Sistem Pengaturan Suhu Air Menggunakan Kendali PID
Okky Janrizky*, Andy Panggabean*, Ahmad Riyad Firdaus*
* Politeknik Batam
Parkway Street, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: 3210701024@students.polibatam.ac.id, 3210701012@students.polibatam.ac.id, rifi@polibatam.ac.id

## Abstrak
Makalah  ini  merupakan  hasil  penelitian  mahasiswa tugas akhir program diploma tiga di Politeknik Batam [1]  yang  mengambil  tema  “Sistem  Pengaturan  Suhu Air  Menggunakan  Kendali  PID”.  Penelitian  ini merupakan  studi  implementasi  konsep  kendali  PID (Proportional, Integral, Differential) dalam perangkat keras sebenarnya. Dalam konsep sebenarnya, kendali PID  membutuhkan  pemodelan  sistem  (penurunan model  fisik  menjadi  model  matematika)  agar  bisa dirancang  sistem  kendali  yang  optimal.  Dalam penelitian ini, sistem pengaturan suhu air menggunakan  kendali  PID  menggunakan  metode “trial  and  error”  dalam  pemilihan  konstanta pengendalinya  (Kp,  Ki,  dan  Kd  ),  tidak  melakukan permodelan  sistem,  dan  implementasinya  secara digital.  Hasil  pengujian  sistem  pengaturan  ini memperlihatkan  kinerja  pengendali  sebagai  berikut  : Rise  time  (s)  :  0:18:58:17,  Overhoot  (%)  :  4.88, Settling time (s) : 0:22:33:07, dan Steady State Error (%) : -0.23, Terlihat Rise time besar diakibatkan daya pemanas  kurang besar untuk ukuran volume air yang dibuat.
Kata  kunci  :  Kendali  PID,  Mikrokontroler,  Zero Crossing Detector, dan Solid State Relay.

## 1. PENDAHULUAN
Penelitian  ini  dilatarbelakangi  dengan  maraknya penggunaan perangkat pemanas water shower, baik di hotel-hotel  maupun  di  rumah  tangga.  Perangkat pemanas  yang  banyak  di  pasaran  tidak  dilengkapi dengan  tampilan  suhu  air,  dan  pengaturan  suhunya dilakukan  secara  manual,  yang  mengakibatkan  suhu air  yang  diinginkan  kadang  terlalu  panas  atau  kurang panas.  Pada  penelitian  yang  dilakukan  pada  tugas akhir mahasiswa ini, dicoba untuk membuat perangkat pengaturan  suhu air  yang dilengkapi dengan tampilan suhu air dan menggunakan metode kendali yang telah dipelajari selama perkuliahan yaitu kendali PID.
Sistem  pengaturan  suhu  air  diatur  dan  ditampilkan secara  digital  yang  memanfaatkan  kemampuan mikrokontroller  Atmega8535  dalam  akuisisi  data  dan mengambil  keputusan.  Keuntungan  dari  sistem  ini adalah  komponen  rangkaian  yang  banyak  dipasaran
yang  harganya  cukup  terjangkau  sehingga  dalam membuat  sistem  pengaturan  suhu  ini  biaya  dapat dicapai, mudah dalam perawatan dan temperatur dapat terawasi secara  langsung pada layar LCD , pengaturan suhu  sesuai  keinginan  dengan  memasukkan setpoint pada push  button, kemudahan  dalam  pengoperasian. Sistem  pengaturan  suhu  pada  alat  yang  dirancang adalah  menggunakan  sistem  kendali PID ,  yang diharapkan  dapat  memberikan  kestabilan  dalam pengaturan suhu air.

