perancangan dan realisasi sistem kendali kontinyu dan digital pada plant debit air dengan metode...

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

KENDALI KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT

DEBIT AIR DENGAN METODE ZIEGLER NICHOLS

DAN COHEN COON MENGGUNAKAN

MATLAB & ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu tugas

Mata kuliah

“Sistem Kendali Digital”

Oleh

Diaz Zulkipli

131311042

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAK

Suatu sistem yang dirancang tidak selalu menghasilkan respon yang sesuai

dengan perancangan. Dibutuhkan suatu pengendali untuk mengurangi error yang

didapat agar sistem bekerja stabil. Sistem kendali PID merupakan salah satu sistem

pengendali tersebut. Untuk membuat sistem yang stabil diperlukan perhitungan

yang tepat dan akurat, melalui beberapa metod. Metoda Ziegler Nichols dan Cohen

Coon salah satunya yang dapat digunakan untuk mendesain sistem kendali dengan

menggunakan tiga parameter yaitu Propotional - Intergative - Derivative (PID).

Ketika sudah mendapat ketiga parameter PID, suatu sistem dapat dikendalikan

responnya (Process Value) yang sesuai dengan Set Point yang diterapkan. Misalnya

mengendalikan Debit Air, yang dapat dikendalikan adalah berupa sirkulasi

kecepatan air yang masuk dan air yang keluar agar debit air sesuai dengan set point.

Kendali debit air dapat diaplikasikan pada industri-industri seperti tangki pengisian

minyak bumi, sirkulasi bendungan dan sebagainya.

Kata Kunci : Sistem Kendali, Error, Ziegler Nichols, Cohen Coon, Parameter

PID, Debit Air.

ii

ABSTRACT

A system that was designed does not always produce a response in

accordance with the design. We need a controller to reduce the error obtained for

the system to work stable. PID control system is one of the control system. To create

a stable system required precise and accurate calculation, through some metod.

Ziegler Nichols and Cohen Coon method that can be used to design the control

system using three parameters : the proportional - Intergative - Derivative (PID).

When it gets three PID parameters, can be controlled response system (Process

Value) in accordance with the Set Point is applied. For example, controlling the

discharge water, which can be controlled is the velocity of circulation of water in

the form of incoming and outgoing water so that the water flow in accordance with

the set point. Control the flow of water can be applied to industries such as

petroleum tank charging, the circulation of the dam and so on.

Keywords : Full System, Error, Ziegler Nichols, Cohen Coon, PID parameters,

Debit Water.

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan karuni-Nya

kepada penulis sehingga dapat menyesaikan makalah yang berjudul “Perancangan

dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu dan Digital pada Plant Debit Air

dengan metode Ziegler Nichols dan Cohen Coon menggunakan Matlab &

Arduino” dapat diselesaikan. Laporan ini dibuat untuk mata kuliah Sistem Kendali

Digital, Program Studi D3 Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro Politeknik

Negeri Bandung.

Dalam pelaksanaan pembuatan laporan, penulis banyak mendapatkan

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

banyak terimakasih 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 bimbingan dan nasihat yang bermanfaat kepada penulis dalam

menyelesaikan laporan akhir ini.

3. Ibu Iom, Bapak Tete. Selaku teknisi laboraturium elektronika yang membantu

dalam menyediakan peralatan-peralatan yang penulis butuhkan pada saat

praktikum.

4. Dina Maylina. Selaku partner kelompok praktikum sistem kendali digital yang

telah bersedia membantu dalam bentuk pemikiran atau pun materi dalam

berjalannya praktikum.

5. Semua pihak yang membantu dan mendukung yang tidak dapat penulis

sebutkan satu persatu.

Dalam penyusunan laporan ini masih belum dari kata sempurna, masih

banyak kekurangan yang didasari keterbatasan penulis sendiri, oleh karena itu kritik

atau saran sangat diharapkan untuk mendukung penulisan laporan yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap laporan ini dapat memberikan manfaat

khususnya untuk penulis sendiri dan umumnya untuk pembaca guna dapat

membuat tulisan yang lebih baik lagi.

iv

Bandung, Juli 2015

Penulis

v

DAFTAR ISI

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

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

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

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

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

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

DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... x

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

BAB II LANDASAN TEORI .............................................................................. 3

2.1 PID (Proportional-Integrative-Derivative) .............................................. 3

2.1.1 Kontrol Proporsional ......................................................................... 4

2.1.2 Kontrol Integratif .............................................................................. 4

2.1.3 Kontrol Derivatif ............................................................................... 5

2.2 Manual Tuning PID .................................................................................. 5

2.3 Metoda Ziegler Nichols ............................................................................ 6

2.3.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe-1 ......................................................... 6

