Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali Digital

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

KENDALI KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT

TEMPERATUR DENGAN METODE ZIEGLER-

NICHOLS TIPE 1 dan ZIEGLER-NICHOLS TIPE 2

MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan mata kuliah

sistem kendali digital

DIPLOMA III PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Dwi Fakhri Amindin

131311044

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

Abstrak

Sistem kendali temperatur sangat banyak digunakan didunia industri. Berbagai

penelitian mengenai sistem kendali temperatur dilakukan di dunia akademis dan

dunia penelitian agar kelak muncul sebuah inovasi baru di dalam dunia sistem

kendali temperatur. penelitian mengenai sistem kendali temperatur yang dilakukan

di dunia akademis, dilakukan untuk mempersiapkan para penerus bangsa yang

mampu bersaing dan berperan aktif dalam perkembangan dunia teknik kendali.

Pengenalan metode yang digunakan untuk mengendalikan sebuah plant dan

bagimana cara pemodelan serta proses perancangan merupakan suatu hal yang baru

dirasakan oleh mahasiswa. Ada beberapa metode yang digunakan dalam sistem

kendali, salah satunya adalah metode ProportionalIntegralDerivative (PID).

Sebuah metode yang menggunakan prinsip penguatan posisi, penguatan integral,

dan penguatan derivative untuk memperbaiki respon sistem kendali. Untuk

mendesain sebuah pengendali PID ada tiga metode yang dapat dilakukan, yaitu

metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler Nichols tipe 2. Dengan pemodelan

melalui kedua metode tersebut, pengendali PID dapat menghasilkan respon sistem

kendali yang lebih responsif dibandingkan dengan tanpa pengendali. Sehingga

sistem kendali temperatur dengan pengendali PID dapat digunakan dalam sistem

kendali temperatur Pengering gabah, atau Pelelehan besi.

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

Temperatur dengan Pengendali PID, respon sistem.

ii

Abstract

Temperature control system is widely used in the world of industry. Various

research on the temperature control system is done in the academic world and the

world of research that later appeared a new innovation in the world of temperature

control system. research on the temperature control system is done in the academic

world, performed to prepare the successor to the nation that is able to compete and

play an active role in the development of control engineering. The introduction of

methods used to control a plant and how it modeling and design process is a new

thing perceived by students. There are several methods used in control systems, one

of which is a method of Proportional-Integral-Derivative (PID). A method that uses

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

gains to improve the response of the control system. To design a PID controller,

there are three methods that can be performed, the method of Ziegler-Nichols

Ziegler Nichols type 1 and type 2. With modeling through both methods, the PID

controller can generate control system response is more responsive than without

controllers. So that the temperature control system with PID controllers can be used

in temperature control system of grain dryer, or Steel smelter .

Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2, Temperature Control

System with PID Controller, System respons.

iii

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Segala puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas limpahan

rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Perancangan dan Realisasi

Sistem Kendali Kontinyu & Digital pada Plant Temperatur dengan Metode Ziegler-

Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2 Menggunakan Matlab dan Arduino.

Laporan akhir ini disusun sebagai persyaratan kelulusan pada Mata Kuliah Sistem

Kendali Digital Program Studi D3-Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro

Polieknik Negeri Bandung.

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 sesungguhnya

pengalaman dan pengetahuan tersebut adalah guru yang terbaik bagi penulis. Oleh

karena itu dengan segala hormat dan kerendahan hati perkenankanlah saya sebagai

penulis mengucapkan terima kasih kepada :

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

Kendali Digital.

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

3. Para Teknisi yang setia membantu terlangsungnya praktek Sistem Kendali

Digital.

4. Asep Mohammad Fauzi dan Kiki Abdul Baki selaku rekan satu grup dalam

praktikum Sistem Kendali Digital.

5. Seluruh rekan-rekan kelas B angkatan 2013 telah memberikan motivasi.

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

banyak membantu sehingga laporan akhir praktikum ini dapat

diselesaikan.

iv

Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis menyadari masih

terdapat banyak kekurangan yang dibuat baik sengaja maupun tidak

sengaja. Untuk itu penulis mohon maaf atas segala kekurangan tersebut

tidak menutup diri terhadap segala saran dan kritik serta masukan yang

membangun bagi diri penulis. Akhir kata semoga dapat bermanfaat bagi

penulis sendiri, institusi pendidikan dan masyarakat luas.

Wassalamu alaikum Wr. Wb.

Bandung, 6 Juli 2015

Penulis

v

DAFTAR ISI

Abstrak ................................................................................. Error! Bookmark not defined.

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

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

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

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

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

BAB II DASAR TEORI.................................................................................................... 4

2.1. Perkembangan Sistem Kendali ........................................................................... 4

2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka .................................................................... 4

2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup .................................................................... 5

2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali ................................................................ 7

2.2. Sistem Kendali PID ............................................................................................ 7

2.3. Desain Kendali PID .......................................................................................... 11

2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ................................................................. 11

2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ................................................................. 13

2.3.3. Manual Tunning ....................................................................................... 14

2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB ........................................................... 14

2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno .............................................................. 15

BAB 3 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR ........................... 16

3.1 Desain Alat............................................................................................................. 16

3.1.1. Modul Catu Daya ..................................................................................... 20

3.1.2. Modul Set Poin ......................................................................................... 20

3.1.3. Modul Pengendali PID ............................................................................. 21

3.1.4. Modul Penguat Daya ................................................................................ 21

3.1.5. Plant Sistem Kendali Temperatur ............................................................. 21

3.2. Mekanisme Alat ............................................................................................... 22

3.2.1. Diagram Blok Pengoperasian Modul ........................................................ 22

3.3. Desain Pengendali PID ..................................................................................... 23

3.3.1. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 .......................................................... 23

