SISTEM KENDALI PID PADA MODUL

KENDALI LEVEL AIR

LAPORAN

disusun untuk memenuhi salah satu syarat untuk menyelesaikan tugas mata kuliah

Sistem Kendali Digital

Semester 7

Oleh :

Juwita Sugitriana

NIM : 111354011

Kelas : 4A-EK

Dosen Pembimbing : Feriyonika, S.T., M.Sc. Eng.

PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRONIKA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAK

Juwita Sugitriana: Sistem Kendali PID pada Modul Kendali Level Air. Laporan

Akhir: Program Studi D4 Teknik Elektronika. Politeknik Negeri Bandung, 2015.

Suatu sistem yang dirancang tidak selalu menghasilkan respon/output yang

sesuai dengan perancangan. Dibutuhkan suatu pengendalian (pengontrolan) untuk

mengurangi error yang didapat agar sistem bisa stabil/ sesuai dengan hasil output

yang diharapkan. Sistem kendali PID merupakan salah satu sistem pengendalian

tersebut. Metoda Kendali PID di rancang menggunakan software Matlab 2013 berupa

Simulink dan script yang dihubungkan ke modul Arduino UNO agar perancangan

tunning PID dapat dihubungkan ke modull sistem kendali air. Terdapat dua metode

yang digunakan untuk mendapatkan respon dengan rise time, overshoot, steady state

error dan settling time yang kecil yaitu menggunakan metoda Ziegler Nichols tipe 1

dan Ziegler Nichols tipe 2. Hasil manual tunning PID Ziegler Nichols 2 lebih sesuai

apabila diaplikasikan pada modul sistem kendali level air dibandingkan tipe 1.

Metode Ziegler Nichols tipe 2 ini sesuai untuk diterapkan pada jenis sistem seperti

kendali level air ini karena tidak membutuhkan waktu yang lama untuk mendapatkan

respon yang digunakan untuk mencari parameter PID. Kendali level air dapat

diaplikasikan pada industri-industri seperti tangki pengisian minyak, bendungan,

pengisian botol/ kaleng minuman, dan sebagainya. Kendali level air juga dapat

diaplikasikan pada sistem pendeteksi banjir, sistem pendeteksi air pasang-surut air

laut, pompa tangki air di rumah-rumah dan sebagainya.

Kata Kunci : Kendali PID, Level Air, Ziegler Nichols, Matlab, Arduino UNO

ii

ABSTRACT

Juwita Sugitriana: PID Control System on Water Level Control Module. Laporan

Akhir: Electronics Engineering Departement. State Polytechnic of Bandung, 2015.

The output is not always same with the design. Need a controller to make an

stable output. PID Controller is a controller system. PID Controller designed by

Matlab 2013 software. Simulink and script on matlab is connected with Arduino

UNO module to help design of PID tunning on water level module. There is two

method to decrease value of rise time, overshoot, steadystate error and settling of

response, that method is Ziegler Nichols type 1 methode and Ziegler Nichols type 2

method. Water level controller can be applicated to industries like oil filling tank,

dam, bottle or glass of drink, etc. Water level Controller can be applicated to

flooding detection system, water tank pump, etc.

Key Word : PID Controller, Water Level, Ziegler Nichols, Matlab, Arduino UNO

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT karena atas rahmat

dan bimbingan-Nya laporan akhir dengan judul SISTEM KENDALI PID PADA

MODUL KENDALI LEVEL AIR dapat diselesaikan. Laporan ini dibuat untuk

mata kuliah Sistem Kendali Digital, program studi D4 Teknik Elektronika, Jurusan

Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung.

Selama pelaksanaan pembuatan laporan, penulis banyak mendapatkan

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

banyak terima kasih kepada pihak - pihak berikut :

1. Orang tua dan keluarga yang telah memberikan dukungan moril maupun materil.

2. Bapak Feriyonika, S.T., M.Sc. Eng. selaku dosen pembimbing yang memberikan

nasihat dan bimbingan yang sangat bermanfaat kepada penulis dalam

menyelesaikan laporan akhir ini.

3. Rekan-rekan EC-D4 2011 yang selalu memberikan dukungan dan semangat

kalian kepada penulis.

4. Seluruh pihak yang membantu dan mendukung yang tidak dapat disebutkan satu

persatu.

Penulis menyadari dalam penyusunan laporan akhir ini masih jauh dari

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

karena itu kritik atau saran sangat diharapkan untuk mendukung penulisan laporan

yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap, laporan ini dapat memberikan manfaat khususnya

untuk penulis sendiri dan umumnya untuk pembaca guna dapat membuat tulisan

yang lebih baik lagi.

