skd 131311060-laporan akhir

i

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

KENDALI KONTINYU & DIGITAL PADA PLANT

TEMPERATUR DENGAN METODE ZIEGLER-

NICHOLS & COHEN-COON MENGGUNAKAN

MATLAB DAN ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan mata kuliah

Sistem Kendali Digital

DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Rudi Putra Perdana

131311060

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

ii

ABSTRAK Suhu sangat berperan penting didalam kehidupan makhluk hidup akan tetapi setiap

makhluk hidup mempunyai adaptasi yang berbeda dengan suhu disekitarnya,

dengan semakin berkembangnya ilmu pengetahuan dan setelah melalui penilitian

yang bertahap maka muncul gagasan untuk membuat sebuah sistem yang dapat

mengendalikan suhu agar dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Salah satu

gagasan tersebut adalah sistem kendali PID (Proportional-Integral-Derivative)

yang menggunakan prinsip penguatan posisi, penguatan integral, dan penguatan

derivative untuk memperbaiki respon sistem kendali. Untuk mendesain sistem

kendali PID dapat digunakan tiga metoda yaitu, metoda Ziegler Nichols Tipe-1,

Ziegler Nichols Tipe-2, dan Cohen-Coon kita hanya perlu memilih metoda mana

yang lebih efektif untuk menghasilkan respon sistem yang sesuai dengan kebutuhan.

Dengan menggunakan metoda untuk mendesain sistem kendali PID ini kita lebih

mudah untuk menentukan besar nya parameter-parameter yang dibutuhkan

(Kp,Ki,dan Kd) sehingga respon sistem bisa lebih responsif. Dalam pengaplikasian

nya sistem kendali temperatur ini dapat diaplikasikan untuk mengendalikan suhu

pada inkubator bayi dan suhu pada ruangan.

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

Kendali Temperatur dengan Pengendali PID, Pemodelan.

iii

ABSTRACT Temperature plays an important role in the lives of living beings, but not all living

beings have the same adaptation to the surrounding temperature. with the

development of science and research gradually after it emerged the idea to create

a system that can control the temperature to be adjusted to the needs. One such

idea is the PID control system ( Proportional - Integral - Derivative ) which uses

the principle of strengthening the position , strengthening the integral , and

strengthening the derivatif to improve the response of the control system. To

design a PID control system can be used three methods , namely , the method of

Ziegler - Nichols Type 1 , Type - 2 Ziegler Nichols and Cohen - Coon we just need

to choose which one is more effective method to produce an appropriate response

to the needs of the system . By using the method for designing a PID control

system is it easier to determine the amount of its required parameters ( Kp , Ki ,

and Kd ) so that the system response can be more responsive. In his application of

temperature control systems can be applied to control the temperature in the

incubator babies and the temperature in the room .

Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2,Cohen-Coon,Temperature

Control System with PID Controller, Modelling.

iv

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 Temperatur dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon

menggunakan Matlab dan Arduino”. Laporan akhir ini disusun sebagai syarat

kelulusan pada Mata Kuliah Sistem Kendali Digital Program Studi D3-Teknik

Elektronika Jurusan Teknik Elektro.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran,

dorongan, bimbingan serta keterangan-keterangan dari berbagai pihak yang

merupakan pengalaman yang tidak terukur secara materi, namun dapat

membukakan mata penulis bahwa sesungguhnya pengalaman dan pengetahuan

tersebut adalah guru yang terbaik bagi penulis. Oleh karena itu dengan segala

hormat dan kerendahan hati perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih

kepada :

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

Kendali Digital.

2. Sally Tri Nurliani Fauzi selaku rekan satu grup dalam praktikum Sistem

Kendali Digital.

3. Kedua orang tua dan keluarga tercinta yang selalu memberikan dukungan

dan doanya.

4. Teman-teman satu perjuangan kelas EC-2B angkatan 2013 program studi

D3-Teknik Elektronika jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung

v

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 segala

kekurangan tersebut tidak menutup diri terhadap segala saran dan kritik.

Akhir kata semoga dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, institusi

pendidikan dan masyarakat luas.

Wassalamu ‘alaikum Wr. Wb.