3.3.2. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .......................................................... 24

3.3.3. Desain PID Dengan Script MATLAB ...................................................... 26

3.3.4. Desain PID Dengan Script Arduino .......................................................... 27

vi

BAB 4 DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS ............................................................... 28

4.1. Hasil Pengujian ................................................................................................ 28

4.1.1. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 ...................... 28

4.1.2. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 ...................... 30

4.2. Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID....... 30

4.2.1. Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB ................................... 31

4.2.2. Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno .............................. 34

BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN ................................................................................. 38

5.1. Kesimpulan ...................................................................................................... 38

5.2. Saran ................................................................................................................ 38

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 40

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID .......................... 98

Tabel 3.1 .............................................................................................................. 124

Tabel 3.2 .............................................................................................................. 135

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt................................................ 4

Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka ................................... 5

Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup................................... 6

Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID .................... 8

Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID ..................... 9

Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time .............................. 10

Gambar 2. 7. Respon Sistem Loop Terbuka ......................................................... 12

Gambar 2. 8. Respon Sistem Osilasi ..................................................................... 13

Gambar 2. 9. Logo Simulink MATLAB ............................................................... 15

Gambar 2. 10. Arduino Uno .................................................................................. 15

Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur ............................................................. 16

Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan

Arduino Uno.......................................................................................................... 17

Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan

Arduino Uno.......................................................................................................... 17

Gambar 3. 4. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan

Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ............................................................................. 18


Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ............................................................................. 19

Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter ..................................................................... 20

Gambar 3. 7. Plan Sistem Kendali Temperatur..................................................... 21

Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan

Pengendali PID...................................................................................................... 22

Gambar 3. 8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L ......................................... 24

Gambar 3. 9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr ................................................ 25

Gambar 3.10. Flowchart Script MATLAB ........................................................... 26

Gambar 3.11. Flowchart Script Arduino .............................................................. 27

Gambar 4. 2. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols

Tipe 1 .................................................................................................................... 29

Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .............. 30

Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital

(MATLAB) ........................................................................................................... 33

Gambar 4. 6. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan

Pengendali PID...................................................................................................... 37

1

BAB I

PENDAHULUAN

Sistem Kendali Temperatur sangat banyak digunakan di dalam

dunia industri saat ini. Misalnya pada industri minyak dan gas. Selaras

dengan perkembangan teknologi saat ini, sistem kendali temperatur yang

digunakan pun semakin berkembang. Sistem kendali temperatur didesain

untuk dapat mengendalikan temperatur dari sebuah proses produksi.

Sistem kendali yang digunakan pun dituntut memiliki efisiensi yang baik

dan tangguh terhadap berbagai gangguan yang dihadapi oleh sistem.

Selaras dengan perkembangan teknologi sistem kendali yang ada di

industri saat ini, penelitian mengenai pengendalian temperatur yang lebih

komplek juga sangat banyak ditemui di dunia penelitian maupun dunia

akademis.

Untuk merancang sistem kendali temperatur yang efisien dan

tangguh terhadap gangguan, perlu dilakukan penelitian yang bersifat rutin

dan terfokus. Dengan memberikan pendidikan mengenai dasar-dasar dan

parameter sistem kendali temperatur, diharapkan perguruan tinggi sebagai

salah satu penghuni dunia akademis mampu mempersiapkan peserta

didiknya agar mampu untuk memberikan kontribusi aktif dalam

perkembangan teknologi sistem kendali temperatur. Kontribusi aktif yang

diharapkan mampu diberikan oleh para lulusan perguruan tinggi tersebut

diantaranya adalah mampu untuk mendesain sebuah sistem kendali

temperatur yang efisien dan tangguh dengan menggunakan metoda dan

analisis yang berkembang saat ini. Salah satu metoda sistem kendali yang

paling lama ada dan relatif sering digunakan adalah metoda Proportional

IntegralDerivative (PID).

PID merupakan pengendali untuk menentukan ketepatan suatu

sistem kendali dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem

tesebut. Komponen kendali PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu

2

Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiga komponen kendali PID

tersebut didapatkan melalui pendesainan yang juga dapat dilakukan

melalui beberapa metode. Salah satu metode tersebut adalah Metode

Ziegler-Nichols. Metoda Ziegler-Nichols terbagi menjadi dua tipe, yaitu

Metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Metoda Ziegler-Nichols tipe 2. Dengan

pendesainan yang baik dalam menentukan nilai pada ketiga jenis

komponen kendali PID, dapat menciptakan sebuah sistem kendali

temperatur yang efisien, tepat, dan tangguh terhadap berbagai gangguan

yang dihadapi (robust). Maka dari itulah penelitian untuk mendesain

sistem kendali temperatur berbasis metoda kendali PID Ziegler-Nichols

menjadi poin penting dalam dunia pendidikan teknik elektronika di bidang

kendali. Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk melatih pendesainan

sistem kendali temperatur yang efisien dan tangguh serta pada akhirnya

akan diimplementasikan pada sistem kendali temperatur yang berdiri

sendiri (stand alone) dengan menggunakan Arduino Uno sebagai

pengendali.

Tujuan penelitian ini adalah:

1. Melatih ketepatan pendesainan sistem kendali temperatur berbasis

metoda kendali PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols

tipe 1 dan Ziegler-Nichols Tipe 2.

2. Mampu melakukan manual tunning untuk memperbaiki respon

sistem kendali temperatur berdasarkan nilai komponen kendali PID

hasil desain awal.

3. Mampu membuat stand alone control menggunakan Arduino Uno

pada sistem kendal temperatur berdasarkan hasil tunning.

Identifikasi permasalahan pada penelitian ini adalah:

1. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID

dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1.

2. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID

dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 2.

3

3. Bagaimana cara membuat stand alone control pada sistem kendali

temperatur menggunakan Arduino Uno.