2.3.2 Metoda Ziegler Nichols Tipe-2 ......................................................... 7

2.4 Metoda Cohen Coon ................................................................................. 8

2.5 Plant Sistem Kendali ................................................................................ 9

2.5.1 Modul Power Supply ........................................................................ 9

2.5.2 Modul Setpoint ................................................................................ 10

2.5.3 Modul PID ....................................................................................... 11

2.5.4 Modul Penguat Daya ....................................................................... 11

2.5.5 Modul Debit Air .............................................................................. 12

2.6 Arduino UNO ......................................................................................... 13

2.7 Matlab 2013 ............................................................................................ 13

BAB III PERANCANGAN ............................................................................... 15

3.1 Desain Kendali dengan Metoda Ziegler Nichols Tipe-1 ........................ 15

3.2 Desain Kendali dengan Metoda Ziegler Nichols Type-2 ....................... 18

3.3 Desain Kendali dengan Metoda Cohen Coon ........................................ 21

vi

3.4 Desain Kendali PID dengan Script Matlab ............................................ 23

3.5 Desain Kendali PID dengan Arduino (Stand Alone Control) ................ 26

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 32



4.3 Desain Kendali PID dengan Script Matlab ............................................ 34

4.4 Desain Kendali PID dengan Arduino (Stand Alone Control) ................ 35

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 37

5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 37

5.2 Saran ....................................................................................................... 37

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 38

vii

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Parameter Ziegler Nichols tipe-1 .......................................................... 6

Tabel II.2 Parameter mengubah nilai Kp, Ki dan Kd ............................................ 7

Tabel II.3 Parameter Ziegler Nichols tipe-2 .......................................................... 7

Tabel II.4 Parameter Cohen Coon.......................................................................... 9

Tabel IV.1 Parameter Perhitungan dengan ZN-1 ................................................. 32

Tabel IV.2 Parameter Perhitungan ZN-2 ............................................................. 33

Tabel IV.3 Data nilai Kp, Ki dan Kd (pada praktikum ZN-1) ............................. 34

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Blok diagram PID ............................................................................. 3

Gambar II.2 Sinyal respon sistem ......................................................................... 6

Gambar II. 3 Karakteristik respon dengan menambahkan nilai Kp ...................... 7

Gambar II.4 Sistem kendali pada metode Cohen Coon ........................................ 8

Gambar II.5 Grafik nilai gp, tau dan td ................................................................. 8

Gambar II.6 Modul power supply ....................................................................... 10

Gambar II.7 Modul setpoint ................................................................................ 10

Gambar II.8 Modul PID ...................................................................................... 11

Gambar II.9 Modul penguat daya ....................................................................... 12

Gambar II.10 Modul kendali debit air dan modul TFTM ................................... 12

Gambar II.11 Konfigurasi Arduino UNO [6] ....................................................... 13

Gambar II.12 Matlab versi R2013a [8] ................................................................ 14

Gambar III.1 Rangkaian untuk sistem kendali debit air dengan ZN-1 ............... 15

Gambar III.2 Realisasi Modul-modul setelah dihubungkan ............................... 16

Gambar III.3 Skematik rangkaian pembagi tegangan......................................... 16

Gambar III.4 Grafik ZN-1 pada Scope ............................................................... 17

Gambar III.5 Grafik setelah dibuat garis potong ................................................ 17

Gambar III.6 Realisasi modul awal yang telah ditambahkan modul PID........... 18

Gambar III.7 Rangkaian untuk sistem kendali debit air ..................................... 18

Gambar III.8 Realisasi modul-modul setelah dihubungkan ............................... 19

Gambar III.9 Modul kendali debit air dihubungan dengan arduino dan PC ....... 19

Gambar III.10 Grafik ZN-2 pada scope .............................................................. 20

Gambar III.11 Grafik setelah dibuat garis potong .............................................. 20

Gambar III.12 Rangkaian untuk sistem kendali debit air ................................... 21

Gambar III.13 Realisasi modul-modul setelah dihubungkan ............................. 21

Gambar III.14 Modul kendali debit air dihubungan dengan arduino dan PC ..... 22

Gambar III.15 Gelombang CC pada scope ......................................................... 22

Gambar III.16 Grafik setelah diberi garis potong ............................................... 23

Gambar III.17 Realisasi modul-modul yang dihubungkan ................................. 23

ix

Gambar III.18 Script deklarasi pin I/O pada arduino dan parameter PID .......... 24

Gambar III.19 Script menentukan PV dan perhitungan Error ............................ 24

Gambar III.20 Script menentukan nilai PID ....................................................... 25

Gambar III.21 Script membaca PID, Respon dan Setopint pada Arduino ......... 25

Gambar III.22 Realisasi modul-modul yang telah dihubungkan ........................ 26

Gambar III.23 Script deklarasi pin I/O dan parameter PID pada Arduino ......... 27

Gambar III.24 Sistem kenali debit air dihubungkan degan arduino dan laptop . 29

Gambar III.25 Script Embedded System pada Arduino ..................................... 30

Gambar III.26 Hasil setpoint dan feedback sistem kendali debit air pada LCD. 31

Gambar III.27 Kendali PID Debit Air Stand Alone Controller .......................... 31

Gambar IV.1 Gelombang ZN-1 pada scope ........................................................ 32

Gambar IV.2 Gelombang ZN-2 pada scope-kondisi normal .............................. 33

Gambar IV.3 Gelombang ZN-2 pada scope-tunning manual.............................. 33

Gambar IV.4 Gelombang PID dengan script-kondisi rise time .......................... 34

Gambar IV.5 Gelombang PID dengan script-kondisi normal ............................. 34

Gambar IV.6 Gelombang PID dengan script-manual tunning ............................ 35

Gambar IV.7 Data nilai setpoint dan feedback dari “Serial Monitor” ................ 35

Gambar IV.8 Data nilai setpoint dan feedback dari tampilan “LCD”................. 36

x

DAFTAR LAMPIRAN

1

BAB I

PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi yang semakin pesat telah membawa banyak pengaruh

dalam berbagai aspek kehidupan terutama dibidang industri. Di dalam industri,

sangat dibutuhkan sistem kendali yang baik agar dapat menunjang dan

meningkatkan efisiensi dalam proses produksi. Sebagai contoh, otomatisasi baik

dalam segi proses maupun peralatan yang digunakan dibidang industri seperti

dalam proses pengisian dan pembuangan cairan dalam tangki penampungan.

