Skd 131311059-laporan akhir

DESAIN KENDALI PID PADA PLANT DEBIT AIR

DENGAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN

COOHEN-COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN

ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan matakuliah

Sistem Kendali Digital pada semester IV

PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK ELEKTRONIKA

Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Rivaldi Siregar

131311059

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAKSI

Dalam dunia Industri, terutama industri minuman dalam botol, kendali debit

air sangatlah dibutuhkan untuk menentukan berapa lama waktu pengisian botol-

botol minuman tersebut. Kecepatan alirannya harus dijaga tetap konstan agar air

yang masuk tidak kurang dan tidak berlebih dari yang seharusnya. Salah satu cara

untuk merancang kendali debit air adalah dengan sistem kendali PID (Proportional

Integral Derivative). Sistem kendali ini bekerja dengan membandingkan error

dengan set point. Dalam sistem kendali ini dibutuhkan nilai-nilai Kp, Ki, Kd. Nilai-

Nilai tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan Metode Ziegler-Nichols dan

Metode Coohen-Coon. Setiap Metode memiliki karakteristik masing-masing yang

mengakibatkan sinyal respon yang dihasilkan pun berbeda-beda. Perealisasian

sistem kendali ini dapat menggunakan bantuan arduino dan matlab dalam

pengerjaanya. Dalam realisasinya, metode ZN tipe 1 dirasa memiliki hasil respon

yang paling baik dibandingkan dengan metode yang lainnya untuk sistem kendali

debit air ini. Pengaplikasian sistem kendali ini sangat bermanfaat dalam dunia

industri karena dapat meminimalisir kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi.

Kata kunci : Kendali debit air, PID, Ziegler-Nichols, Coohen-Coon, sinyal respon.

ii

ABSTRACT

In the industrial, especially drink industrial, water flow control is strongly needed

for determine the time a bottle will be filled until it full. The speed of the flow must

be in constant condition so the water fills the bottle will not too few and too much

then it must be. One of the way to design the water flow control is using PID

(Proportional Integral Derivative) Controller. This kind of control system works by

comparing error value with set point value. Here, we need the values of Kp, Ki, Kd.

Those values can be obtained using Ziegler-Nichols and Coohen-Coon method.

Every method has its own characteristic that causes the responses has different

shape of signal. The realization of this control system use arduino and matlab on

its process. In the realization, ZN type 1 method has the greatest response signal

than the other methods for water flow control plant. The application of this control

system will be very useful in the industry, because this control system can minimize

errors that occur.

Keywords : Water flow control, PID, Ziegler-Nichols, Coohen-Coon, Signal

respons.

iii

KATA PENGANTAR

Mengendalikan debit air dalam sebuah perusahaan yang produknya

menggunakan air adalah sangat penting sifatnya. Dalam mengendalikannya banyak

metode yang dapat digunakan, salah satunya PID. Untuk mempelajarinya, penulis

menyusun karya tulis yang berjudul “Desain Kendali PID pada Plant Debit Air

Dengan Metode Ziegler Nichols dan Coohen-Coon Menggunakan Matlab dan

Arduino”.

Karya tulis ini dibuat dalam rangka memenuhi tugas matakuliah sistem

kendali digital. Karya tulis ini juga bertujuan untuk mempelajari sistem kendali

menggunakan sistem PID dengan bantuan matlab dan arduino.

Dengan tuntasnya pembuatan karya ilmiah ini, penulis berterimakasih

kepada Allah S.W.T karena berkat rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat

menyelesaikan karya tulis ini. Ucapan terimakasih juga penulis haturkan kepada

dosen sistem kendali digital kami, Feriyonika, ST.M.Sc.Eng yang telah

memberikan arahan serta bimbingan dalam penyusunan karya tulis ini. Dan terakhir

penulis haturkan terimakasih kepada rekan-rekan mahasiswa program studi D3-

T.Elektronika yang telah membantu penulis dalam menyusun karya ilmiah ini.

Penulis berharap karya tulis ini memberikan pengetahuan kepada pembaca

mengenai sistem kendali PID pada plant debit air dengan menggunakan arduino

serta matlab. Penulis menerima kritik dan saran mengenai karya tulis ini. Untuk itu,

penulis mengucapkan terima kasih.