## 2. RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan  latar  belakang  yang  telah  diuraikan sebelumnya, penelitian pada Tugas Akhir ini bertujuan untuk  merancang  dan  mengimplementasikan  sistem pengaturan suhu air yang terpantau dan menggunakan kendali  PID  dalam  perangkat  keras  secara  digital. Dengan  menggunakan  metode  kendali  PID  yang secara  ilmiah  bisa  dibuktikan  kestabilannya,  dapat memberikan  ketercapaian  kestabilan  pengaturan  suhu air yang diinginkan.
Dalam  merancang  dan  mengimplementasikan  sistem pengaturan  suhu  air  ini,  telah  dirumuskan  beberapa permasalahan yang harus diselesaikan, yaitu: bagaimana menurunkan konsep kendali PID ke dalam sistem  digital,  bagaimana  merancang  perangkat  keras dalam  menerapkan  konsep  kendali  PID,  bagaimana membuat  algoritma  kendali  PID  dan  menerapkannya dalam perangkat kendali ( controller ) yang digunakan, dan  bagaimana  memilih  konstanta  kendali  PID  yang optimal.

## 3.METODOLOGI PENELITIAN
Untuk  menyelesaikan  tugas  akhir  ini,  dilakukan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Studi Pusataka /literature.
Studi  ini  dilakukan  dengan  cara  mencari  dan membaca literature serta karya-karya “ Pengendali Suhu  Kontrol  PID ”  yang  sudah  di  buat sebelumnya  dan  data-data  yang  berhubungan dengan alat yang akan dibuat.
2. Studi Lapangan. Studi  ini  dilakukan  untuk  memperoleh  alat  dan bahan  yang  diperlukan  untuk  merancang  dan membuat  sistem  pengaturan  suhu  air  pada  sebuah
wadah.
3. perancangan dan pengembangan sistem. Pada  tahap  ini  dilakukan  perancangan  dan pengembangan hardware maupun software untuk sitem pengaturan suhu air.
4. Melakukan pengujian alat. Studi ini meliputi pengujian sistem yang dirancang dengan menggunakan beberapa parameter pengujian  sehingga  diperoleh  data  hasil  pengujian yang selanjutnya dapat dianalisis.

## 4. IKHTISAR SISTEM
4.1 Deskripsi Umum
Perancangan  dan  pembutan sistem  pengaturan  suhu air ini  terdiri  atas  beberapa  komponen  penting  yaitu Power  Supply ,  Sensor  Suhu,  Tombol Set  Point , Tampilan (LCD), Kendali PID yang  menggunakan Mikrokontroler  ATMega8535,  Sinyal Zero  Crossing Detector, Pengontrol  Tegangan  AC (SSR) dan Pemanas (Heater).
Blok diagram dari sistem alat ini seperti yang terlihat pada Gambar 1 di bawah ini:
Kendali PID Power Supply Zero Crossing Detector Set Point Sensor Suhu Tampilan (LCD) Pengoonrol Tegangan AC (SSR) Pemanas(Heater)
Pengaduk
Gambar 1. Blok Diagram Rangkaian Sistem Pengaturan Suhu Air
START Baca Suhu Sensor (LM35)
Tampilkan Pembacaan Suhu Sensor (LM35) PID Kendali Suhu Masukan Nilai Set Point Ya tidak

## Gambar 2 Algoritma Sistem Pengaturan Suhu Air
Dari  Gambar  1  dapat  dilihat,  bahwa  kendali PID
adalah  suatu  pengolahan  data  yang  utama  dalam sistem. Pembacaan  suhu  menggunakan LM35 yaitu sensor pendeteksi suhu yang dapat mengubah besaran suhu  menjadi  besaran  elektrik  berupa  tegangan. Pemanasan  air  menggunakan  elemen  pemanas  yang dikendalikan  oleh  Pengontrol  Tegangan  AC  (SSR), dan  Mikrokontroler  sebagai  pengendali  utama.  Hasil pengolahan  data  ditampilkan  pada  LCD  (Liquid Cryistal  Display).  Secara  umum  algoritma  sistem pengaturan suhu air ini dapat dilihat pada Gambar 2.

