PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI

DIGITAL PADA PLANT KENDALI TEMPERATURE

DENGAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN COHEN

AND COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN

ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah

Sistem Kendali Digital Semester IV.

DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

Oleh

Sally Tri Nurliani Fauzi

131311061

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAK

Sistem Kendali merupakan sistem yang sangat dibutuhkan dalam industri.

Suatu sistem dapat dirancang dan menghasilkan respon/output sesuai yang

dibutuhkan. Pengendalian (pengontrolan)sangat penting untuk mengendalikan plant

yang akan dirancang . Sistem Kendali PID pada praktikum ini dilakukan dengan

menggunakan plant temperature dan Arduino Uno sebagai kontroler yang

menghubungkan pada plant temperature. Metode utama yang digunakan Sistem

Kendali PID menggunakan Ziegler-Nichols, dan Cohen Coon, dengan melakukan

manual tuning untuk mendapatkan parameter PID. Selain itu pada kendali

temperature ini menggunakan metode Standalone Controller dan dapat membuat

sistem yang bernama embedded system. Dimana plant temperature yang dirancang

tidak membutuhkan PC sebagai hasil kendali dan didukung oleh matlab sebagai

sarana simulator. Hasil Sistem Kendali PID tersebut akan ditampilkan melalui LCD

dengan menggunakan Shield Arduino Uno dan Arduino Uno sebagai kontroler

dengan kinerja yang cukup praktis dan hanya menggunakan PC saat memprogram

kendali dan melihat respon sebelum menampilkannya pada LCD. Sistem kendali

temperature banyak digunakan pada kendali temperature ruangan dan sistem kendali

pada inkubator.

Kata Kunci : Arduino Uno, Matlab, Embedded System, Shield Arduino, Standalone

Controller.

ii

ABSTARCT

Control system is needed in the industry. A system can be designed and

produced the response / output as needed. Control (control) is very important to

control the plant to be designed. PID control systems at the lab is done by using the

plant temperature and Arduino Uno as a controller that connects to the plant

temperature. The main method used PID control system using the Ziegler-Nichols

and Cohen Coon, by doing manual tuning to get the PID parameters. In addition to

the temperature control using methods Standalone Controller and can make the

system called embedded systems. Where the plant temperature that is designed not

require a PC as a result of control and supported by matlab as a means of

simulator. Results of the PID control system will be displayed through the LCD by

using Arduino Shield Arduino Uno and Uno as a controller with sufficient

performance practical and simply use the PC while the control program and see the

response before displaying on the LCD. Temperature control system is widely used

in the control of room temperature and control systems in the incubator.

Keywords: Arduino Uno, Matlab, Embedded System, Arduino Shield, Standalone

Controller.

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT karena atas rahmat

dan bimbingan-Nya laporan akhir dengan judul “PERANCANGAN DAN

REALISASI SISTEM KENDALI DIGITAL PADA PLANT KENDALI

TEMPERATURE MENGGUNAKAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN

COHEN AND COON DENGAN MATLAB DAN ARDUIONO” dapat

diselesaikan. Laporan ini dibuat untuk mata kuliah Sistem Kendali Digital, program

studi D3 Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro,Politeknik Negeri Bandung.

Selama pelaksanaan pembuatan laporan, penulis banyak mendapatkan

bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan

banyak terima kasih kepada pihak - pihak berikut :

1. Orang tua dan keluarga yang telah memberikan dukungan 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. Rekan-rekan EC-2B 2013 dan Keluarga Cemara yang selalu memberikan

dukungan dan semangat kalian kepada penulis.

Penulis menyadari dalam penyusunan laporan akhir ini masih jauh dari

sempurna, masih banyak kekurangan yang didasari keterbatasan penulis sendiri, oleh

karena itu kritik atau saran sangat diharapkan untuk mendukung penulisan laporan

yang lebih baik.

Bandung, Juli 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI

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

ABSTRACT ............................................................................................................ ii

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

DAFTAR ISI ......................................................................................................... iv

DAFTAR TABEL ................................................................................................ vi

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... vii

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

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

1.2 Tujuan ...................................................................................................... 2

BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 3

2.1 Plant Temperature .................................................................................... 3

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

2.3 Metode Ziegler Nichols ........................................................................... 4

2.3.1 Ziegler Nichols Tipe 1 ................................................................... 5

2.3.2 Ziegler Nichols Tipe 2 ................................................................... 6

2.4 Metode Cohen and Coon ......................................................................... 6

2.5 Shield Arduino ......................................................................................... 7

BAB III METODOLOGI PERANCANGAN ..................................................... 8

3.1 Diagram Blok Sistem ............................................................................... 8

3.2 Alat dan Modul yang digunakan ............................................................. 8

3.3 Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hadware) ........................ 8

