Skd 131311061-laporan-akhir

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI
DIGITAL PADA PLANT KENDALI TEMPERATURE
DENGAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN COHEN
AND COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN
ARDUINO
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah
Sistem Kendali Digital Semester IV.
DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
Oleh
Sally Tri Nurliani Fauzi
131311061
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015

i
ABSTRAK
Sistem Kendali merupakan sistem yang sangat dibutuhkan dalam industri.
Suatu sistem dapat dirancang dan menghasilkan respon/output sesuai yang
dibutuhkan. Pengendalian (pengontrolan)sangat penting untuk mengendalikan plant
yang akan dirancang . Sistem Kendali PID pada praktikum ini dilakukan dengan
menggunakan plant temperature dan Arduino Uno sebagai kontroler yang
menghubungkan pada plant temperature. Metode utama yang digunakan Sistem
Kendali PID menggunakan Ziegler-Nichols, dan Cohen Coon, dengan melakukan
manual tuning untuk mendapatkan parameter PID. Selain itu pada kendali
temperature ini menggunakan metode Standalone Controller dan dapat membuat
sistem yang bernama embedded system. Dimana plant temperature yang dirancang
tidak membutuhkan PC sebagai hasil kendali dan didukung oleh matlab sebagai
sarana simulator. Hasil Sistem Kendali PID tersebut akan ditampilkan melalui LCD
dengan menggunakan Shield Arduino Uno dan Arduino Uno sebagai kontroler
dengan kinerja yang cukup praktis dan hanya menggunakan PC saat memprogram
kendali dan melihat respon sebelum menampilkannya pada LCD. Sistem kendali
temperature banyak digunakan pada kendali temperature ruangan dan sistem kendali
pada inkubator.
Kata Kunci : Arduino Uno, Matlab, Embedded System, Shield Arduino, Standalone
Controller.

ii
ABSTARCT
Control system is needed in the industry. A system can be designed and
produced the response / output as needed. Control (control) is very important to
control the plant to be designed. PID control systems at the lab is done by using the
plant temperature and Arduino Uno as a controller that connects to the plant
temperature. The main method used PID control system using the Ziegler-Nichols
and Cohen Coon, by doing manual tuning to get the PID parameters. In addition to
the temperature control using methods Standalone Controller and can make the
system called embedded systems. Where the plant temperature that is designed not
require a PC as a result of control and supported by matlab as a means of
simulator. Results of the PID control system will be displayed through the LCD by
using Arduino Shield Arduino Uno and Uno as a controller with sufficient
performance practical and simply use the PC while the control program and see the
response before displaying on the LCD. Temperature control system is widely used
in the control of room temperature and control systems in the incubator.
Keywords: Arduino Uno, Matlab, Embedded System, Arduino Shield, Standalone
Controller.

iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT karena atas rahmat
dan bimbingan-Nya laporan akhir dengan judul “PERANCANGAN DAN
REALISASI SISTEM KENDALI DIGITAL PADA PLANT KENDALI
TEMPERATURE MENGGUNAKAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN
COHEN AND COON DENGAN MATLAB DAN ARDUIONO” dapat
diselesaikan. Laporan ini dibuat untuk mata kuliah Sistem Kendali Digital, program
studi D3 Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro,Politeknik Negeri Bandung.
Selama pelaksanaan pembuatan laporan, penulis banyak mendapatkan
bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan
banyak terima kasih kepada pihak - pihak berikut :
1. Orang tua dan keluarga yang telah memberikan dukungan moril maupun
materil
2. Bapak Feriyonika, S.T., M.Sc. Eng. selaku dosen pembimbing yang
memberikan nasihat dan bimbingan yang sangat bermanfaat kepada penulis
dalam menyelesaikan laporan akhir ini.
3. Rekan-rekan EC-2B 2013 dan Keluarga Cemara yang selalu memberikan
dukungan dan semangat kalian kepada penulis.
Penulis menyadari dalam penyusunan laporan akhir ini masih jauh dari
sempurna, masih banyak kekurangan yang didasari keterbatasan penulis sendiri, oleh
karena itu kritik atau saran sangat diharapkan untuk mendukung penulisan laporan
yang lebih baik.
Bandung, Juli 2015
Penulis

