Laporan Akhir SKD -

54
1 Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu dan Sistem Kendali Digital pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-Nichols dan Coohen-Coon menggunakan Matlab dan Arduino Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan tugas mata kuliah Sistem Kendali Digital PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKA Di Jurusan Teknik Elektro Oleh Sari Puspita Hasna 131311064 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2015

Transcript of Laporan Akhir SKD -

Page 1: Laporan Akhir SKD -

1

Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu dan

Sistem Kendali Digital pada Plant Debit Air dengan

Metode Ziegler-Nichols dan Coohen-Coon

menggunakan Matlab dan Arduino

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat

menyelesaikan tugas mata kuliah

Sistem Kendali Digital

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Sari Puspita Hasna

131311064

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

Page 2: Laporan Akhir SKD -

2

MOTTO

It’s dangerous for them to grow up without experiencing true competition.

Because they’ll keep whining, even without taking the matter seriously. For those

with a high level of aptitude.. The sooner they know the frustration of defeat, the

greater their growth will be. ~ Koro-sensei

Page 3: Laporan Akhir SKD -

i

ABSTRAK

Lebih dari separuh pengontrol yang digunakan di industri adalah

pengontrolan PID digital. Pada masa lampau, pengontrol yang digunakan

kebanyakan berupa analog. Tuning pengontrolan adalah proses menentukan

parameter pengontrol untuk menghasilkan output sesuai yang diinginkan.

Tuning pengontrol dapat mengoptimalisasikan sistem proses dan

meminimalisasi error antara variabel proses dan set point. Metode – metode

yang digunakan sebagai desain pengendali kontrol sangat beragam,

diantaranya Ziegler Nichols Tipe1-2 dan Cohen Coon. Hasil dari desain

Metoda ini yang nantinya akan diuji pada Plant Debit Air dengan

menggunakan mikrokontroller arduino uno

Kata Kunci : Kontrol PID, Ziegles Nichols, Cohen Coon, Matlab, Skrip

Arduino, Debit Air.

Page 4: Laporan Akhir SKD -

ii

ABSTRAC

More than half of the controller being used in the industry is digital PID

control. In the past, the controller is used mostly analog. Tuning is the process of

determining the parameters controlling the controller to generate the desired

output. Tuning system controller can optimize processes and minimize error

between process variable and set point. Method - the method used as a control

controller design is very diverse, including Ziegler Nichols and Cohen Coon

Tipe1-2. Results of this method of design that will be tested on Plant Water

Discharge by using microcontroller arduino uno

Keyword : PID Controller, Ziegler Nichols, Cohen Coon, Matlab, Arduino Script,

water discharge

Page 5: Laporan Akhir SKD -

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah

memberikan rahmat serta karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan

laporan akhir Sistem Kendali Digital.

Laporan ini disusun sebagai bentuk laporan secara tertulis bahwa proyek

yang penulis rancang telah selesai penulis buat.

Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih sedalam-

dalamnya kepada Yth:

Allah Yang Maha Esa.

Bpk . Feriyonika sebagai dosen Sistem kendali Digital dan Walikelas 2B.

Orang tua penulis yang senantiasa mendukung, membantu, dan berdoa

untuk penulis.

Rivaldi Siregar dan Kristianingsih sebagai partner praktikum hingga akhir.

Tri Isnawati yang telah meminjamkan laptop.

Diaz Zulkipli yang selalu menjadi referensi.

Yuni Suherman yang telah mengizinkan meminjamkan kossan untuk

mengerjakan laporan.

Polban yang telah menyediakan internet.

Rekan putri EC-2B yang selalu membantu dalam pembuatan laporan

mingguan.

Seluruh rekan EC-2B.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena

itu kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun selalu penulis

harapkan demi kesempurnaan laporan ini. Semoga Allah SWT memberkahi

pembuatan proyek ini sehingga dapat memberikan manfaat bagi orang lain.

Bandung, 8 July 2015

Penulis

Page 6: Laporan Akhir SKD -

iv

DAFTAR ISI

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

ABSTRAC .......................................................................................................................... ii

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

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

DAFTAR TABEL.............................................................................................................. v

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................ vi

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

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

1.2 Perumusan Masalah .......................................................................................... 1

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

1.4 Ruang lingkup dan Batasan Masalah ................................................................ 2

1.5 Sistematika Penulisan........................................................................................ 2

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

2.1 Pengertian Sistem Kendali ................................................................................ 3

2.2 Metode Zieger Nichols ...................................................................................... 3

2.3 Metode Cohen Coon ......................................................................................... 7

2.4 Arduino ............................................................................................................. 8

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ............................................... 10

3.1 Alat Praktikum ................................................................................................. 10

3.2 Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Metoda Ziegler Nichols 1-2

dan Cohen Coon. .............................................................................................. 11

3.2.1 Metoda Zieger Nichols Tipe 1-2 ............................................................... 11

3.2.3 Metoda Cohen Coon .................................................................................. 14

3.3 Sistem Kendali Digital menggunakan Script. ................................................... 17

3.4 Sistem Kendali Digital Stand Alone ................................................................. 21

Page 7: Laporan Akhir SKD -

v

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN........................................................................... 24

4.1 Data dan Analisis Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Ziegler

Nichols 1-2 dan Cohen Coon. .......................................................................... 24

