SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi

Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada

Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-

Coon menggunakan Matlab dan Arduino

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah

Sistem Kendali Digital

Diploma III Program Studi Teknik Elektronika

Jurusan Teknik Elektro

Oleh :

Hilman Sulaeman

131311048

POLBAN

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

POLBAN

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi

[i]

ABSTRAK

Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, dewasa ini

sistem kendali automatik memiliki peran yang sangat penting. Peranan sistem

kendali automatik adalah paling menonjol dalam berbagai keperluan manusia atau

bangsa yang telah maju peradabannya. Contoh konkrit dapat kita lihat pengendalian

lift pada gedung bertingkat.

Untuk itu dengan adanya sistem kendali posisi yang di aplikasikan dalam

berbagai kendali otomatis, dapat di simulasikan dengan rancang bangun sistem

pengendalian pada Plant Posisi dengan PID kontrol. Menggunakan metode Ziegler-

Nicholes I dan II, Coohen-Coon, serta penggunaan script programming pada

Matlab dan Arduino. Hasil akhir dari simulasi ini dapat kita rancang dengan Stand

Alone Arduino.

Kata Kunci : Sistem Kendali Posisi, PID Kontrol, Ziegler-Nicholes I dan II,

Coohen-Coon, Script Programming, Matlab, Arduino dan Stand

Alone Arduino.

POLBAN


[ii]

ABSTRACT

Along with the development of science and technology, today's automatic control

system has a very important role. The role of the automatic control system is the most

prominent in a variety of human purposes or nation that has advanced civilization. Concrete

examples we can see the elevator control in buildings.

For it with the position control system is applied in a variety of automatic control,

can be simulated with the control system design Plant Position wit PID Controller. Using

the method of Ziegler-Nicholes I and II, Coohen-Coon, as well as the use of script

programming in Matlab and Arduino. The end result of this simulation can be designed

with a Stand Alone Arduino.

Key Words : Position Control System, PID Controller, Ziegler-Nicholes I dan II,

Coohen-Coon, Script Programming, Matlab, Arduino dan Stand

Alone Arduino.

POLBAN


[iii]

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang memiliki

segala sumber ilmu dan pengetahuan. Tak lupa shalawat serta salam penulis

curahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW, karena berkat kasih dan

karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Laporan Akhir Praktikum Sistem

Kendali dengan judul “Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada

Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon menggunakan

Matlab dan Arduino”.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang telah

memberikan bantuan dan dorongan dari berbagai pihak yang berarti bagi

penyelesaian laporan ini kepada :

1. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku dosen pembimbing atas segala

dorongan, kesabaran, ketekunan, pengertian dan bimbingannya.

2. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku wali kelas 2B Elektronika 2013

yang selalu memberi dukungan dan nasihatnya.

3. Ibu Iom selaku teknisi yang telah melayani penulis untuk meminjamkan

alat dan bahan untuk praktikum

4. Kepada kedua orang tua yang selalu memberi dukungan dan semangat

setiap saat, baik secara moril maupun materil.

5. Febry Rustiansyah, selaku rekan penulis dalam praktikum.

6. Serta teman – teman Elektronika 2B yang telah banyak memberi bantuan

kepada penulis selama proses pembelajaran SKD.

Akhirnya penulis berharap laporan akhir praktikum SKD dapat bermanfaat

untuk mahasiswa khususnya dan masyarakat luas umumnya. Penulis

mengharapkan kritik dan saran yang sufatnya membangun guna memperbaiki

laporan ini di masa depan.

Bandung , Juli 2015

Penulis

POLBAN


[iv]

DAFTAR ISI

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

ABSTRACS ...................................................................................................... ii

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

DAFTAR ISI ................................................................................................. iv-v

DAFTAR GAMBAR .................................................................................. vi-vii

DAFTAR TABLES ........................................................................................ viii

BAB-I PENDAHULUAN

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

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

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

BAB-II LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Secara Keseluruhan .......................................................................... 3

2.1.1. Power Supply ..................................................................................... 3

2.1.2. Set Point ............................................................................................. 3

2.1.3. Power Amplifier ................................................................................. 4

2.1.4. Modul PID .......................................................................................... 4

2.1.5. Modul Kendali Posisi ......................................................................... 5

2.1.6. Multimeter .......................................................................................... 5

2.1.7. Matlab ................................................................................................ 6

2.1.8. Arduino .............................................................................................. 6

POLBAN


[v]