Bandung, Januari 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI

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

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

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

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

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

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

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

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

1.2. Rumusan Masalah .......................................................................................... 2

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

1.4. Sistematika Penulisan ..................................................................................... 3

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

2.1. Sistem Kendali PID ........................................................................................ 4

2.2. Metode Ziegler Nichols .................................................................................. 6

2.2.1. Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop) ............................................ 6

2.2.2. Metode Ziegler Nichols Tipe 2 (close loop) ........................................... 8

2.3. Matlab 2013 .................................................................................................... 8

2.4. Arduino UNO ............................................................................................... 10

BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................................... 11

3.1. Diagram Blok Sistem ................................................................................... 11

3.2. Alat dan Modul yang digunakan .................................................................. 12

3.3. Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hardware) .......................... 12

v

3.3.1. Modul Catu Daya (Power Supply, PS-5) .............................................. 12

3.3.2. Modul Setpoint (RVG-5) ...................................................................... 13

3.3.3. Modul PID (PID-5) ............................................................................... 14

3.3.4. Modul Penguat Daya (PA-5) ................................................................. 14

3.3.5. Modul Sistem Kendali Level Air (TWP-1) ........................................... 15

3.3.6. Modul Output Sistem Kendali Level Air (DPT-5) ............................... 16

3.4. Perancangan Perangkat Lunak (Software) ................................................... 18

3.3.7. Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 1 ......................................... 18

3.3.8. Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 2 ......................................... 19

3.3.9. Script Matlab dan PID-Arduino ............................................................ 19

BAB IV DATA PENGUJIAN DAN ANALISA ........................................................ 20

4.1. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ........................................................ 20

4.2. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2 ........................................................ 23

4.3. Script Matlab ................................................................................................ 26

4.4. PID-Arduino ................................................................................................. 28

BAB V SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 31

5.1. Simpulan ....................................................................................................... 31

5.2. Saran ............................................................................................................. 31

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 32

vi

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1. Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter ................ 4

Tabel 3. 1. Parameter Output seharusnya (0,2 V/ mbar) ............................................ 16

Tabel 3. 2. Hasil Pengujian (0,2 V/ mbar) .................................................................. 17

Tabel 3. 3. Parameter Output seharusnya (0,6 V/ mbar) ............................................ 17

Tabel 3. 4. Hasil Pengujian (0,6 V/ mbar) .................................................................. 17

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1. Kurva S. ................................................................................................. 6

Gambar 2. 2. Penentuan parameter L dan T ................................................................ 7

Gambar 2. 3. Blok Diagram Sistem Loop Tertutup .................................................... 8

Gambar 2. 4. Matlab 2013 ........................................................................................... 9

Gambar 2. 5. Konfigurasi Arduino UNO .................................................................. 10

Gambar 3. 1. Diagram Blok Sistem Kendali Level Air............................................. 11

Gambar 3. 2. Modul Catu Daya (Power Supply) ...................................................... 13

Gambar 3. 3. Modul Setpoint (RVG-5). .................................................................... 13

Gambar 3. 4. Modul PID-5 ........................................................................................ 14

Gambar 3. 5. Modul Power Amplifier ....................................................................... 15

Gambar 3. 6. Modul TWP-1 ...................................................................................... 15

Gambar 3. 7. Modul DPT-5 ....................................................................................... 16

Gambar 3. 8. Modul Arduino UNO ........................................................................... 18

Gambar 3. 9. Model Simulink untuk mencari parameter PID ................................... 18

Gambar 3. 10. Model Simulink untuk mencari parameter Pcr dan Kcr .................... 19

Gambar 4. 1. Hasil respon modul Kendali level air selama 10 menit ...................... 20

Gambar 4. 2. Hasil respon untuk menentukan nilai L dan T ..................................... 21

Gambar 4. 3. Modul Level Kendali Air..................................................................... 22

Gambar 4. 4. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 1 .......................... 23

Gambar 4. 5. Hasil respon modul Kendali level air yang berosilasi ......................... 24

Gambar 4. 6. Hasil respon untuk menentukan nilai Pcr ............................................ 24

Gambar 4. 7. Modul Kendali Level Air close loop ................................................... 25

Gambar 4. 8. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 2 .......................... 26

Gambar 4. 9. Hasil Respon Sistem Level Air menggunakan Script pada Matlab ..... 28

Gambar 4. 10. Hasil respon sistem menggunakan Program Arduino ....................... 30

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sistem kendali level air merupakan salah satu jenis pengendalian yang banyak

digunakan oleh industri-industri. Kendali level air merupakan dasar pengendalian

sistem yang menggunakan sensor ketinggian level air. Kendali level air dapat

diaplikasikan pada industri-industri seperti tangki pengisian minyak, bendungan,

pengisian botol/kaleng minuman, dan sebagainya. Kendali level air juga dapat

diaplikasikan pada sistem pendeteksi banjir, sistem pendeteksi air pasang-surut

air laut, pompa tangki air di rumah-rumah dan sebagainya.