3.3.1 Modul Power Suppy (PS-4) ........................................................... 8

3.3.2 Modul Setpoint (RVG-4) ............................................................... 9

v

3.3.3 Modul Controller PID (PID-4) ...................................................... 9

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-4) ....................................................... 10

3.3.5 Modul Plant Suhu (TSI-1) ........................................................... 10

3.4 Perancanagn dan Pengujian Perangkat Lunak (Software) ..................... 11

3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ....................................... 11

3.4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ....................................... 14

3.4.3 Cohen and Coon ......................................................................... 15

3.4.4 Script Matlab .............................................................................. 17

3.4.5 Stand Alone Controller ................................................................ 18

3.4.5.1 PID Arduino ..................................................................... 18

BAB IV ANALISA PENGUJIAN ...................................................................... 19

4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ................................................. 19

4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2 ................................................. 20

4.3 Cohen and Coon .................................................................................... 20

4.4 Script Matlab ......................................................................................... 21

4.5 Stand Alone Controller .......................................................................... 24

4.5.1 PID Arduino ................................................................................ 24

BAB V KESIMPULAN ...................................................................................... 29

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

5.1 Saran ...................................................................................................... 30

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

vi

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Respon PID terhadap perubahan konstan ................................................ 4

Tabel II.2 Penentuan Parameter PID ........................................................................ 6

Tabel III.1 Hasil perhitungan parameter sebelum manual tuning .......................... 15

Tabel III.2 Tabel hasil perhitungan PID Cohen Coon ........................................... 17

Tabel IV.1 Hasil tunning manual Ziegler Nichols Tipe 1 ...................................... 19

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Blok Diagram Metode Open Loop ...................................................... 5

Gambar II.2 Penentuan Parameter L dan T .............................................................. 5

Gambar II.3 Blok Diagram Metode Close Loop ...................................................... 6

Gambar II.4 Blok Diagram Diagram Cohen and Coon............................................ 7

Gambar II.5 Shield Arduino dan LCD ..................................................................... 7

Gambar III.1 Blok Diagram Sistem Kendali Temperature ..................................... 8

Gambar III.2 Modul Catu Daya ............................................................................... 9

Gambar III.3 Modul Setpoint ................................................................................... 9

Gambar III.4 Modul Controller PID ...................................................................... 10

Gambar III.5 Modul Penguat Daya ........................................................................ 10

Gambar III.6 Modul Plant Suhu ............................................................................. 11

Gambar III.7 Simulink untuk parameter PID ......................................................... 11

Gambar III.8 Perancangan Plant Kendali Temperature dengan Arduino ............. 12

Gambar III.9 Hasil Respon sistem kendali temperature denganWreal 10: detik ... 12

Gambar III.10 Hasil respon parameter L dan T .................................................... 13

Gambar III.11 Hasil perhitungan sebelum manual tunning ................................... 13

Gambar III.12 Hasil respon sebelum manual tuning ............................................. 14

Gambar III.13 Simulink untuk mencari parameter Kcr dan Pcr ............................ 14

Gambar III.14 Respon setelah berosilasi terus menerus ........................................ 15

Gambar III.15 Simulink untuk mencari parameter Gp , Ԏ , Ԏd ............................ 15

Gambar III.16 Respon Desain dengan Cohen and Coon ...................................... 16

Gambar III.17 Realisasi perancangan kendali temperature Script Matlab ........... 17

viii

Gambar III.18 Hasil Parameter PID ....................................................................... 18

Gambar III.19 Rangkaian kendali temperature yang terhubung ke Arduino ......... 18

Gambar IV.1 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 1. ............. 19

Gambar IV.2 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 2. ............ 20

Gambar IV.3 Hasil Respon PID setelah manual tuning. ........................................ 21

Gambar IV.4 Hasil Respon terhadap Setpoint Scaling 100 . ................................. 23

Gambar IV.5 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scalling 90 ....................... 23

Gambar IV. 6 Data Serial PID Arduino. ................................................................ 26

Gambar IV.7 Hasil tampilan kendali di LCD ........................................................ 28

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem kendali atau sistem kontrol (control system) adalah suatu alat (kumpulan

alat) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem.