Agar praktikum ini dapat dilakasanakan dengan baik maka

penelitian ini dibatasi pada:

1. Desain sistem kendali temperatur berbasis PID menggunakan

metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2.

2. Realisasi stand alone control pada sistem kendali temperatur

berbasis PID menggunakan Arduino Uno.

Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID

menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2

dan melakukan manual tunning untuk mendapatkan nilai komponen

kendali PID yang tepat dengan plant yang digunakan serta membangun

sebuah stand alone control pada sistem kendali temperatur menggunakan

Arduino Uno.

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Perkembangan Sistem Kendali

Sistem kendali memiliki peranan penting dalam perkembangan teknologi

dalam berbagai bidang. Contoh penggunaan sistem kendali di industri adalah

memberikan kemudahan dalam meningkatkan kualitas, menurunkan biaya

produksi, meningkatkan laju produksi. Aplikasi sistem kendali saat ini tidaklah

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

Di mana pada zaman dahulu, mayoritas penggunaan sistem kendali adalah

dengan menggunakan sistem kendali on-off. Namun seiring berkembangnya

teknologi di berbagai bidang, sistem kendali dengan metode lain mulai

bermunculan. Diantaranya adalah sistem kendali PID dan Fuzzy.

Perangkat kendali otomatis yang berhasil dibuat pertama kali adalah

pengatur sentrifugal untuk pengendali kecepatan mesin uap pada abad ke-

18 oleh James Watt yang diperlihatkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt

2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem Kendali Loop Terbuka adalah suatu sistem kendali yang

keluarannya tidak akan berpengaruh terhadap aksi kendali. Sehingga

keluaran sistem tidak dapat diukur dan tidak dapat digunakan sebagai

perbandingan umpan balik dengan masukan. Jadi pada setiap masukan

akan didapatkan suatu kondisi operasi yang tetap. Sedangkan ketelitiannya

5

akan tergantung pada kalibrasi. Dalam prakteknya, sistem kendali loop

terbuka dapat digunakan jika hubungan output dan inputnya diketahui

serta tidak adanya gangguan internal dan eksternal. Sistem kendali loop

terbuka dapat digambarkan melalui diagram blok pada Gambar 2.2.

Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem kendali loop terbuka memiliki kelemahan dan keunggulan.

Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut:

1. Tidak tahan gangguan.

2. Untuk menjaga kualitas yang diingankan pada keluaran perlu

kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.

Sedangkan kelebihan dari sistem kendali loop terbuka adalah

sebagai berikut:

1. Kestabilan bukan merupakan persoalan utama.

2. Cocok untuk keluaran yang susah diukur.

3. Mudah dirawat.

Sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop terbuka

adalah sistem kendali yang tidak mengutamakan kestabilan dan tidak

tangguh terhadap gangguan. Namun sistem kendali ini mudah untuk

digunakan.

2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup

Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang

keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi kendali. Sistem ini

6

berupaya untuk mempertahankan keluaran sehingga hampir sama bahkan

sama dengan masukan acuan walaupun terdapat gangguan pada sistem.

Sistem ini adalah sistem kendali berumpan balik, dimana kesalahan (error)

penggerak adalah selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik

(berupa sinyal keluaran dan turunannya) yang diteruskan ke pengendali

(controller) sehingga melakukan aksi terhadap proses untuk memperkecil

kesalahan dan membuat agar keluaran mendekati harga yang diingankan.

Sistem kendali loop tertutup dapat digambarkan dengan diagram blok

seperti pada Gambar di bawah ini.

Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup

Sistem kendali loop tertutup juga memiliki kelemahan dan

kelebihan. Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut:

1. Sulit dalam hal desain dan perancangan, karena perlu

memperhatikan kepresisian dan keakuratan sistem.

2. Perawatan relatif sulit dilakukan.

Sedangkan kelebihan dari sistem ini adalah sebagai berikut:

1. Sistem lebih presisi dan akurat.

2. Sistem lebih dinamis, sehingga kecepatan respon dapat diatur sesuai

keinginan.

3. Tahan terhadap gangguan yang dihadapi.

4. Cocok digunakan untuk sistem yang komplek dan keluaran yang

terukur.

7

Dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop tertutup adalah sistem

kendali yang menjamin kepresisian, keakuratan, dan ketangguhan sistem

terhadap gangguan. Namun dalam perancangan dan pendesainannya lebih

sulit.

2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali

Pada perancangan sistem kendali haruslah diperhatikan bagian

ataupun elemen dari sistem itu sendiri. Karena sistem kendali akan

memanipulasi suatu masukan yang akan mengendalikan suatu keluaran.

Berikut akan dijelaskan mengenai bagian ataupun elemen dari sistem

kendali.

2.2. Sistem Kendali PID

Sistem kendali yang digunakan di berbagai bidang dituntut untuk

memiliki kepresisian dan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. Dan

sistem tersebut dituntut pula memiliki kedinamisan yang baik, sehingga

respon sistem dapat diatur sesuai dengan keinginan. Sehingga dibuatlah

sebuah pengendali (controller) sehingga proses kendali dapat menjadi

lebih efektif dan efisien. Ada berbagai metode yang digunakan dalam

sistem kendali. Salah satunya adalah sistem kendali dengan Proportional-

Integral-Derivative (PID) Controller. PID merupakan kontroler untuk

menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik

adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID adalah

pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri.

