Skd 131311053-laporan akhir

i
Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu &
Digital pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-
Nichols & Coohen-Coon menggunakan Matlab dan
Arduino
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat
menyelesaikan mata kuliah Sistem
Kendali Kontinyu & Digital
DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA
Di Jurusan Teknik Elektro
Oleh
Mochammad Iqbal Try Wijaya
131311053
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015

i
Abstrak
Sistem kendali debit air telah banyak digunakan di berbagai industry, semisal
industri minuman. Sistem kendali debit air pun seingkali ditemukan di Perusahaan
pembangkit listrik tenaga air. Sistem ini dibutuhkan untuk mengatur kecepatan
aliran air yang bisa menggerakan generator sehingga nantinya akan menghasilkan
listrik. Dalam mengatur kecepatan aliran air di pembangkit listrik tenaga air, tentu
saja tidak dapat dilakukan secara manual, oleh karena itu, dibuatlah sebuah sistem
kendali untuk mengendalikan aliran air. Sistem ini dikendalikan dengan metode
Proportional–Integral–Derivative (PID). Sebuah metode yang menggunakan
prinsip penguatan posisi, penguatan integral, dan penguatan derivative untuk
memperbaiki respon sistem kendali. Untuk mendapatkan nilai-nilai parameter PID,
dapat digunakan beberapa metode desain kendali, yaitu Ziegler-Nichols tipe 1 dan
2, Cohen-Coen. Hasil dari pemodelan melalui kedua metode tersebut, nilai
parameter-parameter pengendali PID dapat menghasilkan respon sistem kendali
yang lebih responsif dibandingkan dengan tanpa pengendali. Sistem kendalii ini
selain dapat digunakan untuk industri kecil, dapat pula digunakan untuk industri
skala besar, contohnya seperti Pembangkit Listrik Tenaga Air.
Kata kunci : PID, Ziegler-Nichols tipe 1, Ziegler Nichols tipe 2, Cohen-Coen, Sistem
Kendali debit air dengan Pengendali PID, Pemodelan.

ii
Abstract
Flow water control system is very much applicated in industrial world, like drink
industry. This control system usually found in Hidroelectryc Power Plant. This
control system is needed to control the flow water that can move the generator to
produce electricity. In controlling the flow water, can’t be by manual system. So
that’s the purpose of control system exist. This system use Proportional–Integral–
Derivative (PID) method. A methods that use position, integral, and derivative
reinforcement principal to fixing control system responses. To obtain the value of
PID, we can use some methods like Ziegler-Nichols I and II, and Cohen-Coen. With
modelling through two methods above, PID controller can generate control system
responses which more responsive compared without controller.
This Control system is can be used not for small industry but also large industry,
such as Hidroelectryc Power Plant.
Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2, Cohen-Coen, Flow Water
Control System with PID Controller, Modelling.

iii
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmaanirrahiim.
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Alhamdulillahirobbil’alamin segala puji syukur penulis panjatkan ke
hadirat Allah S.W.T, karena atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat
menyelesaikan “Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu & Digital
pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon
menggunakan Matlab dan Arduino”. Laporan akhir ini disusun sebagai persyaratan
kelulusan pada Mata Kuliah Sistem Kendali Digital Program Studi D3-Teknik
Elektronika Departemen Elektro Polieknik Negeri Bandung.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran,
semangat, bimbingan dari teman-teman baik secara materil maupun moril. Oleh
karena itu penulis mengucapkna terima kasih kepada:
1. Bapak Feriyonika , ST.M.Sc.Eng selaku dosen Mata Kuliah Sistem
Kendali Digital.
2. Rahmawati Zakiyah selaku rekan satu grup dalam praktikum Sistem
Kendali Digital.
3. Kedua orang tua yang selalu memberikan dukungan dan doanya.
4. Kedua kakak penulis yang telah memberikan dukungan mental dalam
penulisan laporan akhir praktikum ini.
5. Seluruh teman-teman Program Studi D3-Teknik Elektronika Departemen
Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung angkatan 2013 yang 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.
Dalam penyusunan laporan akhir ini, penulis menyadari masih
terdapat banyak kekurangan yang dibuat baik sengaja maupun tidak
sengaja, dikarenakan keterbatasan ilmu pengetahuan dan wawasan serta
pengalaman yang penulis miliki. Untuk itu penulis mohon maaf atas segala

iv
kekurangan tersebut tidak menutup diri terhadap segala saran dan kritik
serta masukan yang bersifat kontruktif bagi diri penulis. Akhir kata
semoga dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, dan kalangan luas.
Wassalamu ‘alaikum Wr. Wb.
Bandung, Juli 2015
Penulis

