Upload
dwi-fakhri-aminudin
View
61
Download
11
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali Digital Plant Pengendali Temperatur Jurusan Teknik Elektro Program Studi D3 Elektronika
Citation preview
PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM
KENDALI KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT
TEMPERATUR DENGAN METODE ZIEGLER-
NICHOLS TIPE 1 dan ZIEGLER-NICHOLS TIPE 2
MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan mata kuliah
sistem kendali digital
DIPLOMA III PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA
Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh
Dwi Fakhri Amindin
131311044
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015
i
Abstrak
Sistem kendali temperatur sangat banyak digunakan didunia industri. Berbagai
penelitian mengenai sistem kendali temperatur dilakukan di dunia akademis dan
dunia penelitian agar kelak muncul sebuah inovasi baru di dalam dunia sistem
kendali temperatur. penelitian mengenai sistem kendali temperatur yang dilakukan
di dunia akademis, dilakukan untuk mempersiapkan para penerus bangsa yang
mampu bersaing dan berperan aktif dalam perkembangan dunia teknik kendali.
Pengenalan metode yang digunakan untuk mengendalikan sebuah plant dan
bagimana cara pemodelan serta proses perancangan merupakan suatu hal yang baru
dirasakan oleh mahasiswa. Ada beberapa metode yang digunakan dalam sistem
kendali, salah satunya adalah metode ProportionalIntegralDerivative (PID).
Sebuah metode yang menggunakan prinsip penguatan posisi, penguatan integral,
dan penguatan derivative untuk memperbaiki respon sistem kendali. Untuk
mendesain sebuah pengendali PID ada tiga metode yang dapat dilakukan, yaitu
metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler Nichols tipe 2. Dengan pemodelan
melalui kedua metode tersebut, pengendali PID dapat menghasilkan respon sistem
kendali yang lebih responsif dibandingkan dengan tanpa pengendali. Sehingga
sistem kendali temperatur dengan pengendali PID dapat digunakan dalam sistem
kendali temperatur Pengering gabah, atau Pelelehan besi.
Kata kunci : PID, Ziegler-Nichols tipe 1, Ziegler Nichols tipe 2, Sistem Kendali
Temperatur dengan Pengendali PID, respon sistem.
ii
Abstract
Temperature control system is widely used in the world of industry. Various
research on the temperature control system is done in the academic world and the
world of research that later appeared a new innovation in the world of temperature
control system. research on the temperature control system is done in the academic
world, performed to prepare the successor to the nation that is able to compete and
play an active role in the development of control engineering. The introduction of
methods used to control a plant and how it modeling and design process is a new
thing perceived by students. There are several methods used in control systems, one
of which is a method of Proportional-Integral-Derivative (PID). A method that uses
the principle of strengthening the position, strengthening the integral, and derivative
gains to improve the response of the control system. To design a PID controller,
there are three methods that can be performed, the method of Ziegler-Nichols
Ziegler Nichols type 1 and type 2. With modeling through both methods, the PID
controller can generate control system response is more responsive than without
controllers. So that the temperature control system with PID controllers can be used
in temperature control system of grain dryer, or Steel smelter .
Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2, Temperature Control
System with PID Controller, System respons.
iii
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum Wr. Wb.
Segala puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas limpahan
rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan Perancangan dan Realisasi
Sistem Kendali Kontinyu & Digital pada Plant Temperatur dengan Metode Ziegler-
Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2 Menggunakan Matlab dan Arduino.
Laporan akhir ini disusun sebagai persyaratan kelulusan pada Mata Kuliah Sistem
Kendali Digital Program Studi D3-Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro
Polieknik Negeri Bandung.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran,
dorongan, bimbingan serta keterangan-keterangan dari berbagai pihak yang
merupakan pengalaman yang tidak terukur secara materi, namun sesungguhnya
pengalaman dan pengetahuan tersebut adalah guru yang terbaik bagi penulis. Oleh
karena itu dengan segala hormat dan kerendahan hati perkenankanlah saya sebagai
penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Feriyonika , ST.M.Sc.Eng selaku dosen Mata Kuliah Sistem
Kendali Digital.
2. Kedua orang tua yang selalu memberikan dukungan dan doanya.
3. Para Teknisi yang setia membantu terlangsungnya praktek Sistem Kendali
Digital.
4. Asep Mohammad Fauzi dan Kiki Abdul Baki selaku rekan satu grup dalam
praktikum Sistem Kendali Digital.
5. Seluruh rekan-rekan kelas B angkatan 2013 telah memberikan motivasi.
6. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah
banyak membantu sehingga laporan akhir praktikum ini dapat
diselesaikan.
iv
Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis menyadari masih
terdapat banyak kekurangan yang dibuat baik sengaja maupun tidak
sengaja. Untuk itu penulis mohon maaf atas segala kekurangan tersebut
tidak menutup diri terhadap segala saran dan kritik serta masukan yang
membangun bagi diri penulis. Akhir kata semoga dapat bermanfaat bagi
penulis sendiri, institusi pendidikan dan masyarakat luas.
Wassalamu alaikum Wr. Wb.
Bandung, 6 Juli 2015
Penulis
v
DAFTAR ISI
Abstrak ................................................................................. Error! Bookmark not defined.