Pengontrol PID akan memberikan aksi kepada aktuator berdasarkan besar

error yang diperoleh. Aktuator akan mengatur keluaran pada plant sesuai

yang diinginkan disebut dengan Set Point. Error adalah perbedaan dari Set

Point dengan keluaran aktual pada plant. Diagram blok sistem kendali

dengan pengendali PID dapat dilihat pada gambar dibawah ini

8

Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID

Dari Gambar 2.4 dapat diketahui bahwa pengendali PID akan

mengendalikan error yang dihasilkan dari set point dengan sinyal

feedback. Sinyal umpan balik didapat dari keluaran plant yang berasal dari

sensor pada plant tersebut. Keluaran dari pengendali PID akan

mengaktifkan aktuator pada plant. Proses terus berulang hingga antara

sinyal set point dengan sinyal galat selisihnya sama dengan nol. Pada

pengendali PID diketahui terdapat tiga komponen, yaitu Proportional

(Kp), Integratif (Ki), dan Derivatif (Kd). Komponen tersebut memiliki

fungsi tersendiri pada pengendali PID. Secara matematis, persamaan

umum pengendali PID adalah:

() = () +

() +

[()]

(1)

Keterangan:

() = Set point

() = error

Karena =1

()

= (2)

Maka () = () +

() + () (3)

Sehingga:

()

()= +

+ = (1 +

1

+ ) (4)

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

memiliki fungsi tersendiri, maka perubahan nilai komponen-komponen

9

tersebut sangat berpengaruh terhadap respon sistem kendali. Fungsi

komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.1.

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

Parameter Rise Time Overshoot Setting Time S-S Error

Proportional Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang

Integratif Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Derivatif Minor Change Berkurang Bertambah Minor Change

Dengan memperhatikan fungsi komponen tersebut, pengendali PID

menghasilkan respon sistem awal seperti ditunjukan pada Gambar 2.5.

Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID

Dalam sistem kendali PID ada beberapa parameter yang juga harus

diperhatikan selain komponen-komponen penyusunnya. Seperti

ditunjukkan pada tabel 2.1 dan Gambar 2.5 parameter tersebut adalah rise

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

(Waktu Naik) adalah waktu yang diperlukan oleh sistem untuk dapat naik

dari titik nol menuju titik mantap (steady state). Berdasarkan rise time,

respon sistem kendali dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Over Damp, Under

10

Damp, dan Critical Damp. Perbedaan ketiga respon tersebut dapat dilihat

pada Gambar 2.6.

Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time

Gambar 2.6 memperlihatkan tiga respon sistem kendali yang

berbeda. Gelombang A dan C memperlihatkan kondisi over damp.

Sedangkan gelombang B memperlihatkan kondisi under damp. Dan

gelombang D memperlihatkan kondisi critical damp.

Parameter selanjutnya adalah overshoot. Overshoot adalah

perbandingan selisih harga maksimum dengan harga akhir sistem. Secara

matematis, overshoot dapat dicari dengan rumus berikut:

% =

100% (5)

Paramater yang lain adalah settling time. Settling time adalah waktu

yang dibutuhkan agar respon sistem mencapai dan tetap berada di dalam

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

matematis settling time dapat diperoleh dengan cara:

(5%) =3

(6)

(2%) =4

(7)

Parameter terakhir adalah steady state error. Steady state error

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

Keempat parameter tersebut dapat dikurangi dan ditambahkan dengan

11

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

dengan keinginan desainer

2.3. Desain Kendali PID

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

Kd yang akan digunakan dalam realisasi sistem kendali menggunakan

pengendali PID. Ada beberapa cara yang digunakan untuk mendesain

kendali PID ini. Cara tersebut adalah dengan menggunakan metode

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

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

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

kedua metode tersebut, maka biasanya desainer akan melakukan manual

tunning dengan cara mengubah nilai Kp, Ki, dan Kd tersebut agar

mendapatkan respon sistem yang lebih baik dari hasil desain awal. Ketiga

metode tersebut akan dijelaskan lebih lanjut pada pembahasan di bawah

ini.

2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1

Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1

pada awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan pada

Gambar 2.2. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti

ditunjukan pada Gambar 2.7.

12

Gambar 2.7. Respon Sistem Loop Terbuka

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

mencari nilai L dan T seperti pada Gambar 2.7. 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 Tabel

2.2.

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

Tipe Pengendali Kp Ti Td Ki Kd

P

0

PI 0,9

0,3

0

PID 1,2

2 0,5

13

2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2

Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 2

pada awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback seperti

ditunjukan pada Gambar 2.3. Pencarian diawali dengan mengatur nilai K

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

menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar 2.8.

Gambar 2. 8 Respon Sistem Osilasi

Berdasarkan Gambar 2.8, 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 2.3.

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

Tipe

Pengendali

Kp Ti Td Ki Kd

P 0,5 0

PI 0,45 1

1,2

0

14

PID 0,6 0,5 0,125

2.3.3. Manual Tunning

Manual tunning adalah metode yang dilakukan dengan cara

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

pendesainan awal. Manual tunning digunakan untuk memperbaiki respon

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

dilakukan dengan tetap memperhatikan parameter yang telah ditunjukan

pada Tabel 2.1. Manual tunning biasanya dilakukan untuk menghilangkan

overshoot, steady state error, dan settling time serta memperkecil nilai rise

time.

2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB

MATLAB adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan

bahasa pemrograman komputer generasi keempat. Dikembangkan oleh

The MathWorks, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pem-

plot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka

pengguna, dan peng-antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya.

Meskipun hanya bernuansa numerik, sebuah kotak kakas (toolbox) yang

menggunakan mesin simbolik MuPAD, memungkinkan akses terhadap

kemampuan aljabar komputer. Sebuah paket tambahan, Simulink,

menambahkan simulasi grafis multiranah dan Desain Berdasar-Model

untuk sistem terlekat dan dinamik.