Bandung, Juli 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI

ABSTRAKSI ......................................................................................................... i

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

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

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

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

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

BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 2

2.1. PID ..................................................................................................... 2

2.1.1 Kontrol Propotional ............................................................ 3

2.1.2 Kontrol Integrative ............................................................. 3

2.1.3 Kontrol Derivative .............................................................. 3

2.2. Ziegler Nichols ................................................................................... 3

2.2.1 Ziegler Nichols tipe 1 ......................................................... 4

2.2.2 Ziegler Nichols tipe 2 ......................................................... 4

2.3. Coohen Coon ...................................................................................... 6

2.4. Manual Tunning PID.......................................................................... 8

2.5. Arduino UNO ..................................................................................... 8

2.6. Matlab 2013 ....................................................................................... 9

2.7. Plant sistem ........................................................................................ 9

BAB III PERANCAGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR ........................ 12

3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 .................................................................... 12

3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 .................................................................... 15

3.3. Metode Coohen-Coon .................................................................................. 18

3.4. Perancangan Sistem Kendali Debit Air dengan Matlab Script .................... 20

3.5. Perancangan Sistem Kendali Debit Air Stand alone controller dengan

Menggunakan Arduino ................................................................................ 21

BAB IV REALISASI PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR ...

............................................................................................................................. 22

4.1 Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ..................................................................... 22

v

4.2 Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ..................................................................... 23

4.3 Metode Coohen-Coon ................................................................................... 24

4.4 Realisasi Perancangan Sistem Kendali Debit Air dengan Matlab Script ...... 25

4.5 Realisasi Perancangan Sistem Kendali Debit Air Stand alone controller

dengan Menggunakan Arduino ...................................................................... 31

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 35

5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 35

5.2 Saran .............................................................................................................. 36

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 37

vi

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Parameter Ziegler-Nichols 1

Tabel II.2 Parameter Ziegler Nichols 2

Tabel II.3 Menentukan parameter PID dengan metode CC

Tabel II.4 Parameter Mengubah Nilai Kp, Ki dan Kd

Tabel III.1 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 1

Tabel III.2 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat awal berosilasi

Tabel III.3 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint

Tabel III.4 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode Coohen-Coon

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Blok diagram kontrol PID

Gambar II.2 Penentuan parameter L dan T

Gambar II.3 Sistem teredam

Gambar II.4 Sistem Tidak teredam

Gambar II.5 Osilasi Konsisten

Gambar II.6 Urutan tahap untuk mendesain sistem Coohen and Coon

Gambar II.7 Parameter dalam perancangan dengan metode Coohen and Coon

Gambar II.8 Konfigurasi Arduino UNO

Gambar II.9 Plant A.PS B.SP C.PID controller D.Penguat daya E.Plant debit air

Gambar III.1 Blok diagram ZN tipe 1 pada Simulink matlab

Gambar III.2 Pengaturan Lowpass Filter

Gambar III.3 Diagram blok rangkaian plant kendali debit air dengan ZN tipe 1

Gambar III.4 Pengkoneksian plant dengan rangkaian voltage devider

Gambar III.5 Grafik respon plant debit air dengan metode ZN tipe 1


Gambar III.7 Blok diagram rangkaian plant ZN tipe 2

Gambar III.8 Respon sinyal dengan ZN tipe 2 saat awal berosilasi

Gambar III.9 Respon sinyal dengan metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat

setpoint

Gambar III.10 Blok diagram Coohen-Coon pada Simulink matlab

Gambar III.11 Blok diagram rangkaian Coohen-Coon

Gambar III.12 Rangkaian pembagi tegangan

viii

Gambar III.13 Respon sinyal dengan metode Coohen-Coon

Gambar III. 14 Flowchart script matlab untuk kendali debit air

Gambar III.15 Flowchart program arduino untuk kendali debit air

Gambar IV.1 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode ZN tipe 1

Gambar IV.2 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1

Gambar IV.3 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1 setelah manual tuning


Gambar IV.5 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di awal

Gambar IV.6 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di dekat

Gambar IV.7. Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode Coohen-

Coon

Gambar IV.8 Sinyal respon dengan metode Coohen-Coon

Gambar IV.9 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan menggunakan script

matlab

Gambar IV.10 Sinyal respon dengan menggunakan script matlab

Gambar IV.11 Koneksi rangkaian low pass filter ke plant kendali debit air

Gambar IV.12 Respon sinyal dengan script matlab menggunakan low pass filter

Gambar IV.13 Respon sinyal dengan script matlab dengan Ts 0.07s

Gambar IV.14 Respon sinyal dengan script matlab setelah manual tuning

Gambar IV.15 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan stand alone

controller

Gambar IV.16 Tampilan output pada LCD

1

BAB 1

PENDAHULUAN

Debit air merupakan besaran yang menyatakan banyaknya air yang

mengalir selama satuan detik yang melewati suatu penampang luas [1]. Umumnya,

satuan untuk menyatakan debit adalah volume per satuan wakt, seperti m3/s (meter

kubik per detik) dalam satuan internasional, atau ft3/s (kaki kubik per detik) dalam

satuan imperial [2]. Debit air banyak ditemukan pada kontrol aliran sungai, dimana

pada kondisi ini, debit adalah satuan besaran air yang keluar dari Daerah Aliran

Sungai (DAS). Debit air merupakan komponen yang penting dalam pengelolaan

DAS [3]. Oleh karena itu perlu adanya kendali debit air, agar air yang mengalir

dapat diprediksi dan tidak menjadi wabah bagi manusia, seperti terjadinya air bah

atau banjir. Kendali debit air ini pula banyak digunakan di dunia industry, seperti

pada pembangkit listrik tenaga air, industri pembuatan gula yang memiliki limbah

cair, industri minuman dalam botol, dan industri-industri lainnya.

Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID untuk

mengendalikan modul plant debit air. Metode yang dipakai untuk mendapatkan

parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 (open

loop) dan tipe 2 (xlosed loop) serta metode Coohen-Coon. Masing-masing metode

memiliki cara yang berbeda dalam menentukan parameter-parameter PIDnya.

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

parameter tersebut digunakan ke modul PID. Respon sistem akan di analisi dan

diperbaiki dengan teknik manual tuning. Pada intinya, sistem kendali ini

membandingkan nilai respon yang dikeluarkan oleh output dengan setpoint yang

sudah ditentukan. Kontrol pada sistem ini berupa PID controller.

2

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. PID

PID (Propotional Integral Derivative) Controller merupakan

kontroler untuk menetukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik/ feedback pada sistem tersebut.

Komponen PID terdiri dari 3 jenis, yaitu Propotional, Integratif, dan

Derivative. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-

sendiri,tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant[4].

Gambar II.1 Blok diagram kontrol PID

Adapun persamaan Pengontrol PID adalah :

Keterangan :

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

Kp = konstanta Proporsional

Ti = konstanta Integral

Td = konstanta Detivatif

e(t) = error (selisih antara set point dengan level aktual)

Seperti dalam penjelasan kontrol PID terbagi atas 3 komponen

utama yaitu Proportional, Integrative dan Deritative.

http://putraekapermana.files.wordpress.com/2013/11/untitled.png

3

2.1.1. Kontrol Proporsional

Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika

u = G(s) • e maka u = Kp • e dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp

berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada

kinerja kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan

karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam

aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk

memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time[4].

2.1.2. Kontrol Integratif

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

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

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

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

diharapkan dapat memperbaiki error. Jika e(T) mendekati nol maka efek

kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus

menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat

dapat menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat

menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi

justru dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde

system[4].

2.1.3. Kontrol Derivatif

Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan

sebagai Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini

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

digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error

yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya berubah saat ada perubahan

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

yang menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri[4].

2.2. Ziegler-Nichols

Metode Ziegler-Nichols memiliki dua tipe yaitu Ziegler-Nichols 1,

dan Ziegler-Nichols 2.

4

2.2.1. Ziegler Nichols tipe 1

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

mempunyai integrator, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk

huruf S, lihat gambar II.2. Jika kurva ini tidak terbentuk maka Metode ini

tidak bisa diterapkan. Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2

buah konstanta, yaitu waktu tunda L dan time constant T [5].

Gambar II.2 Penentuan parameter L dan T

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 II.1.

Pengendali Kp Ti Td

P T/L ~ -

PI 0,9T/L L/0.3 -

PID 1,2T/L 2L L/2

Tabel II.1 Parameter Ziegler-Nichols 1

2.2.2. Ziegler Nichols tipe 2

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

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

diperoleh keluaran yang terus-menerus berosilasi dengan amplitudo yang

sama. Nilai 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 gambar II.3.

5

Gambar II.3 Sistem teredam

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

membesar, seperti gambar II.4.

Gambar II.4 Sistem Tidak teredam

Jika dengan Metode ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten,

maka Metode ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh

nilai critical gain Kcr dan periode kritis Pcr, lihat gambar II.5 dan tabel

II.2. Berdasarkan nilai ini, kita dapat menentukan nilai parameter Kp, Ti,

dan Td berdasarkan rumus di bawah [5]:

6

Gambar II.5 Osilasi Konsisten

Pengendali Kp Ti Td

P 0,5Kcr ∞ 0

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

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

Tabel II.2 Parameter Ziegler Nichols 2

2.3. Coohen-Coon

Bila dibandingkan dengan Zigle – Nichols, perancangan sistem Coohen and

Coon ini dapat mendesain PD Controller, sedangkan ZN tidak bisa. CC

memiliki death time yang besar.

Tahap Mendesain Sistem dengan Coohen and Coon :

Gambar II.6 Urutan tahap untuk mendesain sistem Coohen and Coon

7

Bentuk Perubahan Respon :

Gambar II.7 Parameter dalam perancangan dengan metode Coohen and Coon

Parameter yang harus didapatkan :

1. Gain :

2. Dead Time (td)

3. Time Constant (tau)

Menentukan Parameter PID (Kp,Ti,Td)

Tabel II.3 Menentukan parameter PID dengan metode CC

8

2.4. Manual Tuning PID

Untuk mendapatkan sinyal respon yang sesuai dengan yang diinginkan

ataupun dibutuhkan, maka dapat dimanual tuning dengan parameter seperti

gambar dibawag ini. Parameter dapat digunakan pada Ziegler-Nichols 1

atau 2.