v
DAFTAR ISI
Abstract ................................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR ........................................................................................... iii
DAFTAR ISI........................................................................................................... v
DAFTAR TABEL................................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii
BAB I PENDAHULUAN....................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang Masalah........................................................................... 1
BAB II DASAR TEORI ........................................................................................ 6
2.1. Perkembangan Sistem Kendali................................................................. 6
2.1.1. Sistem Kendali Loop Terbuka........................................................... 7
2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup .......................................................... 8
2.1.3. Bagian / Elemen Sistem Kendali .................................................... 10
2.2. Sistem Kendali PID................................................................................ 11
2.2.1. Kontrol Proporsional (Kp) .............................................................. 15
2.2.2. Kontrol Integratif (Ki)..................................................................... 16
2.2.3. Kontrol Derivatif (Kd) .................................................................... 17
2.3. Desain Kendali PID................................................................................ 18
2.3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1....................................................... 18
2.3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2....................................................... 20
2.3.3. Metode Cohen-Coen Open Loop .................................................... 21
2.3.4. Manual Tunning.............................................................................. 22
2.4. Perangkat Lunak (Software) MATLAB................................................. 22
2.5. Modul Miktrokontroller Arduino Uno ................................................... 23
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR.............................. 25
3.1 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 .................................................... 25
3.2 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .................................................... 26
3.2.1 Kondisi Mulai Berosilasi ................................................................ 26
3.2.2 Kondisi Saat Berosilasi ................................................................... 26
3.3 Desain PID Cohen-Coen..................................................................... 27
3.4 Desain PID Arduino-Matlab............................................................... 28
3.5 Desain PID Stand-Alone Arduino....................................................... 32
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN................................................................. 35
4.1. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe I ........................ 35
4.2. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe II ....................... 35
4.3. Desain Kendali dengan Metode Cohen-Coen ........................................ 38
4.4. Desain Kendali dengan Metode Arduino-Matlab Script........................ 39
4.5. Desain Kendali dengan Metode Stand-Alone Arduino .......................... 41

vi
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................ 43
5.1. Kesimpulan............................................................................................. 43
5.2. Saran....................................................................................................... 43
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 45

vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID.......................... 13
Tabel 2. 2. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1........................ 19
Tabel 2. 3. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2........................ 20
Tabel 2. 4: Parameter Perhitungan PID (Kp,Ti,Td).............................................. 21
Tabel 3. 1 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1....................................... 26
Tabel 3. 2 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(mulai osilasi)................ 26
Tabel 3. 3 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(saat osilasi)................... 27
Tabel 3. 4 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon ........................................ 28
Tabel 3. 5 Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen....................................................... 28
Tabel 4. 1. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1...................................... 35
Tabel 4. 2. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe II..................................... 36
Tabel 4. 5. Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen...................................................... 39

viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt................................................ 6
Gambar 2. 2. Paper Pembuatan Sistem Kendali Stir Kapal Laut oleh Minorsky,
Hazen, dan Nyquist................................................................................................. 7
Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka................................... 8
Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup................................... 9
Gambar 2. 5. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID.................. 12
Gambar 2. 6. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID................... 13
Gambar 2. 7. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time.............................. 14
Gambar 2. 8. Respon Sistem Loop Terbuka ......................................................... 19
Gambar 2. 9. Respon Sistem Osilasi..................................................................... 20
Gambar 2. 10. Logo Simulink MATLAB............................................................. 23
Gambar 2. 11. Arduino Uno.................................................................................. 24
Gambar 3. 1 Respon Sistem Open Loop............................................................... 25
Gambar 3. 2. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L......................................... 25
Gambar 3. 3. Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Awal Osilasi....... 26
Gambar 3. 4 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi Maksimal 27
Gambar 3. 5 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon .................................... 28
Gambar 3. 6: Flowchat Script-Matlab .................................................................. 29
Gambar 3. 7: Script menentukan pin output arduino, time sampling dan parameter
PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya).................................................. 30
Gambar 3. 8: Script menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara
berulang menggunakan while ............................................................................... 30
Gambar 3. 9: Script menentukan nilai VID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan
membulatkan nilai hasil keluaran dari PID........................................................... 31
Gambar 3. 10 : Script membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan Plot
............................................................................................................................... 31
Gambar 3. 11 : Flowchart Program Stand-Alone Arduino.................................. 32
Gambar 3. 12 : Program Stand-Alone Arduino.................................................... 33
Gambar 3. 13 : Program Stand-Alone Arduino................................................... 33
Gambar 3. 14 : Program Stand-Alone Arduino.................................................... 34
Gambar 4. 1 Gelombang ZN-1 pada scope......................................................... 35
Gambar 4. 2 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim mulai osilasi ......... 36

ix
Gambar 4. 3 Respon Untuk kondisi Mulai Osilasi ............................................ 37
Gambar 4. 4 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim osilasi maksimal... 37
Gambar 4. 5 Respon Untuk kondisi Osilasi Maksimal...................................... 38
Gambar 4. 6 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi Maksimal ...... 38
Gambar 4. 7 Hasil Respon Akhir........................................................................ 39
Gambar 4. 8 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab ..................... 39
Gambar 4. 9 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab .................... 40
Gambar 4. 10 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab .................... 40
Gambar 4. 11 : Hasil Setpoint dan Feedback Sistem Kendali Debit Air pada.... 41
Gambar 4. 12 : Hasil Proses Setpoint dan Feedback di Serial Monitor.............. 41
Gambar 4. 13 :Data Nilai Setpoint dan Feedback............................................... 42

