PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

KENDALI KONTINYU & DIGITAL PADA PLANT

LEVEL AIR DENGAN METODE ZIEGLER-NICHOLS

& COOHEN COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN

ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan tugas mata

kuliah Sistem Kendali Digital

DIPLOMA III PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Raka Rinaldi

131311057

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

MOTTO

“ Tak ada yang mustahil di dunia ini, jika kita besunguh-sungguh ”

“ Dengan niat yang tulus dan kuat, pekerjaan apapun akan menjadi lebih

mudah ”

“ Doa dan restu dari orang tua menjadi kendaraan yang paling cepat untuk

mencapai tujuan ”

PERSEMBAHAN

Alhamdulillah.. Puji syukur kepada Tuhan YME atas segala rahmat dan

hidayahnya yang telah memberikan kekuatan, kesehatan dan kesabaran untuk ku

dalam mengerjakan laporan akhir ini. ku persembahkan skripsi ini untuk:

1. Kedua orangtua ku tercinta, Ayahanda Satris Wardi dan Ibunda Rini

Rosilawati. Ini anakmu mencoba memberikan persembahan yang

terbaik untuk kalian. Betapa diri ini ingin sekali melihat kalian

bangga padaku. Betapa tak ternilai kasih sayang dan pengorbanan

kalian padaku. Terimakasih atas dukungan moril dan materil

untukku selama ini.

2. Kakak ku tercinta Anita Esa Ranika. Ini adikmu mencoba untuk

membalas kebaikanmu selama ini, dengan memberikan

persembahan yang terbaik. Terimakasih atas dukungan dan doa

untuk kesuksesan raka.

3. Dosen wali kelas ku, pak feriyonika. Terimakasih untuk ilmu yang

telah engkau ajarkan selama ini. Baik ilmu akademik maupun non

akademik. Sehingga sekarang ini saya lebih mengerti pak tentang

dan menggemari tentang sistem kendali, tadinya saya rasa sistem

kendali adalah ilmu yang sulit untuk dipahami, namun setelah

ii

diajarkan oleh bapak, semuanya menjadi lebih mudah. Terimakasih

banyak pak.

4. Sahabat dan teman teman yang saya banggakan terimakasih atas

gangguannya selama ini yang selalu saja merepotkan dan

mengganggu saya dalam mengerjakan laporan ini. Namun itu

menjadi hiburan tersendiri bagi saya disela-sela pembuatan laporan

ini. Thanks bro.

5. Terimakasih untuk Fitri Adamatul Hikmah yang udah memberi

semangat setiap hari untukku. Semoga persembahan ini

membuatmu senang dan bangga karena bisa mengenalku.

iii

ABSTRAKSI

Peran sistem kendali pada suatu alat yang berjalan secara otomatis sangatlah

besar yaitu hampir 80%. Karena seorang engineer yang mengoperasikan atau

memantau pekerjaan alat tidak selalu bisa memantau kerja alat tersebut. Oleh

karena itu sistem yang terkendali pada suatu alat harus memiliki error yang kecil

untuk memperkecil kesalahan yang terjadi. Untuk membuat suatu sisem dengan

error yang kecil diperlukan perhitungan yang tepat dan akurat, melalui beberapa

metode agar sistem dapat terkendali. Misalnya metode Ziegler-Nichols dan Cohhen

and Coon dapat digunakan untuk mendesain sistem kendali dengan menggunakan

tiga parameter yaitu Propotional – Intergal – Devirative (PID). Ketika sudah

mendapat ketiga parameter PID, suatu sistem dapat kita kendalikan Responnya

(Process Value) sesuai dengan Set Point yang di terapkan. Misalnya jika ingin

mengendalikan Level Air, yang dapat dikendalikan disini adalah berapa banyak air

yang masuk dan berapa banyak air yang keluar agar level air sesuai dengan set

point. Tidak hanya dapat digunakan pada Level Air sederhana, bisa juga diterapkan

di industri, misalnya mengendalikan level minyak bumi pada tangki yang sangat

besar besar atau yang lainnya.

Kata Kunci : Error, Ziegler-Nichols, Cohen and Coon, Propotional, Intergrative,

Devirative, Process Value, Set Point

iv

ABSTRACTION

The role of the control system on a device that runs automatically so great

that almost 80%. Because an engineer who operate or monitor the work tools can

not always monitor the work of the tool. Therefore the system is controlled on a

device must have a small error to minimize the errors that occurred. To create a

system with a small error required precise and accurate calculations, through

several methods for the system can be controlled. For example Ziegler-Nichols

method and Cohhen and Coon can be used to design the control system using three

parameters: the proportional - Intergal - Devirative (PID). When it gets three PID

parameters, a system we can control response (Process Value) in accordance with

the Set Point is applied. For example if you want to control the water level, which

can be controlled here is how much of the incoming water and how much water

comes out so that the water level in accordance with the set point. Not only can be

used on a simple water level, can also be applied in industry, for example,

controlling the level of oil in a very large tank or other large.