2.2 PID Controller ............................................................................................. 6

2.2.1. Pengontrol Proporsional ................................................................ 7-8

2.2.2. Pengontrol Integral ............................................................................ 9

2.2.3. Pengontrol Derivative ...................................................................... 10

2.3 Metoda Tunning PID Ziegler-Nichols ....................................................... 11

2.3.1. Metode ke-I Ziegler-Nichols ...................................................... 11-12

2.3.2. Metode ke-II Ziegler-Nichols ........................................................... 13

2.4 Cara Men-tuning .................................................................................. 14-17

BAB-III METODELOGI PERANCANGAN

3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi ............................................................ 18

3.2 Spesifikasi Modul Sistem Pengendali Posisi ............................................. 18

3.3 Blok Diagram ............................................................................................. 19

3.4 Langkah Percobaan (Metodologi Eksperimental) ................................ 19-22

BAB-IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I ................................... 23-24

4.2 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I ......................................... 25

4.3 Desain Kendali dengan Coohen-Coon ....................................................... 26

4.4 Menggunakan Script-Matlab ................................................................ 26-27

4.5 Menggunakan Stand Alone Aduino ..................................................... 28-30

BAB-V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ................................................................................................ 31

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

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

POLBAN


[vi]

DAFTAR GAMBAR

Gambar I.1 Power Supply .................................................................................. 3

Gambar I.2 Set Point .......................................................................................... 3

Gambar I.3 Power Amplifier ............................................................................. 4

Gambar I.4 Modul PID ...................................................................................... 4

Gambar I.5 Modul Kendali Posisi ...................................................................... 5

Gambar I.6 Multimeter....................................................................................... 5

Gambar I.7 Matlab ............................................................................................. 6

Gambar I.8 Arduino ........................................................................................... 6

Gambar I.9 Blok Diagram Kontroler PID Analog ............................................. 7

Gambar I.10 Diagram blok kontroler proporsional............................................ 8

Gambar I.11 Proportional band dari pengontrol proporsional tergantung pada

penguatan. .......................................................................................................... 9

Gambar I.12 Kurva Sinyal Kesalahan E (T) Terhadap T Pada Pembangkit

Kesalahan Nol .................................................................................................. 10

Gambar I.13 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan10

Gambar I.14 Blok diagram pengontrol Derivative .......................................... 11

Gambar I.15 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative ...... 11

Gambar I.16 Kurva Tanggapan Berbentuk S. .................................................. 12

Gambar I.17 Karakteristik Keluaran Suatu Sistem Dengan Penambahan Kp . 13

Gambar I.18 Gambar 1. Overshoot 25% .......................................................... 14

Gambar I.19 Kurva S ....................................................................................... 14

Gambar I.20 Penentuan paameter L dan T....................................................... 15

Gambar I.21 Formula PID................................................................................ 15

Gambar I.22 Sistem Teredam .......................................................................... 16

Gambar I.23 Sistem Tidak Teredam ................................................................ 16

Gambar I.24 Persamaan ZN-Tipe 2 ................................................................. 17

POLBAN


[vii]

Gambar I.25 Osilasi Konsisten ........................................................................ 17

Gambar I.26 Plant Pengendalian Posisi ........................................................... 18

Gambar I.27 Diagram Blok .............................................................................. 19

Gambar I.28 Plant Kendali Posisi .................................................................... 19

Gambar I.29 Simulink 1 ................................................................................... 20

Gambar I.30 Simulink 2 ................................................................................... 20

Gambar I.31 Lowpass Filter ............................................................................. 20

Gambar I.32 Konfigurasi Arduino pada Plant ................................................. 21

Gambar I.33 Modul PID .................................................................................. 22

Gambar I.34 Respon Awal Kendali ................................................................. 23

Gambar I.35 Menentukan Nilai X1 dan X2 ..................................................... 23

Gambar I.36 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning .................................. 24

Gambar I.37 Respon Awal dan Menentukan X1 X2 ....................................... 25

Gambar I.38 Respon Gelombang Hasil Tuning Manual .................................. 25

Gambar I.39 Respon Awal dengan Coohen-Coon ........................................... 26

Gambar I.40 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning .................................. 27

Gambar I.41 Hasil pada Serial Komputer ........................................................ 30

POLBAN


[viii]

DAFTAR TABLE

Tabel II.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1 ........................................... 12

Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-2 ........................................... 13

Tabel II.3 Acuan Men-Tunning ....................................................................... 17

Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi ........................................... 18

Tabel II.5 Nilai X1 dan X2 .............................................................................. 23

Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I............................................................. 23

Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I ....................................................... 24