iv
DAFTAR ISI
ABSTRAK .............................................................................................................. i
ABSTRACT ............................................................................................................ii
KATA PENGANTAR..........................................................................................iii
DAFTAR ISI......................................................................................................... iv
DAFTAR TABEL ................................................................................................ vi
DAFTAR GAMBAR...........................................................................................vii
BAB I PENDAHULUAN...................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang......................................................................................... 1
1.2 Tujuan...................................................................................................... 2
BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 3
2.1 Plant Temperature.................................................................................... 3
2.2 Sistem Kendali PID ................................................................................. 3
2.3 Metode Ziegler Nichols........................................................................... 4
2.3.1 Ziegler Nichols Tipe 1................................................................... 5
2.3.2 Ziegler Nichols Tipe 2................................................................... 6
2.4 Metode Cohen and Coon ......................................................................... 6
2.5 Shield Arduino......................................................................................... 7
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN..................................................... 8
3.1 Diagram Blok Sistem............................................................................... 8
3.2 Alat dan Modul yang digunakan ............................................................. 8
3.3 Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hadware)........................ 8
3.3.1 Modul Power Suppy (PS-4)........................................................... 8
3.3.2 Modul Setpoint (RVG-4)............................................................... 9

v
3.3.3 Modul Controller PID (PID-4) ...................................................... 9
3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-4)....................................................... 10
3.3.5 Modul Plant Suhu (TSI-1)........................................................... 10
3.4 Perancanagn dan Pengujian Perangkat Lunak (Software)..................... 11
3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ....................................... 11
3.4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ....................................... 14
3.4.3 Cohen and Coon ......................................................................... 15
3.4.4 Script Matlab .............................................................................. 17
3.4.5 Stand Alone Controller................................................................ 18
3.4.5.1 PID Arduino ..................................................................... 18
BAB IV ANALISA PENGUJIAN...................................................................... 19
4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 ................................................. 19
4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2 ................................................. 20
4.3 Cohen and Coon .................................................................................... 20
4.4 Script Matlab ......................................................................................... 21
4.5 Stand Alone Controller.......................................................................... 24
4.5.1 PID Arduino ................................................................................ 24
BAB V KESIMPULAN ...................................................................................... 29
5.1 Kesimpulan............................................................................................ 29
5.1 Saran ...................................................................................................... 30
DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................... 31

vi
DAFTAR TABEL
Tabel II.1 Respon PID terhadap perubahan konstan................................................4
Tabel II.2 Penentuan Parameter PID........................................................................6
Tabel III.1 Hasil perhitungan parameter sebelum manual tuning..........................15
Tabel III.2 Tabel hasil perhitungan PID Cohen Coon ...........................................17
Tabel IV.1 Hasil tunning manual Ziegler Nichols Tipe 1......................................19

vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Blok Diagram Metode Open Loop ......................................................5
Gambar II.2 Penentuan Parameter L dan T..............................................................5
Gambar II.3 Blok Diagram Metode Close Loop......................................................6
Gambar II.4 Blok Diagram Diagram Cohen and Coon............................................7
Gambar II.5 Shield Arduino dan LCD.....................................................................7
Gambar III.1 Blok Diagram Sistem Kendali Temperature .....................................8
Gambar III.2 Modul Catu Daya ...............................................................................9
Gambar III.3 Modul Setpoint...................................................................................9
Gambar III.4 Modul Controller PID ......................................................................10
Gambar III.5 Modul Penguat Daya........................................................................10
Gambar III.6 Modul Plant Suhu.............................................................................11
Gambar III.7 Simulink untuk parameter PID.........................................................11
Gambar III.8 Perancangan Plant Kendali Temperature dengan Arduino .............12
Gambar III.9 Hasil Respon sistem kendali temperature denganWreal 10: detik...12
Gambar III.10 Hasil respon parameter L dan T ....................................................13
Gambar III.11 Hasil perhitungan sebelum manual tunning...................................13
Gambar III.12 Hasil respon sebelum manual tuning .............................................14
Gambar III.13 Simulink untuk mencari parameter Kcr dan Pcr ............................14
Gambar III.14 Respon setelah berosilasi terus menerus ........................................15
Gambar III.15 Simulink untuk mencari parameter Gp , Ԏ , Ԏd............................15
Gambar III.16 Respon Desain dengan Cohen and Coon ......................................16
Gambar III.17 Realisasi perancangan kendali temperature Script Matlab ...........17