Simulink MATLAB digunakan untuk membaca gelombang pada set

poin dan keluaran sistem sebagai respon sistem kendali. Respon sistem ini

kemudian akan diolah dalam pendesainan pengendali PID. Logo Simulink

MATLAB dapat dilihat pada Gambar 2.9

15

Gambar 2.9. Logo Simulink MATLAB

2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno

Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroller yang

berbasis pada ATmega28. Modul ini sudah dilengkapi dengan berbagai hal

yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler untuk bekerja, tinggal

colokkan ke power suply atau sambungkan melalui kabel USB ke PCmu

Arduino Uno ini sudah siap sedia. Arduino Uno ini memilki 14 pin digital

input/output, 6 analog input, sebuah resonator keramik 16MHz, koneksi

USB, colokan power input, ICSP header, dan sebuah tombol reset.

Arduino Uno digunakan untuk membangun sebuah sistem kendali yang

berdiri sendiri tanpa tergantung pada Personal Computer (PC) atau biasa

disebut Stand Alone Control. Stand Alone Control dibangun agar sebuah

sistem kendali dapat beroperasi dengan baik tanpa tergantung pada PC.

Karena sebuah sistem kendali berjalan secara rutin sehingga haruslah

dibuat sistem kendali yang dapat berdiri sendiri. Arduino Uno digunakan

untuk membuat sebuah Stand Alone Control yang bersifat digital. Arduino

Uno diprogram dengan script yang mirip dengan bahasa C.

Gambar 2. 2. Arduino Uno

16

BAB 3

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR

3.1 Desain Alat

Perancangan sistem pengendali suhu akan diaplikasikan pada

sebuah modul pengendali suhu yang terdiri dari beberapa modul sebagai

komponen utamanya. Sebuah modul sistem pengendali temperatur analog

(analog stand alone control) secara keseluruhan dapat dilihat pada

Gambar 3.1.

Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur

Agar dapat membaca gelombang masukan dan keluaran sistem

diatas, modul sistem kendali temperatur akan dihubungkan ke perangkat

lunak (software) MATLAB pada PC melalui kit mikrokontroler Arduino

Uno. Untuk selanjutnya, gelombang keluaran yang dibaca oleh MATLAB

akan dijadikan acuan untuk desain sistem kendali temperatur

menggunakan pengendali PID. Gambar 3.2 menunjukan cara

mengkoneksikan modul sistem kendali temperatur ke PC untuk

pendesaianan menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1.

17

Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan

Arduino Uno

Sedangkan Gambar 3.3 menunjukan cara mengkoneksikan modul

sistem kendali temperatur ke PC untuk pendesainan menggunakan metode

Ziegler-Nichols tipe 2.

Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan

Arduino Uno

Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 memperlihatkan penggunaan resistor

sebagai pembagi tegangan. Hal ini dilakukan untuk membatasi tegangan

yang masuk ke Arduino Uno. Tegangan masukan dan keluaran sistem

18

adalah sekitar 0 10 volt. Sedangkan Arduino Uno hanya mampu

menerima tegangan hingga 5 volt. Tetapi hal ini juga dimanipulasi kembali

secara software. Untuk memanipulasi pembacaan agar kembali seperti

pembacaan tegangan di modul, maka digunakan Simulink MATLAB.

Simulink MATLAB digunakan untuk pembacaan tegangan pada set poin

dan umpan balik. Seperti ditunjukan pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5.


Metode Ziegler-Nichols Tipe 1

Gambar 3.4 menunjukkan desain Simulink MATLAB untuk sistem

open loop. Pada desain Simulink diatas, ditambahkan nilai suhu ruangan

untuk diselisihkan dengan pembacaan keluaran sistem kendali. Hal ini

dikarenakan suhu ruangan minimal di Indonesia adalah sekitar 250C 270C.

Sehingga nilai suhu ruangan diisi nilai suhu ruangan pada saat praktikum.

Sedangkan pada Gambar 3.5 tidak ditambahkan suhu ruangan pada saat

praktikum. Hal ini dikarenakan desain Simulink pada Gambar 3.5 sudah

dilengkapi dengan umpan balik yang juga membaca suhu ruangan pada saat

praktikum.

19


Metode Ziegler-Nichols Tipe 2

Berdasarkan dua desain Simulink MATLAB diatas, dapat dilihat

bahwa terjadi penguatan dua kali. Penguatan pertama yaitu 0,0048875 dan

penguatan kedua adalah 2. Hal ini bertujuan untuk mengembalikan nilai

tegangan asal yang telah dibagi pada masukan Arduino Uno. Penguatan

0,0048875 adalah sama dengan 5

1023. Pembacaan Arduino untuk sinyal

analog adalah 0-1023 atau setara dengan 0-5 volt. Selanjutnya akan

dikuatkan kembali 2 kali untuk mengembalikan nilai tegangan sama

seperti sebelum dibagi dua pada masukan Arduino Uno.

Agar pembacaan gelombang pada Simulink MATLAB sama

dengan pembacaan pada osiloskop, maka lowpass filter pada desain

Simulink harus diset seperti pada Gambar 3.6.

20

Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter

Terlepas dari sambungan modul sistem kendali temperatur ke PC,

maka modul pembangun sistem kendali harus dikenal terlebih dahulu.

Susunan modul yang membangun sistem kendali temperatur pada Gambar

3.1 secara berurutan dari kanan ke kiri dapat dijabarkan sebagai berikut:

3.1.1. Modul Catu Daya

Modul catu daya adalah modul power supply yang menghasilkan

tegangan untuk menghidupkan seluruh modul yang akan digunakan.

Modul catu daya dilengkapi dengan penghasil tegangan + 15V, - 15V, 5V

dan Ground serta fungsi lainnya.