Istilah sistem kendali ini dapat dipraktekkan secara manual untuk mengendalikan

stir mobil pada saat kita mengendarai/menyetir mobil kita, misalnya, dengan

menggunakan prinsip loloh balik. Dalam sistem yang otomatis, alat semacam ini

sering dipakai untuk peluru kendali sehingga peluru akan mencapai sasaran yang

diinginkan. Banyak contoh lain dalam bidang industri / instrumentasi dan dalam

kehidupan kita sehari-hari di mana sistem ini dipakai [1]. Contoh lain adalah proses

industry perlu memiliki suatu system yang dapat memonitor dan mengendalikan

semua proses yang ada di dalamnya supaya tujuannya dapat terpenuhi. Salah satu

arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem

terintegrasi (embedded system) contohnya pada sistem pengendalian suhu pada

miniatur proses industri berbahan baku padat. Pada alat ini tediri dari sebuah heater

sebagai sumber panasnya dan kipas (blower) untuk membantu proses pemerataan

aliran udara panas. Jika nilai suatu temperature digunakan untuk mengontrol aliran

atau jumlah bahan bakar yang digunakan dalam proses pemanasan, maka tidak akan

terjadi overheating pada proses tersebut sehingga jumlah bahan bakar dapat dihemat

[2].

Sistem kendali yang banyak digunakan di industri adalah pengendalian PID

(Proportional Integral Derivatif). Kendali PID merupakan gabungan dari ketiga

macam 2 metode kendali, yaitu pengendali proporsional (proportional controller),

pengendali integral (integral controller), dan pengendali turunan (derivative

controller). Ketiga parameter P,I, dan D tersebut masing-masing memiliki aksi

berbeda terhadap respon sistem dan dipengaruhi oleh konstanta-konstanta

pengendalinya (Kp, Ki, dan Kd). Sampai saat ini, perancang sistem kendali masih

2

mendapatkan kesulitan dalam mengatur parameter-parameter PID karena bersifat

independen. Jika salah satu nilai konstanta diubah, mungkin sistem tidak akan

bereaksi seperti yang diinginkan. Ketiga parameter tersebut juga tidak dapat berdiri

sendiri karena dapat mengakibatkan hasil yang dicapai kurang baik karena masing-

masing memiliki kelemahan dan kelebihannya sendiri-sendiri. Itu sebabnya,

pemilihan konstanta yang tepat dari kombinasi ketiga sistem kendali tersebut

diharapkan dapat mengeliminasi kelemahan masing-masing dan mampu memberikan

kontribusi dari kelebihan ketiga parameter tersebut. Kelebihan kendali PID

dibandingkan pengendali otomatis yang lain adalah kendali PID dapat mempercepat

reaksi sistem, menghilangkan overshoot atau menstabilkan sinyal yang diperoleh,

mendapatkan energi ekstra pada awal-awal perubahan load, dapat mengontrol dan

mempertahankan suhu ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap[3]

1.2 Tujuan

Pada laporan Praktikum ini penulis menggunakan siatem kendali PID dengan

melakukan suatu perancangan pada modul sistem kendali temperature. Arduino Uno

merupakan kontroler yang menghubungkan pada plant temperature, Metode yang

digunakan untuk mendapatkan parameter PID yaitu melakukan manual tuning dengan

menggunakan Ziegler-Nichols Tipe 1, Tipe 2 dan Cohen Coon, Kemudian selain itu

pada kendali temperature ini dapat membuat sistem yang bernama embedded system.

Dimana plant temperature yang dirancang tidak membutuhkan PC sebagai hasil

kendali dan didukung oleh matlab sebagai sarana simulator. Hasil Sistem Kendali

PID tersebut akan ditampilkan melalui LCD menggunakan shield Arduino dan hanya

menggunkan Script pada Arduino. Oleh karena itu, dilakukan percobaan dengan judul

“ Perancangan dan Realisai Sistem Kendali Digital pada Plant Kendali Temperature

menggunakan metode Ziegler Nichols dan Cohen Coon dengan Matlab dan Arduino”

3

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Plant temperature

Sistem kendali Temperature merupakan salah satu jenis pengendalian yang

banyak digunakan oleh industri – industri. Kendali Temperature merupakan dasar

pengendalian sistem yang menggunakan sensor untuk mengatur intensitas cahaya

yang ada dalam kendali Temperature. Kendali temperature dapat di aplikasikan pada

industri – industri seperti pengaturan suhu ruangan,di rumah sakit sebagai pengatur

suhu inkubator pada bayi dan sebagainya.

2.2 Sistem Kendali PID

Sistem Kendali PID ( Proportional–Integral–Derivative controller ) merupakan

kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik

adanya umpan balik pada sistem tesebut ( Feed back ).

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara parameter 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[3].

1. Kontrol Proposional

Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u = G(s) • e maka u

= Kp • e dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain

(penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan

kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang 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.

4

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 ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi

justru dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde sistem.

3. Kontrol Derivatif

Sifat dari kontrol D ini dalam konteks "kecepatan" atau rate dari error.

Dengan sifat ini ia dapat digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan

memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya berubah saat ada

perubahan error sehingga saat error statis kontrol ini tidak akan bereaksi, hal ini pula

yang menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri.Untuk menutupi

kekurangan dan keebihan dari parameter PID dapat dilihat pada tabel berikurt:

Tabel II.1 Respon PID terhadap perubahan konstan

2.3 Metode Ziegler Nichols

Metode Ziegler-Nichols dipublikasikan pada tahun 1942 oleh John G Ziegler

dan Nathaniels B Nichols yang keduanya bekerja di Taylor Instruments. Menurut

keduanya metode ini merupakan metode simpel yang dapat digunakan untuk

memudahkan kalibrasi ulang pada sistem kontrol PID. Nilai parameter PID

didapatkan dari kurva output yang dihasilkan dari sebuah sistem kerja ataupun mesin

tunggal. Kurva ini nantinya digunakan untuk mengetahui besarnya nilai parameter

PID yang dicari dengan cara menggambarkan garis singgung pada daerah transisis

5

yang terlihat pada kurva. Metode ini terdiri atas 2 metode yaitu open-loop (Tipe 1)

dan close-loop (Tipe 2)[4].

2.3.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (Open Loop)

Metode open loop didasarkan pada respon dari tiap step proses. Pada metode

open loop ini sistem diberikan input sinyal step (dari 0 ke voltase yang konstan)

kemudian diamati output yang terjadi dari kondisi awal menuju kondisi stabil (steady

state). Hasil output digambarkan berupa grafik yang menunjukkan nilai respon dari

sistem.

Gambar II.1 Blok Diagram Metode Open Loop

Langkah berikutnya yaitu menggambarkan garis singgung dengan gradien paling

besar pada grafik yang telah didapatkan. Garis singggung ini digunakan untuk

mengetahui nilai dari waktu mati saat kondisi belum bergerak (L) dan waktu transisi

(T). Nilai L dan T kemudian dapat digunakan untuk menentukan nilai Kp, Ki dan Kd

dari sistem uji.

Gambar II.2 Penentuan Parameter L dan T

Dengan menggunakan formula PID di atas dan nilai parameter L dan T, maka dapat

diperoleh nilai Ki, Ti, dan Td. Secara lebih ringkasnya perhatikan tabel II.2

6

Tabel II.2 Penentuan Parameter PID[7]

2.3.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2

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.3 Blok Diagram Metode Close Loop[6]

Pada Metode ini dilakukan dalam Close loop dimana masukan referensi yang

digunakan adalah fungsi tangga (step). Pengendali pada metode ini hanya pengendali

proporsional. Kp, dinaikkan dari 0 hingga nilai kritis Kp, sehingga diperoleh keluaran

yang terus-menerus berosilasi. Nilai slider gain ini disebut sebagai critical gain

(Kcr).

2.4 Metode Cohen and Coon

Jika Dibandingkan dengan Ziegler-Nichols , Cohen and Coon dapat dipakai untuk

mendesain PD-Controller dan jika di Cohen and Coon menyediakan rumusnya.

Cohen and Coon (CC) bisa di pakai untuk plant yang memiliki deadtime yang besar.

7

Gambar II.4 Blok Diagram Cohen and Coon

Pada aturan nya akan ada delay yang di akan catat pada change in CO di atas

adalah state pengukuran nya ada Td yaitu Time delay , tau yaitu time konstan harus

0.63 dari proses value.

2.5 Shield Arduino

Arduino shield adalah sebutan untuk modul tambahan dengan berbagai fungsinya,

yang kebanyakan pinnya cocok dengan arduino, sehingga cara menghubungkannya

dengan arduino bisa dengan menyusunnya diatas board arduino[8]. Pada Praktikum

kali ini menggunakan Shield dengan tujuan agar sistem kendali yang dirancang tidak

menggunakan PC sehingga respon dapat dilihat pada keluaran dari LCD yang

dipasang di atas Shield Arduino dengan begitu dapat mempermudah ketika

merancang kendali di lapangan, gambar dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar II.5 Shield Arduino dan LCD

8

BAB III

METODOLOGI PERANCANGAN

3.1 Blok Diagram

Blok Diagram Sistem kendali Temperature dapat dilihat pada gambar 3.

3.2 Alat dan Modul yang Digunakan

1. Laptop

2. Aplikasi MATLAB

3. Arduino Uno

4. Modul Power Supply (PS-4)

5. Modul Set Point (RVG-4)

6. Modul Controller PID (PID-4)

7. Modul Penguat Daya (PA-4)

8. Modul Plant Suhu (TSI-1)

9. Shield Arduino

10. LCD

11. Konektor

12. Kabel Secukupnya

3.3 Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hadware)

3.3.1 Modul Catu Daya (PS-4)

Power Supply berfungsi sebagai sumber tegangan untuk mensuplly plant yang

digunakan. Pada Catu daya ini memiliki input dengan tegangan 220V AC dengan

Catu Daya Setpoint PID Penguat Daya Plant

Temperature

Gambar III.1 Blok Diagram Sistem Kendali Temperature

9

tegangan output sebesar +15Vdc, +5Vdc, -15Vdc, -5Vdc. Pada saat pengujian dengan

multimeter Power supply bekerja dengan baik.

Gambar III.2. Modul Catu Daya

3.3.2 Modul Setpoint (RVG-4)

Setpoint berfungsi untuk memberikan input tegangan kepada plant yang

dibutuhkan dengan range (-10V sampai +10V) dan ( 0V sampai +10V). Pilihan

Untuk kedua ini dapat diatur menggunakan jumper penghubung dan memindahkan

nya sesuai yang dibutuhkan pada plant.

Gambar III.3 Modul Setpoint

3.3.3 Modul Controller PID (PID-4)

Modul Controller PID berfungsi sebagai pengendali pada plant temperature

dan terdiri dari pengaturan parameter KP, Ti, dan Td. Pengaturan prameter tersebut

dilakukan secara analaog sehingga hasil input tidak presisi dan pada penggunaan

modul PID ini ketiga parameter tersebut dapat digunakan salah satunya atau dapat

juga digunkana ketiganya.

10

Gambar III.4 Modul Controller PID

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-4)

Modul Penguat Daya atau Power Amplifier berfungsi untutk menguatkan

daya yang keluar dari Modul Controller PID yang dihubungkan menggunakan

konektor secara sejajar. Pada modul penguat daya mempunyai dua keluaran, yaitu

tegangan positif dan tegangan negatif.

Gambar III.5 Modul Penguat Daya

3.3.5 Modul Plant Suhu (TSI-1)

Modul Plant Suhu ini berfungsi sebagai pengatur suhu ruangan yang dapat

dikendalikan seperti pada praktikum kali ini. Modul plant suhu ini menggunakan

sebuah lampu yang diletakkan pada sebuah tabung, dimana panas dari lampu tersebut

menjadi sumber panas yang akan dibaca besar suhunya oleh sensor yang terdapat

didekat lampu. Semakin panas suhu yang diinginkan maka lampu akan semakin

terang, bila suhu yang diinginkan cukup rendah maka lampu akan redup. Pada saat

penurunan suhu yang dibaca, modul kendali temperatur ini dapat menggunakan fan

11

yang dapat digunakan untuk mendinginkan lampu dan juga dapat digunakan sebagai

gangguan untuk pengetesan kestabilan sistem kendali suhu.

Gambar III.6. Modul Plant Suhu

3.4 Perancangan Perangkat Lunak (Software)

Dalam perancangan pada perangkat lunak (software) matlab, penulis mendesain

kendali menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 dan Ziegler Nichols tipe 2 dan

Cohen and Coon. Hasil dari desain tersebut di aplikasikan ke sript Matlab dan

embedde syetem menggunakan Arduino.

3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 (open Loop)

Gambar.III.7 Simulink untuk mencari parameter PID

12

Proses Perancangan sistem kendali Temperature ini dimulai dengan tahap

Ziegler Nichols Tipe 1 dimana menggunakan metode open loop dan akan

menghasilkan respon, kemudian mendesain kendali dengan parameter L dan T dan

melakukan manual tuning pada PID menggunakan parameter – parameter PID .

Gambar III.8 Perancangan Plant Kendali Temperature dengan Arduino

Pada Kendali Temperature ini menggunakan input tegangan sebesar +15V

dan tegangan input ke Arduino dilewatkan dengan pembagian tegangan sebesar 0.5,

yaitu; 2 resistor serial 18Kohm. Untuk metode Ziegler Nichols Tipe 1 selain

menggunakan pembagi tegangan, pada simulink digunakan suhu ruangan sebelumnya

dan mengukur waktu detik (asli) dengan suhu ruangan sebesar 29º dan waktu asli

1;30 detik.

Gambar III.9 Hasil Respon sistem kendali Suhu dengan Wreal 1:30 detik

13

Setelah mendapatkan respon dengan Wreal, kemudian menentukan nilai L dan

T buat garis potong pada gambar scope untuk menentukan nilai Kp, Ti, dan Td

dengan menggunakan rumus dan hitung dalam excel.

Gambar III.10 Hasil Respon Parameter L dan T

Dengan menggunakan data cursor maka didapat batas untuk nilai T yaitu

223.452 dan L yaitu 13.77 . Dengan Wreal sebesar 90s dengan perbandingan

Wmatlab sebesar 1000s, maka dapat dilihat nilai Kp, Ti, dan Td sebelum melakukan

proses tuning sebagai berikut.