Tabel II.8 Hasil Perhitungan ZN Tipe II .......................................................... 25

Tabel II.9 Hasil Manual Tuning ....................................................................... 25

Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning ................................................ 27

POLBAN


[1]

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Dalam era modern ini pembangunan gedung berlantai tingkat kian

bertambah, yang menyebabkan transportasi vertikal diantara lantai gedung-gedung

tersebut semakin dibutuhkan. Elevator (lift) merupakan salah satu dari alat

transportasi vertikal yang banyak digunakan saat ini, hal ini disebabkan perjalanan

antar lantai dengan menggunakan elevator didalam gedung lebih menghemat waktu

dan tenaga dibandingkan dengan menggunakan tangga [1]. Sistem pembangunan

otomatis menjadi faktor pendorong dalam perkembangan pembuatan lift hingga

sekarang yang menggunakan motor AC dengan kontrol PLC. Lift merupakan

seperangkat alat angkut transportasi vetikal yang mempunyai gerakan periodik dan

digunakan untuk mengangkut (manaikkan/menurunkan) orang atau barang secara

vertikal melalui suatu guide rail vertical (jalur rel vertikal) dengan menggunakan

seperangkat alat mekanik baik disertai alat otomatis ataupun manual [2] dan dengan

sebuah controller. Kontroller berfungsi untuk memastikan bahwa setiap proses

terjadi dengan baik. PID (Proportional-Integral-Derivative controller) merupakan

kontroller untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut [3]. Pengontrol PID adalah

pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri. Pemilihan

kontroller bergantung pada sistem instrumentasi yang digunakan. Untuk

mendapatkan kontroller yang diingin dapat disimulasikan dengan menggunakan

aplikasi MATLAB [4].

Laporan praktikum Sistem Kendali Kontinu ini menggunakan algoritma PID

untuk mengontrol sebuah plant kendali posisi. Metoda mendesain kontrol PID yang

digunakan dalam praktikum ini ialah metoda Ziegler Nichols 1 dan 2. Dengan

mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd, maka didapatkan pula desain dari metoda ZN-1

dan ZN-2. Desain kontroller dapat dilakukan dengan men-tunning secara manual

untuk mendapatkan hasil yang maksimal dan sesuai dengan plant yang akan di

kontrol.

POLBAN


[2]

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah dan tujuan yang ingin dicapai, berikut

merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini. Bagaimana

respon sistem level air sebelum menggunakan PID.

1. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali posisi.

2. Bagaimana perbandingan hasil respon sistem menggunakan metode PID

Ziegler Nichols I dan Ziegler Nichols II

3. Bagaimana desain kendali dengan metode Coohen-Coon

4. Penggunaan Script Programming pada MATLAB

5. Dan membandingkannya dengan Script Programming Stan Alone

Arduino

1.3 Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai penulis adalah sebagai berikut :

1. 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. Coohen-Coon.

2. Menggunakan Script Programming Matlab

3. Serta menggunakan Script Programming pada Stand Alone Arduino

POLBAN


[3]

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Secara Keseluruhan

2.1.1. Power Supply

Power Supply adalah catu daya dc yang berfungsi

untuk memberi tegangan. Power supply yang digunakan

disini adalah output +15V/1A dan -15V1A yang kemudian

terhubung dengan Set-Point. Dan terdapat tombol yang

mengatur besar tegangan yang keluar. Dan juga ada

tegangan yang fix atau tetap yaitu 5V per 1A.

Gambar I.1 Power Supply

2.1.2. Set Point

Set Point adalah alat yang berfungsi untuk menentukan

kendali suatu alat yang diinginkan. Set point disini terbagi

menjadi 2 pilihan yaitu :

1. Untuk konektor yang pertama dapat mengatur antara

0V sampai dengan +10V.

2. Untuk konektor yang kedua dapat mengatur antara -

10V sampai dengan +10V

Gambar I.2 Set Point

POLBAN


[4]

2.1.3. Power Amplifier (Penguat Daya)

Power amplifier berfungsi sebagai penguatan daya

agar pengendalian output beban stabil karena output

beban yang digunakan membutuhkan daya yang besar.

Terdapat 3 pilihan dalam penggunaan power amplifier :

1. Output pada power amplifier dikalian +1

2. Output pada power amplifier dikalian -1

3. Jika keduanya digabungkan maka output power

amplifier dikuatkan atau dikalikan 2 dari set point.