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Sistem Kendali Debit Air sangat banyak digunakan di dalam dunia
industri saat ini. Misalnya pada industri minuman dan pembangkit listrik
tenaga air. Sistem kendali ini sangat berguna di pembangkit listrik tenaga
air, karena dapat mengendalikan kecepatan aliran air untuk menggerakan
generator penghasil listrik. Tetapi dalam mengendalikan kecepatan aliran
air, tidak dapat dilakukan secara manual, sehingga dibuat lah sebuah sitem
kendali yang mengendalikan debit air. Sistem ini bekerja berdasarkan
nilai-nilai Proportional–Integral–Derivative (PID). Nilai-nilai ini yang
akan menentukan bagaiman respon seharusnya untuk sebuah sistem
kendali. Nilai-nilai tersebut didapat dari berbagai metode untuk desain
kendali, antara lain Ziegler-Nichols I, Ziegler-Nichols II, Cohen-Coen.
Semua metode desain kendali tersebut menghasilkan nilai-nilai PID, yang
membedakan adalah apakah plant yang digunakan cocok dengan metode
desain kendali tersebut atau tidak. Tujuan dalam praktek ini adalah untuk
merancang sebuah sistem kendali berdasarkan metode-metode yang telah
disebutkan tadi. Juga untuk membuktikan apakah plant yang kita
kendalikan cocok atau tidak dengan metode-metode yang sudah dipelajari.
Metode yang pertama kali dilakukan adalah mendesain sistem kendali
dengan metode Ziegler-Nichols I lalu dilanjut dengan Ziegler-Nichols II
dan Cohen-Coen. Metode selanjutnya adalah kita membuat sebuah
program melalui arduino matlab, dimana nilai PID yang digunakan adalah
nilai PID yang berasal dari Ziegler-Nichols I dan II atau Cohen-Coen.
Tahap akhir yang dilakukan adalah stand alone arduino, dimana hanya
arduino saja yang digunakan untuk mengendalikan plant debit air. Stand-
Alone arduino merupakan tahap akhir dari praktikum sistem kendali
digital.

6
6
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 serta menggantikan pekerjaan yang
bersifat rutin dan membosankan. Selain dunia industri, penggunaan sistem
kendali juga memiliki peranan penting di dalam dunia militer, transportasi, dan
sistem kendaraan luar angkasa. 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
Pengendali berikutnya yang berhasil dibuat pada awal periode
perkembangan sistem kendali adalah perangkat pengendali otomatis untuk
stir kapal laut oleh Minorsky, Hazen, dan Nyquist pada sekitar tahun 1922.

7
Mereka juga menunjukkan tingkat kestabilan yang dapat ditentukan dari
persamaan-persamaan yang mendeskripsikan sistem tersebut. Gambar 2.2
menunjukan paper tentang pembuatan sistem kendali stir kapal laut yang
dilakukan oleh Minorsky, Hazen, dan Nyquist.
Gambar 2. 2. Paper Pembuatan Sistem Kendali Stir Kapal Laut oleh Minorsky,
Hazen, dan Nyquist
Secara garis besar, sistem kendali dibagi menjadi dua kategori besar,
yaitu sistem kendali loop terbuka dan sistem kendali loop tertutup. Dan
sistem kendali juga memiliki bagian atau elemen yang digunakan untuk
dapat merancang dan mendesain sebuah sistem kendali. Beberapa hal ini
akan dijelaskan lebih lanjut pada penjelasan di bawah ini.
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

8
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 2.3.
Gambar 2. 3. 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 dan perubahan kalibrasi.
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. Harga yang murah.
3. Cocok untuk keluaran yang susah diukur.
4. 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 dan murah dari segi finansial.
2.1.2. Sistem Kendali Loop Tertutup
Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang
keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi kendali. Sistem ini

9
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 2.4.
Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup
Sama halnya seperti sistem kendali loop terbuka, 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. Harga relatif mahal.
3. 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.