Proses pengendalian yang banyak digunakan oleh kebanyakan industri yaitu

kendali konvensional seperti PID karena kesederhanaan struktur serta

kemudahan dalam melakukan tuning parameter kontrolnya. Penentuan parameter

yang sesuai agar mendapatkan keluaran system yang stabil dapat dilakukan

dengan metode tuning PID. [1]

Perancangan yang dilakukan untuk melakukan proses manual tunning

dilakukan menggunakan software Matlab. Matlab dapat digunakan untuk

simulasi sebagai alat untuk mempelajari dasar-dasar kendali PID sebelum

dihubungkan langsung pada plant. Matlab yang dilengkapi Control Toolbox,

membantu perancang untuk melihat respon berbagai kombinasi konstanta dengan

variasi input yang berbeda. Penggunaan MatLab ini sangat membantu perancang

dalam menentukan kombinasi di antara P, I, dan D Controller untuk

menghasilkan sistem pengaturan yang baik dan sederhana. [2]

Arduino dan MATLAB dapat saling berhubungan melalui komunikasi serial

[3]. Arduino UNO merupakan mikrokontroler yang digunakan untuk

mengkomunikasikan script dan simulink yang telah dirancang oleh matlab

2

sebelumnya, dengan modul kendali level air. Arduino yang telah menerima

perintah dari Matlab akan memberikan perintah-perintah terbut pada modul/plant

yang dihubungkan dengan Arduino UNO.

Pada laporan akhir ini penulis melakukan eksperimen mengenai sistem

kendali PID dengan melakukan suatu perancangan/ manual tunning pada modul

sistem kendali level air. Manual tunning dilakukan untuk menemukan algoritma

PID. Metode yang digunakan untuk mendapatkan parameter PID yaitu dengan

menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 dan tipe2. 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. Oleh karena itu, dilakukan percobaan dengan

judul Sistem Kendali PID pada Modul Kendali Level Air.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah dan tujuan yang ingin dicapai, berikut

merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini.

1. Bagaimana respon sistem level air sebelum menggunakan PID.

2. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali level air.

3. Bagaimana perbandingan hasil respon sistem menggunakan metode PID

Ziegler Nichols 1 dan Ziegler Nichols 2.

1.3. Tujuan

Tujuan dari percobaan ini adalah melakukan pengujian dan penerapan sistem

kendali PID pada suatu modul sistem kendali level air dengan menggunakan dua

metoda yaitu metoda Ziegler Nichols tipe 1 dan 2.

3

1.4. Sistematika Penulisan

Makalah ini terdiri atas lima bab. Bab pertama pendahuluan dengan subbab

yaitu latar belakang, rumusan masalah, tujuan, dan sistematika penulisan. Bab

kedua landasan teori dengan subbab yaitu sistem kendali PID, metode Ziegler

Nichols, Matlab 2013 dan Arduino UNO. Bab ketiga metodologi penelitian

dengan subbab yaitu diagram blok sistem, alat dan modul yang digunakan,

perancangan dan pengujian perangkat keras (hardware) dan perancangan

perangkat lunak (software). Bab keempat data pengujian dan analisa dengan

subbab yaitu sistem kendali Ziegler Nichols tipe 1, sistem kendali Ziegler

Nichols tipe 2, script matlab dan PID-Arduino. Bab kelima simpulan dan saran

dengan subbab yaitu simpulan dan saran.

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Sistem Kendali PID

Tidak semua sistem yang dirancang dapat menghasilkan respon/output yang

diinginkan atau sesuai dengan perancangan. Dibutuhkan suatu pengendalian

untuk mengurangi error yang didapat agar sistem bisa stabil/ sesuai dengan hasil

output yang diharapkan. Sistem kendali pada suatu sistem berguna agar hasil

respon dapat mengurangi error antara hasil yang didapat dengan hasil yang

diinginkan serta mempercepat respon agar bisa secepat mungkin mencapai hasil

yang diinginkan (setpoint).

PID (Proportional, Integral, Derivative Controller) merupakan salah sistem

kendali yang banyak digunakan di industry manufaktur. Sistem kendali ini dapat

diaplikasikan pada sistem kendali tertutup maupun terbuka. Sistem Kontrol PID

merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi

dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut.

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah parameter yaitu kontrol P

(Proportional), D (Derivative) dan I (Integral) dimana masing-masing parameter

tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan, hal ini dapat kita lihat pada tabel

berikut:

Tabel 2. 1. Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter

Parameter Rise Time Overshoot Settling Time S-S Error

Kp Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang

Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Kd Minor Change Berkurang Berkurang Minor Change

5

Berikut merupakan penjelasan mengenai istilah-istilah yang digunakan untuk

menentukan parameter-parameter PID:

a. Steady state merupakan kondisi sinyal respon suatu sistem telah mencapai

keadaan stabil hingga sistem selesai.

b. Overshoot merupakan sinyal pada respon yang harganya melebihi harga

ketika steady state. Overshoot terjadi ketika sinyal belum mencapai steady

state.

c. Rise time waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi steady state.

d. Settling time merupakan keadaan dimana sinyal akan mencapai/mendekati

steady state.

e. Error-steady state merupakan keadaan ketika kondisi sinyal respon/sistem

sudah atau belum mencapai steady state, namun terdapat error (kesalahan

sinyal respon) sehingga kondisi steady state yang seharusnya stabil atau

konstan, terdapat perubahan sinyal atau tidak sesuai dengan steady state.

