perancangan dan realisasi sistem kendali level air
TRANSCRIPT
PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM
KENDALI KONTINYU & DIGITAL PADA PLANT
LEVEL AIR DENGAN METODE ZIEGLER-NICHOLS
& COOHEN COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN
ARDUINO
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan tugas mata
kuliah Sistem Kendali Digital
DIPLOMA III PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKA
Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh
Raka Rinaldi
131311057
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015
i
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
MOTTO
“ Tak ada yang mustahil di dunia ini, jika kita besunguh-sungguh ”
“ Dengan niat yang tulus dan kuat, pekerjaan apapun akan menjadi lebih
mudah ”
“ Doa dan restu dari orang tua menjadi kendaraan yang paling cepat untuk
mencapai tujuan ”
PERSEMBAHAN
Alhamdulillah.. Puji syukur kepada Tuhan YME atas segala rahmat dan
hidayahnya yang telah memberikan kekuatan, kesehatan dan kesabaran untuk ku
dalam mengerjakan laporan akhir ini. ku persembahkan skripsi ini untuk:
1. Kedua orangtua ku tercinta, Ayahanda Satris Wardi dan Ibunda Rini
Rosilawati. Ini anakmu mencoba memberikan persembahan yang
terbaik untuk kalian. Betapa diri ini ingin sekali melihat kalian
bangga padaku. Betapa tak ternilai kasih sayang dan pengorbanan
kalian padaku. Terimakasih atas dukungan moril dan materil
untukku selama ini.
2. Kakak ku tercinta Anita Esa Ranika. Ini adikmu mencoba untuk
membalas kebaikanmu selama ini, dengan memberikan
persembahan yang terbaik. Terimakasih atas dukungan dan doa
untuk kesuksesan raka.
3. Dosen wali kelas ku, pak feriyonika. Terimakasih untuk ilmu yang
telah engkau ajarkan selama ini. Baik ilmu akademik maupun non
akademik. Sehingga sekarang ini saya lebih mengerti pak tentang
dan menggemari tentang sistem kendali, tadinya saya rasa sistem
kendali adalah ilmu yang sulit untuk dipahami, namun setelah
ii
diajarkan oleh bapak, semuanya menjadi lebih mudah. Terimakasih
banyak pak.
4. Sahabat dan teman teman yang saya banggakan terimakasih atas
gangguannya selama ini yang selalu saja merepotkan dan
mengganggu saya dalam mengerjakan laporan ini. Namun itu
menjadi hiburan tersendiri bagi saya disela-sela pembuatan laporan
ini. Thanks bro.
5. Terimakasih untuk Fitri Adamatul Hikmah yang udah memberi
semangat setiap hari untukku. Semoga persembahan ini
membuatmu senang dan bangga karena bisa mengenalku.
iii
ABSTRAKSI
Peran sistem kendali pada suatu alat yang berjalan secara otomatis sangatlah
besar yaitu hampir 80%. Karena seorang engineer yang mengoperasikan atau
memantau pekerjaan alat tidak selalu bisa memantau kerja alat tersebut. Oleh
karena itu sistem yang terkendali pada suatu alat harus memiliki error yang kecil
untuk memperkecil kesalahan yang terjadi. Untuk membuat suatu sisem dengan
error yang kecil diperlukan perhitungan yang tepat dan akurat, melalui beberapa
metode agar sistem dapat terkendali. Misalnya metode Ziegler-Nichols dan Cohhen
and Coon dapat digunakan untuk mendesain sistem kendali dengan menggunakan
tiga parameter yaitu Propotional – Intergal – Devirative (PID). Ketika sudah
mendapat ketiga parameter PID, suatu sistem dapat kita kendalikan Responnya
(Process Value) sesuai dengan Set Point yang di terapkan. Misalnya jika ingin
mengendalikan Level Air, yang dapat dikendalikan disini adalah berapa banyak air
yang masuk dan berapa banyak air yang keluar agar level air sesuai dengan set
point. Tidak hanya dapat digunakan pada Level Air sederhana, bisa juga diterapkan
di industri, misalnya mengendalikan level minyak bumi pada tangki yang sangat
besar besar atau yang lainnya.
Kata Kunci : Error, Ziegler-Nichols, Cohen and Coon, Propotional, Intergrative,
Devirative, Process Value, Set Point
iv
ABSTRACTION
The role of the control system on a device that runs automatically so great
that almost 80%. Because an engineer who operate or monitor the work tools can
not always monitor the work of the tool. Therefore the system is controlled on a
device must have a small error to minimize the errors that occurred. To create a
system with a small error required precise and accurate calculations, through
several methods for the system can be controlled. For example Ziegler-Nichols
method and Cohhen and Coon can be used to design the control system using three
parameters: the proportional - Intergal - Devirative (PID). When it gets three PID
parameters, a system we can control response (Process Value) in accordance with
the Set Point is applied. For example if you want to control the water level, which
can be controlled here is how much of the incoming water and how much water
comes out so that the water level in accordance with the set point. Not only can be
used on a simple water level, can also be applied in industry, for example,
controlling the level of oil in a very large tank or other large.