Kabupaten Bandung Timur, Juli 2015

Penulis

vi

DAFTAR ISI

ABSTRAK .............................................................................................................. ii

ABSTRACT ........................................................................................................... iii

KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv

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

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

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

BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................. 2

2.1 Sistem Kendali PID ...................................................................................... 2

2.2 Desain Sistem Kendali PID .......................................................................... 3

2.3 Plant Temperatur .......................................................................................... 7

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ......................................... 9

3.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe-1 .................................................................... 9

3.2 Metoda Ziegler Nichols Tipe-2 .................................................................. 12

3.3 Metoda Cohen-Coon .................................................................................. 14

3.4 Script MATLAB ........................................................................................ 16

3.5 Script Arduino ............................................................................................ 17

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................. 18

4.1 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-1 ..................................................... 18

4.2 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-2 ..................................................... 19

4.3 Hasil Pengujian Cohen-Coon ..................................................................... 19

4.4 Hasil Pengujian dengan Script MATLAB ................................................. 20

4.5 Hasil Pengujian dengan Script Arduino ..................................................... 23

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 28

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 29

vii

DAFTAR TABEL

Tabel II. 1 Parameter Tuning PID ........................................................................... 3

Tabel II. 2 Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1 .......................... 4

Tabel II. 3 Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2 .......................... 6

Tabel II. 4. Penghitungan Kp,Ki,dan Kd Cohen-Coon ........................................... 7

Tabel III. 1 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Ziegler Nichols Tipe-1 12

Tabel III. 2 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Ziegler Nichols Tipe-2 14

Tabel III. 3 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Cohen-Coon ................. 15

Tabel IV. 1 Manual Tuning Ziegler Nichols Tipe-1 ............................................. 18

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II. 1. Diagram blok sistem kendali PID ..................................................... 2

Gambar II. 2 Sistem Loop Terbuka......................................................................... 3

Gambar II. 3. Respon Sistem Loop Terbuka........................................................... 4

Gambar II. 4 Sistem Loop Tertutup ........................................................................ 5

Gambar II. 5. Respon Sistem Loop Tertutup .......................................................... 5

Gambar II. 6. Proses Desain Dengan Metoda Cohen-Coon .................................... 6

Gambar II. 7 Plant Sistem Kendali Temperatur ...................................................... 8

Gambar III. 1 Perancangan Hardware dengan Sistem Loop Terbuka .................... 9

Gambar III. 2 Simulink MATLAB Loop terbuka ................................................. 10

Gambar III. 3 Hasil Respon Sistem dengan Ziegler Nichols Tipe-1 .................... 11

Gambar III. 4 Desain Sistem Kendali dengan Ziegler Nichols Tipe-1 ................. 11

Gambar III. 5 Perancangan Hardware dengan Sistem Loop Tertutup .................. 12

Gambar III. 6 Simulink MATLAB Loop terbuka ................................................. 13

Gambar III. 7 Hasil Respon Sistem dengan Ziegler Nichols Tipe-2 .................... 14

Gambar III. 8 Hasil Respon Sistem dan Desain dengan Cohen-Coon .................. 15

Gambar III. 9 Diagram Alir Script MATLAB ...................................................... 16

Gambar III. 10 Diagram Alir Script Arduino........................................................ 17

Gambar IV. 1 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-1 ........................................ 18

Gambar IV. 2 Hasil Respon Manual Tuning Ziegler Nichols Tipe-1 ................... 19

Gambar IV. 3 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-2 ........................................ 19

Gambar IV. 4 Hasil Pengujian Cohen-Coon ......................................................... 20

Gambar IV. 5 Perancangan Hardware untuk Pengujian dengan Script MATLAB

............................................................................................................................... 21

Gambar IV. 6 Hasil Pengujian dengan Script MATLAB ..................................... 23

Gambar IV. 7 Hasil Pengujian dengan Script Arduino ......................................... 27

1

BAB I

PENDAHULUAN

Keberadaan kontroller dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi

yang besar terhadap prilaku sistem. Pada prinsipnya hal itu disebabkan oleh tidak

dapat diubahnya komponen penyusun sistem tersebut. Artinya, karakteristik

plant harus diterima sebagaimana adanya, sehingga perubahan perilaku sistem

hanya dapat dilakukan melalui penambahan suatu sub sistem, yaitu kontroler.