Abstract .............................................................................................................................. ii
DAFTAR ISI...................................................................................................................... v
DAFTAR TABEL ............................................................................................................ vii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... viii
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................. 1
BAB II DASAR TEORI.................................................................................................... 4
2.1. Perkembangan Sistem Kendali ........................................................................... 4
2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka .................................................................... 4
2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup .................................................................... 5
2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali ................................................................ 7
2.2. Sistem Kendali PID ............................................................................................ 7
2.3. Desain Kendali PID .......................................................................................... 11
2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ................................................................. 11
2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ................................................................. 13
2.3.3. Manual Tunning ....................................................................................... 14
2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB ........................................................... 14
2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno .............................................................. 15
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR ........................... 16
3.1 Desain Alat............................................................................................................. 16
3.1.1. Modul Catu Daya ..................................................................................... 20
3.1.2. Modul Set Poin ......................................................................................... 20
3.1.3. Modul Pengendali PID ............................................................................. 21
3.1.4. Modul Penguat Daya ................................................................................ 21
3.1.5. Plant Sistem Kendali Temperatur ............................................................. 21
3.2. Mekanisme Alat ............................................................................................... 22
3.2.1. Diagram Blok Pengoperasian Modul ........................................................ 22
3.3. Desain Pengendali PID ..................................................................................... 23
3.3.1. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 .......................................................... 23
3.3.2. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .......................................................... 24
3.3.3. Desain PID Dengan Script MATLAB ...................................................... 26
3.3.4. Desain PID Dengan Script Arduino .......................................................... 27
vi
BAB 4 DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS ............................................................... 28
4.1. Hasil Pengujian ................................................................................................ 28
4.1.1. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 ...................... 28
4.1.2. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 ...................... 30
4.2. Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID....... 30
4.2.1. Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB ................................... 31
4.2.2. Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno .............................. 34
BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN ................................................................................. 38
5.1. Kesimpulan ...................................................................................................... 38
5.2. Saran ................................................................................................................ 38
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 40
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID .......................... 98
Tabel 3.1 .............................................................................................................. 124
Tabel 3.2 .............................................................................................................. 135
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt................................................ 4
Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka ................................... 5
Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup................................... 6
Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID .................... 8
Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID ..................... 9
Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time .............................. 10
Gambar 2. 7. Respon Sistem Loop Terbuka ......................................................... 12
Gambar 2. 8. Respon Sistem Osilasi ..................................................................... 13
Gambar 2. 9. Logo Simulink MATLAB ............................................................... 15
Gambar 2. 10. Arduino Uno .................................................................................. 15
Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur ............................................................. 16
Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan
Arduino Uno.......................................................................................................... 17
Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan
Arduino Uno.......................................................................................................... 17
Gambar 3. 4. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan
Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ............................................................................. 18
Gambar 3. 5. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan
Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ............................................................................. 19
Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter ..................................................................... 20
Gambar 3. 7. Plan Sistem Kendali Temperatur..................................................... 21
Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan
Pengendali PID...................................................................................................... 22
Gambar 3. 8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L ......................................... 24
Gambar 3. 9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr ................................................ 25
Gambar 3.10. Flowchart Script MATLAB ........................................................... 26
Gambar 3.11. Flowchart Script Arduino .............................................................. 27
Gambar 4. 2. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols
Tipe 1 .................................................................................................................... 29
Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .............. 30
Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital
(MATLAB) ........................................................................................................... 33
Gambar 4. 6. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan
Pengendali PID...................................................................................................... 37
1
BAB I
PENDAHULUAN
Sistem Kendali Temperatur sangat banyak digunakan di dalam
dunia industri saat ini. Misalnya pada industri minyak dan gas. Selaras
dengan perkembangan teknologi saat ini, sistem kendali temperatur yang
digunakan pun semakin berkembang. Sistem kendali temperatur didesain
untuk dapat mengendalikan temperatur dari sebuah proses produksi.
Sistem kendali yang digunakan pun dituntut memiliki efisiensi yang baik
dan tangguh terhadap berbagai gangguan yang dihadapi oleh sistem.
Selaras dengan perkembangan teknologi sistem kendali yang ada di
industri saat ini, penelitian mengenai pengendalian temperatur yang lebih
komplek juga sangat banyak ditemui di dunia penelitian maupun dunia
akademis.
Untuk merancang sistem kendali temperatur yang efisien dan
tangguh terhadap gangguan, perlu dilakukan penelitian yang bersifat rutin
dan terfokus. Dengan memberikan pendidikan mengenai dasar-dasar dan
parameter sistem kendali temperatur, diharapkan perguruan tinggi sebagai
salah satu penghuni dunia akademis mampu mempersiapkan peserta
didiknya agar mampu untuk memberikan kontribusi aktif dalam
perkembangan teknologi sistem kendali temperatur. Kontribusi aktif yang
diharapkan mampu diberikan oleh para lulusan perguruan tinggi tersebut
diantaranya adalah mampu untuk mendesain sebuah sistem kendali
temperatur yang efisien dan tangguh dengan menggunakan metoda dan
analisis yang berkembang saat ini. Salah satu metoda sistem kendali yang
paling lama ada dan relatif sering digunakan adalah metoda Proportional
IntegralDerivative (PID).
PID merupakan pengendali untuk menentukan ketepatan suatu
sistem kendali dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem
tesebut. Komponen kendali PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu
2
Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiga komponen kendali PID
tersebut didapatkan melalui pendesainan yang juga dapat dilakukan
melalui beberapa metode. Salah satu metode tersebut adalah Metode
Ziegler-Nichols. Metoda Ziegler-Nichols terbagi menjadi dua tipe, yaitu
Metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Metoda Ziegler-Nichols tipe 2. Dengan
pendesainan yang baik dalam menentukan nilai pada ketiga jenis
komponen kendali PID, dapat menciptakan sebuah sistem kendali
temperatur yang efisien, tepat, dan tangguh terhadap berbagai gangguan
yang dihadapi (robust). Maka dari itulah penelitian untuk mendesain
sistem kendali temperatur berbasis metoda kendali PID Ziegler-Nichols
menjadi poin penting dalam dunia pendidikan teknik elektronika di bidang
kendali. Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk melatih pendesainan
sistem kendali temperatur yang efisien dan tangguh serta pada akhirnya
akan diimplementasikan pada sistem kendali temperatur yang berdiri
sendiri (stand alone) dengan menggunakan Arduino Uno sebagai
pengendali.
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Melatih ketepatan pendesainan sistem kendali temperatur berbasis
metoda kendali PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols
tipe 1 dan Ziegler-Nichols Tipe 2.
2. Mampu melakukan manual tunning untuk memperbaiki respon
sistem kendali temperatur berdasarkan nilai komponen kendali PID
hasil desain awal.
3. Mampu membuat stand alone control menggunakan Arduino Uno
pada sistem kendal temperatur berdasarkan hasil tunning.
Identifikasi permasalahan pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID
dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1.
2. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID
dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 2.
3
3. Bagaimana cara membuat stand alone control pada sistem kendali
temperatur menggunakan Arduino Uno.
Agar praktikum ini dapat dilakasanakan dengan baik maka
penelitian ini dibatasi pada:
1. Desain sistem kendali temperatur berbasis PID menggunakan
metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2.
2. Realisasi stand alone control pada sistem kendali temperatur
berbasis PID menggunakan Arduino Uno.
Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID
menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2
dan melakukan manual tunning untuk mendapatkan nilai komponen
kendali PID yang tepat dengan plant yang digunakan serta membangun
sebuah stand alone control pada sistem kendali temperatur menggunakan
Arduino Uno.
4
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Perkembangan Sistem Kendali
Sistem kendali memiliki peranan penting dalam perkembangan teknologi
dalam berbagai bidang. Contoh penggunaan sistem kendali di industri adalah
memberikan kemudahan dalam meningkatkan kualitas, menurunkan biaya
produksi, meningkatkan laju produksi. Aplikasi sistem kendali saat ini tidaklah
lepas dari penelitian tentang sistem kendali yang dilakukan pada zaman dahulu.
Di mana pada zaman dahulu, mayoritas penggunaan sistem kendali adalah
dengan menggunakan sistem kendali on-off. Namun seiring berkembangnya
teknologi di berbagai bidang, sistem kendali dengan metode lain mulai
bermunculan. Diantaranya adalah sistem kendali PID dan Fuzzy.
Perangkat kendali otomatis yang berhasil dibuat pertama kali adalah
pengatur sentrifugal untuk pengendali kecepatan mesin uap pada abad ke-
18 oleh James Watt yang diperlihatkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt
2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka
Sistem Kendali Loop Terbuka adalah suatu sistem kendali yang
keluarannya tidak akan berpengaruh terhadap aksi kendali. Sehingga
keluaran sistem tidak dapat diukur dan tidak dapat digunakan sebagai
perbandingan umpan balik dengan masukan. Jadi pada setiap masukan
akan didapatkan suatu kondisi operasi yang tetap. Sedangkan ketelitiannya
5
akan tergantung pada kalibrasi. Dalam prakteknya, sistem kendali loop
terbuka dapat digunakan jika hubungan output dan inputnya diketahui
serta tidak adanya gangguan internal dan eksternal. Sistem kendali loop
terbuka dapat digambarkan melalui diagram blok pada Gambar 2.2.
Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka
Sistem kendali loop terbuka memiliki kelemahan dan keunggulan.
Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut:
1. Tidak tahan gangguan.
2. Untuk menjaga kualitas yang diingankan pada keluaran perlu
kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.
Sedangkan kelebihan dari sistem kendali loop terbuka adalah
sebagai berikut:
1. Kestabilan bukan merupakan persoalan utama.
2. Cocok untuk keluaran yang susah diukur.
3. Mudah dirawat.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop terbuka
adalah sistem kendali yang tidak mengutamakan kestabilan dan tidak
tangguh terhadap gangguan. Namun sistem kendali ini mudah untuk
digunakan.
2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup
Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang
keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi kendali. Sistem ini
6
berupaya untuk mempertahankan keluaran sehingga hampir sama bahkan
sama dengan masukan acuan walaupun terdapat gangguan pada sistem.
Sistem ini adalah sistem kendali berumpan balik, dimana kesalahan (error)
penggerak adalah selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik
(berupa sinyal keluaran dan turunannya) yang diteruskan ke pengendali
(controller) sehingga melakukan aksi terhadap proses untuk memperkecil
kesalahan dan membuat agar keluaran mendekati harga yang diingankan.
Sistem kendali loop tertutup dapat digambarkan dengan diagram blok
seperti pada Gambar di bawah ini.
Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup
Sistem kendali loop tertutup juga memiliki kelemahan dan
kelebihan. Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut:
1. Sulit dalam hal desain dan perancangan, karena perlu
memperhatikan kepresisian dan keakuratan sistem.
2. Perawatan relatif sulit dilakukan.
Sedangkan kelebihan dari sistem ini adalah sebagai berikut:
1. Sistem lebih presisi dan akurat.
2. Sistem lebih dinamis, sehingga kecepatan respon dapat diatur sesuai
keinginan.
3. Tahan terhadap gangguan yang dihadapi.
4. Cocok digunakan untuk sistem yang komplek dan keluaran yang
terukur.
7
Dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop tertutup adalah sistem
kendali yang menjamin kepresisian, keakuratan, dan ketangguhan sistem
terhadap gangguan. Namun dalam perancangan dan pendesainannya lebih
sulit.
2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali
Pada perancangan sistem kendali haruslah diperhatikan bagian
ataupun elemen dari sistem itu sendiri. Karena sistem kendali akan
memanipulasi suatu masukan yang akan mengendalikan suatu keluaran.
Berikut akan dijelaskan mengenai bagian ataupun elemen dari sistem
kendali.
2.2. Sistem Kendali PID
Sistem kendali yang digunakan di berbagai bidang dituntut untuk
memiliki kepresisian dan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. Dan
sistem tersebut dituntut pula memiliki kedinamisan yang baik, sehingga
respon sistem dapat diatur sesuai dengan keinginan. Sehingga dibuatlah
sebuah pengendali (controller) sehingga proses kendali dapat menjadi
lebih efektif dan efisien. Ada berbagai metode yang digunakan dalam
sistem kendali. Salah satunya adalah sistem kendali dengan Proportional-
Integral-Derivative (PID) Controller. PID merupakan kontroler untuk
menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik
adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID adalah
pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri.
Pengontrol PID akan memberikan aksi kepada aktuator berdasarkan besar
error yang diperoleh. Aktuator akan mengatur keluaran pada plant sesuai
yang diinginkan disebut dengan Set Point. Error adalah perbedaan dari Set
Point dengan keluaran aktual pada plant. Diagram blok sistem kendali
dengan pengendali PID dapat dilihat pada gambar dibawah ini
8
Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID
Dari Gambar 2.4 dapat diketahui bahwa pengendali PID akan
mengendalikan error yang dihasilkan dari set point dengan sinyal
feedback. Sinyal umpan balik didapat dari keluaran plant yang berasal dari
sensor pada plant tersebut. Keluaran dari pengendali PID akan
mengaktifkan aktuator pada plant. Proses terus berulang hingga antara
sinyal set point dengan sinyal galat selisihnya sama dengan nol. Pada
pengendali PID diketahui terdapat tiga komponen, yaitu Proportional
(Kp), Integratif (Ki), dan Derivatif (Kd). Komponen tersebut memiliki
fungsi tersendiri pada pengendali PID. Secara matematis, persamaan
umum pengendali PID adalah:
() = () +
() +
[()]
(1)
Keterangan:
() = Set point
() = error
Karena =1
()
= (2)
Maka () = () +
() + () (3)
Sehingga:
()
()= +
+ = (1 +
1
+ ) (4)
Karena komponen-komponen P, I, dan D pada pengendali PID
memiliki fungsi tersendiri, maka perubahan nilai komponen-komponen
9
tersebut sangat berpengaruh terhadap respon sistem kendali. Fungsi
komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID
Parameter Rise Time Overshoot Setting Time S-S Error
Proportional Berkurang Bertambah Minor Change Berkurang
Integratif Berkurang Bertambah Bertambah Menghilangkan
Derivatif Minor Change Berkurang Bertambah Minor Change
Dengan memperhatikan fungsi komponen tersebut, pengendali PID
menghasilkan respon sistem awal seperti ditunjukan pada Gambar 2.5.
Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID
Dalam sistem kendali PID ada beberapa parameter yang juga harus
diperhatikan selain komponen-komponen penyusunnya. Seperti
ditunjukkan pada tabel 2.1 dan Gambar 2.5 parameter tersebut adalah rise
time, overshoot, settling time, dan steady state error (s-s error). Rise Time
(Waktu Naik) adalah waktu yang diperlukan oleh sistem untuk dapat naik
dari titik nol menuju titik mantap (steady state). Berdasarkan rise time,
respon sistem kendali dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Over Damp, Under
10
Damp, dan Critical Damp. Perbedaan ketiga respon tersebut dapat dilihat
pada Gambar 2.6.
Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time
Gambar 2.6 memperlihatkan tiga respon sistem kendali yang
berbeda. Gelombang A dan C memperlihatkan kondisi over damp.
Sedangkan gelombang B memperlihatkan kondisi under damp. Dan
gelombang D memperlihatkan kondisi critical damp.
Parameter selanjutnya adalah overshoot. Overshoot adalah
perbandingan selisih harga maksimum dengan harga akhir sistem. Secara
matematis, overshoot dapat dicari dengan rumus berikut:
% =
100% (5)
Paramater yang lain adalah settling time. Settling time adalah waktu
yang dibutuhkan agar respon sistem mencapai dan tetap berada di dalam
batas-batas dengan nilai akhir dan dinyatakan pada 2% atau 5 %. Secara
matematis settling time dapat diperoleh dengan cara:
(5%) =3
(6)
(2%) =4
(7)
Parameter terakhir adalah steady state error. Steady state error
adalah selisih antara respon sistem saat steady state dengan set point.
Keempat parameter tersebut dapat dikurangi dan ditambahkan dengan
11
mengubah-ubah nilai komponen P, I, dan D pada pengendali PID sesuai
dengan keinginan desainer
2.3. Desain Kendali PID
Desain kendali PID bertujuan untuk menentukan nilai Kp, Ki, dan
Kd yang akan digunakan dalam realisasi sistem kendali menggunakan
pengendali PID. Ada beberapa cara yang digunakan untuk mendesain
kendali PID ini. Cara tersebut adalah dengan menggunakan metode
Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Kedua metode tersebut
menggunakan cara yang berbeda untuk mencari nilai Kp, Ki, dan Kd pada
pengendali PID. Setelah menemukan nilai Kp, Ki, dan Kd menggunakan
kedua metode tersebut, maka biasanya desainer akan melakukan manual
tunning dengan cara mengubah nilai Kp, Ki, dan Kd tersebut agar
mendapatkan respon sistem yang lebih baik dari hasil desain awal. Ketiga
metode tersebut akan dijelaskan lebih lanjut pada pembahasan di bawah
ini.
2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1
Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1
pada awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan pada
Gambar 2.2. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti
ditunjukan pada Gambar 2.7.
12
Gambar 2.7. Respon Sistem Loop Terbuka
Pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd pada metode ini diawali dengan
mencari nilai L dan T seperti pada Gambar 2.7. L adalah nilai dead time
(time delay/lag) pada respon dari titik nol menuju waktu cut-off. Dan T
adalah time constant. Nilai L dan T dalam satuan detik (sekon).
Penarikan garis diagonal pada respon loop terbuka adalah dengan
menempelkannya pada bagian gelombang yang terlandai. Nilai L
ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan sumbu x. Sedangkan
nilai T ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan garis
perpanjangan steady state. Setelah menemukan nilai L dan T, selanjutnya
dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan pada Tabel
2.2.
Tabel 2. 2. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1
Tipe Pengendali Kp Ti Td Ki Kd
P
0
PI 0,9
0,3
0
PID 1,2
2 0,5
13
2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2
Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 2
pada awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback seperti
ditunjukan pada Gambar 2.3. Pencarian diawali dengan mengatur nilai K
(penguatan) hingga respon sistem osilasi. Respon sistem untuk desain
menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar 2.8.
Gambar 2. 8 Respon Sistem Osilasi
Berdasarkan Gambar 2.8, pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd
menggunakan metode ini adalah dengan mencari nilai Kcr. Kcr adalah
nilai K (penguatan) saat respon sistem osilasi. Setelah didapatkan respon
sistem yang berosilasi, selanjutnya adalah mencari nilai Pcr. Pcr adalah
waktu yang dibutuhkan sistem untuk menempuh satu gelombang. Pcr
dalam satuan waktu (sekon). Setelah menemukan nilai Kcr dan Pcr,
selanjutnya dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan
pada Tabel 2.3.
Tabel 2. 3. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2
Tipe
Pengendali
Kp Ti Td Ki Kd
P 0,5 0
PI 0,45 1
1,2
0
14
PID 0,6 0,5 0,125
2.3.3. Manual Tunning
Manual tunning adalah metode yang dilakukan dengan cara
mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd yang telah dihitung melalui
pendesainan awal. Manual tunning digunakan untuk memperbaiki respon
sistem agar menjadi lebih responsif. Pengubahan nilai Kp, Ki, dan Kd
dilakukan dengan tetap memperhatikan parameter yang telah ditunjukan
pada Tabel 2.1. Manual tunning biasanya dilakukan untuk menghilangkan
overshoot, steady state error, dan settling time serta memperkecil nilai rise
time.
