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 Digital Semester 4

DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA

JURUSAN ELEKTRO

Oleh :

Rahmawati Zakiyah

131311056

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

MOTTO

“Seseorang akan dikatakan berhasil didunia ini adalah jika

seseorang tersebut selalu berbuat kebaikan kepada diri sendiri

dan orang lain”

"Jika kita berfikir bisa!

Maka akan ada jalan untuk meraihnya.”

i

ABSTRAK

Kontroler PID adalah kontroler yang sampai sekarang masih banyak

digunakan di dunia industri. Sehingga di dunia pendidikan juga mempelajari

sistem kontrol. Suatu sistem yang dirancang tidak selalu menghasilkan respon

atau output yang sesuai dengan perancangan. Dibutuhkan suatu pengendalian

untuk mengurangi error yang didapat agar sistem bisa stabil sesuai dengan hasil

output yang diharapkan. Contohnya menggunakan Kontroler PID. Hal yang

penting pada desain kontroler PID ini ialah menentukan parameter kontroler atau

tuning . Beberapa metode yang digunakan untuk mendesain sistem kendali yang

menggunakan tiga parameter yaitu Popotional – Integratif – Derivatif (PID)

adalah metode Ziegler-Nichols dan Cohen-Coon. Selain itu, Skrip Matlab dan

Skrip Arduino (Stand Alone) adalah metode pengembangan sistem kendali yang

lebih efektif. Skrip pada Matlab digunakan untuk menjalankan sistem yang telah

stabil, dalam artian sudah mengandung harga Kp, Ki dan Kd yang sesuai.

Sehingga respon yang didapat dari sistem memiliki rise time, settling time,

overshoot dan steady state error yang kecil. Sedangkan untuk pemrograman PID

pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan sistem tanpa

bantuan/dihubungkan ke komputer. Misal dalam mengendalikan sitem kendali

debit air dapat diaplikasikan pada industri-industri seperti, pengukuran debit pada

saluran irigasi dan menghitung waktu untuk mengairi lahan sawah, daalam

pengukuran sirkulasi bendungan, pengisian tangki air/minyak dan sebagainya.

Kata Kunci : Kontrol PID, Sistem Kendali, Ziegles Nichols, Cohen Coon, Skrip

Matlab, Skrip Arduino, Debit Air.

iii

ii

ABSTRACK

PID controller is a controller that is still widely used in industry. So in the

world of education is also studying the control system. A system that was designed

does not always produce a response or output in accordance with the design. It

takes a control to reduce the error obtained for the system can be stabilized in

accordance with the results expected output. For example using a PID controller.

It is important at this PID controller design is to determine the parameters of the

controller or tuning. Some methods used to design the control system which uses

three parameters, namely Popotional - Integrative - Derivative (PID) is a method

of Ziegler-Nichols and Cohen-Coon. In addition, Matlab scripts and script

Arduino (Stand Alone) is a method of developing a more effective control system.

Matlab scripts used to run the system that has been stable, in the sense that

already contains a price Kp, Ki and Kd appropriate. So the response obtained

from the system have a rise time, settling time, overshoot, and steady-state error is

small. As for the PID programming allows Arduino Arduino can move without

assistance systems / connected to a computer. For example in controlling water

flow control system can be applied to industries such as discharge measurements

in irrigation and calculate the time to irrigate the paddy fields, daalam circulation

measurement dams, filling water tank / oil and etc.

Keywords : PID Control, Control Systems, Ziegles-Nichols, Cohen-Coon, Script

Matlab, Script Arduino, Debit Water.

iiii

iii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah rasa puji dan syukur yang sangat mendalam, penulis

panjatkan kepada Allah SWT. Karena atas ijin dan ridho-Nya telah memberikan

kepada penulis untuk dapat menyelasaikan Laporan Akhir Mata Kuliah Sistem

Kendali dan Digital (SKD) yang berjudul “Perancangan Dan Realisasi Sistem

Kendali Kontinyu & Digital Pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-

Nichols & Coohen-Coon menggunakan Matlab dan Arduino”. Sholawat

beserta salam semoga tetap dicurah limpahkan kepada jungjunan kita semua Nabi

Muhammad SAW, kepada keluarga-Nya, sahabat-Nya, serta kita selaku umat-

Nya.

Pembuatan laporan ini bertujuan untuk memenuhi salah satu satu syarat

menyelesaikan mata kuliah SKD. Penulis juga menyadari dan yakin tidak sedikit

bahasa dari uraian penulis yang kurang lengkap dan jauh dari kata sempurna,

untuk itu penulis selaku penyusun mengharapkan kritik maupun saran yang

membangun baik dari tim pengajar, dan rekan-rekan pembaca semuanya guna

meningkatkan pengetahuan penulis dan perbaikan dimasa yang akan datang serta

demi sempurnanya laporan ini.

Berbagai bantuan dari berbagai pihak, sangat penulis rasakan dalam

pembuatan Laporan Akhir SKD ini. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin

mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada :

1. Keluargaku tercinta, terutama Ayah dan Ibu yang sangat penulis hormati dan

banggakan, yang selalu mendo’akan, memberi dukungan baik moril maupun

materil.

2. Bapak Feriyonika, S.T., M.Sc. Eng. Selaku dosen pembimbing yang

memberikan nasihat dan bimbingan yang sangat bermanfaat kepada penulis

dalam menyelesaikan laporan akhir ini.

3. Ibu Iyom. Selaku teknisi laboraturium elektronika yang selalu membantu

dalam penyediaan peralatan yang dibutuhkan selama praktikum.

iiiii

iv

4. Bapak Tete. Selaku penjaga laboraturium elektronika yang selalu sabar

menunggu penulis dan rekan lainnya selama praktikum.

5. Mohammad Iqbal Tri Wijaya. Selaku partner selama praktikum SKD.

6. Rekan-rekan Ec-2B 2013 yang selalu memberikan dukungan dan semangat

kalian kepada penulis.

7. Seluruh pihak yang membantu dan mendukung yang tidak dapat disebutkan

satu persatu.

Akhir kata, penulis berdo’a semoga segala bantuan, bimbingan dan

dorongan yang diberikan pihak-pihak diatas bisa mendapat imbalan yang berlipat

ganda dari Allah SWT dan Laporan Akhir SKD ini bisa bermanfaat bagi kita

semua, khususnya bagi penulis dan umumnya bagi para pembaca.

Garut, Juli 2015

Penulis

i

v

DAFTAR ISI

Halaman

COVER

MOTTO

ABSTRAK .........................................................................................................i

ABSTRACK ......................................................................................................ii

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

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

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

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

BAB I PENDAHULUAN

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

1.2 Rumusan Masalah .................................................................................2

1.3 Tujuan ...................................................................................................2

1.4 Sistematika Laporan..............................................................................3

BAB II PEMBAHASAN

2.1 Debit Air ..............................................................................................4

2.2 Sistem Kendali PID ...............................................................................4

2.3 Matlab ...................................................................................................6

2.4 Metode Ziegler-Nichols ........................................................................7

2.4.1 Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ..................................................7

2.4.2 Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 . ................................................8

2.5 Metode Cohen-Coon .............................................................................9

2.6 Metode PID Skrip Matlab dan Skrip Arduino ......................................10

2.7 Arduino UNO ........................................................................................11

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

3.1 Diagram Blok Sistem ............................................................................13

3.2 Alat dan Modul yang Digunakan ..........................................................13

3.3 Uraian Materi ........................................................................................14

3.3.1 Modul Catu Daya (PS-1) ............................................................14

3.3.2 Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1) .......................15

i

vi

vi

3.3.3 Modul PID (PID-1) ....................................................................15

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-1) ......................................................16

