BAB I

PENDAHULUANDewasa ini, perkembangan dunia industri sangat lah maju.

Salah satunya yaitu penggunaan control level air. Dalam

menggunakan suatu proses di industri harus memenuhi

syarat – syarat tertentu, seperti keamanan, spesifikasi

alat yang digunakan, pengaruh terhadap lingkungan, dan

prosedur pengoperasian suatu alat.

Control level air berfungsi untuk mengontrol level air

dalam sebuah tangki penampungan yang banyak dijumpai di

rumah-rumah atau bahkan di suatu industri di mana pada

level tertentu motor listrik atau pompa air akan

beroperasi dan pada level tertentu juga pompa air akan

mati [1]. Hal ini digunakan agar air yang ada pada tangki

tidak tumpah ke luar tangki.

BAB II

DASAR TEORI2.1 Proportional Integral Derivative (PID)

PID (Proportional Integral Derivative controller) merupakan controller

untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi

dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem

terebut. Pengontrol PID adalah pengontrol konvensional

yang banyak dipakai dalam dunia industri. Pengontrol

PID akan memberikan aksi kepada Control Valve berdasarkan

besar error yang diperoleh. Control valve akan menjadi

aktuator yang mengatur aliran fluida dalam proses

industri yang terjadi Level air yang diinginkan disebut

dengan Set Point. Error adalah perbedaan dari Set Point

dengan level air aktual.

Sistem kontrol PID ini terdiri dari tiga buah cara

pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative)

dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan

dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara

dapat bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam

perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan

adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan

sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu

sebagaimana yang diinginkan

Pada Gambar merupakan Blok Diagram PID dapat dilihat pada

gambar di bawah:

Adapun persamaan dalam pengontrolan PID, yaitu:

mv(t) = Kp (e (t)+ 1Ti∫0

te(t)dt+Td

de(t)dt )

(1)

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

Kp = konstanta Proporsional

Ti = konstanta Integral

Td = konstanta Derivatif

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

Persamaan Pengontrol PID diatas dapat juga dituliskan

sebagai berikut:

mv(t) = (Kp.e (t)+Ki∫0

te(t)dt+Kd. de(t)

dt )(2)

dengan

Gambar 1

Ki = Kp x 1Ti x dan Kd = Kp x Td

(3)

Untuk lebih memaksimalkan kerja pengontrol diperlukan

nilai batas minimum dan maksimum yang akan membatasi

nilai Manipulated Variable yang dihasilkan.

2.2 Cara Men-Tuning

Agar respon sesuai dengan yang diinginkan dapat dilakukan

dengan cara men-tuning. Cara men-tuning ini bisa

dilakukan dengan mengubah komponen – komponen yang ada

dalam PID, yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif.

Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri

tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu

plant.

1. Ciri – Ciri Pengontrolan Proportional

Jika nilai Kp kecil, pengontrol proporsional hanya

mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil,

sehingga akan menghasilkan respon sistem yang

lambat (menambah rise time).

Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem akan semakin

cepat mencapai keadaan mantapnya (mengurangi rise

time).

Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai

harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem

bekerja tidak stabil atau respon sistem akan

berosilasi.

Nilai Kp dapat diset sedemikian sehingga mengurangi

steady state error, tetapi tidak menghilangkannya.

2. Ciri – Ciri Pengontrolan Integratif

Keluaran pengontrol integral membutuhkan selang

waktu tertentu, sehingga pengontrol integral

cenderung memperlambat respon.

Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran

pengontrol akan bertahan pada nilai sebelumnya.

Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran

akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang

dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan

nilai Ki.

Konstanta integral Ki yang berharga besar akan

mempercepat hilangnya offset. Tetapi semakin besar

nilai konstanta Ki akan mengakibatkan peningkatan

osilasi dari sinyal keluaran pengontrol.

3. Control Derivatif

Pengontrol tidak dapat menghasilkan keluaran jika

tidak ada perubahan pada masukannya (berupa

perubahan sinyal kesalahan)

Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka

keluaran yang dihasilkan pengontrol tergantung pada

nilai Kd dan laju perubahan sinyal kesalahan.

Pengontrol diferensial mempunyai suatu karakter

untuk mendahului, sehingga pengontrol ini dapat

menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum

pembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi

pengontrol diferensial dapat mengantisipasi

pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat

korektif dan cenderung meningkatkan stabilitas

sistem.

Dengan meningkatkan nilai Kd, dapat meningkatkan

stabilitas sistem dan mengurangi overshoot.

Efek dari setiap pengontrol Proporsional, Integral dan

Derivatif pada sistem lup tertutup disimpulkan pada table

berikut ini:

Tabel 1

Rise Time OvershootSetting

TimeS-S Error

Proporsi

onalMenurunkan

Meningkat

kan

Perubahan

KecilMenurunkan

Integral MenurunkanMeningkat

kan

Meningkat

kan

Mengelimin

asiDerivati Perubahan Menurunka Menurunka Perubahan

f Kecil n n Kecil

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing

pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan

menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol

proporsional plus integral plus diferensial (pengontrol

PID). Elemen-elemen pengontrol P, I dan D masing-masing

secara keseluruhan bertujuan:

Mempercepat reaksi sebuah sistem mencapai set point-

nya

Menghilangkan offset

Menghasilkan perubahan awal yang besar dan

mengurangi overshoot. 

2.3 Modul Control Level Air

Modul Control Level air merupakan plant untuk

pengendalian level air. Dimana plant tersebut sudah

terdapat indikator level air dengan satuan milibar.

Kemudian terdapat selang untuk menghubungkan ke sensor.

Pada gambar merupakan modul level control air yang

digunakan beserta sensornya.