10
4. Cocok digunakan untuk sistem yang komplek dan keluaran yang
terukur.
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 dan membutuhkan harga yang lebih mahal daripada sistem kendali
loop tertutup.
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,
maka tentunya akan ada pula bagian yang dapat mengendalikan dan
memanipulasi hal tersebut. Berikut akan dijelaskan mengenai bagian
ataupun elemen dari sistem kendali.
2.1.3.1. Variabel Terkontrol dan Variabel Termanipulasi
Variabel terkontrol (controlled variable) adalah kuantitas atau
kondisi yang diukur dan dikendalikan. Variabel termanipulasi
(Manipulated Variable) adalah kuantitas atau kondisi yang divariasikan
oleh kontroler sehingga mengakibatkan adanya efek kepada nilai variabel
terkontrol. Umumnya, variabel terkontrol adalah keluaran (output) dari
sistem. Kontrol berarti mengukur nilai dari variabel terkontrol dan
menerapkan variabel termanipulasi untuk mengoreksi nilai aktual menjadi
nilai yang diinginkan (reference).
2.1.3.2. Plant
Plant dapat berupa peralatan ataupun seperangkat bagian mesin yang
bekerja sama dengan tujuan untuk mencapai suatu operasi tertentu.
Contohnya dapat berupa obyek fisik yang dapat dikendalikan (peralatan
mekanik, tungku pemanas, reaktor kimia, kendaraan angkasa).

11
2.1.3.3. Pengendali (Controller)
Pengendali (Controller) adalah bagian pada sistem kendali yang
berfungsi untuk memanipulasi masukan sistem agar sistem bekerja sesuai
dengan yang diinginkan. Bagian ini memiliki peranan yang sangat penting
dalam sistem kendali. Karena bagian ini merupakan bagian inti dari sebuah
sistem kendali, di mana sebuah sistem akan dikendalikan pada bagian ini.
2.1.3.4. Gangguan (Disturbance)
Gangguan (disturbance) adalah sebuah sinyal yang cenderung
merugikan nilai keluaran (output) sistem. Jika gangguan dihasilkan oleh
sistem, maka ia disebut sebagai gangguan internal, sebaliknya apabila
gangguan dihasilkan dari luar sistem, maka ia disebut sebagai gangguan
eksternal.
2.1.3.5. Sensor (Transduser)
Sensor (transduser) adalah suatu komponen elektronika yang
berfungsi untuk mengubah besaran fisik (non-listrik) menjadi tegangan
listrik. Hal ini digunakan untuk memanipulasi sebuah besaran fisik untuk
dapat diolah dan dikendalikan agar menghasilkan keluaran pada plant
sesuai dengan yang diinginkan pada sistem kendali. Pada sistem kendali
loop tertutup, keluaran dari sensorlah yang menjadi umpan balik
(feedback).
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

12
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 2.5.
Gambar 2. 5. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID
Dari Gambar 2.5 dapat diketahui bahwa pengendali PID akan
mengendalikan galat (error) yang dihasilkan dari penjumlahan masukan
(set point) dengan sinyal umpan balik (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:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) +
𝐾 𝑝
𝑇 𝑖
∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑝 𝑇𝑑
𝑑[𝑒(𝑡)]
𝑑𝑡
(1)
Keterangan:
𝑢(𝑡) = Set point

13
𝑒(𝑡) = Galat (error)
Karena ∫ =
1
𝑠
𝑑𝑎𝑛
𝑑()
𝑑𝑡
= 𝑠 (2)
Maka 𝑢(𝑠) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑠) +
𝐾 𝑝
𝑇 𝑖 𝑠
𝑒(𝑠) + 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠 𝑒(𝑠) (3)
Sehingga:
𝑒(𝑠)
𝑢(𝑠)
= 𝐾𝑝 +
𝐾 𝑝
𝑇 𝑖 𝑠
+ 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠 = 𝐾𝑝(1 +
1
𝑇 𝑖 𝑠
+ 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠) (4)
Karena komponen-komponen P, I, dan D pada pengendali PID
memiliki fungsi tersendiri, maka perubahan nilai komponen-komponen
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 2.6.
Gambar 2. 6. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID

14
Dalam sistem kendali PID ada beberapa parameter yang juga harus
diperhatikan selain komponen-komponen penyusunnya. Seperti
ditunjukkan pada tabel 2.1 dan Gambar 2.6 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
Damp, dan Critical Damp. Perbedaan ketiga respon tersebut dapat dilihat
pada Gambar 2.7.
Gambar 2. 7. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time
Gambar 2.7 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:
% 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑠ℎ𝑜𝑜𝑡 =
𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘−𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒
𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒
𝑥100% (5)
Paramater yang lain adalah settling time. Settling time adalah waktu
yang dibutuhkan agar respon sistem mencapai dan tetap berada di dalam