Masalah yang muncul ketika level ketinggian cairan dalam tangki penampung tidak

diketahui, sehingga dimungkinkan terjadi keadaan tangki yang meluap atau kosong

dikarenakan kurangnya pengawasan terhadap tangki penampung. Pada industri

kimia terdapat proses pemisahan cairan (destilasi) yang membutuhkan pengaturan

level ketinggian cairan, apabila ada perubahan (deviasi) laju aliran masukan yang

disebabkan perubahan tekanan aliran masukan atau juga disebabkan timbulnya

gaya gesek pada pipa saluran, maka akan mengakibatkan perubahan debit masukan

yang membuat level cairan berubah-ubah [1]. Proses pengendalian yang digunakan

oleh kebanyakan industri yaitu kendali konvensional seperti PID karena

kesederhanaan struktur serta kemudahan dalam melakukan tuning parameter

kontrolnya. Penentuan parameter yang sesuai agar mendapatkan keluaran sistem

yang stabil dapat dilakukan dengan metode tuning PID [2]. Perancangan yang

dilakukan untuk melakukan proses manual tunning dilakukan 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

diantara P, I, dan D Controller untuk menghasilkan sistem pengaturan yang baik

dan sederhana. [3]

2

Pada laporan akhir ini penulis melakukan eksperimen mengenai sistem kendali

PID dengan melakukan suatu perancangan manual tunning pada modul sistem

kendali debit air. Manual tunning dilakukan untuk menemukan algoritma PID.

Metode yang digunakan untuk mendapatkan parameter PID yaitu dengan

menggunakan metode Ziegler Nichols tipe-1, tipe-2 dan Cohen Coon. Setelah

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

tersebut digunakan ke modul PID. Respon sistem akan dianalisis dan akan

diperbaiki dengan teknik manual tunning.

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 PID (Proportional-Integrative-Derivative)

Dalam dunia perindutrian, untuk melakukan proses produksi sudah tidak

dilakukan secara manual oleh operator akan tetapi semua proses telah

dilakukan secara otomatis dengan menggunakan sistem kendali. Hal ini dapat

mempercepat dan mempermudah proses produksi dari awal hingga akhir.

Dalam sistem kendali terdapat salah satu jenis kendali yaitu kendali PID

(Proportional-Integrative-Derivative). Sistem kendali ini memperhatikan

kepresisian dan akurasi dari sistem yang dikendalikan. Sistem kendali ini

banyak diterapkan pada beberapa sistem atau plant. Karena sistem kendali ini

sangat cocok untuk beberapa kasus.

Blok Diagram PID dapat dilihat pada gambar dibawah :

Gambar II.1 Blok diagram PID

Adapun persamaan Pengontrol PID adalah :

𝑚𝑣(𝑡) = 𝐾𝑝 (𝑒(𝑡) + 𝑇𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝑇𝑑𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡

1

0) .............................................. (1)

Keterangan :

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

Kp = konstanta Proporsional

4

Ti = konstanta Integral

Td = konstanta Detivatif

e(t) = error (selisih antara setpoint dengan level aktual)

Persamaan Pengontrol PID diatas dapat juga dituliskan sebagai berikut :

𝑚𝑣(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡1

0+ 𝐾𝑑

𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡 ................................................. (2)

𝐾𝑖 = 𝐾𝑝 ×1

𝑇𝑖 dan 𝐾𝑑 = 𝐾𝑝 × 𝑇𝑑 ................................................................... (3)

Seperti dalam penjelasan kontrol PID terbagi atas 3 komponen utama yaitu

Proportional, Integrative dan Deritative.

2.1.1 Kontrol Proporsional

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]

2.1.2 Kontrol Integratif

Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t) = Ki ∫

e(t) dt dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas, G(s)

dapat dinyatakan sebagai u(t) = Kd de(t)/dt Jika e(T) mendekati konstan

(bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat

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

kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-

state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon

transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem.

Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi

karena menambah orde system. [4]

5

2.1.3 Kontrol Derivatif

Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai

G(s) = s.Kd dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini

dalam konteks "kecepatan" atau rate dari error. Dengan sifat ini ia dapat

digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error

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

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

menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri. [4]

2.2 Manual Tuning PID

Dalam kontrol PID terdapat beberapa jenis error bila nilai Kp, Ki dan Kd

tidak sesuai. Error yang dapat terjadi antara lain :

1. Rise time, waktu yang diperlukan untuk mencapai steady state.

2. Overshoot, merupakan sinyal pada respon yang harganya melebihi harga

ketika steady state. Overshoot terjadi ketika sinyal belum mencapai steady

state.

3. Settling Time, merupakan keadaan dimana sinyal akan mencapai atau

mendekati steady state.

4. Error Steady State, merupakan keadaan ketika kondisi sinyal respon atau

sistem sudah atau belum mencapai steady state, namun terdapat error

(kesalahan sinyal respon) sehingga kondisi steady state yang seharusnya

stabil atau konstan, terdapat perubahan sinyal atau tidak sesuai dengan

steady state.