Sistem Kendali PID memiliki transfer Function seperti berikut:

( ) (

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

Pengaruh perubahan konstanta parameter-parameter PID sangat berpengaruh

pada respon. Adapun penjelasannya sebagai berikut [4]

:

1. Kontrol Proporsional

Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat

kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-

aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk

memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time.

2. Kontrol Integratif

Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-

state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon

6

transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem.

Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output

berosilasi karena menambah orde sistem

3. Kontrol Derivatif

Kontrol Derivatif hanya berubah saat ada perubahan error sehingga

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

menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri.

2.2. Metode Ziegler Nichols

Metode Ziegler Nichols merupakan pengembangan dari metoda trial and

error. Metode ini digunakan sebagai point awal untuk memulai manual tunning.

Ziegler Nichols ini akan menentukan parameter-parameter PID yang akan

digunakan untuk mendapatkan respon yang baik.

Metoda ini merupakan metoda tuning PID controller untuk menentukan nilai

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

karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem [5]

. Metode Ziegler

terbagi menjadi dua metode yiatu Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop) dan

Tipe 2 (close loop).

2.2.1. Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop)

Metode Ziegler Nichols tipe 1 dilakukan pada plant yang bersifat

sistem terbuka (open loop). Plant yang akan dikendalikan diberi input

step dan responnya akan dianalisa dengan metode Ziegler Nichols tipe 1

dimana perhitungannya akan menghasilkan parameter-parameter PID.

Gambar 2. 1. Kurva S [5]

.

7

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

hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, seperti pada

gambar 2.1. Kurva berbentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah

konstanta, yaitu waktu tunda L dan time constant T.

Gambar 2. 2. Penentuan parameter L dan T [5]

Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis

tangensial pada titik infleksi kurva S, seperti pada gambar 2.2. Garis

tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t)

= K [5]

. Berdasarkan parameter tersebut, didapatkan cara untuk

menghitung parameter Kp, Ti dan Td.

(

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

......................................... (3)

......................................... (4)

Apabila harga Ti dan Td sudah diketahui, maka konstanta Ki dan Kd

dapat ditentukan.

8

......................................... (5)

......................................... (6)

2.2.2. Metode Ziegler Nichols Tipe 2 (close loop)

Pada metode Ziegler Nichols tipe 2 ini proses penentuan parameter

PID dihitung menggunakan respon yang diatur menggunakan slider gain

sehingga respon berosilasi. Metode ini diaplikasikan pada sistem loop

tertutup (close loop).

Gambar 2. 3. Blok Diagram Sistem Loop Tertutup

Pada metode kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan

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

yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai slider gain ini disebut

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

teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan,

Sebaliknya, jika harga Kp terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan

membesar. [5]

2.3. Matlab 2013

MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan

komputasi numerik dan merupakan suatu bahasa pemrograman matematika

lanjutan yang dibentuk dengan dasar pemikiran menggunkan sifat dan bentuk

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

9

numeric dari proyek LINPACK dan EISPACK, dan dikembangkan menggunkan

bahasa FORTRAN namun sekarang merupakan produk komersial dari

perusahaan Mathworks, Inc.yang dalam perkembangan selanjutnya

dikembangkan menggunakan bahasa C++ dan assembler (utamanya untuk

fungsi-fungsi dasar MATLAB).

Gambar 2. 4. Matlab 2013[6]

MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman

yang canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan tugas

pengolahan sinyal, aljabar linier, dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB

juga berisi toolbox yang berisi fungsi-fungsi tambahan untuk aplikasi khusus.

MATLAB bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis

fungsi baru untuk ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang

tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang

dibutuhkan tidak terlalu sulit bila Anda telah memiliki pengalaman dalam

pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN. [7]

10

2.4. Arduino UNO

Gambar 2. 5. Konfigurasi Arduino UNO [8]

Feri Djuandi mengatakan bahwa Arduino tidak hanya sekedar sebuah alat

pengembangan, tetapi ia adalah kombinasi dari hardware, bahasa pemrograman

dan Integrated Development Environment (IDE) yang canggih. IDE adalah

sebuah software yang sangat berperan untuk menulis program, meng-compile

menjadi kode biner dan meng-upload ke dalam memory microcontroller. Ada

banyak projek dan alat-alat dikembangkan oleh akademisi dan profesional

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

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

lain untuk bisa disambungkan dengan Arduino. Arduino berevolusi menjadi

sebuah platform karena ia menjadi pilihan dan acuan bagi banyak praktisi. [9]

11

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini menjelaskan mengenai metode-metode yang digunakan dalam proses

penelitian serta hasil pengujian alat-alat yang akan digunakan dalam proses

percobaan.

3.1. Diagram Blok Sistem

Diagram blok sistem kendali level air dapat dilihat pada gambar 3.1.

OutputProsesInput

Catu Daya Setpoint PID Penguat Plant

Gambar 3. 1. Diagram Blok Sistem Kendali Level Air

Keterangan:

1. Blok Input

Blok input terdiri dari modul catu daya dimana catu daya menyuplai

tegangan untuk seluruh modul sebesar +15V.

2. Blok Proses

Blok proses terdiri dari modul Reverence Variabel Generator (setpoint),

modul PID dan modul (penguat daya).

3. Blok Output

Blok output merupakan output dari plant yang merupakan modul level

kendali air.

12

3.2. Alat dan Modul yang digunakan

Modul dan alat yang digunakan untuk melakukan percobaan .. pembentukan

sistem kendali level air, yaitu:

1. Modul Catu Daya (PS-5)

2. Modul Reverence Variabel Generator (RVG-5)

3. Modul PID (PID-5)

4. Modul Penguat Daya (PA-5)

5. Modul Sistem Kendali Level Air (TWP-1)

6. Modul Output Sistem Kendali Level Air (DPT-5)

7. Arduino UNO

8. Komputer

9. Multimeter

10. Kabel-kabel penghubung

Sistem dirancang menggunakan beberapa software pendukung seperti berikut:

1. Matlab 2013

2. Arduino

3. Microsoft Excel 2010

3.3. Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hardware)

3.3.1. Modul Catu Daya (Power Supply, PS-5)

Catu daya akan bekerja sebagai sumber tegangan apabila power ON/OFF

diubah ke posisi ON. Pada catu daya terdapat potensiometer U untuk mengubah

tegangan yang diinginkan. Apabila arah panahnya diputar kekiri maka nilai

tegangannya 0 volt. Sebaliknya apabila diputar kearah yang berlawanan maka

harga tegangannya maksimal. Potensiometer digunakan untuk mengatur besarnya

tegangan.

13

Gambar 3. 2. Modul Catu Daya (Power Supply)

Hasil pengujian Power Supply berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan

dengan pengetesan menggunakan multimeter.

Pada variable maksimal, input +15 V, output yang dihasilkannya adalah +15V.

3.3.2. Modul Setpoint (RVG-5)

Setpoint berfungsi sebagai input tegangan dengan range (-10) Volt sampai

(+10) Volt atau 0 Volt sampai (+10) Volt. Kedua pilihan ini bisa diatur dengan

memindahkan jumper penghubung.

Gambar 3. 3. Modul Setpoint (RVG-5).

14

Setelah melakukan proses pengujian setpoint dinyatakan berjalan dengan baik,

hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Setpoint

digunakan untuk menentukan nilai setpoint yang ingin dicapai. Ketika setpoint

diberi tegangan, maka ketika setpoint diatur di 7V maka output nya juga 7V.

3.3.3. Modul PID (PID-5)

Modul PID ini terdiri dari pengaturan parameter Kp, Ti dan Td.

Pengaturan parameter-parameter tersebut dilakukan secara analog. Sehingga

pengaturan input pada modul tidak presisi.

Gambar 3. 4. Modul PID-5

Hasil pengujian menunjukkan bahwa modul PID berjalan dengan baik,

hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Ketika PID

diberi input 0,5V, harga Kp dikali 1, maka output dari PID = 0,5V.

3.3.4. Modul Penguat Daya (PA-5)

Power Amplifier atau Penguat Daya, mendapatkan tegangan input dari

output modul PID yang dihubungkan menggunakan konektor yang secara

mekanis telah sejajar dengan channel-channel yang berguna untuk

memberikan input pada modul sebelumnya.

15

Gambar 3. 5. Modul Power Amplifier

3.3.5. Modul Sistem Kendali Level Air (TWP-1)

Modul sistem kendali level air terdiri dari dua buah tangki penampung

dimana tangki pertama yang terhubung dengan input yang akan

menggerakkan seberapa besar motor akan berputar untuk memompa air

menuju tangki kedua melalui selang air. Sedangkan tangki penampung kedua

merupakan tangki pengukuran yang dilengkapi dengan sensor level air. Pada

tangki ini terdapat 10 mbar pengukuran untuk mengukur ketinggian level air

melalui sensor tersebut. Melalui perhitungan sensor maka akan didapatkan

perhitungan yang dikonversikan menjadi tegangan melalui modul DPT.

Gambar 3. 6. Modul TWP-1

16

3.3.6. Modul Output Sistem Kendali Level Air (DPT-5)

Hasil pembacaan oleh sensor ketinggian level air dikonversikan

menjadi tegangan melalui modul DPT ini.

Gambar 3. 7. Modul DPT-5

Modul DPT berjalan kurang presisi dan tidak akurat, hal ini dibuktikan

dengan pengetesan menggunakan multimeter.

Berdasarkan parameter yang ditentukan, seharusnya hasil pengukuran

seperti berikut:

Tabel 3. 1. Parameter Output seharusnya (0,2 V/ mbar)

Sedangkan hasil pengukuran, ketika parameter output menunjukkan

besaran 0,2V/ mbar:

mbar Output

1 200 mV

2 400 mV

3 600 mV

17

Tabel 3. 2. Hasil Pengujian (0,2 V/ mbar)

Terdapat error atau ketidaksesuaian dengan hasil yang diharapkan.