2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB
MATLAB adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan
bahasa pemrograman komputer generasi keempat. Dikembangkan oleh
The MathWorks, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pem-
plot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka
pengguna, dan peng-antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya.
Meskipun hanya bernuansa numerik, sebuah kotak kakas (toolbox) yang
menggunakan mesin simbolik MuPAD, memungkinkan akses terhadap
kemampuan aljabar komputer. Sebuah paket tambahan, Simulink,
menambahkan simulasi grafis multiranah dan Desain Berdasar-Model
untuk sistem terlekat dan dinamik.
Simulink MATLAB digunakan untuk membaca gelombang pada set
poin dan keluaran sistem sebagai respon sistem kendali. Respon sistem ini
kemudian akan diolah dalam pendesainan pengendali PID. Logo Simulink
MATLAB dapat dilihat pada Gambar 2.9
15
Gambar 2.9. Logo Simulink MATLAB
2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno
Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroller yang
berbasis pada ATmega28. Modul ini sudah dilengkapi dengan berbagai hal
yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler untuk bekerja, tinggal
colokkan ke power suply atau sambungkan melalui kabel USB ke PCmu
Arduino Uno ini sudah siap sedia. Arduino Uno ini memilki 14 pin digital
input/output, 6 analog input, sebuah resonator keramik 16MHz, koneksi
USB, colokan power input, ICSP header, dan sebuah tombol reset.
Arduino Uno digunakan untuk membangun sebuah sistem kendali yang
berdiri sendiri tanpa tergantung pada Personal Computer (PC) atau biasa
disebut Stand Alone Control. Stand Alone Control dibangun agar sebuah
sistem kendali dapat beroperasi dengan baik tanpa tergantung pada PC.
Karena sebuah sistem kendali berjalan secara rutin sehingga haruslah
dibuat sistem kendali yang dapat berdiri sendiri. Arduino Uno digunakan
untuk membuat sebuah Stand Alone Control yang bersifat digital. Arduino
Uno diprogram dengan script yang mirip dengan bahasa C.
Gambar 2. 2. Arduino Uno
16
BAB 3
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR
3.1 Desain Alat
Perancangan sistem pengendali suhu akan diaplikasikan pada
sebuah modul pengendali suhu yang terdiri dari beberapa modul sebagai
komponen utamanya. Sebuah modul sistem pengendali temperatur analog
(analog stand alone control) secara keseluruhan dapat dilihat pada
Gambar 3.1.
Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur
Agar dapat membaca gelombang masukan dan keluaran sistem
diatas, modul sistem kendali temperatur akan dihubungkan ke perangkat
lunak (software) MATLAB pada PC melalui kit mikrokontroler Arduino
Uno. Untuk selanjutnya, gelombang keluaran yang dibaca oleh MATLAB
akan dijadikan acuan untuk desain sistem kendali temperatur
menggunakan pengendali PID. Gambar 3.2 menunjukan cara
mengkoneksikan modul sistem kendali temperatur ke PC untuk
pendesaianan menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1.
17
Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan
Arduino Uno
Sedangkan Gambar 3.3 menunjukan cara mengkoneksikan modul
sistem kendali temperatur ke PC untuk pendesainan menggunakan metode
Ziegler-Nichols tipe 2.
Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan
Arduino Uno
Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 memperlihatkan penggunaan resistor
sebagai pembagi tegangan. Hal ini dilakukan untuk membatasi tegangan
yang masuk ke Arduino Uno. Tegangan masukan dan keluaran sistem
18
adalah sekitar 0 10 volt. Sedangkan Arduino Uno hanya mampu
menerima tegangan hingga 5 volt. Tetapi hal ini juga dimanipulasi kembali
secara software. Untuk memanipulasi pembacaan agar kembali seperti
pembacaan tegangan di modul, maka digunakan Simulink MATLAB.
Simulink MATLAB digunakan untuk pembacaan tegangan pada set poin
dan umpan balik. Seperti ditunjukan pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5.
Gambar 3. 4. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan
Metode Ziegler-Nichols Tipe 1
Gambar 3.4 menunjukkan desain Simulink MATLAB untuk sistem
open loop. Pada desain Simulink diatas, ditambahkan nilai suhu ruangan
untuk diselisihkan dengan pembacaan keluaran sistem kendali. Hal ini
dikarenakan suhu ruangan minimal di Indonesia adalah sekitar 250C 270C.
Sehingga nilai suhu ruangan diisi nilai suhu ruangan pada saat praktikum.
Sedangkan pada Gambar 3.5 tidak ditambahkan suhu ruangan pada saat
praktikum. Hal ini dikarenakan desain Simulink pada Gambar 3.5 sudah
dilengkapi dengan umpan balik yang juga membaca suhu ruangan pada saat
praktikum.
19
Gambar 3. 5. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan
Metode Ziegler-Nichols Tipe 2
Berdasarkan dua desain Simulink MATLAB diatas, dapat dilihat
bahwa terjadi penguatan dua kali. Penguatan pertama yaitu 0,0048875 dan
penguatan kedua adalah 2. Hal ini bertujuan untuk mengembalikan nilai
tegangan asal yang telah dibagi pada masukan Arduino Uno. Penguatan
0,0048875 adalah sama dengan 5
1023. Pembacaan Arduino untuk sinyal
analog adalah 0-1023 atau setara dengan 0-5 volt. Selanjutnya akan
dikuatkan kembali 2 kali untuk mengembalikan nilai tegangan sama
seperti sebelum dibagi dua pada masukan Arduino Uno.
Agar pembacaan gelombang pada Simulink MATLAB sama
dengan pembacaan pada osiloskop, maka lowpass filter pada desain
Simulink harus diset seperti pada Gambar 3.6.
20
Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter
Terlepas dari sambungan modul sistem kendali temperatur ke PC,
maka modul pembangun sistem kendali harus dikenal terlebih dahulu.
Susunan modul yang membangun sistem kendali temperatur pada Gambar
3.1 secara berurutan dari kanan ke kiri dapat dijabarkan sebagai berikut:
3.1.1. Modul Catu Daya
Modul catu daya adalah modul power supply yang menghasilkan
tegangan untuk menghidupkan seluruh modul yang akan digunakan.
Modul catu daya dilengkapi dengan penghasil tegangan + 15V, - 15V, 5V
dan Ground serta fungsi lainnya.
