skd 131311053-laporan akhir

i

Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu &

Digital pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-

Nichols & Coohen-Coon menggunakan Matlab dan

Arduino

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat

menyelesaikan mata kuliah Sistem

Kendali Kontinyu & Digital

DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Mochammad Iqbal Try Wijaya

131311053

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

Abstrak

Sistem kendali debit air telah banyak digunakan di berbagai industry, semisal

industri minuman. Sistem kendali debit air pun seingkali ditemukan di Perusahaan

pembangkit listrik tenaga air. Sistem ini dibutuhkan untuk mengatur kecepatan

aliran air yang bisa menggerakan generator sehingga nantinya akan menghasilkan

listrik. Dalam mengatur kecepatan aliran air di pembangkit listrik tenaga air, tentu

saja tidak dapat dilakukan secara manual, oleh karena itu, dibuatlah sebuah sistem

kendali untuk mengendalikan aliran air. Sistem ini dikendalikan dengan metode

Proportional–Integral–Derivative (PID). Sebuah metode yang menggunakan

prinsip penguatan posisi, penguatan integral, dan penguatan derivative untuk

memperbaiki respon sistem kendali. Untuk mendapatkan nilai-nilai parameter

PID, dapat digunakan beberapa metode desain kendali, yaitu Ziegler-Nichols tipe

1 dan 2, Cohen-Coen. Hasil dari pemodelan melalui kedua metode tersebut, nilai

parameter-parameter pengendali PID dapat menghasilkan respon sistem kendali

yang lebih responsif dibandingkan dengan tanpa pengendali. Sistem kendalii ini

selain dapat digunakan untuk industri kecil, dapat pula digunakan untuk industri

skala besar, contohnya seperti Pembangkit Listrik Tenaga Air.

Kata kunci : PID, Ziegler-Nichols tipe 1, Ziegler Nichols tipe 2, Cohen-Coen, Sistem

Kendali debit air dengan Pengendali PID, Pemodelan.

ii

Abstract

Flow water control system is very much applicated in industrial world, like drink

industry. This control system usually found in Hidroelectryc Power Plant. This

control system is needed to control the flow water that can move the generator to

produce electricity. In controlling the flow water, can’t be by manual system. So

that’s the purpose of control system exist. This system use Proportional–Integral–

Derivative (PID) method. A methods that use position, integral, and derivative

reinforcement principal to fixing control system responses. To obtain the value of

PID, we can use some methods like Ziegler-Nichols I and II, and Cohen-Coen.

With modelling through two methods above, PID controller can generate control

system responses which more responsive compared without controller.

This Control system is can be used not for small industry but also large industry,

such as Hidroelectryc Power Plant.

Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2, Cohen-Coen, Flow

Water Control System with PID Controller, Modelling.

iii

KATA PENGANTAR

Bismillahirrahmaanirrahiim.

Assalamu‟alaikum Wr. Wb.

Alhamdulillahirobbil‟alamin segala puji syukur penulis panjatkan ke

hadirat Allah S.W.T, karena atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat

menyelesaikan “Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu & Digital

pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon

menggunakan Matlab dan Arduino”. Laporan akhir ini disusun sebagai

persyaratan kelulusan pada Mata Kuliah Sistem Kendali Digital Program Studi

D3-Teknik Elektronika Departemen Elektro Polieknik Negeri Bandung.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran,

semangat, bimbingan dari teman-teman baik secara materil maupun moril. Oleh

karena itu penulis mengucapkna terima kasih kepada:

1. Bapak Feriyonika , ST.M.Sc.Eng selaku dosen Mata Kuliah Sistem

Kendali Digital.

2. Rahmawati Zakiyah selaku rekan satu grup dalam praktikum Sistem

Kendali Digital.

3. Kedua orang tua yang selalu memberikan dukungan dan doanya.

4. Kedua kakak penulis yang telah memberikan dukungan mental dalam

penulisan laporan akhir praktikum ini.

5. Seluruh teman-teman Program Studi D3-Teknik Elektronika Departemen

Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung angkatan 2013 yang telah

memberikan motivasi.

6. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah

banyak membantu sehingga laporan akhir praktikum ini dapat

diselesaikan.

Dalam penyusunan laporan akhir ini, penulis menyadari masih

terdapat banyak kekurangan yang dibuat baik sengaja maupun tidak

sengaja, dikarenakan keterbatasan ilmu pengetahuan dan wawasan serta

pengalaman yang penulis miliki. Untuk itu penulis mohon maaf atas

iv

segala kekurangan tersebut tidak menutup diri terhadap segala saran dan

kritik serta masukan yang bersifat kontruktif bagi diri penulis. Akhir kata

semoga dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, dan kalangan luas.

Wassalamu „alaikum Wr. Wb.

Bandung, Juli 2015

Penulis

v

DAFTAR ISI

Abstract ................................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii

DAFTAR ISI ........................................................................................................... v

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

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii

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

1.1. Latar Belakang Masalah ........................................................................... 1

BAB II DASAR TEORI ........................................................................................ 6

2.1. Perkembangan Sistem Kendali ................................................................. 6

2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka ........................................................... 7

2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup .......................................................... 9

2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali .................................................... 10

2.2. Sistem Kendali PID ................................................................................ 11

2.2.1. Kontrol Proporsional (Kp) .............................................................. 15

2.2.2. Kontrol Integratif (Ki) ..................................................................... 16

2.2.3. Kontrol Derivatif (Kd) .................................................................... 17

2.3. Desain Kendali PID ................................................................................ 18

2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ....................................................... 19

2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ....................................................... 20

2.3.3. Metode Cohen-Coen Open Loop .................................................... 21

2.3.4. Manual Tunning .............................................................................. 22

2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB ................................................. 22

2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno ................................................... 23

BAB 3 PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR .............................. 25

