pengendali ketinggian air berbasis rangkaian digital · 2018. 6. 22. · gambar 4.10 tanggapan...

TUGAS AKHIR

PENGENDALI KETINGGIAN AIR BERBASIS RANGKAIAN DIGITAL

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro

Disusun Oleh :

ANTONIUS ADI NUGROHO

NIM : 025114059

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2007

i

WATER LEVEL CONTROLLER

BASED ON DIGITAL CIRCUIT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Electrical Engineering Study Program

By:

Name : Antonius Adi Nugroho

Student Number : 025114059

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2007

ii

HALAMAN PERSETUJUAN

TUGAS AKHIR

PENGENDALI KETINGGIAN AIR

BERBASIS RANGKAIAN DIGITAL (WATER LEVEL CONTROLLER BASED ON DIGITAL

CIRCUIT)

Disusun oleh

Antonius Adi Nugroho NIM : 025114059

Telah disetujui oleh :

Dosen Pembimbing I (B. Wuri Harini, S.T., M.T.) Tanggal :_____________________ Dosen Pembimbing II (Ir. Tjendro) Tanggal:_____________________

iii

HALAMAN PENGESAHAN

PENGENDALI KETINGGIAN AIR BERBASIS RANGKAIAN

DIGITAL

Dipersiapkan dan disusun oleh :

Antonius Adi Nugroho

NIM : 025114059

Telah dipertahankan di depan Panitia Penguji

Pada tanggal : 17 Oktober 2007

dan dinyatakan memenuhi syarat

Susunan Panitia Penguji

Nama Lengkap Tanda Tangan

Ketua : Martanto, S.T., M.T. .....................................

Sekretaris : B. Wuri Harini, S.T., M.T. .....................................

Anggota : Damar Widjaja, S.T., M.T. .....................................

Anggota : Ir. Tjendro .....................................

Yogyakarta, November 2007

Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma

Dekan

Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M. Sc.

iv

MOTO DAN PERSEMBAHAN

life full of problem in details

there is liking is sorrowful

don't have ever surendered

there no stain don't learn

Kupersembahkan Karya ini :

Untuk Tuhan Yesus Kristus

Untuk Bapak, Ibu, mbak Ika, Eyang kakung dan Alm Eyang Uti yang

sangat kucintai

Untuk Semua teman dan sahabatku

Terimakasih atas segala kesabaran dan cinta kasih yang selalu diberikan

pada penulis.

v

Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital

Nama : Antonius Adi Nugroho NIM : 025114059

INTISARI Dalam tugas akhir ini akan dipaparkan tentang Sistem Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital yang dapat digunakan untuk mengatur ketinggian air dengan mengaplikasikan rangkaian digital. Rangkaian Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital ini terdiri dari beberapa bagian utama yaitu : (1) sensor, (2) rangkaian set point, (3) rangkaian pengondisi sinyal, (4) pengubah tegangan analog ke digital, (5) komparator, (6) kontroler, (7) penggerak, (8) plan (dua buah tangki), dan (9) rangkaian penampil.

Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital diimplementasikan dengan menggunakan sistem kalang tertutup. Masukan untuk pengendali adalah hasil selisih antara set point dengan keluaran sensor, selisih tersebut nantinya digunakan untuk mengendalikan pompa air agar hidup atau mati. Pada penerapan alat ini, pengendalian ketinggian air dibatasi dengan nilai set point yaitu 3 cm, 5 cm, 7 cm, dan 9 cm. Dalam pemilihan set point digunakan 4 buah saklar yang tiap-tiap saklar memiliki nilai yang berbeda-beda.

Pada saat dilakukan pengujian dapat diketahui bahwa sistem stabil dan telah bekerja dengan baik sesuai dengan perancangan. Diperoleh hasil yang memiliki nilai steady-state error sebesar 4,44%, akan tetapi nilai tersebut masih dalam batas nilai toleransi yang diijinkan. Kata kunci : ketinggian air, rangkaian digital, pengendali

vi

Water Level Controller Based on Digital Circuit

Name : Antonius Adi Nugroho Student Number : 025114059

ABSTRACT

This final project will describe Water Level Controller based on digital circuit. The electronic circuit of Digital Connecting Structure-based Water Level Controller System is divided into several main parts: (1) sensor, (2) set point, (3) signal conditioning, (4) analog to digital converter, (5) comparator, (6) controller, (7) actuator, (8) plant, and (9) display.

Water Level Controller based on digital circuit was implemented with close-loop system. The input controllers are the different between set point and sensor’s output. That different will used to controlled water pump condition. In application’s project, water level controller uses set point’s values are 3 cm, 5 cm, 7 cm and 9 cm. to choose set point’s value used 4 selections button that have different value.

During testing the project will known that the system is constant and worked properly with the design project. This final project has got steady-state error value 4, 44 %, but the value was tolerated. Keyword: water level, digital circuit, controller.

vii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

“Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini

tidak memuat karya atau bagian karya orang lain,

kecuali yang telah disebutkan dalam kutipan dan daftar pustaka,

sebagaimana layaknya karya ilmiah.”

Yogyakarta, Oktober 2007

Antonius Adi Nugroho

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala

kasih karunia, anugerah, dan berkat-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan

penulisan tugas akhir ini dengan baik.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini, penulis

mendapatkan banyak bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh karena itu,

pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh hormat, penulis

ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Romo Ir. Greg. Heliarko SJ.,SS.,BST.,MA.,MSC selaku Dekan

Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak A. Bayu Primawan, S.T., M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik

Elektro Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Ibu B. Wuri Harini, S.T., M.T. dan Ir. Tjendro selaku pembimbing I

dan II atas segala pemikiran, waktu dan tenaganya dalam membimbing

dan mengarahkan penulis dari awal hingga akhir.

4. Seluruh dosen Teknik Elektro yang tidak dapat di sebutkan satu

persatu, yang telah mendidik dan membimbing penulis selama

5. Seluruh Staf & Laboran Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma

yang sudah memberikan bantuan selama proses pembuatan karya tugas

akhir ini.

ix

6. Kedua orang tua penulis yang telah memberikan doa, dorongan moril

maupun material, kasih dan kesabaran yang tak pernah putus sehingga

penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

7. Kakakku Ika yang telah memberi doa dan dukungan penulis dalam

menyelesaikan tugas akhir ini.

8. Ma Prend in da MARCOPOLO : Gepenk, Memet, Bhule, Andex, Deri,

Nango, Lambe, Ahok, Nonox, Denny, Nova. I Love U ALL!!

9. Keluarga besar Pak Wakidi dan alm Ibu, Iksan, mas Yudi dan

keluarga, terima kasih sudah menerima penulis dan berhubungan baik

dengan penulis.

10. Pembimbing III-ku : Nangok dan Wawan terimakasih atas waktu dan

pemikiran yang telah banyak membantu penulis selama proses

penulisan tugas akhir ini.

11. Teman-teman teknik Elekro’02: Kobo, Sumanto, Erik, Oscar, Iyok,

Roby, Koh Andis, Sinung, Lele, Hari, Koten, Ido, Danny, Denny,

Yoga. Selalu semangat teman!!

12. Teman-teman mahasiswa jurusan Teknik Elekro dan semua pihak

yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas setiap bantuannya.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kelemahan dan kekurangan

dari penulisan tugas akhir ini. Oleh karena itu segala kritik dan saran yang

bersifat membangun sangat penulis harapkan.

x

Akhir kata penulis berharap agar skripsi ini dapat bermanfaat bagi

penulis maupun pembaca semuanya.

Yogyakarta, Oktober 2007

Penulis

xi

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i

HALAMAN PERSETUJUAN ...................................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN........................................................................ iv

HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN........................................... v

INTISARI ....................................................................................................... vi

ABSTRACT.................................................................................................... vii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................. viii

KATA PENGANTAR.................................................................................... ix

DAFTAR ISI................................................................................................... xii

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xvi

DAFTAR TABEL .......................................................................................... xix

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

1.1 Judul ............................................................................................ 1

1.2 Latar Belakang ............................................................................ 1

1.3 Tujuan dan Manfaat ..................................................................... 2

1.4 Perumusan Masalah ..................................................................... 3

1.5 Batasan Masalah .......................................................................... 3

1.6 Metodologi Penelitian ................................................................. 4

1.7 Sistematika Penulisan................................................................... 5

xii

BAB II DASAR TEORI ................................................................................ 6

2.1 Sistem Kontrol ............................................................................. 6

2.2 Transduser dan Sensor ................................................................ 7

2.3 ADC (Analog to Digital Converter)............................................. 8

2.3.1 Parameter ADC ................................................................. 9

2.4 Gerbang-gerbang Logika.............................................................. 10

2.4.1 Gerbang AND ................................................................... 11

2.4.2 Gerbang OR ....................................................................... 12

2.4.3 Gerbang NOT .................................................................... 13

2.4.4 Gerbang NAND ................................................................ 14

2.4.5 Gerbang NOR .................................................................... 15

2.5 Pembanding.................................................................................. 17

2.6 Triac ............................................................................................. 19

2.7 Penggerak ( Driver ) Motor.......................................................... 21

2.8 Optoisolator ................................................................................. 21

2.9 Peraga LED Tujuh Segmen.......................................................... 22

2.10 Penggerak/Pengkode BCD-ke-Tujuh Segmen ............................. 23

2.11 Buffer Tegangan ........................................................................... 24

2.12 Differential Amplifier (Penguat Selisih)....................................... 24

2.13 Non inverting Ampilfier ............................................................... 25

2.14 Tanggapan Sistem ........................................................................ 25

xiii

BAB III PERANCANGAN .......................................................................... 28

3.1 Diagram Blok ............................................................................... 28

3.2 Plant Pengendali Ketinggian Air ................................................. 28

3.3 Sensor Ketinggian Air .................................................................. 29

3.4 Rangkaian Pengkondisi Sinyal..................................................... 31

3.5 Set Point ...................................................................................... 35

3.6 ADC 0804 .................................................................................... 36

3.7 Rangkaian Kontroler .................................................................... 37

3.8 BCD to 7 segment ........................................................................ 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 40