Salah satu tugas komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan,

yaitu perbedaan antara sinyal setting dan sinyal aktual. Hal ini sesuai dengan

tujuan sistem kontrol adalah mendapatkan sinyal aktual senantiasa (diinginkan)

sama dengan sinyal setting. Semakin cepat reaksi sistem mengikuti sinyal aktual

dan semakin kecil kesalahan yang terjadi, semakin baiklah kinerja sistem kontrol

yang diterapkan.

Apabila perbedaan antara nilai setting dengan nilai keluaran relatif besar,

maka kontroler yang baik seharusnya mampu mengamati perbedaan ini untuk

segera menghasilkan sinyal keluaran untuk mempengaruhi plant. Dengan

demikian sistem secara cepat mengubah keluaran plant sampai diperoleh selisih

antara setting dengan besaran yang diatur sekecil mungkin[Rusli, 1997].

Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID untuk

mengendalikan modul plant temperatur. Metoda yang dipakai untuk

mendapatkan parameter PID adalah dengan menggunakan metoda Ziegler

Nichols tipe 1 (open loop), tipe 2 (closed loop) dan Cohen Coon. Setelah

parameter-parameter PID (Kp, Ti, Td) didapat, selanjutnya nilai dari parameter

tersebut di gunakan ke modul PID. Respon sistem akan di analisis dan akan

diperbaiki dengan teknik manual tuning, salah satu hasil desain dari ketiga

metoda diatas akan diujicobakan menggunakan script MATLAB dan script

arduino untuk dapat diaplikasikan sebagai stand alone control.

2

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Kendali PID

PID (dari singkatan Proportional-Integral-Derivative Controller)

merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi

dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut (Feedback ).

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol

P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing

memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-

masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam

perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur

parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran system terhadap

masukan tertentu sebagaimana yang diinginkan.

Gambar II. 1. Diagram blok sistem kendali PID

Adapun persamaan matematis dari sistem kendali PID adalah sebagai

berikut :

mv(t) = Kpe(t) + Ki∫ 𝑒(𝑡) dt + Kd 𝑑𝑒(𝑡)

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

Keterangan :

mv(t) = output dari pengontrol PID atau Manipulated Variable

Kp = konstanta Proporsional

Ti = konstanta Integral

Td = konstanta Detivatif

e(t) = error (selisih antara set point dengan level aktual)

3

Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari

ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ki dan Kd akan

mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua

dari ketiga konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang

lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh

pada respon sistem secara keseluruhan. Berikut adalah tabel parameter PID

untuk menyetel konstanta Kp, Ki, dan Kd.

Tabel II. 1 Parameter Tuning PID

2.2 Desain Sistem Kendali PID

Untuk mendapatkan respon sistem sesuai dengan apa yang kita

butuhkan, diperlukan langkah mendesain sistem kendali untuk mendapatkan

nilai parameter Kp,Ki,dan Kd. Ada beberapa metoda untuk mendesain

sistem kendali PID diantaranya adalah metoda Ziegler Nichols tipe-1,

Ziegler Nichols tipe-2, dan Cohen-Coon.

2.2.1 Metoda Ziegler Nichols

2.2.1.1 Ziegler Nichols Tipe-1

Desain kendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 pada

awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan pada

Gambar 2. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti

ditunjukan pada Gambar 3.

Gambar II. 2 Sistem Loop Terbuka

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

4

Gambar II. 3. Respon Sistem Loop Terbuka

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

nilai L dan T seperti pada Gambar 3 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 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 II.2

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

Tipe Pengendali Kp Ti Td Ki Kd

P 𝑇

𝐿

∞ 0 𝐾𝑝

𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

PI 0,9

𝑇

𝐿

𝐿

0,3

0 𝐾𝑝

𝑇𝑖


PID 1,2

𝑇

𝐿

2𝐿 0,5𝐿 𝐾𝑝

𝑇𝑖


5

2.2.1.2 Ziegler Nichols Tipe-2


awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback. seperti

ditunjukan pada Gambar II.4. Pencarian diawali dengan mengatur nilai K

(penguatan) hingga respon sistem osilasi. Respon sistem untuk desain

menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar II.5.