4.1.1 Data dan Analisis Ziegler Nichols 1 ........................................................ 24

4.1.2 Data dan Analisis Ziegler Nichols 2 ........................................................ 26

4.1.3 Data dan Analisis Cohen Coon ............................................................... 30

4.2 Data dan Analisis Sistem Kendali Digital ........................................................ 32

4.3 Data dan Analisis Sistem Kendali Digital Stand Alone ................................... 38

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................ 44

5.1 Kesimpulan ....................................................................................................... 44

5.2 Saran .................................................................................................................. 44

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................ 45

Page 8: Laporan Akhir SKD -

vi

DAFTAR TABEL

BAB II LANDASAN TEORI ........................................................................................... 4

II.1 Tabel Penentu Parameter Parameter PID ......................................................... 5

II.2 Tabel Penentu Parameter PID .......................................................................... 7

II.3 Tabel Parameter PI dengan Metode Cohen Coon ............................................ 8

BAB III METODA DAN PENYELESAIAN .................................................................. 11

III.1 Tabel ZN-2 Tuning Rules ................................................................................ 14

III.2 Tabel Parameter Metoda Cohen Coon ............................................................ 16

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

IV.1 Tabel Perhitungan Kp, Ti, dan Td .................................................................. 24

IV.2 Tabel Nilai Ti dan Td pada annual tuning ...................................................... 25

IV.3 Tabel Nilai Kp, Ti dan Td pada ZN-2............................................................. 27

IV.4 Tabel Nilai Kp Ti dan Td saat berisolasi ZN-2............................................... 28

IV.5 Tabel Nilai Kp, Ti, dan Td metode CC .......................................................... 31

IV.6 Tabel Parameter PID stand alone .................................................................... 38

Page 9: Laporan Akhir SKD -

vii

DAFTAR GAMBAR

BAB II LANDASAN TEORI ........................................................................................... 4

II.1 OverShoot 25% ................................................................................................ 4

II.2 Dua Kurva S ..................................................................................................... 4

II.3 Penentu parameter L dan T............................................................................... 5

II.4Sistem Teredam ................................................................................................. 6

II.5 Sistem Tidak teredam ....................................................................................... 6

II.6 Osilasi konsisten ............................................................................................... 7

II.7Grafik overshoot ................................................................................................ 8

BAB III METODA DAN PENYELESAIAN .................................................................. 10

III.1 Set Modul Debit Air ........................................................................................ 10

III.2Multimeter Digital ............................................................................................ 10

III.3 Arduino Uno.................................................................................................... 11

III.4 Set Plan Debit Air ........................................................................................... 12

III.5 Rangkaian Pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe1 ................................. 12

III.6 Rangkaian Pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe2 ................................. 12

III.7 Rangkaian Pembagi Tegangan ........................................................................ 13

III.8 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID .......................................... 14

III.9 Modul Sistem Kendali Debit Air .................................................................... 15

III.10 Rangkaian Sistem Kendali Debit air (Cohen Coon) ..................................... 15

III.11 Rangkaian Pembagi Tegangan ...................................................................... 15

III.12Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID ......................................... 16

III.13 Rangkaian Debit air analog ........................................................................... 17

III.14 Rangkaian Modul Kendali Debit Air ............................................................ 17

III.15 Koneksi Arduino ........................................................................................... 20

III.16 Rangkaian Low Pass Filter............................................................................ 20

Page 10: Laporan Akhir SKD -

viii

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN........................................................................... 21

IV.1 Grafik desai kendali debit air .......................................................................... 24

IV.2 Grafik desain kendali PID dengan perhitungan .............................................. 25

IV.3 Grafik desain kendali PID yang telah di manual tuning ................................. 25

IV.4 Grafik debit ari awal ZN-2 .............................................................................. 26

IV.5Grafik debit air saat berisolasi ZN-2 ................................................................ 26

IV.6 Desain debit air metoda ZN-2 bagian awal..................................................... 27

IV.7Desain Debit Air Metoda ZN-2 saat berosilasi ................................................ 27

IV.8Desain debit air menggunakan metoda ZN-2 bag. awal .................................. 28

IV.9 Desain debit air menggunakan metode ZN-2 saat osilasi ............................... 29

IV.10 Desain debit air menggunakan ZN-2 (osilasi) dengan manual

tunging ......................................................................................................... 29

IV.11 Grafik Debit air CC ....................................................................................... 30

IV.12 Grafik Desain Debit air dengan Metode Cohen Coon .................................. 30

IV.13 Grafik hasil desain kendali debit air dengan arduino metoda cohen

coon ............................................................................................................. 31

IV.14 Grafik tanpa filter .......................................................................................... 34

IV.15Rangkaian Low Pas Filter .............................................................................. 34

IV.16 Grafik dengan filter ....................................................................................... 35

IV.17 Skrip perubahan Ts ....................................................................................... 36

IV.18 Grafik Skrip modul debit Air dengan perubahan Ts ..................................... 36

IV.19 Skrip Modul debit Air manual tunning ......................................................... 37

IV.20 Grafik skrip modu debit air setelah manual tunning ..................................... 37

IV.21 Output pada serial monitor............................................................................ 40

IV.22Perbandingan SP dan PV1 saat penurunan setpoint ...................................... 43

Page 11: Laporan Akhir SKD -

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Sistem Kendali merupakan alat kendali yang mengatur atau

mengendalikan system.Banyak sekali teknologi saat ini,menggunakan plant -

plant yang dalam pengoperasiannya menggunakan kendali PID.

Pada saat ini lebih dari separuh pengontrol yang digunakan di industri

adalah pengontrolan PID digital. Pada masa lampau, pengontrol yang

digunakan kebanyakan berupa analog. Tuning pengontrolan adalah proses

menentukan parameter pengontrol untuk menghasilkan output sesuai yang

diinginkan. Tuning pengontrol dapat mengoptimalisasikan sistem proses dan

meminimalisasi error antara variabel proses dan set point.

Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID

untuk mengendalikan modul plant suhu. Metode yang dipakai untuk

mendapatkan parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler

Nichols tipe 1 (open loop) dan tipe 2 (closed loop). Setelah parameter-

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

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

dengan teknik manual tuning sehingga didapatkan output yang sejalan dengan

setpoint.

1.2 Perumusan Masalah

Berikut ini merupakan uraian perumusan masalah yang akan dibahas

dalam laporan praktikum,

Memahami metoda Ziegler Nichols Tipe1 dan Tipe2 beserta parameter

yang digunakan dalam tunning.

Memahami metoda Cohen Coon beserta parameter yang digunakan dalam

tunning.

Mengendalikan sistem kendali kontinyu dan sistem kendali digital.

Mengendalikan sistem kendali menggunakan script pada arduino

Page 12: Laporan Akhir SKD -

2

1.3 Tujuan Praktikum

Memahami metoda Ziegler Nichols Tipe1 dan Tipe2 dalam mendesain

system kendali dan tunning dengan mengetahui parameter yang

digunakan. Begitupula pada metoda Cohen Coon, yang nantinya akan

didapatkan nilai Kp, Ti, dan Td. Kemudian nilai tersebut direalisasikan

pada modul PID dalam system kendali kontinyu dan dilanjutkan pada

Sistem Kendali Digital menggunakan Arduino dengan script.

1.4 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah

Penggunaan desain menggunakan metode Ziegler-Nichols Tipe1 dan

Tipe2 serta metode Cohen Coon.

Tuning yang dilakukan adalah tunning Ziegler-Nichols, tunning Cohen

Coon, dan Manual Tunning.

Controller yang digunakan adalah Arduino Uno.

1.5 Sistematika Laporan

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini membahas mengenai Latar Belakang, Tujuan, dan Batasan Masalah,

serta Sistematika Penulisan.

BAB II LANDASAN TEORI

Bab ini membahas tentang teori dasar yang menjelaskan tentang teori dari

metode desain sistem kendali.

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

Bab ini membahas tentang jalannya praktikum dan alat-alat pendukung yang

digunakan pada saat praktikum.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas tentang data yang didapat kemudian menganalisisnya.

BAB V PENUTUP

Bab ini merupakan bab terakhir yang berisi kesimpulan yang diperoleh dari

hasil praktik serta saran-saran untuk mengembangkan menjadi lebih baik.

Page 13: Laporan Akhir SKD -

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pengertian Sistem Kendali

Sistem kendali adalah sistem yang dapat mengendalikan sesuatu yang

bisa di kendalikan. Dalam sistem kendali, ada sesuatu yang diatur untuk

mencapai kondisi yang diharapkan, sesuatu yang dapat diatur dapat disebut

plant. Hasil dari plant ini disebut sebagai output sedangkan aksi yang

memberikan kondisi yang dihasilkan disebut input.

Tuning pengontrolan adalah proses menentukan parameter pengontrol

untuk menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Tuning pengontrol dapat

mengoptimalisasikan sistem proses dan meminimalisasi error antara variabel

proses dan set point. Metoda trial and error adalah salah satu metoda tuning

pengontrol tradisional yang dilakukan berdasarkan pengalaman dan

membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mendapatkan hasil yang

diinginkan. Selain itu ada metoda tuning lain yang dikembangkan dari metoda

trial and error yaitu metoda Ziegler-Nichols dan metoda Cohen-Coen.

2.2 Metoda Ziegler-Nichols

Metoda Ziegler-Nichols ini dapat digunakan pada sistem open loop dan

closed loop, sedangkan metoda Cohen-Coon biasanya hanya digunakan untuk

sistem open loop. Sistem closed loop adalah sistem yang menggunakan

feedback untuk mengontrol, sedangkan sistem open loop adalah sistem yang

output-nya tidak dibandingkan dengan input.

Persamaan di bawah ini adalah logaritma PID Control.

u(t) = Kc(e(t) +

( )

( )

+ b …………………….(1)

u : sinyal control

e : error pengontrol

Kc : gain untuk proportional controller

Ti : integral controller

Td : derivative controller

T : waktu yang digunakan saat

mengukur error b : sinyal set point

Page 14: Laporan Akhir SKD -

4

2. Metoda Ziegler-Nichols

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. Metoda ini akan memberikan nilai overshoot sebesar 25% pada

step response, seperti gambar II.1.

Gambar II.1 Overshoot 25%

Metoda ini terdiri dari 2 macam :

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

hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, lihat gambar 2.

Jika kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan.

Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu

waktu tunda L dan time constant T. Kedua parameter tersebut

diperoleh dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi

kurva S, lihat gambar 3. Garis tangensial tersebut akan berpotongan

dengan garis time axis dan garis c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa

melakukan pendekatan fungsi transfer dalam first order pada gambar

II.2 dan gambar II.3,

Gambar II.2 Kurva S

Page 15: Laporan Akhir SKD -

5

Gambar II.3 Penentuan paameter L dan T

Formula PID yang telah disebutkan sebelumnya, kemudian dijabarkan

sebagai berikut :

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

maka dapat diperoleh nilai Ki, Ti, dan Td. Secara lebih ringkasnya perhatikan

tabel II.1.

Tabel II.1 Penentuan parameter PID

b. Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan

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

yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut

sebagai critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal output akan

Page 16: Laporan Akhir SKD -

6

teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti

terlihat pada Gambar II.4 berikut.

Gambar II.4 Sistem teredam

Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan

membesar, seperti gambar II.5

Gambar II.5 Sistem Tidak teredam

Jika dengan metoda ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten, maka

metoda ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh nilai critical

gain Kcr dan periode kritis Pcr, lihat gambar II.6 dan tabel II.2. Berdasarkan nilai

ini, kita dapat menentukan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus di

bawah :

GC(s) = KP ( 1 +

+ Tds)

= 0.6Kcr ( 1 +

( ) + 0.125Pcrs)

= 0.075KcrPcr

(

)

Page 17: Laporan Akhir SKD -

7

Gambar. II.6 Osilasi Konsisten

Tabel II.2 Penentuan parameter PID

Metoda Ziegler–Nichols ini dapat diterapkan secara luas untuk men-tuning

PID controller pada sistem kontrol proses. [1]

2.3 Metode Cohen Coon

Karena tidak semua proses dapat mentolerir keadaan osilasi dengan

amplitudo tetap, Cohen –Coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan

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

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

amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudonya dalam

periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat (

).

Page 18: Laporan Akhir SKD -

8

Gambar II.7 Grafik overshoot

Kontroler proportional Kp ditala hingga diperoleh tanggapan quarter

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

Td dihitung dari hubungan KP dengan TP. Sedangkan penalaan parameter

kontroler PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-Nichols.

Selain cara tersebut, metode Cohen – Coon ini bisa dihitung dengan aturan praktis

yang parameter – parameter plantnya diambil dari kurva reaksi sebagai berikut

[2]. Penalaran Parameter PID dengan Metoda Cohen Coon.

Tabel II.3 Parameter PID dengan Metode Cohen Coon

2.4 Arduino Uno

Arduino merupakan rangkaian elektronik yang bersifat open source, serta

memiliki perangkat keras dan lunak yang mudah untuk digunakan. Arduino

dapat mengenali lingkungan sekitarnya melalui berbagai jenis sensor dan

dapat mengendalikan lampu, motor, dan berbagai jenis aktuator lainnya.

Page 19: Laporan Akhir SKD -

9

Arduino mempunyai banyak jenis, di antaranya Arduino Uno, Arduino Mega

2560, Arduino Fio, dan lainnya.

Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328.

Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan

sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB,

jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support

mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel

USB. (FeriDjuandi, 2011)

Menurut (Feri Djuandi,2011) Arduino adalah merupakan sebuah board

minimum system mikrokontroler yang bersifat open source. Didalam

rangkaian board arduino terdapat mikrokontroler AVR seri ATMega 328

yang merupakan produk dari Atmel.

Arduino memiliki kelebihan tersendiri disbanding board

mikrokontroler yang lain selain bersifat open source, arduino juga

mempunyai bahasa pemrogramanya sendiri yang berupa bahasa C. Selain

itu dalam board arduino sendiri sudah terdapat loader yang berupa USB

sehingga memudahkan kita ketika kita memprogram mikrokontroler

didalam arduino. Sedangkan pada kebanyakan board mikrokontroler yang

lain yang masih membutuhkan rangkaian loader terpisah untuk

memasukkan program ketika kita memprogram mikrokontroler. Port USB

tersebut selain untuk loader ketika memprogram, bisa juga difungsikan

sebagai port komunikasi serial.

Arduino menyediakan 20 pin I/O, yang terdiri dari 6 pin input analog

dan 14 pin digital input/output. Untuk 6 pin analog sendiri bisa juga

difungsikan sebagai output digital jika diperlukan output digital tambahan

selain 14 pin yang sudah tersedia. Untuk mengubah pin analog menjadi

digital cukup mengubah konfigurasi pin pada program. Dalam board kita

bisa lihat pin digital diberi keterangan 0-13, jadi untuk menggunakan pin

analog menjadi output digital, pin analog yang pada keterangan board 0-5

kita ubah menjadi pin 14-19. dengan kata lain pin analog 0-5 berfungsi

juga sebagi pin output digital 14-16.

Sifat open source arduino juga banyak memberikan keuntungan

tersendiri untuk kita dalam menggunakan board ini, karena dengan sifat

open source komponen yang kita pakai tidak hanya tergantung pada satu

merek, namun memungkinkan kita bisa memakai semua komponen yang

ada dipasaran.[3]

Bahasa pemrograman arduino merupakan bahasa C yang sudah

disederhanakan syntax bahasa pemrogramannya sehingga mempermudah kita

dalam mempelajari dan mendalami mikrokontroller.[4]

Page 20: Laporan Akhir SKD -

10

BAB III

METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

Proses dan metoda praktikum dilakukan dengan rincian alat-alat

pendukung penyelesaian praktikum meliputi perangkat keras dan perangkat

lunak yang digunakan pada proses penyelesaian praktikum.

3.1 Alat Praktikum

Berikut ini merupakan alat pendukung yang digunakan pada proses praktikum,

1. Set Modul Kendali Debit Air (TwP-1)

Modul utama yang digunakan dalam proses mendesian dan sebagai

keluaran hasil desain yang telah dibuat, terdiri dari

• Modul Power Supply

• Modul PID Controller

• Modul Penguat Daya

• Modul Kendali Debit Air (TwP-1)

Gambar III.1 Set Modul Debit Air

2. Multimeter Digital

Digunakan sebagai pengukuran output tegangan secara manual.

Gambar III.2 Multimeter Digital

Page 21: Laporan Akhir SKD -

11

3. Arduino Uno

Sebagai komponen pengendali Plant Debit Air

Gambar III.3 Arduino Uno

4. Laptop dengan aplikasi Matlab dan Arduino.

Digunakan untuk mendesain plant dan membuat script pada arduino.

5. LCD

Sebagai display yang akan menampilkan keluaran tegangan, yang telah

diprogram oleh arduino uno

6. Shield Arduino

Penghubung antara arduino dan display, agar lebih mudah.

7. Kabel dan Konektror

3.2 Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Metoda Ziegler Nichols 1-2 dan

Cohen Coon.

Metoda dalam mendesain sistem kendali kontinyu pada praktikum kali ini

digunakan tiga metode yaknim Ziegler Nichols tipe 1, tipe 2, dan Cohen Coon

3.2.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe 1 dan Tipe 2

Merangkai Modul Sistem kendali. Menghubungkan modul power supply

dengan output 15V, setpoint dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul

debit air,seperti pada gambar III.4.

Page 22: Laporan Akhir SKD -

12

Gambar III.4 Set Plan Debit Air

Pada Matlab disusun rangkaian seperti pada gambar III.5 untuk ZN-1 dan gambar

III.6 untuk ZN-2,

Gambar III.5 Rangkaian pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe1

Gambar III.6 Rangkaian pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe2

Kemudian membuat rangkaian pembagi tegangan, untuk memanipulasi

nilai tegangan yang masuk ke Arduino (karena nilai catu daya pada arduino

adalah 5V dan 3.3V) pada gambar 3.7. Pembagi tegangan tidak digunakan pada

Ziegler Nichols tipe 2.

Page 23: Laporan Akhir SKD -

13

Gambar III.7 Rangkaian Pembagi Tegangan

Menghubungkan arduino dan rangkaian pembagi tegangan kemudian

nyalakan power supply namun tidak menyalakan switch pada modul PID.

Kemudian menghubungakan arduino dengan laptop kemudian menjalankan

simulink. Setelahnya menyiapkan stopwatch untuk mengukur waktu sebenarnya,

lalu menyalakan switch pada modul PID kemudian terlihat gelombang pada scope,

setelah gelombang stabil menghentikan simulink dan stopwatchnya, didapat

waktu asli dan waktu pada matlab.

Membuat garis potong dan tentukan nilai L, T, waktu gelombang rise time

dan gelombang pengambilan terakhir (Seperti pada simulasi Ziegler Nichols type-

1.). Mencari nilai L, T, waktu gelombang pertama risetime, gelombang terakhir

dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Kemudian menghitung di program

excel dengan rumus sebagai berikut :

Kp = 1,2 x (T / L),

Ti = 2 x L,

Td = 0,5 x L,

Ki = Kp / Ti

Kd = Kp x Td

Pada Ziegler Nichols Tipe 2 mencari nilai Kcr dan Pcr sebagai berikut,

Kcr =

Pcr = (X2 – X1) x Kcr

Page 24: Laporan Akhir SKD -

14

Kemudian menghitung Kc, Ti, dan Td, pada program Excel menggunakan

rumus berikut,

Tabel III.1 ZN-2 Tuning Rules

Menghubungkan modul PID dengan modul-modul yang telah terhubung di

bagian setelah modul set point, kemudian mengatur hasil yang telah dihitung di

program excel pada modul PID.

Gambar III.8 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID

Menghubungkan lagi arduino dengan laptop dan menjalankan simulinknya,

Mengamati dan mencatat. Melakukan manual tunning hingga mendapatkan

gelombang yang diinginkan.

3.2.2 Metoda Cohen Coon

Mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya,

setelah modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan

ke tahap penghubungan setiap modul menggunakan konektor. Merangkai

Modul Sistem kendali. Menghubungkan modul power supply dengan

output 15V, setpoint dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul

debit air,seperti pada gambar III.9.

Page 25: Laporan Akhir SKD -

15

Gambar III.9 Modul Sistem Kendali Debit Air

Selanjutnya mengoneksikan Arduino UNO dengan MATLAB.

Kemudian membuat rangkaian pada MATLAB seperti pada gambar III.10.

Gambar III.10 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air

Kemudian membuat rangkaian pembagi tegangan, untuk

memanipulasi nilai tegangan yang masuk ke Arduino (karena nilai catu

daya pada arduino adalah 5V dan 3.3V).

v

Gambar III.11 Rangkaian Pembagi tegangan

Page 26: Laporan Akhir SKD -

16

Menghubungkan arduino dan rangkaian pembagi tegangan

kemudian nyalakan power supply namun tidak menyalakan switch pada

modul PID. Kemudian Menghubungakan arduino dengan laptop dan

menjalankan simulink. Menyiapkan stopwatch untuk mengukur waktu

sebenarnya.

Setelahnya menyalakan switch pada modul PID kemudian terlihat

gelombang pada scope, setelah gelombang stabil menghentikan simulink

dan stopwatchnya, didapat waktu asli dan waktu pada matlab.

Dalam mendesign menggunakan Metoda Cohen Coon digunakan

parameter CO,GP τd dan τ, . Kemudian menghitung Kc, Ti, dan Td, pada

program Excel menggunakan rumus pada table III.2.

Tabel III.2 Parameter Metoda Cohen Coon

Menghubungkan modul PID dengan modul-modul yang telah

terhubung di bagian setelah modul set point, kemudian mengatur hasil

yang telah dihitung di program excel pada modul PID.

Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID

Page 27: Laporan Akhir SKD -

17

Menghubungkan lagi arduino dengan laptop dan menjalankan

simulinknya, Mengamati dan mencatat. Melakukan manual tunning hingga

mendapatkan gelombang yang diinginkan.

3.3 Sistem Kendali Digital menggunakan script.

Pada pengendalian sistem kendali digital ini digunakan nilai Kp, Ti, dan

Td hasil desain menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1.

Mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya, setelah

modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan ke tahap

penghubungan setiap modul menggunakan konektor.

Gambar III.13. Rangkaian Modul Debit Air Analog

Mengeset Modul PID hingga keluarannya 2x dari SetPoint dengan

bantuan modul SetPoint, kemudian melepaskan modul SetPoint

(digantikan melalui script Matlab mnggunakan Arduino dan

potensiometer). Kemudian mermasang kembali modul menggunakan

konektor.

Gambar III.14 Rangkaian Modul Kendali Debit Air

Page 28: Laporan Akhir SKD -

18

Mengkoneksikan Arduino UNO dan Laptop juga telah terhubung

dengan Matlab. Kemudian membuat script di Matlab, sebagai berikut.

Page 29: Laporan Akhir SKD -

19

Dihubungkan Potensio pada Arduino sebagai Set Point (A0) juga VCC,

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

modul PID dan PLANT.

Page 30: Laporan Akhir SKD -

20

Gambar III.15 Koneksi Arduino

Menjalankan isi script program sistem kendali pada arduino pada Matlab,

perhatikan grafik keluaran. Menganalisis

Mengubah scaling pada matlab dengan menyesuaikan set point dengan

respon, kemudian mencari nilai Ts menggunakan intruksi tic (dibawah intuksi

While) dan tac (diatas instruksi end). Setelahnya mengubah nilai Ts sesuai dengan

Ts yang didapat. Mengamat hasil grafik pada scope.

Tambahan:

Agar tidak terjadi noise yang terlalu besar maka dipasangkan rangkaian

low pass filter untuk mengurangi frekunsi tinggi.

Gambar III.16 Low Pass Filter

Page 31: Laporan Akhir SKD -

21

3.4 Penerapan Stand Alone Sistem Kendali Digital.

Membuat script pada Arduino, sebagai berikut.

Page 32: Laporan Akhir SKD -

22

Menghubungkan Potensio pada Arduino sebagai Set Point (A0) juga VCC,

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

modul PID dan PLANT.

Mengcompile script dengan menekan Verify kemudian melakukan upload

script pada Arduino. Menampilakan tegangan perbandingan antara setpoint

dengan feedback pada “Serial Monitor” aplikasi arduino, yang kemudian

menampilkan proses keadaan setpoint (SP) dan feedback (PV), kemudian

melakukan perubahan setpoint dengan memutar potensio, dan menbandingkan

dengan nilai feedback.

Ketika program dan input (Kp, Ti, Td) telah selesai dan mendapat hasil

yag bagus maka pengaplikasian secara terpisah dengan laptop yaitu menggunakan

Shield arduino dan LCD (Liquid Crystal Display). Kemudian memasangkan

shield Arduino dengan Arduino dan LCD.

Menambahkan program untuk menampilkan tegangan setpoint dan

feedback pada LCD dengan menambahkan program sebagai berikut.

Page 33: Laporan Akhir SKD -

23

Bagian Bawah,

Mengcompile program kemudian mengupload pada Arduino. Kemudian

mengamati hasil perbandingan antara Setpoint dan feedback.

Page 34: Laporan Akhir SKD -

24

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Ziegler Nichols 1-2 dan

Cohen Coon.

Berikut ini merupakan data yang didapat dari hasil desain yang telah

dibuat menggunakan metoda Ziegler Nichols 1-2 serta Cohen Coon.Data yang

telah didapat kemudian dianalisis sehingga didapat Kp, Ti, dan Td sehingga

dapat dimasukkan ke PID dan didapat output steady state terhadap set point.

4.1.1 Data Ziegler Nichols Tipe 1-2

a. Ziegler Nichols Tipe 1

Dapat dilihat pada gambar 4.1 merupakan grafik desain kendali debit

air.

Gambar IV.1 Grafik desain kendali Debit Air

Berikut data Kp, Ti dan Td. Yang akan dimasukkan kedalam PID

L T Kp Ti Td Ki Kd

0.227 0.604 3.192952 0.454 0.1135 7.032933 0.3624

Tabel IV.1 Perhitungan Kp, Ti, dan Td

*L dan T yang digunakan merupakan hasil perbandingan antara Lreal dengan LMATLAB,

serta TReal dan TMATLAB

Page 35: Laporan Akhir SKD -

25

Menghitung data dengan rumus PID kemudian memasangkan PID

dan mengatur Kp, Ti, dan Td pada modul PID. Berikut ini grafik yang

didapat dari kendali PID yang telah dapatkan pada hasil perhitungan.

Ti Td

0.4 0.07

Gambar IV.2 Grafik desain kendali PID dengan perhitungan.

Pada gambar IV.3 merupakan grafik yang didapat dari kendali PID

yang telah diatur manual tunning sehingga noise yang dihasilkan kecil.

Gambar IV.3. Grafik desain kendali PID yang elah di Manual Tunning

Page 36: Laporan Akhir SKD -

26

b. Ziegler Nichols Tipe 2

Pada gambar IV.4 ini hasil grafik Debit Air saat memulai osilasi,

Gambar IV.4 grafik debit air awal

Pada gambar IV.5 ini hasil grafik debit air yang telah berosilasi.

Gambar IV.5 grafik debit air saat berosilasi

Kemudian grafik awal dan gafik osilasi dibuat desain

menggunakan desain metode ZN type2, sehingga didapat hasil seperti

pada gambar IV.6 dan gambar IV.7

Page 37: Laporan Akhir SKD -

27

Gambar IV.6 Desain debit air Metoda ZN-2 (awal)

Kemudian didapat hasil perhitungan desain sebagai berikut :

Saat mulai berosilasi (awal)

Kcr =

Kcr =

= 0.1078

Pcr = (X2 – X1) x Kcr

Pcr = (88.1 –74.21) x 0.1078

Pcr = 13.89 x 0.1078

Pcr = 1.497342

Sehingga didapat nilai Kp, Ti, Td terdapat pada Table 4.3

ZN Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd

Awal 5.24 1.497342 0.748671 0.187168 3.144 4.199441 0.588455

Tabel IV.3 nilai Kp, Ti, dan Td awal

Desain saat berosilasi pada gambar IV.7.

Gambar IV.7 Desain Debit air Metoda ZN-2 (osilasi)

Kemudian didapat hasil perhitungan desain sebagai berikut :

Page 38: Laporan Akhir SKD -

28

Saat mulai berosilasi (awal)

Kcr =

Kcr =

= 0.1078

Pcr = (X2 – X1) x Kcr

Pcr = (59.18 – 4.85) x 0.1078

Pcr = 9.33 x 0.1078

Pcr = 1.005774

Sehingga didapat nilai Kp, Ti, Td terdapat pada Table 4.4

ZN Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd

Osilasi 21.3108 1.005774 0.502887 0.125722 12.78648 25.42615 1.607539

Tabel IV.4 nilai Kp, Ti, dan Td osilasi

Dari kedua desain yang telah dibuat, dapat dibandingkan antara desain saat

mulai berosilasi dan saat desain ketika berosilasi, adalah pada Gambar 4.8 dan

Gambar IV.9,

Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (awal)

Gambar IV.8 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (awal)

Page 39: Laporan Akhir SKD -

29

Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)

Gambar IV.9 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)

Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi) manual tuning

Gambar IV.10 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)

manual tuning

4.1.2 Data Cohen Coon

Berikut merupakan Grafik Debit air yang akan dibuat

desainnya.pada gambar IV.11.

Page 40: Laporan Akhir SKD -

30

Gambar IV.11 Grafik Debit air

Berikut merupakan Grafik Desain Debit air dengan metoda Cohen

Coon. Pada gambar 4.12

Gambar IV.12 Grafik Desain Debit air dengan metoda Cohen Coon

Berikut data Kp, Ti dan Td. Yang akan dimasukkan kedalam PID, CO

didapat dari ketinggian set point pada saat tangga ke-2 didapat hasil sebagai

berikut :

CO = xa – xb CO = 7.802 – 6.273 = 1.529

Nilai GP diperoleh dari hasil perhitungan sebagai berikut,

GP =

=

= 1.157

Ԏd = 195.2 – 192.2 = 3 (waktu matlab)

Ԏ = 192.2 – 189.4 = 2.8 (waktu matlab)

Page 41: Laporan Akhir SKD -

31

Waktu sebenarnya = 35.14

Waktu pada Matlab = 359.8

Maka di dapat, Ԏd sebenarnya,

Ԏd =

x 3 = 0.2735

Dan didapat pula Ԏ sebenarnya ,

Ԏ =

x 2.8 = 0.293

Sehingga nilai Kp, Ti, dan Td dapat dihasilkan perhitungan seperti tabel IV.5

CO GP Ԏd Ԏ Kc atau Kp Ti Td Ki Kd

1.529 1.157 0.2735 0.293 1.465861958 0.27553 0.086293 5.320158 0.12649395

Tabel IV.5 Kp, Ti, dan Td Ket : Nilai Kp / Kc dibagi dengan 2 sehingga nilai tegangan pada set point akan sama dengan tegangan keluaran.

Berikut ini merupakan grafik hasil desain kendali debit air menggunakan

arduin dengan metoda Cohen Coon, pada gambar IV.13.

Gambar IV.13 grafik hasil desain kendali debit air menggunaka arduino dengan

metoda Cohen Coon

Dari grafik yang terbentuk dapat dilihat hasil respon mendekati set point

dengan cukup baik, sehingga tidak dilakukan langkah manual tunning .