Gambar I.3 Power Amplifier

2.1.4. Modul PID

PID Controller (Kendali PID) adalah suatu

alat untuk mengatur nilai keluaran desain kendali

yang telah dibuat. Terdapat 3 tombol pengatur

yaitu untuk Kp, Ti dan Td. Dan dapat diatur secara

manual sesuai dengan yang kita inginkan.

Gambar I.4 Modul PID

POLBAN


[5]

2.1.5. Modul Kendali Posisi

Adalah suatu alat yang dapat

mengendalikan posisi suatu objek. Dengan motor

sebagai pengerak posisi dan sensor sebagai

penentu posisi. Pada modul ini terdapat 2 keluaran

yaitu +10V dan -10V. Serta terdapat tombol

sebagai pengatur manual posisi.

Gambar I.5 Modul Kendali Posisi

2.1.6. Multimeter

Sebelum merangkai cek terlebih dahulu

alat yang digunakan dengan multimeter seperti

power supply, set point(reference variable

generator), power amplifier, dan motor

generator, dengan mengukur tegangannya

apakah sudah sesuai atau belum.

Gambar I.6 Multimeter

POLBAN


[6]

2.1.7. Matlab

Matlab adalah salah satu software

yang digunakan untuk mendesain sistem

kendali yang akan kita bangun. Dengan

menggunakan script programming pada

MATLAB.

Gambar I.7 Matlab

2.1.8. Arduino Uno

Arduino digunakan untuk melihat

gelombang output sistem kendali pada

MATLAB.

Gambar I.8 Arduino

2.2 PID Controller

PID (dari singkatan bahasa Proportional–Integral–Derivative controller)

merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini

terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Masing-masing

aksi kontrol ini mempunyai keunggulan-keunggulan tertentu. Kontrol proportional

mempunyai keunggulan rise time yang cepat, kontrol integral mempunyai

keunggulan untuk memperkecil error dan kontrol derivative memiliki keunggulan

untuk memperkecil error atau meredam overshot/undershoot. Untuk mendapatkan

keluaran dengan rise time yang cepat dan error yang kecil dapat menggabungkan

ketika kontroller ini.

POLBAN


[7]

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengontrol P, I dan D

dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi

pengontrol proposional plus integral plus derivative (pengontrol PID). Elemen-

elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk

mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan

perubahan awal yang besar.

Gambar I.9 Blok Diagram Kontroler PID Analog

Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari

ketiga parameter P, I dan D. Pengaturan konstanta Kp, Ti, dan Td akan

mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari

ketiga konstanta tersebut dapat diatur lebih menonjol dibanding yang lain.

Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon

sistem secara keseluruhan

2.2.1 Pengontrol Proporsional

Pengontrol proposional memiliki keluaran yang sebanding atau proposional

dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang di inginkan dengan

harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran

pengontrol proporsional merupakan perkalian antara konstanta proposional dengan

masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segeramenyebabkan sistem

secara langsung mengeluarkan output sinyal sebesar konstanta pengalinya.

Gambar 2.2 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan

antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengontrol

POLBAN


[8]

proporsional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting

dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi pengontrol, untuk

mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif

(memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).

Gambar I.10 Diagram blok kontroler proporsional

Pengontrol proposional memiliki 2 parameter, pita proposional

(propotional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroler efektif

dicerminkan oleh pita proporsional sedangkan konstanta proporsional menunjukan

nilai faktor penguatan sinyal tehadap sinyal kesalahan Kp.

Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional

(Kp) ditunjukkan secara persentasi oleh persamaan berikut:

𝑃𝐵 =1

𝐾𝑝× 100%

menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran pengontrol dan kesalahan yang

merupakan masukan pengontrol. Ketika konstanta proporsional bertambah

semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil,

sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit.

POLBAN


[9]

Gambar I.11 Proportional band dari pengontrol proporsional tergantung pada penguatan.

2.2.2 Pengontrol Integral

Pengontrol integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki

kesalahan keadaan stabil nol. Jika sebuah plant tidak memiliki unsur integrator(1/s),

pengontrol proposional tidak akan mampu menjamin keluaran sistemdengan

kesalahan keadaan stabilnya nol. Dengan pengontrol integral, responsistem dapat

diperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keadaan stabilnya nol.

Pengontrol integral memiliki karaktiristik seperti halnya sebuah

integral.Keluaran sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai

sinyalkesalahan. Keluaran pengontrol ini merupakan penjumlahan yang terus

menerusdari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami

perubahan,eluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan

masukan.

Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang dibentuk

oleh kurva kesalahan penggerak. Sinyal keluaran akan berharga sama dengan harga

sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 2.4 menunjukkan contoh

sinyal kesalahan yang dimasukan ke dalam pengontrol integral dan keluaran

pengontrol integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.

POLBAN


[10]

Gambar I.12 Kurva Sinyal Kesalahan E(T) Terhadap T Pada Pembangkit Kesalahan Nol

Pengaruh perubahan konstanta integral terhadap keluaran integral

ditunjukkan oleh Gambar 2.5. Ketika sinyal kesalahan berlipat ganda, maka nilai

laju perubahan keluaran pengontrol berubah menjadi dua kali dari semula. Jika nilai

10 konstanta integrator berubah menjadi lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif

kecil dapat mengakibatkan laju keluaran menjadi besar .

Gambar I.13 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan

2.2.3 Pengontrol Derivative

Keluaran pengontrol Derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi

differensial. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol, akan

mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Gambar 2.6 menunjukkan

blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyalckesalahan dengan

keluaran pengontrol.

POLBAN


[11]

Gambar I.14 Blok diagram pengontrol Derivative

Gambar 2.7 menyatakan hubungan antara sinyal masukan dengan sinyal

keluaran pengontrol Derivative. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan,

keluaran pengontrol juga tidak mengalami perubahan, sedangkan apabila sinyal

masukan berubah mendadak dan menaik (berbentuk fungsi step), keluaran

menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah naik secara

perlahan (fungsi ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar

magnitudnya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp dan faktor

konstanta diferensialnya.

Gambar I.15 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative

Berdasarkan karakteristik pengontrol tersebut, pengontrol derivative

umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak

memperkecil kesalahan pada keadaan stabilnya. Kerja pengontrol derivative

hanyalah efektif pada lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh

sebab itu pengontrol derixxvative tidak pernah digunakan tanpa ada pengontrol lain

sebuah sistem (Sutrisno, 1990, 102).

POLBAN


[12]

2.3 Metoda Tunning PID Ziegler Nichols

Metoda penentuan parameter pengontrol PID Ziegler Nichols memiliki

kelebihan dibandingkan dengan metoda klasik. Salah satu kelebihan tersebut adalah

tidak ditekankannya penurunan model matematik komponen yang akan diatur

(plant). Perhitungan parameter-parameter pengontrol Proportional, Integral, dan

Diferential PID hanya dilakukan untuk menentukan ultimate gain Ku dan ultimate

periode Tu dari respon step sebuah plant. Penalaan parameter kontroller PID selalu

didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (plant). Metoda ini

didasarkan pada reaksi plant yang dikenai seuatu perubahan.

2.3.1 Metode ke-1 Ziegler-Nichols

Metode ke-1 didasarkan pada respon plant terhadap masukan tangga dalam

kalang terbuka. Plant yang tidak mempunyai integrator, menghasilkan kurva

tanggapan terhadap masukan tangga seperti kurva huruf S pada Gambar 2. Kurva

tanggapan plant digunakan untuk mencari waktu tunda L dan konstanta waktu T.

Gambar I.16 Kurva Tanggapan Berbentuk S.

Parameter-parameter yang didapat dari kurva reaksi digunakan untuk

menentukan parameter parameter pengendali PID berdasarkan tetapan empiris

Zielger-Nichols. Rumus-rumus untuk parameter pengendali menggunakan metode

kurva reaksi ditabelkan pada Tabel 1.

Tabel I.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1

Pengendali Kp Ti Td

P 1/a - -

PI 0,9 /a 3L -

PID 1,2 /a 2L L/2

POLBAN


[13]

2.3.2 Metode ke-2 Ziegler-Nichols

Pada metode ke-2, penalaan dilakukan dalam kalang tertutup dimana

masukan referensi yang digunakan adalah fungsi tangga (step). Pengendali pada

metode ini hanya pengendali proporsional. Kp, dinaikkan dari 0 hingga nilai kritis

Kp, sehingga diperoleh keluaran yang terus-menerus berosilasi dengan amplitudo

yang sama. Nilai kritis Kp ini disebut sebagai ultimated gain.

Tanggapan keluaran yang dihasilkan pada 3 kondisi penguatan proporsional

ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem dapat berosilasi dengan stabil pada saat Kp =

Ku.

Gambar I.17 Karakteristik Keluaran Suatu Sistem Dengan Penambahan Kp

Nilai ultimated period, Tu, diperoleh setelah keluaran sistem mencapai

kondisi yang terus menerus berosilasi. Nilai perioda dasar, Tu, dan penguatan dasar,

Ku, digunakan untuk menentukan konstanta-konstanta pengendali sesuai dengan

tetapan empiris Ziegler-Nichols pada Tabel 2.

Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-2

Pengendali Kp Ti Td

P Ku/2 - -

PI 2Ku /5 4Tu / 5 -

PID 3Ku /

5

Tu / 2 3Tu/25

POLBAN


[14]

2.4 Cara Men-Tunning

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 di bawah.

Gambar II.18 Gambar 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 sebagai berikut :

Gambar I.19 Kurva S

POLBAN


[15]

Gambar I.20 Penentuan paameter L dan T

Gambar I.21 Formula 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

teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti

terlihat di bawah ini.

POLBAN


[16]

Gambar I.22 Sistem Teredam

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

seperti gambar di bawah

Gambar I.23 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 6 dan tabel 2. Berdasarkan nilai ini, kita dapat

menentukan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus di bawah :

POLBAN


[17]

Gambar I.24 Persamaan ZN-Tipe 2

Gambar I.25 Osilasi Konsisten

Tabel II.3 Acuan Men-Tunning

POLBAN


[18]

BAB III

METODELOGI PENYELESAIAN

3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi

Gambar I.26 Plant Pengendalian Posisi

Modul Sistem Kendali Posisi merupakan sebuah sistem yang terdiri atas

motor servo. Prinsip kerja dari modul ini adalah input didapatkan secara manual

dari potensiometer yang terdapat pada motor driver, atau didapatkan dari setpoint.

Tegangan input akan menggerakkan motor servo. sensor posisi yang terdapat pada

modul ini akan mengeluarkan output 1V setiap perubahan 1cm.

3.2 Spesifikasi Modul Sistem Pengendalian Posisi

Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi

Catu Daya 15 Volt

Aktuator Motor Servo

Sensor Sensor Posisi ( 1V / 1 cm)

Posisi Maksimum 5 cm

Posisi Minimum -5cm

POLBAN


[19]

3.3 Diagram Blok

Set Point Plant

Feedback

Input Output+-

Gambar I.27 Diagram Blok

3.4 Langkah Percobaan (Metodelogi Eksperimental) :

1. Siapkan alat dan bahan yang akan digunakan.

2. Periksa dan pastikan modul yang digunakan dalam kondisi baik dengan

cara memeriksa menggunakan multimeter. Memeriksa setiap output

setiap modul.

3. Merangkai modul berdasarkan gambar. Power Supply, Set Point,

Modul PID, Power Amplifier, dan Modul Sistem Kendali Posisi.

4. Jalankan program MATLAB dan ARDUINO yang sudah diinstal

sebelumnya.

5. Menghubungkan Arduino ke laptop/PC.

6. Upload file adio.pde pada Arduino.

7. Atur agar arduino terhubung pada MATLAB.

8. Buka tool Simulink dan buat rangkaian seperti ini

Gambar I.28 Plant Kendali Posisi

POLBAN


[20]

Berikut Simulink untuk output +5V sampai -5V

9. Berikut Simulink untuk output +10V sampai -10V

10. Pada Lowpass Filter atur seperti pada gambar dibawah.

Gambar I.29 Simulink 1

Gambar I.30 Simulink 2

Gambar I.31 Lowpass Filter

POLBAN


[21]

11. Koneksikan Arduino dengan Plant dan sabungkan port A0 pada output

setpoint dan A5 pada output sistem kendali posisi.

Gambar I.32 Konfigurasi Arduino pada Plant

12. Mengatur Set Point sesuai dengan yang diinginkan.

13. Menjalankan Simullink dan menjalankan plant.

14. Mencari nilai T dan L atau Kcr dan Pcr dari hasil desain awal.

15. Menghitung nilai Kp, Ti, dan Td.

POLBAN


[22]

16. Jika sudah didapat nilai Kp, Ti, dan Td, dengan waktu nyata selanjutnya

gunakan PID Controller pada rangkaian. Dan lakukan Tunning manual

Mengamati dan mencatat hasil dari desain ZN tipe 1.

Gambar I.33 Modul PID

17. Langkah percobaan untuk mendesain dengan menggunakan ZN tipe II

sama halnya dengan ZN tipe I, hanya saja menentukan Kcr dan Pcr dan

untuk nilai Kp nya yang berbeda.