Gambar III.11. Hasil perhitungan sebelum manual tuning

Setelah menghitung parameter PID maka didapatkan respon, respon yang

dihasilkan masih terdapat overshoot, sehingga perlu dilakukan Manual Tuning

dengan mengubah nilai Td dan Td. Gambar respon dapat dilihat pada gambar III.12

14

Gambar III.12 Hasil respon sebelum tuning manual

3.4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2 (Close Loop)

Gambar III.13 Simulink untuk mencari parameter Kcr dan Pcr

Pada tahap Ziegler Nichols Tipe 2 menggunakan metode close loop dimana

respon yang dihasilkan harus sampai berosilasi terus menerus dan jika sudah

berosilasi didesain agar dapat mencari parameter Kcr dan Pcr yang kemudian

melakukan manual tuning.

Pada Kendali Temperature ini menggunakan input tegangan sebesar +15V

dan tegangan input ke Arduino dilewatkan dengan pembagian tegangan sebesar 0.5,

yaitu; 2 resistor serial 18Kohm. Kemudian koneksikan Arduino ke PC yang

terhubung dengan Matlab menggunakan simulink untuk metode Ziegler Nichols tipe

2 respon harus berosilasi terus menerus dan gunakan stopwatch untuk mengukur

15

Wreal dengan didapatkan Wreal sebesar 90 detik, Gaian Kcr sebesar 461 dan Pcr

sebesar 22.68. Gambar dapat dilihat pada III.14.

Gambar III.14. Respon setelah berosilasi terus menerus

Setelah mendapatkan sinyal respon pada metode Ziegler – Nichols tipe 2,

maka sinyal respon tersebut didesain sehingga dapat mengukur parameter –

parameter yang di butuhkan untuk melakukan manual tunning.

Tabel III.1 Hasil perhitungan parameter sebelum manual tuning

3.4.3 Metode Cohen and Coon

16

Gambar III.15 Simulink untuk mencari parameter Gp , Ԏ , Ԏd

Cohen and Coon dapat dipakai untuk mendesain PD-Controller dan jika di

Cohen and Coon menyediakan rumusnya. Cohen and Coon (CC) bisa di pakai untuk

plant yang memiliki deadtime yang besar. Pada aturan nya akan ada delay yang di

akan catat pada change in CO di atas adalah state pengukuran nya ada Td yaitu Time

delay , tau yaitu time konstan harus 0.63 dari proses value. Parameter yang

dibutuhkan ialah : proses gain, deadtime dan time constant.

Untuk Sistem Kendali dengan metode Cohen and Coon ini simulink yang

dihubungkan dengan arduino untuk melihat suhu ruangan sebesar 32º, kemudian

gunakan stopwatch untuk mengukur waktu detik (asli). Pada simulink sinyal untuk

respon harus diset ke nol, agar sinyal respon awal sama dengan sinyal respon

setpoint.

Gambar III.16 Respon Desain dengan Cohen and Coon

Dengan Wreal 90 detik, kemudian desain respon yang telah di dapat agar

menghitung parameter Gp , Ԏd , ԏ. Dengan menghitung parameter – parameter yang

terlihat pada tabel III.2.

17

Tabel III.2 Tabel hasil perhitungan PID Cohen Coon

3.4.4 Script Matlab

Gambar III.17 Realisasi perancangan kendali temperature Script Matlab

Pada kendali temperature di beri tegangan sumber 15V dari modul power supply,

dengan PID (kp = on, Ti dan Td = off) sebagai pengali dua. Dalam plant kendali

temperature menggunakan rangkaian pembagi tegangan yang tersambung ke

arduiono. Tegangan input ke arduino dilewatkan dengan pembagian tegangang 0.5.

dengan menggunakan potensiometer sebagai setpoint agar dapat merubah-rubah

respon yang kita inginkan.

Inisialisasi pada kendali suhu di script matlab, dengan diset pin output-input pada

arduino, time sampling dan parameter PID (Kp, Ti dan Td) dari data praktikum yang

sebelumnya.

18

Gambar III.18 Hasil Parameter PID

3.4.5 Stand Alone Controller

3.4.5.1 PID Arduino

Dalam Praktikum sistem kendali suhu PID Script 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. Pemrograman PID

pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan sistem tanpa

bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone) dan hasilnya pun dapat ditampilkan

melalui LCD dengan menggunakan Shield Arduino sebagai penghubung antar

Arduino Uno dan hasil kendali yang telah dibuat.