Gambar II. 4 Sistem Loop Tertutup

Gambar II. 5. Respon Sistem Loop Tertutup

Berdasarkan Gambar II.5, pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd menggunakan

metode ini adalah dengan mencari nilai Kcr. Kcr adalah 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

II.3

6

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

Tipe

Pengendali

Kp Ti Td Ki Kd

P 0,5𝐾𝑐𝑟 ∞ 0 𝐾𝑝

𝑇𝑖


PI 0,45𝐾𝑐𝑟 1

1,2𝑃𝑐𝑟

0 𝐾𝑝

𝑇𝑖


PID 0,6𝐾𝑐𝑟 0,5𝑃𝑐𝑟 0,125𝑃𝑐𝑟 𝐾𝑝

𝑇𝑖


2.2.2 Metoda Cohen-Coon


awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan pada

Gambar II.2. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti

ditunjukan pada Gambar II.3 dibiarkan hingga mencapai keadaan steady

state, lalu input step dinaikkan dan respon sistem dibiarkan hingga mencapai

keadaan steady state kembali, perubahan respon sistem inilah yang akan

digunakan untuk mendesain kendali PID dengan metoda cohen coon. Proses

pendesainan dapat dilihat pada Gambar II.6.

Gambar II. 6. Proses Desain Dengan Metoda Cohen-Coon

Berdasarkan Gambar II.6, pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd menggunakan

metode ini adalah dengan mencari nilai 𝜏, 𝜏d, dan gp . untuk mengetahui nilai

7

gp adalah dengan cara membagi hasil dari change in Pv dengan change in

CO. setelah didapatkan nilai dari parameter-parameter yang dibutuhkan,

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

penghitungan pada Tabel II.4

Tabel II. 4. Penghitungan Kp,Ki,dan Kd Cohen-Coon

2.3 Plant Sistem Kendali Temperatur

Plant sistem kendali temperatur akan mengkonversikan masukkan

tegangan menjadi besaran suhu (0C). Konstanta transduser tersebut adalah

1 𝑣𝑜𝑙𝑡

100𝐶. Suhu ini akan mempengaruhi tegangan keluaran sensor suhu yang

merubah kembali besaran suhu menjadi besaran tegangan (volt). Keluaran

berupa tegangan ini menjadi umpan balik (feedback) yang akan menjadi

masukan SUM pada modul pengendali PID. Selanjutnya selisih antara set

poin dan umpan balik akan menjadi galat (error). Plan ini dilengkapi dengan

kipas dan katup yang menjadi parameter gangguan pada plan. Plant sistem

kendali temperatur dapat dilihat pada Gambar II.7.

8

Gambar II. 7 Plant Sistem Kendali Temperatur

9

BAB III

METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem kendali PID

menggunakan metoda Ziegler Nichols Tipe-1, Ziegler Nichols Tipe-2, dan Cohen-

Coon menggunakan Matlab dan Arduino.

3.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe-1


awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Maka hardware dirancang

seperti pada Gambar III.2

Gambar III. 1 Perancangan Hardware dengan Sistem Loop Terbuka

Setelah hardware dirancang seperti gambar diatas, langkah selanjutnya

adalah membuat Simulink pada MATLAB. Simulink dirangkai seperti

Gambar III.2

10

Gambar III. 2 Simulink MATLAB Loop terbuka

Sebelum sistem mulai dijalankan ada beberapa hal yang harus

diperhatikan untuk menjalankan sistem ini yaitu, sistem dijalankan dengan

urutan menjalankan hardware (modul catu daya) terlebih dahulu lalu

mengoneksikan arduino UNO ke laptop (MATLAB) dan selanjutnya

menjalankan Simulink pada MATLAB. Dan untuk mematikan atau

menghentikan sistem, hal yang harus pertama dihentikan ialah Simulink

pada MATLAB lalu mencabut koneksi antara arduino UNO dengan laptop

dan selanjutnya mematikan hardware (modul catu daya). Hal ini dilakukan

untuk mengurangi resiko terjadinya reset pada arduino UNO.

11

Pada saat sistem dijalankan siapkan stopwatch untuk mengukur waktu

respon sistem dalam waktu sebenarnya. Setelah sistem dijalankan maka

didapatkan hasil respon seperti Gambar III.3

Gambar III. 3 Hasil Respon Sistem dengan Ziegler Nichols Tipe-1

Lamanya respon sistem untuk skala 1000detik dalam waktu MATLAB

ialah 1 menit 30 detik atau 90detik dalam waktu sebenarnya.

Setelah mendapatkan hasil respon sistem langkah selanjutnya adalah

mencari besarnya Kp, Ti dan Td dengan menggunakan metoda Ziegler

Nichols tipe-1 seperti Gambar III.4.