3.1 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 .................................................... 25

3.2 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .................................................... 26

3.2.1 Kondisi Mulai Berosilasi ................................................................ 26

3.2.2 Kondisi Saat Berosilasi ................................................................... 27

3.3 Desain PID Cohen-Coen ..................................................................... 28

3.4 Desain PID Arduino-Matlab ............................................................... 29

3.5 Desain PID Stand-Alone Arduino ....................................................... 32

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................. 35

4.1. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe I ........................ 35

4.2. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe II ....................... 35

4.3. Desain Kendali dengan Metode Cohen-Coen ........................................ 38

4.4. Desain Kendali dengan Metode Arduino-Matlab Script ........................ 39

4.5. Desain Kendali dengan Metode Stand-Alone Arduino .......................... 41

vi

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 43

5.1. Kesimpulan ............................................................................................. 43

5.2. Saran ....................................................................................................... 44

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 45

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID .......................... 13

Tabel 2. 2. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1 ........................ 20

Tabel 2. 3. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2 ........................ 21

Tabel 2. 4: Parameter Perhitungan PID (Kp,Ti,Td) .............................................. 22

Tabel 3. 1 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1 ....................................... 26

Tabel 3. 2 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(mulai osilasi) ................ 26

Tabel 3. 3 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(saat osilasi) ................... 27

Tabel 3. 4 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon ........................................ 28

Tabel 3. 5 Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen ....................................................... 28

Tabel 4. 1. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1 ...................................... 35

Tabel 4. 2. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe II ..................................... 36



Tabel 4. 5. Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen ...................................................... 39

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt................................................ 6

Gambar 2. 2. Paper Pembuatan Sistem Kendali Stir Kapal Laut oleh Minorsky,

Hazen, dan Nyquist ................................................................................................. 7

Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka ................................... 8

Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup................................... 9

Gambar 2. 5. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID .................. 12

Gambar 2. 6. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID ................... 14

Gambar 2. 7. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time .............................. 14

Gambar 2. 8. Respon Sistem Loop Terbuka ......................................................... 19

Gambar 2. 9. Respon Sistem Osilasi ..................................................................... 20

Gambar 2. 10. Logo Simulink MATLAB ............................................................. 23

Gambar 2. 11. Arduino Uno .................................................................................. 24

Gambar 3. 1 Respon Sistem Open Loop ............................................................... 25

Gambar 3. 2. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L ......................................... 25

Gambar 3. 3. Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Awal Osilasi ....... 26

Gambar 3. 4 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi Maksimal 27

Gambar 3. 5 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon .................................... 28

Gambar 3. 6: Flowchat Script-Matlab .................................................................. 29

Gambar 3. 7: Script menentukan pin output arduino, time sampling dan parameter

PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya).................................................. 30

Gambar 3. 8: Script menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara

berulang menggunakan while ............................................................................... 30

Gambar 3. 9: Script menentukan nilai VID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan

membulatkan nilai hasil keluaran dari PID ........................................................... 31

Gambar 3. 10 : Script membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan Plot

............................................................................................................................... 31

Gambar 3. 11 : Flowchart Program Stand-Alone Arduino .................................. 32

Gambar 3. 12 : Program Stand-Alone Arduino .................................................... 33

Gambar 3. 13 : Program Stand-Alone Arduino ................................................... 33

Gambar 3. 14 : Program Stand-Alone Arduino .................................................... 34

Gambar 4. 1 Gelombang ZN-1 pada scope ......................................................... 35

Gambar 4. 2 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim mulai osilasi ......... 36

ix

Gambar 4. 3 Respon Untuk kondisi Mulai Osilasi ............................................ 37

Gambar 4. 4 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim osilasi maksimal ... 37

Gambar 4. 5 Respon Untuk kondisi Osilasi Maksimal ...................................... 38

Gambar 4. 6 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi Maksimal ...... 38

Gambar 4. 7 Hasil Respon Akhir ........................................................................ 39

Gambar 4. 8 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab ..................... 39

Gambar 4. 9 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab .................... 40

Gambar 4. 10 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab .................... 40

Gambar 4. 11 : Hasil Setpoint dan Feedback Sistem Kendali Debit Air pada.... 41

Gambar 4. 12 : Hasil Proses Setpoint dan Feedback di Serial Monitor .............. 41

Gambar 4. 13 :Data Nilai Setpoint dan Feedback ............................................... 42

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Sistem Kendali Debit Air sangat banyak digunakan di dalam dunia

industri saat ini. Misalnya pada industri minuman dan pembangkit listrik

tenaga air. Sistem kendali ini sangat berguna di pembangkit listrik tenaga

air, karena dapat mengendalikan kecepatan aliran air untuk menggerakan

generator penghasil listrik. Tetapi dalam mengendalikan kecepatan aliran

air, tidak dapat dilakukan secara manual, sehingga dibuat lah sebuah

sitem kendali yang mengendalikan debit air. Sistem ini bekerja

berdasarkan nilai-nilai Proportional–Integral–Derivative (PID). Nilai-

nilai ini yang akan menentukan bagaiman respon seharusnya untuk

sebuah sistem kendali. Nilai-nilai tersebut didapat dari berbagai metode

untuk desain kendali, antara lain Ziegler-Nichols I, Ziegler-Nichols II,

Cohen-Coen.