Keyword : Error, Ziegler-Nichols, Cohen and Coon, Propotional, Intergrative,
Devirative, Process Value, Set Point
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas
berkat,rahmat, taufik dan hidayah-Nya, penyusunan laporan akhir yang berjudul
“PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI KONTINYU &
DIGITAL PADA PLANT LEVEL AIR DENGAN METODE ZIEGLER-
NICHOLS & COOHEN COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO”
dapat diselesaikan dengan baik.
Penulis menyadari bahwa dalam proses penulisan skripsi ini banyak
mengalami kendala, namun berkat bantuan, bimbingan, kerjasama dari berbagai
pihak dan berkah dari Allah SWT sehingga kendala-kendala yang dihadapi tersebut
dapat diatasi. Untuk itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan
penghargaan kepada Bapak Feriyonika, S.T., MSc.Eng. selaku dosen wali kelas dan
dosen mata kuliah Sistem Kendali Digital yang telah dengan sabar, tekun, tulus dan
ikhlas meluangkan waktu, tenaga dan pikiran memberikan bimbingan, motivasi,
arahan, dan saran-saran yang sangat berharga kepada penulis selama menyusun
laporan akhir ini.
Akhirnya, dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak
terdapat kekurangan-kekurangan, sehingga penulis mengharapkan adanya saran
dan kritikyang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan akhir ini
vi
DAFTAR ISI
ABSTRAKSI ....................................................................................................... iii
KATA PENGANTAR ......................................................................................... v
DAFTAR ISI ....................................................................................................... vi
DAFTAR TABEL ............................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xi
DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN ....................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI .......................... 2
2.1. PID ..................................................................................................... 2
2.1.1 Kontrol Propotional ............................................................ 2
2.1.2 Kontrol Integrative ............................................................. 3
2.1.3 Kontrol Derivative .............................................................. 4
2.2. Sistem Kendali Open Loop ................................................................ 4
2.3. Sistem Kendali Close Loop ................................................................ 5
2.4. Manual Tunning PID.......................................................................... 5
2.5. Plant Level Air ................................................................................... 6
BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ................................... 7
3.1. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1 ........................ 7
3.2. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2 ...................... 11
3.3. Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon ................................ 13
3.4. Realisasi Desain PID dengan Script Matlab ................................................ 15
3.5. Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller) .................. 19
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 23
4.1 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1 ....................... 23
4.2 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2 ....................... 24
4.3 Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon ................................. 25
4.4 Realisasi Desain PID dengan Script Matlab ................................................. 26
4.5 Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller) ................... 27
vii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ 29
5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 29
5.2 Saran .............................................................................................................. 30
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 31
viii
DAFTAR TABEL
Tabel II.1 Manual Tunning PID ............................................................................ 6
Tabel III.1 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 10
Tabel III.2 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Matlab) .......................... 10
Tabel III.3 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya) ................... 11
Tabel III.4 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 13
Tabel III.5 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya) ................... 13
Tabel III.6 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1 ..................................................... 14
Tabel III.7 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu Matlab) ..................................... 15
Tabel III.8 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu Matlab) ..................................... 15
Tabel III.9 Parameter PID ................................................................................... 18
Tabel IV.1 Hasil Manual Tunning PID Script .................................................... 26
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Blok Diagram PID Controller........................................................... 2
Gambar II.2 Sistem Kendali Open Loop .............................................................. 4
Gambar II.3 Sistem Kendali Close Loop .............................................................. 5
Gambar II.4 Plant Level Air.................................................................................. 6
Gambar III.1 Blok Diagram Kendali Level Air .................................................... 7
Gambar III.2 Realisasi Blok Diagram Kendali Level Air..................................... 7
Gambar III.3 Koneksi Arduino dengan Plant ....................................................... 8
Gambar III.4 Koneksi Arduino dengan Plant 2 .................................................... 8
Gambar III.5 Blok Simulink ZN Tipe 1 ................................................................ 9
Gambar III.6 Sinyal Awal ZN Tipe 1 ................................................................. 10