15
batas-batas dengan nilai akhir dan dinyatakan pada 2% atau 5 %. Secara
matematis settling time dapat diperoleh dengan cara:
𝑡 𝑠(±5%) =
3
𝜉𝜔 𝑛
(6)
𝑡 𝑠(±2%) =
4
𝜉𝜔 𝑛
(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
mengubah-ubah nilai komponen P, I, dan D pada pengendali PID sesuai
dengan keinginan desainer. Penjelasan tentang komponen tersebut akan
dijelaskan lebih lanjut pada pembahasan di bawah.
2.2.1. Kontrol Proporsional (Kp)
Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta.
Jika 𝑢(𝑠) = G(s) e(s) (8)
Maka 𝑢(𝑠) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑠) (9)
Dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain
(penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler.
Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol
yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar
yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki respon
transien khususnya rise time dan settling time. Pengontrol proporsional
memiliki keluaran yang sebanding/proporsional dengan besarnya sinyal
kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga
aktualnya).
Ciri-ciri pengontrol proporsional :
1. Jika nilai Kp kecil, pengontrol proporsional hanya mampu
melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan
menghasilkan respon sistem yang lambat (menambah rise time).
2. Jika nilai Kp dinaikkan, respon/tanggapan sistem akan semakin
cepat mencapai keadaan mantapnya (mengurangi rise time).

16
3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang
berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil atau
respon sistem akan berosilasi.
4. Nilai Kp dapat diset sedemikian sehingga mengurangi steady state
error, tetapi tidak menghilangkannya.
2.2.2. Kontrol Integratif (Ki)
Pengontrol Integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang
memiliki kesalahan keadaan mantap nol (Error Steady State = 0 ). Jika
sebuah pengontrol tidak memiliki unsur integrator, pengontrol
proporsional tidak mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan
keadaan mantapnya nol.
Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai:
𝑢(𝑡) = [∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡]𝐾𝑖 (10)
Dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas,
G(s) dapat dinyatakan sebagai:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑑[
𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
] (11)
Jika e(T) mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi
sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error. Jika e(T)
mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat
memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-state, namun
pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang
tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki
yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena
menambah orde sistem.
Keluaran pengontrol ini merupakan hasil penjumlahan yang terus
menerus dari perubahan masukannya. Jika sinyal kesalahan tidak
mengalami perubahan, maka keluaran akan menjaga keadaan seperti
sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran pengontrol
integral merupakan luas bidang yang dibentuk oleh kurva kesalahan /
error.

17
Ciri-ciri pengontrol integral :
1. Keluaran pengontrol integral membutuhkan selang waktu tertentu,
sehingga pengontrol integral cenderung memperlambat respon.
2. Ketika sinyal kesalahan berharga nil, keluaran pengontrol akan
bertahan pada nilai sebelumnya.
3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan
menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh
besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki.
4. Konstanta integral Ki yang berharga besar akan mempercepat
hilangnya offset. Tetapi semakin besar nilai konstanta Ki akan
mengakibatkan peningkatan osilasi dari sinyal keluaran pengontrol.
2.2.3. Kontrol Derivatif (Kd)
Keluaran pengontrol diferensial memiliki sifat seperti halnya suatu
operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol
akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Ketika
masukannya tidak mengalami perubahan, keluaran pengontrol juga tidak
mengalami perubahan, sedangkan apabila sinyal masukan berubah
mendadak dan menaik (berbentuk fungsi step), keluaran menghasilkan
sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah naik secara perlahan
(fungsi ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar
magnitudenya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari
fungsi ramp dan faktor konstanta Kd. Sinyal kontrol u yang dihasilkan
oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai:
𝐺(𝑠) = 𝑠 𝐾𝑑 (12)
Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini dalam
konteks “kecepatan” atau rate dari error. Dengan sifat ini ia dapat
digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error
yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya berubah saat ada perubahan
error sehingga saat error statis kontrol ini tidak akan bereaksi, hal ini pula
yang menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri

18
Ciri-ciri pengontrol derivatif :
1. Pengontrol tidak dapat menghasilkan keluaran jika tidak ada
perubahan pada masukannya (berupa perubahan sinyal kesalahan)
2. Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang
dihasilkan pengontrol tergantung pada nilai Kd dan laju perubahan
sinyal kesalahan.
3. Pengontrol diferensial mempunyai suatu karakter untuk mendahului,
sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan
sebelum pembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi
pengontrol diferensial dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan,
memberikan aksi yang bersifat korektif dan cenderung
meningkatkan stabilitas sistem.
4. Dengan meningkatkan nilai Kd, dapat meningkatkan stabilitas
sistem dan mengurangi overshoot.
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