Semua metode desain kendali tersebut menghasilkan nilai-nilai PID,

yang membedakan adalah apakah plant yang digunakan cocok dengan

metode desain kendali tersebut atau tidak. Tujuan dalam praktek ini

adalah untuk merancang sebuah sistem kendali berdasarkan metode-

metode yang telah disebutkan tadi. Juga untuk membuktikan apakah

plant yang kita kendalikan cocok atau tidak dengan metode-metode yang

sudah dipelajari. Metode yang pertama kali dilakukan adalah mendesain

sistem kendali dengan metode Ziegler-Nichols I lalu dilanjut dengan

Ziegler-Nichols II dan Cohen-Coen. Metode selanjutnya adalah kita

membuat sebuah program melalui arduino matlab, dimana nilai PID yang

digunakan adalah nilai PID yang berasal dari Ziegler-Nichols I dan II

atau Cohen-Coen. Tahap akhir yang dilakukan adalah stand alone

arduino, dimana hanya arduino saja yang digunakan untuk

2

mengendalikan plant debit air. Stand-Alone arduino merupakan tahap

akhir dari praktikum sistem kendali digital.

6

6

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Perkembangan Sistem Kendali

Sistem kendali memiliki peranan penting dalam perkembangan teknologi

dalam berbagai bidang. Contoh penggunaan sistem kendali di industri adalah

memberikan kemudahan dalam meningkatkan kualitas, menurunkan biaya

produksi, meningkatkan laju produksi serta menggantikan pekerjaan yang

bersifat rutin dan membosankan. Selain dunia industri, penggunaan sistem

kendali juga memiliki peranan penting di dalam dunia militer, transportasi, dan

sistem kendaraan luar angkasa. Aplikasi sistem kendali saat ini tidaklah lepas

dari penelitian tentang sistem kendali yang dilakukan pada zaman dahulu. Di

mana pada zaman dahulu, mayoritas penggunaan sistem kendali adalah dengan

menggunakan sistem kendali on-off. Namun seiring berkembangnya teknologi

di berbagai bidang, sistem kendali dengan metode lain mulai bermunculan.

Diantaranya adalah sistem kendali PID dan Fuzzy.

Perangkat kendali otomatis yang berhasil dibuat pertama kali

adalah pengatur sentrifugal untuk pengendali kecepatan mesin uap pada

abad ke-18 oleh James Watt yang diperlihatkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt

Pengendali berikutnya yang berhasil dibuat pada awal periode

perkembangan sistem kendali adalah perangkat pengendali otomatis

untuk stir kapal laut oleh Minorsky, Hazen, dan Nyquist pada sekitar

7

tahun 1922. Mereka juga menunjukkan tingkat kestabilan yang dapat

ditentukan dari persamaan-persamaan yang mendeskripsikan sistem

tersebut. Gambar 2.2 menunjukan paper tentang pembuatan sistem

kendali stir kapal laut yang dilakukan oleh Minorsky, Hazen, dan

Nyquist.

Gambar 2. 2. Paper Pembuatan Sistem Kendali Stir Kapal Laut oleh Minorsky,

Hazen, dan Nyquist

Secara garis besar, sistem kendali dibagi menjadi dua kategori

besar, yaitu sistem kendali loop terbuka dan sistem kendali loop tertutup.

Dan sistem kendali juga memiliki bagian atau elemen yang digunakan

untuk dapat merancang dan mendesain sebuah sistem kendali. Beberapa

hal ini akan dijelaskan lebih lanjut pada penjelasan di bawah ini(Aldi,

2014:6 ).

2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem Kendali Loop Terbuka adalah suatu sistem kendali yang

keluarannya tidak akan berpengaruh terhadap aksi kendali. Sehingga

keluaran sistem tidak dapat diukur dan tidak dapat digunakan sebagai

8

perbandingan umpan balik dengan masukan. Jadi pada setiap masukan

akan didapatkan suatu kondisi operasi yang tetap. Sedangkan

ketelitiannya akan tergantung pada kalibrasi. Dalam prakteknya, sistem

kendali loop terbuka dapat digunakan jika hubungan output dan inputnya

diketahui serta tidak adanya gangguan internal dan eksternal. Sistem

kendali loop terbuka dapat digambarkan melalui diagram blok pada

Gambar 2.3.

Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem kendali loop terbuka memiliki kelemahan dan keunggulan.

Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut:

1. Tidak tahan gangguan dan perubahan kalibrasi.

2. Untuk menjaga kualitas yang diingankan pada keluaran perlu

kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.

Sedangkan kelebihan dari sistem kendali loop terbuka adalah

sebagai berikut:

1. Kestabilan bukan merupakan persoalan utama.

2. Harga yang murah.

3. Cocok untuk keluaran yang susah diukur.

4. Mudah dirawat.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop terbuka

adalah sistem kendali yang tidak mengutamakan kestabilan dan tidak

tangguh terhadap gangguan. Namun sistem kendali ini mudah untuk

digunakan dan murah dari segi finansial(Aldi, 2014:7).

9

2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup

Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang

keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi kendali. Sistem ini

berupaya untuk mempertahankan keluaran sehingga hampir sama bahkan

sama dengan masukan acuan walaupun terdapat gangguan pada sistem.

Sistem ini adalah sistem kendali berumpan balik, dimana kesalahan

(error) penggerak adalah selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan

balik (berupa sinyal keluaran dan turunannya) yang diteruskan ke

pengendali (controller) sehingga melakukan aksi terhadap proses untuk

memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran mendekati harga

yang diingankan. Sistem kendali loop tertutup dapat digambarkan dengan

diagram blok seperti pada Gambar 2.4.

Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup

Sama halnya seperti sistem kendali loop terbuka, sistem kendali

loop tertutup juga memiliki kelemahan dan kelebihan. Kelemahan dari

sistem kendali ini adalah sebagai berikut:

1. Sulit dalam hal desain dan perancangan, karena perlu

memperhatikan kepresisian dan keakuratan sistem.

2. Harga relatif mahal.

3. Perawatan relatif sulit dilakukan.

Sedangkan kelebihan dari sistem ini adalah sebagai berikut:

1. Sistem lebih presisi dan akurat.

10

2. Sistem lebih dinamis, sehingga kecepatan respon dapat diatur

sesuai keinginan.