Gambar III.7 Blok Diagram Kendali Level Air 2 ............................................... 11
Gambar III.8 Sinyal Awal ZN Tipe 2 ................................................................. 12
Gambar III.9 Blok Simulink CC ......................................................................... 13
Gambar III.10 Sinyal Awal CC ........................................................................... 14
Gambar III.11 Blok Simulink Realisasi PID Script ............................................ 15
Gambar III.12 Realisasi PID Script .................................................................... 16
Gambar III.13 Flow Chart PID Script ................................................................. 16
Gambar III.14 Script PID Matlab........................................................................ 18
Gambar III.15 Koneksi Arduino dengan Matlab ................................................ 19
Gambar III.16 Blok Diagram Kendali Level Air Standalone Control ................ 19
Gambar III.17 Realisasi Standalone Control ..................................................... 20
Gambar III.18 Script Arduino PID...................................................................... 22
Gambar IV.1 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 .................................................... 23
Gambar IV.2 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 Manual Tunning ........................ 24
Gambar IV.3 Respon Kendali PID ZN Tipe 2 .................................................... 24
Gambar IV.4 Respon Kendali PID CC ............................................................... 25
Gambar IV.5 Respon Kendali PID CC Manual Tunning ................................... 25
Gambar IV.6 Respon Kendali PID dengan Script .............................................. 26
x
Gambar IV.7 Respon Kendali PID dengan Script Manual Tunning ................... 27
Gambar IV.8 Serial Monitor SP dan PV ............................................................. 28
Gambar IV.9 Tampilan SP dan PV pada LCD ................................................... 28
1
BAB I
PENDAHULUAN
Di masa yang modern seperti sekarang ini banyak sekali alat – alat
elektronik canggih yang sudah tercipta, mulai dari alat yang dijalankan secara
manual samapai yang bisa dioperasikan secara otomatis. Bagaimanapun alatnya,
untuk mengendalikannya pasti dibutuhkan manusia. Sistem yang digunakan untuk
mengendalikan suatu alat pun harus canggih dengan error yang seminimimal
mungkin. Peran seorang engineer sangatlah penting untuk men-desain suatu sistem
kendali sesuai dengan keperluan.
Sistem kendali banyak sekali dipakai dalam dunia industri. [1] Dunia
industri terus berkembang dengan sistem-sistem yang baru dalam bidang
manufaktur maupun energi, khususnya sistem kontrol (Dede dkk, 2009). Saat ini
banyak sekali ditawarkan suatu metode kontrol yang efektif dan mudah untuk
diimplementasikan, salah satunya kontrol dengan sistem PID (Proporsional
Integral Derivative). Penelitian mengenai pengendalian temperature yang lebih
komplek juga sangat banyak di temui di dunia penelitian maupun dunia akademis.
Wijaya (2009) [2] meneliti tentang Pengendalian Suhu Dan Ketinggian Air Pada
Boiler Menggunakan Kendali PID dengan Metode Root Locus.
Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID untuk
mengendalikan modul plant Level Air. Metode yang dipakai untuk mendapatkan
parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 (open
loop) dan tipe 2 (closed loop). Setelah parameter-parameter PID (Kp, Ti, Td)
didapat, selanjutnya nilai dari parameter tersebut di gunakan ke modul PID. Respon
sistem akan di analisis dan akan diperbaiki dengan teknik manual tuning untuk
memperhalus respon agar sistem lebih handal. Setelah mendapatkan parameter
yang tepat, nanti dapat dilihat respon yang bagus, yaitu sama dengan set point.
Mulai dari rise time, overshoot, steady state respon bisa di tunning manual sesuai
keperluan.
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN 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.
Gambar II.1 Blok Diagram PID Controller
Perhitungan PID sendiri memiliki rumus sebagai berikut :
.........................................................(1)
2.1.1 Kontrol Propotional
Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta.
Jika u = G(s) x e maka u = Kp x 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
3
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.
Pengontrol proporsional memiliki keluaran yang
sebanding/proporsional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih
antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya).
2.1.2 Kontrol Integrative
Pengontrol Integral berfungsi menghasilkan respon sistem
yang memiliki kesalahan keadaan mantap nol (Error Steady State
= 0 ). Jika sebuah pengontrol tidak memiliki unsur integrator,
pengontrol proporsional tidak mampu menjamin keluaran sistem
dengan kesalahan keadaan mantapnya nol. Jika G(s) adalah kontrol
I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t)=[integral e(t)dT] x Ki
dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas,
G(s) dapat dinyatakan sebagai u=Kd x [delta e/delta t]. 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. Keluaran pengontrol ini merupakan hasil
penjumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Jika
sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, maka keluaran akan
menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan.
Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang
dibentuk oleh kurva kesalahan / error.
4
2.1.3 Kontrol Derivative
Keluaran pengontrol diferensial memiliki sifat seperti halnya
suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan
pengontrol akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan
cepat. 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
magnitudenya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari
fungsi ramp dan faktor konstanta Kd. Sinyal kontrol u yang
dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai G(s) = s x Kd
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.
2.2. Sistem Kendali Open Loop
Open loop control atau kontrol lup terbuka adalah suatu sistem yang
keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Artinya,
sistem kontrol terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai umpan
balik dalam masukan.