## 4.2 Perancangan Sistem

## Sistem Pengaturan Suhu
Air  yang  berada  di  dalam  wadah  dipanaskan menggunakan  sebuah  pemanas (heater) listrik.  air diaduk sedemikian rupa  sehingga seluruh cairan  yang berada  dalam  wadah  dapat  dianggap  memiliki temperatur yang sama.
Gambar 3. Tata letak komponen sistem
Dalam  kasus  sistem  pengaturan,  suhu  adalah  variabel yang akan atur, dan nilai  suhu inilah  yang diinginkan sebagai output . Kemudian input kendali adalah output dari  pemanas  listrik (electric  heater). Besarnya  kalor sebagai input kendali  selalu  diatur  dengan  mengatur tegangan  yang  diberikan  ke  pemanas.  Namun  telah ditunjukkan  bahwa  besarnya  temperatur  dapat  diatur dengan  mengatur  besarnya  tegangan  yang  diberikan ke pemanas.
Kendali PID merupakan  salah  satu  jenis  pengatur yang  banyak  digunakan.  Selain  itu  sistem  ini  mudah digabungkan  dengan  metoda  pengaturan  yang  lain seperti Fuzzy dan Robust [3]. Sehingga akan menjadi suatu  sistem  pengatur  yang  semakin  baik.  Tulisan  ini dibatasi  pada  sistem  dengan Unity  Feedback  System seperti terlihat pada Gambar 4 [3].
Gambar 4.  Blok diagram untuk Unity Feedback Systems
Kendali PID Sebenarnya  terdiri  dari  3  jenis  cara pengaturan  yang  saling  dikombinasikan,  yaitu P (Proportional)  Controller , D  (Derivative)  Controller ,
dan I  (Integral) Controller  [3],[10],[11].  Masing- masing  memiliki  parameter  tertentu  yang  harus  diset untuk  dapat  beroperasi  dengan  baik,  yang  disebut sebagai  konstanta.  Setiap  jenis,  memiliki  kelebihan dan  kekurangan  masing-masing,  hal  ini  dapat  dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 1. Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta
Closed- Loop Response Rise Time Oversho ot Settling Time Steady State Error Kp Decrease Increase Small change Decrease Ki Decrease Increase Increase Eliminate Kd Small change Decrease Decrease Small change
Parameter-parameter  tersebut,  tidak  bersifat  berdiri sendiri,  sehingga  pada  saat  salah  satu  nilai konstantanya diubah, maka mungkin sistem tidak akan bereaksi seperti yang diinginkan [3],[10],[11]. Tabel 1 di atas hanya dipergunakan sebagai pedoman jika akan melakukan  perubahan  konstanta.  Untuk  merancang suatu  kendali PID ,  biasanya  dipergunakan  metoda trial  &  error .  Sehingga  perancang  harus  mencoba kombinasi  pengatur  beserta  konstantanya  untuk mendapatkan hasil terbaik yang paling sederhana.

## Mikrokontroler AVR ATmega8535
Mikrokontroler  adalah  sebuah  sistem  yang  dapat mengontrol peralatan elektronik[2]. Sebuah mikrokontroler  umumnya  berisi  seluruh  memori  dan antarmuka I/O yang dikemas dalam sebuah chip.
Mikrokontroler  AVR  memiliki  arsitektur  RISC (Reduced  Instruction  Set  Computing)  8  bit  yang instruksinya  dikemas  dalam  kode  16  bit  dan dieksekusi  dalam  satu  siklus  clock.  Mikrokontroler Atmega  8535  memiliki  fitur  sebagai  berikut: Frekuensi clock maksimum  16  MHz,  Jalur  I/O  32 buah,  yang  terbagi  dalam  PortA,  PortB,  PortC  dan PortD, Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 8 input , Timer/Counter sebanyak  3  buah,  CPU 8 bit yang terdiri dari 32 register, Watchdog Timer dengan osilator  internal, SRAM  sebesar  512  byte, Memori Flash sebesar 8 Kbyte dengan kemampuan read while write,  Interrupt  internal maupun eksternal,  EEPROM sebesar  512  byte  yang  dapat  diprogram  saat  operasi, Analog  Comparator, Komunikasi serial  USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps.
Gambar 5. Rangkaian Mikrokontroler

## Sensor Suhu LM35
LM35 sebagai  sensor  suhu  yang  teliti  dan  terkemas dalam  bentuk  Integrated  Circuit  (IC),  dimana  output tegangan  keluaran  sangat  linear  tergantung  dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pegubah dari  besaran  fisis  suhu  ke  besaran  tegangan  yang memiliki  koefisien  sebesar  10  mV  / 0 C  yang  berarti bahwa kenaikan suhu 1ºC maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV [5].
Gambar 6.  Rangkaian Sensor Suhu LM35

