1. 1
Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu dan
Sistem Kendali Digital pada Plant Debit Air dengan
Metode Ziegler-Nichols dan Coohen-Coon
menggunakan Matlab dan Arduino
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat
menyelesaikan tugas mata kuliah
Sistem Kendali Digital
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKA
Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh
Sari Puspita Hasna
131311064
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015
2. 2
MOTTO
It’s dangerous for them to grow up without experiencing true competition.
Because they’ll keep whining, even without taking the matter seriously. For those
with a high level of aptitude.. The sooner they know the frustration of defeat, the
greater their growth will be. ~ Koro-sensei
3. i
ABSTRAK
Lebih dari separuh pengontrol yang digunakan di industri adalah
pengontrolan PID digital. Pada masa lampau, pengontrol yang digunakan
kebanyakan berupa analog. Tuning pengontrolan adalah proses menentukan
parameter pengontrol untuk menghasilkan output sesuai yang diinginkan.
Tuning pengontrol dapat mengoptimalisasikan sistem proses dan
meminimalisasi error antara variabel proses dan set point. Metode – metode
yang digunakan sebagai desain pengendali kontrol sangat beragam,
diantaranya Ziegler Nichols Tipe1-2 dan Cohen Coon. Hasil dari desain
Metoda ini yang nantinya akan diuji pada Plant Debit Air dengan
menggunakan mikrokontroller arduino uno
Kata Kunci : Kontrol PID, Ziegles Nichols, Cohen Coon, Matlab, Skrip
Arduino, Debit Air.
4. ii
ABSTRAC
More than half of the controller being used in the industry is digital PID
control. In the past, the controller is used mostly analog. Tuning is the process of
determining the parameters controlling the controller to generate the desired
output. Tuning system controller can optimize processes and minimize error
between process variable and set point. Method - the method used as a control
controller design is very diverse, including Ziegler Nichols and Cohen Coon
Tipe1-2. Results of this method of design that will be tested on Plant Water
Discharge by using microcontroller arduino uno
Keyword : PID Controller, Ziegler Nichols, Cohen Coon, Matlab, Arduino Script,
water discharge
5. iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan rahmat serta karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan
laporan akhir Sistem Kendali Digital.
Laporan ini disusun sebagai bentuk laporan secara tertulis bahwa proyek
yang penulis rancang telah selesai penulis buat.
Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih sedalam-
dalamnya kepada Yth:
Allah Yang Maha Esa.
Bpk . Feriyonika sebagai dosen Sistem kendali Digital dan Walikelas 2B.
Orang tua penulis yang senantiasa mendukung, membantu, dan berdoa
untuk penulis.
Rivaldi Siregar dan Kristianingsih sebagai partner praktikum hingga akhir.
Tri Isnawati yang telah meminjamkan laptop.
Diaz Zulkipli yang selalu menjadi referensi.
Yuni Suherman yang telah mengizinkan meminjamkan kossan untuk
mengerjakan laporan.
Polban yang telah menyediakan internet.
Rekan putri EC-2B yang selalu membantu dalam pembuatan laporan
mingguan.
Seluruh rekan EC-2B.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena
itu kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun selalu penulis
harapkan demi kesempurnaan laporan ini. Semoga Allah SWT memberkahi
pembuatan proyek ini sehingga dapat memberikan manfaat bagi orang lain.
Bandung, 8 July 2015
Penulis
6. iv
DAFTAR ISI
ABSTRAK .........................................................................................................................i
ABSTRAC..........................................................................................................................ii
KATA PENGANTAR.......................................................................................................iii
DAFTAR ISI......................................................................................................................iv
DAFTAR TABEL..............................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................vi
BAB I PENDAHULUAN..................................................................................................1
1.1 Latar Belakang ..................................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah ..........................................................................................1
1.3 Tujuan ...............................................................................................................2
1.4 Ruang lingkup dan Batasan Masalah................................................................2
1.5 Sistematika Penulisan........................................................................................2
BAB II LANDASAN TEORI ...........................................................................................3
2.1 Pengertian Sistem Kendali................................................................................3
2.2 Metode Zieger Nichols......................................................................................3
2.3 Metode Cohen Coon .........................................................................................7
2.4 Arduino .............................................................................................................8
BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN ...............................................10
3.1 Alat Praktikum .................................................................................................10
3.2 Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Metoda Ziegler Nichols 1-2
dan Cohen Coon...............................................................................................11
3.2.1 Metoda Zieger Nichols Tipe 1-2 ...............................................................11
3.2.3 Metoda Cohen Coon..................................................................................14
3.3 Sistem Kendali Digital menggunakan Script....................................................17
3.4 Sistem Kendali Digital Stand Alone .................................................................21
7. v
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...........................................................................24
4.1 Data dan Analisis Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Ziegler
Nichols 1-2 dan Cohen Coon. ..........................................................................24
4.1.1 Data dan Analisis Ziegler Nichols 1........................................................24
4.1.2 Data dan Analisis Ziegler Nichols 2........................................................26
4.1.3 Data dan Analisis Cohen Coon ...............................................................30
4.2 Data dan Analisis Sistem Kendali Digital ........................................................32
4.3 Data dan Analisis Sistem Kendali Digital Stand Alone...................................38
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................44
5.1 Kesimpulan .......................................................................................................44
5.2 Saran..................................................................................................................44
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................................45
8. vi
DAFTAR TABEL
BAB II LANDASAN TEORI ...........................................................................................4
II.1 Tabel Penentu Parameter Parameter PID .........................................................5
II.2 Tabel Penentu Parameter PID ..........................................................................7
II.3 Tabel Parameter PI dengan Metode Cohen Coon ............................................8
BAB III METODA DAN PENYELESAIAN..................................................................11
III.1 Tabel ZN-2 Tuning Rules................................................................................14
III.2 Tabel Parameter Metoda Cohen Coon............................................................16
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...........................................................................18
IV.1 Tabel Perhitungan Kp, Ti, dan Td ..................................................................24
IV.2 Tabel Nilai Ti dan Td pada annual tuning ......................................................25
IV.3 Tabel Nilai Kp, Ti dan Td pada ZN-2.............................................................27
IV.4 Tabel Nilai Kp Ti dan Td saat berisolasi ZN-2...............................................28
IV.5 Tabel Nilai Kp, Ti, dan Td metode CC..........................................................31
IV.6 Tabel Parameter PID stand alone....................................................................38
9. vii
DAFTAR GAMBAR
BAB II LANDASAN TEORI ...........................................................................................4
II.1 OverShoot 25% ................................................................................................4
II.2 Dua Kurva S .....................................................................................................4
II.3 Penentu parameter L dan T...............................................................................5
II.4Sistem Teredam.................................................................................................6
II.5 Sistem Tidak teredam.......................................................................................6
II.6 Osilasi konsisten...............................................................................................7
II.7Grafik overshoot................................................................................................8
BAB III METODA DAN PENYELESAIAN..................................................................10
III.1 Set Modul Debit Air........................................................................................10
III.2Multimeter Digital............................................................................................10
III.3 Arduino Uno....................................................................................................11
III.4 Set Plan Debit Air ...........................................................................................12
III.5 Rangkaian Pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe1 .................................12
III.6 Rangkaian Pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe2 .................................12
III.7 Rangkaian Pembagi Tegangan........................................................................13
III.8 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID ..........................................14
III.9 Modul Sistem Kendali Debit Air ....................................................................15
III.10 Rangkaian Sistem Kendali Debit air (Cohen Coon) .....................................15
III.11 Rangkaian Pembagi Tegangan......................................................................15
III.12Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID .........................................16
III.13 Rangkaian Debit air analog...........................................................................17
III.14 Rangkaian Modul Kendali Debit Air ............................................................17
III.15 Koneksi Arduino ...........................................................................................20
III.16 Rangkaian Low Pass Filter............................................................................20
10. viii
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN...........................................................................21
IV.1 Grafik desai kendali debit air..........................................................................24
IV.2 Grafik desain kendali PID dengan perhitungan..............................................25
IV.3 Grafik desain kendali PID yang telah di manual tuning.................................25
IV.4 Grafik debit ari awal ZN-2..............................................................................26
IV.5Grafik debit air saat berisolasi ZN-2................................................................26
IV.6 Desain debit air metoda ZN-2 bagian awal.....................................................27
IV.7Desain Debit Air Metoda ZN-2 saat berosilasi................................................27
IV.8Desain debit air menggunakan metoda ZN-2 bag. awal..................................28
IV.9 Desain debit air menggunakan metode ZN-2 saat osilasi...............................29
IV.10 Desain debit air menggunakan ZN-2 (osilasi) dengan manual
tunging.........................................................................................................29
IV.11 Grafik Debit air CC.......................................................................................30
IV.12 Grafik Desain Debit air dengan Metode Cohen Coon..................................30
IV.13 Grafik hasil desain kendali debit air dengan arduino metoda cohen
coon .............................................................................................................31
IV.14 Grafik tanpa filter..........................................................................................34
IV.15Rangkaian Low Pas Filter..............................................................................34
IV.16 Grafik dengan filter.......................................................................................35
IV.17 Skrip perubahan Ts .......................................................................................36
IV.18 Grafik Skrip modul debit Air dengan perubahan Ts.....................................36
IV.19 Skrip Modul debit Air manual tunning.........................................................37
IV.20 Grafik skrip modu debit air setelah manual tunning.....................................37
IV.21 Output pada serial monitor............................................................................40
IV.22Perbandingan SP dan PV1 saat penurunan setpoint ......................................43
11. 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Sistem Kendali merupakan alat kendali yang mengatur atau
mengendalikan system.Banyak sekali teknologi saat ini,menggunakan plant -
plant yang dalam pengoperasiannya menggunakan kendali PID.
Pada saat ini lebih dari separuh pengontrol yang digunakan di industri
adalah pengontrolan PID digital. Pada masa lampau, pengontrol yang
digunakan kebanyakan berupa analog. Tuning pengontrolan adalah proses
menentukan parameter pengontrol untuk menghasilkan output sesuai yang
diinginkan. Tuning pengontrol dapat mengoptimalisasikan sistem proses dan
meminimalisasi error antara variabel proses dan set point.
Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID
untuk mengendalikan modul plant suhu. Metode yang dipakai untuk
mendapatkan parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler
Nichols tipe 1 (open loop) dan tipe 2 (closed loop). Setelah parameter-
parameter PID (Kp, Ti, Td) didapat, selanjutnya nilai dari parameter tersebut
di gunakan ke modul PID. Respon sistem akan di analisis dan akan diperbaiki
dengan teknik manual tuning sehingga didapatkan output yang sejalan dengan
setpoint.
1.2 Perumusan Masalah
Berikut ini merupakan uraian perumusan masalah yang akan dibahas
dalam laporan praktikum,
Memahami metoda Ziegler Nichols Tipe1 dan Tipe2 beserta parameter
yang digunakan dalam tunning.
Memahami metoda Cohen Coon beserta parameter yang digunakan dalam
tunning.
Mengendalikan sistem kendali kontinyu dan sistem kendali digital.
Mengendalikan sistem kendali menggunakan script pada arduino
12. 2
1.3 Tujuan Praktikum
Memahami metoda Ziegler Nichols Tipe1 dan Tipe2 dalam mendesain
system kendali dan tunning dengan mengetahui parameter yang
digunakan. Begitupula pada metoda Cohen Coon, yang nantinya akan
didapatkan nilai Kp, Ti, dan Td. Kemudian nilai tersebut direalisasikan
pada modul PID dalam system kendali kontinyu dan dilanjutkan pada
Sistem Kendali Digital menggunakan Arduino dengan script.
1.4 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah
Penggunaan desain menggunakan metode Ziegler-Nichols Tipe1 dan
Tipe2 serta metode Cohen Coon.
Tuning yang dilakukan adalah tunning Ziegler-Nichols, tunning Cohen
Coon, dan Manual Tunning.
Controller yang digunakan adalah Arduino Uno.
1.5 Sistematika Laporan
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini membahas mengenai Latar Belakang, Tujuan, dan Batasan Masalah,
serta Sistematika Penulisan.
BAB II LANDASAN TEORI
Bab ini membahas tentang teori dasar yang menjelaskan tentang teori dari
metode desain sistem kendali.
BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
Bab ini membahas tentang jalannya praktikum dan alat-alat pendukung yang
digunakan pada saat praktikum.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas tentang data yang didapat kemudian menganalisisnya.
BAB V PENUTUP
Bab ini merupakan bab terakhir yang berisi kesimpulan yang diperoleh dari
hasil praktik serta saran-saran untuk mengembangkan menjadi lebih baik.
13. 3
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Sistem Kendali
Sistem kendali adalah sistem yang dapat mengendalikan sesuatu yang
bisa di kendalikan. Dalam sistem kendali, ada sesuatu yang diatur untuk
mencapai kondisi yang diharapkan, sesuatu yang dapat diatur dapat disebut
plant. Hasil dari plant ini disebut sebagai output sedangkan aksi yang
memberikan kondisi yang dihasilkan disebut input.
Tuning pengontrolan adalah proses menentukan parameter pengontrol
untuk menghasilkan output sesuai yang diinginkan. Tuning pengontrol dapat
mengoptimalisasikan sistem proses dan meminimalisasi error antara variabel
proses dan set point. Metoda trial and error adalah salah satu metoda tuning
pengontrol tradisional yang dilakukan berdasarkan pengalaman dan
membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mendapatkan hasil yang
diinginkan. Selain itu ada metoda tuning lain yang dikembangkan dari metoda
trial and error yaitu metoda Ziegler-Nichols dan metoda Cohen-Coen.
2.2 Metoda Ziegler-Nichols
Metoda Ziegler-Nichols ini dapat digunakan pada sistem open loop dan
closed loop, sedangkan metoda Cohen-Coon biasanya hanya digunakan untuk
sistem open loop. Sistem closed loop adalah sistem yang menggunakan
feedback untuk mengontrol, sedangkan sistem open loop adalah sistem yang
output-nya tidak dibandingkan dengan input.
Persamaan di bawah ini adalah logaritma PID Control.
u(t) = Kc(e(t) + ∫ ( )
( )
+ b …………………….(1)
u : sinyal control
e : error pengontrol
Kc : gain untuk proportional
controller
Ti : integral controller
Td : derivative controller
T : waktu yang digunakan saat
mengukur error
b : sinyal set point
14. 4
2. Metoda Ziegler-Nichols
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. Metoda ini akan memberikan nilai overshoot sebesar 25% pada
step response, seperti gambar II.1.
Gambar II.1 Overshoot 25%
Metoda ini terdiri dari 2 macam :
a. Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step,
hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, lihat gambar 2.
Jika kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan.
Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu
waktu tunda L dan time constant T. Kedua parameter tersebut
diperoleh dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi
kurva S, lihat gambar 3. Garis tangensial tersebut akan berpotongan
dengan garis time axis dan garis c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa
melakukan pendekatan fungsi transfer dalam first order pada gambar
II.2 dan gambar II.3,
Gambar II.2 Kurva S
15. 5
Gambar II.3 Penentuan paameter L dan T
Formula PID yang telah disebutkan sebelumnya, kemudian dijabarkan
sebagai berikut :
Dengan menggunakan formula PID di atas dan nilai parameter L dan T,
maka dapat diperoleh nilai Ki, Ti, dan Td. Secara lebih ringkasnya perhatikan
tabel II.1.
Tabel II.1 Penentuan parameter PID
b. Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan
proportional band saja. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp
yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut
sebagai critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal output akan
16. 6
teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti
terlihat pada Gambar II.4 berikut.
Gambar II.4 Sistem teredam
Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan
membesar, seperti gambar II.5
Gambar II.5 Sistem Tidak teredam
Jika dengan metoda ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten, maka
metoda ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh nilai critical
gain Kcr dan periode kritis Pcr, lihat gambar II.6 dan tabel II.2. Berdasarkan nilai
ini, kita dapat menentukan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus di
bawah :
GC(s) = KP ( 1 + + Tds)
= 0.6Kcr ( 1 +
( )
+ 0.125Pcrs)
= 0.075KcrPcr
( )
17. 7
Gambar. II.6 Osilasi Konsisten
Tabel II.2 Penentuan parameter PID
Metoda Ziegler–Nichols ini dapat diterapkan secara luas untuk men-tuning
PID controller pada sistem kontrol proses. [1]
2.3 Metode Cohen Coon
Karena tidak semua proses dapat mentolerir keadaan osilasi dengan
amplitudo tetap, Cohen –Coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan
menggunakan metode quarter amplitude decay. Respon loop tertutup sistem, pada
metode ini, dibuat sehingga respon berbentuk quarter amplitude decay. Quarter
amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudonya dalam
periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat ( ).
18. 8
Gambar II.7 Grafik overshoot
Kontroler proportional Kp ditala hingga diperoleh tanggapan quarter
amplitude decay, periode pada saat tanggapan ini disebut Tp dan parameter Ti dan
Td dihitung dari hubungan KP dengan TP. Sedangkan penalaan parameter
kontroler PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-Nichols.
Selain cara tersebut, metode Cohen – Coon ini bisa dihitung dengan aturan praktis
yang parameter – parameter plantnya diambil dari kurva reaksi sebagai berikut
[2]. Penalaran Parameter PID dengan Metoda Cohen Coon.
Tabel II.3 Parameter PID dengan Metode Cohen Coon
2.4 Arduino Uno
Arduino merupakan rangkaian elektronik yang bersifat open source, serta
memiliki perangkat keras dan lunak yang mudah untuk digunakan. Arduino
dapat mengenali lingkungan sekitarnya melalui berbagai jenis sensor dan
dapat mengendalikan lampu, motor, dan berbagai jenis aktuator lainnya.
19. 9
Arduino mempunyai banyak jenis, di antaranya Arduino Uno, Arduino Mega
2560, Arduino Fio, dan lainnya.
Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328.
Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan
sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB,
jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support
mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel
USB. (FeriDjuandi, 2011)
Menurut (Feri Djuandi,2011) Arduino adalah merupakan sebuah board
minimum system mikrokontroler yang bersifat open source. Didalam
rangkaian board arduino terdapat mikrokontroler AVR seri ATMega 328
yang merupakan produk dari Atmel.
Arduino memiliki kelebihan tersendiri disbanding board
mikrokontroler yang lain selain bersifat open source, arduino juga
mempunyai bahasa pemrogramanya sendiri yang berupa bahasa C. Selain
itu dalam board arduino sendiri sudah terdapat loader yang berupa USB
sehingga memudahkan kita ketika kita memprogram mikrokontroler
didalam arduino. Sedangkan pada kebanyakan board mikrokontroler yang
lain yang masih membutuhkan rangkaian loader terpisah untuk
memasukkan program ketika kita memprogram mikrokontroler. Port USB
tersebut selain untuk loader ketika memprogram, bisa juga difungsikan
sebagai port komunikasi serial.
Arduino menyediakan 20 pin I/O, yang terdiri dari 6 pin input analog
dan 14 pin digital input/output. Untuk 6 pin analog sendiri bisa juga
difungsikan sebagai output digital jika diperlukan output digital tambahan
selain 14 pin yang sudah tersedia. Untuk mengubah pin analog menjadi
digital cukup mengubah konfigurasi pin pada program. Dalam board kita
bisa lihat pin digital diberi keterangan 0-13, jadi untuk menggunakan pin
analog menjadi output digital, pin analog yang pada keterangan board 0-5
kita ubah menjadi pin 14-19. dengan kata lain pin analog 0-5 berfungsi
juga sebagi pin output digital 14-16.
Sifat open source arduino juga banyak memberikan keuntungan
tersendiri untuk kita dalam menggunakan board ini, karena dengan sifat
open source komponen yang kita pakai tidak hanya tergantung pada satu
merek, namun memungkinkan kita bisa memakai semua komponen yang
ada dipasaran.[3]
Bahasa pemrograman arduino merupakan bahasa C yang sudah
disederhanakan syntax bahasa pemrogramannya sehingga mempermudah kita
dalam mempelajari dan mendalami mikrokontroller.[4]
20. 10
BAB III
METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
Proses dan metoda praktikum dilakukan dengan rincian alat-alat
pendukung penyelesaian praktikum meliputi perangkat keras dan perangkat
lunak yang digunakan pada proses penyelesaian praktikum.
3.1 Alat Praktikum
Berikut ini merupakan alat pendukung yang digunakan pada proses praktikum,
1. Set Modul Kendali Debit Air (TwP-1)
Modul utama yang digunakan dalam proses mendesian dan sebagai
keluaran hasil desain yang telah dibuat, terdiri dari
• Modul Power Supply
• Modul PID Controller
• Modul Penguat Daya
• Modul Kendali Debit Air (TwP-1)
Gambar III.1 Set Modul Debit Air
2. Multimeter Digital
Digunakan sebagai pengukuran output tegangan secara manual.
Gambar III.2 Multimeter Digital
21. 11
3. Arduino Uno
Sebagai komponen pengendali Plant Debit Air
Gambar III.3 Arduino Uno
4. Laptop dengan aplikasi Matlab dan Arduino.
Digunakan untuk mendesain plant dan membuat script pada arduino.
5. LCD
Sebagai display yang akan menampilkan keluaran tegangan, yang telah
diprogram oleh arduino uno
6. Shield Arduino
Penghubung antara arduino dan display, agar lebih mudah.
7. Kabel dan Konektror
3.2 Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Metoda Ziegler Nichols 1-2 dan
Cohen Coon.
Metoda dalam mendesain sistem kendali kontinyu pada praktikum kali ini
digunakan tiga metode yaknim Ziegler Nichols tipe 1, tipe 2, dan Cohen Coon
3.2.1 Metoda Ziegler Nichols Tipe 1 dan Tipe 2
Merangkai Modul Sistem kendali. Menghubungkan modul power supply
dengan output 15V, setpoint dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul
debit air,seperti pada gambar III.4.
22. 12
Gambar III.4 Set Plan Debit Air
Pada Matlab disusun rangkaian seperti pada gambar III.5 untuk ZN-1 dan gambar
III.6 untuk ZN-2,
Gambar III.5 Rangkaian pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe1
Gambar III.6 Rangkaian pada Matlab Metoda Ziegler Nichols Tipe2
Kemudian membuat rangkaian pembagi tegangan, untuk memanipulasi
nilai tegangan yang masuk ke Arduino (karena nilai catu daya pada arduino
adalah 5V dan 3.3V) pada gambar 3.7. Pembagi tegangan tidak digunakan pada
Ziegler Nichols tipe 2.
23. 13
Gambar III.7 Rangkaian Pembagi Tegangan
Menghubungkan arduino dan rangkaian pembagi tegangan kemudian
nyalakan power supply namun tidak menyalakan switch pada modul PID.
Kemudian menghubungakan arduino dengan laptop kemudian menjalankan
simulink. Setelahnya menyiapkan stopwatch untuk mengukur waktu sebenarnya,
lalu menyalakan switch pada modul PID kemudian terlihat gelombang pada scope,
setelah gelombang stabil menghentikan simulink dan stopwatchnya, didapat
waktu asli dan waktu pada matlab.
Membuat garis potong dan tentukan nilai L, T, waktu gelombang rise time
dan gelombang pengambilan terakhir (Seperti pada simulasi Ziegler Nichols type-
1.). Mencari nilai L, T, waktu gelombang pertama risetime, gelombang terakhir
dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Kemudian menghitung di program
excel dengan rumus sebagai berikut :
Kp = 1,2 x (T / L),
Ti = 2 x L,
Td = 0,5 x L,
Ki = Kp / Ti
Kd = Kp x Td
Pada Ziegler Nichols Tipe 2 mencari nilai Kcr dan Pcr sebagai berikut,
Kcr =
Pcr = (X2 – X1) x Kcr
24. 14
Kemudian menghitung Kc, Ti, dan Td, pada program Excel menggunakan
rumus berikut,
Tabel III.1 ZN-2 Tuning Rules
Menghubungkan modul PID dengan modul-modul yang telah terhubung di
bagian setelah modul set point, kemudian mengatur hasil yang telah dihitung di
program excel pada modul PID.
Gambar III.8 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID
Menghubungkan lagi arduino dengan laptop dan menjalankan simulinknya,
Mengamati dan mencatat. Melakukan manual tunning hingga mendapatkan
gelombang yang diinginkan.
3.2.2 Metoda Cohen Coon
Mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya,
setelah modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan
ke tahap penghubungan setiap modul menggunakan konektor. Merangkai
Modul Sistem kendali. Menghubungkan modul power supply dengan
output 15V, setpoint dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul
debit air,seperti pada gambar III.9.
25. 15
Gambar III.9 Modul Sistem Kendali Debit Air
Selanjutnya mengoneksikan Arduino UNO dengan MATLAB.
Kemudian membuat rangkaian pada MATLAB seperti pada gambar III.10.
Gambar III.10 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air
Kemudian membuat rangkaian pembagi tegangan, untuk
memanipulasi nilai tegangan yang masuk ke Arduino (karena nilai catu
daya pada arduino adalah 5V dan 3.3V).
v
Gambar III.11 Rangkaian Pembagi tegangan
26. 16
Menghubungkan arduino dan rangkaian pembagi tegangan
kemudian nyalakan power supply namun tidak menyalakan switch pada
modul PID. Kemudian Menghubungakan arduino dengan laptop dan
menjalankan simulink. Menyiapkan stopwatch untuk mengukur waktu
sebenarnya.
Setelahnya menyalakan switch pada modul PID kemudian terlihat
gelombang pada scope, setelah gelombang stabil menghentikan simulink
dan stopwatchnya, didapat waktu asli dan waktu pada matlab.
Dalam mendesign menggunakan Metoda Cohen Coon digunakan
parameter CO,GP τd dan τ, . Kemudian menghitung Kc, Ti, dan Td, pada
program Excel menggunakan rumus pada table III.2.
Tabel III.2 Parameter Metoda Cohen Coon
Menghubungkan modul PID dengan modul-modul yang telah
terhubung di bagian setelah modul set point, kemudian mengatur hasil
yang telah dihitung di program excel pada modul PID.
Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan PID
27. 17
Menghubungkan lagi arduino dengan laptop dan menjalankan
simulinknya, Mengamati dan mencatat. Melakukan manual tunning hingga
mendapatkan gelombang yang diinginkan.
3.3 Sistem Kendali Digital menggunakan script.
Pada pengendalian sistem kendali digital ini digunakan nilai Kp, Ti, dan
Td hasil desain menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1.
Mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya, setelah
modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan ke tahap
penghubungan setiap modul menggunakan konektor.
Gambar III.13. Rangkaian Modul Debit Air Analog
Mengeset Modul PID hingga keluarannya 2x dari SetPoint dengan
bantuan modul SetPoint, kemudian melepaskan modul SetPoint
(digantikan melalui script Matlab mnggunakan Arduino dan
potensiometer). Kemudian mermasang kembali modul menggunakan
konektor.
Gambar III.14 Rangkaian Modul Kendali Debit Air
28. 18
Mengkoneksikan Arduino UNO dan Laptop juga telah terhubung
dengan Matlab. Kemudian membuat script di Matlab, sebagai berikut.
29. 19
Dihubungkan Potensio pada Arduino sebagai Set Point (A0) juga VCC,
GND, analog input (analogRead) , analog output (analogWrite) arduino dengan
modul PID dan PLANT.
30. 20
Gambar III.15 Koneksi Arduino
Menjalankan isi script program sistem kendali pada arduino pada Matlab,
perhatikan grafik keluaran. Menganalisis
Mengubah scaling pada matlab dengan menyesuaikan set point dengan
respon, kemudian mencari nilai Ts menggunakan intruksi tic (dibawah intuksi
While) dan tac (diatas instruksi end). Setelahnya mengubah nilai Ts sesuai dengan
Ts yang didapat. Mengamat hasil grafik pada scope.
Tambahan:
Agar tidak terjadi noise yang terlalu besar maka dipasangkan rangkaian
low pass filter untuk mengurangi frekunsi tinggi.
Gambar III.16 Low Pass Filter
31. 21
3.4 Penerapan Stand Alone Sistem Kendali Digital.
Membuat script pada Arduino, sebagai berikut.
32. 22
Menghubungkan Potensio pada Arduino sebagai Set Point (A0) juga VCC,
GND, analog input (analogRead) , analog output (analogWrite) arduino dengan
modul PID dan PLANT.
Mengcompile script dengan menekan Verify kemudian melakukan upload
script pada Arduino. Menampilakan tegangan perbandingan antara setpoint
dengan feedback pada “Serial Monitor” aplikasi arduino, yang kemudian
menampilkan proses keadaan setpoint (SP) dan feedback (PV), kemudian
melakukan perubahan setpoint dengan memutar potensio, dan menbandingkan
dengan nilai feedback.
Ketika program dan input (Kp, Ti, Td) telah selesai dan mendapat hasil
yag bagus maka pengaplikasian secara terpisah dengan laptop yaitu menggunakan
Shield arduino dan LCD (Liquid Crystal Display). Kemudian memasangkan
shield Arduino dengan Arduino dan LCD.
Menambahkan program untuk menampilkan tegangan setpoint dan
feedback pada LCD dengan menambahkan program sebagai berikut.
34. 24
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Sistem Kendali Kontinyu menggunakan Ziegler Nichols 1-2 dan
Cohen Coon.
Berikut ini merupakan data yang didapat dari hasil desain yang telah
dibuat menggunakan metoda Ziegler Nichols 1-2 serta Cohen Coon.Data yang
telah didapat kemudian dianalisis sehingga didapat Kp, Ti, dan Td sehingga
dapat dimasukkan ke PID dan didapat output steady state terhadap set point.
4.1.1 Data Ziegler Nichols Tipe 1-2
a. Ziegler Nichols Tipe 1
Dapat dilihat pada gambar 4.1 merupakan grafik desain kendali debit
air.
Gambar IV.1 Grafik desain kendali Debit Air
Berikut data Kp, Ti dan Td. Yang akan dimasukkan kedalam PID
L T Kp Ti Td Ki Kd
0.227 0.604 3.192952 0.454 0.1135 7.032933 0.3624
Tabel IV.1 Perhitungan Kp, Ti, dan Td
*L dan T yang digunakan merupakan hasil perbandingan antara Lreal dengan LMATLAB,
serta TReal dan TMATLAB
35. 25
Menghitung data dengan rumus PID kemudian memasangkan PID
dan mengatur Kp, Ti, dan Td pada modul PID. Berikut ini grafik yang
didapat dari kendali PID yang telah dapatkan pada hasil perhitungan.
Ti Td
0.4 0.07
Gambar IV.2 Grafik desain kendali PID dengan perhitungan.
Pada gambar IV.3 merupakan grafik yang didapat dari kendali PID
yang telah diatur manual tunning sehingga noise yang dihasilkan kecil.
Gambar IV.3. Grafik desain kendali PID yang elah di Manual Tunning
36. 26
b. Ziegler Nichols Tipe 2
Pada gambar IV.4 ini hasil grafik Debit Air saat memulai osilasi,
Gambar IV.4 grafik debit air awal
Pada gambar IV.5 ini hasil grafik debit air yang telah berosilasi.
Gambar IV.5 grafik debit air saat berosilasi
Kemudian grafik awal dan gafik osilasi dibuat desain
menggunakan desain metode ZN type2, sehingga didapat hasil seperti
pada gambar IV.6 dan gambar IV.7
37. 27
Gambar IV.6 Desain debit air Metoda ZN-2 (awal)
Kemudian didapat hasil perhitungan desain sebagai berikut :
Saat mulai berosilasi (awal)
Kcr =
Kcr = = 0.1078
Pcr = (X2 – X1) x Kcr
Pcr = (88.1 –74.21) x 0.1078
Pcr = 13.89 x 0.1078
Pcr = 1.497342
Sehingga didapat nilai Kp, Ti, Td terdapat pada Table 4.3
ZN Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd
Awal 5.24 1.497342 0.748671 0.187168 3.144 4.199441 0.588455
Tabel IV.3 nilai Kp, Ti, dan Td awal
Desain saat berosilasi pada gambar IV.7.
Gambar IV.7 Desain Debit air Metoda ZN-2 (osilasi)
Kemudian didapat hasil perhitungan desain sebagai berikut :
38. 28
Saat mulai berosilasi (awal)
Kcr =
Kcr = = 0.1078
Pcr = (X2 – X1) x Kcr
Pcr = (59.18 – 4.85) x 0.1078
Pcr = 9.33 x 0.1078
Pcr = 1.005774
Sehingga didapat nilai Kp, Ti, Td terdapat pada Table 4.4
ZN Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd
Osilasi 21.3108 1.005774 0.502887 0.125722 12.78648 25.42615 1.607539
Tabel IV.4 nilai Kp, Ti, dan Td osilasi
Dari kedua desain yang telah dibuat, dapat dibandingkan antara desain saat
mulai berosilasi dan saat desain ketika berosilasi, adalah pada Gambar 4.8 dan
Gambar IV.9,
Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (awal)
Gambar IV.8 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (awal)
39. 29
Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)
Gambar IV.9 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)
Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi) manual tuning
Gambar IV.10 Desain Debit Air menggunakan metoda ZN-2 (osilasi)
manual tuning
4.1.2 Data Cohen Coon
Berikut merupakan Grafik Debit air yang akan dibuat
desainnya.pada gambar IV.11.
40. 30
Gambar IV.11 Grafik Debit air
Berikut merupakan Grafik Desain Debit air dengan metoda Cohen
Coon. Pada gambar 4.12
Gambar IV.12 Grafik Desain Debit air dengan metoda Cohen Coon
Berikut data Kp, Ti dan Td. Yang akan dimasukkan kedalam PID, CO
didapat dari ketinggian set point pada saat tangga ke-2 didapat hasil sebagai
berikut :
CO = xa – xb CO = 7.802 – 6.273 = 1.529
Nilai GP diperoleh dari hasil perhitungan sebagai berikut,
GP = = = 1.157
Ԏd = 195.2 – 192.2 = 3 (waktu matlab)
Ԏ = 192.2 – 189.4 = 2.8 (waktu matlab)
41. 31
Waktu sebenarnya = 35.14
Waktu pada Matlab = 359.8
Maka di dapat, Ԏd sebenarnya,
Ԏd = x 3 = 0.2735
Dan didapat pula Ԏ sebenarnya ,
Ԏ = x 2.8 = 0.293
Sehingga nilai Kp, Ti, dan Td dapat dihasilkan perhitungan seperti tabel IV.5
CO GP Ԏd Ԏ Kc atau Kp Ti Td Ki Kd
1.529 1.157 0.2735 0.293 1.465861958 0.27553 0.086293 5.320158 0.12649395
Tabel IV.5 Kp, Ti, dan Td
Ket : Nilai Kp / Kc dibagi dengan 2 sehingga nilai tegangan pada set point akan sama dengan tegangan keluaran.
Berikut ini merupakan grafik hasil desain kendali debit air menggunakan
arduin dengan metoda Cohen Coon, pada gambar IV.13.
Gambar IV.13 grafik hasil desain kendali debit air menggunaka arduino dengan
metoda Cohen Coon
Dari grafik yang terbentuk dapat dilihat hasil respon mendekati set point
dengan cukup baik, sehingga tidak dilakukan langkah manual tunning .
4.2 Data Sistem Kendali Digital menggunakan script.
Dari praktikum yang dilakukan dapat didapat data sebagai berikut,
Skrip awal dengan
Kp : 3.2
Ti : 0.434
44. 34
Hasil grafik (tanpa filter)
Gambar IV.14 Grafik tanpa filter
Hasil grafik (dengan filter)
Dengan rumus perhitungan Low pass filter dapat diketahui kebutuhan dan
komponen yang dibutuhkan untuk menbangun rangkaian low pass filter.
Gambar IV.15 Rangkaian Low Pass Filter
Perhitungan nilai Resistor dan Kapasitor.
Dengan
fC = 1 Hz
C = 2200uF
Maka didapat nilai R:
R = ___1___
2ᴫCf
R = ______1_______
2ᴫ (2200)(10-6
)(1)
R = 72.343155 Ω ~ ~~ 100Ω
45. 35
Gambar IV.16 Grafik dengan filter
Skrip perubahan Ts:
Ts :0.07
Gambar IV.17 Skrip perubahan Ts
46. 36
Hasil grafik
Gambar IV.18 Grafik Skrip Modul debit Air dengan perubahan Ts
Skrip manual tunning :
Ti: 0.334
Td: 0
Gambar IV.19. Skrip Modul debit Air manual tunning
47. 37
Hasil grafik manual tunning :
Gambar IV.20. Gambar Grafik skrip modul debit air setelah manual
tunning
4.3 Data Sistem Kendali Digital stand Alone.
Berikut ini merupakan jenis script pada arduino pada saat pengecekan
perbandingan antara setpoint dan feedback.
Parameter yang diberikan adalah sebagai berikut ini*(
Kp Ti Td Ts
1.4658 0.27553 0.086293 0.1
*( Nilai parameter yang diberikan merupakan hasil Cohen Coon pada percobaan Unit 8 lalu
Tabel IV.6 Parameter PID
49. 39
Berikut ini merupakan hasil perbandingan antara set point dengan
feedback yang dihasilkan dari script yang telah dibuat dan hasil perhitungan Kp,
Ti, dan Td
Gambar IV.21 Output pada Serial monitor
.
Selisih antara setpoint dengan feedback, sebaiknya seminimal mungkin
mendekati 0, jika nilai feedback telah atau hampir mendekati nilai
50. 40
setpoint dapat dikatakan feedback dalam keadaan steady-state,
sehingga dapat dilanjutkan ke proses stand alone dengan mendisplay
hasil tegangan pada LCD
Berikut ini script LCD
52. 42
Hasil dari nilai dikalikan 10, karena output dari Sistem Kendali Debit Air
Berikut ini merupakan hasil display pada LCD.
(a) (b)
Gambar IV.22 (a) Perbandingan SP dan PV 1 (b) saat penurunan setpoint
53. 43
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dari praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan,
Desain kendali Debit air dapat menggunakan Metode Ziegler Nichols tipe
1-2 dan Cohen Coon.Metode yang baik digunakan pada Debit Air adalah
metode Ziegler Nichols Tipe 1 dimana respon cepat stabil.
Hasil sinyal dimana pada saat memulai osilasi lebih baik menghasil nilai
PID dibandingkan hasil sinyal pada saat berosilasi pada Metode Ziegler
Nichols tipe 2. Respon yang dihasilkan dari Ziegler Nichols tipe 2 cukup
stabil.
Respon yang dihasilkan pada metode Cohen Coon lebih lambat untuk
stabil dan menghasilkan overshoot ketika set point dinaikkan.
Stand alone merupakan sistem kendali yang dapat diprogram dengan
tidak membutuhkan perangkat komputer, sehingga sistem kendali terlihat
lebih simpel dan efisien.
5.2 Saran
Persiapkan Alat kerja yang digunakan, mengecek alat sebelum melakukan
praktikum.
Menyiapkan komponen atau perangkat cadangan, jika ada kemungkinan
kerusakan terhadap komponen yang digunakan.
Mempelajari materi dasar sebelum praktikum.
54. 44
DAFTAR PUSTAKA
[1] NN. 2011. Metoda Tuning Ziegler-Nichols.Diunduh :7/7/2015 11:10 pada
http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-
Ziegler-Nichols.html
[2] Wicaksono, Handi. 2004. Analisa Performansi dan Robustness Beberapa
Metode Tuning Kontroler PID pada Motor DC.Jurnal Teknik Elektro Vol
4, No.2.
[3] Djuandi,Feri.(2011).Pengenalan Arduino.www.tobuku.com, diakses 8
Januari 2014
[4]Taufik, Azzi.Mikrokontroller Arduino Uno. Diunduh 8/7/2015 00:25 pada
http://dialogsimponi.blogspot.com/2014/11/normal-0-false-false-false-in-
x-none-x.html