Keyword : Error, Ziegler-Nichols, Cohen and Coon, Propotional, Intergrative,

Devirative, Process Value, Set Point

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas

berkat,rahmat, taufik dan hidayah-Nya, penyusunan laporan akhir yang berjudul

“PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI KONTINYU &

DIGITAL PADA PLANT LEVEL AIR DENGAN METODE ZIEGLER-

NICHOLS & COOHEN COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO”

dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan skripsi ini banyak

mengalami kendala, namun berkat bantuan, bimbingan, kerjasama dari berbagai

pihak dan berkah dari Allah SWT sehingga kendala-kendala yang dihadapi tersebut

dapat diatasi. Untuk itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan

penghargaan kepada Bapak Feriyonika, S.T., MSc.Eng. selaku dosen wali kelas dan

dosen mata kuliah Sistem Kendali Digital yang telah dengan sabar, tekun, tulus dan

ikhlas meluangkan waktu, tenaga dan pikiran memberikan bimbingan, motivasi,

arahan, dan saran-saran yang sangat berharga kepada penulis selama menyusun

laporan akhir ini.

Akhirnya, dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak

terdapat kekurangan-kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran

dan kritikyang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan akhir ini

vi

DAFTAR ISI

ABSTRAKSI ....................................................................................................... iii

KATA PENGANTAR ......................................................................................... v

DAFTAR ISI ....................................................................................................... vi

DAFTAR TABEL ............................................................................................. vii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix

DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xi

DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN ....................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI .......................... 2

2.1. PID ..................................................................................................... 2

2.1.1 Kontrol Propotional ............................................................ 2

2.1.2 Kontrol Integrative ............................................................. 3

2.1.3 Kontrol Derivative .............................................................. 4

2.2. Sistem Kendali Open Loop ................................................................ 4

2.3. Sistem Kendali Close Loop ................................................................ 5

2.4. Manual Tunning PID.......................................................................... 5

2.5. Plant Level Air ................................................................................... 6

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ................................... 7

3.1. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1 ........................ 7

3.2. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2 ...................... 11

3.3. Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon ................................ 13

3.4. Realisasi Desain PID dengan Script Matlab ................................................ 15

3.5. Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller) .................. 19

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 23

4.1 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1 ....................... 23

4.2 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2 ....................... 24

4.3 Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon ................................. 25

4.4 Realisasi Desain PID dengan Script Matlab ................................................. 26

4.5 Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller) ................... 27

vii

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 29

5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 29

5.2 Saran .............................................................................................................. 30

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 31

viii

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Manual Tunning PID ............................................................................ 6

Tabel III.1 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 10

Tabel III.2 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Matlab) .......................... 10

Tabel III.3 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya) ................... 11

Tabel III.4 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 13

Tabel III.5 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya) ................... 13

Tabel III.6 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 14

Tabel III.7 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu Matlab) ..................................... 15

Tabel III.8 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu Matlab) ..................................... 15

Tabel III.9 Parameter PID ................................................................................... 18

Tabel IV.1 Hasil Manual Tunning PID Script .................................................... 26

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Blok Diagram PID Controller........................................................... 2

Gambar II.2 Sistem Kendali Open Loop .............................................................. 4

Gambar II.3 Sistem Kendali Close Loop .............................................................. 5

Gambar II.4 Plant Level Air.................................................................................. 6

Gambar III.1 Blok Diagram Kendali Level Air .................................................... 7

Gambar III.2 Realisasi Blok Diagram Kendali Level Air..................................... 7

Gambar III.3 Koneksi Arduino dengan Plant ....................................................... 8

Gambar III.4 Koneksi Arduino dengan Plant 2 .................................................... 8

Gambar III.5 Blok Simulink ZN Tipe 1 ................................................................ 9

Gambar III.6 Sinyal Awal ZN Tipe 1 ................................................................. 10

Gambar III.7 Blok Diagram Kendali Level Air 2 ............................................... 11

Gambar III.8 Sinyal Awal ZN Tipe 2 ................................................................. 12

Gambar III.9 Blok Simulink CC ......................................................................... 13

Gambar III.10 Sinyal Awal CC ........................................................................... 14

Gambar III.11 Blok Simulink Realisasi PID Script ............................................ 15

Gambar III.12 Realisasi PID Script .................................................................... 16

Gambar III.13 Flow Chart PID Script ................................................................. 16

Gambar III.14 Script PID Matlab........................................................................ 18

Gambar III.15 Koneksi Arduino dengan Matlab ................................................ 19

Gambar III.16 Blok Diagram Kendali Level Air Standalone Control ................ 19

Gambar III.17 Realisasi Standalone Control ..................................................... 20