19
Gambar 2.3. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti
ditunjukan pada Gambar 2.8.
Gambar 2. 8. Respon Sistem Loop Terbuka
Pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd pada metode ini diawali dengan
mencari nilai L dan T seperti pada Gambar 2.8. 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 𝑇
𝐿
∞ 0 𝐾𝑝
𝑇𝑖
𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑
PI
0,9
𝑇
𝐿
𝐿
0,3
0 𝐾𝑝
𝑇𝑖

20
PID
1,2
𝑇
𝐿
2𝐿 0,5𝐿 𝐾𝑝
𝑇𝑖
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 2.4. Pencarian diawali dengan mengatur nilai K
(penguatan) hingga respon sistem osilasi. Respon sistem untuk desain
menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar 2.9.
Gambar 2. 9. Respon Sistem Osilasi
Berdasarkan Gambar 2.9, 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

21
P 0,5𝐾𝑐𝑟 ∞ 0 𝐾𝑝
𝑇𝑖
PI 0,45𝐾𝑐𝑟 1
1,2
𝑃𝑐𝑟
0 𝐾𝑝
𝑇𝑖
PID 0,6𝐾𝑐𝑟 0,5𝑃𝑐𝑟 0,125𝑃𝑐𝑟 𝐾𝑝
𝑇𝑖
2.3.3. Metode Cohen-Coen Open Loop
Metoda Cohen Coon (Open Loop)
Berikut adalah tahapan Mendesain dengan CC adalah :
1. Plant diberi input step, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.
2. Step input ditambah, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.
Sinyal perubahan inilah yang akan dipakai untuk mendesain kendali.
Parameter :
- Proses gain (gp)
- Delay time Ԏd
- Time constant (Ԏ)
3. Menentukan parameter PID (Kp, Ti, Td) berdasarkan perhitungan rumus
yang tercantum pada tabel 2.
Tabel 2. 4: Parameter Perhitungan PID (Kp,Ti,Td)

22
2.3.4. 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 (matrix laboratory) 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 2.10

23
Gambar 2. 10. 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 dari
modul Arduino Uno dapat dilihat pada Gambar 2.11.

25
BAB 3
PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR
3.1 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1
Liter(l)
Time(t)
Gambar 3. 1 Respon Sistem Open Loop
Respon sistem tersebut kemudian diolah dengan melakukan
pemplotan untuk mencari nilai T dan L seperti ditunjukan oleh Gambar
3.1.
Liter(l)
Time(t)
Gambar 3. 2. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L
Setelah mendapat nilai L, T, waktu gelombang pertama risetime, gelombang
terakhir dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Hitung di program
excel dengan rumus sebagai berikut :
Kp = 1,2 x (T / L),
Ti = 2 x L,

26
Td = 0,5 x L,
Ki = Kp / Ti
Kd = Kp x Td
DEBIT AIR
PARAMETER L T Kp Ti Td Ki Kd
REAL TIME 0.2064 0.5676 3.3 0.4128 0.1032 7.994186 0.34056
Time stopwatch 12.57
Time Matlab 146.2
Tabel 3. 1 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1
3.2 Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2
3.2.1 Kondisi Mulai Berosilasi
Gambar 3. 3. Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Awal Osilasi
Setelah mendapatkan respon yang diinginkan dan melakukan desain,
selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr
didapat dari perhitungan ini :
Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Set Point
= 9,94/0,578 = 17,197231
Inilah hasil perhitungan di Exel :
Tabel 3. 2 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(mulai osilasi)
3.2.2 Kondisi Saat Berosilasi

27
Gambar 3. 4 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi
Maksimal
Setelah mendapatkan respon yang diinginkan dan melakukan desain,
selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr
didapat dari perhitungan ini :
1s matlab=0,0854s real
Tabel 3. 3 Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2(saat osilasi)
3.3 Desain PID Cohen-Coen

28
Tabel 3. 4 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon
gp = Perubahan PV/Perubahan CO
11,67 – 7,607 / 4,3 = 0,94488372
Ԏd = 68,8 – 66,03= 0,236558
Ԏ = 0,63*(11,67 – 7,607) = 2,55969
Jika diukur dari Y = 0 7,607 + 2,55969 =
10,16669 Maka nilai Ԏ = 72,4 – 68,8 = 3,6 (3,6 x waktu
asli)
= 3,6 x 0,0854
= 0,030744
Lalu gunakan rumus untuk mencari parameter PID. Parameter PID yang
didapat adalah sebagai berikut.
Tabel 3. 5 Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen
3.4 Desain PID Arduino-Matlab
Untuk desain PID dengan arduino-matlab sedikit berbeda, jika
pada metode-metode sebelumnya mendesain hasil respon. Untuk

29
sekarang menggunakan program yang dibuat di matlab, nilai PID-nya
dimasukan ke dalam program, nilai PID yang digunakan berasal dari nilai
PID yang dihasilkan dari desain kendali metode-metode sebelumnya.
Flowchart dapat dilihat di gambar 3.7 dan program dapat dilihat di
gambar 3.8-3.11.
Gambar 3. 5: Flowchat Script-Matlab