Untuk menghilangkannya dibutuhkan metoda Ziegler Nichols dan Cohen

Coon, Ziegler Nichols memiliki 2 tipe yaitu Ziegler Nichols tipe-1 (Open

Loop) dan tipe-2 (Closed Loop).

6

2.3 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 controller untuk menentukan

nilai proportional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td

berdasarkan karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem [5].

2.3.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe-1

Metode ke-1 didasarkan pada respon plant. Plant yang tidak mempunyai

integrator, menghasilkan kurva seperti kurva huruf S pada Gambar 2. Kurva

tanggapan plant digunakan untuk mencari waktu tunda L dan konstanta waktu

T.

Gambar II.2 Sinyal respon sistem

Parameter-parameter yang didapat dari kurva reaksi digunakan untuk

menentukan parameter-parameter pengendali PID berdasarkan tetapan

empiris Zielger Nichols. Rumus-rumus untuk parameter pengendali

menggunakan metode kurva reaksi ditabelkan pada tabel berikut ini.

Tabel II.1 Parameter Ziegler Nichols tipe-1

Pengendali Kp Ti Td

P 1/a - -

PI 0,9/a 3L -

PID 1,2/a 2L L/2

7

Untuk mendapatkan sinyal respon yang tidak memiliki error, maka dapat

di manual tunning dengan parameter seperti gambar dibawah ini. Parameter

dapat digunakan pada Ziegler Nichols tipe-1 atau tipe-2.

Tabel II.2 Parameter mengubah nilai Kp, Ki dan Kd

Parameter Rise Time Overshoot Settling Time S-S Error

Kp Berkurang Bertambah Perubahan Sedikit Berkurang

Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Kd Perubahan Sedikit Berkurang Berkurang Perubahan Sedikit

2.3.2 Metoda Ziegler Nichols Tipe-2

Pada metode ke-2, pengendali pada metode ini hanya pengendali

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

keluaran yang terus-menerus berosilasi dengan amplitudo yang sama. Nilai

kritis Kp ini disebut sebagai ultimated gain. Tanggapan keluaran yang

dihasilkan pada 3 kondisi penguatan proporsional ditunjukkan pada Gambar

ke 3. Sistem dapat berosilasi dengan stabil pada saat Kp = Kcr.

Gambar II. 3 Karakteristik respon dengan menambahkan nilai Kp

Nilai Kcr, Pcr, diperoleh setelah keluaran sistem mencapai kondisi yang

terus menerus berosilasi. Nilai Kcr dan Pcr digunakan untuk menentukan

konstanta-konstanta pengendali sesuai dengan tetapan empiris Ziegler

Nichols pada tabel berikut ini.

Tabel II.3 Parameter Ziegler Nichols tipe-2

Pengendali Kp Ti Td

P 0,5 Kcr ∞ 0

PI 0,45 Kcr (1/1,2)*Pcr 0

PID 0,6 Kcr 0,5 Pcr 0,125 Pcr

8

2.4 Metoda Cohen Coon

Cohen Coon untuk mendesain suatu sistem kendali plant yang memiliki

deadtime yang besar atau time delay yang lama. dengan menggunakan metode

ini suatu sistem bisa diset menggunakan rumus Cohen Coon, cara nya yaitu

dengan mencari nilai gain, t dan td lalu kita dapat mengetahui nilai Kc, Ki dan

Kd.

Sistem kendali Cohen Coon yaitu menambahkan 1 gelombang agar

menjadi 2 tingkatan. Agar mudah untuk menentukan titik-titik gp, tau dan td.

Gambar II.4 Sistem kendali pada metode Cohen Coon

Untuk menghitung nilai gp, tau dan td, dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar II.5 Grafik nilai gp, tau dan td

Setelah mendapat nilai gt, tau dan td, lalu dihitung dengan menggunakan

metoda Cohen Coon, seperti pada tabel berikut ini.

9

Tabel II.4 Parameter Cohen Coon

2.5 Plant Sistem Kendali

Untuk membuat kendali debit air dibutuhkan modul-modul pendukung

untuk memberikan supply dan input untuk sistem. Modul yang dibutuhkan

yaitu modul power supply, modul setpoint, modul PID, modul penguat daya

dan modul debit air.

2.5.1 Modul Power Supply

Prinsip kerja modul ini yaitu akan menguluarkan output tegangan DC -

15V sampai +15V, dengan menyalakan modul pada tombol on/off maka

modul akan menyala. Pada modul terdapat potensiometer, fungsi dari

potensio berguna untuk mengatur besar keluaran dari -15 VDC hingga 0 VDC

ataupun mengatur dari 0 VDC hingga +15VDC. Namun modul ini terdapat

keluaran tegangan tetap dengan nilai, yaitu +5VDC, 6VDC, 12VDC dan

24VDC. Modul power supply ini menghasilkan arus sebesar 1 Ampere (1A).

Modul ini berfungsi untuk memberikan tegangan pada modul lainnya

agar dapat digunakan. Keluaran yang dibutuhkan yaitu +15 VDC, 0 VDC, -

15 VDC dan +5 VDC.

Gambar berikut ini merupakan modul power supply yang digunakan

dalam praktikum sistem kendali digital.

10

Gambar II.6 Modul power supply

2.5.2 Modul Setpoint

Modul ini dapat diatur menjadi 2 jenis, antara lain 0 sampai 10V atau -

10V sampai +10V. Modul ini merupakan modul untuk mengatur refrensi atau

keadaan yang diinginkan, refrensi ini akan dijadikan setpoint untuk sistem

yang akan dikendalikan. Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc

dan ground.

