LAPORAN AKHIR PRAKTIKUM

SISTEM KENDALI POSISI DENGAN MODUL PID

MENGGUNAKAN ARDUINO-MATLAB DENGAN

DESAIN ZIEGLER-NICHOLS 1, 2 DAN STAND

ALONE

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat matakuliah Sistem

Kendali Digital (SKD)

DIPLOMA III PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Febry Rustiansyah

131311047

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAK

Modern ini, bidang elektronika berkembang sangat pesat terutama pada dunia

industri. Dalam dunia industri, harus dibekali dengan ilmu sistem kendali

antaralain sistem kendali posisi, kendali kecepatan, kendali suhu dan kendali

air. Salah satu sistem kendali yang sering dipakai adalah kendali Posisi.

Terdapat dua cara yang digunakan dalam praktikum pengoperasian modul PID

yaitu cara ziegler nichols 1 dan 2. Pada plant sistem kendali posisi terbagi

menjadi 2 posisi; posisi atas dan posisi bawah. untuk mendapatkan sensor

posisi naik maka nilai outputnya harus positif, dan untuk mendapatkan sensor

posisi turun maka nilai outputnya harus negatif. Untuk mempermudah

pengoperasian modul PID, penggunaan arduino sangat dibutuhkan karena

karena program yang telah dibuat dapat disimpan

di arduino. Ilmu sistem kendali ini sangat dibutuhkan di zaman ini.

Kata kunci :PID, ziegler nichols 1 dan 2, Board Arduino

ABSTRACT

Nowadays, electronics area has developed significantly, especialy for

industrial world. The knowledge of control system that consists of position

control system, speed contol, temperature control, and water control are very

needed. The most used control system is position control. The two ways used

to operate Modul PID position control system practicum are ziegler nicholes 1

and 2. Plant position control system divided into 2position in terms of up

position and down position. If the position sensor want to be upgrade, the

output value should be positive and if the position sensor want to be

downgrade, the output value should be negative. The use of Arduino is needed

for making easy the operation of PID modul, its because the program which

has made, can be saved in Arduino. Therefore, the knowledge of control

system is needed today.

Keyword: Board Arduino,PID,ziegler nichols 1 and 2.

ii

KATA PENGANTAR

Puji serta syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas

ridhonya lah penulis dapat menyelasi kan praktikum dan laporan praktikum sistem

kendali digital “Desain PID Menggunakan Ziegler Nichols Tipe 1 dan Tipe 2”.

Tak lupa penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada: 1. Bapak

Feriyonika, ST.,M.Sc,Eng selaku dosen mata kuliah SKD yang telah

membimbing, dan membuatkan video sebagai metode pembelajaran sehingga

penulis dapat berkali-kali mengulangi pembelajaran yang belum di pahami

sehingga penulis dapat memahami materi pembelajaran. 2. Ibu iyom selaku

teknisi, yang telah menyiapkan komponen. Atas bantuan dari orang di ataslah

praktikum SKD saya berjalan lancar dan laporan akhir praktikum dapat selesai.

Penulis berharap dengan memppelajari Sistem kendali dengan metode ini

dapat bermanfaat khususnya bagi penulis dalam menjalani dunia pekerjaan

kedepan.

iii

DAFTAR ISI

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

ABSTRACT ............................................................................................................................... i

KATA PENGANTAR .............................................................................................................. ii

DAFTAR ISI ............................................................................................................................ iii

DAFTAR TABEL .................................................................................................................... iv

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. v

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

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

1.2 Rumusan Masalah............................................................................................................... 1

1.3 Tujuan.............................................................................................................................................1

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

2.1 Dasar Teori ........................................................................................................... ....................2-3

2.1.1 Alat dan bahan........................................................................................................... ...... ....... 3

2.1.2 Parameter-parameter penting .......................................................................................... .... 3-4

BAB III PERANCANGAN SISTEM................................................................................. 6

3.1Lankah Percobaan............................................................................................................ 7-10

3.1 flowchart Kendali posisi stand alone........................................................................................ 9

3.1Desain Kendali Posisi menggunakan Ziegler Nichols tipe 1....... .............................................9

3.1Desain Kendali Posisi menggunakan Ziegler Nichols tipe 2..... ................................................... 10

BAB IV DATA PENGUJIAN DAN ANALISA......................................................................................................11

4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Desain dengan Ziegler Nichols Tipe1.........................................11

4.2 Hasil Pengujian dan Analisa Desain dengan Ziegler Nichols Tipe 2.........................................12

4.3 Hasil Pengujian dan Analisa Desain stand alone control..........................................................14

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................... 16

5.1 Kesimpulan ......................................................................................................................................... 16