Gambar III. 4 Desain Sistem Kendali dengan Ziegler Nichols Tipe-1

Berdasarkan Gambar III.4 didapatkan nilai L(matlab) = 153 dan T(matlab) =

2482.8. karena L dan T yang dibutuhkan untuk mendesain sistem kendali

harus dalam waktu sebenarnya maka dilakukan perhitungan sebagai berikut

:

L(real) = 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏)

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑟𝑒𝑎𝑙)𝑥𝐿(𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏)

= 1000

90𝑥 153

= 13.77

12

T(real) = 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏)

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑟𝑒𝑎𝑙)𝑥𝑇(𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏)

= 1000

90𝑥 2482.8

= 223.452

Dengan L dan T dalam waktu sebenarnya dan dengan menggunakan

rumus pada tabel II.2 maka didapatkan hasil seperti pada Tabel III.1

Tabel III. 1 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Ziegler Nichols Tipe-1

L(real) T(real) Kp Ti Td Ki Kd

13.77 223.452 19.2 27.54 6.885 0.707078 134.0712

3.2 Metoda Ziegler Nichols Tipe-2


awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback. Maka

hardware dirancang seperti pada Gambar III.5.

Gambar III. 5 Perancangan Hardware dengan Sistem Loop Tertutup

Setelah hardware dirancang seperti gambar diatas, langkah selanjutnya

adalah membuat Simulink pada MATLAB. Simulink dirangkai seperti Gambar

III.6

13

Gambar III. 6 Simulink MATLAB Loop terbuka

Sebelum sistem mulai dijalankan ada beberapa hal yang harus

diperhatikan untuk menjalankan sistem ini yaitu, sistem dijalankan dengan

urutan menjalankan hardware (modul catu daya) terlebih dahulu lalu




pada MATLAB lalu mencabut koneksi antara arduino UNO dengan laptop

dan selanjutnya mematikan hardware (modul catu daya). Hal ini dilakukan

untuk mengurangi resiko terjadinya reset pada arduino UNO.


respon sistem dalam waktu sebenarnya, dan dilakukan pengaturan pada

penguatan (Kp) agar mendapatkan hasil respon sistem yang berosilasi.

Setelah sistem dijalankan maka didapatkan hasil respon seperti Gambar III.7

14

Gambar III. 7 Hasil Respon Sistem dengan Ziegler Nichols Tipe-2

Lamanya respon sistem untuk skala 1000detik dalam waktu MATLAB ialah

1 menit 30 detik atau 90detik dalam waktu sebenarnya.

Berdasarkan Gambar III.7 diperoleh nilai Kcr = 461 dan Pcr = 252.

Karena nilai Pcr harus dikonversi kedalam waktu sebenarnya, maka

dilakukan perhitungan sebagai berikut :

Pcr = 𝑃𝑐𝑟"𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏"𝑥 𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑊𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏

Pcr = 252 𝑥 90

1000= 22.68

Setelah didapatkan nilai Kcr dan nilai Pcr dalam waktu sebenarnya dan

mengacu pada tabel II. maka dilakukan penghitungan untuk mencari nilai

Kp,Ti, dan Td dan didapatkan hasil seperti pada Tabel III.2

Tabel III. 2 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Ziegler Nichols Tipe-2

3.3 Metoda Cohen-Coon

Desain kendali PID menggunakan metode Cohen-Coon pada awalnya

menggunakan sistem loop terbuka. Maka hardware dirancang seperti

Gambar III.1 dan Simulink pada MATLAB dirangkai seperti gambar III.2.

setelah hardware dan software telah siap maka sistem dijalankan dengan

memerhatikan beberapa hal, yaitu sistem dijalankan dengan urutan

Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd

461 22.68 276.6 11.34 2.835 24.39153 784.161

15

menjalankan hardware (modul catu daya) terlebih dahulu lalu




pada MATLAB lalu mencabut koneksi antara arduino UNO dengan

laptop dan selanjutnya mematikan hardware (modul catu daya). Hal ini

dilakukan untuk mengurangi resiko terjadinya reset pada arduino UNO.