Gambar berikut ini merupakan modul setpoint yang digunakan dalam

praktikum sistem kendali digital.

Gambar II.7 Modul setpoint

11

2.5.3 Modul PID

Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc dan dihubungkan pada

ground. Modul ini akan menjumlahkan ataupun mengurangi dari beberapa

nilai yang dimasukan. Hal itu dilakukan pada blok sum, setelah melewati blok

sum, maka akan melewati blok PID. Pada blok tersebut akan terdapat nilai

Kp, Ki dan Kd yang dapat diatur. Blok ini berfungsi sebagai sistem kendali,

dengan memberi nilai setpoint dan umpan balik dari output sistem. Maka

nilai-nilai tersebut akan dijadikan masukan pada modul ini.

Gambar berikut ini merupakan modul PID yang digunakan dalam

praktikum sistem kendali digital.

Gambar II.8 Modul PID

2.5.4 Modul Penguat Daya

Modul ini berfungsi sebagai penguatan daya, agar motor dapat bergerak

maka dibutuhkan modul ini untuk menguatkan daya. Penguatan dilakukan

pada besar nilai arus. Modul ini dapat menguatkan tegangan bernilai positif

atau pun tegangan bernilai negatif. Modul ini akan bekerja jika telah diberikan

tegangan dari modul power supply.

Gambar berikut ini merupakan modul penguat daya yang digunakan

dalam praktikum sistem kendali digital.

12

Gambar II.9 Modul penguat daya

2.5.5 Modul Debit Air

Modul kendali debit air terdiri dari dua buah tangki penampung dimana

tangki pertama yang terhubung dengan input yang akan menggerakkan seberapa

besar motor akan berputar untuk memompa air menuju tangki kedua yang

melalui selang air. Sedangkan tangki penampung kedua merupakan tangki

pengukuran kecepatan aliran air yang dilengkapi sensor debit air.

Pada tangki ini terdapat 10 leter/hour pengukuran untuk mengukur

kecepatan air melalui sensor tersebut. Melalui perhitungan sensor maka akan

didapatkan perhitungan yang dikonversikan menjadi tegangan melalui output

modul Turbine Flow Through Meter (TFTM).

Gambar berikut ini merupakan modul penguat daya yang digunakan

dalam praktikum sistem kendali digital

Gambar II.10 Modul kendali debit air dan modul TFTM

13

2.6 Arduino UNO

Gambar II.11 Konfigurasi Arduino UNO [6]

Arduino sebuah alat pengembangan yang merupakan kombinasi dari

hardware, bahasa pemrograman dan Integrated Development Environment (IDE)

yang canggih. IDE adalah sebuah software yang sangat berperan untuk menulis

program, meng-compile menjadi kode biner dan mengupload ke dalam memory

microcontroller. Ada banyak projek dan alat-alat dikembangkan oleh akademisi

dan profesional dengan menggunakan Arduino, selain itu juga ada banyak modul-

modul pendukung (sensor, tampilan, penggerak dan sebagainya) yang dibuat oleh

pihak lain untuk bisa disambungkan dengan Arduino. Arduino berevolusi menjadi

sebuah platform karena ia menjadi pilihan dan acuan bagi banyak praktisi. [7]

2.7 Matlab 2013

MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan

komputasi numerik dan merupakan suatu bahasa pemrograman matematika

lanjutan yang dibentuk dengan dasar pemikiran menggunkan sifat dan bentuk

matriks. Pada awalnya, program ini merupakan interface untuk koleksi rutin-rutin

9 numeric dari proyek LINPACK dan EISPACK, dan dikembangkan menggunkan

bahasa FORTRAN namun sekarang merupakan produk komersial dari perusahaan

Mathworks, Inc yang dalam perkembangan selanjutnya dikembangkan

menggunakan bahasa C++ dan assembler (utamanya untuk fungsi-fungsi dasar

MATLAB).

14

Gambar II.12 Matlab versi R2013a [8]

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 Anda telah memiliki

pengalaman dalam pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL, atau

FORTRAN. [9]

15

BAB III

PERANCANGAN

3.1 Desain Kendali dengan Metoda Ziegler Nichols Tipe-1

Langkah-langkah dalam mendesain kendali dengan menggunakan metode

Ziegler Nichols tipe-1 yaitu, sebagai berikut :

1. Mengkoneksikan Arduino UNO dan Laptop juga telah terhubung dengan

Matlab.

2. Buat rangkaian pada simulink (Matlab) seperti gambar berikut ini.

Gambar III.1 Rangkaian untuk sistem kendali debit air dengan ZN-1

3. Test masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya, setelah modul

terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan ke tahap

penghubungan setiap modul menggunakan konektor.

4. Setelah dihubungkan modul power supply dengan output 15V, setpoint

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

gambar berikut ini.

16

Gambar III.2 Realisasi Modul-modul setelah dihubungkan

5. Hubungkan modul yang telah tersambung semuanya dengan arduino,

karena arduino mampu menerima tegangan maksimal 5V. maka dibuatlah

rangkaian pembagi tegangan agar keluaran dari arduino tetap sama

tegangannya dengan keluaran PID. Rangkaian pembagi tegangan seperti

gambar berikut ini.

Gambar III.3 Skematik rangkaian pembagi tegangan

6. Setelah terhubung dengan arduino dan rangkaian pembagi tegangan

nyalakan power supply tetapi jangan menyalakan switch pada modul PID.