4.2 Data Sistem Kendali Digital menggunakan script.

Dari praktikum yang dilakukan dapat didapat data sebagai berikut,

Skrip awal dengan

Kp : 3.2

Ti : 0.434

Page 42: Laporan Akhir SKD -

32

Td : 0.1085

Ts :0.1

Page 43: Laporan Akhir SKD -

33

Page 44: Laporan Akhir SKD -

34

Hasil grafik (tanpa filter)

Gambar IV.14 Grafik tanpa filter

Hasil grafik (dengan filter)

Dengan rumus perhitungan Low pass filter dapat diketahui kebutuhan dan

komponen yang dibutuhkan untuk menbangun rangkaian low pass filter.

Gambar IV.15 Rangkaian Low Pass Filter

Perhitungan nilai Resistor dan Kapasitor.

Dengan

fC = 1 Hz

C = 2200uF

Maka didapat nilai R:

R = ___1___

2ᴫCf

R = ______1_______

2ᴫ (2200)(10-6

)(1)

R = 72.343155 Ω ~ ~~ 100Ω

Page 45: Laporan Akhir SKD -

35

Gambar IV.16 Grafik dengan filter

Skrip perubahan Ts:

Ts :0.07

Gambar IV.17 Skrip perubahan Ts

Page 46: Laporan Akhir SKD -

36

Hasil grafik

Gambar IV.18 Grafik Skrip Modul debit Air dengan perubahan Ts

Skrip manual tunning :

Ti: 0.334

Td: 0

Gambar IV.19. Skrip Modul debit Air manual tunning

Page 47: Laporan Akhir SKD -

37

Hasil grafik manual tunning :

Gambar IV.20. Gambar Grafik skrip modul debit air setelah manual

tunning

4.3 Data Sistem Kendali Digital stand Alone.

Berikut ini merupakan jenis script pada arduino pada saat pengecekan

perbandingan antara setpoint dan feedback.

Parameter yang diberikan adalah sebagai berikut ini*(

Kp Ti Td Ts

1.4658 0.27553 0.086293 0.1 *( Nilai parameter yang diberikan merupakan hasil Cohen Coon pada percobaan Unit 8 lalu

Tabel IV.6 Parameter PID

Page 48: Laporan Akhir SKD -

38

Page 49: Laporan Akhir SKD -

39

Berikut ini merupakan hasil perbandingan antara set point dengan

feedback yang dihasilkan dari script yang telah dibuat dan hasil perhitungan Kp,

Ti, dan Td

Gambar IV.21 Output pada Serial monitor

. Selisih antara setpoint dengan feedback, sebaiknya seminimal mungkin

mendekati 0, jika nilai feedback telah atau hampir mendekati nilai

Page 50: Laporan Akhir SKD -

40

setpoint dapat dikatakan feedback dalam keadaan steady-state,

sehingga dapat dilanjutkan ke proses stand alone dengan mendisplay

hasil tegangan pada LCD

Berikut ini script LCD

Page 51: Laporan Akhir SKD -

41

Page 52: Laporan Akhir SKD -

42

Hasil dari nilai dikalikan 10, karena output dari Sistem Kendali Debit Air

Berikut ini merupakan hasil display pada LCD.

(a)

(b)

Gambar IV.22 (a) Perbandingan SP dan PV 1 (b) saat penurunan setpoint

Page 53: Laporan Akhir SKD -

43

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan,

Desain kendali Debit air dapat menggunakan Metode Ziegler Nichols tipe

1-2 dan Cohen Coon.Metode yang baik digunakan pada Debit Air adalah

metode Ziegler Nichols Tipe 1 dimana respon cepat stabil.

Hasil sinyal dimana pada saat memulai osilasi lebih baik menghasil nilai

PID dibandingkan hasil sinyal pada saat berosilasi pada Metode Ziegler

Nichols tipe 2. Respon yang dihasilkan dari Ziegler Nichols tipe 2 cukup

stabil.

Respon yang dihasilkan pada metode Cohen Coon lebih lambat untuk

stabil dan menghasilkan overshoot ketika set point dinaikkan.

Stand alone merupakan sistem kendali yang dapat diprogram dengan

tidak membutuhkan perangkat komputer, sehingga sistem kendali terlihat

lebih simpel dan efisien.

5.2 Saran

Persiapkan Alat kerja yang digunakan, mengecek alat sebelum melakukan

praktikum.

Menyiapkan komponen atau perangkat cadangan, jika ada kemungkinan

kerusakan terhadap komponen yang digunakan.

Mempelajari materi dasar sebelum praktikum.

Page 54: Laporan Akhir SKD -

44

DAFTAR PUSTAKA

[1] NN. 2011. Metoda Tuning Ziegler-Nichols.Diunduh :7/7/2015 11:10 pada

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

Ziegler-Nichols.html

[2] Wicaksono, Handi. 2004. Analisa Performansi dan Robustness Beberapa

Metode Tuning Kontroler PID pada Motor DC.Jurnal Teknik Elektro Vol

4, No.2.

[3] Djuandi,Feri.(2011).Pengenalan Arduino.www.tobuku.com, diakses 8

Januari 2014

[4]Taufik, Azzi.Mikrokontroller Arduino Uno. Diunduh 8/7/2015 00:25 pada

http://dialogsimponi.blogspot.com/2014/11/normal-0-false-false-false-in-

x-none-x.html