respon sistem dalam waktu sebenarnya dan set point dinaikan ketika sistem

sudah mencapai steady state. Setelah sistem dijalankan dan dilakukan

pendesainan menggunakan metoda Cohen Coon maka didapatkan hasil

respon dan langsung dilakukan pemlotan pada hasil respon tersebut seperti

pada gambar III.8

Gambar III. 8 Hasil Respon Sistem dan Desain dengan Cohen-Coon

Berdasarkan gambar III.8 dan mengacu pada tabel II. Maka dilakukan

penghitungan untuk mencari nilai Kp,Ti,dan Td dan didapatkan hasil seperti

pada tabel III.3

Tabel III. 3 Hasil Penghitungan Kp, Ki, dan Kd dengan Cohen-Coon

Gp td t Kc Ti Td Ki Kd

0.9258 10.71 214.47 14.75 26.2227 3.92 0.56 57.91

16

3.4 Script MATLAB

Gambar III. 9 Diagram Alir Script MATLAB

17

3.5 Script Arduino (Stand Alone Control)

Gambar III. 10 Diagram Alir Script Arduino

18

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai pengujian hasil desain dari masing-

masing metoda dengan nilai Kp,Ti,dan Td yang telah diketahui dari bab

sebelumnya, hasil desain (besarnya nilai Kp,Ti, dan Td) yang memenuhi kebutuhan

akan diujikan pada script MATLAB dan script Arduino.

4.1 Hasil Pengujian Metoda Ziegler Nichols Tipe-1

Berdasarkan nilai Kp,Ti,dan Td pada Tabel III.1 langkah pertama yang

harus dilakukan adalah merubah rangkaian hardware dan software menjadi

sistem loop tertutup seperti Gambar III.5 Dan Gambar III.6 setelah hardware

dan software siap,sistem kembali dijalankan dan hasil respon sistem seperti

Gambar IV.1.

Gambar IV. 1 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-1

Berdasarkan Gambar IV.1 sistem masih mempunyai nilai overshoot

yang tinggi, dan untuk menghilangkan besarnya overshoot diperlukan

Manual Tuning, dengan mengacu pada tabel II.1 perubahan yang dilakukan

adalah merubah nilai Ti dan Td seperti pada tabel IV.1.

Tabel IV. 1 Manual Tuning Ziegler Nichols Tipe-1

L(real) T(real) Kp Ti Td Ki Kd

13.77 223.452 19.2 33 12 0.590089 233.6753

19

Sistem kembali dijalankan dengan nilai Kp, Ti, dan Td hasil dari

manual tuning. respon sistem setelah dilakukan manual tuning seperti

Gambar IV.2

Gambar IV. 2 Hasil Respon Manual Tuning Ziegler Nichols Tipe-1

4.2 Hasil Pengujian Metoda Ziegler Nichols Tipe-2

Berdasarkan nilai Kp,Ti,dan Td pada Tabel III.2, untuk Ziegler Nichols

Tipe-2 karena rangkaian sebelumnya sudah memakai rangkaian loop

tertutup maka tidak dilakukan perubahan pada rangkaian hardware dan

software. Sistem kembali dijalankan dengan besar nilai Kp,Ti, dan Td yang

sudah ditentukan dan hasil respon sistem seperti pada Gambar IV.3

Gambar IV. 3 Hasil Pengujian Ziegler Nichols Tipe-2

Berdasarkan Gambar IV.3 sistem masih mempunyai nilai overshoot

yang tinggi, dan untuk menghilangkan besarnya overshoot diperlukan

Manual Tuning, tetapi pada saat melakukan manual tuning dengan mengacu

pada Tabel II.1 tidak didapatkan hasil yang sesuai dengan kebutuhan.

20

4.3 Hasil Pengujian Metoda Cohen-Coon

Berdasarkan nilai Kp,Ti,dan Td pada Tabel III.3 langkah pertama yang

dilakukan adalah merubah rangkaian hardware menjadi rangkaian loop

tertutup seperti pada Gambar III.5 sedangkan untuk rangkaian software

tidak dilakukan perubahan. Setelah hardware dan software siap, sistem

kembali dijalankan dan hasil respon sistem seperti pada Gambar IV.4

Gambar IV. 4 Hasil Pengujian Cohen-Coon

Berdasarkan Gambar IV.4 respon sistem tidak memiliki overshoot yang

tinggi dan dirasa sudah sesuai dengan kebutuhan maka tidak dilakukan

manual tuning untuk metoda Cohen-Coon ini.