viii
Gambar III.18 Hasil Parameter PID.......................................................................18
Gambar III.19 Rangkaian kendali temperature yang terhubung ke Arduino.........18
Gambar IV.1 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 1. .............19
Gambar IV.2 Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 2. ............20
Gambar IV.3 Hasil Respon PID setelah manual tuning.........................................21
Gambar IV.4 Hasil Respon terhadap Setpoint Scaling 100 . .................................23
Gambar IV.5 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scalling 90 .......................23
Gambar IV. 6 Data Serial PID Arduino.................................................................26
Gambar IV.7 Hasil tampilan kendali di LCD ........................................................28

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sistem kendali atau sistem kontrol (control system) adalah suatu alat (kumpulan
alat) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem.
Istilah sistem kendali ini dapat dipraktekkan secara manual untuk mengendalikan
stir mobil pada saat kita mengendarai/menyetir mobil kita, misalnya, dengan
menggunakan prinsip loloh balik. Dalam sistem yang otomatis, alat semacam ini
sering dipakai untuk peluru kendali sehingga peluru akan mencapai sasaran yang
diinginkan. Banyak contoh lain dalam bidang industri / instrumentasi dan dalam
kehidupan kita sehari-hari di mana sistem ini dipakai [1]. Contoh lain adalah proses
industry perlu memiliki suatu system yang dapat memonitor dan mengendalikan
semua proses yang ada di dalamnya supaya tujuannya dapat terpenuhi. Salah satu
arah perkembangan sistem kontrol adalah implementasi sistem kontrol pada sistem
terintegrasi (embedded system) contohnya pada sistem pengendalian suhu pada
miniatur proses industri berbahan baku padat. Pada alat ini tediri dari sebuah heater
sebagai sumber panasnya dan kipas (blower) untuk membantu proses pemerataan
aliran udara panas. Jika nilai suatu temperature digunakan untuk mengontrol aliran
atau jumlah bahan bakar yang digunakan dalam proses pemanasan, maka tidak akan
terjadi overheating pada proses tersebut sehingga jumlah bahan bakar dapat dihemat
[2].
Sistem kendali yang banyak digunakan di industri adalah pengendalian PID
(Proportional Integral Derivatif). Kendali PID merupakan gabungan dari ketiga
macam 2 metode kendali, yaitu pengendali proporsional (proportional controller),
pengendali integral (integral controller), dan pengendali turunan (derivative
controller). Ketiga parameter P,I, dan D tersebut masing-masing memiliki aksi
berbeda terhadap respon sistem dan dipengaruhi oleh konstanta-konstanta
pengendalinya (Kp, Ki, dan Kd). Sampai saat ini, perancang sistem kendali masih