Gambar II.2 Sistem Kendali Open Loop
Dalam suatu sistem kontrol terbuka, keluaran tidak dapat
dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi, untuk setiap masukan acuan
5
berhubungan dengan operasi tertentu, sebagai akibat ketetapan dari sistem
tergantung kalibrasi. Dengan adanya gangguan, system control open loop
tidak dapat melaksanakan tugas sesuai yang diharapkan. System control open
loop dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran
diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal.
2.3. Sistem Kendali Close Loop
Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal
keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan, sistem
kontrol lup tertutup juga merupakan sistem kontrol berumpan balik. Sinyal
kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan
sinyal umpan balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi
sinyal keluaran atau turunannya, diumpankan ke kontroler untuk
memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga
yang diinginkan. Dengan kata lain, istilah “lup tertutup” berarti menggunakan
aksi umpan – balik untuk memperkecil kesalahan sistem.
Gambar II.3 Sistem Kendali Close Loop
Gambar II.3 menunjukkan hubungan masukan dan keluaran dari
sistem kontrol lup tertutup. Jika dalam hal ini manusia bekerja sebagai
operator, maka manusia ini akan menjaga sistem agar tetap pada keadaan
yang diinginkan, ketika terjadi perubahan pada sistem maka manusia akan
melakukan langkah – langkah awal pengaturan sehingga sistem kembali
bekerja pada keadaan yang diinginkan.
2.4. Manual Tunning PID
Teknik manual tunning sebenarnya adalah sebagai pelengkap dari
metode – metode yang dipakai untuk mendesain PID kontroler. Sebagai
6
optional, ketika mendapatkan repon yang kurang sesuai dengan keperluan.
Dalam manual tunning, dapat mengacu pada tabel dibawah ini.
Tabel II.1 Manual Tunning PID
Dengan menggunakan tabel diatas, akan lebih mudah untuk
melakukan manual tunning pada desain PID yang kurang sesuai, misalnya
penyebab adanya atau besarnya overshoot adalah nilai Kp dan Ki yang besar
sehingga kedua nilai tersebut harus diturunkan perlahan untuk memperkecil
overshoot yang ada.
2.5. Plant Level Air
Tujuan dari mendesain PID adalah menerapkannya pada suatu plant,
salah satu plant yang dapat dikendalikan misalnya adalah plant level air.
Bagian – bagian yang terdapat pada plant level air yaitu adalah pompa yang
berfungsi untuk mengeluarkan air dan sensor yang berguna sebagai feedback
ke PID kontrol agar plant dapat dikendalikan. Dan juga pada plant ini terdapat
gangguan berupa keran tempat keluarnya air yang berfungsi untuk menguji
kestabilan sistem yang telah diterapkan pada plant tersebut. Untuk lebih jelas,
Gambar II.4 adalah salah satu plant level air yang dapat dikendalikan.
Gambar II.4 Plant Level Air
Parameter Rise Time Overshoot Setting Time S-S Error
Kp Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang
Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan
Kd Minor Change Berkurang Berkurang Minor Change
7
BAB III
METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
3.1. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1
Dalam mendesain kendali PID Level Air dengan menggunakan
Arduino Matlab, hal pertama yang harus dilakukan adalah pastikan bahwa
arduino sudah terbaca di Matlab. Dengan cara mengupload program adio
pada Arduino, dan juga menjalankan script arduino.m dan install_arduino.m.
Jika sudah maka Matlab akan dapat membaca Arduino. Lalu berikut ini
adalah langkah-langkah dalam membuat kendali PID dengan metode Ziegler
Nichols menggunakan Arduino Matlab :
a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level
Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar III.1
Gambar III.1 Blok Diagram Kendali Level Air
Realisasinya terdapat pada gambar III.2
Gambar III.2 Realisasi Blok Diagram Kendali Level Air
POWER
SUPPLY
SET
POINT
PID
CONTROLLER
PENGUAT
DAYA
PLANT LEVEL
AIR
8
b.) Karena ingin membaca sinyal input dari set point dan sinyal output dari
plant (Respon). Maka koneksikan output keluaran dari set point dan
output keluaran dari plant ke analog input Arduino. Namun sebelumnya
karena arduino hanya dapat membaca tegangan dengan batas maksimal
5v, maka tegangan dari set point harus melewati rangkaian pembagi
tegangan terlebih dahulu agar tegangannya menjadi setengahnya, setelah
itu dapat di koneksikan ke analog input Arduino. Untuk tegangan dari
plant yang nantinya akan dijadikan sebagai respon, bisa langsung di
koneksikan ke analog input Arduino karena tegangan maksimal dari
plant adalah 2v. Realisasinya sepeti gambar III.3.
Gambar III.3 Koneksi Arduino dengan Plant
c.) Menyalakan Power supply dan koneksikan Arduino ke Laptop dan
membuka program Matlab.
Gambar III.4 Koneksi Arduino dengan Plant 2
9
d.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink
seperti gambar III.5.