4.4 Hasil Pengujian dengan Script MATLAB

Pengujian Script MATLAB merupakan pengujian sistem dengan

menggunakan nilai Kp,Ti,dan Td yang sudah diketahui untuk dibandingkan

hasil respon nya dengan metoda tanpa script (Simulink) pengujian kali ini

menggunakan nilai Kp,Ti,dan Td sesuai dengan Tabel IV.1

Langkah pertama untuk melakukan pengujian dengan script MATLAB

adalah merangkai Hardware seperti ditunjukan pada Gambar IV.5 dan

membuat Script pada MATLAB sesuai dengan flowchart.

21

Gambar IV. 5 Perancangan Hardware untuk Pengujian dengan Script MATLAB

Script MATLAB yang digunakan untuk pengujian kali ini adalah

sebagai berikut.

%time sampling Ts = 0.05; pinMode(a,6,'output') pinMode(a,10,'input') pinMode(a,13,'output')

%setting parameter PID Kp = 19.2; Ti = 33; Td = 12; Ki = Kp/Ti; Kd = Kp*Td; %Kondisi error Awal error_sebelum = 0; errorI_sebelumnya = 0; %set untuk plot y1 = 0; y2 = 0; t = 0;

digitalWrite (a,13,1); start = digitalRead(a,10); x=0; while (start == 1) tic x=x+1; %tent PV awal PV = analogRead(a,5); PV = PV*0.0049*2; SP = analogRead(a,0); SP = SP*0.0049;

22

%hitung error error = SP - PV;

%Hitung error Integral errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts; errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya);

%Hitung Error Differential errorD = (error - error_sebelum)/Ts;

%kendali PID outP = Kp*error; outI = Ki*errorI; outD = Kd*errorD; outPID = outP + outI +outD outPID = outPID/90;

%membatasi nilai PID tidak lebih dari 255 if outPID > 10 outPID = 10; else outPID = outPID; end %membatasi < 0 if outPID < 0 outPID = 0; else outPID = outPID; end outPID = outPID/2;

%===================================================== %menuliskan PID ke arduino outPID = round(outPID*51); analogWrite(a,6,outPID); pause (0)

%==============plot respon dan setpoint=============== y1=[y1,SP]; y2=[y2,PV]; t=[t,x]; plot(t,y1,t,y2); axis([0 x+100 0 10]); grid drawnow; error_sebelum=error; errorI_sebelumnya=errorI; start = digitalRead(a,10); toc; end analogWrite(a,6,0);

23

Sistem kendali yang dihubungkan ke MATLAB saat ini, tidak lagi

menggunakan modul set poin. Karena set poin dan PID sudah bisa

ditentukan dan dihasilkan oleh script MATLAB. Berdasarkan hasil

pemrograman dengan MATLAB, maka respon sistem kendali temperatur

dengan pengendali PID digital tersebut adalah seperti ditunjukan pada

Gambar IV.6

Gambar IV. 6 Hasil Pengujian dengan Script MATLAB

Berdasarkan Gambar IV.6 respon sistem yang dihasilkan telah sesuai

dengan respon sistem pada Gambar IV.2 sehingga tidak dilakukan manual

tuning untuk pengujian dengan Script MATLAB ini.

4.5 Hasil Pengujian dengan Script Arduino

Pengujian dengan script Arduino ini tidak jauh berbeda dengan

pengujian dengan script MATLAB yaitu untuk membandingkan hasil

respon sistem dengan Kp,Ti,dan Td yang sama namun dengan media yang

berbeda. Pada pengujian dengan script Arduino ini tidak digunakan lagi

komputer untuk melihat perbandingan antara Setpoint dan Processes Value

(respon sistem) melainkan menggunakan LCD untuk menampilkan

perbandingan antara Setpoint dan Processes Value artinya, dengan

menggunakan Script Arduino ini sistem kendali yang kita buat sudah

menjadi Sistem Stand Alone Control.

Langkah yang dilakukan tidak jauh berbeda dengan Pengujian dengan

Script MATLAB yaitu merangkai hardware seperti ditunjukkan pada

gambar IV.5 tetapi tidak menggunakan rangkaian pembagi tegangan karena

24

proses pembagian tegangan bisa dilakukan pada script arduino dan langkah

selanjutnya adalah membuat script pada Arduino sesuai dengan Flowchart

dan berikut adalah Script yang digunakan dalam pengujian kali ini.