5.2 Saran .................................................................................................................................................... 16

DAFTAR PUSTAKA....................................................................................................17

iv

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Parameter Yang Harus Diperhatikan dalam Kendali PID.....................5

Tabel II.2 Ziegler-Nichols Tuning Rule Based on Step Response of

Plant.........................................................................................................................6

Tabel III.1 Parameter Ziegler-Nichols 1.................................................................9

Tabel III.2 parameter Ziegler-Nichols 2................................................................10

Tabel IV.1 Ziegler Nichlos Tunning Rule Based on Step Response Off plant(First

methode)................................................................................................................11

Tabel IV.2 Hasil Parameter Dari Methode Ziegler

Nichlols1...............................................................................................................12

Tabel IV.3 Ziegler Nichlos Rule Based On Critical Gain Kcr and Critical Periode

Pcr ........................................................................................................................13

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 blok catu daya.............................................................................2

Gambar II.2 blok Setpoint ..............................................................................2

Gambar II.3Blok penguat daya.......................................................................3

Gambar II.4 blok plant kendali posisi .............................................................3

Gambar II.5 Rumus parameter........................................................................4

Gambar III.1 Skema Blok Sistem Kendali posisi............................................7

Gambar III.2 Blok Simulink untuk Ziegler-Nichols1.......................................8

Gambar III.3 Blok Simulink untuk Ziegler-Nichols2.......................................8

Gambar III.4 blok lowpass filter......................................................................8

Gambar III.5 Flowchart...................................................................................9

Gambar III.6 Output Ziegler-Nichols 1...........................................................9

Gambar III.7 Output Ziegler-Nichols 2..........................................................10

Gambar IV.1 Hasil Manual Tunning...............................................................12

Gambar IV.2 Sinyal yang akan didesain.........................................................13

Gambar IV.3 manual Tunning ........................................................................13

Gamabar IV.4 pada Arduino............................................................................15

Gambar IV.5 pada scope..................................................................................15

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sistem kendali adalah proses pengaturan/pengendalian terhadap satu

atau beberapa besaran (variable, parameter) sehingga berada pada suatu

rangkuman harga tertentu[1]. Banyak contoh lain dalam bidang industri /

instrumentasi dan dalam kehidupan kita sehari-hari di mana sistem ini

dipakai [2].salah satu yang mengguunakan sistem kendali adalah lift yang

menggunakan sistem kendali posisi.

Pada laporan praktikum ini penulis menggunakan PID untuk

mengendali modul plant posisi. Metode yang dipakai untuk mendapatkan

PID dengan menggunakan Ziegler Nichols tipe 1 (open loop)dan Ziegler

Nichlos tipe 2 (Close loop). Setelah mendapatkan parameter-parameter

PID didapatkan (Kp,Ti,Td), selanjutnya nilai dari parameter dimasukan

atau ditentukan kembali ke modul PID.

Adunio yang berguna untuk menyimpan program sehingga apabila

di dunia industri ketika menginstalasi atau men settting tidak perlu

menggunakan laptop atau dengan kata lain Stand alone. Namun apabila

masih menggunakan modul PID Respon sistem akan dianalisa dan akan

diperbaiki dengan manual tunning atau merubah hingga sesuia dengan

yang di inginkan/ dibutuhkan plant. Pada praktikum yang telah dilakukan

dengan menggunakan kendali modul plant posisi maka dapat hasil dari

Ziegler nichlos tipe 1 & 2 untuk menentukan output yang lebih baik dapat

ditentukan berdasarkan kecocokan dari hasil percobaan dan kebutuhan

aplikasi dari sistem kendali tersebut.

1.2 Rumusan Masalah

1. Apakah Sistem kendali berjalan semestinya?

2. Apkah dapat mencoba semua cara (ZN1, ZN2,dan stand alone)

1.3 Tujuan

Tujuan dari praktikum sistem kendali digital plant kendali :

1. Dapat merancang sistem kendali posisi menggunakan modul PID

lewat arduino-matlab dengan desain Ziegler-Nichols Tipe 1 dan 2,

CC, dan Stan alone.

2. Untuk menentukan hasil parameter PID dengan desain Ziegler-

Nichols Tipe 1 dan Tipe menggunakan arduino-matlab.

3. Mengaplikasikan pada modul Plant kendali posisi

2

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 Dasar Teori.

Sistem kendali posisi dalam praktikum ini adalah sistem kendali yang

mengendalikan posisi yang satuan outputnya 10V atau 0,1 V/Strip. Jadi,

setiap satu garis pada modul sama dengan 1 strip dengan tegangan 0,1 V.