Gambar III.19 Rangkaian kendali temperature yang terhubung ke arduino

19

BAB IV

ANALISA PENGUJIAN

4.1. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1

Apabila nilai-nilai Kp, Ti dan Td sudah dihitung, dengan simulink yang sama,

maka langkah selanjutnya adalah melakukan proses tunning pada modul PID yang

terhubung langsung dengan modul Kendali Suhu . Keluaran diumpanbalikkan ke

modul PID. Setelah manual tuning dilakukan maka, didapat hasil Kp = 19.47294 Ti =

33 dan Td = 12 dan dapat dilihat hasil tabel pada gambar IV.1.

Tabel IV.1 Hasil tunning manual Ziegler Nichols Tipe 1

Setelah melakukan perhitungan untuk proses tunning , maka hasil parameter

di masukan ke PID dan akan menghasilkan respon, respon yang dihasilkan memiliki

overshoot yang berkurang sehingga hampir mendekati stady state.

Gambar IV.1. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 1

20

4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2

Pada Ziegler – Nichols tipe 2 di dapatkan hasil perhitungan parameter –

parameter PID yang selanjutnya nilai tersebut di masukan ke modul PID agar Sistem

Kendali Suhu dapat dilihat respon nya, dan agar dapat di manual tuning. Untuk

Ziegler Nichols tipe 2 ini tidak bisa di manual tuning karena sinyal respon terlalu

lama sehingga hanya di dapatkan respon sebelum tunning manual.

Gambar IV.2 Hasil Respon PID dengan Ziegler Nichols tipe 2

4.3 Cohen and Coon

Setelah didapatkan hasil perhitungan PID Cohen - Coon maka di dapatkan

hasil perhitungan parameter – parameter PID yang selanjutnya nilai tersebut di

masukan ke modul PID agar dapat dilihat sinyal responya namun, nilai Kc respon nya

di bagi setengahnya agar dapat mengurangi nilai Overshoot sehingga sinyal Respon

dapat stabil.

21

Gambar IV.3 Hasil Respon PID setelah manual tuning

4.4 Script Matlab

Berdasarkan Percobaan tunning algoritma PID menggunakan Ziegler Nichols

tipe 1 untuk mendapatkan respon sistem terbaik dan Inisialisasi pada kendali suhu di

script matlab, dengan diset pin output-input pada arduino, time sampling dan

parameter PID (Kp, Ti dan Td) dari data praktikum yang sebelumnya. Dengan hasil

Kp sebesar 19.47294, Ti sebesar 33 dan Td sebesar 12.

Berikut merupakan script yang digunakan pada Matlab untuk melihat hasil

respon berdasarkan parameter-parameter yang sudah ditentukan.

%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;

%hitung error error = SP - PV;

22

Script untuk kendali temperature pada saat menentukan proses Value awal

dikalikan 2 dengan menggunakan modul PID dan time scaling diset menjadi 100 agar

respon tidak melebihi setpoint. Karena keterbatasan hadware dan PWM tidak lebih

255, nilai PID agar tidak lebih dari 10 dan kurang dari 0. Dari program script yang

dijalankan maka gambar respon akan muncul. Dengan merubah scaling nya dari 100

menjadi 90 dan memaksimalkan potensiometer / setpoint agar hasil respon steady

state.

%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

Gambar IV.4 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scaling 100

Gambar IV.5 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scaling 90

24

4.5 Stand Alone Alone Controller

4.5.1 PID Arduino

Pada stand Alone arduino yang terhubung dengan plant tidak menggunakan

modul setpoint karena setpoint diganti dengan potensiometer. Mmbuat program atau

source code pada aplikasi Software Arduino yang sudah terinstall di PC dengan

menggunakan desain yang telah dirancang sebelumnya seperti nilai Kp, Ti dan Td.

Berikut adalah source code PID arduino pada plant sistem kendali suhu.

int Output = 3; //pin3

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;

void setup() {

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

pinMode(3,OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

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

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;

25

Program yang sudah dibuat pada Arduino, dengan desain yang telah

dirancang sebelumnya sehingga setpointnya sebesar 3.82, kemudian download

program tersebut maka didapatkan hasil data serial sebagai berikut:

//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)

{

outPIDsebelum=0;

}

Else

{

outPIDsebelum=outPIDsebelum;

}

outPIDsebelum=outPIDsebelum/2;

outPID=outPIDsebelum*51;

//menuliskan hasil perhitungan PID pin 3

analogWrite(3,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

//Code untuk menampilkan diserial monitor

Serial.print("Setpoint = ");

Serial.print(Setpoint1);

Serial.print("Feedback = ");

26

Gambar IV.6 Data Serial PID Arduino

Dari Data serial tersebut setelah didapatkan hasil kendali suhu yang

diinginkan dengan mengatur setpoint sampai hasilnya steady state, untuk

menampilkan hasil kendali pada LCD dengan menggunakan shield Arduino, namun

program tersebut belum dapat ditampilkan pada LCD maka harus sedikit mengubah

program pada arduino dengan menambahkan program LCD agar hasil kendali dapat

ditampilkan pada LCD.