Gambar III.5 Blok Simulink ZN Tipe 1
Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari set point dan sinyal dari
respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah itu
sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v.
Karena output dari plant yang dipakai adalah 0.2v/mbar maka kedua
sinyal harus dikali dengan 1/0.2v. untuk sinyal dari setpoint karena
sebelumnya masuk dahulu ke rangkaian pembagi setengah, maka harus
dibalikan lagi ke sinyal semula dengan mengkalikan 2. Untuk step pada
sinyal respon digunakan agar sinyal respon sama dengan setpoint saat
awal untuk di desain menggukan metode Ziegler Nichols Tipe-1.
e.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali
PID-nya dengan menaikan set point dengan cepat, sehingga responnya
pun akan naik. Seperti gambar III.6.
10
Gambar III.6 Sinyal Awal ZN Tipe 1
Pada gambar 2.6 garis yang berwarna merah adalah sinyal dari set
point, dan garis yang berwarna biru adalah sinyal dari respon. Setelah
mendapatkan sinyal seperti gambar diatas, langsung dihitung nilai L dan
T. Perhitungan KP, Ki Dan Kd dapat mengacu pada tabel berikut :
Tabel III.1 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1
Perhitungan KP, Ki Dan Kd dengan menggunakan Excel dapat dilihat
pada tabel dibawah ini.
Tabel III.2 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Matlab)
WAKTU MATLAB
L T Kp Ti Td Ki Kd
56,6 588,4 12,4749117 113,2 28,3 0,1102024 353,04
11
f.) Karena waktu pada matlab berbeda dengan waktu sebenarnya, maka
harus di konversikan terlebih dahulu dengan membandingkan waktu
matlab dengan waktu sebenarnya menggunakan stopwatch. Setelah
dihitung nilai KP, Ki dan Kd dengan watu sebenarnya dapat dilihat pada
tabel dibawah ini.
Tabel III.3 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya)
3.2. Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2
Dalam mendesain kendali menggunakan metode Ziegler Nichols Tipe
2 untuk plant level air, setting awalnya sama saja dengan Ziegler Nichols Tipe
1. Namun yang membedakan adalah langkah mendapatkan nilai Kp, Ki dan
Kd nya. Yaitu mendapatkan sinyal awalanya. Agar lebih jelas berikut ini
adalah langkahnya :
a.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink
seperti gambar III.7
Gambar III.7 Blok Diagram Kendali Level Air 2
REAL TIME
L T Kp Ti Td Ki Kd
6,07 63,54 12,5614498 12,14 3,035 1,0347158 38,124
12
Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari set point dan sinyal dari
respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah itu
sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v. Lalu
dikalikan lagi dengan 5 agar sama dengan sinyal aslinya.
b.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali
PID-nya dengan cara mematikan Ti dan Td. Lalu mencari sinyal respon
sampai sinyal tersebut berosilasi stabil terus menerus, dengan cara
mengubah-ubah nilai Kp. Setelah diubah-ubah, nilai Kp yang didapatkan
adalah 340,22. Nilai tersebut didapatkan dengan membagi nilai keluaran
dari PID dengan set point yang masuk. Berikut adalah gambar sinyal
respon yang berosilasi terus menerus. Dan juga didapatkan nilai Pcr
untuk paramater dalam mendapatkan nilai Ki dan Kd nanti.
Gambar III.8 Sinyal Awal ZN Tipe 2
Pada gambar III.8 garis yang dilingkari adalah sinyal respon saat
berosilasi secara terus menerus. Nilai Pcr adalah pengurangan dari puncak
ke puncak (1 perioda). Setelah nilai Kcr dan Pcr di dapat paramater Ki dan
Kd dapat dicari dengan rumus berikut ini.
13
Tabel III.4 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1
c.) Setelah dilakukan perhitungan untuk mendapatkan parameter lain
didapatkan hasil sebagai berikut pada tabel III.5
Tabel III.5 Hasil Perhitungan PID ZN Tipe 1 (Waktu Sebenarnya)
3.3. Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon
Dalam mendesain kendali menggunakan metode Cohen and Coon
untuk plant level air, setting awalnya sama saja dengan Ziegler Nichols Tipe
1 & 2. Namun yang membedakan adalah langkah mendapatkan nilai Kp, Ki
dan Kd nya. Yaitu mendapatkan sinyal awalanya. Agar lebih jelas berikut ini
adalah langkahnya :
a.) Setelah semua rangkaian terkoneksikan, membuat Blok Simulink seperti
gambar III.9
Gambar III.9 Blok Simulink CC
REAL TIME
Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd
340,322 0,7544 204,1932 0,3772 0,0943 541,339343 19,25541876
14
Jadi ada dua sinyal yang masuk yaitu sinyal dari setpoint dan sinyal
dari respon, yang keduannya akan dilewakan frekuensi rendahnya. Setelah
itu sinyal dikali 0.0048 agar sinyal terbaca dengan nilai maksimal 5v. Lalu
dikalikan lagi dengan 5 agar sama dengan sinyal aslinya.
b.) Selanjutnya adalah mendapatkan sinyal awal untuk di desain kendali
PID-nya dengan cara mematikan Ti , Td dan Kp diset 1x. Ubah setpoint
2 kali. Agar sinyal respon naik 2 x, setelah sebelumnya mencapai steady
state. Seperti gambar berikut.