7. Hubungakan arduino dengan laptop lalu jalankan (play) simulinknya.

Dengan siapkan stopwatch untuk mengukur waktu detik (asli).

8. Setelah dijalankan, lalu on kan switch pada modul PID dan akan terlihat

gelombang pada scope setelah gelombang stabil lalu stop pada simulink

17

dan stopwatchnya maka akan didapat waktu aslinya, gelombang setelah di

on seperti pada gambar grafik berikut ini.

Gambar III.4 Grafik ZN-1 pada Scope

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

gelombang pengambilan terakhir. Seperti pada gambar berikut ini.

Gambar III.5 Grafik setelah dibuat garis potong

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

gelombang terakhir dan waktu asli yang didapat dari stopwatch.

11. Lalu setelah didapat hasilnya, hubungkan modul PID dengan modul-

modul yang telah terhubung di bagian setelah modul setpoint tetapi

ketika proses pemasangan atau perubahan pada modul jangan sampai

arduino terhubung dengan laptop dan jangan lupa untuk menghubungkan

keluaran modul debit air dengan PID (feedback) dan juga keluaran pada

Arduino (Analog IN 5).

Lit

er (

l)

Lit

er (

l)

Time (t)

Time (t)

18

Gambar III.6 Realisasi modul awal yang telah ditambahkan modul PID

12. Kemudian hubungkan lagi arduino dengan laptop, dan play simulinknya,

maka setelah di play akan menghasilkan gelombang respon dari plant

debit air.

3.2 Desain Kendali dengan Metoda Ziegler Nichols Type-2


Ziegler Nichols tipe-2 yaitu, sebagai berikut :


Matlab.


Gambar III.7 Rangkaian untuk sistem kendali debit air




19



gambar berikut ini.

Gambar III.8 Realisasi modul-modul setelah dihubungkan

5. Atur gain pada PID agar sinyal berosilasi secara konstan didapat untuk gain

pada modul debit air yaitu sebesar 1 (x100), saklar pada Ti dan Td nya

dimatikankan.

6. Hubungkan modul yang telah tersambung semuanya dengan arduino seperti

gambar berikut ini.

Gambar III.9 Modul kendali debit air dihubungan dengan arduino dan PC

Keterangan I/O pada Arduino :

Setup Arduino1 (COM17) = PORT Arduino pada Komputer

Analog Read (PIN 0) = Dihubungkan ke Setpoint

Analog Read (PIN 5) = Dihubungkan pada Output Plant

Dan jangan lupa menghubungkan arduino pada Ground

20

7. Setelah terhubung dengan arduino nyalakan power supply tetapi jangan dulu

menyalakan switch setpoint.


Dengan menyalakan saklar pada setpoint dan menyiapkan stopwatch untuk

mengukur waktu detik (asli).

9. Setelah dijalankan, lalu on kan switch pada modul PID dan akan terlihat

gelombang pada scope setelah gelombang yang berosilasi, lalu stop pada

simulink dan stopwatchnya maka akan didapat waktu aslinya, gelombang

setelah di on seperti pada grafik gambar berikut ini.

Gambar III.10 Grafik ZN-2 pada scope

10. Buat garis potong dan tentukan nilai Pcr, Kcr, waktu gelombang

pengambilan terakhir dalam waktu matlab dan waktu asli (stopwatch).

Seperti pada gambar berikut ini.

Gambar III.11 Grafik setelah dibuat garis potong

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

21

3.3 Desain Kendali dengan Metoda Cohen Coon


Cohen Coon yaitu, sebagai berikut :


Matlab.


Gambar III.12 Rangkaian untuk sistem kendali debit air






gambar berikut ini.

Gambar III.13 Realisasi modul-modul setelah dihubungkan

5. Atur tegangan pada Setpoint dan PID hingga sama , saklar pada Ti dan Td

nya dimatikan. Dan feedback tidak dihubungkan.

6. Hubungkan modul yang telah tersambung semuanya dengan arduino seperti

gambar berikut ini :

22

Gambar III.14 Modul kendali debit air dihubungan dengan arduino dan PC

Keterangan I/O pada Arduino :

Setup Arduino1 (COM17) = PORT Arduino pada Komputer

Analog Read (PIN 0) = Dihubungkan ke Setpoint

Analog Read (PIN 5) = Dihubungkan pada Output Plant

Dan jangan lupa menghubungkan arduino pada Ground

7. Setelah terhubung dengan arduino nyalakan power supply tetapi jangan dulu

menyalakan switch pada modul PID.


Dengan menyalakan saklar pada setpoint dan menyiapkan stopwatch untuk

mengukur waktu detik (asli).

9. Setelah jalankan buat gelombang setpoint naik satu kali dengan diikuti

gelombang time responnya. Seperti gambar berikut ini.

Gambar III.15 Gelombang CC pada scope

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

23

10. Buat garis potong dan tentukan nilai Kc, Ti dan Td. seperti dambar berikut

ini.

Gambar III.16 Grafik setelah diberi garis potong

11. Setelah itu lakukan perhitungan dan hasil perhitungan diatur pada PID dan

apabila hasil gelombang bagus maka kita telah mendesain suatu sistem

dengan baik menggunakan metoda Cohen Coon.