Adapun dalam sistem kendali posisi ini terdapat blok/bagian yang menjadi

satu kesatuan yang terintegrasi dalam sistem ini, di antaranya sebagai

berikut :

1. Blok Catu Daya

Blok catu daya, yaitu blok yang dijadikan

supply pada sistem kendali ini. Pada blok ini

terdapat variasi tegangan input antara -15V

sebagai tegangan minimal dan +15V sebagai

tegangan maksimal serta terdapat tegangan

independent sebesar 5V/1A.

Gambar II.1 blok catu daya

2. Blok Set Point

Blok set point, yaitu blok yang dijadikan sebagai

referensi tegangan input yang akan diatur pada

sistem kendali.

Pada Set point terdapat dua pilihan

konektor yaitu:

1. Untuk mengatur antara 0V

sampai dengan 10V

2. Untuk mengatur antara -10V

sampai dengan 10V

Gambar II.2 block Setpoint

3

3. Blok Penguat Daya

Blok penguat daya, yaitu blok yang dijadikan sebagai

penguat untuk menguatkan tegangan input yang diatur pada

blok set point.agar pengendalian output stabil karena output

beban yang digunakan membutuhkan daya yang besar

Gambar II.3Blok penguat daya

4. Blok Plant kendali posisi

Pada blok ini berfungsi sebagai output beban (plant).di sini

juga tedapat motor yang berputar ke atas dan kebawah untuk

menentukan posisi dan sensor posisi untuk memberi signal

ke software arduino.

Gambar II.4 blok plant kendali posisi

2.3 Parameter – parameter penting

Pada praktikum sistem kendali posisi ini terdapat modul tambahan, yaitu modul

PID yang akan dijadikan sebagai kontrol dari sistem kendali ini. Pada modul PID

ini terdapat beberapa nilai yang harus diatur, yaitu Kp, Ti, dan Td.

Tentunya, untuk mendapatkan nilai-nilai tersebut salah satu cara yang dapat

dilakukan secara praktis dan mudah, yaitu menggunakan desain Ziegler-Nichols

Tipe 1 walaupun ada cara lain, yaitu secara teoritis dengan menggunakan root

locus tetapi kurang efektif dibandingkan dengan menggunakan desain Ziegler-

Nichols1.

Sementara itu pada Ziegler-Nichols 2 hanya menggunakan propotional

bandnya saja. Nilai KP di naikan hingga menghasilkan gelombang yang stabil

Persamaan Umum PID : GPID = Kp(1+1

𝑇𝑖𝑠 +Tds)

4

atau bahkan marginerring stable agar dapat mendapatkan nilai Pcr, setelah

menemukan nilai pcr maka kita akan mendapatkan nilai Kcr (ctical gain). Untuk

mendapatkan nilai parameter Kp,Ti dan Td kita dapat mengkikuti rumus seperti di

bawah ini:

Gambar II.5 Rumus parameter

Adapun dalam sistem kendali terdapat parameter-parameter penting

yang harus diperhatikan, yaitu :

5

a. Rise Time (tr), yaitu waktu yang diperlukan untuk naik mencapai

keadaan steady state.

b. Persentase Overshoot Maksimum, yaitu peak value dikurangi nilai

steady state value dibagi dengan steady state value dikali seratus

persen.

c. Settling Time, yaitu waktu yang diperlukan agar respons mencapai

dan tetap berada di dalam batas-batas dengan nilai akhir, biasanya

(2% atau 5%).

d. Steady State Error, yaitu waktu untuk mencapai keadaan steady

state.

Perancangan sistem kendali posisi ini menggunakan modul PID lewat

arduino-matlab dengan desain Ziegler-Nichols Tipe 1. Pada desain

Ziegler-Nichols Tipe 1 terdapat parameter-parameter tersebut yang harus

diperhatikan sebagai berikut

Tabel II.1 Parameter-parameter Yang Harus Diperhatikan dalam Kendali PID

Parameter Rise Time Overshoot Settling Time S-S Error

Kp Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang

Ki Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan

Kd Minor Change Berkurang Berkurang Minor Change

6

Adapun untuk mendapatkan nilai Kp, Ti, dan Td pada kendali P, PI,

dan PID menggunakan desain Ziegler-Nichols, yaitu sebagai berikut :

Tabel II.2 Ziegler-Nichols Tuning Rule Based on Step Response of Plant

2.2 Alat dan Komponen Yang Digunakan

Alat dan komponen yang digunakan diantaranya, yaitu :