Tabel II.4 Parameter Mengubah Nilai Kp, Ki dan Kd

2.5. Arduino UNO

Gambar II.8 Konfigurasi Arduino UNO

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,

9

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.[6]

2.6. 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. 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).

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.[6]

2.7. Plant Sistem

Dalam mendesain sistem kendali, terdapat beberapa plant yang

dibutuhkan, diantaranya, Power Supply (PS), Set Point(SP), PID controller,

Amplifier atau penguat daya, dan Plant yang akan dikendalikan, yaitu plant

debit air.

10

A B C D E

Gambar II.9 Plant A.PS B.SP C.PID controller D.Penguat daya E.Plant debit air

Power supply digunakan untuk memberikan tegangan agar plant

yang lain dapat bekerja, tegangan yang diberikan powersupply adalah +-

15Vdc. Prinsip kerja modul ini yaitu akan menguluarkan output tegangan

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

maka modul akan menyala. Pada modul terdapat potensiometer, fungsi dari

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

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

terdapat keluaran tegangan tetap dengan nilai, yaitu +5VDC, 6VDC,

12VDC dan 24VDC. Modul power supply ini menghasilkan arus sebesar 1

Ampere (1A). Modul ini berfungsi untuk memberikan tegangan pada modul

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

VDC, -15 VDC dan +5 VDC.

Setpoint digunakan untuk menentukan nilai tegangan yang akan

dijadikan nilai referensi. Terdapat 2 jenis setpoint yang dapat digunakan, 0-

10V ataupun -10-10V. Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc dan

ground.

PID controller digunakan untuk memasukan nilai Kp, Ti, Td yang

telah didapat. Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc dan

dihubungkan pada ground. Modul ini akan menjumlahkan ataupun

mengurangi dari beberapa nilai yang dimasukan. Hal itu dilakukan pada

blok sum, setelah melewati blok sum, maka akan melewati blok PID. Pada

blok tersebut akan terdapat nilai Kp, Ki dan Kd yang dapat diatur. Blok ini

berfungsi sebagai sistem kendali, dengan memberi nilai set point dan umpan

11

balik dari output sistem. Maka nilai-nilai tersebut akan dijadikan masukan

pada modul ini.

Modul ini berfungsi sebagai penguatan daya, agar motor dapat

bergerak maka dibutuhkan modul ini untuk menguatkan daya. Penguatan

dilakukan pada besar nilai arus. Modul ini dapat menguatkan tegangan

bernilai positif atau pun tegangan bernilai negatif. Modul ini akan bekerja

jika telah diberikan tegangan dari modul power supply.

12

BAB III

PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR

3.1 Metode Ziegler Nichols tipe 1

Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Ziegler

Nichols tipe 1 ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab.

Apabila arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat

blok diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.1.


Low pass filter yang terdapat pada blok perlu diatur seperti gambar III.2.

Gambar III.2 Pengaturan Lowpass Filter

13

Setelah Simulink selesai, maka rangkai plant yang ada seperti gambar

III.3 dan kemudian cek keadaan masing-masing dari plant. Pastikan keadaan

masing masing plant dalam keadaan baik.

Gambar III.3 Diagram blok rangkaian plant kendali debit air dengan ZN tipe 1

Untuk membandingkan setpoint dan respon, maka setpoint dan respon

dibaca oleh arduino. Dikarenakan output maksimal dari setpoint adalah 10V,

sedangkan batas maksimum dari arduino adalah 5V, maka diperlukan

rangkaian voltage devider untuk membagi dua setpoint yang akan dibaca oleh

arduino seperti pada gambar III.4.

Gambar III.4 Pengkoneksian plant dengan rangkaian voltage devider

Setelah semua selesai, maka sistem dapat dijalankan dengan

menghidupkan powersupply pada plant dan menjalankan Simulink pada

matlab, maka akan dihasilkan bentuk gelombang seperti pada gamba III.5.

Setelah gelombang didapatkan, maka Tarik garis sesuai dengan teorinya dan

mencari Kp, Ti, Td.

15

Maka akan didapatkan nilai-nilai seperti data dibawah ini :

Waktu pada stopwatch = 22.73 detik

Waktu matlab = 499-185 = 314

Lmatlab = 188-185 = 3

Tmatlab = 196-188 = 8

Dari data diatas maka dapat diperoleh T dan L sebagai berikut :

L = Lmatlab (Waktu stopwatch/waktu matlab)

= 3 (22.73/314)

= 0.217

T = Tmatlab (waktu stopwatch/waktu matlab)

= 8 (22.73/314)

= 0.579

Dengan data T dan L, serta rumus Kp, Ti, Td pada landasan teori, maka dapat

diperoleh data sebagai berikut :

L T Kp Ti Td Ki Kd

0.217 0.579 3.201843 0.434 0.1085 7.377519 0.3474

Tabel III.1 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 1


Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Ziegler

Nichols tipe 2 ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab.