Gambar III.10 Sinyal Awal CC
c.) Setelah mendapatkan sinyal awal dan juga nilai τd, τ, dan gp, untuk
mencari nilai Kp, Ti dan Td dapat menggunakan tabel berikut.
Tabel III.6 Rumus Parameter PID ZN Tipe 1
15
Setelah dilakukan perhitungan untuk mendapatkan parameter lain didapatkan
hasil sebagai berikut pada tabel III.7.
Tabel III.7 Hasil Perhitungan PID CC (Waktu
Matlab)
Gp τd τ Kc Ti Td Ki Kd
0,693981 15 408 53,27198951 36,92559 5,51250685 1,442684974 293,6622
Tabel III.8 Hasil Perhitungan PID CC
(Waktu Matlab)
Kp Ti Td
4,36830314 3,027898134 0,452026
3.4. Realisasi Desain PID dengan Script Matlab
Dalam mendesain kendali PID pada matlab yang dilakukan adalah
membuat script yang berisi perintah agar suatu sistem dapat dikendalikan.
Setting hardware sama saja dengan sebelumnya, namun ada sedikit yang
membedakan. Berikut adalah hal yang harus dilakukan :
a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level
Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar III.11
Gambar III.11 Blok Simulink Realisasi PID Script
Realisasinya terdapat pada gambar III.12
POWER
SUPPLY
PID
CONTROLLER
PENGUAT
DAYA
PLANT LEVEL
AIR
ARDUINO
16
Gambar III.12 Realisasi PID Script
b.) Modul set point tidak digunakan karena set point menggunakan
potensiometer yang terhubung ke analog input arduino yang dapat
diubah nilai tegangannya dari 0 – 5v.
c.) Berikut adalah flow chart untuk membuat PID digital dengan script
Matlab.
Gambar III.13 Flow Chart PID Script
17
Programnya adalah sebagai berikut ini:
18
Gambar III.14 Script PID Matlab
d.) Setelah itu memasukan nilai Kp, Ti dan Td yang telah didapatkan
sebelumnya dengan menggunakan metode Ziegler Nichols Tipe 1
kedalam inisialisasi program. Berikut adalah nilai Kp, Ti dan Td.
Tabel III.9 Parameter PID
Kp Ti Td
12,5614498 12,14 0
e.) Memastikan bahwa arduino telah terkoneksi dengan Matlab, dengan
mejalankan instal_arduino.m dan arduino.m. dan membuat koneksi
arduino seperti gambar berikut.
19
Gambar III.15 Koneksi Arduino dengan Matlab
Analog 0 digunakan sebagai set point yang diatur menggunakan
potensiometer, dan Analog 5 digunakan sebagai sinyal respon. Untuk
kendali on off nya digunakan jumper dari pin 13 ke pin 10. Sebagai output
PID digunakan pin 6 yang dimasukan kedalam PID analog untuk
membesarkan gainnya menjadi 2 kai lipat, dengan cara mengatur Kp agar
outputnya dikuatkat 2x dari inputnya. Karena output PID memiliki range 0-
10v sedangkan arduino hanya 0-5v.
f.) Menjalankan PID script yang telah dibuat, berikut adalah gambar dari
setpoint dan respon saat script dijalankan.
3.5. Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller)
Dalam merealisasikan PID ke arduino pada plan Level Air, hal- hal yang
harus dilakukan adalah sebagai berikut.
a.) Mengkoneksikan modul-modul kendali untuk keperluan kendali Level
Air. Dengan Blok Diagram seperti gambar berikut.
Gambar III.16 Blok Diagram Kendali Level Air Standalone Control
20
Realisasinya terdapat pada gambar berikut.
Gambar III.17 Realisasi Standalone Control
b.) Modul set point tidak digunakan karena set point menggunakan
potensiometer yang terhubung ke analog input arduino yang dapat
diubah nilai tegangannya dari 0 – 5v. Lalu Modul PID analog tidak
sepenuhnya digunakan, karena modul tersebut hanya digunakan
parameter Kp nya saja. Karena keluaran dari Arduino terbatas yatu
sampai 5V sedangkan tegangan yang masuk ke penguat daya harus
memilik range 0 – 10V oleh karena itu harus dikalikan 2 dengan
menggunakan gain yang ada di PID analog.
c.) Lalu Pin-pin yang digunakan pada arduino adalah sebagai berikut.