1. Modul Catu Daya 1 buah

2. Modul Set Point 1 buah

3. Modul PID 1 buah

4. Modul Penguat Daya 1 buah

5. Modul Plant Sistem Kendali posisi 1 buah

6. Laptop 1 buah

7. Arduino 1 buah

8. Kabel Penghubung Secukupnya

9. Jumper Secukupnya

7

BAB 3

PERANCANGAN SISTEM

3.1 Langkah Percobaan

Langkah-langkah yang harus dilakukan dalam praktikum adalah:

1. Cek alat terlebih dahulu modul PS,setpoint,PID,Penguat dan plant

kendali posisi

2. Rangkai blok sistem kendali posisi dengan Arduino seperti gambar

dibawah ini.

Gambar III.1 Skema Blok Sistem Kendali posisi.

3. Koneksikan arduino pada MATLAB

4. Desain Simulink pada Silmulink MATLAB seperti gambar dibawah:

8

Gambar III.2 Blok Simulink untuk Ziegler-Nichols1

Gambar III.3 Blok Simulink untuk Ziegler-Nichols2

5. Pada blok lowpass filter atur seperti gambar berikut:

Gambar III.4 blok lowpass filter

6. Berbeda dengan ziegler nichols 1 dan 2 pada PID script harus

merancang flowchart seperti gambar di bawah ini:

9

7.

Gambar III.5 Flowchart

8. Jika sudah mendapatkan gelombang lalu desain hasil output pada

gambar diatas menggunakan desain Ziegler-Nichols 1 dan Ziegler-

Nichols 2 pada figure Sope sehingga di dapat dapat nilai Kp, Ti, dan Td

seperti gambar dibawah:

G

ambar III.6 Output Ziegler-Nichols 1

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

X: 304.8

Y: 1.322

X: 41

Y: 0.002547

X: 33.4

Y: 0.0001916

X: 632

Y: 1.842

L T Kp Ti Td Ki Kd

7.6 263.8 41.6526 15.2 3.8 2.74030 158.279

10

Tabel III.1 Parameter Ziegler-Nichols 1

Gambar III.7 Output Ziegler-Nichols 2

Tabel III.2 parameter Ziegler-Nichols 2

9. Setelah mendapatkan nilai Kp, Ti dan Td maka gunakan PID controller

pada rangkaian seperti langkah 2

10. Lihat gambar yang dihasilkan, jika belum sesuai atur secara manual

pada PID

11. Hasil output sempurna di dapat

11

BAB 4

DATA DAN ANALISA

4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Desain Kendali PID dengan Ziegler Nichols

Tipe 1

Setelah didapatkan nilai Kp,T,dan L maka dapat dihitung nilai parameter dari

PID. Namun parameter PID dihitung dengan data real time, untuk itu waktu real

yang diperlukan sistem untuk beroperasi dapat dihitung sebagai berikut:

Waktu oleh stopwatch ketika sistem dijalankan = 10 detik

Waktu sistem pada MATLAB ketika On hingga Off = 130 detik – 70 detik = 50

detik.

Dari grafik (waktu MATLAB) didapat nilai T sebesar =50

Jadi T (real time) =

= 1

= 10 detik

Dengan menggunakan tabel dibawah ini maka akan di dapatkan nilai Kp, Ti, Td,

Ki, Kd

Tabel IV.1 Ziegler Nichlos Tunning Rule Based on Step Response Off plant(First

methode).

Type controller

Kp

Ti

Td

P

∞

0

PI

0.9

0

12

PID

1.2

2L

0.5L

L T Kp Ti Td Ki Kd

7.6 263.8 41.6526 15.2 3.8 2.74030 158.279

Tabel IV.2 Hasil Parameter Dari Methode Ziegler Nichlos Tipe 1

Langkah terakhir adalah melakukan manual tunning respon sinyal yang didapat

agar didapatkan respon sinyal yang mendekati setpoint.

Pada saat manual tuning nilai yang dimasukan adalah nilai Kp, Ki , dan

Kd yaitu :

Kp = 79

Ti = 16 Ki = 79/50 = 1.58

Td = 4.1 Kd = 79x4 = 316

Berikut adalah gambar 3.6 grafik dari hasil manual tuning

Gambar IV.1 Hasil Manual Tunning

4.2 Hasil Pengujian dan Analisa Desain Kendali PID dengan Ziegler Nichols

Tipe 2

Dengan menggunakan tabel dibawah ini maka nilai parameter PID dapat

ditentukan

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-1

0

1

2

3

4

5

6

13

Tabel IV.3 Ziegler Nichlos Rule Based On Critical Gain Kcr and Critical Periode

Pcr

Masukan nilai parameter PID tersebut ke modul PID. Jalankan sistem kendali

posisi dengan modul PID yang telah diisi dengan parameter PID hasil

perhitungan.