3.1.2. Modul Set Poin

Modul set poin merupakan modul yang berfungsi untuk

menghasilkan set poin pada sistem kendali yang digunakan. Modul ini

dilengkapi dengan penghasil set poin dengan range 0 ~ 10 V dan range -

10 V ~ 10 V.

21

3.1.3. Modul Pengendali PID

Modul pengendali PID adalah modul yang digunakan untuk

mengendalikan masukan plan berdasarkan parameter Peripheral (P),

Integral (I) dan Diferential (D).

3.1.4. Modul Penguat Daya

Modul penguat daya adalah modul yang dapat menguatkan daya dari

keluaran pengendali PID untuk dijadikan input dari sebuah plan.

Penguatan yang terjadi adalah penguatan arus. Sehingga modul ini tidak

merubah tegangan yang masuk, namun hanya menguatkan arusnya saja.

3.1.5. Plant Sistem Kendali Temperatur

Plant sistem kendali temperatur akan mengkonversikan masukkan

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

1

100. 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. Plan

sistem kendali temperatur dapat dilihat pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Plan Sistem Kendali Temperatur

22

3.2. Mekanisme Alat

Di bagian ini akan dijabarkan mengenai cara kerja keseluruhan

modul sistem kendali temperatur dan sudah diuji coba.

3.2.1. Diagram Blok Pengoperasian Modul

Cara kerja sebuah perangkat keras (hardware) sebuah sistem kendali

dapat digambarkan melalui sebuah diagram blok. Hal ini dilakukan untuk

memudahkan pembacaan cara kerja sistem tersebut. Diagram blok sistem

kendali temperatur menggunakan pengendali PID dapat dilihat pada

Gambar 3.8.

Set Poin Pengendali PID Penguat Daya PlantSUM

Output

Feedback

+

-

e(t)

Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan

Pengendali PID

Berdasarkan diagram blok diatas, dapat dilihat bahwa cara kerja

sistem kendali temperatur ini diawali oleh tegangan set poin sebagai input

sistem. Tegangan set poin akan dijumlahkan dengan tegangan umpan balik

yang berasal dari sensor transduser. Selisih tersebut adalah error. Error

akan dikendalikan oleh pengendali PID. Pengendali PID mengontrol galat

yang terjadi sampai galat sama dengan 0. Hasil keluaran dari PID akan

dikuatkan oleh penguat daya. Daya dikuatkan agar memenuhi daya yang

dibutuhkan oleh plant, sehingga plant dapat berjalan. Keluaran dari plant

yang dihasilkan oleh sensor transduser akan menjadi feedback. Begitu

seterusnya selama sistem terus bekerja.

23

3.3. Desain Pengendali PID

Pendesainan pengendali PID berupa pencarian nilai-nilai Kp, Ki,

dan Kd dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metoda

Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Setelah mendapatkan

nilai Kp, Ki, dan Kd, langkah selanjutnya adalah dengan melakukan

manual tunning pada hasil desain tersebut. Manual tunning dilakukan

dengan cara mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd hasil desain dengan

tujuan memperbaiki respon sistem. Respon sistem diperbaiki agar

mencapai hasil yang optimum berupa peningkatan respon sistem sesuai

dengan keinginan. Perbaikan respon ini biasanya dilakukan untuk

menghilangkan overshoot, settling time, dan eror steady state serta

memperkecil nilai rise time. Pendesainan pengendali PID akan dijelaskan

pada pembahasan dibawah ini.

3.3.1. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1

Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 1 menggunakan

respon sistem open loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada

Gambar 3.2 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.4, proses

desain PID dengan metode ini mulai dilakukan.

Set poin ditentukan pada tegangan 5,5 volt. Dengan mengklik scope

dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang

yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open

loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.8.

Respon sistem tersebut kemudian diolah dengan melakukan

pemplotan untuk mencari nilai T dan L seperti ditunjukan oleh Gambar

3.8.

24

Gambar 3.8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L

Maka nilai L dan T adalah sebagai berikut

L = 1092 - 967.6 = 124,4

T = 3476 - 1092 = 2384

Hasil yang didapat dari waktu matlab maka waktu aslinya yaitu :

Lasli =88

1000 Lmatlab Tasli =

88

1000 Tmatlab

Lasli =88

1000 124,4 Tasli =

88

1000 2384

Lasli = 10,94 Tasli = 209,792

Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID

sebagai berikut :

Kp Ti Td Ki Kd

23,01191956 21,88 5,47 1,05173307 125,8752

3.3.2. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2

Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 2 menggunakan

respon sistem closed loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada

Gambar 3.3 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.5, proses

desain PID dengan metode ini mulai dilakukan.

Set poin ditentukan pada tegangan 3,5 volt. Penguatan (K) diatur

sedemikian rupa agar respon sistem berosilasi. Dengan mengklik scope

dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang

Tabel 3.1

25

yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open

loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr

Maka nilai Kcr adalah: 280

dan Pcr adalah:5655-5079=576

Maka Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID

sebagai berikut :

Kp Ti Td Ki Kd

18,54 22,88 5,72 0,810314685 106,0488

Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd dari kedua metode diatas didapat, maka

nilai-nilai tersebut dapat diaplikasikan ke dalam pengendali PID untuk

membandingkan mana metode yang terbaik untuk digunakan pada sistem

kendali temperatur menggunakan pengendali PID.

Tabel 3.2

26

3.3.3. Desain PID Dengan Script MATLAB

Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan

Script MATLAB

Gambar 3. 10. Flowchart Script MATLAB

27

3.3.4. Desain PID Dengan Script Arduino

Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan

Script Arduino

Gambar 3. 11. Flowchart Script Arduino

28

BAB 4

DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS

4.1. Hasil Pengujian

Pengujian kepada sistem kendali temperatur pada awalnya adalah

dengan melakukan uji batasan plant kendali temperatur yang digunakan.