Apabila arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat

blok diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.6.

16


Kemudian plant dirangkai sesuai gambar III.7 dan cek keadaan masing-

masing plant. Pastikan dalam keadaan baik.

Gambar III.7 Blok diagram rangkaian plant ZN tipe 2

Output plant debit air dikoneksikan dengan analog input 5 arduino dan

output set point dikoneksikan dengan analog input 0 arduino. Set point tidak

boleh melebihi batas kemampuan output plant yaitu 3.4V. Pada blok PID

controller, parameter Ti, Td di off kan. Menyalakan Power supply,

mengkoneksikan arduino ke laptop dan menjalankan program pada Simulink

matlab. Atur gelombang hingga berosilasi terus menerus. Ambil 2 data,

pertama ketika awal berosilasi seperti pada gambar III.8, kedua saat berosilasi

mendekati set point seperti gambar III.9. On-kan switch pada modul power

amplifier berbarengan dengan menghidupkan stopwatch. Stop simulasi pada

Simulink matlab bersamaan dengan menghentikan stopwatch. Simpan gambar

sinyal dan waktu pada stopwatch yang didapat. Tentukan nilai Kp, Ti, Td

dengan data yang didapat.

17

Gambar III.8 Respon sinyal dengan ZN tipe 2 saat awal berosilasi

Dari gelombang diatas, diperoleh Pcr dan Kcr, maka dapat diperoleh

Kp, Ti, Td sebagai berikut :

Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd

5.24 1.497342 0.748671 0.187168 3.144 4.199441 0.588455

Tabel III.2 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat awal berosilasi

Gambar III.9 Respon sinyal dengan metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint

Dari gelombang diatas, diperoleh Pcr dan Kcr, maka dapat diperoleh

Kp, Ti, Td sebagai berikut :

Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd

21.3108 1.005774 0.502887 0.125722 12.78648 25.42615 1.607539

Tabel III.3 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint

18

3.3 Metode Coohen-Coon

Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Coohen-

Coon ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab. Apabila

arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat blok

diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.10.

Gambar III.10 Blok diagram Coohen-Coon pada Simulink matlab

Kemudian plant dirangkai sesuai gambar III.11 dan cek keadaan

masing-masing plant. Pastikan dalam keadaan baik.

Gambar III.11 Blok diagram rangkaian Coohen-Coon

Mengkoneksikan modul dengan arduino dan juga voltage devider

seperti gambar III.12.

Gambar III.12 Rangkaian pembagi tegangan

Output plant debit air dikoneksikan dengan analog input 5 arduino dan

output voltage devider dikoneksikan dengan analog input 0 arduino.

Menyalakan Power supply, mengkoneksikan arduino ke laptop dan

19

menjalankan program pada Simulink matlab. On-kan switch pada modul power

amplifier berbarengan dengan menghidupkan stopwatch. Stop simulasi pada

Simulink matlab bersamaan dengan menghentikan stopwatch. Pada matlab

akan menghasilkan bentuk sinyal seperti gambar III.13. Tentukan nilai Kp, Ti,

Td dengan data yang didapat.

Gambar III.13 Respon sinyal dengan metode Coohen-Coon

Waktu pada stopwatch = 35.14 detik

Waktu matlab = 359.8

Td matlab = 2.8

Tau matlab = 3

Dari data diatas maka dapat diperoleh T dan L sebagai berikut :

Td = Td matlab (Waktu stopwatch/waktu matlab)

= 2.8 (35.14/359.8)

= 0.2735

Tau = Tau (waktu stopwatch/waktu matlab)

= 3 (35.14/359.8)

20

= 0.293

Kemudian, dengan landasan teori yang ada, maka akan diperoleh Kp, Ti, Td

sebagai mana tabel III.4 :

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 III.4 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode Coohen-Coon

3.4 Perancangan sistem kendali debit air dengan matlab script

Dalam perancangannya, digunakan scipt pada matlab dan tidak

menggunakan Simulink lagi. Isi dari sriptnya dapat dijelaskan dengan

flowchart seperti pada gambar III.14.

21

Gambar III. 14 Flowchart script matlab untuk kendali debit air

3.5 Perancangan sistem kendali debit air stand alone controller dengan

menggunakan arduino

Dalam perancangannya, digunakan aplikasi arduino untuk membuat

program. Program di unggah ke arduino kemudian aruino dikoneksikan ke

LCD untuk melihat setpoint dan respon yang terbaca. Program arduinonya

dapat dijelaskan dengan flowchart pada gambar III.15

Gambar III.15 Flowchart program arduino untuk kendali debit air

22

BAB IV

REALISASI PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR


Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.1.