Gambar di bawah ini menujukan respon sinyal dari sistem kendali posisi dengan

modul PID yang telah diisi dengan parameter PID hasil perhitungan.

Gambar IV.2 Sinyal yang akan didesain

Maka di dapat nilainilai seperti yang ada pada tabel III.2

Untuk mendapatkan hasil yang sempurna di lakukan tuning manula dengan cara

mematikan atau memberi nilai 0 pada Ti dan Td, dan di dapatkan gelombang sbb:

14

Gambar IV.3 manual Tunning

4.3 Hasil Pengujian dan Analisa Desain Kendali PID stand alone control

Setelah membuat flowchart maka di realisasikan dengan membuat program

seperti dibawah ini:

int Output = 6;

float Ts = 0.01;

float Kp = 87;

float Ti = 0;

float Td = 0;

float Ki = 0;// Kp/Ti;

float Kd = 0;// Kp*Td;

float Setpoint,

Feedback, Setpoint1,

Feedback1;

float error;

float errorD, errorD1;

float errorI,

errorIsekarang,

errorIsekarang1,

errorIsekarang2;

float outP, outI, outD,

outPIDsebelum;

float errorsebelum = 0;

float errorIsebelum = 0;

int outPID;

void setup () {

pinMode (6,OUTPUT);

}

void loop () {

Setpoint = analogRead

(A0); Setpoint1 =

Setpoint*0.0049*10;

Feedback = analogRead

(A1);

Feedback1 =

Feedback*0.0049*10;

error = Setpoint1 -

Feedback1;

errorIsekarang =

error+errorsebelum;

errorIsekarang1 =

errorIsekarang/2;

errorIsekarang2 =

errorIsekarang1*Ts;

errorI = errorIsekarang2

+ errorIsebelum;

errorD1 = error -

errorsebelum;

errorD = errorD1/Ts;

outP = Kp*error;

outI = Ki*errorI;

outD = Kd*errorD;

outPID = outP + outI +

outD;

//outPID =

outPIDsebelum;

if(outPID>=10)

{

outPIDsebelum=10;

}

else if(outPID<=-10)

{

outPIDsebelum=-10;

}

else

{

outPIDsebelum=outPID

sebelum;

}

float

outPIDsebelum1=(outPI

Dsebelum+10);

outPID=outPIDsebelum

1/4;

outPID=outPIDsebelum

*51;

analogWrite(6,outPID);

errorsebelum=error;

errorIsebelum=errorI;

}

15

Di karenakan arduino hanya mampu membaca tegangan mulai dari 0V – 5V maka

script harus di tulis rumus agar tegangan yang masuk pada arduino tidak lebih dari

5V dan dapat membaca nilai minus (-), maka rumusnya dalah sbb:

[A B] [C D]

[-10 10] [0 5]

out = C(out+D)/B-A D(nilai+B)/B-A

=0(nilai+5)/10-(-10) =5 (nilai++10)/10-(-10)

=0 = 5(nilai+10)/20

=(nilai +10)/4

yang dimasukan pada script

dari program di atas maka di dapat hasil akhir seperti gambar di bawah ini :

Gambar IV.5 pada scope

Gamabar IV.5 pada Arduino

Pada percobaan stand alone ini saya tidak dapat menampilkannya pada lcd

karena ada kesalahan yang tak terduga sebelumnya pada rangkaian

16

BAB 5

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan praktikum sistem kendali posisi dapat disimpulkan

bahwa :

Desain kendali posisi menggunakan PID dengan ziegler nichlos tipe 1

lebih baik dari tipe 2, karena Ziegler nichols tipe 2 lebih baik pada

kendali yang lambat atau kendali proses.

Stand alone baik digunakan karena respon dapat terlihat pada lcd,

namun saya tidak dapat memperlihatkannya karena ada kesalah yang

tak terduga sebelumnya

5.2 Saran

Teliti sebelum dan sesudah mengisi sistem kendali ketika auto

tunning dan manual tunning.

Cek ulang peralatan sebelum di pakai.

17

DAFTAR PUSTAKA

[1]. “Pengertian Sistem Kendali”,

http://eviandrianimosy.blogspot.com/2010/05/pengertian-sistem-

kendali.html. Di akses 6 juli 2015

[2]. “Sistem Kendali”, https://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_kendali. Di

akses 6 juli 2015