A0, digunakan sebagai Set point dengan cara mengkoneksikannya
dengan Potensiometer.
A5, digunakan sebagai Respon dari sensor plant.
PIN 3, digunakan sebagai keluran yang digunakan untuk
menjalankan plant.
d.) Setelah semua terkoneksi, langkah selanjutnya adalah membuat
program di Arduino IDE dengan script sebagai berikut.
21
22
Gambar III.18 Script Arduino PID
Parameter Kp, Ti dan Td didapatkan dari metode yang sebelumnya yang
digunakan pada realisasi desain PID dengan script matlab pada tabel III.9.
Setelah itu upload program tersebut pada Arduino. Dan menghidupkan
Power supply.
23
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 1
Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan
pada PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan
menjadi seperti gambar IV.1
Gambar IV.1 Respon Kendali PID ZN Tipe 1
Sinyal respon akan terlihat sama saat steady state dengan sinyal dari
setpoint, namun sinyal respon yang dilingkari merah terdapat frekuensi tinggi
yang mengganggu ketelitian. Oleh karena itu Td pada PID harus di off kan
agar frekuensi tinggi tersebut ditahan. Ketika Td di off kan sinyal respon lebih
halus seperti pada lingkaran ungu pada gambar diatas.
Sinyal respon diatas masih memiliki overshoot yang cukup besar oleh
karena itu, dilakukan manual tunning agar overshoot mengecil. Dengan
menaikan sedikit-sedikit Kp dan Ti. Sinyal yang telah dilakukan manual
tunnig dapat dilihat pada gambar IV.2
24
Gambar IV.2 Respon Kendali PID ZN Tipe 1 Manual Tunning
Gambar diatas adalah hasil manual tunning dengan menaikan Kp
dan Ti. Terlihat overshoot menjadi mengecil sehingga terlihar sinyal respon
sama dengan setpoint pada saat-saat tertentu. Namun saat set point diubah
secara cepat dan lebih jauh, sinyal respon terlihat melewati sinyal set point.
4.2 Desain Kendali PID dengan Metoda Ziegler-Nichols Tipe 2
Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan pada
PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan menjadi
seperti gambar IV.3
Gambar IV.3 Respon Kendali PID ZN Tipe 2
25
Sinyal respon akan terlihat sama saat steady state dengan sinyal dari
setpoint, namun agak sedikit berosilasi, hal tersebut karena plan yang
dikendalikan adalah air.
4.3 Desain Kendali PID dengan Metoda Cohen and Coon
Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td nilai tersebut diterapkan
pada PID Controller. Dan ketika dijalankan kembali, sinyal respon akan
menjadi seperti gambar IV.4
Gambar IV.4 Respon Kendali PID CC
Jika dilihat, sinyal respon memiliki overshoot yang cukup besar dan
juga lamanya mencapai steady state. Setelah dilakukan manual tunning untuk
memperkecil overshoot dilakukan dengan cara menaikan Kp dan Ti. Dengan
nilai Kp yang baru yaitu 9 dan Ti 8,1. Respon baru seperti gambar berikut.
Gambar IV.5 Respon Kendali PID CC Manual Tunning
26
Terlihat overshoot dan steady state mengecil dengan dilakukan
manual tunning juga.
4.4 Realisasi Desain PID dengan Script Matlab
Menjalankan PID script yang telah dibuat, berikut adalah gambar dari
setpoint dan respon saat script dijalankan.
Gambar IV.6 Respon Kendali PID dengan Script
Sinyal memiiki overshoot yang cukup besar, oleh karena itu dilakukan
tunning manual kembali agar overshoot mengecil. Setelah dilakukan tunning
manual, didapatkan hasil KP, Ti dan Td sebagai berikut.
Tabel IV.1 Hasil Manual Tunning PID Script
Kp Ti Td
30 50 0
Sinyal respon menjadi seperti berikut.
27
Gambar IV.7 Respon Kendali PID dengan Script Manual Tunning
Dari hasil tunning ini, sinyal respon tidak memiliki overshoot
melainkan langsung steady state, namun saat setpoint diturunkan cukup
drastis, sinyal respon melewati setpoint. Saat diberi gangguan berupa katup
yang ditutup beberapa saat, repon naik lalu turun kembali. Dan di beri
gangguan berupa katup yang dibuka, respon akan trun dulu kebawah lalu naik
kembali.
4.5 Realisasi Desain PID dengan Arduino (Standalone Controller)
Pada saat yang plan dijalankan, tekan CTRL + Shift + M untuk melihat
secara serial yang terbaca pada arduino. Berikut adalah beberapa contoh
serial monitor yang berhasil ditangkap.
28
Gambar IV.8 Serial Monitor SP dan PV
Bagian yang diberi tanda merah memperlihatkan nilai saat Set point sama
dengan sinyal Respon.
