai kp hingga sistem mencapai respons berosilasi tetapi sistem tidak boleh membuat tidak stabil dan menjaga nilai kd dan ki nol.  Setelah itu, set nilai ki sedemikian rupa sehingga osilasi sistem terhenti.  Setelah itu atur nilai kd untuk fast response.

2. Teknik kurva reaksi proses:

Metode ini juga dikenal sebagai metode tuning Cohen-Coon.  Dalam metode ini pertama-tama menghasilkan kurva reaksi proses sebagai respons terhadap gangguan.  

Dengan kurva ini kita dapat menghitung nilai gain pengontrol, waktu integral dan waktu turunan.  Kurva ini diidentifikasi dengan melakukan pengujian langkah loop terbuka secara manual.  

Parameter model dapat ditentukan dengan langkah awal persentase gangguan.  Dari kurva ini kita harus mencari kurva slop, dead time dan rise time yang tidak lain adalah nilai kp, ki dan kd.

3. Metode Zeigler-Nichols:

Pada metode ini juga terlebih dahulu mengatur nilai ki dan kd nol.  Keuntungan proporsional (kp) ditingkatkan hingga mencapai keuntungan akhir (ku).  keuntungan akhir tidak lain adalah keuntungan di mana output dari loop mulai berosilasi.  

Ku ini dan periode osilasi Tu digunakan untuk mendapatkan penguatan kontroler PID dari tabel di bawah ini.

4. Metode Relai:

Metode ini juga dikenal sebagai metode Astrom-Hugglund.  Di sini output dialihkan di antara dua nilai variabel kontrol tetapi nilai-nilai ini dipilih sedemikian rupa sehingga proses harus melewati setpoint.  Jika variabel proses kurang dari setpoint, output kontrol disetel ke nilai yang lebih tinggi.  

Ketika nilai proses lebih besar dari setpoint, output kontrol diatur ke nilai yang lebih rendah dan bentuk gelombang output terbentuk.  Periode dan amplitudo bentuk gelombang osilasi ini diukur dan digunakan untuk menentukan penguatan akhir ku dan periode Tu yang digunakan dalam metode di atas.

5. Menggunakan perangkat lunak:

Untuk tuning PID dan optimasi loop, tersedia paket perangkat lunak.  Paket perangkat lunak ini mengumpulkan data dan membuat model matematis sistem.  Dengan model ini, perangkat lunak menemukan parameter tuning yang optimal dari perubahan referensi.

Struktur pengontrol PID:

Pengontrol PID dirancang berdasarkan teknologi mikroprosesor.  Pabrikan yang berbeda menggunakan struktur dan persamaan PID yang berbeda.  Persamaan PID yang paling umum digunakan adalah;  persamaan PID paralel, ideal dan seri.

Dalam persamaan PID paralel, aksi proporsional, integral dan turunan bekerja secara terpisah satu sama lain dan menggabungkan efek dari ketiga aksi ini bekerja dalam sistem.  

Diagram blok dari PID jenis ini adalah sebagai berikut;

Dalam persamaan PID ideal, konstanta gain kp didistribusikan ke semua suku.  Jadi, perubahan kp mempengaruhi semua suku lain dalam persamaan.

Pada persamaan PID seri, konstanta gain kp didistribusikan ke semua suku yang sama dengan persamaan PID ideal, namun dalam persamaan ini integral dan konstanta turunan berpengaruh terhadap aksi proporsional.

Aplikasi pengontrol PID:

Pengatur suhu:

Mari kita ambil contoh AC (air-conditioner) dari setiap pabrik / proses.  Setpoint adalah suhu (20 ͦ C) dan suhu yang diukur saat ini oleh sensor adalah 28 ͦ C. Tujuan kami adalah menjalankan AC pada suhu yang diinginkan (20 ͦ C).  Sekarang, pengendali AC, menghasilkan sinyal sesuai error (8 C) dan sinyal ini diberikan ke AC.  Berdasarkan sinyal ini, keluaran AC berubah dan temperatur turun hingga 25ͦC. Selanjutnya proses yang sama akan berulang hingga sensor temperatur mengukur temperatur yang diinginkan.  

Ketika kesalahan nol, pengontrol akan memberikan perintah stop ke AC dan suhu akan meningkat hingga nilai tertentu dan lagi kesalahan akan menghasilkan dan proses yang sama berulang terus menerus.

Merancang pengontrol muatan MPPT (Pelacakan titik daya maksimum) untuk PV surya:

Karakteristik I-V dari sel PV bergantung pada suhu dan tingkat iradiasi.  Jadi, tegangan dan arus operasi akan terus berubah sehubungan dengan perubahan kondisi atmosfer.  

Oleh karena itu, sangat penting untuk melacak titik daya maksimum untuk sistem PV yang efisien.  Untuk mencari MPPT digunakan pengontrol PID dan untuk itu setpoint arus dan tegangan diberikan ke pengontrol.  Jika kondisi atmosfer berubah, pelacak ini menjaga voltase dan arus konstan.

Konverter elektronika daya:

Kontroler PID paling berguna dalam aplikasi elektronika daya seperti konverter.  Jika konverter terhubung dengan sistem, sesuai dengan perubahan beban, keluaran konverter harus berubah.  Misalnya inverter dihubungkan dengan beban, jika beban bertambah maka arus akan mengalir dari inverter.  

Jadi, parameter tegangan dan arus tidak diperbaiki, itu akan berubah sesuai kebutuhan.  Pada kondisi ini, kontroler PID digunakan untuk membangkitkan pulsa PWM untuk pensaklaran IGBT inverter.  Sesuai dengan perubahan beban, sinyal umpan balik diberikan kepada pengontrol dan akan menimbulkan kesalahan.  

Pulsa PWM dihasilkan menurut sinyal kesalahan.  Sehingga pada kondisi ini didapat input variabel dan output variabel dengan inverter yang sama.

Aji Fitriyan Hidayat

Skill Comes From Within Yourself, Not Other Or Family, So Be Enthusiastic For Yourself.

Bagikan Artikel ini