2
mendapatkan kesulitan dalam mengatur parameter-parameter PID karena bersifat
independen. Jika salah satu nilai konstanta diubah, mungkin sistem tidak akan
bereaksi seperti yang diinginkan. Ketiga parameter tersebut juga tidak dapat berdiri
sendiri karena dapat mengakibatkan hasil yang dicapai kurang baik karena masing-
masing memiliki kelemahan dan kelebihannya sendiri-sendiri. Itu sebabnya,
pemilihan konstanta yang tepat dari kombinasi ketiga sistem kendali tersebut
diharapkan dapat mengeliminasi kelemahan masing-masing dan mampu memberikan
kontribusi dari kelebihan ketiga parameter tersebut. Kelebihan kendali PID
dibandingkan pengendali otomatis yang lain adalah kendali PID dapat mempercepat
reaksi sistem, menghilangkan overshoot atau menstabilkan sinyal yang diperoleh,
mendapatkan energi ekstra pada awal-awal perubahan load, dapat mengontrol dan
mempertahankan suhu ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap[3]
1.2 Tujuan
Pada laporan Praktikum ini penulis menggunakan siatem kendali PID dengan
melakukan suatu perancangan pada modul sistem kendali temperature. Arduino Uno
merupakan kontroler yang menghubungkan pada plant temperature, Metode yang
digunakan untuk mendapatkan parameter PID yaitu melakukan manual tuning dengan
menggunakan Ziegler-Nichols Tipe 1, Tipe 2 dan Cohen Coon, Kemudian selain itu
pada kendali temperature ini dapat membuat sistem yang bernama embedded system.
Dimana plant temperature yang dirancang tidak membutuhkan PC sebagai hasil
kendali dan didukung oleh matlab sebagai sarana simulator. Hasil Sistem Kendali
PID tersebut akan ditampilkan melalui LCD menggunakan shield Arduino dan hanya
menggunkan Script pada Arduino. Oleh karena itu, dilakukan percobaan dengan judul
“ Perancangan dan Realisai Sistem Kendali Digital pada Plant Kendali Temperature
menggunakan metode Ziegler Nichols dan Cohen Coon dengan Matlab dan Arduino”

3
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Plant temperature
Sistem kendali Temperature merupakan salah satu jenis pengendalian yang
banyak digunakan oleh industri – industri. Kendali Temperature merupakan dasar
pengendalian sistem yang menggunakan sensor untuk mengatur intensitas cahaya
yang ada dalam kendali Temperature. Kendali temperature dapat di aplikasikan pada
industri – industri seperti pengaturan suhu ruangan,di rumah sakit sebagai pengatur
suhu inkubator pada bayi dan sebagainya.
2.2 Sistem Kendali PID
Sistem Kendali PID ( Proportional–Integral–Derivative controller ) merupakan
kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik
adanya umpan balik pada sistem tesebut ( Feed back ).
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara parameter yaitu kontrol P
(Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki
kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat
bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol
PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan
sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diinginkan[3].
1. Kontrol Proposional
Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u = G(s) • e maka u
= Kp • e 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.

4
2. Kontrol Integratif
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.
3. Kontrol Derivatif
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.Untuk menutupi
kekurangan dan keebihan dari parameter PID dapat dilihat pada tabel berikurt:
Tabel II.1 Respon PID terhadap perubahan konstan
2.3 Metode Ziegler Nichols
Metode Ziegler-Nichols dipublikasikan pada tahun 1942 oleh John G Ziegler
dan Nathaniels B Nichols yang keduanya bekerja di Taylor Instruments. Menurut
keduanya metode ini merupakan metode simpel yang dapat digunakan untuk
memudahkan kalibrasi ulang pada sistem kontrol PID. Nilai parameter PID
didapatkan dari kurva output yang dihasilkan dari sebuah sistem kerja ataupun mesin
tunggal. Kurva ini nantinya digunakan untuk mengetahui besarnya nilai parameter
PID yang dicari dengan cara menggambarkan garis singgung pada daerah transisis

5
yang terlihat pada kurva. Metode ini terdiri atas 2 metode yaitu open-loop (Tipe 1)
dan close-loop (Tipe 2)[4].
2.3.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1 (Open Loop)
Metode open loop didasarkan pada respon dari tiap step proses. Pada metode
open loop ini sistem diberikan input sinyal step (dari 0 ke voltase yang konstan)
kemudian diamati output yang terjadi dari kondisi awal menuju kondisi stabil (steady
state). Hasil output digambarkan berupa grafik yang menunjukkan nilai respon dari
sistem.
Gambar II.1 Blok Diagram Metode Open Loop
Langkah berikutnya yaitu menggambarkan garis singgung dengan gradien paling
besar pada grafik yang telah didapatkan. Garis singggung ini digunakan untuk
mengetahui nilai dari waktu mati saat kondisi belum bergerak (L) dan waktu transisi
(T). Nilai L dan T kemudian dapat digunakan untuk menentukan nilai Kp, Ki dan Kd
dari sistem uji.
Gambar II.2 Penentuan Parameter L dan T
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.2