Setelah data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID

Controller, maka didapatkan bentuk signal respon seperti gambar IV.2.

Gambar IV.2 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1

Terlihat antara bentuk sinyal set point dengan sinyal respon masih

terdapat banyak noise. Untuk mengurangi noise tersebut, maka dilakukan

manual tuning dengan merubah Ti dan Tdnya sebagai berikut :

Ti = 0.434 dikurangi menjadi 0.4

Td = 0.1085 dikurangi menjadi 0.07

Maka bentuk sinyal responya akan seperti gambar IV.3 dibawah ini :

23

Gambar IV.3 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1 setelah manual

tuning

Dapat terlihat bahwa setelah dilakukan manual tuning, sistem lebih

satbil.

Keterangan : warna biru = set point, warna ungu = respon




Pada metode ini, terdapat dua macam data yang diperoleh, pertama data

diambil dari pertama sinyal respon berosilasi, dan yang kedua ketika berosilasi

didekat setpoint.

Pada data pertama dimana ketika sinyal respon berosilasi di awal,

diperoleh data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID


24

Gambar IV.5 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di awal

Pada data kedua dimana ketika sinyal respon berosilasi di awal,

diperoleh data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID


Gambar IV.6 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di dekat

set point

Dapat terlihat bahwa sinyal respon yang dihasilkan sudah sama

dengan setpointnya, maka dapat dikatakan sistem kendalinya sudah cukup

baik. Apabila respon yang dihasilkan kurang sesuai dengan yang

dibutuhkan, maka dapat dilakukan manual tuning dengan ketentuan seperti

yang terdapat pada landasan teori.

4.3 Metode Coohen-Coon


25

Gambar IV.7. Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode Coohen-Coon

Setelah Kp, Ti, Td didapatkan, masukan data Kp, Ti, Td diatas ke

plant PID, kemudian hasil responnya akan seperti gambar IV.8 dibawah ini:

Sinyal Respon dengan Kp, Ti, Td.

Gambar IV.8 Sinyal respon dengan metode Coohen-Coon

Apabila sinyal respon yang dihasilkan belum sesuai dengan yang

diinginkan, maka dapat dilakukan manual tuning.

4.4 Realisasi perancangan sistem kendali debit air dengan matlab script


26

Gambar IV.9 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan menggunakan script

matlab

Pada metode ini diperlukan scipt pada matlab untuk menggantikan Simulink

matlab yang biasanya digunakan. Nilai Kp, Ti, Td yang digunakan dapat

menggunakan data pada percobaan sebelumnya. Script matlab yang dibuat

adalah sebagai berikut :

clf %untuk menghapus figure jika masih ada yang tampil (clear

Figure)

%Time Sampling

Ts = 0.1; %besar sampling

pinMode(a,6,'output'); %Set PIN arduino sebagai keluaran kendali

//untuk dikali --> 2// *6 itu pin digital*

pinMode(a,13,'output'); %Set PIN arduino sebagai logic 1

pinMode(a,10,'input');

digitalWrite(a,13,1);

%Setting parameter PID

Kp = 3.2;

Ti = 0.434; %Ti waktu real

Td = 0.1085; %Td waktu real

Ki = Kp/Ti;

Kd = Kp*Td;

%===============Kondisi Error awal

error_sebelum=0;

errorI_sebelumnya=0;

27

%===============set untuk plot

y1=0; %untuk mem-plot nilai set point

y2=0; %untuk mem-plot nilai-nilai respon

x=0;

digitalWrite(a,13,1);

start=digitalRead(a,10);

t=0; %waktu looping

while (start==1)

x=x+1;

tic

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

%Tentukan SP (set point) awal

SP =analogRead(a,0);

SP = SP*0.0049 ;

%Tentukan PV (proess value) awal

PV = analogRead(a,5);

PV = PV*0.0049; %normalisasi dari 0-1023 ke 0-5

%Hitung Error

error = SP - PV;

%Hitung Error Integral

errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts; %luas error skrg

dan sebelumnya

errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya); %Total error

integral

%Hitung Error Differntial

errorD = (error - error_sebelum)/Ts;

%Kendali PID

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

28

outPID = outP + outI + outD;

outPID=outPID/20 %scalling //pmbtas arus//

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

%Membatasi agar nilai PID tidak > 10 *hasil Perhitungan outPID*

if outPID > 10

outPID = 10;

else

outPID=outPID;

end

%Membatasi agar nilai PID tidak < 0

if outPID < 0

outPID = 0;

else

outPID = outPID;

end

outPID = outPID/2;

outPID = round(outPID*51);

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

%Menuliskan hasil PID ke Arduino

analogWrite(a,6,outPID);