#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);

}

27

void loop() {

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

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)

{

outPIDsebelum=0;

}

else

{

outPIDsebelum=outPIDsebelum;

}

outPIDsebelum=outPIDsebelum/2;

outPID=outPIDsebelum*51;

//menuliskan hasil perhitungan PID pin 3

analogWrite(6,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

28

Pada saat program sudah diupload kemudian LCD dipasang pada shield

Arduino lalu hasil kendali yang telah diprogram akan tampil di LCD dengan

keterangan SP = set point dan PV= Proccess Value (respon kendali yang telah

dibuat).

Gambar IV.7. Hasil tampilan kendali di LCD

//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);

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print("C");

}

29

BAB V

KESIMPULAN

1.1 Kesimuplan

Berdasarkan dari proses pengujian, pengambilan data dan analisa percobaan

Yang telah dilakukan dalam Sistem Kendali PID pada Kendali Temperature dapat

disimpulkan bahwa:

1. Sistem Kendali Digital dapat dilakukan dengan modul PID dan Arduino

dengan metode Ziegler Nichols, Cohen Coon dan Stand Alone

2. Pada Praktikum kendali temperature dapat dirancang dengan cara melakukan

proses manual tunning menggunakan parameter PID Kp, Ti dan Td agar

kendali sesuai dengan dibutuhkan.

3. Untuk hasil Ziegler Nichols Tipe 1 pada saat sebelum manual di tuning respon

suhu terdapat overshoot dan rise time yang panjang setelah di manual tuning

respon tidak terjadi overshoot dengan mengubah nilai Ti = 33 dan nilai Td = 12.

4. Untuk hasil Ziegler Nichols Tipe 2 pada saat manual tuning memiliki overshoot

tinggi , sehingga tidak dapat dimanual tuning karena sinyal respon yang sangat

lama.

5. Dan untuk hasil metode Cohen – Coon memiliki sinyal respon hampir stabil di

karenakan nilai KC pada PID di bagi setengahnya sehingga berpengaruh terhadap

nilai responya.

6. Sript Matlab yang yang di kontrol oleh Arduino, lebih efisien dan kendalinya

pun hanya menggunakan Arduino dan potensiometer. Seperti pada sistem

kendali temperature respon yang dimiliki hampir mendekati steady state dan

sedikit overshoot dengan mengatur scaling sebesar 100.

7. Pemrograman PID pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan

sistem tanpa bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone) dan hasilnya pun

dapat ditampilkan melalui LCD dengan menggunakan Shield Arduino sebagai

penghubung antar plant dan Arduino Uno

30

1.2 Saran

Untuk pengembangan dalam praktikum selanjutnya terutama pada Sistem

Kendali Temperature terdapat beberapa saran sebagai berikut

1. Selalu melakukan pengecekan terhadap modul agar kondisi modul tetap baik

dan saat proses percobaan dalam keadaan baik.

2. Lebih teliti dalam melakukan desain maupun saat proses manual tunning pada

saat menentukan parameter-parameter PID karena akan sangat berpengaruh

terhadap hasil desain.

31

DAFTAR PUSTAKA

[1]. “Pengertian Sistem Kendali”,

https://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_kendali

[2] Fatimah, Sitti. Muh Tola, dan Riza S. Sadjad , “Sistem Kendali Suhu Pada

Miniatur Proses Industri Berbahan Baku Padat (Temperature Control System

on Miniature of Industrial Process with Solid Raw Material)”, Teknik

Komputer, Kendali dan Elektronika (Desember)2011

[3] “Definisi Kendali PID”,

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

Diakses 05 Juli 2015

[4] “Metoda Ziegler Nichols”,

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

nichols.html

Diakses 06 Juli 2015

[6] Wijaya, Candra Eka, Setiawan Iwan,ST.MT, Wahyudi,ST.MT, ”Auto Tuning

PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols Menggunakan Mikrokontroler

AT89S52 pada Pengendalian Suhu”, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas

Teknik, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang,

Indonesia

[7] Rachmat Agung H, Muhammad Rivai , dan Harris Pirngadi, “Alat Penentu

Parameter PID dengan Metode Ziegler-Nichols pada Sistem Pemanas Air”,

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi

Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

32

[8] “Mengenal Shield Arduino”

http://abangelektronika.blogspot.com/2012/06/mengenal-arduino-shield.html

Diakses 07 Juli 2015.