## Pengatur Tegangan AC
Sebagai pengatur tegangan, digunakan rangkaian Solid State  Relay (SSR)  yang  pada  prinsipnya  adalah penggabungan  antara  rangkaian optocoupler yang menggunakan Zero  Crossing  Circuit di  dalam MOC 3041 dan TRIAC [6],[7],[9].  Gambar  7 menunjukkan gambar  rangkaian SSR ,  sedangkan  cara  kerja rangkaian ini adalah sebagai  berikut [7],[9] : Jika ada arus  melewati  MOC  kaki  1  dan  2,  Hal  ini  akan mengakibatkan dioda yang berada didalam MOC 3041 aktif  dan  transistor  yang  berada  di  dalam MOC  3041 juga  aktif.  Keadaan  ini  akan  mengakibatkan  arus  dari jala-jala  220VAC  mengalir  ke  kaki Gate  TRIAC dan akan  memicu TRIAC tersebut.  Pemicuan  ini mengakibatkan  kaki  MT1  dan  MT2  akan  terhubung dan  jala-jala  220VAC  akan  mengalir  melalui  beban. Hal  ini  berakibat  beban  ON.  C  10nF/500V  pada rangkaian  ini  berfungsi  untuk  mengurangi  arus  yang sangat besar saat beban mulai ON. Jika tidak ada arus melewati  MOC  kaki  1  dan  2,  Hal  ini  mengakibatkan dioda dan transistor yang berada di dalam MOC 3041 tidak  aktif  dan  tidak  akan  ada  pemicuan  pada TRIAC sehingga  beban  tidak  terhubung  ke  jala-jala  220VAC atau dengan kata lain beban OFF. Pemberian logika 0
ataupun logika 1 tersebut dikendalikan oleh mikrokontroler.
Gambar 7. Rangkaian  Solid State Relay

## Zero Crossing Detector
Zero Crossing Detector seperti yang bisa dilihat pada Gambar  8 adalah  rangkaian  yang  digunakan  untuk mendeteksi  gelombang  sinus  AC  220  volt  saat melewati titik tegangan nol. Seberangan titik nol yang dideteksi  adalah  peralihan  dari  positif  menuju  negatif dan peralihan dari negatif menuju positif [8].
Gambar 8.  Rangkaian Zero Crossing Detector

## Perangkat Lunak dan Algoritma Kendali
Perancangan  perangkat  lunak  secara  garis  besar bertujuan  untuk  mengatur  kerja  sistem,  seperti pembacaan hasil sensor, proses pengaturan temperatur sistem  dengan  menggunakan  algoritma  kontrol  PID digital,  serta  menghasilkan  sinyal  pengatur  tegangan AC  yang  akan  menggerakkan  aktuator.  Dengan demikian  perancangan  perangkat  lunak  ini  meliputi program utama serta beberapa fungsi-fungsi pendukung.  Program  utama  berperan  sebagai  jantung perangkat  lunak  yang  akan  mengatur  keseluruhan operasi  yang  melibatkan  fungsi-fungsi  pendukung. Sedangkan  fungsi-fungsi  pendukung  akan  melakukan kerja khusus sesuai kebutuhan dari program utama
Dalam  mengimplementasikan  konsep  kendali  ke dalam  mikrokontroler  ATmega  8535,  digunakan bahasa C dengan algoritma sebagai berikut:
void PID() { float Deriv,Integ,error,error_akhir;
error=i-suhu; Deriv=error-error_akhir; Integ = Integ + error;
SuhuKendali=(int)((KP*error)+(KI*Integ)+(KD*D eriv)); if(SuhuKendali>MaxSuhu)SuhuKendali=MaxSuhu; if(SuhuKendali<MinSuhu)SuhuKendali=MinSuhu; pwm=255-SuhuKendali; error_akhir=error; }