BAB III

PERANCANGAN ALATPada bab ini akan dibahas perancangan dan realisasi dari

proses simulasi control level air yang

biasanya digunakan pada industri dengan

menggunakan Arduino sebagai DAQ dan PID sebagai

control.

3.1 Metodologi Perancangan

3.2 Fungsi dan Prinsip Kerja Alat

Simulasi control level air ini yaitu, menggunakan PID

sebagai control dan Arduino sebagai DAQ. Variabel yang

dikontrol yaitu level air yang bisa dilihat pada bar yang

ada di plant dengan menggunakan sensor tekanan yang telah

terpasang. Sistem kendali level ini berfungsi untuk

mengatur level air sesuai dengan yang diinginkan agar

tetap stabil.

Alat ini bekerja jika air kurang dari batas yang

diinginkan air akan terus mengalir dari sumber sesuai

dengan batas yang diinginkan. Setelah level air sesuai

aliran air akan berhenti dan jika air telah berkurang air

mengalir kembali dan terus berulang.

3.2 Spesifikasi Alat

Spesifikasi umum dari alat yang akan digunakan pada

praktik sistem kendali kontinyu ini adalah:

1. Sistem yang dikendalikan : Level Air

2. Metode sistem kendali : PID

3. Tegangan input maksimum : 15 volt

4. Sensor tekanan : 0.2 V/mbar

5. Level air minimum : 1 mbar

6. Level air maximum : 10 mbar

3.3 Aspek Perancangan

3.3.1 Blok Diagram

Blok diagram sistem kendali simulasi kontrol level air

ditunjukkan pada gambar

Pada perancangan sistem kendali level air ini menggunakan

sistem kendali tertutup (close loop). Sistem diberikan set

point sesuai dengan yang diinginkan kemudian pada plant

dipasang sensor tekanan agar mengetahui level air pada

plant.

3.3.2 Alat dan Bahan Perancangan

Alat dan bahan yang digunakan untuk melakukan proses

perancangan ini yaitu:

1. Modul Catu Daya sebagai supply sistem yang akan

dibuat.

2. Modul Set Point untuk menentukan set point yang

diinginkan.

3. Modul PID untuk mengontrol sistem yang akan

dibuat dengan mengatur Kp, Ki dan Kd.

4. Modul Penguat untuk menguatkan daya dari PID

ataupun set point.

5. Modul Arduino sebagai DAQ.

Pla

Senso

6. Modul Level Air sebagai plant yang akan

dikontrol.

7. Modul Sensor Tekanan untuk mengetahui resopn

dari plant.

8. Laptop atu PC yang digunakan untuk

mengoperasikan perangkat lunak yang akan dipakai.

9. Software MATLAB sebagai proses untuk

menampilkan grafik atau respon yang di dapat dari

modul Arduino.

10. Software Arduino untuk pemrograman modul

Arduino

11. Software Ms. Excel untuk perhitungan data.

3.3.3 Metode Ziegler Nichols

Terdapat 2 tipe metode pada Ziegler Nichols (ZN) yaitu ZN

1 dan ZN 2. ZN 1 menggunakan metode kendali open loop

dengan memberikan input step pada sistem dan kurva atau

respon yang dihasilkan biasanya berbentuk huruf S.

Sedangkan ZN 2 menggunakan metode kendali close loop dan

respon yang dihasilkan biasnya berosilasi secara teratur.

Pada plant ini akan digunakan kedua tipe metode ZN ini

dan membandingkannya mana metode yang lebih baik.

1. Metode ZN1

Susunan Modul

Sistem ini kemudian dihubungkan pada Arduino yang

akan menampilkan respon di MATLAB dari sistem ini.

Simulink Pada MATLAB

Catu

DayaSet

Point

Penguat

DayaPlant Sensor

Setelah sistem dihubungkan ke MATLAB akan ditemukan

nilai Kp, Ki dan Kd. Kemudian setelah didapatkan

nilai – nilai tersebut masukan ke modul PID dengan

susuan modul.

Kemudian hubungkan kembali ke modul Arduino agar

respon bisa terlihat. Jika respon masih tidak

sesuai dengan yang diinginkan maka lakukan manual

tuning.

2. Metode ZN2

Susunan Modul

Sistem ini kemudian dihubungkan pada Arduino yang

akan menampilkan respon di MATLAB dari sistem ini.

Catu

Daya

Set

Point

PID Penguat

DayaPlant

Catu

Daya

Set

Point

PID Penguat

Daya

Sensor

Plant Sensor

Setelah sistem dihubungkan ke MATLAB akan ditemukan

nilai Kcr dan Pcr dari respon kemudian akan

ditemukan Kp, Ki dan Kd. Kemudian setelah didapatkan

nilai – nilai tersebut masukan ke modul PID dengan

susuan modul.

Susunan modul masih tetap seperti awal. Kemudian

hubungkan kembali ke modul Arduino agar respon bisa

terlihat. Jika respon masih tidak sesuai dengan yang

diinginkan maka lakukan manual tuning.

BAB IV

DATA PENGUJIAN DAN ANALISA4.1 Ziegler Nichols Tipe 1

Dari hasil desain awal sebelum di-tuning didapat hasil:

Set point: 1.9 Volt

1 detik pada MATLAB = 0.082422 detik waktu yang

sebenarnya

Waktu Pada MATLAB

X1 = 317.6

X2= 236.2

L = 317.6-236.2 = 81.4

Waktu yang sebenarnya

L = 81.4 x 0.082422 = 6.709165 detikT=248,71−12,495=236,215

Ti=2×L=24,99

Td=0,5÷L=6,2475

Kp=1,2×(T÷L)=22,68571

Ki=Kp÷Ti=0,907792

Kd=Kp×Td=141,729