Berdasarkan parameter yang ditentukan, seharusnya hasil pengukuran

seperti berikut:

Tabel 3. 3. Parameter Output seharusnya (0,6 V/ mbar)

Ketika parameter output menunjukkan besaran 0,6V/ mbar:

Tabel 3. 4. Hasil Pengujian (0,6 V/ mbar)

mbar Output

1 0,8V

2 1,7V

3 2,66 V

Terdapat error atau ketidaksesuaian dengan hasil yang diharapkan.

Modul DPT dikatakan tidak akurat karena hasil yang didapat tidak

sesuai, perbedaan angka diluar toleransi. Modul DPT juga dikatakan kurang

mbar Output

1 240 mV

2 532 mV

3 760 mV

mbar Output

1 200 mV

2 400mV

3 600 mV

18

presisi karena walaupun nilainya memiliki selisih yang besar, tetapi setiap

kenaikan atau perbedaan setiap mbar nya memiliki kenaikan yang konstan.

3.3.1. Modul Arduino UNO

Modul Arduino ini bekerja seperti Arduino UNO pada umumnya.

Akan tetapi, tegangan output pada modul Arduino UNO ini senilai dua kali

lipat dari output Arduino UNO yaitu 5 Volt maka total output yang dihasilkan

modul ini adalah 10 Volt. Tegangan keluaran dari modul ini dikalikan dua

karena driver motor pada plant kendali level air membutuhkan tegangan lebih

dari lima untuk beroperasi.

Gambar 3. 8. Modul Arduino UNO

3.4. Perancangan Perangkat Lunak (Software)

3.3.7. Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 1

Gambar 3. 9. Model Simulink untuk mencari parameter PID

19

Pada metode ini sistem kendali level air diatur pada sistem kendali

terbuka (open loop). Pada Simulink Matlab, scope akan memperlihatkan

respon berupa Kurva S. Dengan menggunakan metode tipe 1 untuk

mendapatkan parameter L dan T.

3.3.8. Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 2

Gambar 3. 10. Model Simulink untuk mencari parameter Pcr dan Kcr

Pada metode ini sistem kendali level air diatur menjadi sistem tertutup/

rangkaian feedback. Pada simulink Matlab, scope akan menunjukkan grafik

yang berosilasi. Parameter Kp pada modul PID diatur agar

3.3.9. Script Matlab dan PID-Arduino

Script pada Matlab digunakan untuk menjalankan sistem yang telah

stabil, dalam artian sudah mengandung harga Kp, Ki dan Kd yang sesuai.

Sehingga respon yang didapat dari sistem memiliki Rise time, settling time,

overshoot dan steady state error yang kecil.

Pemrograman PID pada Arduino memungkinkan Arduino dapat

menggerakkan sistem tanpa bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone).

31

BAB IV

DATA PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1

Modul Kendali level air bekerja dengan memberikan tegangan input sebesar

+15V. untuk mengatur kecepatan pompa yaitu dengan memaksimalkan

potentiometer yang ada di modul tersebut. Setpoint diatur pada kondisi

setimbang, yaitu pada tegangan 7,5 V. Proses manual tunning PID menggunakan

metode Ziegler-Nichols 1 dilakukan menggunakan modul Arduino UNO yang

diprogram menggunakan Simulink dari Matlab.

Dengan menggunakan Ziegler Nichols 1, hasil respon yang didapat dari

modul kendali level air digunakan untuk menghitung nilai Kp, Ti dan Td.

Gambar 4. 1. Hasil respon modul Kendali level air selama 10 menit

Langkah selanjutnya adalah menentukan parameter T dan L menggunakan

respon pada gambar 4.1.

21

Gambar 4. 2. Hasil respon untuk menentukan nilai L dan T

Dengan menggunakan data cursor maka didapat batas untuk nilai T yaitu

2561 dan L yaitu 249,8. Setelah dihitung dan dibandingkan dengan waktu yang

diatur dari simulink dan waktu sebenarnya maka didapat nilai T = 219,5 dan nilai

L = 21,43, maka:

(

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

Kp (

)

......................................... (3)

Ti

......................................... (4)

Ki

......................................... (5)

Td

......................................... (6)

Kd

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

maka langkah selanjutnya adalah melakukan proses tunning pada modul PID

yang terhubung langsung dengan modul Kendali level air. Keluaran

diumpanbalikkan ke modul PID.

22

Gambar 4. 3. Modul Level Kendali Air

Hasil perhitungan Kp, Ti dan Td menggunakan metoda Ziegler-Nichols 1 di

tunning kan ke modul PID. Grafik respon yang dihasilkan respon menjadi cepat

untuk mencapai steady state dengan error yang sedikit.

Setpoint yang digunakan yaitu 1 volt. Ketika setpoint diatur maka respon akan

mengikuti agar menuju steady state. Saat setpoint dinaikan maka respon juga

akan naik. Begitu pula ketika respon diturunkan hingga setengahnya maka respon

juga akan mengikuti sampai steady state.

23

Gambar 4. 4. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 1

4.2. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2

Modul Kendali level air bekerja dengan memberikan tegangan input sebesar

+15V. untuk mengatur kecepatan pompa yaitu dengan memaksimalkan

potentiometer yang ada di modul tersebut. Setpoint diatur pada kondisi sesuai

dengan output agar mendapat output yang berosilasi, yaitu pada tegangan 0,83 V

yang menghasilkan air sekitar 3 bar.