Gambar III.18 Script Arduino PID...................................................................... 22

Gambar IV.1 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 .................................................... 23

Gambar IV.2 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 Manual Tunning ........................ 24

Gambar IV.3 Respon Kendali PID ZN Tipe 2 .................................................... 24

Gambar IV.4 Respon Kendali PID CC ............................................................... 25

Gambar IV.5 Respon Kendali PID CC Manual Tunning ................................... 25

Gambar IV.6 Respon Kendali PID dengan Script .............................................. 26

x

Gambar IV.7 Respon Kendali PID dengan Script Manual Tunning ................... 27

Gambar IV.8 Serial Monitor SP dan PV ............................................................. 28

Gambar IV.9 Tampilan SP dan PV pada LCD ................................................... 28

1

BAB I

PENDAHULUAN

Di masa yang modern seperti sekarang ini banyak sekali alat – alat

elektronik canggih yang sudah tercipta, mulai dari alat yang dijalankan secara

manual samapai yang bisa dioperasikan secara otomatis. Bagaimanapun alatnya,

untuk mengendalikannya pasti dibutuhkan manusia. Sistem yang digunakan untuk

mengendalikan suatu alat pun harus canggih dengan error yang seminimimal

mungkin. Peran seorang engineer sangatlah penting untuk men-desain suatu sistem

kendali sesuai dengan keperluan.

Sistem kendali banyak sekali dipakai dalam dunia industri. [1] Dunia

industri terus berkembang dengan sistem-sistem yang baru dalam bidang

manufaktur maupun energi, khususnya sistem kontrol (Dede dkk, 2009). Saat ini

banyak sekali ditawarkan suatu metode kontrol yang efektif dan mudah untuk

diimplementasikan, salah satunya kontrol dengan sistem PID (Proporsional

Integral Derivative). Penelitian mengenai pengendalian temperature yang lebih

komplek juga sangat banyak di temui di dunia penelitian maupun dunia akademis.

Wijaya (2009) [2] meneliti tentang Pengendalian Suhu Dan Ketinggian Air Pada

Boiler Menggunakan Kendali PID dengan Metode Root Locus.

Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID untuk

mengendalikan modul plant Level Air. Metode yang dipakai untuk mendapatkan

parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 (open

loop) dan tipe 2 (closed loop). Setelah parameter-parameter PID (Kp, Ti, Td)

didapat, selanjutnya nilai dari parameter tersebut di gunakan ke modul PID. Respon

sistem akan di analisis dan akan diperbaiki dengan teknik manual tuning untuk

memperhalus respon agar sistem lebih handal. Setelah mendapatkan parameter

yang tepat, nanti dapat dilihat respon yang bagus, yaitu sama dengan set point.

Mulai dari rise time, overshoot, steady state respon bisa di tunning manual sesuai

keperluan.

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

2.1. PID

PID (Propotional Integral Derivative) Controller merupakan

kontroler untuk menetukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik/ feedback pada sistem tersebut. Komponen

PID terdiri dari 3 jenis, yaitu Propotional, Integratif, dan Derivative.

Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri, tergantung dari

respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.

Gambar II.1 Blok Diagram PID Controller

Perhitungan PID sendiri memiliki rumus sebagai berikut :

.........................................................(1)

2.1.1 Kontrol Propotional

Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta.

Jika u = G(s) x e maka u = Kp x e dengan Kp adalah Konstanta

Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa

memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan

kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang

3

tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi

dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk

memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time.

Pengontrol proporsional memiliki keluaran yang

sebanding/proporsional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih

antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya).

2.1.2 Kontrol Integrative

Pengontrol Integral berfungsi menghasilkan respon sistem

yang memiliki kesalahan keadaan mantap nol (Error Steady State

= 0 ). Jika sebuah pengontrol tidak memiliki unsur integrator,

pengontrol proporsional tidak mampu menjamin keluaran sistem

dengan kesalahan keadaan mantapnya nol. Jika G(s) adalah kontrol

I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t)=[integral e(t)dT] x Ki

dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas,

G(s) dapat dinyatakan sebagai u=Kd x [delta e/delta t]. Jika e(T)

mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat

besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error.

Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin

kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan

respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat

menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat

menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat

tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena

menambah orde system. Keluaran pengontrol ini merupakan hasil

penjumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Jika

sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, maka keluaran akan

menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan.

Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang

dibentuk oleh kurva kesalahan / error.

4

2.1.3 Kontrol Derivative

Keluaran pengontrol diferensial memiliki sifat seperti halnya

suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan

pengontrol akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan

cepat. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan, keluaran

pengontrol juga tidak mengalami perubahan, sedangkan apabila

sinyal masukan berubah mendadak dan menaik (berbentuk

fungsi step), keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika

sinyal masukan berubah naik secara perlahan (fungsi ramp),

keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar

magnitudenya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari

fungsi ramp dan faktor konstanta Kd. Sinyal kontrol u yang

dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai G(s) = s x Kd

Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini

dalam konteks “kecepatan” atau rate dari error. Dengan sifat ini ia

dapat digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan

memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya

berubah saat ada perubahan error sehingga saat error statis kontrol

ini tidak akan bereaksi, hal ini pula yang menyebabkan kontroler

Derivative tidak dapat dipakai sendiri.

2.2. Sistem Kendali Open Loop

Open loop control atau kontrol lup terbuka adalah suatu sistem yang

keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Artinya,

sistem kontrol terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai umpan

balik dalam masukan.

Gambar II.2 Sistem Kendali Open Loop

Dalam suatu sistem kontrol terbuka, keluaran tidak dapat

dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi, untuk setiap masukan acuan

5

berhubungan dengan operasi tertentu, sebagai akibat ketetapan dari sistem

tergantung kalibrasi. Dengan adanya gangguan, system control open loop

tidak dapat melaksanakan tugas sesuai yang diharapkan. System control open

loop dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran

diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal.

2.3. Sistem Kendali Close Loop

Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal

keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan, sistem

kontrol lup tertutup juga merupakan sistem kontrol berumpan balik. Sinyal

kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan

sinyal umpan balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi

sinyal keluaran atau turunannya, diumpankan ke kontroler untuk

memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga

yang diinginkan. Dengan kata lain, istilah “lup tertutup” berarti menggunakan

aksi umpan – balik untuk memperkecil kesalahan sistem.

Gambar II.3 Sistem Kendali Close Loop

Gambar II.3 menunjukkan hubungan masukan dan keluaran dari

sistem kontrol lup tertutup. Jika dalam hal ini manusia bekerja sebagai

operator, maka manusia ini akan menjaga sistem agar tetap pada keadaan

yang diinginkan, ketika terjadi perubahan pada sistem maka manusia akan

melakukan langkah – langkah awal pengaturan sehingga sistem kembali

bekerja pada keadaan yang diinginkan.

2.4. Manual Tunning PID

Teknik manual tunning sebenarnya adalah sebagai pelengkap dari

metode – metode yang dipakai untuk mendesain PID kontroler. Sebagai

6

optional, ketika mendapatkan repon yang kurang sesuai dengan keperluan.

Dalam manual tunning, dapat mengacu pada tabel dibawah ini.

Tabel II.1 Manual Tunning PID

Dengan menggunakan tabel diatas, akan lebih mudah untuk

melakukan manual tunning pada desain PID yang kurang sesuai, misalnya

penyebab adanya atau besarnya overshoot adalah nilai Kp dan Ki yang besar

sehingga kedua nilai tersebut harus diturunkan perlahan untuk memperkecil

overshoot yang ada.

2.5. Plant Level Air

Tujuan dari mendesain PID adalah menerapkannya pada suatu plant,

salah satu plant yang dapat dikendalikan misalnya adalah plant level air.

Bagian – bagian yang terdapat pada plant level air yaitu adalah pompa yang

berfungsi untuk mengeluarkan air dan sensor yang berguna sebagai feedback

ke PID kontrol agar plant dapat dikendalikan. Dan juga pada plant ini terdapat

gangguan berupa keran tempat keluarnya air yang berfungsi untuk menguji

kestabilan sistem yang telah diterapkan pada plant tersebut. Untuk lebih jelas,

Gambar II.4 adalah salah satu plant level air yang dapat dikendalikan.

Gambar II.4 Plant Level Air

Parameter Rise Time Overshoot Setting Time S-S Error

Kp Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang

Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Kd Minor Change Berkurang Berkurang Minor Change

7

BAB III

METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

3.1. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1

Dalam mendesain kendali PID Level Air dengan menggunakan

Arduino Matlab, hal pertama yang harus dilakukan adalah pastikan bahwa

arduino sudah terbaca di Matlab. Dengan cara mengupload program adio

pada Arduino, dan juga menjalankan script arduino.m dan install_arduino.m.

Jika sudah maka Matlab akan dapat membaca Arduino. Lalu berikut ini

adalah langkah-langkah dalam membuat kendali PID dengan metode Ziegler

Nichols menggunakan Arduino Matlab :

a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level

Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar III.1

Gambar III.1 Blok Diagram Kendali Level Air

Realisasinya terdapat pada gambar III.2

Gambar III.2 Realisasi Blok Diagram Kendali Level Air

POWER

SUPPLY

SET

POINT

PID

CONTROLLER

PENGUAT

DAYA

PLANT LEVEL

AIR

8

b.) Karena ingin membaca sinyal input dari set point dan sinyal output dari

plant (Respon). Maka koneksikan output keluaran dari set point dan

output keluaran dari plant ke analog input Arduino. Namun sebelumnya

karena arduino hanya dapat membaca tegangan dengan batas maksimal

5v, maka tegangan dari set point harus melewati rangkaian pembagi

tegangan terlebih dahulu agar tegangannya menjadi setengahnya, setelah

itu dapat di koneksikan ke analog input Arduino. Untuk tegangan dari

plant yang nantinya akan dijadikan sebagai respon, bisa langsung di

koneksikan ke analog input Arduino karena tegangan maksimal dari

plant adalah 2v. Realisasinya sepeti gambar III.3.

Gambar III.3 Koneksi Arduino dengan Plant

c.) Menyalakan Power supply dan koneksikan Arduino ke Laptop dan

membuka program Matlab.

Gambar III.4 Koneksi Arduino dengan Plant 2

9

d.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink

seperti gambar III.5.

Gambar III.5 Blok Simulink ZN Tipe 1

Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari set point dan sinyal dari

respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah itu

sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v.

Karena output dari plant yang dipakai adalah 0.2v/mbar maka kedua

sinyal harus dikali dengan 1/0.2v. untuk sinyal dari setpoint karena

sebelumnya masuk dahulu ke rangkaian pembagi setengah, maka harus

dibalikan lagi ke sinyal semula dengan mengkalikan 2. Untuk step pada

sinyal respon digunakan agar sinyal respon sama dengan setpoint saat

awal untuk di desain menggukan metode Ziegler Nichols Tipe-1.

e.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali

PID-nya dengan menaikan set point dengan cepat, sehingga responnya

pun akan naik. Seperti gambar III.6.

10

Gambar III.6 Sinyal Awal ZN Tipe 1

Pada gambar 2.6 garis yang berwarna merah adalah sinyal dari set

point, dan garis yang berwarna biru adalah sinyal dari respon. Setelah

mendapatkan sinyal seperti gambar diatas, langsung dihitung nilai L dan

T. Perhitungan KP, Ki Dan Kd dapat mengacu pada tabel berikut :

Tabel III.1 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1

Perhitungan KP, Ki Dan Kd dengan menggunakan Excel dapat dilihat

pada tabel dibawah ini.

Tabel III.2 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Matlab)

WAKTU MATLAB

L T Kp Ti Td Ki Kd

56,6 588,4 12,4749117 113,2 28,3 0,1102024 353,04

11

f.) Karena waktu pada matlab berbeda dengan waktu sebenarnya, maka

harus di konversikan terlebih dahulu dengan membandingkan waktu

matlab dengan waktu sebenarnya menggunakan stopwatch. Setelah

dihitung nilai KP, Ki dan Kd dengan watu sebenarnya dapat dilihat pada

tabel dibawah ini.

Tabel III.3 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya)

3.2. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2

Dalam mendesain kendali menggunakan metode Ziegler Nichols Tipe

2 untuk plant level air, setting awalnya sama saja dengan Ziegler Nichols Tipe

1. Namun yang membedakan adalah langkah mendapatkan nilai Kp, Ki dan

Kd nya. Yaitu mendapatkan sinyal awalanya. Agar lebih jelas berikut ini

adalah langkahnya :

a.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink

seperti gambar III.7

Gambar III.7 Blok Diagram Kendali Level Air 2

REAL TIME

L T Kp Ti Td Ki Kd

6,07 63,54 12,5614498 12,14 3,035 1,0347158 38,124

12

Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari set point dan sinyal dari

respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah itu

sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v. Lalu

dikalikan lagi dengan 5 agar sama dengan sinyal aslinya.

b.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali

PID-nya dengan cara mematikan Ti dan Td. Lalu mencari sinyal respon

sampai sinyal tersebut berosilasi stabil terus menerus, dengan cara

mengubah-ubah nilai Kp. Setelah diubah-ubah, nilai Kp yang didapatkan

adalah 340,22. Nilai tersebut didapatkan dengan membagi nilai keluaran

dari PID dengan set point yang masuk. Berikut adalah gambar sinyal

respon yang berosilasi terus menerus. Dan juga didapatkan nilai Pcr

untuk paramater dalam mendapatkan nilai Ki dan Kd nanti.

Gambar III.8 Sinyal Awal ZN Tipe 2

Pada gambar III.8 garis yang dilingkari adalah sinyal respon saat

berosilasi secara terus menerus. Nilai Pcr adalah pengurangan dari puncak

ke puncak (1 perioda). Setelah nilai Kcr dan Pcr di dapat paramater Ki dan

Kd dapat dicari dengan rumus berikut ini.

13

Tabel III.4 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1

c.) Setelah dilakukan perhitungan untuk mendapatkan parameter lain

didapatkan hasil sebagai berikut pada tabel III.5

Tabel III.5 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya)

3.3. Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon

Dalam mendesain kendali menggunakan metode Cohen and Coon

untuk plant level air, setting awalnya sama saja dengan Ziegler Nichols Tipe

1 & 2. Namun yang membedakan adalah langkah mendapatkan nilai Kp, Ki

dan Kd nya. Yaitu mendapatkan sinyal awalanya. Agar lebih jelas berikut ini

adalah langkahnya :

a.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink seperti

gambar III.9

Gambar III.9 Blok Simulink CC

REAL TIME

Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd

340,322 0,7544 204,1932 0,3772 0,0943 541,339343 19,25541876

14

Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari setpoint dan sinyal

dari respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah

itu sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v. Lalu

dikalikan lagi dengan 5 agar sama dengan sinyal aslinya.

b.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali

PID-nya dengan cara mematikan Ti , Td dan Kp diset 1x. Ubah setpoint

2 kali. Agar sinyal respon naik 2 x, setelah sebelumnya mencapai steady

state. Seperti gambar berikut.

Gambar III.10 Sinyal Awal CC

c.) Setelah mendapatkan sinyal awal dan juga nilai τd, τ, dan gp, untuk

mencari nilai Kp, Ti dan Td dapat menggunakan tabel berikut.

Tabel III.6 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1

15

Setelah dilakukan perhitungan untuk mendapatkan parameter lain didapatkan

hasil sebagai berikut pada tabel III.7.

Tabel III.7 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu

Matlab)

Gp τd τ Kc Ti Td Ki Kd

0,693981 15 408 53,27198951 36,92559 5,51250685 1,442684974 293,6622

Tabel III.8 Hasil Perhitungan PID CC

(Waktu Matlab)

Kp Ti Td

4,36830314 3,027898134 0,452026

3.4. Realisasi Desain PID dengan Script Matlab

Dalam mendesain kendali PID pada matlab yang dilakukan adalah

membuat script yang berisi perintah agar suatu sistem dapat dikendalikan.

Setting hardware sama saja dengan sebelumnya, namun ada sedikit yang

membedakan. Berikut adalah hal yang harus dilakukan :

a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level

Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar III.11

Gambar III.11 Blok Simulink Realisasi PID Script

Realisasinya terdapat pada gambar III.12

POWER

SUPPLY

PID

CONTROLLER

PENGUAT

DAYA

PLANT LEVEL

AIR

ARDUINO

16

Gambar III.12 Realisasi PID Script

b.) Modul set point tidak digunakan karena set point menggunakan

potensiometer yang terhubung ke analog input arduino yang dapat

diubah nilai tegangannya dari 0 – 5v.

c.) Berikut adalah flow chart untuk membuat PID digital dengan script

Matlab.

Gambar III.13 Flow Chart PID Script

17

Programnya adalah sebagai berikut ini:

18

Gambar III.14 Script PID Matlab

d.) Setelah itu memasukan nilai Kp, Ti dan Td yang telah didapatkan

sebelumnya dengan menggunakan metode Ziegler Nichols Tipe 1

kedalam inisialisasi program. Berikut adalah nilai Kp, Ti dan Td.

Tabel III.9 Parameter PID

Kp Ti Td

12,5614498 12,14 0

e.) Memastikan bahwa arduino telah terkoneksi dengan Matlab, dengan

mejalankan instal_arduino.m dan arduino.m. dan membuat koneksi

arduino seperti gambar berikut.

19

Gambar III.15 Koneksi Arduino dengan Matlab

Analog 0 digunakan sebagai set point yang diatur menggunakan

potensiometer, dan Analog 5 digunakan sebagai sinyal respon. Untuk

kendali on off nya digunakan jumper dari pin 13 ke pin 10. Sebagai output

PID digunakan pin 6 yang dimasukan kedalam PID analog untuk

membesarkan gainnya menjadi 2 kai lipat, dengan cara mengatur Kp agar

outputnya dikuatkat 2x dari inputnya. Karena output PID memiliki range 0-

10v sedangkan arduino hanya 0-5v.

f.) Menjalankan PID script yang telah dibuat, berikut adalah gambar dari

setpoint dan respon saat script dijalankan.

3.5. Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller)

Dalam merealisasikan PID ke arduino pada plan Level Air, hal- hal yang

harus dilakukan adalah sebagai berikut.

a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level

Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar berikut.

Gambar III.16 Blok Diagram Kendali Level Air Standalone Control

20

Realisasinya terdapat pada gambar berikut.

Gambar III.17 Realisasi Standalone Control

b.) Modul set point tidak digunakan karena set point menggunakan

potensiometer yang terhubung ke analog input arduino yang dapat

diubah nilai tegangannya dari 0 – 5v. Lalu Modul PID analog tidak

sepenuhnya digunakan, karena modul tersebut hanya digunakan

parameter Kp nya saja. Karena keluaran dari Arduino terbatas yatu

sampai 5V sedangkan tegangan yang masuk ke penguat daya harus

memilik range 0 – 10V oleh karena itu harus dikalikan 2 dengan

menggunakan gain yang ada di PID analog.

c.) Lalu Pin-pin yang digunakan pada arduino adalah sebagai berikut.