3.4 Desain Kendali PID dengan Script Matlab

Langkah-langkah dalam mendesain kendali PID dengan Script Matlab

yaitu, sebagai berikut :

1. Mencek kondisi masing-masing modul, agar berjalan dengan baik.

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

dan kendali debit air. Seperti gambar berikut ini.

Gambar III.17 Realisasi modul-modul yang dihubungkan


Matlab.

4. Membuat script di Matlab, seperti gambar berikut ini.

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

24

Gambar III.18 Script deklarasi pin I/O pada arduino dan parameter PID

Gambar III.19 Script menentukan PV dan perhitungan Error

25

Gambar III.20 Script menentukan nilai PID

Gambar III.21 Script membaca PID, Respon dan Setopint pada Arduino

5. Menghubungkan Potensio pada Arduino sebagai Setpoint juga VCC, GND,

analog input (analogRead) , analog output (analogWrite) arduino dengan

modul PID dan PLANT.

6. Menjalankan isi script program sistem kendali pada arduino dengan

memplay pada aplikasi Matlab.

7. Akan muncul figure (scope) pada aplikasi Matlab. Hasil keluaran

gelombang dari plant kendali debit air dengan dua sinyal yaitu sinyal respon

dan setpoint.

26

3.5 Desain Kendali PID dengan Arduino (Stand Alone Control)

Langkah-langkah dalam mendesain kendali PID dengan Arduino yaitu,

sebagai berikut :

1. Mencek kondisi masing-masing modul, agar berjalan dengan baik.

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

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

jadi 2 kali lipat tegangannya, modul penguat dan kendali debit air. Seperti

gambar berikut ini.

Gambar III.22 Realisasi modul-modul yang telah dihubungkan

3. Mengkoneksikan Arduino UNO dan Laptop yang telah di install aplikasi

arduino.

4. Membuat script di arduino, seperti pada gambar berikut ini.

27

Gambar III.23 Script deklarasi pin I/O dan parameter PID pada Arduino

28

5. Menghubungkan Potensio pada Arduino sebagai Setpoint. VCC, GND,

analog input (analogRead) , analog output (analogWrite) arduino dengan

modul PID dan PLANT.

6. Cek script dengan cara mengklik button “Verify” pada aplikasi arduino

bagian atas, ketika sudah “Done Compiling” lakukan upload script tersebut

dengan mengklik button “Upload” pada aplikasi arduino bagian atas.

7. Tunggu hinggal proses Upload selesai, jangan melakukan perubahan

rangkaian ataupun mencabut arduino dari Laptop ketika proses Upload,

karena dapat membuat gagal upload juga dapat membuat rusak arduino.

8. Ketika script telah selesai di upload, lihat pada tools “Serial Monitor” pada

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

feedback (PV) dan Sistem Kendali pun telah bekerja, dan lakukan perubahan

setpoint dengan memutar potensio, nilai feedback akan mengikuti setpoint.

9. Ketika proses kendali menggunakan arduino menggunakan tampilan Serial

Monitor pada aplikasi arduino telah dilakukan, maka tahap selanjutnya kita

aplikasikan secara terpisah dengan laptop yaitu dengan menggunakan

Shield arduino dan LCD (Liquid Crystal Display).

10. Shiels arduino yang telah terpasang dengan LCD ditumpukkan diatas

arduino yang telah disusun kaki-kaki shield pada arduino.

11. Lakukan test dengan menampilkan tulisan pada LCD, dengan memilih

script yang telah ada pada example script “Hello World!” di aplikasi

arduino.

12. Setelah muncul tulisan di LCD, brarti Shield dan arduino bekerja dengan

baik.

13. Hubungkan modul-modul sistem kendai dengan arduino yang telah

dipasang shield dan LCD, potensio juga dihubungkan dengan laptop terlebih

dahulu, untuk diprogram arduino nya.. Seperti gambar berikut ini.

29

Gambar III.24 Sistem kenali debit air dihubungkan degan arduino dan laptop

14. Lalu buat script di aplikasi Arduino untuk kendali embedded system. Seperti

pada gamar berikut ini.

30

Gambar III.25 Script Embedded System pada Arduino

31

15. Cek script dengan cara mengklik button “Verify” pada aplikasi arduino

bagian atas, ketika sudah “Done Compiling” lakukan upload script tersebut

dengan mengklik button “Upload” pada aplikasi arduino bagian atas.

16. Tunggu hinggal proses Upload selesai, jangan melakukan perubahan

rangkaian ataupun mencabut arduino dari Laptop ketika proses Upload,

karena dapat membuat gagal upload juga dapat membuat rusak arduino.

17. Ketika script telah selesai di upload, lihat keadaan plant kendali debit air,

apakah bekerja sesuai dan lihat nilai setpoint dan feedback pada LCD.

Seperti gambar berikut ini.

Gambar III.26 Hasil setpoint dan feedback sistem kendali debit air pada LCD

18. Ketika sistem kendali bekerja dengan baik, nilai feedback mengikuti setpoint

yang dirubah-rubah oleh potensio. Setelah itu kita dapat melepaskan arduino

dari laptop lalu menghubungkannya dengan charger hp-usb, dan sistem

kendali debit air pun dapat dikendalikan hanya dengan menggunakan

arduino (stand alone). Seperti pada gambar berikut ini.

Gambar III.27 Kendali PID Debit Air Stand Alone Controller

32

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN


Data yang didapat dan dihitung menggunakan program excel, berikut

gambarnya.

Tabel IV.1 Parameter Perhitungan dengan ZN-1

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

dibawah ini.