#include <LiquidCrystal.h>

int Output = 6; //pin6

float Ts = 0.05; //waktu sampling

//nilai Kp,Ki,Kd

float Kp = 19.2;

float Ti = 33;

float Td = 12;

float Ki = Kp/Ti;

float Kd = Kp*Td;

//Definisi variable untuk perhitungan PID

float Setpoint, Feedback, Setpoint1, Feedback1;

float error;

float errorD, errorD1;

float errorI, errorIsekarang, errorIsekarang1, errorIsekarang2;

float outP, outI, outD, outPIDsebelum;

float errorsebelum = 0;

float errorIsebelum = 0;

int outPID;

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() {

// put your setup code here, to run once:

pinMode(6,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

lcd.begin(16, 2);

}

void loop() {

// put your main code here, to run repeatedly:

25

Setpoint = analogRead(A0);

Setpoint1 = Setpoint*0.0049;

Feedback = analogRead(A1);

Feedback1 = Feedback*0.0049;

//hitung error

error = Setpoint1 - Feedback1;

//Menghitung error Integral

errorIsekarang = error+errorsebelum;

errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2 + errorIsebelum;

//menghitung error differensial

errorD1 = error - errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

//kendali PID

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPIDsebelum = outP + outI + outD;

outPIDsebelum = outPIDsebelum/100;

//Membatasi nilai agar PID tidak >255 atau <0

if(outPIDsebelum>10)

{

outPIDsebelum=10;

}

else if(outPIDsebelum<0)

26

{

outPIDsebelum=0;

}

else

{

outPIDsebelum=outPIDsebelum;

}

outPIDsebelum=outPIDsebelum/2;

outPID=outPIDsebelum*51;

//menuliskan hasil perhitungan PID pin 3

analogWrite(6,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

//Code untuk menampilkan diserial monitor

Serial.print("Setpoint = ");

Serial.print(Setpoint1);

Serial.print("Feedback = ");

Serial.println(Feedback1);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("SP :");

lcd.setCursor(5,0);

lcd.print(Setpoint1*10);

lcd.setCursor(11,0);

lcd.print("C");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("PV :");

lcd.setCursor(5,1);

lcd.print(Feedback1*10);

27

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print("C");

}

Setelah hardware sudah siap dan script arduino sudah di upload, sistem

dijalankan dan hasil respon sistem ditunjukkan pada Gambar IV.7

Gambar IV. 7 Hasil Pengujian dengan Script Arduino

28

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari praktikum dan ujicoba yang telah dilakukan dapat disimpulkan

bahwa :

1. Desain kendali yang paling cocok untuk plant suhu adalah desain

kendali dengan metoda Ziegler Nichols Tipe-1 dan Cohen Coon,

karena ketika dilakukan pengujian dengan Ziegler Nichols Tipe-2

respon sistem yang dihasilkan tidak dapat di Manual Tuning

dengan baik.

2. Ketika melakukan pengujian menggunakan MATLAB diperlukan

kalibrasi waktu antara waktu MATLAB dengan waktu sebenarnya,

karena hasil desain yang akan digunakan berada dalam waktu

sebenarnya.

3. Untuk pengujian menggunakan script MATLAB ataupun script

Arduino diperlukan scaling yang tepat agar respon sistem bisa

sesuai dengan respon sistem ketika pengujian menggunakan

Simulink. Scaling yang digunakan pada praktikum ini sebesar 100.

5.2 Saran

1. Perlu dilakukan perbaikan dan perawatan pada modul PID agar

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

2. Dalam praktikum menggunakan arduino perlu diperhatikan

prosedur dalam menyalakan dan mematikan sistem agar tidak

terjadi kerusakan pada arduino dan modul-modul yang ada di LAB.

29

DAFTAR PUSTAKA

[1] Raden. (2011, November Selasa). Pengertian Kendali PID. Retrieved Juli

Senin, 2015, from http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-

kendali-pid.html: http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-

kendali-pid.html

[2] Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). Tuning PID ZN tipe-I [Gambar Hidup].

[3] Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). Tuning PID ZN tipe-II [Gambar Hidup].

[4] Feriyonika, S. (Sutradara). (2015). Desain CC [Gambar Hidup].

skd 131311060-laporan akhir

Education