%=====================Plot Respon dan Set Point==================

y1=[y1,SP] ; %nilai SV baru akan ditambahkan pada variable/

matrik y1

y2 = [y2,PV]; %nilai PV baru akan ditambahkan pada

variable/matrik y2

t =[t,x]; %nilai t baru akan ditambahkan sesuai perulangan x

plot (t,y1,t,y2); %memplot y1 dan 2 bersama-sama

axis ([0 x+100 0 5]) ; %menentukan axis gambar x= dari 0-600,

y=0-3

grid

29

drawnow;

error_sebelum=error;

errorI_sebelumnya=errorI;

start=digitalRead(a,10);

toc

end

analogWrite(a,6,0);

Setelah script dijalankan, maka akan menghasilkan bentuk gelombang seperti

gambar IV.10 dibawah ini :

Gambar IV.10 Sinyal respon dengan menggunakan script matlab

Karena dirasakan sinyal yang dihasilkan terlalu banyak noise, maka output

dari sensor perlu dikoneksikan dengan low pass filter.

Setelah dilakukan perhitungan f = 1/T, diperlukan low pass filter

menggunakan RC untuk nilai frekuensi ±1 Hz. Maka dengan melakukan

perhitungan dengan rumus :

f = 1/(2πRC)

dimisalkan nilai R 220 ohm, maka diperlukan Kapasitor dengan nilai ± 723uF, tapi

dalam realisasinya, dikarenakan keterbatasan komponen, maka digunakan resistor

220 ohm dan kapasitor 2200uF.

Rangkaian filter dikoneksikan dengan output dari plant, kemudian output dari

rangkaian filter ini dihubungkan ke input analog 5 arduino UNO seperti pada

gambar IV.11.

30

Gambar IV.11 Koneksi rangkaian low pass filter ke plant kendali debit air

Setelah digunakan filter, maka hasil dari sinyal responya akan seperti gambar

IV.12.

Gambar IV.12 Respon sinyal dengan script matlab menggunakan low pass filter

Setelah didapat sinyal respon seperti itu, kemudian memasukan tic dan toc pada

program, maka diperoleh waktu respon sebenarnya 0.07, kemudian mengganti Ts

dengan nilai 0.07.

Setelah Ts-nya diganti, maka hasil sinyal responnya akan seperti gambar IV.13

dibawah ini :

31

Gambar IV.13 Respon sinyal dengan script matlab dengan Ts 0.07s

Jika sinyal respon yang dihasilkan masih belum sesuai dengan yang diinginkan,

maka dapat dilakukan manual tuning, dalam percobaan kali ini penulis merubah

parameter Td nya menjadi Td = 0, dan Ti nya menjadi Ti = 0.343. Sinyal respon

yang dihasilkan akan seperti gambar IV.14.

Gambar IV.14 Respon sinyal dengan script matlab setelah manual tuning

4.5 Realisasi perancangan sistem kendali debit air stand alone controller

dengan menggunakan arduino


32

Gambar IV.15 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan stand alone

controller

Realisasi dari perancangan ini membutuhkan aplikasi arduino untuk

mengisikan programnya. Untuk membuta sistem kendali ini, dibutuhkan

program arduino seperti program dibawah ini :

#include <LiquidCrystal.h>

int Output = 6;

float Ts = 0.1;

float Kp = 1.4658;

float Ti = 0.27553;

float Td = 0.086293;

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;

float Ki, Kd;

int outPID, outPID1;

LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() {

pinMode (6, OUTPUT);

lcd.begin (16,2);

}

void loop() {

Ki = Kp/Ti;

33

Kd = Kp*Td;

Setpoint = analogRead (A0);

Setpoint1 = Setpoint*0.0049;

Feedback = analogRead (A1);

Feedback1 = Feedback*0.0049;

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;

outPIDsebelum = outP + outI + outD;

outPID = outPIDsebelum;

if (outPID>10)

{

outPID = 10;

}

else if (outPID<0)

{

outPID = 0;

}

else

{

outPID = outPID;

}

outPID = outPID/2;

outPID = outPID*51;

34

analogWrite (6,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("SP=");

lcd.setCursor(4,0);

lcd.print(Setpoint1*10);

lcd.setCursor(10,0);

lcd.print("L/Hour");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("PV=");

lcd.setCursor(4,1);

lcd.print(Feedback1*10);

lcd.setCursor(10,1);

lcd.print("L/Hour");

delay (500);

}

Nilai Kp, Ti, Td pada program didapat dari percobaan sebelumnya.

Setelah program selesai dibuat, program diunggak ke arduino dan

kemudian arduino dikoneksikan dengan plant juga dengan LCD. Untuk

memudahkan koneksi arduino dengan LCD dapat digunakan Shield

Arduino rancangan sendiri.

Setelah plant, arduino, dan LCD dikoneksikan, maka jalankan

sistem, dan pada LCD akan tampil seperti pada gambar IV.16.