A0, digunakan sebagai Set point dengan cara mengkoneksikannya

dengan Potensiometer.

A5, digunakan sebagai Respon dari sensor plant.

PIN 3, digunakan sebagai keluran yang digunakan untuk

menjalankan plant.

d.) Setelah semua terkoneksi, langkah selanjutnya adalah membuat

program di Arduino IDE dengan script sebagai berikut.

21

22

Gambar III.18 Script Arduino PID

Parameter Kp, Ti dan Td didapatkan dari metode yang sebelumnya yang

digunakan pada realisasi desain PID dengan script matlab pada tabel III.9.

Setelah itu upload program tersebut pada Arduino. Dan menghidupkan

Power supply.

23

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1

Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan

pada PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan

menjadi seperti gambar IV.1

Gambar IV.1 Respon Kendali PID ZN Tipe 1

Sinyal respon akan terlihat sama saat steady state dengan sinyal dari

setpoint, namun sinyal respon yang dilingkari merah terdapat frekuensi tinggi

yang mengganggu ketelitian. Oleh karena itu Td pada PID harus di off kan

agar frekuensi tinggi tersebut ditahan. Ketika Td di off kan sinyal respon lebih

halus seperti pada lingkaran ungu pada gambar diatas.

Sinyal respon diatas masih memiliki overshoot yang cukup besar oleh

karena itu, dilakukan manual tunning agar overshoot mengecil. Dengan

menaikan sedikit-sedikit Kp dan Ti. Sinyal yang telah dilakukan manual

tunnig dapat dilihat pada gambar IV.2

24

Gambar IV.2 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 Manual Tunning

Gambar diatas adalah hasil manual tunning dengan menaikan Kp

dan Ti. Terlihat overshoot menjadi mengecil sehingga terlihar sinyal respon

sama dengan setpoint pada saat-saat tertentu. Namun saat set point diubah

secara cepat dan lebih jauh, sinyal respon terlihat melewati sinyal set point.

4.2 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2

Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan pada

PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan menjadi

seperti gambar IV.3

Gambar IV.3 Respon Kendali PID ZN Tipe 2

25

Sinyal respon akan terlihat sama saat steady state dengan sinyal dari

setpoint, namun agak sedikit berosilasi, hal tersebut karena plan yang

dikendalikan adalah air.

4.3 Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon

Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan

pada PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan

menjadi seperti gambar IV.4

Gambar IV.4 Respon Kendali PID CC

Jika dilihat, sinyal respon memiliki overshoot yang cukup besar dan

juga lamanya mencapai steady state. Setelah dilakukan manual tunning untuk

memperkecil overshoot dilakukan dengan cara menaikan Kp dan Ti. Dengan

nilai Kp yang baru yaitu 9 dan Ti 8,1. Respon baru seperti gambar berikut.

Gambar IV.5 Respon Kendali PID CC Manual Tunning

26

Terlihat overshoot dan steady state mengecil dengan dilakukan

manual tunning juga.

4.4 Realisasi Desain PID dengan Script Matlab

Menjalankan PID script yang telah dibuat, berikut adalah gambar dari

setpoint dan respon saat script dijalankan.

Gambar IV.6 Respon Kendali PID dengan Script

Sinyal memiiki overshoot yang cukup besar, oleh karena itu dilakukan

tunning manual kembali agar overshoot mengecil. Setelah dilakukan tunning

manual, didapatkan hasil KP, Ti dan Td sebagai berikut.

Tabel IV.1 Hasil Manual Tunning PID Script

Kp Ti Td

30 50 0

Sinyal respon menjadi seperti berikut.

27

Gambar IV.7 Respon Kendali PID dengan Script Manual Tunning

Dari hasil tunning ini, sinyal respon tidak memiliki overshoot

melainkan langsung steady state, namun saat setpoint diturunkan cukup

drastis, sinyal respon melewati setpoint. Saat diberi gangguan berupa katup

yang ditutup beberapa saat, repon naik lalu turun kembali. Dan di beri

gangguan berupa katup yang dibuka, respon akan trun dulu kebawah lalu naik

kembali.

4.5 Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller)

Pada saat yang plan dijalankan, tekan CTRL + Shift + M untuk melihat

secara serial yang terbaca pada arduino. Berikut adalah beberapa contoh

serial monitor yang berhasil ditangkap.

28

Gambar IV.8 Serial Monitor SP dan PV

Bagian yang diberi tanda merah memperlihatkan nilai saat Set point sama

dengan sinyal Respon.