30
Gambar 3. 6: Script menentukan pin output arduino, time sampling dan parameter
PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya)
Gambar 3. 7: Script menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara berulang
menggunakan while

31
Gambar 3. 8: Script menentukan nilai VID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan membulatkan
nilai hasil keluaran dari PID
Gambar 3. 9 : Script membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan Plot
Respon dan Setpoint dan Script penutup pada Program

32
3.5 Desain PID Stand-Alone Arduino
Untuk desain PID dengan metode stand-alone arduino sedikit
berbeda, jika pada metode-metode sebelumnya mendesain hasil respon.
Untuk sekarang menggunakan program yang dibuat di arduino dan melihat
respon melalui LCD. Nilai PID-nya dimasukan ke dalam program, nilai PID
yang digunakan berasal dari nilai PID yang dihasilkan dari desain kendali
metode-metode sebelumnya. Flowchart dapat dilihat di gambar 3.12 dan
program dapat dilihat di gambar 3.8-3.11.
Gambar 3. 10 : Flowchart Program Stand-Alone Arduino

33
Gambar 3. 11 : Program Stand-Alone Arduino

34

35
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe I
Data yang didapat, dihitung dengan menggunakan program excel.
DEBIT AIR
PARAMETER L T Kp Ti Td Ki Kd
REAL TIME 0.2064 0.5676 3.3 0.4128 0.1032 7.994186 0.34056
Time stopwatch 12.57
Time Matlab 146.2
Tabel 4. 1. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1
Hasil output dari plant terlihat pada scope Matlab, seperti pada gambar
dibawah ini.
Gambar 4. 1 Gelombang ZN-1 pada scope
Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air
Apabila pada gelombang setpoint dan feedback terdapat perbedaan besar,
maka lakukan tahap manual tunning dan apabila gelombang rise time, steady-
state dan overshootnya mendekati atau sama, maka tidak perlu dilakukan
manual tunning.
4.2. Desain Kendali dengan Metode Ziegler-Nichols Tipe II
1. Untuk metode ini, digunakan 2 parameter perhitungan, yaitu pada saat
mulai osilasi dan pada saat osilasi maksimal. Data yang didapat, dihitung
dengan menggunakan program excel.

36
= 9,94/0,578 = 17,197231
Tabel 4. 2. Nilai Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe II
dibawah ini.
Gambar 4. 2 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim mulai osilasi
Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air.

37
Gambar 4. 3 Respon Untuk kondisi Mulai Osilasi
Apabila pada gelombang setpoint dan feedback terdapat perbedaan besar,
maka lakukan tahap manual tunning dan apabila gelombang rise time, steady-
state dan overshootnya mendekati atau sama, maka tidak perlu dilakukan
manual tunning.
2. Data PID untuk kondisi osilasi maksimal.
1s matlab=0,0854s real
dibawah ini.
Gambar 4. 4 Gelombang ZN-2 pada scope untuk kondisim osilasi maksimal
Keterangan : biru gelombang setpoint, ungu gelombang feedback debit air

38
Gambar 4. 5 Respon Untuk kondisi Osilasi Maksimal
Pada saat point diubah-ubah, respon masih terlihat kurang baik, maka
sebaiknya dilakukan manual tuning.
Dan didapat parameter baru yaitu Kp = 20 dan Ti = 0,45
.
Gambar 4. 6 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi Maksimal
4.3. Desain Kendali dengan Metode Cohen-Coen
Dengan menggunakan nilai-nilai PID(tabel 4.4) dari hasil desain
sebelumnya, maka didapat respon seperti gambar 4.5.

39
Tabel 4. 5. Nilai Kp, Ki, dan Kd Cohen-Coen
Gambar 4. 7 Hasil Respon Akhir
4.4. Desain Kendali dengan Metode Arduino-Matlab Script
Program yang telah dibuat di script matlab akan menghasilkan respon
seperti gambar 4.6
Gambar 4. 8 : Hasil gelombang output dari PLANT pada Matlab
Kondisi setpoint normal (potensio tidak dirubah-rubah)

40
Gelombang dirubah-rubah pada setpoint (potensio), menguji keandalan
kendali yang telah kita program, akan muncul seperti gambar dibawah ini.
yang dirubah-rubah setpointnya
Amati gelombang tersebut, apabila delay, steady-state, overshoot pada gelombang
time respon masih jauh dengan setpoint maka lakukan manual tunning dengan
merubah nilai Kp, Ki dan Kd pada script program. Pada sistem ini, kami mengubah
nilai Kd menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu besar, dan mengubah nilai Ti
menjadi 0.3.
yang telah di manual tunning