POLBAN


[23]

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Tipe I

Gambar I.34 Respon Awal Kendali

Gambar I.35 Menentukan Nilai X1 dan X2

X1 X2

41 304.8

Tabel II.5 Nilai X1 dan X2

ZN-1

L T Kp Ti Td Ki Kd

8.2 263.8 38.60488 16.4 4.1 2.353956 158.28

Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu nyata

Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

X: 304.8

Y: 1.322

X: 41

Y: 0.002547

X: 33.4

Y: 0.0001916

X: 632

Y: 1.842

POLBAN


[24]

Berikut Respon Gelombang Hasil Tuning Manual

Gambar I.36 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning

Dengan :

ZN-1

L T Kp Ti Td Ki Kd

8.2 263.8 79 16 4 2.35395

6 158.28

Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-1

0

1

2

3

4

5

6

POLBAN


[25]

4.2 Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Tipe II

Gambar I.37 Respon Awal dan Menentukan X1 X2

ZN-2

Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd

98 9.2 58.8 4.6 1.15 12.78261 67.62

Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu

nyata

Tabel II.8 Hasil Perhitungan ZN Tipe II

Berikut Hasil Respon Gelombang setelah di Tuning Manual

Gambar I.38 Respon Gelombang Hasil Tuning Manual

ZN-2

Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd

98 9.2 81 4.6 1.15 12.78261 67.62

Tabel II.9 Hasil Manual Tuning

5 10 15 20 25 30 35 40 45 504.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

5

X: 11.8

Y: 4.882

X: 21

Y: 4.885

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

POLBAN


[26]

4.3 Desain Kendali dengan Coohen-Coon

Gambar I.39 Respon Awal dengan Coohen-Coon

*Note : Untuk desain kendali menggunakan Coohen-Coon, saya beserta rekan

saya belum dapat menyelesaikannya dikarenakan waktu yang terbatas saat

praktikum. Namun dapat dilihat respon gelombang sudah terlihat.

4.4 Menggunakan Script-MATLAB

Koneksikan Arduino pada MATLAB.

Karena keluaran Arduino hanya 0-5V kemudian set 2,5 V x 4 pada SET

POINT sehingga keluaran menjadi -10V sampai 10V.

Masukan Script programming berikut pada Matlab

clf

Ts = 0.01 ;

pinMode(a,6,'output')

pinMode(a,13,'output')

digitalWrite(a,13,1);

Kp = 87;

Ki = 0;

Kd = 0;

error_sebelum = 0;

errorI_sebelumnya = 0;

y1 = 0;

y2 = 0;

t =0;

x=0;

analogWrite(a,6,128);

start=digitalRead(a,10);

while (start==1)

x=x+1;

SP =

analogRead(a,0)*(0.0049);

PV = analogRead(a,5);

PV = PV*0.0049;

error = SP - PV;

errorI_sekarang = ((error +

error_sebelum)/2)*Ts;

errorI = (errorI_sekarang)

+ (errorI_sebelumnya);

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

POLBAN


[27]

errorD = (error -

error_sebelum)/Ts;

outP = Kp * error;

outI = Ki * errorI;

outD = Kd * errorD;

outPID = outP + outI +

outD;

if outPID > 10

outPID = 10;

else

outPID = outPID;

end

if outPID < -10

outPID = -10;

else

outPID = outPID;

end

outPID=(outPID+10)/4;

outPID = round(outPID*51);

analogWrite(a,6,outPID);

pause (0)

y1 = [y1,SP];

y2 = [y2,PV];

t = [t,x];

plot(t,y1,t,y2);

axis ([0 3000 0 5]);

grid

drawnow;

error_sebelum=error;

errorI_sebelumnya=errorI;

start=digitalRead(a,10);

end

analogWrite(a,6,128);

Gambar I.40 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning

PID Script

L T Kp Ti Td Ki Kd

8.2 263.8 87 16.4 4.1 16 41

Keterangan : 100 detik di matlab = 4 detik waktu nyata

Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

POLBAN


[28]

4.5 Menggunakan Stand Alone Arduino

Ukur Set-Point atur menjadi 2.5 V dan atur juga pada modul PID dengan

menset nilai Kp = 4 Ti dan Td = 0 pada posisi saklar OFF. Kemudian ukur

keluaran pada modul PID sehingga menjadi 10 V. Nilai keluaran 10 V

tersebut berasal dari hasil pengalian tegangan Set-Point dengan modul PID.

Itu bertujuan untuk menggantikan tegangan yang diberikan oleh Arduino

yang terbatas sebesar 5 V sehingga dilakukan pengalian tegangan dengan

tujuan memberi tegangan yang sesuai dengan plan yaitu -10 - 10 V.

Masukan Script programming berikut pada Arduino.