4.1 Cara Kerja dan Cara Pengoperasian Alat ...................................... 40

4.2 Data Pengamatan .......................................................................... 41

4.2.1 Data Pengamatan untuk Set Point 1 ................................... 43




4.2.5 Data Pengamatan untuk Set Point 1

(Sistem dikenai gangguan) ................................................ 55





xiv



4.2.9 Perbandingan Sistem dengan gangguan dan tanpa gangguan.68

4.3 Pengamatan Keluaran ADC dan Set Point .................................. 68

4.3.1 Perbandingan Data Pengukuran ADC dengan Perancangan 70

4.3.2 Perbandingan Pengamatan Perancangan dan Plant .......... 70

4.4 Pengamatan Rangkaian Pembanding .......................................... 71

4.5 Pengamatan Driver Motor............................................................ 72

BAB V PENUTUP ......................................................................................... 73

5.1 Kesimpulan .................................................................................. 73

5.2 Saran ............................................................................................ 73

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Diagram blok sistem kontrol ............................................... 6

Gambar 2.2.a Simbol Potensiometer .......................................................... 8

Gambar 2.2.b Perbandingan hambatan RA dan RB pada potensiometer ... 8

Gambar 2.3 Gerbang AND...................................................................... 12

Gambar 2.4 Gerbang OR ......................................................................... 13

Gambar 2.5 Gerbang NOT ...................................................................... 13

Gambar 2.6 Gerbang NAND ................................................................... 14

Gambar 2.7 Gerbang NOR ...................................................................... 16

Gambar 2.8 Simbol logika standar gerbang XOR dua masukan............. 17

Gambar 2.9 Pembanding 4 bit menggunakan gerbang XOR .................. 18

Gambar 2.10 IC 74LS85............................................................................ 19

Gambar 2.11 Bentuk fisik triac ................................................................. 19

Gambar 2.12 Kurva karakteristik triac...................................................... 20

Gambar 2.13 Konfigurasi dari MOC302X ................................................ 22

Gambar 2.14 Peraga LED tujuh segmen ................................................... 22

Gambar 2.15 Bentuk bilangan desimal tampilan tujuh segmen ................ 23

Gambar 2.16 Diagram blok pendekode..................................................... 23

Gambar 2.17 Masukan desimal dari papan tombol(keyboard) ke suatu kode

BCD 8421 ............................................................................ 24

Gambar 2.18 Konfigurasi buffer tegangan ................................................ 24

Gambar 2.19 Rangkaian Differential Amplifier ........................................ 24

xvi

Gambar 2.20 Rangkaian Non Inverting Amplifier..................................... 25

Gambar 2.21 Kurva respon tangga satuan yang menunjukkan td, tr,

tp,Mp, dan ts ........................................................................ 27

Gambar 2.22 Gambar steady-state error (ess) .......................................... 27

Gambar 3.1 Diagram blok perancangan pengendali ketinggian air ........ 28

Gambar 3.2 Plant ketinggian air.............................................................. 29

Gambar 3.3 Rangkaian sensor ................................................................. 30

Gambar 3.4 Grafik tegangan keluaran terhadap ketinggian air............... 31

Gambar 3.5 Rangkaian Pengondisi Sinyal .............................................. 34

Gambar 3.6 Rangkaian ADC................................................................... 34

Gambar 3.7 Rangkaian set point.............................................................. 36

Gambar 3.8 Kaki-kaki IC ADC 0804...................................................... 37

Gambar 3.9 IC 74LS85 sebagai kontroler ............................................... 38

Gambar 3.10 BCD to 7 segment dan 7 segmen......................................... 39

Gambar 4.1 Perangkat Keras Pengendali Ketinggian Air Berbasis

Rangkaian Digital ................................................................ 40

Gambar 4.2 Tampilan set point 1 saat saklar 1 diaktifkan ...................... 43

Gambar 4.3 Grafik ketinggian air terhadap waktu untuk set point 3 cm. 44

Gambar 4.4 Tanggapan sistem untuk set point 1 (3 cm) ........................ 44

Gambar 4.5 Tampilan set point 2 saat saklar 2 diaktifkan ..................... 46


Gambar 4.7 Tanggapan sistem untuk set point kedua (5cm) .................. 47

Gambar 4.8 Tampilan set point 3 saat saklar 3 diaktifkan ..................... 49

xvii


Gambar 4.10 Tanggapan sistem untuk set point 3 (7 cm) ........................ 50

Gambar 4.11 Tampilan set point 4 saat saklar 4 diaktifkan ...................... 52


Gambar 4.13 Tanggapan sistem untuk set point 4 (9cm) .......................... 53


Gambar 4.15 Tanggapan sistem untuk set point 1 (3cm) .......................... 57


Gambar 4.17 Tanggapan sistem untuk set point 2 (5 cm) ......................... 60





xviii

DAFTAR TABEL

Halaman....

Tabel 2.1 Tabel kebenaran gerbang AND .................................................. 12

Tabel 2.2 Tabel kebenaran gerbang OR ..................................................... 13

Tabel 2.3 Tabel kebenaran gerbang NOT................................................... 14

Tabel 2.4 Tabel kebenaran gerbang AND dan gerbang NAND ................. 15

Tabel 2.5 Tabel kebenaran gerbang OR dan gerbang NOR ....................... 17

Tabel 2.6 Tabel kebenaran XOR dua masukan .......................................... 18

Tabel 2.7 Segmen yang aktif untuk setiap angka desimal .......................... 23

Tabel 3.1 Data pengukuran awal ................................................................ 30

Tabel 3.2 Tegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal ...................... 31

Tabel 3.3 Tabel ketinggian air dan keluaran digital ................................... 35

Tabel 4.1 Perbandingan keluaran sensor pada saat perancangan dan

keluaran sensor pada perangkat keras......................................... 42

Tabel 4.2 Pengamatan untuk Set Point 3 cm .............................................. 43




Tabel 4.6 Data Delay Time, Rise Time, Settling Time dan Steady-state

Error ........................................................................................... 54




xix


Tabel 4.11 Data Delay Time, Rise Time, Settling Time dan Steady-state

Error dengan sistem dikenai gangguan ...................................... 67

Tabel 4.12 Hasil pengambilan data ADC untuk setiap perubahan

kenaikan nilai .............................................................................. 69

Tabel 4.13 Keluaran set point ....................................................................... 69

Tabel 4.14 Perbandingan ADC ..................................................................... 70

Tabel 4.15 Perbandingan perancangan dengan plant ................................... 71

Tabel 4.16 Keluaran IC pembanding 74ls85 ................................................ 71

Tabel 4.17 Masukan dan keluaran rangkaian driver..................................... 72

xx

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Judul

Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital

1.2. Latar Belakang Masalah

Air memegang peranan penting dalam kehidupan manusia sehari-hari. Air

tidak hanya digunakan sebagai air minum tetapi juga digunakan untuk keperluan

lainnya, seperti mandi, memasak mencuci dan sebagainya. Mengingat pentingnya

air bagi kehidupan manusia, banyak rumah-rumah menggunakan tangki

penampungan air. Pada umumnya tangki penampungan air ini diletakkan pada

sebuah tempat yang lebih tinggi, sehingga dibutuhkan sebuah pompa air untuk

mengisi tangki tersebut. Hal ini sering menimbulkan masalah ketika hendak

mengisi tangki tersebut karena kita tidak dapat mengetahui dengan pasti volume

air yang sudah berada dalam tangki. Seringkali air yang dimasukkan sudah

melewati batas daya tampung tangki sehingga banyak air yang terbuang sia-sia.

Hal ini tidak saja menyebabkan pemborosan penggunaan air tetapi juga

pemborosan biaya listrik yang harus dikeluarkan untuk mengaktifkan pompa air.

Untuk mensiasati hal tersebut diperlukan sebuah sistem pengendalian secara

otomatis.

Pengendalian adalah sebuah proses pengaturan baik itu alat, produksi,

hasil produksi, dan lain-lain sehingga dapat bekerja secara efektif dan efisien.

Sistem pengendalian ini berhubungan erat dengan kinerja semua unsur yang ada

1

2

dalam dunia industri. Efisiensi produksi umumnya dianggap sebagai kunci sukses.

Efisiensi produksi meliputi area yang luas, antara lain mengurangi kontrol

manual yang dilakukan oleh manusia (otomatisasi dan mesinisasi produksi),

mempertinggi laju produksi, menurunkan biaya produksi.

Salah satu proses pengendali elektronis adalah pengendali ketinggian

permukaan air menggunakan rangkaian digital. Pengendalian ketinggian air dalam

suatu bak air ini meliputi beberapa komponen penting, yaitu: pompa air, bak air,

sensor ketinggian air, dan kran pembuangan. Pengendalian ketinggian air dengan

rangkaian digital ini merupakan pengendali dengan kalang tertutup. Untuk itulah

dalam tugas akhir ini, penulis menyajikan sebuah alat yang berfungsi untuk

mengatur tingkat ketinggian air dengan basis rangkaian digital. Rangkaian ini

memudahkan kita untuk mengatur tingkat ketinggian air dengan menggunakan

tombol atau saklar. Penulis memberi judul “Pengendali Ketinggian Air Berbasis

Rangkaian Digital”.

1.3. Tujuan dan Manfaat

Adapun tujuan pembuatan alat ini yaitu mengendalikan ketinggian air

berbasis rangkaian digital.

Adapun manfaat dari pembuatan alat ini adalah:

a. Penulis dapat membuat rangkaian pengendali dengan gerbang-

gerbang logika digital dasar.

b. Sebagai alat bantu pengendali ketinggian otomatis air pada tangki

penampungan air.

3

1.4. Perumusan masalah

Dengan melihat tujuan dan latar belakang yang ada, maka permasalahan

yang dapat dirumuskan pada pembuatan alat ini adalah sebagai berikut:

a. Apakah pengendali ketinggian air yang dibuat dengan rangkaian

digital ini akan memiliki tingkat keakuratan yang tinggi?

b. Apakah pemilihan komponen yang tepat dalam proses perancangan

akan mempengaruhi keakuratan pengendalian dalam praktek?

c. Apakah sistem yang dirancang dapat bekerja dengan baik?

1.5. Batasan Masalah

Alat yang digunakan sebagai penampil dan pengendali ketinggian air ini

mempunyai batasan-batasan sebagai berikut:

a. Sistem menggunakan dua tangki, tangki 1 sebagai sumber dan

tangki 2 sebagai obyek yang dikendalikan.

b. Sistem menggunakan potensiometer sebagai sensor ketinggian air.

c. Sistem menggunakan kran air yang dikendalikan secara manual

untuk mengurangi volume air pada tangki 2.

d. Sistem menggunakan 4 set point sebagai batas sensor ketinggian

air.

e. Aktuator yang digunakan dalam sistem adalah pompa air.

f. Sistem mengunakan rangkaian digital dengan gerbang-gerbang

logika digital dasar sebagai pengendali.

g. Pengendali on-off dengan rangkaian digital

4

1.6. Metodologi Penelitian

Metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dalam

pembuatan alat yaitu:

a. Pengumpulan data dan informasi baik itu dari internet maupun

perpustakaan yang berhubungan dengan alat yang akan dibuat yang

nantinya diharapkan dapat membantu dalam proses-proses

selanjutnya.

b. Perancangan plant. Pembuatan perencanaan miniatur dari alat yang

akan dibuat. Dalam perancangan plant ini gambar dibuat dengan

komputer kemudian dibuat secara nyata.

c. Pengambilan data plant. Pengambilan data pada plant ini

berhubungan dengan set point sensor yang akan digunakan dalam

perancangan, sehingga set point yang dirancang sesuai dengan

yang diinginkan.

d. Perancangan kendali. Dalam perancangan kendali berhubungan

dengan pembuatan rangkaian digital yang akan digunakan sebagai

pengendali sistemnya. Perancangan rangkaian digital menggunakan

software Microcap 8.0 dan Orcad 9.0.

e. Implementasi.

f. Pengujian.

g. Pembuatan laporan penelitian.

5

1.7. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I Pendahuluan

Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan

manfaat dari penelitian, batasan masalah, metodologi

penelitian, serta sistematika penulisan

BAB II Dasar Teori

Bab ini berisi tentang dasar teori yang digunakan untuk

membuat Pengendali suhu air yang disertai dengan

penjelasan.

BAB III Rancangan Penelitian

Bab ini berisi tentang rancangan peralatan yang dibuat,

pemilihan komponen, serta penjelasan singkat tentang cara

kerja peralatan.

BAB IV Hasil dan Pembahasan

Bab ini berisi tentang pembahasan dan analisis mengenai

hasil penelitian yang telah dilaksanakan.

BAB V Kesimpulan dan Saran

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan spesifikasi peralatan

yang dibuat serta saran-saran untuk perbaikan alat dan

penelitian selanjutnya.

BAB II

DASAR TEORI

II.1 Sistem Kontrol

Sistem kontrol tidak dapat dilepaskan dari kehidupan masyarakat

modern. Peranannya dapat terlihat mulai dari peluncuran roket, penerbangan

pesawat ulang-alik, pengaturan kerja mesin-mesin di pabrik, sampai

pemakaian alat-alat elektronik rumah tangga.

Pembahasan sistem kontrol dengan umpan balik lazimnya

menyangkut lima elemen dasar, seperti terlihat pada diagram blok gambar

2.1. Kelima elemen itu ialah: variabel input sebagai referensi (R); variabel

output yang dikontrol (C); pengukuran output dan umpan balik pada input

(H); elemen pembanding (E); serta elemen pengontrol (G). Analisis

matematis teori kontrol menggunakan fungsi alih untuk membahas kelakuan

atau respons sistem, dengan cara membandingkan nilai sinyal output (C)

dengan sinyal input-nya (R) [1].

G ∑

H

C R

Gambar 2.1. Diagram blok sistem kontrol.

6

7

II.2 Transduser dan Sensor

Transduser adalah alat yang mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk

yang lain. Transduser dapat dibagi menjadi dua kelas: transduser input dan

transduser output.

Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi

untuk mengukur magnitude sesuatu. Sensor adalah jenis transduser yang

digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia

menjadi tegangan dan arus listrik.

Salah satu komponen elektronika yang dapat digunakan sebagai transduser

posisi hambatan adalah potensiometer. Potensiometer adalah suatu hambatan yang

dapat diubah nilai resistansinya dengan cara mekanik (memutar/menggeser).

Potensiometer terdiri atas sebuah jalur atau track yang mempunyai resistansi

menyeluruh yang konstan dengan sebuah penyapu (wiper) yang dapat bergerak

sambil tetap bersentuhan dengan jalur atau track.

Ada dua macam potensiometer yang biasa digunakan dalam elektronika, yaitu:

1. Potensiometer yang hambatannya berubah sesuai dengan skala logaritmis.

2. Potensiometer yang hambatannya berubah sesuai dengan skala linear.

Pada rangkaian elektronika potensiometer memiliki lambang, seperti pada

gambar 2.2 (a).

8

Gambar 2.2 (a) Simbol potensiometer, (b) Perbandingan hambatan RA dan RB

pada potensiometer.

Besarnya tegangan keluaran Vout pada potensiometer ditentukan oleh

perbandingan RA dan RB seperti pada persamaan (2.1) di bawah ini yang sesuai

dengan gambar 2.2 (b) [2].

Vout = Vin x RBRA

RA+

Vout

(2.1)

II.3 ADC (Analog to Digital Converter)

Salah satu komponen penting dalam sistem akuisisi data adalah pengubah

besaran analog ke digital atau disebut juga ADC (Analog to Digital Converter).

Pengubah ini akan mengubah besaran-besaran analog menjadi bilangan-bilangan

digital sehingga bisa diproses dengan komputer. Peranan pengubah ini menjadi

semakin penting karena sekarang sudah bisa didapatkan komputer-komputer yang

"real time". Perubahan-perubahan satuan fisis bisa dengan cepat ditanggapi oleh

komputer.

Contoh aplikasi ADC ini bisa kita lihat misalnya pada voltmeter digital,

sampling suara dengan komputer, sehingga suara dapat disimpan secara digital

dalam disket, dan kamera digital.

9

Konsep pengubah analog ke digital ini adalah sampling (mengambil

contoh dalam waktu tertentu) kemudian mewakilinya dengan bilangan digital

dengan batas yang sudah diberikan.

II.3.1 Parameter ADC

Kuantitas penting dalam ADC adalah rentang tegangan terkecil

yang tidak dapat mengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini sering

disebut dengan Minimal Representable Voltage (MRV) atau LSB,

MRV = LSB = FS / 2 n (2.2)

dengan LSB menunjukkan nilai analog dari suatu Least Significant Bit

(LSB), dan FS (Full Scale) adalah nilai maksimum dari tegangan referensi.

Karena semua tegangan dalam jangkauan ini diwakili oleh bilangan biner

yang sama, maka akan terdapat ketidakpastian konversi sebesar ± LSB

untuk setiap pengubahan. Masalah ini dapat dikurangi dengan menambah

jumlah bit pada output pengubah.

Output maksimum suatu ADC tidak berada pada nilai FS akan

tetapi pada 7/8 FS. Misalkan sebuah ADC 3 bit ideal, akan mempunyai

LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan input akan dikuantisasikan pada delapan

tingkat dari 0 sampai 7/8 kali FS.

Terdapat berbagai cara mengubah sinyal analog ke digital, dalam

pekerjaan ini dipakai metode pendekatan berturutan atau succesive

approximation. Karena ADC dengan jenis ini sudah banyak di pasaran

dalam bentuk chip sehingga mempermudah pemakaian. Metode ini

10

didasari pada pendekatan sinyal input dengan kode biner dan kemudian

berturut-turut memperbaiki pendekatan ini untuk setiap bit pada kode

sampai didapatkan pendekatan yang paling baik. Untuk meyimpan kode

biner pada setiap tahapan dalam proses digunakan Succesive

Approximation Register (SAR).

Konversi diawali dari Most Significant Bit (MSB) diset tinggi, ini

identik dengan memperkirakan nilai input adalah FS. Komparator akan

membandingkan output DAC (Digital to Analog Converter) dengan

tegangan input dan memerintahkan pengendali untuk mematikan MSB jika

perkiraan mula-mula ternyata lebih besar dari tegangan input. Pada periode

clock selanjutnya pengendali menyalakan MSB berikutnya, kemudian

kembali membandingkan output dari DAC dengan sinyal input. Proses ini

terus diulang sampai pada LSB. Setelah sampai pada tahap ini nilai

konversi yang berada pada SAR adalah pendekatan yang terbaik dari

sinyal input. Dalam proses ini diambil asumsi bahwa sinyal input konstan

selama konversi [3].

II.4 Gerbang-gerbang Logika

Gerbang logika adalah rangkaian yang menggunakan sinyal digital sebagai

masukan dan keluarannya. Hal yang membuat rangkaian disebut sebagai gerbang

adalah bahwa setiap keluaran tergantung sepenuhnya pada sinyal yang diberikan

pada masukan-masukannya. Jika sinyal ini berubah, maka keluarannya juga

berubah.

11

Rangkaian digital yang menggunakan gerbang logika biasanya disusun

sehingga keluarannya berlogika 1 hanya jika masukan terdapat sinyal masukan

dalam kombinasi tertentu. Itu sebabnya rangkaian ini kadang-kadang disebut

dengan rangkaian logika kombinasional.

Kerja suatu rangkaian logika kombinasi standar, atau rangkaian apa saja

yang dibuat dari unit-unit ini dapat digambarkan dengan dua cara. Salah satu cara

ialah dengan menggunakan tabel kebenaran. Tabel kebenaran ini memperlihatkan

keluaran yang diharapkan dari setiap kemungkinan kombinasi masukan, sehingga

kerja rangkaian dapat segera diteliti. Cara lain adalah dengan aljabar Boole.

Metoda ini jauh lebih ringkas, tetapi tidak begitu mudah dipahami oleh pemula.

Aljabar Boole sudah ditemukan jauh sebelum komputer modern. Namanya

diambil dari ilmuwan George Boole (1815-1864) yang merancangnya sebagai

suatu metoda untuk mengubah pernyataan logika menjadi pernyataan aljabar.

Tidak banyak manfaat yang dapat diambil dari karya ini, sampai tahuin 1938

ketika Shannon menemukan bahwa aljabar Boole dapat dipakai untuk

menganalisis rangkaian relai yang melaksanakan operasi pensakelaran (yang

sekarang kita kenal sebagai gerbang AND dan OR).

II.4.1 Gerbang AND

Gambar 2.3 memperlihatkan simbol, tabel kebenaran, dan

pernyataan Boole untuk gerbang AND yang merupakan salah satu dari

gerbang logika standar. Seperti yang diperlihatkan pada tabel kebenaran,

12

keluaran gerbang AND akan berlogika 0, kecuali jika kedua masukan

gerbang dengan dua masukan ini berada pada logika 1. Gerbang AND

berguna untuk menguji kebenaran bilangan biner 1, dan dalam rangkaian

dimana beberapa faktor kendali mengatur keluaran.

Gambar 2.3. Gerbang AND

Tabel 2.1. Tabel kebenaran gerbang AND

Masukan Keluaran

B A Q

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

II.4.2 Gerbang OR

Simbol, tabel kebenaran, dan pernyataan Boole untuk gerbang OR

diperlihatkan pada gambar 2.4. Jenis gerbang OR ini menghasilkan logika

1 dikeluaran jika salah satu atau kedua masukannya berada pada logika 1.

umtuk masukan-masukan yang semua ditetapkan pada 0 keluarannya juga

berada pada logika 0. sebuah gerbang OR akan dipakai jika terdapat

masukan lebih dari satu untuk menghasilkan satu keluaran.

13

Gambar 2.4. Gerbang OR

Tabel 2.2. Tabel Kebenaran Gerbang OR

Masukan Keluaran

B A Q

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

II.4.3 Gerbang NOT

Gerbang NOT, inverter, atau rangkaian pembuat komplemen,

seperti pada gambar 2.5, hanya terdiri atas pembalik yang keluarannya

merupakan kebalikan dari logika masukan. Inverter dapat diperlukan

dalam suatu rangkaian jika gerbang sebelumnya meghasilkan keluaran

yang polaritasnya tidak sesuai.

Gambar 2.5. Gerbang NOT

14

Tabel 2.3. Tabel kebenaran gerbang NOT

A Q

0 1

1 0

II.4.4 Gerbang NAND

Gerbang NAND merupakan gerbang AND yang dihubungkan

dengan suatu pembalik, seperti pada gambar 2.6. Masukan A dan B di-

AND-kan untuk membentuk aljabar Boolean A · B kemudian, A · B

dibalik dengan gerbamg NOT. Pada sisi kanan dari pembalik ditambahkan

tanda strip diatas pada aljabar Boolean tersebut. Aljabar Boolean untuk

keseluruhan rangkaian tersebut adalah BA • = Y. Dalam hal ini

dikatakan, bahwa rangkaian tersebut merupakan suatu not-AND atau

rangkaian NAND.

Gambar 2.6. Gerbang NAND

Simbol NAND merupakan suatu simbol NAND dengan gelembung kecil

pada keluarannya. Gelembung tersebut disebut dengan suatu gelembung

pembalik (invert bubble).

15

Tabel kebenaran menggambarkan operasi yang tepat dari suatu

logika. Tabel kebenaran suatu gerbang NAND yang akan menghasilkan 0

(rendah) bila dibuka (bila semua masukan mendapat level logika 1) atau

secara lebih jelasnya keluaran khas dari gerbang NAND adalah rendah

apabila semua masukan tinggi. Tabel kebenaran gerbang NAND

ditunjukkan pada tabel 2.4.

Tabel 2.4. Tabel kebenaran gerbang AND dan gerbang NAND

Masukan Keluaran

B A AND NAND

0 0 0 1

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 0

Gerbang NAND banyak dipakai dalam logika positif, sebab secara

elektronik gerbang ini mudah dibuat. Sekarang ini, fungsi NAND telah

menjadi gerbang universal dalam rangkaian digital, dan penggunaannya

sangat luas dalam sistem digital.

II.4.5 Gerbang NOR

Gerbang NOR merupakan gerbang OR yang dihubungkan dengan

suatu pembalik, seperti pada gambar 2.7. Masukan A dan B di-OR-kan

untuk membentuk aljabar Boolean A+B. kemudian, A+B dibalik dengan

16

gerbang NOT. Pada sisi kanan dari pembalik ditambahkan tanda strip

diatas pada aljabar Boolean tersebut. Aljabar Boolean untuk keseluruhan

rangkaian tersebut adalah BA + dalam hal ini dikatakan, bahwa rangkaian

tersebut merupakan suatu not-OR atau rangkaian NOR.

Gambar 2.7. Gerbang NOR

Simbol NOR merupakan suatu simbol NOR dengan gelembung kecil pada

keluarannya. Gelembung tersebut disebut dengan suatu gelembung

pembalik (invert bubble).

Tabel kebenaran menggambarkan operasi yang tepat dari suatu logika.

Tabel kebenaran suatu gerbang NOR yang akan menghasilkan 0 (rendah)

bila dibuka (bila semua masukan mendapat level logika 1) atau secara

lebih jelasnya keluaran khas dari gerbang NOR adalah rendah apabila

semua masukan tinggi. Tabel kebenaran gerbang NOR ditunjukkan pada

tabel 2.5.

17

Tabel 2.5. Tabel kebenaran gerbang OR dan gerbang NOR

Masukan Keluaran

B A OR NOR

0 0 0 1

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 1 0

Gerbang NOR banyak dipakai dalam logika positif, sebab secara

elektronik gerbang ini mudah dibuat. Sekarang ini, fungsi NOR telah

menjadi gerbang universal dalam rangkaian digital, dan penggunaannya

sangat luas dalam sistem digital [4].

II. 5 Pembanding

Gerbang XOR dua masukan mempunyai karakteristik bahwa jika kedua

masukan sama, maka keluarannya ”0” (logika rendah). Jika masukan berbeda,

maka keluarannya ”1” (logika tinggi). Gambar 2.8 adalah simbol logika standar

untuk gerbang XOR dua masukan.

Gambar 2.8 Simbol logika standar gerbang XOR dua masukan

18

Table 2.6. Tabel kebenaran XOR dua masukan

A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Gerbang XOR merupakan gerbang gabungan antara gerbang NOT,

gerbang AND , dan gerbang OR. Gabungan ketiga gerbang tersebut membentuk

satu gerbang, yaitu gerbang XOR.

Pembanding atau komparator adalah rangkaian yang membandingkan

besaran masukan dengan suatu taraf referensi (atau dengan masukan lain) dan

menghasilkan suatu perubahan keadaan di keluaran bila salah satu masukan

melampaui yang lain. XOR merupakan pembanding yang paling sederhana.

Pada pembanding yang digunakan untuk membandingkan dua data yang

masing-masing terdiri dari 4 bit, dibutuhkan empat buah gerbang XOR. Untuk

mendapatkan hasil akhir perbandingan, empat buah gerbang XOR dihubungkan

pada sebuah gerbang AND seperti pada gambar 2.9. Bila keluaran dari ke empat

buah gerbang XOR bernilai 1 maka keluaran gerbang AND juga akan tinggi atau

bernilai 1.

Gambar 2.9 Pembanding 4 bit menggunakan gerbang XOR

19

Contoh IC yang dapat membandingkan hingga 4 bit adalah IC 74LS85

yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 IC 74LS85 memiliki 2 kelompok masukan,

masing-masing kelompok terdiri dari 4 bit masukan. Pembanding yang besarnya 4

bit ini memberikan tiga keputusan (keluaran) terhadap dua kata 4 bit (masukan)

yang dibandingkan yaitu AB atau A=B.

74LS85

101213159

11141234

765

A0A1A2A3B0B1B2B3ABi

ABo

Gambar 2.10 IC 74LS85

II.6 Triac

Triac atau AC switch, merupakan saklar arus bolak–balik bentuk trioda

(mempunyai 3 elektroda). Gambar 2.11 adalah bentuk fisik triac. Pada dasarnya

triac terdiri dari dua SCR (Silicon Controlled Rectifier) yang terpasang

paralel/berlawanan, dan dilengkapi dengan elektroda (pintu/gate).

Gambar 2.11. Bentuk fisik triac

20

Keunggulan triac adalah dapat digunakan untuk mengatur daya dalam

batas–batas lebih lebar, artinya dengan triac arus dapat mengalir ke arah bolak –

balik dan triac dipakai untuk pengaturan daya gelombang penuh. Triac

mempunyai tiga terminal; dua terminal utama yakni MT1 dan MT2 serta satu

gerbang G (gate). Terminal MT1 dan MT2 dirancang demikian sebab aliran arus

adalah dua arah.

Jika terminal MT1 dan MT2 diberi tegangan AC dan gate dalam kondisi

mengambang maka tidak ada arus yang dilewatkan oleh triac sampai pada

tegangan breakover triac tercapai. Pada kondisi ini triac OFF. Pada saat gate

diberi arus positif atau negatif maka tegangan breakover ini akan turun. Semakin

besar nilai arus yang masuk ke gate maka semakin rendah tegangan breakover-

nya. Pada kondisi ini triac menjadi ON selama tegangan pada MT1 dan MT2

diatas nol volt. Apabila tegangan pada MT1 dan MT2 sudah mencapai nol volt

maka kondisi kerja triac akan berubah dari ON ke OFF. Ketika triac sudah

menjadi OFF kembali, triac akan selamanya OFF sampai ada arus trigger ke gate

dan tegangan MT1 dan MT2 melebihi tegangan breakover-nya. Pada gambar 2.12

memperlihatkan daerah kerja triac [5].

Gambar 2.12. Kurva karakteristik triac

21

II.7 Penggerak ( Driver ) Motor

Untuk mengendalikan motor AC menggunakan tegangan DC dapat

digunakan komponen elektronika dengan nama triac. Triac atau AC switch,

merupakan saklar arus bolak–balik bentuk trioda (mempunyai 3 elektroda). Pada

dasarnya triac terdiri dari dua SCR (Silicon Controlled Rectifier) yang terpasang

paralel, dan dilengkapi dengan elektroda (pintu/gate) [6].

II.8 Optoisolator

Optoisolator terdiri dari sebuah LED inframerah galium arsenida (GaAs),

sinarnya dapat mengaktifkan silicon bilateral switch yang fungsinya seperti

sebuah triac. Pada umumnya penggunaan optoisolator digunakan sebagai

penghubung antara rangkaian pengendali dengan triac untuk mengendalikan

beban dengan tegangan AC. Optoisolator ini tidak digunakan untuk

mengendalikan beban secara langsung tetapi digunakan sebagai komponen

pemicu saja [7].

Salah satu komponen yang masuk dalam jenis optoisolator adalah

MOC302X. MOC302X ini memiliki batas tegangan maksimal LED infamerah

(VF maks) sebesar 1,5 Volt dengan arus sebesar (IF) 10mA dan tegangan balik

maksimal (VR) 3Volt.

Pada saat MOC302X tidak aktif, komponen ini mampu menahan tegangan

sebesar 400 Volt. Pada saat aktif detector dapat melewatkan arus pada arah yang

berlawanan (ITM) sebesar 100 mA. Konfigurasi MOC302X dapat dilihat pada

gambar 2.13.

22

Gambar 2.13. Konfigurasi dari MOC302X

II.9 Peraga LED Tujuh Segmen

Peralatan keluaran yang sangat umum digunakan untuk menayangkan

bilangan desimal adalah peragaan tujuh segmen. Ketujuh segmen dari peraga

tersebut diberi label a sampai g pada gambar 2.14. Tayangan yang menyatakan

digit desimal 0 sampai 9 diperlihatkan pada gambar 2.15. Sebagai contoh, bila

segmen a, b, dan c menyala, maka desimal 7 ditampilkan. Bila semua segmen dari

a sampai g menyala, desimal 8 ditampilkan.

a

b

c

g

e

f

Gambar 2.14. Peraga LED tujuh segmen d

23

Gambar 2.15. Bentuk bilangan desimal tampilan tujuh segmen

Tabel 2.7. dibawah ini menunjukkan tabel segmen yang aktif untuk setiap angka desimal [8].

Tabel 2.7. Segmen yang aktif untuk setiap angka desimal. Desimal Segmen yang aktif

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

a, b, c, d, e, f b, c

a, b, d, e, g a, b, c, d, g

b, c, f, g a, c, d, f, g

a, c, d, e, f, g a, b, c

a, b, c,d, e, f, g a, b, c, d, f, g

II.10 Penggerak/Pengkode BCD-ke-Tujuh Segmen

Diagram blok suatu sistem digital yang menggunakan pengkode pada

gambar 2.16. Pengkode dalam sistem ini harus menerjemahkan masukan desimal

dari papan tombol(keyboard) ke suatu kode BCD 8421 seperti pada gambar 2.17.

Bila masukan desimal 9 pada pengkode diaktifkan, maka rangkaian logika di

dalam unit tersebut mengeluarkan angka BCD 0101 seperti diperlihatkan [9].

Pengkodean Unit

Proses dan

Memori

Dekode

Tombol Masukan

1 2 3

Gambar 2.16.Diagram blok pendekode.

24

Gambar 2.17. Masukan desimal dari papan tombol(keyboard) ke suatu kode BCD 8421.

II.11 Buffer Tegangan

Buffer tegangan berfungsi untuk menjaga tegangan output agar tidak

terbebani oleh beban rangkaian sebelumnya atau dapat dikatakan bahwa buffer

digunakan untuk menghubungkan rangkaian yang memiliki impedansi keluaran

yang tinggi, dengan rangkaian yang memilki impedansi rendah. Konfigurasi

buffer tegangan seperti pada gambar 2.18.

Gambar 2.18. Konfigurasi buffer tegangan

II.12 Differential Amplifier (Penguat Selisih)

Gambar 2.19. Rangkaian Differential Amplifier.

25

Gambar 2.19. merupakan gambar rangkaian differential amplifier atau

penguat selisih. Rangkaian ini digunakan untuk mengurangkan dua buah tegangan

yang sebelumnya dapat dikuatkan terlebih dahulu. Besar penguatan untuk kedua

tegangan masukan tersebut dapat diatur, yakni dengan menentukan nilai-nilai

resistansi yang akan digunakan. Tegangan keluaran (Vout) dari rangkaian

differential amplifier ini dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut:

baout VRRV

RRR

RRV )())(1(

3

4

21

2

3

4 −+

+= …………………………………………(2.3)

II.13 Non inverting Ampilfier

Gambar 2.20. Rangkaian Non Inverting Amplifier

Gambar 2.20. merupakan gambar rangkaian non inverting amplifier.

Rangkaian ini digunakan untuk menguatkan suatu nilai tegangan dengan tegangan

keluaran yang bersifat positif. Persamaan untuk mencari tegangan keluaran

adalah sebagai berikut:

ini

fout VR

RV )1( += ………………………………………………………..……(2.4)

II. 14 Tanggapan Sistem

Sebagian besar sistem kontrol adalah sistem kawasan waktu; yang berarti,

sistem ini harus menunjukkan respon waktu yang dapat diterima. Respon sistem

26

kontrol sering menunjukkan osilasi teredam sebelum mencapai keadaan tunak.

Dalam menentukan karakteristik tanggapan system control terhadap masukan

tangga satuan, biasanya dicari parameter-parameter berikut:

1. Waktu Tunda ( Delay Time ), td

Yaitu waktu yang diperlukan tanggapan mencapai setengah harga akhir yang

pertama kali.

2. Waktu Naik ( Rise Time ), tr

Yaitu waktu yang diperlukan tanggapan untuk naik dari 10% hingga 90% dari

harga akhirnya.

3. Waktu Penetapan ( Settling Time ), ts

Yaitu waktu yang diperlukan kurva tanggapan dan menetap dalam daerah

disekitar harga akhir yang ukurannya ditentukan dengan persentase mutlak

dari harga akhir (biasanya 5% atau 2%).

4. Waktu Puncak (peak time), tp

Yaitu waktu yang diperlukan respon untuk mencapai puncak lewatan

pertamakali.

5. Lewatan maksimum (maximum overshoot), Mp

Yaitu harga puncak maksimum dari kurva respon yang diukur dari satu. Jika

harga keadaan tunak respon tidak sama dengan satu, maka biasa digunakan

persen lewatan maksimum.

Parameter ini didefinisikan sebagai

Persen lewatan maksimum = %100)(

)()(×

∞

∞−

cctc p (2.5)

27

Besarnya (persen) lewatan maksimum secara langsung menunjukkan

kestabilan relatif sistem.

Untuk mengetahui karakteristik tanggapan system control terhadap

masukan tangga satuan dapat ditunjukkan contoh pada gambar 2.21.

Gambar 2.21 Kurva respon tangga satuan yang menunjukkan td, tr, tp,Mp, dan ts

Spesifikasi di atas ditunjukkan secara grafis pada gambar 2.21. Untuk

memperoleh nilai-nilai tersebut digunakan rumus:

Delay Time ( td ) = t50 % - t0 (2.6)

Rise Time ( tr ) = t90 % - t10 % (2.7)

Settling Time ( ts ) = t98 % - t0 (2.8)

Pada suatu sistem kontrol otomatik sering terjadi error, dan yang biasa

terjadi adalah steady-state error. Steady-state error (ess) sendiri adalah perbedaan

antara keluaran sistem (hasil akhir) dan set point saat keadaan sistem stabil atau

tetap. Steady-state error (ess) dapat dilihat pada gambar 2.22 di bawah.

Gambar 2.22. Gambar steady-state error (ess)

BAB III

PERANCANGAN

III.1 Diagram Blok

Gambar 3.1 menunjukkan gambar diagram blok perancangan pengendali

ketinggian air berbasis rangkaian digital.

Gambar 3.1. Diagram blok perancangan pengendali ketinggian air.

III.2 Plant pengendali ketinggian air.

Plant ketinggian air pada perancangan ditunjukkan pada gambar 3.2.

Bagian-bagian dari plant ketinggian air terdiri dari:

1. Potensiometer.

2. Tangki 1.

3. Tangki 2.

4. Pompa air.

5. Kran air.

6. Catu daya.

7. Kontroler, driver, dan display.

8. Rangka.

28

29

Gambar 3.2. Plant ketinggian air

Tangki 1 dan 2 pada plant memiliki ukuran yang sama yaitu: panjang 30

cm, lebar 15 cm, dan tinggi 15 cm. Ketinggian maksimal tangki air adalah 15 cm

maka batas ketinggian air maksimal yang dikendalikan adalah 12 cm.

III.3 Sensor ketinggian air

Sensor yang digunakan untuk mendeteksi ketinggian air adalah

potensiometer, gambar 3.3. Perubahan ketinggian air menyebabkan perubahan

resistansi pada potensiometer. Dengan memberikan catu daya yang sesuai maka

tegangan keluaran potensiometer akan berubah pula secara linier sebanding

dengan perubahan ketinggian air.

30

VCC

10k

13

2 output sensor

Gambar 3.3. Rangkaian sensor.

Potensiometer yang digunakan sebagai sensor sebesar 10 KΩ dengan

menggunakan catu daya sebesar 5 Volt data keluaran tegangan seperti pada tabel

3.1.

Tabel 3.1 Data Pengukuran awal

Ketinggian air (cm) Tegangan Keluaran Sensor (V) 0 1,59 1 1,69 2 1,77 3 1,85 4 1,92 5 2 6 2,08 7 2,16 8 2,24 9 2,32

Untuk mendapatkan tegangan keluaran linier yang sebanding dengan

perubahan ketinggian air maka dibutuhkan ketepatan dalam meletakkan sensor

pada plant seperti pada gambar 3.2. Berdasarkan tabel data 3.1 dan gambar grafik

3.4 didapatkan kenaikan tegangan keluaran sebesar 0,08 V/cm.

31

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2 4 6 8

ketinggian air (cm)

Tega

ngan

Kel

uara

n Se

nsor

(V)

10

Gambar 3.4 Grafik tegangan keluaran terhadap ketinggian air

III.4 Rangkaian pengkondisi sinyal

Tabel 3.2. Tegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal.

Ketinggian air (cm)

Tegangan keluaran sensor (V)

Tegangan keluaran rangkaian

pengkondisi sinyal (mV)

0 1,59 0 1 1,69 19,6 2 1,77 39,2 3 1,85 58,8 4 1,92 78,4 5 2 98 6 2,08 117,6 7 2,16 137,2 8 2,24 156,8 9 2,32 176,4

Dari tabel 3.2 dapat dilihat bahwa kenaikan tegangan keluaran sensor

memiliki resolusi sebesar 0,08 V, sedangkan resolusi ADC 0804 adalah 19,6 mV.

Untuk mendapatkan tegangan keluaran sensor yang resolusinya dapat diterima

32

oleh ADC 0804 maka digunakan rangkaian pengondisi sinyal dengan persamaan

sebagai berikut:

sensor

ADC

ResolusiResolusi

).( XsensorADC VVV −=

Keterangan :

VADC = tegangan yang digunakan sebagai masukan analog dari ADC

(Volt)

Vsensor = tegangan keluaran dari sensor (Volt)

VX = tegangan referensi, merupakan tegangan keluaran terkecil sensor

, yakni 1,59 V

Resolusi ADC = kenaikan setiap bit, yakni 19,6 mV

Resolusi sensor = kenaikan setiap 1 cm, yakni 0,08 V

Berdasarkan keterangan tersebut maka persamaan dari rangkaian pengondisi

sinyal dapat diperoleh seperti di bawah ini :

0,080,0196).59,1( −= sensorADC VV

245,0).59,1( −= sensorADC VV Persamaan di atas dapat diterapkan dalam suatu rangkaian yang dapat diperoleh

dengan menghubungkan rangkaian pengurang dan rangkaian penguat.

Dalam rangkaian pengurang, tegangan keluaran sensor akan dikurangi

dengan tegangan 1,59 Volt. Dalam hal ini agar dapat menghasilkan persamaan

tersebut maka resistansi yang digunakan dalam rangkaian pengurang ini memiliki

besar yang sama yakni R3 = R4 = R5 = R6 = 10 KΩ. Tegangan referensi sebesar

1,59 Volt dapat diperoleh dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan,

33

dalam hal ini digunakan VCC = 5 Volt dan R2 sebesar 10 KΩ sehingga R1 dapat

diperoleh dengan perhitungan sebagai berikut :

CC21

2X V R

RV

R+=

CC

X

21

2

VV

RR

=+ R

318,05

1,5910 R

10

1

=

=Ω+

ΩK

K

(R1+10 KΩ). 0,318 = 10 KΩ

0,318 R1 = 10 KΩ- 3,18 KΩ

= 6,82 KΩ

R1 =6,82 KΩ / 0,318

= 21,446 KΩ

Karena resistor dengan nilai 21,446 KΩ tidak dapat dijumpai di pasaran maka

dalam perancangan ini digunakan resistor variabel ( potensiometer).

Rangkaian penguat inverting mempunyai keluaran nilai negatif. Sehingga

diperlukan rangkaian pembalik dengan penguatan sebesar satu kali dengan nilai

R7 dan R8 sebesar 10 KΩ. Dengan menggunakan rangkaian penguat inverting

maka pelemahan sebesar 0,245 dapat diperoleh dengan perhitungan sebagai

berikut :

I

F

RR

−=A ; A = pelemahan (sebesar 0,245), dipilih RI sebesar 10 KΩ

RF = -(A).RI

= -(0,245). 10KΩ

34

RF = 2,45 KΩ

Dalam perancangan ini digunakan resistor variabel (potentiometer) untuk

mendapatkan resistansi dengan nilai 2,45 KΩ.

Rangkaian pengondisi sinyal seperti terlihat pada gambar 3.5. Sedangkan

rangkaian untuk ADC0804 dapat terlihat pada gambar 3.6.

5 V

R5= 10K

5 V

5 V

R7= 10K

+

-

U6

LM741

3

26

7 14 5

-5V

R2= 10K

5 V

+

-

U4

LM741

3

26

7 14 5

-5 V

R3= 10K

R8= 10K

R1= POT 10K

13

2 RF= POT 10K

1 3

2

-5 V

+

-

LM7413

26

7 14 5

+

-

LM7413

26

7 14 5

INPUT ADC 0804

5 V

R4= 10K

5 V

R6= 10K

-5 V

TEGANGAN KELUARAN SENSOR

RI= 10K

-5 V

5 V

U2A

LM358

3

2

84

1

+

-

V+V

-

OUT+

-

U3

LM741

3

26

7 14 5

Gambar 3.5. Rangkaian Pengondisi Sinyal

input IC pembanding

R12= 10K

input BCD to 7's

R10= 10K

input IC pembanding

R11= 10K

input IC pembanding

5 V

OUTPUT PENGKONDISI SINYAL

input BCD to 7's

input BCD to 7's

5 V

C1= 150pF

input IC pembanding

ADC0804

67

8

9

10

1112131415161718

19

20

4

5

123

+IN-IN

GN

D

VREF/2

GN

D

DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0

CLKR VC

C/V

REF

CLKIN

INTR

CSRDWR

input BCD to 7's

Gambar 3.6. Rangkaian ADC

35

III.5 Set point

Set point yang digunakan adalah saklar. Dalam rancangan saklar yang

digunakan sebanyak 4 buah, karena terdapat 4 set point untuk mengatur

ketinggian air yang diinginkan.

Ada 4 set point yang ditentukan yaitu:

1. Ketinggian air 3 cm




Ketinggian air yang digunakan sebagai set point dan keluaran digital dapat dilihat

pada tabel 3.3 di bawah.

Tabel 3.3 Tabel ketinggian air dan keluaran digital

Set point (cm)

Keluaran Digital

3 0010 5 0101 7 0111 9 1001

Dari tabel 3.3 di atas dapat dibuat rangkaian untuk set point yang terdiri

dari rangkaian dasar saklar dan IC 74ls147 (priority encoders) yang keluarannya

dihubungkan dengan gerbang NOT. Rangkaian set point dapat dillihat pada

gambar 3.7 di bawah ini.

36

U2B

7404

3 4

S4

SWITCH 1X2

S3

SWITCH 1X2

5 VU1

74147

7

9

6

14

11121312345

10

168

B

A

C

D

IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7IN8IN9

VCC

GN

D

U2A

7404

1 2S2

SWITCH 1X2

5 V INPUT BCD TO 7'S

5 V

INPUT IC PEMBANDING

5 V

S1

SWITCH 1X2

INPUT BCD TO 7'S

R11K

R21K

R31K

R41K

INPUT IC PEMBANDING

U2D

7404

9 8

INPUT BCD TO 7'S

INPUT IC PEMBANDING

5 V

INPUT BCD TO 7'S

U2C

7404

5 6

INPUT IC PEMBANDING

Gambar 3.7. Rangkaian set point.

Untuk memilih tegangan keluaran set point yang diinginkan digunakan

saklar 1, saklar 2, saklar 3 dan saklar 4. Jika diinginkan keluaran set point 1 maka

saklar 1 harus ditekan, begitu pula jika diinginkan keluaran untuk set point 2, 3,

dan 4 maka saklar 2, 3, atau 4 yang harus ditekan secara bergantian. Pada

rangkaian saklar digunakan resistor sebesar 1 KΩ.

III.6 ADC 0804

Komponen elektronika ADC 0804 adalah sebuah komponen elektronika

yang digunakan untuk mengubah tegangan masukan analog menjadi data keluaran

digital 8 bit. Keluaran data digital ADC 0804 adalah data keluaran yang paralel.

Gambar IC ADC0804 seperti pada gambar 3.8 dan keterangan mengenai kaki-

kaki ADC0804 dapat dilihat pada datasheet ADC 0804.

37

Gambar 3.8. Kaki-kaki IC ADC 0804

ADC 0804 digunakan sebagai pengubah masukan analog menjadi

keluaran digital. ADC ini hanya membutuhkan dua komponen luar sebagai

pembangkit frekuensi (Clk R dan Clk In) yaitu sebuah hambatan dan sebuah

kapasitor. Bila menggunakan R5 =10 KΩ dan C1 = 150 pF seperti yang

digunakan dalam data sheet, maka fclock dapat dihitung besarnya :

11 CR1,11××

=clockf

fclock = pF 150 K 10 1,11×Ω×

fclock = 606 KHz

III.7 Rangkaian Kontroler

Rangkaian yang digunakan sebagai kontroler adalah rangkaian digital

yang disusun sedemikian rupa sehingga menghasilkan nilai-nilai keluaran yang

diinginkan. Pengendali menggunakan pembanding (comparator). Pembanding

(comparator) akan membandingkan data yang masuk dari tombol (set point)

38

dengan keluaran dari sensor. Pembanding (comparator) yang digunakan dalam

rancangan ini adalah IC 74LS85. IC tersebut merupakan IC pembanding 4 bit.

Gambar dari IC 74LS85 ini adalah tampak pada Gambar 3.9. Keluaran dari

pembanding akan dihubungkan dengan driver, yang kemudian mengendalikan

pompa air untuk mengisi tangki 2.

Gambar 3.9. IC 74LS85 sebagai kontroler.

III.8 BCD to 7 segment

Untuk melihat data ketinggian air dan set point yang diinginkan secara

langsung digunakan suatu pengurai sandi yaitu BCD (Binary Coded Decimal) dan

perangkat peraga 7 segmen yang terdiri dari 7 LED dengan format dasar angka 8.

Dalam perancangan ini BCD yang digunakan adalah IC TTL 7447. Rangkaian IC

TTL 7447 dengan 7 segmen seperti pada gambar 3.10.

IC TTL 7447 adalah dekoder BCD common anode, artinya bahwa

keluaran dari IC ini yaitu A, B, C, D, E, F, G bekerja pada arus rendah. Karena

dekoder ini bekerja dengan aktif rendah maka jenis 7 segmen yang digunakan

harus 7 segmen jenis common anode.

Pada piranti penampil ini (7 segmen) tegangan sumbernya adalah positif,

+Vcc sebesar 5 Volt dapat dipakai secara bersama-sama untuk menyalakan LED 7

segmen, digunakan resistor sebesar 330 Ω sebagai pengaman.

39

D5

LEDe

330

7447A

7126

53

1312111091514

8

4

16

INAINBINCIND

RBILT

OUTAOUTBOUTCOUTDOUTEOUTFOUTG

GN

D

BI/RBO VC

C

d

330

g

a5 V

D2

LED D6

LED

c

330

D4

LED

b

INPUT

D7

LED

330

330

INPUT

330

f

INPUT

330

D1

LED

INPUT

D3

LED

Gambar 3.10. BCD to 7 segment dan 7 segmen

Kode BCD yang akan dikodekan dipasang pada masukan yang diberi

label IN A, IN B, IN C, dan IN D. Untuk mendapatkan tampilan yang benar

(tampilan desimal 0 sampai dengan 9) maka nilai BI/RB0, LT, dan RBI harus

diberi logika TINGGI. Jika kaki BI/RB0 diberi logika RENDAH maka keluaran

IC 7447 akan OFF semua. Jika kaki LT diberi masukan RENDAH maka akan

mengaktifkan semua keluaran IC 7447 dan jika kaki RBI diberi masukan

RENDAH maka keluaran IC 7447 akan OFF semua.

BAB IV

HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN

Pada bagian ini akan dibahas data hasil pengamatan pada alat, yaitu

pengamatan terhadap cara kerja alat dan data untuk tegangan, waktu, dan level air

pada pengendali ketinggian air berbasis rangkaian digital. Adapun bentuk dari

hasil akhir alat pengendali ketinggian air berbasis rangkaian digital dapat dilihat

pada gambar 4.1 dibawah ini.

Gambar 4.1. Perangkat Keras Pengendali Ketinggian Air Berbasis Rangkaian Digital

4.1 Cara Kerja dan Cara Pengoperasian Alat

Pengendali ketinggian air berbasis rangkaian digital ini berfungsi untuk

mengatur level (ketinggian) air pada dua buah tangki penampungan air, yaitu

40

41

tangki 1 dan tangki 2. Tangki 1 berfungsi sebagai sumber, dan tangki 2 sebagai

tangki objek yang akan diukur ketinggian airnya. Air dari tangki sumber dipompa

oleh sebuah pompa air menuju ke tangki atas. Pada tangki 2 dipasang sensor yang

berfungsi untuk menentukan batas-batas ketinggian air di mana pompa aktif

maupun tidak aktif. Potensiometer digunakan sebagai sensor ketinggian air.

Perubahan resistansi pada potensiometer karena perubahan ketinggian air akan

menyebabkan perubahan tegangan pada rangkaian pengendali. Perubahan

tegangan inilah yang nantinya berfungsi untuk mengaktifkan ataupun mematikan

pompa. Perubahan tegangan pada plant ini akan diubah menjadi perubahan

bilangan biner oleh ADC 0804. Perubahan biner ini yang nantinya akan diolah

oleh rangkaian kontroler digital sehingga dapat menghidupkan dan mematikan

pompa pada posisi ketinggian air yang diinginkan dengan set point 3 cm, 5 cm, 7

cm, dan 9 cm.

Untuk memilih ketinggian (level) air yang diinginkan digunakan saklar-

saklar seperti yang ditunjukkan seperti gambar 4.1 di atas. Tampilan berupa dua

tujuh segmen digunakan untuk menunjukkan level air. Tujuh segmen yang

pertama digunakan untuk menunjukkan set point yang diinginkan, sedangkan

untuk tujuh segmen yang kedua digunakan untuk menunjukkan ketinggian air

pada tangki 1 sebagai objek yang akan diamati.

4.2 Data Pengamatan

Langkah awal yang dilakukan dalam pengujian adalah dengan mengukur

tegangan keluaran sensor, karena tegangan keluaran sensor akan mempengaruhi

42

besar resolusi atau kenaikan air setiap cm pada plant pengendali ketinggian air

berbasis rangkaian digital. Keluaran dari sensor berupa tegangan, kenaikan

tegangan sensor tersebut merepresentasikan kenaikan ketinggian air yang terlihat

pada plant. Pengamatan dilakukan pada tegangan keluaran sensor dengan

kenaikan air pada plant setiap 1 cm. Berikut disajikan tabel 4.1, tabel

perbandingan keluaran sensor pada saat perancangan dan keluaran sensor pada

perangkat keras.

Tabel 4.1. Perbandingan keluaran sensor pada saat perancangan dan keluaran sensor pada perangkat keras

Data Tegangan Keluaran Sensor (Volt) Ketinggian air (cm) Perancangan Pengamatan 0 1,59 1,59 1 1,69 1,69 2 1,77 1,77 3 1,85 1,85 4 1,92 1,92 5 2 2 6 2,08 2,08 7 2,16 2,16 8 2,24 2,24 9 2,32 2,32

Berdasarkan tabel 4.1 pengamatan tegangan keluaran sensor secara

keseluruhan, dapat dikatakan bahwa sistem sudah dapat bekerja dengan baik. Ini

dapat dibuktikan dari hasil pengamatan nilai tegangan sensor ketinggian air yang

ditunjukkan oleh perangkat keras sesuai dengan perancangan.

Untuk mengetahui kinerja dan tanggapan perangkat keras maka dilakukan

beberapa pengamatan. Pengamatan dilakukan dengan 2 keadaan dimana pada

keadaan yang pertama kran pada tangki 2 ditutup, sedangkan untuk keadaan yang

kedua kran tangki 2 dibuka maksimal. Hal ini dilakukan agar pada saat kran

43

dibuka dapat diketahui cepat atau lambat tanggapan perangkat keras ketika

ketinggian air berubah.

4.2.1 Data Pengamatan untuk Set Point 1 ( ketinggian air 3 cm)

Pada saat saklar 1 diaktifkan maka pada tujuh segmen yang pertama akan

ditampilkan angka 3 yang menunjukkan ketinggian air yang diinginkan. Tujuh

segmen yang kedua akan berubah dari 0 sampai dengan 3 (ketinggian air yang

diinginkan), seperti pada gambar 4.2. Data pengamatan diambil dengan keadaan

kran ditutup agar dapat diketahui apakah pengendali bisa mencapai titik stabil.

Berikut data hasil pengamatan set point 3 cm ditunjukkan pada tabel 4.2.

Gambar 4.2. Tampilan set point 1 saat saklar 1 diaktifkan.

Tabel 4.2 Pengamatan untuk set point 3 cm

Waktu (detik) Ketinggian air (cm)0 0

5,23 0,5 8,27 1 11,32 1,5 14,32 2 17,34 2,5 20,4 3 50,92 3

44

Berdasarkan data tabel 4.2 dapat diperoleh gambar 4.3 yang menunjukkan

grafik hubungan antara ketinggian air dengan waktu pada saat air berada di

keadaan awal yaitu 0 cm dengan kenaikan setiap 0,5 cm sampai dengan nilai set

point yang diinginkan.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

waktu (detik)

ketin

ggia

n ai

r (c

m)

Gambar 4.3 Grafik ketinggian air terhadap waktu untuk set point 3 cm

Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa keluaran (output sistem)

mencapai kondisi akhir yang sama dengan set point. Untuk mencari karakteristik

sistem yaitu delay time(td), rise time(tr) dan settling time(ts) pada set point 3 cm,

berikut ditunjukkkan dalam gambar 4.6.

Gambar 4.4. Tanggapan sistem untuk set point 1 (3 cm)

45

Berdasarkan grafik tanggapan sistem di atas dan pendekatan dari tabel data

4.2, maka nilai delay time(td), rise time(tr) dan settling time(ts) dapat diperoleh dari

persamaan (2.6), (2.7), dan (2.8) yakni:

a. td = t50% - t0%

=t{ 0 cm+ 50%(3 cm -0 cm)}- t{0}

= t 1,5 cm

td≅ 11,32 detik

b. tr = t90% - t10%

- t90% = t{ 0 cm+ 90%(3 cm – 0 cm)}

= t 2,7 cm

tr 17,34 detik ≅

- t10% = t{0 cm + 10%( 3 cm- 0 cm)}

= t 0,3 cm

1,56 detik ≅

maka nilai tr = 17,34 detik detik - 1,56 detik

≅ 15,78 detik

c. ts = 0 cm+ 98%( 3 cm – 0cm)}

= t 2,94 cm

20,33 detik ≅

4.2.2 Data Pengamatan untuk Set Point 2 ( ketinggian air 5 cm)



46





Gambar 4.5. Tampilan set point 2 saat saklar 2 diaktifkan

Tabel 4.3 Pengamatan untuk set point 5 cm Waktu (detik) Ketinggian air (cm)

0 0 5,04 0,5 7,84 1 10,76 1,5 13,66 2 16,55 2,5 19,54 3 22,42 3,5 25,21 4 28,01 4,5 31,26 5 50,98 5





47

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

waktu (detik)

ketin

ggia

n ai

r (c

m)

Gambar 4.6 Grafik ketinggian air terhadap waktu untuk set point 5 cm

Dari grafik dan data di atas dapat diketahui bahwa keluaran sistem dapat

mencapai kondisi akhir yang sama dengan set point dengan steady-state error =0.