3. Tahan terhadap gangguan yang dihadapi.

4. Cocok digunakan untuk sistem yang komplek dan keluaran yang

terukur.

Dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop tertutup adalah

sistem kendali yang menjamin kepresisian, keakuratan, dan ketangguhan

sistem terhadap gangguan. Namun dalam perancangan dan

pendesainannya lebih sulit dan membutuhkan harga yang lebih mahal

daripada sistem kendali loop tertutup(Aldi, 2014:9).

2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali

Pada perancangan sistem kendali haruslah diperhatikan bagian

ataupun elemen dari sistem itu sendiri. Karena sistem kendali akan

memanipulasi suatu masukan yang akan mengendalikan suatu keluaran,

maka tentunya akan ada pula bagian yang dapat mengendalikan dan

memanipulasi hal tersebut. Berikut akan dijelaskan mengenai bagian

ataupun elemen dari sistem kendali(Aldi, 2014:10).

2.1.3.1. Variabel Terkontrol dan Variabel Termanipulasi

Variabel terkontrol (controlled variable) adalah kuantitas atau

kondisi yang diukur dan dikendalikan. Variabel termanipulasi

(Manipulated Variable) adalah kuantitas atau kondisi yang divariasikan

oleh kontroler sehingga mengakibatkan adanya efek kepada nilai variabel

terkontrol. Umumnya, variabel terkontrol adalah keluaran (output) dari

sistem. Kontrol berarti mengukur nilai dari variabel terkontrol dan

menerapkan variabel termanipulasi untuk mengoreksi nilai aktual

menjadi nilai yang diinginkan (reference) (Aldi, 2014:10).

2.1.3.2. Plant

Plant dapat berupa peralatan ataupun seperangkat bagian mesin

yang bekerja sama dengan tujuan untuk mencapai suatu operasi tertentu.

11

Contohnya dapat berupa obyek fisik yang dapat dikendalikan (peralatan

mekanik, tungku pemanas, reaktor kimia, kendaraan angkasa) (Aldi,

2014:10).

2.1.3.3. Pengendali (Controller)

Pengendali (Controller) adalah bagian pada sistem kendali yang

berfungsi untuk memanipulasi masukan sistem agar sistem bekerja sesuai

dengan yang diinginkan. Bagian ini memiliki peranan yang sangat

penting dalam sistem kendali. Karena bagian ini merupakan bagian inti

dari sebuah sistem kendali, di mana sebuah sistem akan dikendalikan

pada bagian ini(Aldi, 2014:11).

2.1.3.4. Gangguan (Disturbance)

Gangguan (disturbance) adalah sebuah sinyal yang cenderung

merugikan nilai keluaran (output) sistem. Jika gangguan dihasilkan oleh

sistem, maka ia disebut sebagai gangguan internal, sebaliknya apabila

gangguan dihasilkan dari luar sistem, maka ia disebut sebagai gangguan

eksternal(Aldi, 2014:11).

2.1.3.5. Sensor (Transduser)

Sensor (transduser) adalah suatu komponen elektronika yang

berfungsi untuk mengubah besaran fisik (non-listrik) menjadi tegangan

listrik. Hal ini digunakan untuk memanipulasi sebuah besaran fisik untuk

dapat diolah dan dikendalikan agar menghasilkan keluaran pada plant

sesuai dengan yang diinginkan pada sistem kendali. Pada sistem kendali

loop tertutup, keluaran dari sensorlah yang menjadi umpan balik

(feedback) (Aldi, 2014:11).

2.2. Sistem Kendali PID

Sistem kendali yang digunakan di berbagai bidang dituntut untuk

memiliki kepresisian dan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. Dan

sistem tersebut dituntut pula memiliki kedinamisan yang baik, sehingga

respon sistem dapat diatur sesuai dengan keinginan. Sehingga dibuatlah

12

sebuah pengendali (controller) sehingga proses kendali dapat menjadi

lebih efektif dan efisien. Ada berbagai metode yang digunakan dalam

sistem kendali. Salah satunya adalah sistem kendali dengan

Proportional-Integral-Derivative (PID) Controller. PID merupakan

kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID

adalah pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia

industri. Pengontrol PID akan memberikan aksi kepada aktuator

berdasarkan besar error yang diperoleh. Aktuator akan mengatur keluaran

pada plant sesuai yang diinginkan disebut dengan Set Point. Error adalah

perbedaan dari Set Point dengan keluaran aktual pada plant. Diagram

blok sistem kendali dengan pengendali PID dapat dilihat pada Gambar

2.5.

Gambar 2. 5. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID

Dari Gambar 2.5 dapat diketahui bahwa pengendali PID akan

mengendalikan galat (error) yang dihasilkan dari penjumlahan masukan

(set point) dengan sinyal umpan balik (feedback). Sinyal umpan balik

didapat dari keluaran plant yang berasal dari sensor pada plant tersebut.

Keluaran dari pengendali PID akan mengaktifkan aktuator pada plant.

Proses terus berulang hingga antara sinyal set point dengan sinyal galat

selisihnya sama dengan nol. Pada pengendali PID diketahui terdapat tiga

komponen, yaitu Proportional (Kp), Integratif (Ki), dan Derivatif (Kd).

13

Komponen tersebut memiliki fungsi tersendiri pada pengendali PID.

Secara matematis, persamaan umum pengendali PID adalah:

( ) ( )

∫ ( )

( )

(1)

Keterangan:

( ) = Set point

( ) = Galat (error)

Karena ∫

()

(2)

Maka ( ) ( )

( ) ( ) (3)

Sehingga:

( )

( )

(

) (4)

Karena komponen-komponen P, I, dan D pada pengendali PID

memiliki fungsi tersendiri, maka perubahan nilai komponen-komponen

tersebut sangat berpengaruh terhadap respon sistem kendali. Fungsi

komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID

Parameter Rise Time Overshoot Setting Time S-S Error

Proportional Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang

Integratif Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Derivatif Minor Change Berkurang Bertambah Minor Change

Dengan memperhatikan fungsi komponen tersebut, pengendali PID

menghasilkan respon sistem awal seperti ditunjukan pada Gambar 2.6.

14

Gambar 2. 6. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID

Dalam sistem kendali PID ada beberapa parameter yang juga harus

diperhatikan selain komponen-komponen penyusunnya. Seperti

ditunjukkan pada tabel 2.1 dan Gambar 2.6 parameter tersebut adalah

rise time, overshoot, settling time, dan steady state error (s-s error). Rise

Time (Waktu Naik) adalah waktu yang diperlukan oleh sistem untuk

dapat naik dari titik nol menuju titik mantap (steady state). Berdasarkan

rise time, respon sistem kendali dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Over

Damp, Under Damp, dan Critical Damp. Perbedaan ketiga respon

tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2. 7. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time

15

Gambar 2.7 memperlihatkan tiga respon sistem kendali yang

berbeda. Gelombang A dan C memperlihatkan kondisi over damp.

Sedangkan gelombang B memperlihatkan kondisi under damp. Dan

gelombang D memperlihatkan kondisi critical damp.

Parameter selanjutnya adalah overshoot. Overshoot adalah

perbandingan selisih harga maksimum dengan harga akhir sistem. Secara

matematis, overshoot dapat dicari dengan rumus berikut:

(5)

Paramater yang lain adalah settling time. Settling time adalah

waktu yang dibutuhkan agar respon sistem mencapai dan tetap berada di

dalam batas-batas dengan nilai akhir dan dinyatakan pada 2% atau 5 %.

Secara matematis settling time dapat diperoleh dengan cara:

( )

(6)

( )

(7)

Parameter terakhir adalah steady state error. Steady state error

adalah selisih antara respon sistem saat steady state dengan set point.

Keempat parameter tersebut dapat dikurangi dan ditambahkan dengan

mengubah-ubah nilai komponen P, I, dan D pada pengendali PID sesuai

dengan keinginan desainer. Penjelasan tentang komponen tersebut akan

dijelaskan lebih lanjut pada pembahasan di bawah(Aldi, 2014:11).

2.2.1. Kontrol Proporsional (Kp)

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

Jika ( ) ( ) ( ) (8)

Maka ( ) ( ) (9)

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 tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-

aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk

16

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).

Ciri-ciri pengontrol proporsional :

1. Jika nilai Kp kecil, pengontrol proporsional hanya mampu

melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan

menghasilkan respon sistem yang lambat (menambah rise time).

2. Jika nilai Kp dinaikkan, respon/tanggapan sistem akan semakin

cepat mencapai keadaan mantapnya (mengurangi rise time).

3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang

berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil atau

respon sistem akan berosilasi.

4. Nilai Kp dapat diset sedemikian sehingga mengurangi steady state

error, tetapi tidak menghilangkannya(Aldi, 2014:15).

2.2.2. Kontrol Integratif (Ki)

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:

( ) ∫ ( ) (10)

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

G(s) dapat dinyatakan sebagai:

( ) ( )

(11)

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

17

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 sistem.

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.

Ciri-ciri pengontrol integral :

1. Keluaran pengontrol integral membutuhkan selang waktu tertentu,

sehingga pengontrol integral cenderung memperlambat respon.

2. Ketika sinyal kesalahan berharga nil, keluaran pengontrol akan

bertahan pada nilai sebelumnya.

3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan

menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh

besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki.

4. Konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat

hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan

mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal keluaran

pengontrol(Aldi, 2014:16).

2.2.3. Kontrol Derivatif (Kd)

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

18

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:

( ) (12)

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

Ciri-ciri pengontrol derivatif :

1. Pengontrol tidak dapat menghasilkan keluaran jika tidak ada

perubahan pada masukannya (berupa perubahan sinyal kesalahan)

2. Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang

dihasilkan pengontrol tergantung pada nilai Kd dan laju perubahan

sinyal kesalahan.

3. Pengontrol diferensial mempunyai suatu karakter untuk

mendahului, sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi

yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan menjadi sangat

besar. Jadi pengontrol diferensial dapat mengantisipasi pembangkit

kesalahan, memberikan aksi yang bersifat korektif dan cenderung

meningkatkan stabilitas sistem.

4. Dengan meningkatkan nilai Kd, dapat meningkatkan stabilitas

sistem dan mengurangi overshoot(Aldi, 2014:17).

2.3. Desain Kendali PID

Desain kendali PID bertujuan untuk menentukan nilai Kp, Ki, dan

Kd yang akan digunakan dalam realisasi sistem kendali menggunakan

pengendali PID. Ada beberapa cara yang digunakan untuk mendesain

kendali PID ini. Cara tersebut adalah dengan menggunakan metode

19

Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Kedua metode tersebut

menggunakan cara yang berbeda untuk mencari nilai Kp, Ki, dan Kd

pada pengendali PID. Setelah menemukan nilai Kp, Ki, dan Kd

menggunakan kedua metode tersebut, maka biasanya desainer akan

melakukan manual tunning dengan cara mengubah nilai Kp, Ki, dan Kd

tersebut agar mendapatkan respon sistem yang lebih baik dari hasil

desain awal. Ketiga metode tersebut akan dijelaskan lebih lanjut pada

pembahasan di bawah ini(Aldi, 2014:18).

2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1

Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe

1 pada awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan

pada Gambar 2.3. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step.

Seperti ditunjukan pada Gambar 2.8.

Gambar 2. 8. Respon Sistem Loop Terbuka

Pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd pada metode ini diawali dengan

mencari nilai L dan T seperti pada Gambar 2.8. L adalah nilai dead time

(time delay/lag) pada respon dari titik nol menuju waktu cut-off. Dan T

adalah time constant. Nilai L dan T dalam satuan detik (sekon).

Penarikan garis diagonal pada respon loop terbuka adalah dengan

menempelkannya pada bagian gelombang yang terlandai. Nilai L

ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan sumbu x. Sedangkan

20

nilai T ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan garis

perpanjangan steady state. Setelah menemukan nilai L dan T, selanjutnya

dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan pada Tabel

2.2(Aldi, 2014:19).

Tabel 2. 2. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1

Tipe Pengendali Kp Ti Td Ki Kd

P

∞ 0

PI

0

PID

2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2

Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe

2 pada awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback

seperti ditunjukan pada Gambar 2.4. Pencarian diawali dengan mengatur

nilai K (penguatan) hingga respon sistem osilasi. Respon sistem untuk

desain menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar 2.9.

Gambar 2. 9. Respon Sistem Osilasi

Berdasarkan Gambar 2.9, pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd

menggunakan metode ini adalah dengan mencari nilai Kcr. Kcr adalah

21

nilai K (penguatan) saat respon sistem osilasi. Setelah didapatkan respon

sistem yang berosilasi, selanjutnya adalah mencari nilai Pcr. Pcr adalah

waktu yang dibutuhkan sistem untuk menempuh satu gelombang. Pcr

dalam satuan waktu (sekon). Setelah menemukan nilai Kcr dan Pcr,

selanjutnya dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan

pada Tabel 2.3(Aldi, 2014:20).

Tabel 2. 3. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2

Tipe Pengendali Kp Ti Td Ki Kd

P ∞ 0

PI

0

PID

2.3.3. Metode Cohen-Coen Open Loop

Metoda Cohen Coon (Open Loop)

Berikut adalah tahapan Mendesain dengan CC adalah : 1. Plant diberi input step, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.

2. Step input ditambah, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.

Sinyal perubahan inilah yang akan dipakai untuk mendesain kendali.

Parameter :

- Proses gain (gp)

- Delay time Ԏd

22

- Time constant (Ԏ)

3. Menentukan parameter PID (Kp, Ti, Td) berdasarkan perhitungan

rumus yang tercantum pada tabel 2.

Tabel 2. 4: Parameter Perhitungan PID (Kp,Ti,Td)

2.3.4. Manual Tunning

Manual tunning adalah metode yang dilakukan dengan cara

mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd yang telah dihitung melalui

pendesainan awal. Manual tunning digunakan untuk memperbaiki respon

sistem agar menjadi lebih responsif. Pengubahan nilai Kp, Ki, dan Kd

dilakukan dengan tetap memperhatikan parameter yang telah ditunjukan

pada Tabel 2.1. Manual tunning biasanya dilakukan untuk

menghilangkan overshoot, steady state error, dan settling time serta

memperkecil nilai rise time(Aldi, 2014:21).

2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB

MATLAB (matrix laboratory) adalah sebuah lingkungan

komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi

keempat. Dikembangkan oleh The MathWorks, MATLAB

memungkinkan manipulasi matriks, pem-plot-an fungsi dan data,

implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan peng-

antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya. Meskipun hanya

bernuansa numerik, sebuah kotak kakas (toolbox) yang menggunakan

mesin simbolik MuPAD, memungkinkan akses terhadap kemampuan

aljabar komputer. Sebuah paket tambahan, Simulink, menambahkan

23

simulasi grafis multiranah dan Desain Berdasar-Model untuk sistem

terlekat dan dinamik.

Simulink MATLAB digunakan untuk membaca gelombang pada

set poin dan keluaran sistem sebagai respon sistem kendali. Respon

sistem ini kemudian akan diolah dalam pendesainan pengendali PID.

Logo Simulink MATLAB dapat dilihat pada Gambar 2.10(Aldi,

2014:21).

Gambar 2. 10. Logo Simulink MATLAB

2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno

Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroller yang

berbasis pada ATmega28. Modul ini sudah dilengkapi dengan berbagai

hal yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler untuk bekerja,

tinggal colokkan ke power suply atau sambungkan melalui kabel USB ke

PCmu Arduino Uno ini sudah siap sedia. Arduino Uno ini memilki 14

pin digital input/output, 6 analog input, sebuah resonator keramik

16MHz, koneksi USB, colokan power input, ICSP header, dan sebuah

tombol reset. Arduino Uno digunakan untuk membangun sebuah sistem

kendali yang berdiri sendiri tanpa tergantung pada Personal Computer

(PC) atau biasa disebut Stand Alone Control. Stand Alone Control

dibangun agar sebuah sistem kendali dapat beroperasi dengan baik tanpa

tergantung pada PC. Karena sebuah sistem kendali berjalan secara rutin

sehingga haruslah dibuat sistem kendali yang dapat berdiri sendiri.

Arduino Uno digunakan untuk membuat sebuah Stand Alone Control

yang bersifat digital. Arduino Uno diprogram dengan script yang mirip

24

dengan bahasa C. Gambar dari modul Arduino Uno dapat dilihat pada

Gambar 2.11(Aldi, 2014:6 ).

Gambar 2. 11. Arduino Uno

25

BAB 3

PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR

3.1 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1

Liter(l)

Time(t)

Gambar 3. 1 Respon Sistem Open Loop

Respon sistem tersebut kemudian diolah dengan melakukan

pemplotan untuk mencari nilai T dan L seperti ditunjukan oleh

Gambar 3.1.

Liter(l)

Time(t)

Gambar 3. 2. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L

Setelah mendapat nilai L, T, waktu gelombang pertama risetime,

gelombang terakhir dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Hitung di

program excel dengan rumus sebagai berikut :

Kp = 1,2 x (T / L),

Ti = 2 x L,

26

Td = 0,5 x L,

Ki = Kp / Ti

Kd = Kp x Td

DEBIT AIR PARAMETER L T Kp Ti Td Ki Kd

REAL TIME 0.2064 0.5676 3.3 0.4128 0.1032 7.994186 0.34056

Time stopwatch 12.57

Time Matlab 146.2 Tabel 3. 1 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1

3.2 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2

3.2.1 Kondisi Mulai Berosilasi

Gambar 3. 3. Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Awal Osilasi

Setelah mendapatkan respon yang diinginkan dan melakukan desain,

selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr

didapat dari perhitungan ini :

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Set

Point

= 9,94/0,578 = 17,197231

Inilah hasil perhitungan di Exel :

Tabel 3. 2 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(mulai osilasi)

27

3.2.2 Kondisi Saat Berosilasi

Gambar 3. 4 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi

Maksimal

Setelah mendapatkan respon yang diinginkan dan melakukan desain,

selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr

didapat dari perhitungan ini :

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Set

Point

1s matlab=0,0854s real


Tabel 3. 3 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(saat osilasi)

28

3.3 Desain PID Cohen-Coen

Tabel 3. 4 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon

gp = Perubahan PV/Perubahan CO

11,67 – 7,607 / 4,3 = 0,94488372

Ԏd = 68,8 – 66,03= 0,236558

Ԏ = 0,63*(11,67 – 7,607) = 2,55969

Jika diukur dari Y = 0 7,607 + 2,55969 =

10,16669 Maka nilai Ԏ = 72,4 – 68,8 = 3,6 (3,6 x

waktu asli)

= 3,6 x 0,0854

= 0,030744

Lalu gunakan rumus untuk mencari parameter PID. Parameter PID yang

didapat adalah sebagai berikut.

Tabel 3. 5 Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen

29

3.4 Desain PID Arduino-Matlab

Untuk desain PID dengan arduino-matlab sedikit berbeda, jika

pada metode-metode sebelumnya mendesain hasil respon. Untuk

sekarang menggunakan program yang dibuat di matlab, nilai PID-nya

dimasukan ke dalam program, nilai PID yang digunakan berasal dari

nilai PID yang dihasilkan dari desain kendali metode-metode

sebelumnya. Flowchart dapat dilihat di gambar 3.7 dan program dapat

dilihat di gambar 3.8-3.11.

Gambar 3. 5: Flowchat Script-Matlab

30

Gambar 3. 6: Script menentukan pin output arduino, time sampling dan parameter

PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya)

Gambar 3. 7: Script menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara berulang

menggunakan while

31

Gambar 3. 8: Script menentukan nilai VID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan membulatkan

nilai hasil keluaran dari PID

Gambar 3. 9 : Script membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan Plot

Respon dan Setpoint dan Script penutup pada Program

32

3.5 Desain PID Stand-Alone Arduino

Untuk desain PID dengan metode stand-alone arduino sedikit

berbeda, jika pada metode-metode sebelumnya mendesain hasil respon.

Untuk sekarang menggunakan program yang dibuat di arduino dan melihat

respon melalui LCD. Nilai PID-nya dimasukan ke dalam program, nilai

PID yang digunakan berasal dari nilai PID yang dihasilkan dari desain

kendali metode-metode sebelumnya. Flowchart dapat dilihat di gambar

3.12 dan program dapat dilihat di gambar 3.8-3.11.

Gambar 3. 10 : Flowchart Program Stand-Alone Arduino

33

Gambar 3. 11 : Program Stand-Alone Arduino


34


35

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe I

Data yang didapat, dihitung dengan menggunakan program excel.

DEBIT AIR

PARAMETER L T Kp Ti Td Ki Kd

REAL TIME 0.2064 0.5676 3.3 0.4128 0.1032 7.994186 0.34056

Time stopwatch 12.57

Time Matlab 146.2 Tabel 4. 1. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1

Hasil output dari plant terlihat pada scope Matlab, seperti pada gambar

dibawah ini.

Gambar 4. 1 Gelombang ZN-1 pada scope

Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air

Apabila pada gelombang setpoint dan feedback terdapat perbedaan besar,

maka lakukan tahap manual tunning dan apabila gelombang rise time, steady-

state dan overshootnya mendekati atau sama, maka tidak perlu dilakukan

manual tunning.

4.2. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe II

1. Untuk metode ini, digunakan 2 parameter perhitungan, yaitu pada saat

mulai osilasi dan pada saat osilasi maksimal. Data yang didapat, dihitung

dengan menggunakan program excel.

36

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Set Point

= 9,94/0,578 = 17,197231

Tabel 4. 2. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe II


dibawah ini.

Gambar 4. 2 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim mulai osilasi

Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air.

37

Gambar 4. 3 Respon Untuk kondisi Mulai Osilasi

Apabila pada gelombang setpoint dan feedback terdapat perbedaan besar,

maka lakukan tahap manual tunning dan apabila gelombang rise time, steady-

state dan overshootnya mendekati atau sama, maka tidak perlu dilakukan

manual tunning.

2. Data PID untuk kondisi osilasi maksimal.

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Set Point

1s matlab=0,0854s real




dibawah ini.

Gambar 4. 4 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim osilasi maksimal

Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air

38

Gambar 4. 5 Respon Untuk kondisi Osilasi Maksimal

Pada saat point diubah-ubah, respon masih terlihat kurang baik, maka

sebaiknya dilakukan manual tuning.

Dan didapat parameter baru yaitu Kp = 20 dan Ti = 0,45


.

Gambar 4. 6 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi Maksimal

4.3. Desain Kendali dengan Metode Cohen-Coen

Dengan menggunakan nilai-nilai PID(tabel 4.4) dari hasil desain

sebelumnya, maka didapat respon seperti gambar 4.5.

39

Tabel 4. 5. Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen

Gambar 4. 7 Hasil Respon Akhir

4.4. Desain Kendali dengan Metode Arduino-Matlab Script

Program yang telah dibuat di script matlab akan menghasilkan respon

seperti gambar 4.6

Gambar 4. 8 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab

Kondisi setpoint normal (potensio tidak dirubah-rubah)

40

Gelombang dirubah-rubah pada setpoint (potensio), menguji keandalan

kendali yang telah kita program, akan muncul seperti gambar dibawah ini.


yang dirubah-rubah setpointnya

Amati gelombang tersebut, apabila delay, steady-state, overshoot pada gelombang

time respon masih jauh dengan setpoint maka lakukan manual tunning dengan

merubah nilai Kp, Ki dan Kd pada script program. Pada sistem ini, kami mengubah

nilai Kd menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu besar, dan mengubah nilai Ti

menjadi 0.3.


yang telah di manual tunning

41

4.5. Desain Kendali dengan Metode Stand-Alone Arduino

Dalam Metode Stand-Alone arduino, kita tidak menggunakan

perangkat lain selain arduino, penggunaan matlab sudah tidak

dibutuhkan. Sebagai gantinya, untuk melihat respon maka akan

ditampilkan di LCD.

Gambar 4. 11 : Hasil Setpoint dan Feedback Sistem Kendali Debit Air pada

LCD

Saat sistem kendali bekerja dengan baik, sehingga nilai feedback

mengikuti nilai setpoint. Maka tahap selanjutnya dapat melepaskan

arduino dari laptop dan menghubungkannya dengan Power Bank, jika

dengan Power Bank plant tetap bekerja dengan baik maka dengan begitu

sistem kendali debit air dapat dikendalikan hanya dengan menggunakan

arduino atau stand alone.

Hasil data yang didapat pada serial monitor pada aplikasi arduino :

Gambar 4. 12 : Hasil Proses Setpoint dan Feedback di Serial Monitor

42

Hasil dari nilai diatas dikalikan 10, sesuai dengan rumus output dari

Sistem Kendali Debit Air yaitu : 1V/10l x h. Sehingga didapat 2,38 x 10 =

23,8 . Namun pada data yang ke-2 terdapat osilasi sehingga tidak

mendapatkan nilai yang permanen sehingga setpoint dan feedback-nya

berubah-rubah dan respon pada feedback sangat lambat sehingga pada

saat setpoint dirubah, proses penyesuaian nilai feedback agar mendekati

setpoint sangat lambat. Inilah hasil keluaran di LCD dapat dilihat pada

gambar 5.2.

Gambar 4. 13 Data Nilai Setpoint dan Feedback

43

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai

berikut:

1. Sistem kendali debit air sudah dibuktikan dapat menggunakan

metode desain kendali dari Ziegler-Nichols I dan II, dan Cohen-

Coen.

2. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe 1 cocok digunakan pada

sistem kendali debit air, karena nilai-nilai PID yang dihasilkan

menghasilkan respon yang baik dan tidak membutuhkan manual

tunning.

3. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe II oun cocok digunakan

untuk sistem kendali debit air. Tetapi dalam percobaan ini

digunakan 2 parameter desain, yaitu nilai PID pada saat kondisi

mulai osilasi dan pada saat osilasi maksimal. Nilai PID yang

dihasilkan dari kondisi mulai osilasi, menghasilkan respon yang

sangat baik dan tidak perlu dilakukan manual tunning. Tetapi,

untuk kondisi osilasi maksimal, nilai PID yang dihasilkan

menghasilkan respon yang kurang baik sehingga perlu dilakukan

manua tunning. Maka untuk Ziegler-Nichols tipe II harus

menggunakan kondisi mulai osilasi untuk menghasilkan nilai PID

yang baik.

4. Desain kendali PID dengan metode Cohen-Coen pun cocok

digunakan untuk plant debit air, karena respon yang dihasilkan

sangat baik dan tidak membutuhkan manual tunning.

44

5.2. Saran

1. Perlu dilakukan perbaikan dan perawatan pada pengendali PID agar

pengaplikasian nilai Kp, Ki, dan Kd bisa lebih akurat.

2. Dalam proses desain, harus lebih teliti agar dapat menghasilkan

nilai PID yang lebih akurat.

3. Selalu memeriksa setiap modul dan kabel-kabel untuk kelancaran

praktikum.

45

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Aldi, D.“ LAPORAN AKHIR PRAKTIKUM SISTEM KENDALI

TEMPERATUR DENGAN PENGENDALI PID”, Laporan Akhir, Politeknik

Negeri Bandung, 2014.

[2]. Edwar, Y. "PENERAPAN KENDALI CERDAS PADA SISTEM

TANGKI AIR DENGAN LOGIKA FUZZY", Jurnal Himpunan Fisika Indonesia,

LIPI, 2009.

[3] Ahmad, S. Iwan, S. dan Sumardi "Aplikasi Kendali PID menggunakan

Skema Gain Scheduling untuk Pengendalian Suhu Cairan pada Plant Electric

Water Heater", Research Article, Universitas Diponegoro Semarang, 2010.

[4] Ihdina, N. Hendro, P. Budi, K. "PEMODELAN SISTEM LEVEL AIR

HEAD TANK MENGGUNAKAN PENGENDALI PID PADA PEMBANGKIT

LISTRIK TENAGA MINI HIDRO MERASAP."Universitas Tanjungpura

Pontianak.

[5] “Matlab R2013a”,

http://www.behdadsoft.com/Matlab-R2013a.html.

Diakses 6 Juli 2015.

skd 131311053-laporan akhir

Engineering