Gambar IV.1 Gelombang ZN-1 pada scope

Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air

Amati gelombang pada scope tersebut, apabila pada gelombang setpoint

dan feedback jauh gelombang rise time, steady-state dan overshootnya maka

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

dan overshootnya mendekati atau sama, maka tidak perlu dilakukan manual

tunning.

33


Data yang didapat dan dihitung menggunakan program excel, berikut

gambarnya.

Tabel IV.2 Parameter Perhitungan ZN-2

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

dibawah ini.

Gambar IV.2 Gelombang ZN-2 pada scope-kondisi normal

Gambar IV.3 Gelombang ZN-2 pada scope-tunning manual

Keterangan : Ungu gelombang setpoint, Merah gelombang feedback

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

34

4.3 Desain Kendali PID dengan Script Matlab

Data nilai parameter yang diset pada program script Matlab.

Tabel IV.3 Data nilai Kp, Ki dan Kd (pada praktikum ZN-1)

Dengan Time Respon 0.1 yaitu frekuensi sepanjang waktu pada matlab 100

dan dihitung pada waktu asli 10 detik.

Gambar IV.4 Gelombang PID dengan script-kondisi rise time

Menguji keandalan kendali yang telah kita program dengan merubah

setpoint pada potensiometer, akan muncul seperti gambar dibawah ini.

Gambar IV.5 Gelombang PID dengan script-kondisi normal

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

35

Gambar IV.6 Gelombang PID dengan script-manual tunning

4.4 Desain Kendali PID dengan Arduino (Stand Alone Control)

Data pertama yang didapat yaitu, nilai setpoint dan feedback menggunakan

“serial monitor” pada aplikasi arduino.

Gambar IV.7 Data nilai setpoint dan feedback dari “Serial Monitor”

Hasil dari nilai diatas dikalikan 10, karena output dari Sistem Kendali

Debit Air 1𝑉

10𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑥 ℎ−1

Tim

e R

esp

on P

lant

(V)

Time (t)

36

Data yang didapat yaitu, nilai setpoint dan feedback yang diambil oleh

camera dengan beberapa kali foto dari setiap perubahan pada LCD.

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Gambar IV.8 Data nilai setpoint dan feedback dari tampilan “LCD”

Keterangan :

(a) Data ke-1, (b) Data ke-2, (c) Data ke-3, (d) Data Ke-4 dan (e) Data Ke-5.

37

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil pengujian, pengambilan data dan analisa percobaan yang telah

dilakukan pada lab kendali teknik elektronika, dapat disimpulkan.

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

Metode Ziegler Nichols 1, 2 atau Cohen Coon. Akan tetapi terdapat kelebihan

dan kekurangannya.

2. Apabila Sistem Kendali Debit Air menggunakan metode tipe 1 hasil dari

respon akan lebih stabil dibandingkan dengan tipe 2 tetapi proses

pengambilan data untuk mencari parameter Kp, Ki dan Kd membutuhkan

waktu yang lebih lama dibanding tipe 2.

3. Hasil respon setelah di tunning menggunakan parameter PID yang dihasilkan

dari metode Ziegler Nichols tipe 2 kurang baik karena osilasi yang dihasilkan

tercampur dengan noise dari gelombang aliran air yang tidak tenang.

4. Dalam modul kendali plant debit air ini, tegangan output tidak stabil apabila

diatas 3,5V karena kecepatan aliran yang dapat membuat gelombang output

tidak bagus.

5.2 Saran

Untuk penyempurnaan dan pengembangan praktikum lebih lanjut, maka

diberikan saran-saran sebagai berikut untuk penyempurnaan :

1. Melakukan praktikum sesuai jadwal dan prosedur dengan langkah-langkah

yang benar.

2. Lebih teliti dan jeli dalam melakukan pemotongan garis dari gelombang

pertama dan dalam melakukan tunning manual, karena akan

mempengaruhi hasil desain kendali tersebut.

3. Pada setiap praktikum untuk memeriksa kabel jumper atau penghubung.

38

DAFTAR PUSTAKA

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

Pengendalian Debit Aliran Masukan pada Tandon Air dengan Menggunakan

Mikrokontroler ATmega8535”, Jurnal, Universitas Diponegoro Semarang, 2008.

[2]. Maharani. Aldea Steffie, Setiono. Budi, dan Sumardi, “Aplikasi Kontrol Pid Untuk

Pengendalian Ketinggian Level Cairan Dengan Menggunakan TCP/IP”, Skripsi,

Universitas Diponegoro, 2007.

[3]. Ferdinando. Hany, “Desain PID Controller dengan Software Matlab”, Jurnal,

Universitas Kristen Petra, 2007.

[4] “PID Controller”

en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

Diakses 5 Juli 2015

[5]. “Metoda Tunning Ziegler Nichols”,

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

nichols.html.

Diakses 5 Juli 2015.

[6]. “Matlab R2013a”,

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


[7]. “Pengantar untuk Pemrograman Matlab”,

https://inaseptiana.files.wordpress.com/2014/11/modul-pengantar-pemrograman-

matlab.pdf.


[8] “Arduino Arts”,

http://arduinoarts.com/wp-content/uploads/2011/08/Arduino-callouts1.jpg.


[9]. “Pengenalan Arduino”

http://www.tobuku.com/docs/Arduino-Pengenalan.pdf.


perancangan dan realisasi sistem kendali kontinyu dan digital pada plant debit air dengan metode...

Documents