#include

<LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12,

11, 5, 4, 3, 2);

int Output = 6;

float Ts = 0.01;

float Kp = 87;

float Ti = 0;

float Td = 0;

float Ki = 0;// Kp/Ti;

float Kd = 0;// Kp*Td;

float Setpoint,

Feedback, Setpoint1,

Feedback1;

float error;

float errorD, errorD1;

float errorI,

errorIsekarang,

errorIsekarang1,

errorIsekarang2;

float outP, outI, outD,

outPIDsebelum;

float errorsebelum = 0;

float errorIsebelum = 0;

int outPID;

void setup () {

lcd.begin(16, 2);

pinMode (6,OUTPUT);

}

void loop () {

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("SP=");

lcd.setCursor(6,0);

lcd.print(Setpoint1);

lcd.setCursor(11,0);

lcd.print("mm");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("PV=");

lcd.setCursor(6,1);

lcd.print(Feedback1);

lcd.setCursor(11,1);

lcd.print("mm");

Setpoint = analogRead

(A0);

POLBAN


[29]

Setpoint1 =

Setpoint*0.0049*10;

Feedback = analogRead

(A1);

Feedback1 =

Feedback*0.0049*10;

error = Setpoint1 -

Feedback1;

errorIsekarang =

error+errorsebelum;

errorIsekarang1 =

errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 =

errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2

+ errorIsebelum;

errorD1 = error -

errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPID = outP + outI +

outD;

//outPID =

outPIDsebelum;

if(outPID>=10)

{

outPIDsebelum=10;

}

else if(outPID<=-10)

{

outPIDsebelum=-10;

}

else

{

outPIDsebelum=outPIDsebe

lum;

}

float

outPIDsebelum1=(outPIDse

belum+10);

outPID=outPIDsebelum1/4;

outPID=outPIDsebelum*51;

analogWrite(6,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

}

Masukan persamaan pengali tegangan pada Arduino seperti berikut :

RUMUS : outPID=(outPID+10)/4;

Koneksikan Arduino dengan Laptop, kemudian pada Arduino klik Upload

dan lihat gelombang pada Serial-Monitor.

POLBAN


[30]

Berikut Hasil program pada Serial-Monitor. Terlihat nilai keluaran antara

Set-Point dan Feedback mempunyai nilai yang sama. Itu menunjukan

sistem berjalan dengan baik dan stabil.

Gambar I.41 Hasil pada Serial Komputer

POLBAN


[31]

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan

antara lain :

1. Pada metoda desain ZN-Tipe 1, dengan menaikkan nilai Kp, Td, dan Kd

maka dapat menurunkan overshoot dan mengurangi risetime. Terlihat

pada gambar hasil desain yang di tunning secara manual.

2. Metoda desain ZN-Tipe 2 berbanding terbalik dengan ZN-Tipe 1. Untuk

menghasilkan desain kendali yang baik maka pada ZN-Tipe 2 harus

menurunkan nilai Kp, Ti, dan Kd.

3. Dengan menggunakan script programming dapat membantu dalam

proses mendesain kendali.

4. Serta untuk merealisasikan kendali dapat di aplikasikan pada Stand

Alone Arduino.

5. Dan untuk dapat mendesain kendali baik dibutuhkan ketelitian dan

kesabaran serta insting seorang engineer.

5.2 Saran

Beberapa saran dari penulis untuk praktikum sistem kendali yaitu :

1. Setiap modul yang digunakan dirawat dan dijaga kondisinya agar ketika

praktikum dapat berjalan dengan lancar.

2. Setiap mahasiswa mempunyai handbook praktikum agar hasil

praktikum dapat tersusun rapih.

POLBAN


[32]

DAFTAR PUSTAKA

[1] Zen, R. (2008). Pemodelan Sederhana. - , 1.

[2]Steven. (2011). Perancangan simulator lift gedung 6 lantai menggunakan

Mikrokonttroller ATMega 8535. Makalah seminar tugas besar , 3.

[3]Tama, P. E. (2013). PID (proportional-Integral-Derivative) Controller.

[4]Ali, M. (2004). Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID Dengan

Software MATLAB.

Metoda Tunning Ziegler Nichols. (2011, Mei 9). Dipetik January 11, 2015, dari

Sistem Instrumentasi dan Kontrol:

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

nichols.html.

Wijaya, E. C. (2004). Auto Tuning PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols

Menggunakan Mikrokontroler AT89S52 pada Pengendalian Suhu.

Referensi : Guntur Kurniawan. Laporan Ahir Sistem Kendali Digital 2014.

SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi

Education

Transcript of SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi