PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI

KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT SUHU

MENGGUNAKAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN COHEN

COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah

Sistem Kendali Digital

DIPLOMA III PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA

Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh

Yuni Suherman

131311062

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2015

i

ABSTRAKSI

Pada suatu sistem yang di rancang di butuhkan suatu controller untuk mengatur

agar output yang di hasilkan pada plant stabil dan sesuai dengan kebutuhan yang di

inginkan. Pada praktikum kali ini controller yang di gunakan adalah sistem kendali

PID. System kendali PID merupakan controller untuk menentukan presisi suatu system

instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada system tersebut. Pada

praktikum kali ini metoda Kendali PID di rancang menggunakan software Matlab

berupa Simulink matlab dan script yang dihubungkan ke modul Arduino UNO agar

perancangan tunning PID dapat dihubungkan ke modul sistem kendali suhu. Terdapat

tiga metode untuk perancangan kendali suhu tersebut yaitu metode Ziegler Nichols tipe

1, Ziegler Nichols tipe 2, dan Cohen Coon. Sistem kendali suhu dapat di aplikasikan

dalam berbagai bidang baik dalam skala industri ataupun rumah tangga contohnya

system kendali suhu pada tangki minyak, incubator, alat pemanas makanan, alat

pengering pakaian dan lain sebagainya.

Kata Kunci : Kendali PID, Level Air, Ziegler Nichols, Cohen Coon, Matlab,

Arduino UNO

ii

ABSTRACT

On a system which designed indispensable a controller to straighten so that the

resulting output on the plant becomes stable and according to the desired needs. At this

time practicum the controller that used is PID control system. PID conrol System is

controller to determine a precision instrumentation system with the characteristics

there are feedback on the system.

At this time practicum the PID Control System designed used Matlab Software

such as Simulink Matlab and Script which is connected to the module Arduino UNO

so that the design Tunning PID can be connected to a temperature control system

module. There is 3 methods to the design of the temperature control namely Ziegler

Nichols type 1 methods, Ziegler Nichols type 2 Methods, dan Cohen Coon methods.

Temperature control system can be applied in various fields, in industry scale or

household for example temperature control system of oil tank , incubator , heating food

, clothes dryer and so forth .

Kata Kunci : PID control, Temperature plant, Ziegler Nichols, Cohen Coon,

Matlab, Arduino UNO

iii

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur selalu dipanjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan

kesempatan, kemampuan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan

laporan akhir Sistem kendali digital yang berjudul “PERANCANGAN DAN

REALISASI SISTEM KENDALI KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT

SUHU MENGGUNAKAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN COHEN COON

MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO”.

Laporan akhir ini bertujuan untuk memberikan penjelasan lebih mengenai

laporan akhir yang telah di laksanakan, dan untuk menyampaikan detil-detil hasil

pengujian pada praktikum yang telah di laksanakan.

Penulis sangat menyadari bahwa dalam pelaksanaan praktikum dan

penyusunan laporan akhir ini mendapat banyak dukungan dan bantuan dari berbagai

pihak, untuk itu penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:

1. Kedua orang tua saya yang telah memberikan dukungannya dan do’anya

2. Bapak Feriyonika, S.T., M.Sc. Eng. selaku dosen mata kuliah sistem

kendali digital yang telah memberikan pengajaran dan bimbingannya

selama pelaksanaan praktikum maupun penyelesaian laporan akhir ini.

3. Seluruh rekan-rekan Teknik Elektronika 2013, khususnya kelas EC-2B

atas dukungan dan motivasinya dalam pelaksanaan praktikum

Akhirnya, penulis berharap laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat untuk

kalangan mahasiswa khususnya dan masyarakat luas umumnya. Dalam penyusunan

laporan ini penulis menyadari masih banyak kekurangan untuk itu penulis sangat

mengharapkan masukan dan saran yang membangun untuk perbaikan di masa depan.

Bandung, Juli 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI

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

ABSTRACT .................................................................................................................. ii

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

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

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

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

BAB II LANDASAN TEORI ....................................................................................... 3

2.1 Kontrol PID .................................................................................................... 3

2.1.1 Kontrol Proporsional (P) ......................................................................... 4

2.1.2 Kontrol Integral (I) .................................................................................. 4

2.1.3 Kontrol derivative (D) ............................................................................. 5

2.2 Metode Ziegler Nichols .................................................................................. 6

2.2.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop) ............................................ 6

2.2.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2 (close loop) ........................................... 8

2.3 Arduino Uno ................................................................................................... 8

2.4 Matlab ............................................................................................................. 9

BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ............................................. 11

3.1 Diagram Blok Sistem ........................................................................................ 11

3.2 Alat dan Modul yang di Gunakan ................................................................ 11

3.3. Deskripsi Modul ........................................................................................... 12

3.3.1 Modul Power Supply ............................................................................ 12

3.3.2 Modul Setpoint (RVG-5) ...................................................................... 12

3.3.3 Modul PID ............................................................................................. 12

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-5) ................................................................. 13

3.4 Metode Perancangan Sistem Kendali PID ................................................... 13

3.4.1 Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 1 ......................................... 13

3.4.2 Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 2 ......................................... 14

3.4.3 Sistem Kendali PID dengan Metode Cohen Coon ................................ 15

3.4.4 Script Matlab ......................................................................................... 16

3.4.5 Stand Alone Control .............................................................................. 16

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................... 18

v

4.1 Hasil Pengujian dengan Ziegler Nichols Tipe 1 ........................................... 18

4.2 Hasil Pengujian dengan Ziegler Nichols Tipe 2 ........................................... 22

4.3 Hasil Pengujian dengan Cohen - Coon ......................................................... 23

4.4 Hasil Pengujian dengan Script Matlab ......................................................... 23

4.4.1 Script matlab ............................................................................................. 23

4.4.2 Hasil Pengujian dengan Stand alone control ......................................... 27

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 30

5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 30

5.2 Saran ............................................................................................................. 30

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 31

vi

DAFTAR TABEL

Gambar II. 1 Diagram blok sistem kendali PID

Gambar II.2. Kurva S [5].

Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T [

Gambar II. 4. Blok Diagram Sistem Loop Tertutup

Gambar II.5 Modul Arduino Uno

Gambar III.1 Diagram blok system

Gambar III.2 simulink matlab Zigler-Nichols tipe-1

Gambar III.3 Hasil respon sinyal untuk mendapatkan nilai L dan T

Gambar III.4 Simulink matlab Ziegler Nichols tipe 2

Gambar III.5 Hasil respon sinyal untuk mendapatkan nilai Pcr

Gambar III.6 Simulink awal matlab untuk Cohen dan Coon

Gambar III.7 Hasil respon sinyal untuk menentukan nilai nilai Gp, dan

Gambar IV.1 Hasil respon modul Kendali suhu

Gambar IV.2 Hasil respon untuk menentukan nilai L dan T

Gambar IV.3 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 1

Gambar IV.4 Hasil Respon PID setelah di beri gangguan

Gambar IV.5 Hasil respon untuk menentukan nilai Pcr

Gambar IV.6 Hasil respon tuning manual

Gambar IV.7 Hasil respon menggunakan metode cohen coon

Gambar IV.8 Sinyal Respon yang dihasilkan berdasarkan pada Script Matlab

Gambar IV.9 Sinyal Respon saat di beri gangguan

DAFTAR TABEL

Tabel II. 1 Parameter Tuning PID

Tabel IV.1 Hasil perhitungan waktu matlab

Tabel IV.2 hasil perhitungan Kp, Ti, dan Td

Tabel IV.3 Nilai Kp, Ti, dan Td

Tabel IV.3 Nilai Kp, Ti, dan Td waktu real

1

BAB I

PENDAHULUAN

Pemakaian sistem kendali otomatis saat ini merupakan kebutuhan yang sangat

utama untuk menjaga agar proses produksi berjalan seperti yang direncanakan,

mengurangi beban pekerjaan manusia dan mendapatkan hasil yang cepat, tepat dan

efisien. Penggunaan sistem kendali otomatis digunakan dalam banyak ruang lingkup

kegiatan manusia. Sebagai contoh, pada lingkup industri seperti pabrik, peralatan dan

mesin yang digunakan proses kendali yang dapat memantau suhu secara otomatis,

sehingga parameter-parameter proses pengolahan atau manufaktur tetap terjaga dengan

baik. Misal, pada pabrik kelapa sawit, dibutuhkan kondisi suhu yang konstan agar

proses pemisahan antara batu kelapa sawit dengan kulitnya untuk dijadikan sebagai

minyak goreng, berjalan baik. Pada lingkup kegiatan yang lain, misalkan instansi

kesehatan seperti rumah sakit, jenis pengendalian secara otomatis banyak

dipergunakan untuk mengontrol suhu ruangan. Suhu ruangan perlu dikendalikan dan

terjaga untuk keperluan khusus seperti ruangan penyimpanan darah, ruang perawatan

bayi dan sebagainya.

Salah satu sistem kendali yang banyak digunakan di industri adalah

pengontrolan PID (Proportional Integral Derivatif). Kendali PID merupakan gabungan

dari ketiga macam metode kendali, yaitu pengendali proporsional (Proportional

Controller), pengendali integral (Integral Controller), dan pengendali turunan

(Derivative Controller). Ketiga parameter P,I, dan D tersebut masing-masing memiliki

aksi berbeda terhadap respon sistem dan dipengaruhi oleh konstanta-konstanta

pengendalinya (Kp, Ki, dan Kd). Sampai saat ini, perancang sistem kendali masih

mendapatkan kesulitan dalam mengatur parameter-parameter PID karena bersifat

independen. Jika salah satu nilai konstantanya diubah, mungkin sistem tidak akan

bereaksi seperti yang diinginkan. Ketiga parameter tersebut juga tidak dapat berdiri

sendiri karena dapat mengakibatkan hasil yang dicapai kurang baik karena masing-

masing memiliki kelemahan dan kelebihannya sendiri-sendiri. Itu sebabnya, pemilihan

konstanta yang tepat dari kombinasi ketiga sistem kendali tersebut diharapkan dapat

mengeliminasi kelemahan masing-masing, dan mampu memberikan kontribusi dari

kelebihan ketiga parameter tersebut. Kelebihan kendali PID dibandingkan pengendali

2

otomatis yang lain adalah kendali PID dapat mempercepat reaksi sistem,

menghilangkan offset atau menstabilkan sinyal yang diperoleh, mendapatkan energi

ekstra pada awal-awal perubahan load, dapat mengontrol dan mempertahankan suhu

ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap dan real time sedangkan

pengontrolan jenis lain yakni tidak dapat mengontrol dan mempertahankan suhu

ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap dan real time, dapat dilihat pada

sistem pengontrolan yang dipakai AC atau air conditioner ( Ferdinando, 2011).

Pada praktikum sebelumnya metoda yang dipakai untuk mendapatkan

parameter PID adalah dengan menggunakan metoda Ziegler Nichols tipe 1, Ziegler

Nichols tipe 2, dan metode Cohen Coon. Setelah parameter-parameter PID (Kp, Ti, Td)

diperoleh, selanjutnya nilai dari parameter tersebut di gunakan ke modul PID dengan

menggunakan plant kendali suhu. Salah satu hasil desain dari ketiga metoda tersebut

akan di coba menggunakan script MATLAB dan script arduino untuk dapat

diaplikasikan sebagai stand alone control.

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Kontrol PID

PID (Proportional, Integral, Derivative Controller) merupakan salah sistem

kendali yang banyak digunakan di industry manufaktur. Sistem kendali ini dapat

diaplikasikan pada sistem kendali tertutup maupun terbuka. Sistem Kontrol PID

merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan

karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut.

Gambar II. 1 Diagram blok sistem kendali PID

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah parameter yaitu kontrol P

(Proportional), D (Derivative) dan I (Integral) dimana masing-masing parameter

tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan, hal ini dapat kita lihat pada tabel berikut:

Tabel II. 1 Parameter Tuning PID

4

2.1.1 Kontrol Proporsional (P)

Kontrol proporsional berfungsi untuk memperkuat sinyal kesalahan

penggerak, sehingga akan mempercepat keluaran sistem mencapai titik referensi.

Hubungan antara input kontroler u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada

Persamaan 2.3 berikut.

(2.1)

Apabila Persamaan 2.1 didiskritkan maka akan menjadi:

(2.2)

2.1.2 Kontrol Integral (I)

Kontrol integral pada prinsipnya bertujuan untuk menghilangkan kesalahan

keadaan tunak (offset) yang biasanya dihasilkan olehh kontrol proporsional.

Hubungan antara output kontrol integral u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada

Persamaan 2.5 berikut.

(2.3)

Apabila Persamaan 2.3 didiskritkan maka akan menjadi:

(2.4)

(2.5)

(2.6)

Tc = waktu pencuplikan (sampling time)

Integral adalah suatu operator matematis dalam kawasan kontinyu, jika

didiskritkan maka akan menjadi sigma . Fungsi dari operator sigma adalah

menjumlahkan nilai ke-I sampai dengan nilai ke-k. Berdasarkan perhitungan di

atas, variabel error (e) yang diintegralkan dalam kawasan diskrit akan menjadi

e(0)+e(1)+…+e(k-1)+e(k), atau dengan kata lain error-error yang sebelumnya

dijumlahkan hingga error yang sekarang.

5

2.1.3 Kontrol derivative (D)

Kontrol derivatif dapat disebut pengendali laju, karena output kontroler

sebanding dengan laju perubahan sinyal error. Hubungan antara output kontrol

derivatif u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada Persamaan 2.7 berikut.

(2.7)

Apabila Persamaan 2.7 didiskritkan maka akan menjadi:

(2.8)

dimana:

Tc = waktu pencuplikan (sampling time)

Derivatif (dx/dt) adalah suatu operator matematis pada kawasan kontinyu,

jika didiskritkan maka akan menjadi limit. Fungsi dari operator limit adalah

mengurangi nilai ke-k dengan nilai ke-[k-1].

Berikut merupakan penjelasan mengenai istilah-istilah yang digunakan untuk

menentukan parameter-parameter PID:

a. Steady state merupakan kondisi sinyal respon suatu sistem telah mencapai

keadaan stabil hingga sistem selesai.

b. Overshoot merupakan sinyal pada respon yang harganya melebihi harga

ketika steady state. Overshoot terjadi ketika sinyal belum mencapai steady

state.

c. Rise time waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi steady state.

d. Settling time merupakan keadaan dimana sinyal akan mencapai/mendekati

steady state.

e. Error-steady state merupakan keadaan ketika kondisi sinyal respon/sistem

sudah atau belum mencapai steady state, namun terdapat error (kesalahan

sinyal respon) sehingga kondisi steady state yang seharusnya stabil atau

konstan, terdapat perubahan sinyal atau tidak sesuai dengan steady state.

6

2.2 Metode Ziegler Nichols

Metode Ziegler Nichols merupakan pengembangan dari metoda trial and error.

Metode ini digunakan sebagai point awal untuk memulai manual tunning. Ziegler

Nichols ini akan menentukan parameter-parameter PID yang akan digunakan untuk

mendapatkan respon yang baik.

Metoda ini merupakan metoda tuning PID controller untuk menentukan nilai

proportional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan karakteristik

respon transient dari sebuah plant atau sistem [5]. Metode Ziegler terbagi menjadi dua

metode yiatu Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop) dan Tipe 2 (close loop).

2.2.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (open loop)

Metode Ziegler Nichols tipe 1 dilakukan pada plant yang bersifat sistem

terbuka (open loop). Plant yang akan dikendalikan diberi input step dan responnya

akan dianalisa dengan metode Ziegler Nichols tipe 1 dimana perhitungannya akan

menghasilkan parameter-parameter PID.

Gambar II.2. Kurva S [5].

Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step,

hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, seperti pada gambar II.2

Kurva berbentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu

tunda L dan time constant T.

7

Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T [5]

Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial

pada titik infleksi kurva S, seperti pada gambar 2.2. Garis tangensial tersebut akan

berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K [5]. Berdasarkan parameter

tersebut, didapatkan cara untuk menghitung parameter Kp, Ti dan Td.

......................................... (3)

......................................... (4)

Apabila harga Ti dan Td sudah diketahui, maka konstanta Ki dan Kd dapat ditentukan.

......................................... (6)

8

2.2.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2 (close loop)

Pada metode Ziegler Nichols tipe 2 ini proses penentuan parameter PID

dihitung menggunakan respon yang diatur menggunakan slider gain sehingga

respon berosilasi. Metode ini diaplikasikan pada sistem loop tertutup (close loop).

Gambar II. 4. Blok Diagram Sistem Loop Tertutup

Pada metode kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan

proportional band. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp yang

menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai slider gain ini disebut sebagai critical

gain (Kcr). Jika harga Kp terlalu kecil, sinyal output akan teredam mencapai nilai

titik keseimbangan setelah ada gangguan, Sebaliknya, jika harga Kp terlalu besar,

osilasinya akan tidak stabil dan membesar.

2.3 Arduino Uno

Gambar II.5 Modul Arduino Uno

9

Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATMEGA 328(datasheet).

Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan

sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB,

jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar

dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer

dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang-ke adaptor-DC atau

baterai untuk menjalankannya.

2.4 Matlab

MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan

komputasi numerik dan merupakan suatu bahasa pemrograman matematika lanjutan

yang dibentuk dengan dasar pemikiran menggunakan sifat dan bentuk matriks. Pada

awalnya, program ini merupakan interface untuk koleksi rutin-rutin numerik dari

proyek LINPACK dan EISPACK, dan dikembangkan menggunkan bahasa FORTRAN

namun sekarang merupakan produk komersial dari perusahaan Mathworks, Inc.yang

dalam perkembangan selanjutnya dikembangkan menggunakan bahasa C++ dan

assembler (utamanya untuk fungsi-fungsi dasar MATLAB).

10

MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman yang

canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan tugas pengolahan sinyal,

aljabar linier, dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB juga berisi toolbox yang

berisi fungsi-fungsi tambahan untuk aplikasi khusus .

Matlab bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis

fungsi baru untuk ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang

tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang

dibutuhkan tidak terlalu sulit bila Anda telah memiliki pengalaman dalam

pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL,atau FORTRAN.

11

BAB III

METODA DAN PROSES PENYELESAIAN

3.1 Diagram Blok Sistem

Gambar III.1 Diagram blok system

Keterangan:

1. Blok Input

Blok input terdiri dari modul catu daya dimana catu daya menyuplai

tegangan untuk seluruh modul sebesar +15V.

2. Blok Proses

Blok proses terdiri dari modul Reverence Variabel Generator (setpoint),

modul PID dan modul (penguat daya).

3. Blok Output

Blok output merupakan output dari plant yang merupakan modul level

kendali air.

3.2 Alat dan Modul yang di Gunakan

1. Modul Catu Daya (PS-5)

2. Modul Reverence Variabel Generator (RVG-5)

3. Modul PID (PID-5)

4. Modul Penguat Daya (PA-5)

5. Plant Kendali Suhu

6. Arduino UNO

7. Protoboard

8. Laptop

9. Multimeter

10. Potensiometer

12

11. Resistor

12. Kabel-kabel penghubung

Sistem tersebut dirancang menggunakan beberapa software pendukung

berikut ini :

1. Matlab

2. Arduino Uno

3. Microsoft Excel

3.3. Deskripsi Modul

3.3.1 Modul Power Supply

Catu daya akan bekerja sebagai sumber tegangan apabila power ON/OFF

diubah ke posisi ON. Pada catu daya terdapat potensiometer U untuk mengubah

tegangan yang diinginkan. Apabila arah panahnya diputar kekiri maka nilai

tegangannya 0 volt. Sebaliknya apabila diputar kearah yang berlawanan maka

harga tegangannya maksimal. Potensiometer digunakan untuk mengatur besarnya

tegangan.

Hasil pengujian Power Supply berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan

dengan pengetesan menggunakan multimeter. Pada variable maksimal, input +15

V, output yang dihasilkannya adalah +15V.

3.3.2 Modul Setpoint (RVG-5)

Setpoint berfungsi sebagai input tegangan dengan range (-10) Volt sampai

(+10) Volt atau 0 Volt sampai (+10) Volt. Kedua pilihan ini bisa diatur dengan

memindahkan jumper penghubung.

Setelah melakukan proses pengujian setpoint dinyatakan berjalan dengan

baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Setpoint

digunakan untuk menentukan nilai setpoint yang ingin dicapai. Ketika setpoint

diberi tegangan, maka ketika setpoint diatur di 7V maka output nya juga 7V.

3.3.3 Modul PID

Modul PID ini terdiri dari pengaturan parameter Kp, Ti dan Td. Pengaturan

parameter-parameter tersebut dilakukan secara analog. Sehingga pengaturan input

pada modul tidak presisi.

13

Hasil pengujian menunjukkan bahwa modul PID berjalan dengan baik,

hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Ketika PID

diberi input 0,5V, harga Kp dikali 1, maka output dari PID = 0,5V.

3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-5)

Power Amplifier atau Penguat Daya, mendapatkan tegangan input dari

output modul PID yang dihubungkan menggunakan konektor yang secara

mekanis telah sejajar dengan channel-channel yang berguna untuk memberikan

input pada modul sebelumnya.

3.4 Metode Perancangan Sistem Kendali PID

Selanjutnya akan dibahas mengenai perancangan sistem kendali PID

menggunakan metoda Ziegler Nichols Tipe 1, Ziegler Nichols Tipe 2, dan Cohen

Coon menggunakan Matlab dan Arduino.

3.4.1 Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 1

Gambar III.2 simulink matlab Zigler-Nichols tipe-1

Pada metode ini sistem kendali suhu diatur pada sistem kendali terbuka

(open loop). Pada Simulink Matlab, scope akan memperlihatkan respon berupa

Kurva S. Dengan menggunakan metode tipe 1 untuk mendapatkan parameter L

& T.

14

Gambar III.3 Hasil respon sinyal untuk mendapatkan nilai L dan T

3.4.2 Sistem Kendali PID Ziegler Nichols Tipe 2

Gambar III.4 Simulink matlab Ziegler Nichols tipe 2

Pada metode ini sistem kendali suhu diatur menjadi sistem tertutup (dengan

feedback). Pada simulink Matlab, scope akan menunjukkan grafik yang berosilasi.

15

Gambar III.5 Hasil respon sinyal untuk mendapatkan nilai Pcr

Gambar tersebut merupakan sinyal respon manual yang dihasilkan untuk

mencari nilai Pcr. nilai Pcr tersebut akan diproses untuk mendapatkan nilai Kp, Ti, Td.

Proses pencarian nilai Pcr dilakukan dengan melakukan desain pada sinyal respon

tersebut di atas.

3.4.3 Sistem Kendali PID dengan Metode Cohen Coon

Gambar III.6 Simulink awal matlab untuk Cohen dan Coon

Gambar III.7 Hasil respon sinyal untuk menentukan nilai nilai Gp, dan

16

3.4.4 Script Matlab

3.4.5 Stand Alone Control

Pada matlab di gunakan script yang sudah pernah teruji kestabilannya

(harga Kp, Ki, dan Kd sudah stabil), Sehingga respon yang didapat dari sistem

memiliki parameter-parameter yang sesuai.

Pemrograman PID pada Arduino memungkinkan Arduino dapat

menggerakkan sistem tanpa bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone).

17

18

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Pengujian dengan Ziegler Nichols Tipe 1

Sebuah modul Kendali suhu akan bekerja dengan memberikan tegangan input

sebesar +15V. Setpoint diatur pada kondisi setimbang, yaitu pada tegangan 7,5 V. Proses

manual tunning PID menggunakan metode Ziegler-Nichols 1 dilakukan menggunakan

modul Arduino UNO yang diprogram menggunakan Simulink dari Matlab.

Dengan menggunakan Ziegler Nichols tipe 1, hasil respon yang didapat dari modul

kendali suhu digunakan untuk menghitung nilai Kp, Ti dan Td. Berikut adalah hasil respon

sinyal :

Gambar IV.1 Hasil respon modul Kendali suhu

Langkah selanjutnya adalah menentukan parameter T dan L menggunakan respon

pada gambar IV.2

19

Gambar IV.2 Hasil respon untuk menentukan nilai L dan T

Maka di dapat hasil perhitungan sebagai berikut :

Tabel IV.1 Hasil perhitungan waktu matlab

Berikut adalah perbandingan antara waktu real dan waktu matlab.

wreal : wmatlab

92s : 1000s

Parameter L

Ltime =𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑊𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏𝑥 𝐿𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏

Ltime =92

1000 𝑥 187,6 = 17,259

Parameter T

Ttime =𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑊𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏𝑥 𝐿𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏

Ttime =92

1000 𝑥 1818,4 = 167,29

20

Setelah di masukan nilai T dan L, maka di dapat Nilai Kp, Ti, dan Td

Tabel IV.2 hasil perhitungan Kp, Ti, dan Td

Setelah memasukan nilai hasil perhitungan Kp, Ti, dan Td pada modul

controller PID maka di dapat hasil respon sinyal sebagai berikut

Gambar IV.3 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler-Nichols 1

Terlihat hasil respon sinyal yang sudah cukup bagus steady state nya dan tidak

ada over shoot, maka bisa di katakan hasil perhitungan Kp, Ti, dan Td tadi sudah pas

sehingga tidak perlu di lakukan manual tuning.

Setelah di rasa hasil respon sinyal sudah stabil, maka kami beri gangguan pada

plant tersebut sehingga menghasilkan sinyal sebagai berikut :

21

Gambar IV.4 Hasil Respon PID setelah di beri gangguan

4.2 Hasil Pengujian dengan Ziegler Nichols Tipe 2

Sebuah modul Kendali suhu akan bekerja dengan memberikan tegangan

input sebesar +15V. Proses manual tunning PID menggunakan metode Ziegler-

Nichols 2 dilakukan menggunakan modul Arduino UNO yang diprogram

menggunakan Simulink dari Matlab.

Proses manual tunning PID menggunakan metode Ziegler-Nichols 2

dilakukan menggunakan modul Arduino UNO yang diprogram menggunakan

Simulink dari Matlab.

Dengan menggunakan nilai Kp atau Kcr pada metoda Ziegler Nichols 2

maka hasil respon yang didapat dari modul kendali suhu digunakan untuk

menghitung nilai Kp, Ti dan Td.

22

Gambar IV.5 Hasil respon untuk menentukan nilai Pcr

Tabel IV.3 Nilai Kp, Ti, dan Td

Perbandingan waktu matlab dan waktu Real

wreal : wmatlab

82s : 1000s

Parameter Ti

Ltime =𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑊𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏𝑥 𝑇𝑖 𝑀𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏

Ltime =82

1000 𝑥 150 = 12,3

Tabel IV.4 Nilai Kp, Ti, dan Td waktu real

Parameter Td

Ttime =𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙

𝑊𝑚𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏𝑥 𝑇𝑑 𝑀𝑎𝑡𝑙𝑎𝑏

Ttime =82

1000 𝑥 37,5 = 3,075

23

4.3 Hasil Pengujian dengan Cohen - Coon

Gambar IV.7 Hasil respon menggunakan metode cohen coon

Dapat diliah bahwa nilai respon tidak stabil yang disebabkan oleh salahnya

perhitungan dalam menentukan nilai KP, TI, dan Td.

4.4 Hasil Pengujian dengan Script Matlab

4.4.1 Script matlab

%Praktikum Sistem Kendali Digital

%Teknik Elektronika Politeknik Negeri Bandung

%Pengajar:

%Ir. Suheri Bakar/ Dr. Indra.C.J.Riadi/ Endang S.MT/

Feriyonika,Msc.Eng

%Praktikum ini adalah lanjutan dari desain kendali dengan Ziegler

Nichols dan

%Toolbox Matlab yang sudah memiliki performance bagus pada

simulink.

%=========================START=================

=

==================

%PIN 6 sbg keluaran PWM (DC)

%A5 sbg pembacaan umpan balik

clf %untuk menghapus figure jika masih ada yg tertampil

24

%Time sampling

Ts = 0.052174; %besarnya sampling

pinMode(a,6,'output') %Set PIN arduino sbg keluaran

kendali pinMode(a,10,'input') pinMode(a,13,'input') %Seting

Parameter PID

Kp = 11.63164;

Ti = 34.518;

Ki = Kp/Ti;

Td = 8.6295;

Kd = Kp*Td;

%========Kondisi error awal

error_sebelum=0;

errorI_sebelumnya=0; %========Set

untuk plot y1=0; %untuk memplot nilai

set point y2=0; %untuk memplot nilai-

nilai respon t=0; %waktu looping

digitalWrite(a,13,1); digitalRead(a,10);

x=0;

start = digitalRead(a,10);

while (start == 1)

tic

x=x+1;

%Tentukan PV (process value) awal

PV = analogRead(a,5);

PV = PV*0.0049*2; %Normalisasi dari 0-1023 ke 0-5

SP = analogRead (a,0);

SP = SP*0.0049;

%Hitung Error

error = SP-PV;

%Hitung Error integral

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

dan sebelumnya

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

integral

%Hitung error Differential

errorD = (error - error_sebelum)/Ts;

%Kendali PID outP =

Kp*error; outI = Ki*errorI;

25

outD = Kd*errorD; outPID

= outP + outI + outD;

outPID=outPID/125.9

%Membatasi agar nilai PID tidak >

255 if outPID > 10 outPID=10; else

outPID=outPID; end

%Membatasi agar nilai PID tidak < 0

if outPID < 0

outPID=0; else

outPID=outPID;

end

outPID=outPID/2;

%Menuliskan hasil PID ke Arduino

outPID = round(outPID*51); %fungsi 'round' agar outPID

menjadi bilangan bulat, krn out PWM 0-255;

analogWrite(a,6,outPID);

pause (0) %fungsi 'pause(x)' akan mendelay selama x detik

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

y2 =[y2,PV]; %nilai PV baru akan ditambahkan pd variable/matrik y2

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

plot(t,y1,t,y2); %mem-plot y1 dan 2 bersama-sama axis([0 x+100 0

10]); %menentukan axis gambar x= dari 0-600, y=0-3 grid

drawnow;

error_sebelum=error;

errorI_sebelumnya=errorI

; start =

digitalRead(a,10); toc end

analogWrite(a,6,0);

26

Gambar IV.8 Sinyal Respon yang dihasilkan berdasarkan pada Script

Matlab

Hasil respon pada gambar tersebut dapat di katakan stabil karena bisa dilihat

dari kerapatan sinyal output dengan set point.

Gambar IV.9 Sinyal Respon saat di beri gangguan

Berdasarkan gambar diatas dapat dikatakan sistem tersebut stabil karena

sistemnya tahan akan gangguan dibuktikan dengan tetap bertahannya kestabilan system

tersebut saat diberi gangguan berupa blower.

27

4.4.2 Hasil Pengujian dengan Stand alone control

Berikut merupakan sebuah program Arduino yang akan diuji dalam sebuah

serial :

28

29

Hasil serial

30

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

Desain kendali yang paling cocok untuk plant suhu adalah desain kendali

dengan metoda Ziegler Nichols Tipe 1 dan tipe 2.

5.2 Saran

Lebih teliti dan jeli dalam melakukan tunning terutama pada saat

menentukan parameter-parameter PID.

31

DAFTAR PUSTAKA

http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-kendali-pid.html “Pengertian

Kendali PID “ (Diakses pada senin 06-07-2015,pukul 05.00)

http://technoluyep.blogspot.com/2014/07/sejarah-dan-perkembangan-matlab.html

“Sejarah dan Perkembangan MATLAB” (Diakses pada senin 06-07-2015,pukul

13.00)