3.1.2. Modul Set Poin
Modul set poin merupakan modul yang berfungsi untuk
menghasilkan set poin pada sistem kendali yang digunakan. Modul ini
dilengkapi dengan penghasil set poin dengan range 0 ~ 10 V dan range -
10 V ~ 10 V.
21
3.1.3. Modul Pengendali PID
Modul pengendali PID adalah modul yang digunakan untuk
mengendalikan masukan plan berdasarkan parameter Peripheral (P),
Integral (I) dan Diferential (D).
3.1.4. Modul Penguat Daya
Modul penguat daya adalah modul yang dapat menguatkan daya dari
keluaran pengendali PID untuk dijadikan input dari sebuah plan.
Penguatan yang terjadi adalah penguatan arus. Sehingga modul ini tidak
merubah tegangan yang masuk, namun hanya menguatkan arusnya saja.
3.1.5. Plant Sistem Kendali Temperatur
Plant sistem kendali temperatur akan mengkonversikan masukkan
tegangan menjadi besaran suhu (0C). Konstanta transduser tersebut adalah
1
100. Suhu ini akan mempengaruhi tegangan keluaran sensor suhu yang
merubah kembali besaran suhu menjadi besaran tegangan (volt). Keluaran
berupa tegangan ini menjadi umpan balik (feedback) yang akan menjadi
masukan SUM pada modul pengendali PID. Selanjutnya selisih antara set
poin dan umpan balik akan menjadi galat (error). Plan ini dilengkapi
dengan kipas dan katup yang menjadi parameter gangguan pada plan. Plan
sistem kendali temperatur dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7. Plan Sistem Kendali Temperatur
22
3.2. Mekanisme Alat
Di bagian ini akan dijabarkan mengenai cara kerja keseluruhan
modul sistem kendali temperatur dan sudah diuji coba.
3.2.1. Diagram Blok Pengoperasian Modul
Cara kerja sebuah perangkat keras (hardware) sebuah sistem kendali
dapat digambarkan melalui sebuah diagram blok. Hal ini dilakukan untuk
memudahkan pembacaan cara kerja sistem tersebut. Diagram blok sistem
kendali temperatur menggunakan pengendali PID dapat dilihat pada
Gambar 3.8.
Set Poin Pengendali PID Penguat Daya PlantSUM
Output
Feedback
+
-
e(t)
Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan
Pengendali PID
Berdasarkan diagram blok diatas, dapat dilihat bahwa cara kerja
sistem kendali temperatur ini diawali oleh tegangan set poin sebagai input
sistem. Tegangan set poin akan dijumlahkan dengan tegangan umpan balik
yang berasal dari sensor transduser. Selisih tersebut adalah error. Error
akan dikendalikan oleh pengendali PID. Pengendali PID mengontrol galat
yang terjadi sampai galat sama dengan 0. Hasil keluaran dari PID akan
dikuatkan oleh penguat daya. Daya dikuatkan agar memenuhi daya yang
dibutuhkan oleh plant, sehingga plant dapat berjalan. Keluaran dari plant
yang dihasilkan oleh sensor transduser akan menjadi feedback. Begitu
seterusnya selama sistem terus bekerja.
23
3.3. Desain Pengendali PID
Pendesainan pengendali PID berupa pencarian nilai-nilai Kp, Ki,
dan Kd dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metoda
Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Setelah mendapatkan
nilai Kp, Ki, dan Kd, langkah selanjutnya adalah dengan melakukan
manual tunning pada hasil desain tersebut. Manual tunning dilakukan
dengan cara mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd hasil desain dengan
tujuan memperbaiki respon sistem. Respon sistem diperbaiki agar
mencapai hasil yang optimum berupa peningkatan respon sistem sesuai
dengan keinginan. Perbaikan respon ini biasanya dilakukan untuk
menghilangkan overshoot, settling time, dan eror steady state serta
memperkecil nilai rise time. Pendesainan pengendali PID akan dijelaskan
pada pembahasan dibawah ini.
3.3.1. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1
Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 1 menggunakan
respon sistem open loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada
Gambar 3.2 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.4, proses
desain PID dengan metode ini mulai dilakukan.
Set poin ditentukan pada tegangan 5,5 volt. Dengan mengklik scope
dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang
yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open
loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.8.
Respon sistem tersebut kemudian diolah dengan melakukan
pemplotan untuk mencari nilai T dan L seperti ditunjukan oleh Gambar
3.8.
24
Gambar 3.8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L
Maka nilai L dan T adalah sebagai berikut
L = 1092 - 967.6 = 124,4
T = 3476 - 1092 = 2384
Hasil yang didapat dari waktu matlab maka waktu aslinya yaitu :
Lasli =88
1000 Lmatlab Tasli =
88
1000 Tmatlab
Lasli =88
1000 124,4 Tasli =
88
1000 2384
Lasli = 10,94 Tasli = 209,792
Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID
sebagai berikut :
Kp Ti Td Ki Kd
23,01191956 21,88 5,47 1,05173307 125,8752
3.3.2. Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2
Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 2 menggunakan
respon sistem closed loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada
Gambar 3.3 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.5, proses
desain PID dengan metode ini mulai dilakukan.
Set poin ditentukan pada tegangan 3,5 volt. Penguatan (K) diatur
sedemikian rupa agar respon sistem berosilasi. Dengan mengklik scope
dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang
Tabel 3.1
25
yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open
loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr
Maka nilai Kcr adalah: 280
dan Pcr adalah:5655-5079=576
Maka Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID
sebagai berikut :
Kp Ti Td Ki Kd
18,54 22,88 5,72 0,810314685 106,0488
Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd dari kedua metode diatas didapat, maka
nilai-nilai tersebut dapat diaplikasikan ke dalam pengendali PID untuk
membandingkan mana metode yang terbaik untuk digunakan pada sistem
kendali temperatur menggunakan pengendali PID.
Tabel 3.2
26
3.3.3. Desain PID Dengan Script MATLAB
Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan
Script MATLAB
Gambar 3. 10. Flowchart Script MATLAB
27
3.3.4. Desain PID Dengan Script Arduino
Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan
Script Arduino
Gambar 3. 11. Flowchart Script Arduino
28
BAB 4
DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS
4.1. Hasil Pengujian
Pengujian kepada sistem kendali temperatur pada awalnya adalah
dengan melakukan uji batasan plant kendali temperatur yang digunakan.