3.3.5 Modul Sistem Kendali Debit Air (Twp-4) ..................................17

3.4 Perancangan ..........................................................................................17

3.4.1 Sistem Kendali Ziegler-Nichols Tipe 1.......................................17

3.4.2 Sistem Kendali dengan Skrip Matlab .........................................20

3.4.3 Sistem Kendali Ziegler-Nichols Tipe 2.......................................22

3.4.4 Sistem Kendali Cohen Coon .......................................................24

3.4.5 Sistem Kendali Skrip Arduino (Stand Alone) ............................26

BAB IV HASIL PEMBAHASAN

4.1 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler-Nichols Tipe 1 ....................29

4.2 Sistem Kendali Debit Air dengan Skrip PID ........................................31

4.3 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler-Nichols Tipe 2 ....................35

4.4 Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon ....................................39

4.5 Sistem Kendali Debit Air menggunakan Arduino dengan Metode

Stand Alone Controller .........................................................................41

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ...........................................................................................46

5.2 Saran .....................................................................................................47

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................48

vii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel II.1 Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter ........6

Tabel II.2 Penalaan Parameter PID dengan Metode Cohen Coon ......................10

Tabel III.1 Parameter Kp, Ki, Kd ........................................................................20

vii

viii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar II.1 Simbol Matlab ................................................................................6

Gambar II.2 Kurva S ...........................................................................................7

Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T .........................................................8

Gambar II.4 Blok Diagram Sistem Close Loop ..................................................9

Gambar II.5 Kurva Respon Quarter Amplitude Decay ......................................9

Gambar II.6 Respon Awal pada Metode Cohen Coon ........................................9

Gambar II.7 Sistem Kendali pada Metode Cohen Coon ....................................10

Gambar II.8 Grafik Nilai gp, Ԏd dan Ԏ ..............................................................10

Gambar II.9 Tampilan Sistem Kendali Debit Air pada LCD .............................11

Gambar II.10 Kofigurasi Arduino Uno ..............................................................12

Gambar III.1 Diagram Blok Sistem Kendali Debit Air .....................................13

Gambar III.2 Modul Catu Daya .........................................................................14

Gambar III.3 Modul Setpoint (RVG-1) ...............................................................15

Gambar III.4 Modul PID-1 .................................................................................16

Gambar III.5 Modul Penguat Daya (PA-1) .........................................................16

Gambar III.6 Modul Debit Air (TwP-4) .............................................................17

Gambar III.7 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air .................................18

Gambar III.8 Skematik Rangkaian Pembagi Tegangan .....................................18

Gambar III.9 Rangkaian Pembagi Tegangan ......................................................18

Gambar III.10 Rangakain Modul Debit Air ........................................................19

Gambar III.11 Rangkaian Modul Debit Air dengan PID ....................................20

Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan Menggunakan

Skrip Matlab dan Arduino Uno ...................................................21

Gambar III.13 Arduino Uno saat Koneksi dengan Modul ..................................21

Gambar III.14 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Metoda

Ziegler-Nichols Tipe 2 ................................................................23

Gambar III.15 Rangkaian Modul Debit Air dengan Feedback ..........................23

Gambar III.16 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon ...25

Gambar III.17 Rangkaian Pembagi Tegangan ....................................................25

Gambar III.18 Rangkaian Modul Debit Air dengan Metode Cohen Coon ........26

viii

ix

Gambar III.19 Rangkaian Sistem Kendali Debit Air ..........................................27

Gambar III.20 Langkah Upload Skrip ...............................................................27

Gambar III.21 Rangkaian Sistem Kenali Debit Air yang Terhubung dengan

Shield, Arduino dan Laptop ................................................ 28

Gambar IV.1 Respon Awal saat Menentukan Waktu Asli ................................29

Gambar IV.2 Proses Desain dengan Metode ZN-1 .............................................29

Gambar IV.3 Hasil Perhitungan di Exel .............................................................30

Gambar IV.4 Gelombang Keluaran di Scope dengan menggunakan PID ..........30

Gambar IV.5 Gelombang Keluaran setelah dilakukan Tuning Manual ..............31

Gambar IV.6 Skrip yang menentukan pin output arduino, time sampling dan

parameter PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya) .........31

Gambar IV.7 Skrip yang menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara

berulang menggunakan while .......................................................32

Gambar IV.8 Skrip yang menentukan nilai PID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan

membulatkan nilai hasil keluaran dari PID ....................................32

Gambar IV.9 Skrip yang membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan

Plot Respon dan Setpoint dan Skrip penutup pada Program ........33

Gambar IV.10 Grafik Keluaran Kondisi Awal ...................................................33

Gambar IV.11 Grafik Keluaran saat Potensio dirubah-rubah ............................34

Gambar IV.12 Grafik Keluaran Saat Kondisi Ts = 0,051809 ...........................34

Gambar IV.13 Grafik hasil dari Metoda Manual Tunning ................................34

Gambar IV.14 Hasil Respon Steady State saat Respon Mulai Osilasi ...............35

Gambar IV.15 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi ............35

Gambar IV.16 Hasil Perhitungan saat Respon Mulai Osilasi ............................36

Gambar IV.17 Hasil Perhitungan saat Respon Berosilasi ..................................... 36

Gambar IV.18 Kondisi Awal saat Respon Mulai Osilasi ...................................36

Gambar IV.19 Kondisi saat Setpoint dirubah (Sebelum Osilasi) ........................37

Gambar IV.20 Kondisi Awal saat Respon Osilasi ..............................................37

Gambar IV.21 Kondisi saat Setpoint dirubah (Saat Osilasi) ...............................38

Gambar IV.22 Hasil Perhitungan saat Metode Manual Tuning ..........................38

Gambar IV.23 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi 3 .................9

Gambar IV.24 Hasil Respon Awal Cohen Coon ................................................39

Gambar IV.25 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon ..............................40

Gambar IV.26 Hasil Perhitungan saat Menentukan Parameter PID ..................40

x

Gambar IV.27 Hasil Respon Akhir Metode Cohen Coon ..................................41

Gambar IV.28 Skrip pada Aplikasi Arduino Untuk menentukan Pin I/O Arduino,

Time Sampling dan Parameter PID (nilai berdasarkan praktikum

Unit 6) .........................................................................................42

Gambar IV.29 Hasil Proses Perbandingan Setpoint dan Feedback di Serial

Monitor .......................................................................................43

Gambar IV.30 Skrip Untuk Menampilkan di LCD ............................................45

Gambar IV.31 Hasil Display Debit Air pada LCD ............................................45

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perkembangan teknologi yang semakin pesat telah membawa banyak

pengaruh dalam berbagai aspek kehidupan terutama di industri. Sehingga hampir

semua alat di setting secara otomatis dan dikendalikan oleh sebuah sistem[1]

.

Sebagai contoh sistem kendali debit air, digunakan untuk mengetahui banyak air

yang mengalir persatuan waktu. Contoh aplikasi diantaranya, dalam pengukuran

debit pada saluran irigasi dan menghitung waktu untuk mengairi lahan sawah,

daalam pengukuran sirkulasi bendungan, dalam pengisian tangki air/minyak bumi

dan sebagainya.

Salah satu cara untuk sistem kendalinya yaitu kontroler PID, dimana

kontroler PID adalah kontroler berumpan balik yang paling populer di dunia

industri. Selama lebih dari 50 tahun, kontroler PID terbukti dapat memberikan

performansi kontrol yang baik meski mempunyai algoritma sederhana yang

mudah dipahami. Hal krusial dalam desain kontroler PID ialah tuning atau

pemberian parameter P, I, dan D agar didapatkan respon sistem yang kita

inginkan.

Pada praktikum yang telah dilakukan, penulis melakukan perancangan

yaitu menggunakan software Matlab. Matlab dapat digunakan untuk simulasi

sebagai alat untuk mempelajari dasar-dasar kendali PID sebelum dihubungkan

langsung pada plant. Matlab yang dilengkapi Control Toolbox, membantu

perancang untuk melihat respon berbagai kombinasi konstanta dengan variasi

input yang berbeda. Penggunaan MatLab ini sangat membantu perancang dalam

menentukan kombinasi di antara P, I, dan D Controller untuk menghasilkan

sistem pengaturan yang baik dan sederhana.