Untuk mencari karakteristik sistem yaitu delay time(td), rise time(tr) dan settling

time(ts) pada set point 5 cm, berikut ditunjukkkan dalam gambar 4.7.





a. td = t50% - t0%

48

=t{ 0 cm+ 50%(5 cm -0 cm)}- t{0}

= t 2,5 cm

16,55 detik ≅

b. tr = t90% - t10%

- t90% = t{ 0 cm+ 90%(5 cm – 0 cm)}

= t 4,5 cm

28,01 detik ≅

- t10% = t{0 cm + 10%( 5cm- 0 cm)}

= t 0,5 cm

5,04 detik ≅

maka nilai tr = 28,01 detik - 5,04 detik

≅ 22,97 detik

c. ts = 0 cm+ 98%( 5 cm – 0cm)}

= t 4,9 cm

31,19 detik ≅

4.2.3 Data Pengamatan untuk Set Point 3 ( ketinggian air 7 cm).







49


Tabel 4.4. Pengamatan untuk set point 7 cm


5,46 0,5 9,02 1 12,58 1,5 15,7 2 19,15 2,5 22,4 3 26,04 3,5 29,59 4 33,03 4,5 36,82 5 39,83 5,5 43,32 6 46,83 6,5 50,12 7 60,46 7





50

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

waktu (detik)

ketin

ggia

n ai

r (cm

)

Gambar 4.9 Grafik ketinggian air terhadap waktu untuk set point 7 cm.


mencapai kondisi akhir yang sama dengan set point dengan steady-state error =0.

Untuk mencari karakteristik sistem yaitu delay time(td), rise time(tr) dan settling

time(ts) pada set point 7 cm, berikut ditunjukkkan dalam gambar 4.10.





a. td = t50% - t0%

=t{ 0 cm+ 50%(7cm -0 cm)}- t{0}

51

= t 3,5 cm

26,04 detik ≅

b. tr = t90% - t10%

- t90% = t{ 0 cm+ 90%(7cm – 0 cm)}

= t 6,3 cm

45,43 detik ≅

- t10% = t{0 cm + 10%( 7cm- 0 cm)}

= t 0,7 cm

6,88 detik ≅


≅ 38,55 detik

c. ts = 0 cm+ 98%( 7cm – 0cm)}

= t 6,86 cm

49,33 detik ≅

4.2.4 Data Pengamatan untuk Set Point 4 ( ketinggian air 9 cm).






Berikut data hasil pengamatan set point 9 cm ditunjukkan pada tabel 4.5

52


Tabel 4.5. Pengamatan untuk set point 9 cm


4,83 0,5 8,27 1 12,06 1,5 15,18 2 18,19 2,5 22,07 3 25,59 3,5 29,23 4 32,34 4,5 35,87 5 39,28 5,5 42,33 6 46,01 6,5 49,97 7 53,58 7,5 57,55 8 61,05 8,5 67,71 9,4 80,12 9,4

Berdasarkan data tabel 4.5 dapat diperoleh gambar 4.12 yang

menunjukkan grafik hubungan antara ketinggian air dengan waktu pada saat air

berada di keadaan awal yaitu 0 cm dengan kenaikan setiap 0,5 cm sampai dengan

nilai set point yang diinginkan.

53

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

88.5

99.510

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

waktu (detik)

ketin

ggia

n ai

r (cm

)

Gambar 4.12. Grafik ketinggian air terhadap waktu untuk set point 9 cm.


mencapai kondisi akhir yang sama dengan set point. Untuk mencari karakteristik

sistem yaitu delay time(td), rise time(tr) dan settling time(ts) pada set point 9 cm,

berikut ditunjukkkan dalam gambar 4.13.

Gambar 4.13. Tanggapan sistem untuk set point 4 (9cm)




a. td = t50% - t0%

=t{ 0 cm+ 50%(9,4cm -0 cm)}- t{0}

54

= t 4,7 cm

33,75 detik ≅

b. tr = t90% - t10%

- t90% = t{ 0 cm+ 90%(9,4cm – 0 cm)}

= t 8,46 cm

60,77detik ≅

- t10% = t{0 cm + 10%( 9,4cm- 0 cm)}

= t 0,94 cm

8,20 detik ≅


≅ 52,57 detik

c. ts = 0 cm+ 98%( 9,4cm – 0cm)}

= t 9,212 cm

66,378 detik ≅

d. Error steady state = 1009

94,9×

− %

= 4,4444 %

Hasil perhitungan respon transien dari keempat hasil pengujian di atas

dapat dilihat pada tabel 4.6. Tabel tersebut menunjukkan perbedaan hasil

pengujian tiap set point.

Tabel 4.6 Data Delay Time, Rise Time, Settling Time dan Steady-state Error

Set point td (detik) tr

(detik) ts

(detik) ess

3 cm ≅ 11,32 ≅ 17,34 ≅ 20,33 - 5cm ≅ 16,55 ≅ 22,97 ≅ 31,19 - 7 cm ≅ 26,04 ≅ 38,55 ≅ 49,33 - 9 cm ≅ 33,75 ≅ 52,57 ≅ 66,378 4,4444 %

55

Dari data tabel 4.6 di atas sistem dapat dikatakan stabil, yang merupakan

syarat utama dari sistem kontrol. Sistem bekerja dengan baik karena pada setiap

set point terdapat setling time (ts), rise time (tr) dan delay time (td) yang

menujukkan respon transien sistem yang sesuai dengan kurva respon tangga

satuan yang ditunjukkan pada gambar 2.21. Pada tabel 4.6 dapat dilihat bahwa

sistem memiliki error steady-state, yaitu perbedaan antara hasil akhir sistem dan

nilai set point, dalam hal ini perancangan. Tetapi error yang terjadi masih pada

batas yang diperbolehkan yaitu 2% sampai 5%. Dari data-data di atas dapat

dikatakan bahwa sistem dapat bekerja dan berfungsi dengan baik sesuai dengan

yang diharapkan.

Untuk mengetahui apakah sistem dapat bekerja dengan baik pada saat kran

pada tangki 2 dibuka maksimal (dikenai gangguan), maka dilakukan kembali

pengambilan dan pengamatan data untuk set point 1, set point 2, set point 3, dan

set point 4. Berikut disajikan data pengambilan dan pengamatan data untuk

masing-masing set point beserta tanggapan sistem untuk masing-masing set point.

4.2.5 Data Pengamatan untuk Set Point 1 ( ketinggian air 3 cm) pada saat

sistem dikenai gangguan.


ditampilkan angka 3 yang menunjukkan ketinggian air yang diinginkan. Data

pengamatan diambil dengan keadaan kran dibuka maksimal agar dapat diketahui

cepat atau lambat tanggapan pengendali. Berikut data hasil pengamatan set point 3

cm ditunjukkan pada tabel 4.7.

56





Tabel 4.7. Pengamatan untuk set point 3 cm Waktu (detik) Ketinggian air (cm)

0 0 6,01 0,5 9,4 1

12,65 1,5 16,11 2 20,09 2,5 23,21 3 29,46 2,9 31,97 3 37,95 2,9 40,20 3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

waktu (detik)

Ketin

ggia

n ai

r (cm

)


Dari grafik 4.14 tampak bahwa walaupun sistem dikenai gangguan dengan

membuka kran secara maksimal, sistem mampu mencapai nilai set point, dan

osilasi yang terjadi sebesar 3,33%. Dari data-data tersebut maka sistem dapat

dikatakan stabil karena walaupun terjadi osilasi sebesar 3,33%, masih di dalam

batas kestabilan yang bisa ditoleransi yaitu sebesar 5%. Adapun gangguan ini

57

mengakibatkan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai steady state lebih lama

daripada ketika sistem tidak dikenai gangguan. Untuk mencari karakteristik sistem

yaitu delay time(td), rise time(tr) dan settling time(ts) pada set point 3 cm, berikut

ditunjukkkan dalam gambar 4.15.

Gambar 4.15. Tanggapan sistem untuk set point 1 (3cm).




a. td = t50% - t0%

=t{ 0 cm+ 50%(3 cm -0 cm)}- t{0}

= t 1,5 cm

12,65 detik ≅

b. tr = t90% - t10%

- t90% = t{ 0 cm+ 90%(3 cm – 0 cm)}

= t 2,7 cm

21,33 detik ≅

- t10% = t{0 cm + 10%( 3 cm- 0 cm)}

58

= t 0,3 cm

3,6 detik ≅


≅ 17,73 detik

c. ts = 0 cm+ 98%( 3 cm – 0cm)}

= t 2,94 cm

23,14 detik ≅

d. osilasi = %33,3%1003

9,23=×

−

4.2.6 Data Pengamatan untuk Set Point 2 ( ketinggian air 5 cm) pada saat sistem dikenai gangguan.


ditampilkan angka 5 yang menunjukkan ketinggian air yang diinginkan. Data

pengamatan diambil dengan keadaan kran dibuka maksimal agar dapat diketahui

cepat atau lambat tanggapan pengendali. Berikut data hasil pengamatan set point 5

cm ditunjukkan pada tabel 4.8.





59

Tabel 4.8. Pengamatan untuk set point 5 cm Waktu (detik) Ketinggian air (cm)

0 0 5,89 0,5 9,14 1 12,83 1,5 16,98 2 19,93 2,5 23,94 3 27,09 3,5 30,11 4 33,69 4,5 37,57 5 44,55 4,9 47,08 5 53,12 4,9 55,25 5

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

waktu (detik)

Ket

ingg

ian

air (

cm)


Dari grafik 4.16 tampak bahwa walaupun sistem dikenai gangguan dengan

membuka kran secara maksimal, sistem mampu mencapai nilai

pengendali ketinggian air berbasis rangkaian digital · 2018. 6. 22. · gambar 4.10 tanggapan...

Documents