Pengujian awal ini dilakukan untuk mengetahui kemampun plant kendali
temperatur untuk mengukur suhu minimal dan maksimal. Setelah
mengetahui kemampuan plant kendali temperatur yang digunakan, maka
pengujian selanjutnya adalah dengan memasukan nilai Kp, Ki, dan Kd ke
sistem kendali temperatur menggunakan pengendali PID.
Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd didapat dari pendesainan pengendali
PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe
2, maka nilai-nilai tersebut akan diujikan kepada sistem kendali temperatur
dengan pengendali PID. Setelah pengujian hasil desain tersebut, maka
akan dilakukan manual tunning sebagai perbaikan dari pengujian hasil
desain awal. Dan setelah mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd sesuai respon
yang diinginkan, maka hasil akhir tersebut akan diaplikasikan dalam stand
alone control menggunakan Arduino Uno.
Pengujian sebelum diaplikasikan pada stand alone control
dilakukan secara analog melalui perangkat keras pengendali PID yang ada
di Laboratorium Kendali. Namun pembacaan dilakukan secara digital
dengan menghubungkan modul sistem kendali temperatur dengan
pengendali PID ke PC melalui Arduino Uno. Pembacaan di PC
menggunakan piranti lunka Simulink MATLAB. Tahap pengujian yang
dilakukan adalah seperti di bawah ini.
4.1.1. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1
Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe
1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan
29
respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID Ziegler-
Nichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 4. 1. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols
Tipe 1
Berdasarkan Gambar 4.1, respon sistem hasil manual tunning
menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai
Kp, Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 23,0119156 , Ti = 21,88
, dan Td = 12.
30
4.1.2. Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2
Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe
1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan
respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID Ziegler-
Nichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2
Berdasarkan Gambar 4.3, respon sistem hasil manual tunning
menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai Kp,
Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 58 , Ti = 22,88 , dan Td =
5,72.
4.2. Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali
PID
Setelah menentukan nilai Kp, Ki, dan Kd yang akan diaplikasikan
ke dalam stand alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali
PID, maka ada dua hal yang dilakukan. Hal pertama yang dilakukan adalah
dengan membuat sistem kendali terhubung ke MATLAB pada PC melalui
Arduino Uno dan yang kedua adalah membuat modul tidak terhubung ke
PC dan hanya tersambung ke Arduino Uno sebagai pengendali PID digital.
31
Sebelum beralih ke sistem kendali temperatur dengan pengendali
PID digital, ada beberapa hal yang harus diperhatikan selain error, set
point, feedback, Kp, Ki, dan Kd, yaitu time sampling, error integral, error
integral sekarang, error integral sebelumnya, error sebelum, dan error
sekarang. Hal-hal tersebut sangat berpengaruh terhadap pemrograman
perangkat lunak sebagai pengendali digital.
4.2.1. Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB
Untuk dapat membangun sebuah sistem kendali dengan MATLAB,
maka MATLAB harus diprogram terlebih dahulu. Untuk pengujian sistem
kendali temperatur ini, script yang digunakan adalah sebagai berikut:
%Praktikum Sistem Kendali Digital %T. Elektronika POLBAN %Menggunakan desain Ziegler Nichols %Dengan Tool Box Matlab yang memiliki performance magus
pada simulink %========START======== %Pin 6 Sebagai keluaran PWM (DC) %A (5) sebagai pembaca umpan balik
clf %menghapus figur jika masih ada yang tertampil
%Time Sampling Ts = 5/100; %besarnya sampling
pinMode(a,3,'output') % set pin 6 arduino sebagai output
kendali pinMode(a,9,'output') digitalWrite(a,9,1);
%seting parameter PID Kp = 60; Ki = 1; Kd = 175; %============kondisi error awal error_sebelum = 0; errorI_sebelumnya = 0; %============set untunk plot y1=0; %plot nilai Setpoint y2=0; %plot nilai Respons t=0; %waktu looping x=0; start = digitalRead(a,8); while(start==1) %600 merupakan nilai pengulangan
tergantung jenis plant untuk suhu bisa melebihi
32
%=======================================================
=== %Penentuan PV x = x+1; SP = analogRead(a,0); SP = (SP * 0.0049) * 2; PV = analogRead(a,5); PV = (PV * 0.0049) * 2; %untuk nominal 0-1023
setara 0-5V
%hitung Error error = SP - PV; %Menghitung Error Integral errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts;
%Luas Error sekarang errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya);
%Error Integral Total %menghitung Error Diferential errorD = (error - error_sebelum)/Ts; %Kendali PID outP = Kp*error; outI = Ki*errorI; outD = Kd*errorD; outPID = outP + outI + outD;
outPID = outPID/10
%==================================================== %membatasi agar nilai PID tidak lebih dari 255 if outPID > 10 outPID = 10; else outPID = outPID; end %membatasi agar PID tidak kurang dari 0 if outPID < 0 outPID = 0; else outPID = outPID; end
outPID = outPID/2 outPID = round(outPID*51); %fungsi 'round' agar
outPID bilangan bulat, krn out pwm 0-255
%===================== %Menulis Hasil PID ke Arduino analogWrite(a,3,outPID); % pause(0) %fungsi dari pause(x) untuk mendelay x
detik
%===========plot respons dan setpoint==========-
33
y1 =[y1,SP]; %nilai SP baru akan ditambahkan
pada variabel/matrik y1 y2 =[y2,PV]; %nilai SP baru akan ditambahkan
pada variabel/matrik y1 t =[t,x]; %nilai akan ditambah sesuai
perulangan x plot (t,y1,t,y2); %Menentukan Axis Gambar x= dari 0-
600, y=0-3 axis ([0 x+100 0 10]); grid drawnow; error_sebelum = error; errorI_sebelumnya = errorI; start = digitalRead(a,8); end analogWrite(a,3,0);
Sistem kendali yang dihubungkan ke MATLAB saat ini, tidak lagi
menggunakan modul set poin dan modul pengendali PID. Karena set poin
dan PID sudah bisa ditentukan dan dihasilkan oleh script MATLAB. maka
respon sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital tersebut
adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.4.
Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital
(MATLAB)
34
4.2.2. Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno
Sama halnya seperti pemrograman sistem kendali digital dengan
MATLAB. Penggunaan Arduino Uno sebagai inti pengendali harus
diprogram terlebih dahulu dengan script yang telah ditentukan. Penulisan
script untuk membangun sebuah stand alone control menggunakan
Arduino Uno adalah sebagai berikut:
#include
int output = 6; //untuk menset pin 3 sebagai output
float Ts = 0.05; //wanktu sampling
//Nilai Kp, Ki dan Kd
float Kp = 60;
float Ki = 1;
float Kd = 175;
// Definisi variabel untuk perhitungan PID
float setpoint, feedback, setpoint1, feedback1;
float error;
float errorD, errorD1;
float errorI, errorIsekarang, errorIsekarang1, errorIsekarang2;
float outP, outI, outD, outPIDsebelum;
float errorsebelum = 0;
float errorIsebelum = 0;
int outPID;
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(6,OUTPUT);
lcd.begin(16, 2);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
35
setpoint = analogRead(A0); // membaca setpoint dari potensio
setpoint1 = (setpoint*0.0049)*2*10;
feedback = analogRead(A1);
feedback1 = (feedback*0.0049)*2*10;
//hitung error
error = setpoint1 - feedback1;
//menghitung error Integral
errorIsekarang = error + errorsebelum;
errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;
errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts;
errorI = errorIsekarang2 + errorIsebelum;
//menghitung error Diferensial
errorD1 = error - errorsebelum;
errorD = errorD1/Ts;
//kendali PID
outP = Kp*error;
outI = Ki*errorI;
outD = Kd*errorD;
outPIDsebelum = outP + outI + outD;
//membatasi nilai agar PID tidak >255 atau =10)
{
outPIDsebelum = 10;
}
else if(outPIDsebelum
36
else
{
outPIDsebelum = outPIDsebelum;
}
outPID = outPIDsebelum/2;
outPID = outPID*51;
//Menuliskan Hasil Perhitungan PID ke Pin 3
analogWrite(6,outPID);
//Deklarasi Error
errorsebelum = error;
errorIsebelum = errorI;
//Code penampilan di serial monitor
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print ("SP=");
lcd.setCursor(4,0);
lcd.print (setpoint1);
lcd.setCursor(10,0);
lcd.print ("C");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print ("PV=");
lcd.setCursor(4,1);
lcd.print (feedback1);
lcd.setCursor(10,1);
lcd.print ("C");
lcd.setCursor(12,0);
lcd.print (error);
lcd.setCursor(12,1);
lcd.print (outPID);
}
37
Rangkaian yang dibuat untuk membangun sebuah stand alone
control menggunakan Arduino Uno hampir sama dengan menggunakan
MATLAB. Hanya saja perbedaannya saat ini Arduino Uno tidak perlu
disambungkan ke PC. Set poin dan pengendali PID sudah bisa ditentukan
melalui script Arduino. Namun respon sistem tidak dapat dilihat dalam
bentuk gelombang, Tetapi respon sistemnya memperlihatkan tegangan set
poin dan tegangan feedback Pada layar LCD 16x2. Hasil respon pada stand
alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital
menggunakan Arduino Uno dapat dilihat pada Gambar 4.6.
Gambar 4. 1. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan
Pengendali PID
38
BAB 5
SIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai
berikut:
1. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe 1 cocok digunakan pada
sistem kendali temperatur yang digunakan untuk keperluan
pengendalian temperatur yang membutuhkan respon yang tidak
terlalu cepat dengan overshoot yang rendah. Karena hasil desain dan
manual tunning dengan metode Ziegler-Nichols tipe 1 menunjukan
rise time yang lebih lambat dan overshoot yang lebih rendah
dibandingkan dengan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 2.
Contoh penggunaannya adalah pada sistem kendali temperatur
dalam mesin pengering gabah.
2. Desain kendali PID Zigeler-Nichols tipe 2 cocok digunakan pada
sistem kendali temperatur yang membutuhkan respon yang cepat
walaupun memiliki overshoot yang lebih tinggi dibandingkan hasil
desain PID Ziegler-Nichols tipe 1. Hal ini dibuktikan pada hasil
desain PID Ziegler-Nichols tipe 2, rise time respon sistem jauh lebih
cepat dibandingkan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1.
Meskipun memiliki overshoot yang lebih tinggi, respon sistem lebih
cepat mencapai kondisi steady state. Contoh penggunaannya adalah
pada sistem kendali temperatur mesin pelelehan besi.
5.2. Saran
1. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 1 digunakan pada
sistem kendali temperatur yang membutuhkan overshoot yang
rendah meskipun dengan rise time yang cukup lambat.
39
2. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 2 digunakan pada
sistem kendali temperatur yang membutuhkan rise time yang cukup
cepat meskipun menghasilkan overshoot yang cukup tinggi.
40
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Ali, M. (2004). PEMBELAJARAN PERANCANGAN SISTEM KONTROL
PID. Jurnal Edukasi@Elektro Vol. 1, 1-8.
[2]. Fahmizal. (t.thn.). fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-rise-
time/feed/. Dikunjungi pada 5 Juli 2015, dari
fahmizaleeits.wordpress.com:
https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-rise-time/feed/
[3]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2013). Tuning PID ZN tipe-I [Gambar Hidup].
[4]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). Tuning PID ZN tipe-II [Gambar Hidup].
[5]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). PID MATLAB Script [Gambar Hidup].
[6]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2015). PID Arduino [Gambar Hidup].
[7]. Huailin Shu; Youguo Pi. (2005). Decoupled Temperature Control System
Based on PID Neural Network. ACSE 05 Conference, 1-5.
[8]. M., H. S. (2004). SISTEM KENDALI HYBRID PID - LOGIKA FUZZY.
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 8, 1-10.
[9]. Purdue University, Calumet. (t.thn.). Application of Computers in Process
Control. Calumet: Purdue University.
[10]. Wijaya, Eka Candra; Iwan Setiawan; Wahyudi, (2004). Auto Tuning PID
Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols. UNDIP Journal, 1-12.
[11]. Azwardi ; Cekdin, Cekmas. (2015). Panduan Praktis Sistem Kendali
Digital. PENERBIT ANDI YOGYAKARTA.