Gambar IV.16 Tampilan output pada LCD

35

BAB V

Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bawa dalam

perancangan sistem kendali debit air menggunakan PID, terdapat tiga metode

yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai nilai parameter PIDnya, yaitu

Kp, Ki, Kd. Metode-metode tersebut adalah metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan

tipe 2, serta metode Coohen-Coon.

Pada metode ZN tipe 1, untuk mendapatkan parameter-parameter PIDnya,

digunakan sistem open loop. Kemudian untuk perealisasiannya digunakan loop

tertutup dimana output sensor di umpan balikan ke PID controller dengan

pengaturan PID controller telah dimasukan nilai Kp, Ti, Td dari data yang

sudah didapat.

Pada metode ZN tipe 2, untuk mendapatkan parameter-parameter PIDnya

digunakan sistem loop tertutup dimana output di umpan balikan ke PID

controller dengan pengaturan Ti dan Td di offkan. Untuk mendapatkan

parameter PIDnya, maka nilai Kp diatur hingga mendapatkan 2 bentuk sinyal.

Pertama sinyal ketika respon berosilasi di awal dan yang kedua ketika respon

berosilasi didekat setpoint. Setelah Kp, Ti, Td diperoleh, PID controller

dimasukan nilai parameter tersebut, artinya Ti, Td di-on kan. Dari hasil

perancangan yang telah dilakukan, sinyal respon dengan data Kp, Ti, Td dari

sinyal yang berosilasi di awal memiliki sinyal respon yang blebih baik

dibandingkan dengan yang berosilasi di dekat set point.

Metode Coohen-Coon menggunakan sistem loop tertutup dalam kegiatan

mencari parameter PIDnya. Untuk mendapatkan nilai-nilai tersebut,

dibutuhkan dua setpoint dalam realisasinya. Ketika setpoint awal sudah

diberikan dan respon sudah dalam keadaan steady state, maka setpoint 2 perlu

diberikan. Setelah parameter parameter tersebut didapatkan, maka sistem

plantnya menjadi sistem loop tertutup dimana output sensor di umpan balikkan

ke PID controller dimana PID controller telah diatur nilai Kp, Ti, Td-nya sesuai

dengan data yang telah didapatkan.

36

Dalam pengerjaannya, apabila terdapat banyak noise yang dihasilkan oleh

sinyal respon, maka dapat digunakan rangkaian filter RC untuk mengurangi

noise tersebut. Nilai frekuensi yang harus diberikan dapat ditentukan dengan

rumus 1/(2πRC).

Dari semua sinyal respon yang diperoleh, apabila sinyal yang dihasilkan

belum sesuai dengan yang diinginkan ataupun dibutuhkan, dapat dilakukan

manual tuning dengan pertimbangan-pertimbangan seperti yang terdapat pada

landasan teori.

5.2 Saran

Dalam pembuatan sistem kendali debit air menggunakan PID, penulis dapat

memberikan saran untuk mencari parameter PID-nya, metode yang paling

cocok adalah metode Ziegler Nichols tipe 1. Hal ini terlihat dari sinyal respon

yang sudah sama dengan setpointnya.

37

DAFTAR PUSTAKA

[1]. “Debit Air (Kontinuitas)”, http://www.fisikaituasyik.weebly.com/debit-

air.html . Diakses tanggal 8 Juli 2015.

[2]. “Debit (Hidrologi)”, http://id.m.wikipedia.org/wiki/Debit_(hidrologi) .

Diakses tanggal 8 Juli 2015.

[3]. “Debit Aliran Air Sungai”,

http://wandycivilengeneering.blogspot.com/2012/10/debit-aliran-air-sungai.html .

Diakses tanggal 8 Juli 2015.

[4]. “PID”, https://id.wikipedia.org/wiki/PID . Diakses tanggal 8 Juli 2015

[5]. “Pengenalan Arduino” , http://www.tobuku.com/docs/Arduino-

Pengenalan.pdf . Diakses tanggal 8 Juli 2015

[6]. “Modul pengantar pemrograman matlab”,

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

matlab.pdf . Diakses 8 Juli 2015

http://www.fisikaituasyik.weebly.com/debit-air.html

http://www.fisikaituasyik.weebly.com/debit-air.html

http://id.m.wikipedia.org/wiki/Debit_(hidrologi)

http://wandycivilengeneering.blogspot.com/2012/10/debit-aliran-air-sungai.html

https://id.wikipedia.org/wiki/PID

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

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

https://inaseptiana.files.wordpress.com/2014/11/modul-pengantarpemrograman-matlab.pdf

https://inaseptiana.files.wordpress.com/2014/11/modul-pengantarpemrograman-matlab.pdf

Skd 131311059-laporan akhir

Education

Transcript of Skd 131311059-laporan akhir