Pada tahun 1942, Ziegler-Nichols mengembangkan metode kurva reaksi

(open loop tuning ) di mana kita bisa mendapatkan parameter P, I, D dari respon

open loop sistem (tidak perlu mengetahui model plant). Sementara Cohen Coon

1

2

juga mengembangkan metode eksperimental dimana hasilnya akan memberikan

overshoot yang meluruh seperempat bagian[2]

.

Kemudian muncul metode tuning yang berdasar model plant. Untuk

mengamati performansi suatu sistem, parameter-parameter berikut sering

digunakan : maximum overshoot, error steady state , rise time dan settling time.

Sehingga dalam prakteknya apabila metode ZN 1,2 dan CC terdapat error maka

dapat dilakukan manual tuning.

Selain itu, MATLAB dan arduino dapat saling berhubungan melalui

komunikasi serial. Arduino UNO merupakan mikrokontroler yang digunakan

untuk mengkomunikasikan skrip dan simulink yang telah dirancang oleh matlab

sebelumnya, dengan modul kendali debit air. Arduino yang telah menerima

perintah dari Matlab akan memberikan perintah-perintah terbut pada modul/plant

yang dihubungkan dengan Arduino UNO. Selain dari itu, dengan tanpa

menggunakan skrip matlab dan hanya menggunakan skrip arduino juga bisa

menjalankan sebuah sistem kendali debit air yaitu dengan menggunakan metode

stand alone controller dimana suatu sistem kendali sudah tidak dilibatkan dengan

piranti seperti laptop, komputer dan alat-alat yang mungkin membuat sistem

kendali itu terlihat menarik dan simpel (Embedded System).

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang dan tujuan yang ingin dicapai, berikut

merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini.

1. Bagaimana respon sistem debit air sebelum dan sesudan menggunakan PID.

2. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali debit air.

3. Bagaimana perbandingan hasil respon dari masing-masing metoda yang

digunakan.

1.3 Tujuan

Tujuan dari percobaan ini adalah melakukan pengujian dan penerapan

sistem kendali PID pada suatu modul sistem kendali debit air dengan

3

menggunakan metoda Ziegler Nichols tipe 1 dan 2, Cohen Coon, Skrip PID dan

Stand Alone.

1.4 Sistematika Laporan

Adapun sistematika penulisan Laporan Akhir ini adalah :

BAB I PENDAHULUAN

Dalam bab ini akan dibahas mengenai latar belakang, rumusan masalah,

tujuan, dan sistematika penulisan.

BAB II LANDASAN TEORI

Dalam bab ini akan dibahas secara umum mengenai teori dasar yang

mendukung pelaksanaan praktikum seperti : Sistem Kendali, PID, Matlab, Metode

Ziegler Nichols, Metode Cohen Coon, Metode PID Script, Metode Stand Alone,

Manual Tunning, dan Arduino.

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

Dalam bab ini diuraian rincian tentang langkah-langkah dan metodologi

penyelesaian masalah, bahan dan alat yang dipergunakan, metoda pengambilan

data, proses pengerjaan dan masalah yang dihadapi disertai dengan cara

penyelesaiannya.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam bab ini berisikan tentang hasil dari praktikum dan pembahasannya.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Dalam bab ini berisikan kesimpulan secara keseluruhan dari hasil yang

telah dicapai dari tujuan laporan. Saran dibuat berdasarkan pengalaman penulis

ditujukan kepada para mahasiswa/peneliti dalam bidang sejenis yang ingin

melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang sudah dilaksanakan.

4

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Debit Air

Debit adalah besaran yang menyatakan volum fluida yang mengalir

melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu tertentu. Sehingga debit air

adalah kecepatan aliran zat cait per satuan waktu. Pengendalian debit air pada

dasarnya dapat dilakukan dengan berbagai cara, namun yang terpenting adalah

mempertimbangkan secara keseluruhan dan mencari sistem yang paling optimal[3]

.

Kegiatan pengendalian debit air berdasarkan daerah pengendalian dapat

dikelompokkan menjadi dua, yaitu [3]

:

1. Bagian hulu, yaitu dengan membuat bangunan pengendali debit air yang

dapat memperlambat waktu tiba debit air dan menurunkan besarnya debit air,

dan pembuatan waduk lapangan atau kolam penampungan air yang dapat

merubah pola hidrograf debit air serta penghijauan di Daerah Aliran Sungai

(DAS).

2. Bagian hilir, yaitu dengan melakukan normalisasi sungai dan tanggul, sudetan

pada aliran kritis, pembuatan alur pengendalian debit air, serta pemanfaatan

daerah genangan untuk retarding basin.

2.2 Sistem Kendali PID

Sistem Kendali merupakan hubungan antara komponen yang membentuk

sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang

diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem fisis,

yang biasa disebut dengan kendali (plant) .

Pada sistem kendali terdapat 2 sistem :

1. Sistem Loop Terbuka

2. Sistem Loop Tertutup

Sedangkan dalam sistem kontrol terdapat banyak macam jenis. Salah

satunya yang sekarang dipelajari adalah kendali PID. Sistem kontrol PID

(Propotional-Integral-Derivative Controller) merupakan controller untuk

menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan adanya umpan balik

4

5

(feedback) pada controller. Dalam mendesain controller kita dapat mengatur

pengaturan PID untuk mendapatkan sinyal yang kita inginkan. Parameter-

parameter pengendalian sistem :

1. Set point, merupakan elemen yang digunakan untuk menyatakan nilai yang

dikehendaki atau nilai referensi dari variabel dinamik atau variabel yang

dikendalikan dari suatu sistem.

2. Respon, bisa dikatakan sebagai plant karena respon adalah sebuah tanggapan

atau balasan terhadap sebuah rangsangan.

3. Overshoot, merupakan nilai yang dipakai sistem kontrol ketika pertama kali

mencapai nilai set point, dan selalu lebih besar dari nilai set point.

4. Rise time, adalah ukuran waktu yang diukur mulai dari respon t=0 sampai

dengan respon memotong sumbu steady state.

5. Settling Time, waktu yang dibutuhkan bagi sistem kontrol untuk kembali

kepada nilai set point.

6. Steady-state, merupakan kondisi dimana sewaktu sifat-sifat suatu sistem tak

berubah dengan berjalannya waktu (konstan).

7. Error Steady-state, merupakan jarak antara set point dengan nilai respon

ketika keadaan dalam keadaan steady-state.

Pengaruh perubahan konstanta parameter-parameter PID sangat

berpengaruh pada respon. Adapun penjelasannya sebagai berikut [4]

:

1. Kontrol Proporsional

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 memperbaiki respon

transien khususnya rise time dan settling time.

2. Kontrol Integratif

Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-state,

namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien

yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidak stabilan sistem. Pemilihan

Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena

menambah orde sistem.

6

3. Kontrol Derivatif

Kontrol Derivatif 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.

Tabel II.1 Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter

2.3 Matlab

MATLAB merupakan bahasa canggih untuk komputasi teknik. MATLAB

merupakan integrasi dari komputasi, visualisasi dan pemograman dalam suatu

lingkungan yang mudah digunakan, karena permasalahan dan pemecahannya

dinyatakan dalam notasi matematika biasa. Kegunaan MATLAB secara umum

adalah untuk [5]

:

1. Matematika dan komputasi

2. Pengembangan dan algoritma

3. Pemodelan, simulasi dan pembuatan prototype

4. Analisa data, eksplorasi dan visualisasi

5. Pembuatan apilikasi termasuk pembuatan graphical user interface

Gambar II.1 Simbol Matlab [5]

Perintah MATLAB dapat dituliskan langsung pada prom pt

commandwindow atau dalam bentuk M-file. Penulisan pada command window

dilakukan hanya untuk operasi komputasi yang sederhana. Sementara untuk

operasi komputasi yang panjang dan kompleks lebih sering dituliskan dalam M -

file dimana file ini dapat diedit dan dipanggil setiap saat oleh MATLAB.

7

MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman

yang canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan tugas

pengolahan sinyal, aljabar linier, dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB juga

berisi toolbox yang berisi fungsi-fungsi tambahan untuk aplikasi khusus.

MATLAB bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis

fungsi baru untuk ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang

tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang

dibutuhkan tidak terlalu sulit bila telah memiliki pengalaman dalam pemrograman

bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN. [5]

2.4 Metoda Ziegler-Nichols

Metode Ziegler Nichols merupakan pengembangan dari metoda trial and

error. Metode ini digunakan sebagai point awal untuk memulai manual tunning.

Ziegler Nichols ini akan menentukan parameter-parameter PID yang akan

digunakan untuk mendapatkan respon yang baik.

Metoda ini merupakan metoda tuning PID kontroler untuk menentukan

nilai proporsional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan

karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem [6]

.

2.4.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1

Dilakukan pada plant yang bersifat sistem terbuka (open loop). Plant yang

akan dikendalikan diberi input step dan responnya akan dianalisa dengan metode

Ziegler Nichols tipe 1 dimana perhitungannya akan menghasilkan parameter-

parameter PID.

Gambar II.2 Kurva S

[6].

Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step,

hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, seperti pada gambar II.2.

Kurva berbentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu

tunda L dan time constant T.

8

Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T

[6]

Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial

pada titik infleksi kurva S, seperti pada gambar II.3. Garis tangensial tersebut akan

berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K [6].

Berdasarkan parameter

tersebut, didapatkan cara untuk menghitung parameter Kp, Ti dan Td.

Kp = 1,2 ( ) ................ (1)

Ti = 2 x L ................. (2)

Td = 0,5 x L ................ (3)

Apabila harga Ti dan Td sudah diketahui, maka konstanta Ki dan Kd dapat

ditentukan.

Ki =

.................. (4)

Kd= Kp x Td ............... (5)

2.4.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2

Pada metode Ziegler Nichols tipe 2 ini proses penentuan parameter PID

dihitung menggunakan respon yang diatur menggunakan slider gain sehingga

respon berosilasi. Metode ini diaplikasikan pada sistem loop tertutup (close loop).

Gambar II.4 Blok Diagram Sistem Close Loop

Pada metode kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan

proportional band. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp yang

menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai slider gain ini disebut sebagai critical

gain (Kcr). Jika harga Kp terlalu kecil, sinyal output akan teredam mencapai nilai

9

titik keseimbangan setelah ada gangguan, Sebaliknya, jika harga Kp terlalu besar,

osilasinya akan tidak stabil dan membesar [6]

.

2.5 Metode Cohen-Coon

Karena tidak semua proses dapat menoleransi keadaan osilasi dengan

amplitudo tetap, Cohen-Coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan

menggunakan metode quarter amplitude decay. Respon sistem close loop, pada

metode ini, dibuat sehingga respon berbentuk quarter amplitude decay. Quarter

amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudonya dalam

periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat (1/4) [2]

. Untuk lebih

jelasnya dapat dilihat pada Gambar II.5.

Gambar II.5 Kurva Respon Quarter Amplitude Decay [2]

Kontroler proportional Kp ditala hingga diperoleh tanggapan quarter

amplitude decay, periode pada saat tanggapan ini disebut Tp dan parameter Ti dan

Td dihitung dari hubungan KP dengan TP. Sedangkan penalaan parameter

kontroler PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-

Nichols[2]

.

Untuk lebih jelasnya berikut adalah tahapan Mendesain dengan CC adalah:

1. Plant diberi input step, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.

Gambar II.6 Respon Awal pada Metode Cohen Coon

10

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

Sinyal perubahan inilah yang akan dipakai untuk mendesain kendali.

Gambar II.7 Sistem Kendali pada Metode Cohen Coon

Parameter :

- Proses gain (gp)

- Deadtime Ԏd

- Time constant (Ԏ)

Gambar II.8 Grafik Nilai gp, Ԏd dan Ԏ

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

tercantum pada tabel II.2..

Tabel II.2 Penalaan Paramater PID dengan Metode Cohen-Coon

2.6 Metode PID Skrip Matlab dan Skrip Arduino (Stand Alone)

Sistem kendali dikendalikan menggunakan sebuah arduino yang di

program di Matlab, dengan menterjemahkan algoritma PID ke script, kita dapat

mengendalikan sistem kendali agar lebih praktis, lebih efisien dan lebih handal

11

dalam realisasinya. Selain dengan PID script, dalam merealisasikan script dapat

juga menggunakan program-program seperti visual basic, delphi, java, c, python

dan lain-lain.

Selanjutnya, selain metode PID script ada metoda sistem kendali yang

lebih efektif lagi yaitu menggunakan metode stand alone controller yang dimana

suatu sistem kendali sudah tidak dilibatkan dengan piranti seperti laptop,

komputer dan alat-alat yang mungkin membuat sistem kendali itu terlihat menarik

dan simpel (Embedded System).

Untuk menunjang metode stand alone ini maka digunakan piranti shield

arduino yang keluarannya ditampilkan di LCD.

Shield arduino adalah sebutan untuk modul tambahan dengan berbagai

fungsinya yang kebanyakan pinnya cocok dengan arduino, sehingga cara

menghubungkannya dengan arduino dengan menyusunnya diatas board arduino.

Gambar II.9 Tampilan Sistem Kendali Debit Air pada LCD

2.7 Arduino Uno

Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroler 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.[7]

.

12

Gambar II.10 Kofigurasi Arduino Uno[7]

Spesifikasi Arduino Uno Mikrokontroler ATmega328 :

1. Catu Daya 5V

2. Teganan Input (rekomendasi) 7-12V

3. Teganan Input (batasan) 6-20V

4. Pin I/O Digital 14 (of which 6 provide PWM output1

5. Pin Input Analog 6

6. Arus DC per Pin I/O 40 mA

7. Arus DC per Pin I/O untuk PIN 3.3V 50 mA

8. Flash Memory 32 KB (ATmega328) dimana 0.5 KB digunakan oleh

bootloader

9. SRAM 2 KB (ATmega328)

10. EEPROM 1 KB (ATmega328)

11. Clock Speed 16 MHz

Salah satu kelebihan dari arduino Uno ini adalah didukung oleh software

Arduino IDE (Integrated Development Enviroment) untuk melakukan penulisan

pemrograman. Bahasa pemrogramannya pun berdasarkan bahasa C yang mudah

untuk dpelajari dan sudah didukung oleh library yang lengkap[7]

.

13

BAB III

METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

Bab ini menjelaskan mengenai metode-metode yang digunakan dalam

proses penelitian serta hasil pengujian alat-alat yang akan digunakan dalam proses

percobaan.

3.1 Diagram Blok Sistem

Diagram blok sistem kendali Debit Air dapat dilihat pada gambar III.1

Gambar III.1 Diagram Blok Sistem Kendali Debit Air

Keterangan:

1. Blok Input

Blok input terdiri dari modul catu daya dimana catu daya menyuplai tegangan

untuk seluruh modul sebesar +15V.

2. Blok Proses

Blok proses terdiri dari modul Setpoint, modul PID dan modul Penguat Daya.

3. Blok Output

Blok output merupakan output dari plant yang merupakan modul kendali Debit

Air.

3.2 Alat dan Modul yang Digunakan

Modul dan alat yang digunakan untuk melakukan praktikum sistem kendali

debit air ini, yaitu:

1. Modul Catu Daya/Power Supply (PS-1)

2. Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1)

3. Modul PID (PID-1)

4. Modul Penguat Daya (PA-1)

5. Modul Sistem Kendali Debit Air (TwP-4)

6. Arduino UNO dan Shield Arduino

7. Protoboard

13

14

8. LCD (Sebagai display keluaran output)

9. Multimeter Digital

10. Kabel dan Konektor

11. Komputer/Laptop

Sistem dirancang menggunakan beberapa software pendukung seperti berikut:

1. Matlab R2013a

2. Arduino

3. Microsoft Excel 2010

3.3 Uraian Materi

3.3.1 Modul Catu Daya (PS-1)

Power supply adalah sebuah perangkat keras bertugas menyalurkan

tegangan listrik secara langsung kepada perangkat keras.

Power Supply akan bekerja sebagai sumber tegangan apabila power

ON/OFF diubah ke posisi ON. Pada catu daya terdapat potensiometer U untuk

mengubah tegangan yang diinginkan. Apabila arah panahnya diputar kekiri maka

nilai tegangannya 0 volt. Sebaliknya apabila diputar kearah yang berlawanan

maka harga tegangannya maksimal. Potensiometer digunakan untuk mengatur

besarnya tegangan.

Gambar III.2 Modul Catu Daya

Dengan demikian, hasil pengujian Power Supply yang dilakukan dapat

dikatakan berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan

15

menggunakan multimeter. Pada variable maksimal, input +15 V, output yang

dihasilkan juga adalah +15V.

3.3.2 Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1)

Modul setpoint berfungsi untuk memberikan nilai input yang digunakan

kepada sistem kendali sesuai yang diinginkan dan nantinya nilai setpoint ini akan

dijadikan acuan untuk hasil output sistem kendali. Pada modul setpoint ini

memiliki nilai range (-10) Volt sampai (+10) Volt atau 0 Volt sampai (+10) Volt.

Kedua pilihan tersebut dapat diatur dengan memindah jumper penghubung.

Gambar III.3 Modul Setpoint (RVG-1)

Setelah melakukan proses pengujian setpoint dinyatakan berjalan dengan

baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Setpoint

digunakan untuk menentukan nilai setpoint yang ingin dicapai. Ketika setpoint

diberi tegangan 5V maka output nya juga 5V.

3.3.3 Modul PID (PID-1)

Modul PID berfungsi sebagai kontrol atau pengendali pada sistem kendali

Debit Air. Pada modul PID ini terdapat parameter-parameter nilai yang dapat

diatur, yaitu Kp, Ti, dan Td. Pada penggunaan modul PID ini ketiga nilai

parameter tersebut dapat digunakan salah satunya atau dapat juga digunakan

ketiganya.

16

Gambar III.4 Modul PID-1

Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa modul PID berjalan

dengan baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter.

Ketika PID diberi input 1V, harga Kp dikali 1, maka output dari PID = 1V.

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-1)

Modul power amplifier atau modul penguat daya berfungsi untuk

menguatkan arus atau daya yang keluar dari modul PID agar dapat digunakan

untuk mengendalikan plant. Penguat daya ini mendapatkan tegangan input berasal

dari hasil output modul PID yang dihubungkan dengan modul penguat dengan

menggunakan konektor. Pada modul penguat daya terdapat dua keluaran, yaitu

tegangan positif dan tegangan negatif dengan besar tegangan yang sama.

Gambar III.5 Modul Penguat Daya (PA-1)

17

Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa modul Penguat berjalan

dengan baik, hal ini dibuktikan dengan menghubungkan modul penguat dengan

modul setpoint dan pengetesan menggunakan multimeter. Ketika setpoint diatur

tegangannya 5V maka keluaran dari penguat (+) dan (-) akan menghasilkan 2x

lipat dari setpoint sehingga nilainya menjadi 10V.

3.3.5 Modul Sistem Kendali Debit Air (TwP-4)

Modul sistem kendali debit air terdiri dari dua buah pipa (selang air) yang

terhubung kedalam tangki dimana tangki pertama yang terhubung dengan input

yang akan menggerakkan seberapa besar motor akan berputar untuk memompa air

menuju tangki kedua melalui selang air.

Gambar III.6 Modul Debit Air (TwP-4)

Berdasarkan hasil praktikum yang telah dilakukan menunjukkan bahwa

modul Debit Air berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan dengan mengalirnya air

melalui selang air saat dihubungkan semua modul dan dinyalakan dengan sumber

listrik.

3.4 Perancangan

3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1

Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali PID dengan Ziegles

Nichols Tipe 1 adalah Sebagai Berikut :

1. Buka program simulink Matlab R2013a

2. Koneksikan Arduino Uno dengan Laptop dan Matlab.

3. Setelah Arduino terkoneksi dan terinstal, cabut kembali arduino tersebut.

18

4. Kemudian buat rangkaian pada simulink seperti gambar dibawah ini.

Gambar III.7 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air

5. Selanjutnya, tes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya, setelah

modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan.

6. Atur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint

dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.

7. Buat juga rangkaian pembagi tegangan pada protoboard yang dihubungkan

ke Arduino dan modul Debit Air. Dimana input dari arduino terhubung ke

konektor yang terpasang antara set point dengan penguat dan output dari

arduino-Analog IN5 terpasang ke keluaran dari modul debit air. Dapat dilihat

pada gambar dibawah ini :

Input 6V

R1

6V

3V R2

Gambar III.8 Skematik Rangkaian Pembagi Tegangan

Gambar III.9 Rangkaian Pembagi Tegangan

19

8. Berikut adalah gambar lengkap dari modul debit air yang telah terpasang

dengan pembagi tegangan arduino uno.

Gambar III.10 Rangakain Modul Debit Air

9. Setelah terhubung dengan arduino dan rangkaian pembagi tegangan. Pasang

arduino dengan laptop kemudian hubungkan power supply dengan sumber

kemudian nyalakan switch pada modul.

10. Selanjutnya siapkan stopwatch dan jalankan simulink pada matlab. Klik

scope setelah muncul tampilan scope, On-kan switch pada setpoint dan saat

itu juga stopwatch mulai dijalankan.

11. Setelah gelombang terlihat dan sudah dikatakan seimbang dan baik maka

matikan simulink dan matikan juga stopwach. Sehingga didapat waktu asli.

12. Buat garis potong dan tentukan nilai L, T, waktu gelombang rise time dan

gelombang pengambilan terakhir.

13. Setelah mendapat nilai L, T, waktu gelombang pertama rise time, gelombang

terakhir dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Hitung di program excel

dengan rumus sebagai berikut :

L = Wreal/Wmatlab x Lmatlab

T = Wreal/Wmatlab x Tmatlab

Kp = 1,2 x (T / L), Ti = 2 x L, Td = 0,5 x L,

Ki = Kp / Ti Kd = Kp x Td

14. Setelah didapat hasilnya, hubungkan modul PID dengan rangkaian modul

debit air yang tadi menggunakan konektor. Pemasangannya setelah modul set

point.

15. Pada saat pemasangan PID jangan lupa matikan simulink, cabut arduino dari

laptop kemudian matikan switch pada modul power supply.

20

16. Setelah PID terpasang. Hubungkan input pembagi tegangan ke konektor yang

terpasang antara modul set point dan modul PID. Kemudian pasang keluaran

modul debit air dengan modul PID (feedback) dan juga output dari arduino-

Analog IN5. Lalu atur tombol Kp, Ti dan Td pada modul PID sesuai hasil

perhitungan di excel yang telah dibuat. Seperti gambar dibawah ini :

Gambar III.11 Rangkaian Modul Debit Air dengan PID

17. Kemudian hubungkan lagi arduino dengan laptop, dan jalankan simulink.

18. Tahap selanjutnya adalah mengamati gelombang tersebut dimulai dari rise

time, steady-state dan overshoot. Jika masih terdapat sedikit error dan ingin

mengecilkan Ki maka yang di set kembali adalah dengan membesarkan Ti.

Atau dapat dilakukan dengan melihat tabel parameter dibawah ini :

Tabel III.1 Parameter Kp, Ki, Kd

19. Namun, jika gelombang rise time, steady-state dan overshoot-nya mendekati

atau sama, maka tidak perlu dilakukan manual tunning.

20. Jika tetap menggunakan tuning manual dan menghasilkan gelombang yang

baik, maka proses desain sistem kendali telah selesai dilakukan.

3.4.2 Sistem Kendali dengan Skrip Matlab

Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan skrip matlab

adalah Sebagai Berikut :

21

1. Pertama, mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya,

setelah modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan ke

tahap penghubungan setiap modul menggunakan konektor.

2. Selanjutnya, meng-set Modul PID (Kp On, Ti dan Td Off) hingga

keluarannya 2x dari Setpoint dengan bantuan modul Setpoint.

3. Kemudian, lepaskan modul Setpoint (digantikan melalui script Matlab

menggunakan Arduino dan potensiometer) dan memasang kembali modul

menggunakan konektor. Lalu, koneksikan Arduino UNO dan Laptop juga

telah terhubung dengan Matlab.

Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan Menggunakan Skrip

Matlab dan Arduino Uno

4. Selanjutnya membuat script di Matlab

5. Kemudian menghubungkan potensio pada Arduino sebagai Setpoint (A0)

juga VCC, GND, analog input (analogRead) , analog output (analogWrite)

arduino dengan modul PID dan PLANT.

Gambar III.13 Arduino Uno saat Koneksi dengan Modul

6. Menjalankan skrip program sistem kendali pada arduino yang dibuat dengan

meng-klik tombol Run di Matlab. Maka secara otomatis akan muncul figure

22

(scope) yang merupakan hasil keluaran gelombang dari plant yang telah

dibuat.

7. Lakukan pengamatan dan analisa pada grafik keluarannya.

8. Setelah itu, gelombang dirubah rubah dengan mengatur potensio yang

berfungsi untuk menguji keandalan kendali yang telah di program.

9. Selanjutnya, mencari nilai Ts menggunakan intruksi tic (dibawah intuksi

While) dan tac (diatas instruksi end).

Sampai .......

10. Kemudian, mengubah nilai Ts pada skrip sesuai dengan Ts yang didapat dan

amati hasil responnya, conto :

11. Langkah selanjutnya yaitu mengamati gelombang tersebut, Jika masih

terdapat delay, steady-state, dan overshoot maka dilakukan metoda manual

tunning dengan merubah nilai Kp, Ti dan Td pada skrip program. Pada sistem

ini, nilai yang dirubah adalah Td menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu

besar, dan mengubah nilai Ti menjadi 0.3.

3.4.3 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2

Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali PID dengan Ziegles

Nichols Tipe 2 adalah Sebagai Berikut :

1. Membuka program simulink Matlab R2013a.

2. Mengoneksikan Arduino Uno dengan Laptop dan Matlab.

3. Setelah Arduino terkoneksi dan terinstal, maka arduino dicabut kembali.

23

4. Kemudian membuat rangkaian pada simulink seperti gambar 2.1.

Gambar III.14 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Metoda

Ziegler-Nichols Tipe 2

5. Selanjutnya mengetes masing-masing tegangan keluaran setiap modul. Dan

mengatur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint

dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.

6. Setelah itu menghubungkan semua modul dengan menggunakan jumper dan

menghubungkan juga dengan arduino.

7. Kemudian memasang arduino dengan laptop dan menghubungkan power

supply dengan sumber dan menyalakan switch pada modul yang dapat dilihat

pada gambar 3.2.

Gambar III.15 Rangkaian Modul Debit Air dengan Feedback

8. Selanjutnya menyiapkan stopwatch untuk menghitung waktu sebenarnya

yang nanatinya dibandingkan dengan waktu yang ada di matlab. Lalu,

menjalankan simulink pada matlab dengan cara mengklik scope setelah

24

muncul tampilan scope, mengOn-kan switch pada setpoint dan saat itu juga

stopwatch mulai dijalankan.

9. Setelah gelombang terlihat dan sudah dikatakan seimbang dan baik maka

matikan simulink dan matikan juga stopwach. Sehingga didapat waktu asli

dan kemudian set point diputar-putar sampai menghasilkan respon mendekati garis

set point dan mulai berisolasi. Kemudian hasilnya di design sampai menghasilkan

nilai X dan Y.

10. Setelah X dan Y didapat, maka selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td,

Ki, Kd.

11. Setelah perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td nya diset pada modul set

point. Lalu simulink dijalankan kembali dan mengamati hasilnya.

12. Karena proses design saat respon kondisi mulai osilasi sudah selesai, maka

proses selanjutnya yaitu mendesign saat respon kondisi osilasi.

13. Langkah kerjanya hampir sama dengan kondisi saat mulai osilasi. Yang

pertama dicari yaitu respon berisolasi.

14. Kemudian mendesain dan didapat nilai X dan Y. Dan selanjutnya menghitung

nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr didapat dari rumus berikut ini :

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint

15. Setelah perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td nya diset pada modul

set point. Lalu simulink dijalankan. Dan didapat hasil respon saat kondisi

awal atau kondisi steady state dan saat nilai set point dirubah-rubah.

16. Jika hasil akhir dari respon yang osilasi masih terdapat error dan tidak

sebagus hasil saat kondisi awal osilasi maka untuk memperbaiki respon

tersebut diperlukan metode manual tunning.

3.4.4 Sistem Kendali Cohen-Coon

Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan metode Cohen

Coon adalah Sebagai Berikut :

25

1. Pertama membuat rangkaian pada simulink seperti gambar III.16.

Gambar III.16 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon

2. Selanjutnya mengetes masing-masing tegangan keluaran setiap modul. Dan

mengatur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint

dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.

3. Setelah itu menghubungkan semua modul dengan menggunakan jumper dan

menghubungkan juga dengan arduino.

4. Kemudian memasang arduino dengan laptop dan menghubungkan power

supply dengan sumber.

5. Buat juga rangkaian pembagi tegangan pada protoboard yang dihubungkan

ke Arduino dan modul Debit Air. Dimana input dari arduino terhubung ke

konektor yang terpasang antara setpoint dengan penguat dan output dari

arduino-Analog IN5 terpasang ke keluaran dari modul debit air.

Gambar III.17 Rangkaian Pembagi Tegangan

6. Selanjutnya menyalakan switch pada modul yang dapat dilihat pada gambar

III.18.

26

Gambar III.18 Rangkaian Modul Debit Air dengan Metode Cohen Coon

7. Setelah itu, menjalankan simulink dengan cara mengklik tombol Run pada matlab

dan menghasilakan respon keluaran. Untuk mendapatkan respon yang dapat didesain

untuk metode CC ini, maka setpoint diatur.

8. Setelah itu mengetik editscope agar dapat mengedit gambar respon yang tadi

untuk menghasilkan nilai parameter gp, Ԏd dan Ԏ. Lalu mengatur garis/line

dan kemudian menentukan data cursor di masing-masing titik perpotongan

yang ditandai dengan nilai X dan Y.

9. Kemudian menetukan parameter PID (Kp, Ti, Td) dan Ki, Kd berdasarkan

perhitungan rumus ini. Dan gunakan excel untuk membantu dalam

perhitungan.

10. Setelah semua perhitungan didapat. Maka langkah selanjutnya adalah menset

pada PID dan memasukan nilai Kp, Ti, Td.

3.3.5 Sistem Kendali dengan Skrip Arduino (Stand Alone)

Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan metode stand

alone adalah Sebagai Berikut :

1. Pertama, mengecek setiap modul, apakah berjalan dengan baik atau tidak.

Dan dicatat dilembar kertas yang telah disediakan.

2. Menghubungkan modul Power Supply, SP, PID (Kp on, Ti dan Td off) dan

tegangan inputnya dari setpoint dikalikan 2, sehingga output dari modul PID

jadi 2 kali lipat tegangannya.

27

3. Kemudian hubungkan semua modul dari PS sampai TwP dengan

menggunakan jumper. rangkaian penguat dan kendali debit air dapat dilihat

pada gambar III.19.

Gambar III.19 Rangkaian Sistem Kendali Debit Air

4. Selanjutnya, mengkoneksikan Arduino UNO pada laptop yang telah terinstal

aplikasi arduino.

5. Membuat skrip di arduino.

6. Selanjutnya menghubungkan potensio pada arduino sebagai Set point, VCC,

GND, Analog input (analogRead), analog output (analogWrite) arduino

dengan PID dan Plant.

7. Setelah skrip dipastikan telag benar, langkah selanjutnya adalah proses

upload skrip dengan cara mengklik button Upload pada arduino.

Gambar III.20 Langkah Upload Skrip

8. Tunggu sampai proses upload selesai. Pada saat proses mengupload skrip

jangan sekali-sekali melakukan perubahan rangkaian atau mencabut arduino

dari laptop karena dapat membuat proses upload gagal bahkan bisa merusak

pada arduinonya sendiri.

9. Pada saat skrip telah selesai di upload, lihat pada tools “Serial Monitor” pada

aplikasi arduino, yang akan menampilkan proses keadaan setpoint (SP) dan

feedback (PV) dan lakukan perubahan setpoint dengan memutar potensio, jika

sistem bekerja maka nilai feedback akan mengikuti setpoint.

28

10. Amati nilai proses Setpoint dan Feedback, jika nilai keduanya mendekati

sama dan feedbanck mengikuti setpoint dengan perbandingan yang tidak

terlalu jauh, berarti error pada sistem kendali itu kecil dan sistem kendali

tersebut bisa dikatakan bagus.

11. Selanjutnya, melakukan pengaplikasian secara terpisah dengan laptop yaitu

dengan menggunakan Shield arduino dan LCD (Liquid Crystal Display).

12. Lalu, Memasang Shiels arduino pada arduino dan terakhir memasang LCD

pada tumpukan shield dan arduino tadi. Jangan lupa menghubungkan kembali

potensio dan semuanya dihubungkan dengan laptop.

Gambar III.21 Rangkaian Sistem Kenali Debit Air yang Terhubung dengan

Shield, Arduino dan Laptop

13. Selanjutnya membuat skrip yang baru untuk sistem kendali embedded.

14. Kemudian mengecek skrip dengan cara mengklik button “Verify” pada

aplikasi arduino bagian atas, ketika sudah “Done Compiling” lakukan upload

skrip tersebut dengan mengklik button “Upload” pada aplikasi arduino

bagian atas.

15. Dan tunggu hinggal proses Upload selesai.

16. Pada saat skrip telah selesai di upload, lihat keadaan plant kendali debit air

apakah bekerja sesuai dengan yang semestinya atau tidak dan melihat juga

nilai setpoint dan feedback pada LCD.

17. 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.

29

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bagian ini terdapat data dan pembahasan yang telah dilakukan pada

praktikum sistem kendali debit air, yang terdiri dari sistem kendali debit air

menggunakan Ziegler-Nichols tipe 1, skrip matlab, Ziegler-Nichols tipe 2, Cohen

Coon, dan yang terakhir menggunakan skrip pada Arduino Uno.

4.1 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler Nichols Tipe 1

Hasil respon yang didapat saat mengukur waktu asli. Dapat dilihat pada

gambar IV.1 :

Gambar IV.1 Respon Awal Saat Menentukan Waktu Asli

Kemudian membuat garis potong dan menentukan nilai L, T, waktu

gelombang rise time dan gelombang pengambilan terakhir. Seperti pada gambar

IV.2.

Gambar IV.2 Proses Desain dengan Metode ZN-1

29

30

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 :

L = Wreal/Wmatlab x Lmatlab

T = Wreal/Wmatlab x Tmatlab

Kp = 1,2 x (T / L), Ti = 2 x L, Td = 0,5 x L,

Ki = Kp / Ti Kd = Kp x Td

Gambar IV.3 Hasil Perhitungan di Exel

Setelah didapat hasilnya, hubungkan modul PID dengan rangkaian modul

debit air yang tadi menggunakan konektor. Pemasangannya setelah modul

setpoint. dan menjalankan kembali simulink, maka setelah di-play akan

menghasilkan gelombang seperti ini dibawah ini.

Gambar IV.4 Gelombang Keluaran di Scope dengan menggunakan PID

Karena masih terdapat error maka dilakukan manual tunning. Gambar

IV.5 adalah gambar hasil dari tuning manual.

31

Gambar IV.5 Gelombang Keluaran setelah dilakukan Tuning Manual

4.2 Sistem Kendali Debit Air Menggunakan Skrip Matlab

Berikut adalah skrip yang digunakan pada praktikum ini, adalah sebagai

berikut.

Gambar IV.6 Skrip yang menentukan pin output arduino, time sampling dan

parameter PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya)

32

Gambar IV.7 Skrip yang menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara

berulang menggunakan while

Gambar IV.8 Skrip yang menentukan nilai PID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan

membulatkan nilai hasil keluaran dari PID

33

Gambar IV.9 Skrip yang membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan

Plot Respon dan Setpoint dan Skrip penutup pada Program

Selanjutnya menjalankan skrip program sistem kendali pada arduino

tersebut dengan meng-klik tombol Run di Matlab. Maka secara otomatis respon

akan muncul pada scope. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar IV.10.

Gambar IV.10 Grafik Keluaran Kondisi Awal

Kemudian untuk menguji keandalan kendali yang telah di program maka

potensio dirubah-rubah dan menghasilkan respon seperti gambar IV.11.

34

Gambar IV.11 Grafik Keluaran saat Potensio dirubah-rubah

Gambar IV.12 Grafik Keluaran Saat Kondisi Ts = 0,051809

Karena masih terdapat error maka dilakukan metoda manual tunning

dengan merubah nilai Kp, Ti dan Td pada skrip program. Pada sistem ini, nilai

yang dirubah adalah Td menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu besar, dan

mengubah nilai Ti menjadi 0.3. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar IV.13.

Gambar IV.13 Grafik hasil dari Metoda Manual Tunning

35

4.3 Desain Kendali Debit Air dengan Ziegles-Nichols Tipe 2

Berikut adalah hasil design ZN-2 saat respon mulai berosilasi dapat dilihat

pada gambar IV.14 dan respon saat berisolasi dapat dilihat pada gambar IV.15.

yang mana keduanya didesain untuk menghasilkan nilai X dan Y.

Gambar IV.14 Hasil Respon Steady State saat Respon Mulai Osilasi

Gambar IV.15 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi

Setelah X dan Y didapat, maka selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti,

Td, Ki, Kd dan ntuk Kcr didapat dari perhitungan sebagai berikut :

Perhitungan Sebelum Osilasi

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint

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

Time= 0,081s

36

Inilah hasil perhitungan di Exel :

Gambar IV.16 Hasil Perhitungan saat Respon Mulai Osilasi

Perhitungan Saat Osilasi

Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint

=9,37/0,2226 = 42,093441

Time=0,0854s

Inilah hasil perhitungan di Exel :

Gambar IV.17 Hasil Perhitungan saat Respon Berosilasi

Saat perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td diset pada modul

setpoint. Lalu simulink dijalankan dan hasilnya :

Kondisi Sebelum Osilasi

Dapat dilihat pada gambar IV.18 untuk kondisi awal atau kondisi steady state

dan seperti gambar IV.19 saat nilai setpoint dirubah-rubah.

Gambar IV.18 Kondisi Awal saat Respon Mulai Osilasi

37

Gambar IV.19 Kondisi saat Setpoint dirubah (Sebelum Osilasi)

Kondisi Respon Osilasi

Dapat dilihat pada gambar IV.20 untuk kondisi awal atau kondisi steady state

dan seperti gambar IV.21 saat nilai setpoint dirubah-rubah.