Agar laptop tidak dilibatkan pada sistem ini, kita dapat menggunakan
LCD sebagai monitor untuk melihat nilai set point dan respon. Dengan
menambah intuksi untuk LCD pada program. Realisasinya seperti gambar
IV.9
Gambar IV.9 Tampilan SP dan PV pada LCD
29
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :
a.) Untuk mendesain kendali PID dapat dilakukan dengan metode Ziegler
Nichols Tipe-1. Untuk membaca sinyal dapat digunakan media Arduino
agar sinyal dapat terbaca di Matlab. Setelah mendapatkan Kp, Ti dan Td
sinyal respon memilik frekuensi tinggi, oleh sebab itu Td harus di off
kan. Karena Td berperan sebagai High Pass Filter, saat Td di off kan
sinyal respon menjadi halus. Untuk mengecilkan overshoot yang
terdapat pada sinyal respon, Kp dan Td harus dinaikan. Rise time pada
level air sudah cukup cepat, karena yag dikendalikan adalah air. Saat set
point dinaikan drastis atau diturunkan drastis sinyal respon akan
melebihi sinyal set point, hal tersebut dikarenakan motor pada pump
yang kurang presisi.
b.) Untuk mendesain kendali PID dapat dilakukan dengan metode Ziegler
Nichols Tipe-2. Untuk membaca sinyal dapat digunakan media Arduino
agar sinyal dapat terbaca di Matlab. Setelah mendapatkan Kp, Ti dan Td
sinyal respon memiliki eror steady state yang secara terus menerus. Hal
tersebut karena plan yang dikendalikan adalah air. Sifat air sendiri
seperti ombak yang bergerak berubah-ubah, makanya sensor membaca
naik turun. Jika dibandingkan dengan ziegler nichols tipe 1. Sinyal
respon yang didapat masih bagus dengan menggunakan ziegler nichols
tipe 1.
c.) Untuk mencari nilai Kc, Ki, dan Kd pada suau sistem yang memiliki
deadtime yang besar, dapat didesain menggunakan metode cohen and
coon agar sistem tersebut memiliki deadtime yang kecil. Hal tersebut
sangat cocok bagi Level Air karena respon yang didapatkan lama,
30
sehingga saat dicari ketiga parameter tersebut, sinyal respon terlihat
halus.
d.) Kendali PID dapat dilakukan dengan menggunakan program, kendali
teresebut dinamakan PID Digital. Salah satunya ynag sedang dipelajari
adalah dengan menggunakan script pada Matlab. Hanya dengan
measukan nilai Kp, Ti dan Td, Program tersebut dapat mengendalikan
suatu sistem. Tentunya dalam hal ini menggunakan suatu media yaitu
Arduino salah satunya yang dapt digunakan.
e.) Dalam menggunakan PID Arduino caranya sangatlah mudah. Hanya
dengan memasukan parameter yang diperlukan, kita dapat
mengendalikan suatu plant. Tidak hanya mengendalikan, kita juga dapat
memantau aktivitas sistem dengan menggunakan serial monitor atau
langsung menggunakan LCD. Sehingga sistem tidak perlu
menggunakan Laptop lagi sebagai kendalinya. Dengan Arduino yang
minimalis dan praktis, semuanya dapat dikendalikan dengan Arduino.
5.2 Saran
Dari semua percobaan yang telah dilakukan, dapat diterapkan tidak
hanya dengan palnt level air. Dapat juga di plant apapun, bahkan sampai
kendali tersebut dapat diterapkan pada plant-plant besar yang ada di dalam
suatu industri. Adapun beberapa saran untuk membuat percobaan ini menjadi
lebih sempurna lagi adalah sebagai berikut.
a.) Untuk memasukan set point dapat digunakan keypad sebagai input
nilainya
b.) Menambahkan indikator buzzer atau LED saat respon nilainya
mendekati nilai set point.
c.) Sebagai media kontroler, dapat digunakan pengendali yang lebih
kompleks seperti rapsberry, PIC, PLC yang sudah ada PID dan lain
sebagainya.
31
DAFTAR PUSTAKA
[1] Iskandar, Dede dkk. “Kendali Level Air dengan Menggunakan Parameter PID
Controller”, Jurnal, Universitas Jendral Achmad Yani, 2009.
[2] Kurniawan, Wijaya. “Pengendalian Suhun dan Ketinggian Air Pada Boiler
Menggunakan Kendali PID dengan Metode Root Locus”, Jurnal, EECCIS
Vol.III, 2009.
[3] “Pengertian Open Loop dan Close Loop”,
http://wisnukusbandono.blogspot.com/2013/03/pengertian-open-loop-dan-
close-loop.html. Diakses 8 Juli 2015.
[4] “PID (Propotional – Intergral – Derivative) Control”.
https://putraekapermana.wordpress.com/2013/11/21/pid/. Diakses 8 Juli 2015.