Pengujian awal ini dilakukan untuk mengetahui kemampun plant kendali

temperatur untuk mengukur suhu minimal dan maksimal. Setelah

mengetahui kemampuan plant kendali temperatur yang digunakan, maka

pengujian selanjutnya adalah dengan memasukan nilai Kp, Ki, dan Kd ke

sistem kendali temperatur menggunakan pengendali PID.

Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd didapat dari pendesainan pengendali

PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe

2, maka nilai-nilai tersebut akan diujikan kepada sistem kendali temperatur

dengan pengendali PID. Setelah pengujian hasil desain tersebut, maka

akan dilakukan manual tunning sebagai perbaikan dari pengujian hasil

desain awal. Dan setelah mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd sesuai respon

yang diinginkan, maka hasil akhir tersebut akan diaplikasikan dalam stand

alone control menggunakan Arduino Uno.

Pengujian sebelum diaplikasikan pada stand alone control

dilakukan secara analog melalui perangkat keras pengendali PID yang ada

di Laboratorium Kendali. Namun pembacaan dilakukan secara digital

dengan menghubungkan modul sistem kendali temperatur dengan

pengendali PID ke PC melalui Arduino Uno. Pembacaan di PC

menggunakan piranti lunka Simulink MATLAB. Tahap pengujian yang

dilakukan adalah seperti di bawah ini.

4.1.1. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1

Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe

1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan

29

respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID Ziegler-

Nichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 4. 1. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols

Tipe 1

Berdasarkan Gambar 4.1, respon sistem hasil manual tunning

menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai

Kp, Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 23,0119156 , Ti = 21,88

, dan Td = 12.

30

4.1.2. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2

Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe

1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan

respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID Ziegler-

Nichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2

Berdasarkan Gambar 4.3, respon sistem hasil manual tunning

menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai Kp,

Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 58 , Ti = 22,88 , dan Td =

5,72.

4.2. Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali

PID

Setelah menentukan nilai Kp, Ki, dan Kd yang akan diaplikasikan

ke dalam stand alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali

PID, maka ada dua hal yang dilakukan. Hal pertama yang dilakukan adalah

dengan membuat sistem kendali terhubung ke MATLAB pada PC melalui

Arduino Uno dan yang kedua adalah membuat modul tidak terhubung ke

PC dan hanya tersambung ke Arduino Uno sebagai pengendali PID digital.

31

Sebelum beralih ke sistem kendali temperatur dengan pengendali

PID digital, ada beberapa hal yang harus diperhatikan selain error, set

point, feedback, Kp, Ki, dan Kd, yaitu time sampling, error integral, error

integral sekarang, error integral sebelumnya, error sebelum, dan error

sekarang. Hal-hal tersebut sangat berpengaruh terhadap pemrograman

perangkat lunak sebagai pengendali digital.

4.2.1. Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB

Untuk dapat membangun sebuah sistem kendali dengan MATLAB,

maka MATLAB harus diprogram terlebih dahulu. Untuk pengujian sistem

kendali temperatur ini, script yang digunakan adalah sebagai berikut:

%Praktikum Sistem Kendali Digital %T. Elektronika POLBAN %Menggunakan desain Ziegler Nichols %Dengan Tool Box Matlab yang memiliki performance magus

pada simulink %========START======== %Pin 6 Sebagai keluaran PWM (DC) %A (5) sebagai pembaca umpan balik

clf %menghapus figur jika masih ada yang tertampil

%Time Sampling Ts = 5/100; %besarnya sampling

pinMode(a,3,'output') % set pin 6 arduino sebagai output

kendali pinMode(a,9,'output') digitalWrite(a,9,1);

%seting parameter PID Kp = 60; Ki = 1; Kd = 175; %============kondisi error awal error_sebelum = 0; errorI_sebelumnya = 0; %============set untunk plot y1=0; %plot nilai Setpoint y2=0; %plot nilai Respons t=0; %waktu looping x=0; start = digitalRead(a,8); while(start==1) %600 merupakan nilai pengulangan

tergantung jenis plant untuk suhu bisa melebihi

32

%=======================================================

=== %Penentuan PV x = x+1; SP = analogRead(a,0); SP = (SP * 0.0049) * 2; PV = analogRead(a,5); PV = (PV * 0.0049) * 2; %untuk nominal 0-1023

setara 0-5V

%hitung Error error = SP - PV; %Menghitung Error Integral errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts;

%Luas Error sekarang errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya);

%Error Integral Total %menghitung Error Diferential errorD = (error - error_sebelum)/Ts; %Kendali PID outP = Kp*error; outI = Ki*errorI; outD = Kd*errorD; outPID = outP + outI + outD;

outPID = outPID/10

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

outPID = outPID/2 outPID = round(outPID*51); %fungsi 'round' agar

outPID bilangan bulat, krn out pwm 0-255

%===================== %Menulis Hasil PID ke Arduino analogWrite(a,3,outPID); % pause(0) %fungsi dari pause(x) untuk mendelay x

detik

%===========plot respons dan setpoint==========-

33

y1 =[y1,SP]; %nilai SP baru akan ditambahkan

pada variabel/matrik y1 y2 =[y2,PV]; %nilai SP baru akan ditambahkan

pada variabel/matrik y1 t =[t,x]; %nilai akan ditambah sesuai

perulangan x plot (t,y1,t,y2); %Menentukan Axis Gambar x= dari 0-

600, y=0-3 axis ([0 x+100 0 10]); grid drawnow; error_sebelum = error; errorI_sebelumnya = errorI; start = digitalRead(a,8); end analogWrite(a,3,0);

Sistem kendali yang dihubungkan ke MATLAB saat ini, tidak lagi

menggunakan modul set poin dan modul pengendali PID. Karena set poin

dan PID sudah bisa ditentukan dan dihasilkan oleh script MATLAB. maka

respon sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital tersebut

adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.4.

Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital

(MATLAB)

34

4.2.2. Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno

Sama halnya seperti pemrograman sistem kendali digital dengan

MATLAB. Penggunaan Arduino Uno sebagai inti pengendali harus

diprogram terlebih dahulu dengan script yang telah ditentukan. Penulisan

script untuk membangun sebuah stand alone control menggunakan

Arduino Uno adalah sebagai berikut:

#include

int output = 6; //untuk menset pin 3 sebagai output

float Ts = 0.05; //wanktu sampling

//Nilai Kp, Ki dan Kd

float Kp = 60;

float Ki = 1;

float Kd = 175;

// Definisi variabel 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);

lcd.begin(16, 2);

}

void loop() {

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

35

setpoint = analogRead(A0); // membaca setpoint dari potensio

setpoint1 = (setpoint*0.0049)*2*10;

feedback = analogRead(A1);

feedback1 = (feedback*0.0049)*2*10;

//hitung error

error = setpoint1 - feedback1;

//menghitung error Integral

errorIsekarang = error + errorsebelum;

errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2 + errorIsebelum;

//menghitung error Diferensial

errorD1 = error - errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

//kendali PID

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPIDsebelum = outP + outI + outD;

//membatasi nilai agar PID tidak >255 atau =10)

{

outPIDsebelum = 10;

}

else if(outPIDsebelum

36

else

{

outPIDsebelum = outPIDsebelum;

}

outPID = outPIDsebelum/2;

outPID = outPID*51;

//Menuliskan Hasil Perhitungan PID ke Pin 3

analogWrite(6,outPID);

//Deklarasi Error

errorsebelum = error;

errorIsebelum = errorI;

//Code penampilan di serial monitor

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print ("SP=");

lcd.setCursor(4,0);

lcd.print (setpoint1);

lcd.setCursor(10,0);

lcd.print ("C");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print ("PV=");

lcd.setCursor(4,1);

lcd.print (feedback1);


lcd.print ("C");


lcd.print (error);


lcd.print (outPID);

}

37

Rangkaian yang dibuat untuk membangun sebuah stand alone

control menggunakan Arduino Uno hampir sama dengan menggunakan

MATLAB. Hanya saja perbedaannya saat ini Arduino Uno tidak perlu

disambungkan ke PC. Set poin dan pengendali PID sudah bisa ditentukan

melalui script Arduino. Namun respon sistem tidak dapat dilihat dalam

bentuk gelombang, Tetapi respon sistemnya memperlihatkan tegangan set

poin dan tegangan feedback Pada layar LCD 16x2. Hasil respon pada stand

alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital

menggunakan Arduino Uno dapat dilihat pada Gambar 4.6.

Gambar 4. 1. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan

Pengendali PID

38

BAB 5

SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai

berikut:

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

sistem kendali temperatur yang digunakan untuk keperluan

pengendalian temperatur yang membutuhkan respon yang tidak

terlalu cepat dengan overshoot yang rendah. Karena hasil desain dan

manual tunning dengan metode Ziegler-Nichols tipe 1 menunjukan

rise time yang lebih lambat dan overshoot yang lebih rendah

dibandingkan dengan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 2.

Contoh penggunaannya adalah pada sistem kendali temperatur

dalam mesin pengering gabah.

2. Desain kendali PID Zigeler-Nichols tipe 2 cocok digunakan pada

sistem kendali temperatur yang membutuhkan respon yang cepat

walaupun memiliki overshoot yang lebih tinggi dibandingkan hasil

desain PID Ziegler-Nichols tipe 1. Hal ini dibuktikan pada hasil

desain PID Ziegler-Nichols tipe 2, rise time respon sistem jauh lebih

cepat dibandingkan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1.

Meskipun memiliki overshoot yang lebih tinggi, respon sistem lebih

cepat mencapai kondisi steady state. Contoh penggunaannya adalah

pada sistem kendali temperatur mesin pelelehan besi.

5.2. Saran

1. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 1 digunakan pada

sistem kendali temperatur yang membutuhkan overshoot yang

rendah meskipun dengan rise time yang cukup lambat.

39

2. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 2 digunakan pada

sistem kendali temperatur yang membutuhkan rise time yang cukup

cepat meskipun menghasilkan overshoot yang cukup tinggi.

40

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Ali, M. (2004). PEMBELAJARAN PERANCANGAN SISTEM KONTROL

PID. Jurnal Edukasi@Elektro Vol. 1, 1-8.

[2]. Fahmizal. (t.thn.). fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-rise-

time/feed/. Dikunjungi pada 5 Juli 2015, dari

fahmizaleeits.wordpress.com:

https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-rise-time/feed/

[3]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2013). Tuning PID ZN tipe-I [Gambar Hidup].

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

[5]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). PID MATLAB Script [Gambar Hidup].

[6]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2015). PID Arduino [Gambar Hidup].

[7]. Huailin Shu; Youguo Pi. (2005). Decoupled Temperature Control System

Based on PID Neural Network. ACSE 05 Conference, 1-5.

[8]. M., H. S. (2004). SISTEM KENDALI HYBRID PID - LOGIKA FUZZY.

MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 8, 1-10.

[9]. Purdue University, Calumet. (t.thn.). Application of Computers in Process

Control. Calumet: Purdue University.

[10]. Wijaya, Eka Candra; Iwan Setiawan; Wahyudi, (2004). Auto Tuning PID

Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols. UNDIP Journal, 1-12.

[11]. Azwardi ; Cekdin, Cekmas. (2015). Panduan Praktis Sistem Kendali

Digital. PENERBIT ANDI YOGYAKARTA.

Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali Digital

Documents

Transcript of Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali Digital