Gambar IV.20 Kondisi Awal saat Respon Osilasi

38

Gambar IV.21 Kondisi saat Setpoint dirubah (Saat Osilasi)

Setelah dibandingakan antara respon saat kondisi mulai osilasi dan kondisi saat

osilasi hasilnya yaitu :

- Untuk kondisi respon osilasi menghasilkan respon yang sudah baik sehingga

tidak memerlukan metode manual tuning. Sebaliknya,

- Untuk kondisi respon saat osilasi masih terdapat error yang cukup besar

antara setpoint dan respon memiliki jarak yang cukup jauh sehingga

diperlukan metode manual tuning. Dalam hal ini, nilai yang dirubah yaitu

nilai Kp = 20 dan Ti = 0,45. Agar lebih jelasnya dapat dilihat pada hasil

perhitungan di exel yang terdapat pada gambar IV.22 dan hasil responnya

pada gambar IV.23.

Gambar IV.22 Hasil Perhitungan saat Metode Manual Tuning

39

Gambar IV.23 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi

4.4 Desain Kendali Debit Air dengan Cohen Coon

Untuk mendapatkan respon yang dapat didesain untuk metode CC ini,

maka setpoint diatur sehingga akhirnya menghasilkan respon seperti gambar

IV.24.

Gambar IV.24 Hasil Respon Awal Cohen Coon

Proses selanjutnya adalah mendesain. Untuk menghasilkan nilai parameter

gp, Ԏd dan Ԏ sebelumnya cari nilai X dan Y yaitu dengan cara membuat

garis/line dan kemudian menentukan data cursor di masing-masing titik

perpotongan yang ditandai dengan nilai X dan Y.

40

Rumus perhitungan :

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

Inilah hasil responnya dapat dilihat pada gambar IV.25.

Gambar IV.25 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon

Kemudian menentukan parameter PID (Kp, Ti, Td) dan Ki, Kd. Hasil

perhitungan dapat dilihat pada gambar IV.26

Gambar IV.26 Hasil Perhitungan saat Menentukan Parameter PID

Setelah nilai-nilai diatas didapat maka nilai Kp, Ti, dan Td dimasukan ke

PID. Dan inilah hasil respon akhir dapat dilihat pada gambar IV.27.

41

Gambar IV.27 Hasil Respon Akhir Metode Cohen Coon

4.5 Sistem Kendali Debit Air menggunakan Arduino dengan Metode Stand

Alone Controller

Berikut adalah program skrip di arduino.

42

Gambar IV.28 Skrip pada Aplikasi Arduino Untuk menentukan Pin I/O

Arduino, Time Sampling dan Parameter PID

(nilai berdasarkan praktikum Unit 6)

43

Berikut adalah perbandingan feedback dengan setpoint yang dihasilkan

dari skrip yang telah dibuat dan hasil perhitungan Kp, Ti dan Td. Hasil dapat

dilihat pada gambar IV.29.

Gambar IV.29 Hasil Proses Perbandingan Setpoint dan Feedback di Serial

Monitor

Hasil dari perbandingan tersebut sudah dikatakan baik karena selisih antara

setpoint dan feedback sangat kecil. Dan selanjutnya masuk ke metode stand alond

dengan menggunakan LCD sebagai display untuk keluarannya.

Berikut adalah skrip untuk menampilkan di LCD. Dapat dilihat pada

gambar IV.30.

44

45

Gambar IV.30 Skrip Untuk Menampilkan di LCD

Untuk hasil keluaran di LCD dapat dilihat pada gamabr IV.31.

Gambar IV.31 Hasil Display 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.

46

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan mengenai Sistem Kendali PID

pada Sistem Kendali Debit Air, dapat disimpulkan bahwa:

1. Sistem Kendali Debit Air dapat menggunakan sistem kendali PID Dengan

Metode Ziegler Nichols 1 dan 2, Cohen Coon, Skrip PID, dan Stand Alone.

2. Saat Sistem Kendali Debit Air menggunakan metode ZN tipe 1 hasil dari respon

terlihat sudah stabil. Dimana, metode ZN tipe-1 merupakan metoda tuning PID

controller untuk menentukan nilai proporsional gain Kp, integral time Ti,

dan derivative time Td berdasarkan karakteristik respon transient dari sebuah

plant atau sistem.

3. Untuk metode ZN tipe-2 mendapatkan dua hasil respon yang berbeda yaitu

saat respon mulai osilasi (dibawah set point) dan saat kondisi respon

berosilasi (diantara titik set point). Setelah dibandingkan dari 2 kondisi

tersebut ternyata hasil desain yang mendekati sempurna yaitu hasil dari

respon saat mulai berisolasi karena pada hasil akhirnya mendapatkan nilai

respon yang bagus dan memuaskan sehingga tidak perlu dilakukan manual

tunning. Namun untuk kondisi saat berisolasi, desain akhirnya masih terdapat

sedikit error sehingga perlu dilakukan perbaikan respon dengan cara manual

tunning.

4. Saat metode Cohen Coon, respon telah memenuhi kriteria dan menghasilkan

respon yang bagus sehingga tidak membutuhkan metode manual tuning.

5. Dengan menggunakan skrip PID sistem kendali terlihat lebih efektif. Namun

untuk hasil respon masih terdapat sedikit error sehingga perlu dilakukan

scalling dan dengan merubah nilai Ts pada skrip. Jika dengan scalling respon

belum baik maka lakukan manual tuning.

6. Yang terakhir yaitu metode stand alone, Untuk data yang dihasilkan terdapat

osilasi sehingga tidak mendapatkan nilai yang permanen namun mendapat

nilai setpoint dan feedback yang berubah-rubah dan respon pada feedback

sangat lambat sehingga pada saat setpoint dirubah, proses penyesuaian nilai

46

47

feedback agar mendekati setpoint sangat lambat. Namun meskipun respon

yang dihasilkan lambat, sistem kendali debit air dikatakan bekerja karena

nilai selisih antara setpoint dan feedback sangat kecil.

5.2 Saran

Untuk penyempurnaan kekurangan dan pengembangan laporan ini, maka

penulis memberikan beberapa saran, sebagai berikut :

1. Melakukan prosedur praktikum sesuai dengan yang diberikan oleh dosen agar

praktikum berjalan dengan baik.

2. Pastikan laptop/netbook kita dalam kondisi baik.

3. Lakukan pengecekan setiap modul dengan benar jangan mengada-ngada demi

kelancaran kegiatan praktikum yang kita lakukan.

4. Lebih teliti dan jeli dalam melakukan tunning terutama pada saat menentukan

parameter-parameter PID.

48

DAFTAR PUSTAKA

[1] Wahyudi, Indra.Bakhtiar, Setiawan.Iwan, “Perancangan Sistem Pengendalian

Debit Aliran Masukan Pada Tandon Air Dengan Menggunakan

Mikrokontroler Atmega 8535”, Jurnal, Universitas Diponegoro

Semarang, 2005.

[2] Wicaksoo, Handi, “Analisa Performansi dan Robustness Beberapa Metode

Tuning Kontroler PID pada Motor DC”, Jurnal, Universitas Kristen

Petra, 2004.

[3] Hairani. Putri Mina, “Pengukuran Debit Air Saluran Terbuka dan Menghitung

Lama Waktu Irigasi”, Laporan Laporan Praktikum, Universitas

Bengkulu, 2014.

[4] “Pengertian Kendali PID”, http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-kendali-pid.html.

Diakses 5 Juli 2015.

[5] “Matlab”,

https://herirustamaji.files.wordpress.com/2011/12/bab-1-memulai.pdf.

Diakses 6 Juli 2015.

[6] “Metoda Tuning Ziegler Nichols”,

http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-

ziegler-nichols.html. Diakses 5 Juli 2015.

[7] “Arduino”,

http://ndoware.com/apa-itu-arduino-uno.html. Diakses 5 Juli 2015.

48