Proses manual tunning PID menggunakan metode Ziegler-Nichols 2 dilakukan

menggunakan modul Arduino UNO yang diprogram menggunakan Simulink dari

Matlab.

Dengan menggunakan nilai Kp atau Kcr = 190 pada metoda Ziegler Nichols 2

maka hasil respon yang didapat dari modul kendali level air digunakan untuk

menghitung nilai Kp, Ti dan Td.

24

Gambar 4. 5. Hasil respon modul Kendali level air yang berosilasi

Langkah selanjutnya adalah menetukan parameter Pcr dan Kcr menggunakan

respon pada gambar 4.5.

Gambar 4. 6. Hasil respon untuk menentukan nilai Pcr

Dengan menggunakan data cursor maka didapat batas x1 = 541 dan x2 =

556,6. Setelah dihitung dan dibandingkan dengan waktu yang diatur dari

simulink dan waktu sebenarnya maka didapat nilai x1 = 45,08 dan x2 = 46,4,

maka nilai Pcr yaitu 1,315. Berikut adalah perhitungan untuk menentukan harga

Kp, Ki dan Kd:

......................................... (7)

Kp

......................................... (8)

Ti

25

......................................... (4)

Ki

......................................... (9)

Td

......................................... (6)

Kd

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

maka langkah selanjutnya adalah melakukan proses tunning pada modul PID

yang terhubung langsung dengan modul Kendali level air. Keluaran

diumpanbalikkan ke modul PID.

Gambar 4. 7. Modul Kendali Level Air close loop

Hasil perhitungan Kp, Ti dan Td menggunakan metoda Ziegler-Nichols 2 di

tunning kan ke modul PID. Grafik respon yang dihasilkan respon menjadi cepat

untuk mencapai steady state dengan error yang sedikit. Setpoint yang digunakan

yaitu 0,7 volt. Ketika setpoint diatur maka respon akan mengikuti agar menuju

steady state. Saat setpoint dinaikan maka respon juga akan naik. Begitu pula

26

ketika respon diturunkan hingga setengahnya maka respon juga akan mengikuti

sampai steady state.

Gambar 4. 8. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 2

Setpoint yang digunakan yaitu 0,7 volt. Ketika setpoint diatur maka respon

akan mengikuti agar menuju steady state. Saat setpoint dinaikan maka respon

juga akan naik. Begitu pula ketika respon diturunkan hingga setengahnya maka

respon juga akan mengikuti sampai steady state.

4.3. Script Matlab

Berdasarkan percobaan tunning algoritma PID menggunakan metode Ziegler

Nichols tipe 1 maupun tipe 2, dilakukan metode Trial and Error untuk

mendapatkan respon sistem yang terbaik. Parameter PID dengan respon terbaik

yaitu Kp = 300 , Ki = 344,8 dan Kd = 9. Parameter-parameter tersebut

dimasukkan ke dalam script pada Matlab.

Berikut merupakan script yang digunakan pada Matlab untuk melihat hasil

respon berdasarkan parameter-parameter yang sudah ditentukan.

int Output = 5; //untuk menset pin 5

sebagai output

float Ts = 0.1; //waktu sampling

//Nilai Kp, Ki, Kd

float Kp = 300;

float Ki = 344.8;

float Kd = 9;

//Definisi variable untuk perhitungan

PID

float Setpoint, Feedback, Setpoint1,

Feedback1;

float error;

float errorD, errorD1;

float errorI, errorIsekarang,

errorIsekarang1, errorIsekarang2;

27

float outP, outI, outD, outPIDsebelum;

float errorsebelum = 0;

int errorIsebelum = 0;

int outPID;

void setup () {

//put your setup code here, to run

once:

pinMode (5, OUTPUT);

Serial.begin(9600); //hanya untuk

memonitor melalui serial

}

void loop () {

//put your main code here, to run

repeatedly:

Setpoint = analogRead(A2); //baca

setpoint dari potensio

Setpoint1 = Setpoint*0.0049;

Feedback = analogRead(A3); //baca

umpan balik

Feedback1 = Feedback*0.0049;

//Hitung error

error = Setpoint1 - Feedback1;

//Menghitung error Integral

errorIsekarang = error+errorsebelum;

errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 =

errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2 +

errorIsebelum;

//Menghitung error Diferensial

errorD1 = error - errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

//Kendali PID

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPIDsebelum = outP + outI + outD;

outPID = outPIDsebelum*51;

outPID = outPID*0.5;

//Membatasi nilai agar PID tidak

>255 atau =255)

{

outPID=255;

}

else if(outPID

28

Gambar 4. 9. Hasil Respon Sistem Kendali Level Air menggunakan Script pada Matlab

Dengan menggunakan Script diatas maka respon yang dihasilkan seperti yang

tampak pada gambar 4.9.