41
4.5. Desain Kendali dengan Metode Stand-Alone Arduino
Dalam Metode Stand-Alone arduino, kita tidak menggunakan
perangkat lain selain arduino, penggunaan matlab sudah tidak dibutuhkan.
Sebagai gantinya, untuk melihat respon maka akan ditampilkan di LCD.
Gambar 4. 11 : Hasil Setpoint dan Feedback Sistem Kendali Debit Air pada
LCD
Saat sistem kendali bekerja dengan baik, sehingga nilai feedback
mengikuti nilai setpoint. Maka tahap selanjutnya dapat melepaskan
arduino dari laptop dan menghubungkannya dengan Power Bank, jika
dengan Power Bank plant tetap bekerja dengan baik maka dengan begitu
sistem kendali debit air dapat dikendalikan hanya dengan menggunakan
arduino atau stand alone.
Hasil data yang didapat pada serial monitor pada aplikasi arduino :
Gambar 4. 12 : Hasil Proses Setpoint dan Feedback di Serial Monitor
Hasil dari nilai diatas dikalikan 10, sesuai dengan rumus output dari

42
Sistem Kendali Debit Air yaitu : 1V/10l x h. Sehingga didapat 2,38 x 10 =
23,8 . Namun pada data yang ke-2 terdapat osilasi sehingga tidak
mendapatkan nilai yang permanen sehingga setpoint dan feedback-nya
berubah-rubah dan respon pada feedback sangat lambat sehingga pada saat
setpoint dirubah, proses penyesuaian nilai feedback agar mendekati
setpoint sangat lambat. Inilah hasil keluaran di LCD dapat dilihat pada
gambar 5.2.
Gambar 4. 13 Data Nilai Setpoint dan Feedback

43
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai
berikut:
1. Sistem kendali debit air sudah dibuktikan dapat menggunakan
metode desain kendali dari Ziegler-Nichols I dan II, dan Cohen-
Coen.
2. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe 1 cocok digunakan pada
sistem kendali debit air, karena nilai-nilai PID yang dihasilkan
menghasilkan respon yang baik dan tidak membutuhkan manual
tunning.
3. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe II oun cocok digunakan
untuk sistem kendali debit air. Tetapi dalam percobaan ini digunakan
2 parameter desain, yaitu nilai PID pada saat kondisi mulai osilasi
dan pada saat osilasi maksimal. Nilai PID yang dihasilkan dari
kondisi mulai osilasi, menghasilkan respon yang sangat baik dan
tidak perlu dilakukan manual tunning. Tetapi, untuk kondisi osilasi
maksimal, nilai PID yang dihasilkan menghasilkan respon yang
kurang baik sehingga perlu dilakukan manua tunning. Maka untuk
Ziegler-Nichols tipe II harus menggunakan kondisi mulai osilasi
untuk menghasilkan nilai PID yang baik.
4. Desain kendali PID dengan metode Cohen-Coen pun cocok
digunakan untuk plant debit air, karena respon yang dihasilkan
sangat baik dan tidak membutuhkan manual tunning.
5.2. Saran
1. Perlu dilakukan perbaikan dan perawatan pada pengendali PID agar
pengaplikasian nilai Kp, Ki, dan Kd bisa lebih akurat.

44
2. Dalam proses desain, harus lebih teliti agar dapat menghasilkan nilai
PID yang lebih akurat.
3. Selalu memeriksa setiap modul dan kabel-kabel untuk kelancaran
praktikum.

45
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Aldi, D.“ LAPORAN AKHIR PRAKTIKUM SISTEM KENDALI
TEMPERATUR DENGAN PENGENDALI PID”, Laporan Akhir, Politeknik
Negeri Bandung, 2014.
[2]. Edwar, Y. "PENERAPAN KENDALI CERDAS PADA SISTEM
TANGKI AIR DENGAN LOGIKA FUZZY", Jurnal Himpunan Fisika Indonesia,
LIPI, 2009.
[3] Ahmad, S. Iwan, S. dan Sumardi "Aplikasi Kendali PID menggunakan
Skema Gain Scheduling untuk Pengendalian Suhu Cairan pada Plant Electric
Water Heater", Research Article, Universitas Diponegoro Semarang, 2010.
[4] Ihdina, N. Hendro, P. Budi, K. "PEMODELAN SISTEM LEVEL AIR
HEAD TANK MENGGUNAKAN PENGENDALI PID PADA PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA MINI HIDRO MERASAP."Universitas Tanjungpura
Pontianak.
[5] “Matlab R2013a”,
http://www.behdadsoft.com/Matlab-R2013a.html.
Diakses 6 Juli 2015.

Skd 131311053-laporan akhir

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (10)

Similar to Skd 131311053-laporan akhir

Similar to Skd 131311053-laporan akhir (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (16)

Skd 131311053-laporan akhir