## 5.PENGUKURAN DAN PENGUJIAN SISTEM
Pengujian  alat  secara  keseluruhan  juga  dilakukan dengan  proses  menempatkan  sensor  suhu  dan thermometer digital dalam  alat  dengan  suhu  yang sama, kemudian membandingkan antara suhu pengukuran dan suhu yang tertampil pada LCD.
Berikut  adalah  data  hasil  pengukuran  pada  pemanas air seperti yang dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Data Pengukuran Dan Pengujian Alat Secara
Keseluruhan Tampilan Suhu Pada LCD(ºC) Tampilan Suhu Pada Thermometer (ºC) Selisih 30 30.5 0.5 33 33.2 0.2 37 36.8 0.2 40 39.7 0.3 43 43.3 0.3 45 45.7 0.7 48 47.6 0.4 51 51.1 0.1 54 54.5 0.5 57 56.6 0.4 60 60.4 0.4 % Error Suhu  = Jumlah Selisih / jumlah percobaan
% Error Suhu  = 4/ 11 = 0.36 0 C
Untuk pemberian nilai parameter Kp, Kd dan Ki untuk memperoleh  respon  sistem  yang  optimal  dilakukan dengan  menggunakan  metode  manual (trial  and error). Adapun  langkah-langkah  penalaan  dilakukan sebagai berikut :
 Suhu air dinaikan hingga mencapai suhu 43ºC.
 Memberikan nilai Kp, Ki dan Kd hingga kontroler dengan  mengamati  lampu  indikator  dan  suhu yang tertampil di thermometer .
Tabel 3 memperlihatkan data hasil pengukuran kinerja pengendali  dengan  nilai  konstanta  kendali  sebagai berikut:
Tabel 3. Data Pengukuran kinerja pengendali
Konstanta Kendali Respon Kp Ki Kd Rise Time (s) Overshoot (%) Settling Time (s) Steady State Error (%) 60 10 0:22:20:41 0.93 0:22:42:14 -4.18 60 5 0:21:44:19 2.55 0:23:03:10 -4.65 60 3 0:21:30:54 3.95 0:23:34:19 -5.34 80 10 0:19:05:46 5.11 0:21:15:05 2.32 80 5 0:19:20:31 5.34 0:21:21:11 0.69 80 3 0:18:47:21 7.91 0:21:25:04 -0.93 100 10 0:17:43:09 9.76 0:20:31:05 8.37 100 5 0:17:55:16 10.4 0:20:39:08 6.27 100 3 0:16:20:02 13.02 0:20:52:03 3.72 60 0.1 5 0:21:35:14 1.86 0:23:43:24 -7.91 80 0.1 5 0:18:58:17 4.88 0:22:33:07 -0.23 100 0.1 5 0:17:20:12 7.44 0:21:40:01 5.81  % Overshoot =    (  (SuhuOut  –  SuhuTeori)  /
SuhuTeori ) *100%
 % Steady State Error = ( (SuhuOut – SuhuTeori) / SuhuTeori ) *100%
Berdasarkan  hasil  percobaan  untuk set  point 43ºC, diperoleh data tanggapan waktu paling optimal dengan rise time selama 18  menit 58 detik,  persen overshoot dan steady state error terkecil. Kinerja pengendali ini diperoleh dengan nilai konstanta kendali Kp= 80, Ki = 0.1, dan Kd = 5.

## 6.ANALISA SISTEM
Dari  Tabel  3  memperlihatkan  kinerja  sistem pengaturan  suhu  air  ini  belum  optimal  untuk tanggapan  waktunya,  karena  dari  data  tersebut  waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai nilai setpoint masih  cukup  lama  sekitar  18  menit,  sedangkan  untuk % overshoot dan % steady state error memperlihatkan nilai  yang  cukup  kecil,  artinya  kinerja  pengendali  ini cukup baik.
Dari pengujian kinerja sistem kendali, pemberian nilai Kp  digunakan  untuk  memperbaiki rise  time .  Dari pengujian pemberian nilai Kp dibawah 80 mengakibatkan  waktu rise  time menjadi  lebih  lama, sedangkan  % overshoot semakin  kecil, settling  time- nya akan  semakin  besar  dan steady  state  error-nya akan  semakin  besar  dan  sebaliknya  pemberian  nilai Kp  lebih  besar  akan  mengakibatkan  waktu rise  time semakin cepat, overshoot semakin besar, settling time semakinn  cepat,  dan steady  state  error- nya  akan semakin besar
Nilai  Kd    digunakan  untuk  memperbaiki overshoot . Pemberian  nilai  Kd  dibawah  5  mengakibatkan rise time semakin cepat, overshoot semakin besar, settling time semakin  lama,  dan steady  state  error- nya  akan semakin  besar,  dan  sebaliknya  pemberian  nilai  Kd diatas  5  akan  mengakibatkan rise  time- nya  semakin lama, overshoot semakin  kecil, settling  time semakin cepat dan steady state error- nya akan semakin besar.
Nilai  Ki  digunakan  untuk  memperbaiki steady  state error .  Pemberian  nilai  Ki  sebesar  0.1  mengakibatkan rise  time akan  semakin  cepat, overshoot semakin kecil, settling  time semakin  lama,  namun steady  state errornya lebih baik dari pada jika hanya menerapkan kendali PD yang nilai konstantanya Kp 80 dan Kd 5.