Agar laptop tidak dilibatkan pada sistem ini, kita dapat menggunakan

LCD sebagai monitor untuk melihat nilai set point dan respon. Dengan

menambah intuksi untuk LCD pada program. Realisasinya seperti gambar

IV.9

Gambar IV.9 Tampilan SP dan PV pada LCD

29

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :

a.) Untuk mendesain kendali PID dapat dilakukan dengan metode Ziegler

Nichols Tipe-1. Untuk membaca sinyal dapat digunakan media Arduino

agar sinyal dapat terbaca di Matlab. Setelah mendapatkan Kp, Ti dan Td

sinyal respon memilik frekuensi tinggi, oleh sebab itu Td harus di off

kan. Karena Td berperan sebagai High Pass Filter, saat Td di off kan

sinyal respon menjadi halus. Untuk mengecilkan overshoot yang

terdapat pada sinyal respon, Kp dan Td harus dinaikan. Rise time pada

level air sudah cukup cepat, karena yag dikendalikan adalah air. Saat set

point dinaikan drastis atau diturunkan drastis sinyal respon akan

melebihi sinyal set point, hal tersebut dikarenakan motor pada pump

yang kurang presisi.

b.) Untuk mendesain kendali PID dapat dilakukan dengan metode Ziegler

Nichols Tipe-2. Untuk membaca sinyal dapat digunakan media Arduino

agar sinyal dapat terbaca di Matlab. Setelah mendapatkan Kp, Ti dan Td

sinyal respon memiliki eror steady state yang secara terus menerus. Hal

tersebut karena plan yang dikendalikan adalah air. Sifat air sendiri

seperti ombak yang bergerak berubah-ubah, makanya sensor membaca

naik turun. Jika dibandingkan dengan ziegler nichols tipe 1. Sinyal

respon yang didapat masih bagus dengan menggunakan ziegler nichols

tipe 1.

c.) Untuk mencari nilai Kc, Ki, dan Kd pada suau sistem yang memiliki

deadtime yang besar, dapat didesain menggunakan metode cohen and

coon agar sistem tersebut memiliki deadtime yang kecil. Hal tersebut

sangat cocok bagi Level Air karena respon yang didapatkan lama,

30

sehingga saat dicari ketiga parameter tersebut, sinyal respon terlihat

halus.

d.) Kendali PID dapat dilakukan dengan menggunakan program, kendali

teresebut dinamakan PID Digital. Salah satunya ynag sedang dipelajari

adalah dengan menggunakan script pada Matlab. Hanya dengan

measukan nilai Kp, Ti dan Td, Program tersebut dapat mengendalikan

suatu sistem. Tentunya dalam hal ini menggunakan suatu media yaitu

Arduino salah satunya yang dapt digunakan.

e.) Dalam menggunakan PID Arduino caranya sangatlah mudah. Hanya

dengan memasukan parameter yang diperlukan, kita dapat

mengendalikan suatu plant. Tidak hanya mengendalikan, kita juga dapat

memantau aktivitas sistem dengan menggunakan serial monitor atau

langsung menggunakan LCD. Sehingga sistem tidak perlu

menggunakan Laptop lagi sebagai kendalinya. Dengan Arduino yang

minimalis dan praktis, semuanya dapat dikendalikan dengan Arduino.

5.2 Saran

Dari semua percobaan yang telah dilakukan, dapat diterapkan tidak

hanya dengan palnt level air. Dapat juga di plant apapun, bahkan sampai

kendali tersebut dapat diterapkan pada plant-plant besar yang ada di dalam

suatu industri. Adapun beberapa saran untuk membuat percobaan ini menjadi

lebih sempurna lagi adalah sebagai berikut.

a.) Untuk memasukan set point dapat digunakan keypad sebagai input

nilainya

b.) Menambahkan indikator buzzer atau LED saat respon nilainya

mendekati nilai set point.

c.) Sebagai media kontroler, dapat digunakan pengendali yang lebih

kompleks seperti rapsberry, PIC, PLC yang sudah ada PID dan lain

sebagainya.

31

DAFTAR PUSTAKA

[1] Iskandar, Dede dkk. “Kendali Level Air dengan Menggunakan Parameter PID

Controller”, Jurnal, Universitas Jendral Achmad Yani, 2009.

[2] Kurniawan, Wijaya. “Pengendalian Suhun dan Ketinggian Air Pada Boiler

Menggunakan Kendali PID dengan Metode Root Locus”, Jurnal, EECCIS

Vol.III, 2009.

[3] “Pengertian Open Loop dan Close Loop”,

http://wisnukusbandono.blogspot.com/2013/03/pengertian-open-loop-dan-

close-loop.html. Diakses 8 Juli 2015.

[4] “PID (Propotional – Intergral – Derivative) Control”.

https://putraekapermana.wordpress.com/2013/11/21/pid/. Diakses 8 Juli 2015.