4.4. PID-Arduino

Arduino UNO dapat digunakan sebagai perangkat untuk menjalankan sistem

serta dapat menunjukkan hasil respon sistem kendali level air. Arduino bekerja

tanpa terhubung dengan komputer. Arduino mendapatkan supply daya dari jala-

jala. Hal ini menunjukkan bahwa Arduino bekerja secara standalone atau tanpa

bantuan komputer ketika memulai pengoperasian sistem. Instalasi dilakukan

dengan cara mengupload Arduino dengan program berikut:

int Output = 5; //untuk menset pin 5

sebagai output

float Ts = 0.1; //waktu sampling

//Nilai Kp, Ki, Kd

float Kp = 300;

float Ki = 344.8;

float Kd = 9;

//Definisi variable untuk perhitungan PID

float Setpoint, Feedback, Setpoint1,

Feedback1;

float error;

float errorD, errorD1;

float errorI, errorIsekarang,

errorIsekarang1, errorIsekarang2;

float outP, outI, outD, outPIDsebelum;

float errorsebelum = 0;

29

int errorIsebelum = 0;

int outPID;

void setup () {

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

pinMode (5, OUTPUT);

Serial.begin(9600); //hanya untuk

memonitor melalui serial

}

void loop () {

//put your main code here, to run

repeatedly:

Setpoint = analogRead(A2); //baca

setpoint dari potensio

Setpoint1 = Setpoint*0.0049;

Feedback = analogRead(A3); //baca

umpan balik

Feedback1 = Feedback*0.0049;

//Hitung error

error = Setpoint1 - Feedback1;

//Menghitung error Integral

errorIsekarang = error+errorsebelum;

errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2 +

errorIsebelum;

//Menghitung error Diferensial

errorD1 = error - errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

//Kendali PID

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPIDsebelum = outP + outI + outD;

outPID = outPIDsebelum*51;

outPID = outPID*0.5;

//Membatasi nilai agar PID tidak >255

atau =255)

{

outPID=255;

}

else if(outPID

30

//code untuk menampilkan di serial

monitor

Serial.print ("Setpoint = ");

Serial.print (Setpoint1);

Serial.print ("Feedback = ");

Serial.println (Feedback1);

}

Saat proses upload program ke Arduino berhasil, plant akan menyala sesuai

dengan setpoint yang diatur melalui modul setpoint (RVG-5). Respon Arduino tidak

berupa grafik melainkan berupa deret bilangan seperti gambar 4.10 yang

menunjukkan proses berjalannya respon pada sistem level air.

Gambar 4. 10. hasil respon sistem menggunakan Program Arduino

31

BAB V

SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan

Berdasarkan proses pengujian, pengambilan data dan analisa percobaan yang

telah dilakukan mengenai Sistem Kendali PID pada Sistem Kendali Level Air,

dapat disimpulkan bahwa:

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

Metode Ziegler Nichols 1 atau 2. Akan tetapi terdapat kelebihan dan

kekurangannya.

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

respon akan lebih stabil dibandingkan dengan tipe 2 tetapi proses pengambilan

data untuk mencari parameter Kp, Ki dan Kd membutuhkan waktu yang lebih

lama dibanding tipe 2.

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

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

tercampur dengan noise dari gelombang air yang tidak tenang.

4. Pada metode Trial dan Error pengubahan parameter-parameter respon dilakukan

agar respon bisa mencapai steady state dengan risetime dan overshoot yang kurang

serta sedikitnya steady state error.

5.2. Saran

Demi penyempurnaan, keakuratan dan pengembangan kajian ilmiah ini, maka

penulis memberikan saran, sebagai berikut:

1. Melakukan praktikum sesuai prosedur dengan langkah-langkah yang benar.

2. Lebih teliti dan jeli dalam melakukan tunning terutama pada saat menentukan

parameter-parameter PID.

32

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Maharani. Aldea Steffie, Setiono. Budi, dan Sumardi, Aplikasi Kontrol Pid

Untuk Pengendalian Ketinggian Level Cairan Dengan Menggunakan

TCP/IP, Skripsi, Universitas Diponegoro, 2007.

[2]. Ferdinando. Hany, Desain PID Controller dengan Software Matlab, Jurnal,

Universitas Kristen Petra, 2007.

[3]. Menghubungkan Arduino dengan Matlab,

http://waterfilling.blogspot.com/2014/07/menghubungkan-arduino-dengan-

matlab.html. Diakses 10 Januari 2015.

[4]. Pengertian Kendali PID,

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

Diakses 10 Januari 2015.

[5]. Metoda Tunning Ziegler Nichols,

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

nichols.html. Diakses 10 Januari 2015.

[6]. Matlab R2013a,

http://www.behdadsoft.com/Matlab-R2013a.html. Diakses 10 Januari 2015

[7]. Pengantar untuk Pemrograman Matlab,

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

pemrograman-matlab.pdf. Diakses 10 Januari 2015.

33

[8] Arduino Arts,

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

Diakses 10 Januari 2015.

[9]. Pengenalan Arduino

http://www.tobuku.com/docs/Arduino-Pengenalan.pdf. Diakses 8 Januari

2015.