## 7. KESIPULAN DAN SARAN

## Kesimpulan
Dari hasil analisa data diatas   dapat diambil beberapa kesimpulan diantaranya:
1. Sistem  pengaturan  suhu  air  ini  mempunyai keakuratan  pengukuran  suhu  yang  mendekati dengan thermometer.
2. Alat  ini  bekerja  dengan  baik  dan  mencapai  tujuan yang diinginkan,  walaupun tanggapan  waktu  yang
diperoleh  masih  cukup  besar,  yaitu  18  menit  dan 58 detik.
3. Alat ini dapat memanaskan air sesuai dengan suhu air yang dibutuhkan kisaran suhu 30ºC-60ºC.
4. Menggunakan daya heater  yang lebih kecil bila di bandingkan  volume  air  mengakibatkan rise  time (tanggapan  waktu)  atau  waktu  mencapai setpoint akan semakin lama.

## Saran
Untuk  sistem  yang  lebih  baik  kedepannya  perlu ditambahkan beberapa hal diantaranya :
1. Untuk  mendapatkan  pembacaan  suhu  air  yang lebih  baik  lagi,  lebih  baik  menggunakan  sensor suhu  yang  khusus  untuk  pembacaan  suhu  dalam air.
2. Dalam  pembuatan  sistem  pengaturan  suhu  air  ini dapat  dibuat  permodelan  sistem  alat  agar  dapat memperoleh  nilai  konstanta  Kp,Kd  dan  Ki  yang lebih baik.
3. Membuat  aplikasi  sistem  monitoring  kinerja pengendali berbasiskan komputer.
4. Implementasi pada aplikasi watershower
sesungguhnya .

## 8. REFERENSI
[1]. Okky  Janrizky,  Andy  Panggabean,  “ Sistem Pengaturan  Suhu  Air  Menggunakan  Kendali PID ”,  Tugas  Akhir  Diploma  III  Program  Studi Teknik Elektronika Politeknik Batam, 2010
[2]. Budihartono, Widodo. 2005. Perancangan Sistem dan  Aplikasi Mikrokontroler . Jakarta: PT Elex Media Komputindo.
[3]. Pitowarno,  Endra,  2006 .  Robotika .  Yogyakarta  : CV Andi Offset.
[4]. Rashid,  Mehammad  H.  1999. Elektronika  Daya . Jakarta: PT Prenhallindo.
[5]. http://www.alldatasheet.com/datasheet- pdf/pdf/8866/NSC/LM35.html[08-04-2010 16:23]
[6]. http://www.scribd.com/doc/33212330/SCR- DIAC-TRIAC
[7]. http://www.avrku.com/2009/09/driver-beban-ac- tanpa-relay.html [12-04-2010 20:22]
[8]. http://www.alldatasheet.com/datasheet- pdf/pdf/2848/MOTOROLA/4N35.html  [15-04- 2010 17:05]
[9]. http://www.alldatasheet.com/datasheet- pdf/pdf/5039/MOTOROLA/MOC3041.html  [15- 04-2010 17:05]
[10]. http://id.wikipedia.org/wiki/PID [02-05-2010 22:31]
[11]. http://meriwardana.blogspot.com/2010/06/menge nal-pengendali-pid-pid-controller.html [02-05- 2010 22:40]