6
Tabel II.2 Penentuan Parameter PID[7]
2.3.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2
Ziegler Nichols tipe 2 ini proses penentuan parameter PID dihitung menggunakan
respon yang diatur menggunakan slider gain sehingga respon berosilasi. Metode ini
diaplikasikan pada sistem loop tertutup (close loop).
Gambar II.3 Blok Diagram Metode Close Loop[6]
Pada Metode ini dilakukan dalam Close loop dimana masukan referensi yang
digunakan adalah fungsi tangga (step). Pengendali pada metode ini hanya pengendali
proporsional. Kp, dinaikkan dari 0 hingga nilai kritis Kp, sehingga diperoleh keluaran
yang terus-menerus berosilasi. Nilai slider gain ini disebut sebagai critical gain
(Kcr).
2.4 Metode Cohen and Coon
Jika Dibandingkan dengan Ziegler-Nichols , Cohen and Coon dapat dipakai untuk
mendesain PD-Controller dan jika di Cohen and Coon menyediakan rumusnya.
Cohen and Coon (CC) bisa di pakai untuk plant yang memiliki deadtime yang besar.

7
Gambar II.4 Blok Diagram Cohen and Coon
Pada aturan nya akan ada delay yang di akan catat pada change in CO di atas
adalah state pengukuran nya ada Td yaitu Time delay , tau yaitu time konstan harus
0.63 dari proses value.
2.5 Shield Arduino
Arduino shield adalah sebutan untuk modul tambahan dengan berbagai fungsinya,
yang kebanyakan pinnya cocok dengan arduino, sehingga cara menghubungkannya
dengan arduino bisa dengan menyusunnya diatas board arduino[8]. Pada Praktikum
kali ini menggunakan Shield dengan tujuan agar sistem kendali yang dirancang tidak
menggunakan PC sehingga respon dapat dilihat pada keluaran dari LCD yang
dipasang di atas Shield Arduino dengan begitu dapat mempermudah ketika
merancang kendali di lapangan, gambar dapat dilihat sebagai berikut:
Gambar II.5 Shield Arduino dan LCD

8
BAB III
METODOLOGI PERANCANGAN
3.1 Blok Diagram
Blok Diagram Sistem kendali Temperature dapat dilihat pada gambar 3.
3.2 Alat dan Modul yang Digunakan
1. Laptop
2. Aplikasi MATLAB
3. Arduino Uno
4. Modul Power Supply (PS-4)
5. Modul Set Point (RVG-4)
6. Modul Controller PID (PID-4)
7. Modul Penguat Daya (PA-4)
8. Modul Plant Suhu (TSI-1)
9. Shield Arduino
10. LCD
11. Konektor
12. Kabel Secukupnya
3.3 Perancangan dan Pengujian Perangkat Keras (Hadware)
3.3.1 Modul Catu Daya (PS-4)
Power Supply berfungsi sebagai sumber tegangan untuk mensuplly plant yang
digunakan. Pada Catu daya ini memiliki input dengan tegangan 220V AC dengan
Catu Daya Setpoint PID Penguat Daya
Plant
Temperature
Gambar III.1 Blok Diagram Sistem Kendali Temperature

9
tegangan output sebesar +15Vdc, +5Vdc, -15Vdc, -5Vdc. Pada saat pengujian dengan
multimeter Power supply bekerja dengan baik.
Gambar III.2. Modul Catu Daya
3.3.2 Modul Setpoint (RVG-4)
Setpoint berfungsi untuk memberikan input tegangan kepada plant yang
dibutuhkan dengan range (-10V sampai +10V) dan ( 0V sampai +10V). Pilihan
Untuk kedua ini dapat diatur menggunakan jumper penghubung dan memindahkan
nya sesuai yang dibutuhkan pada plant.
Gambar III.3 Modul Setpoint
3.3.3 Modul Controller PID (PID-4)
Modul Controller PID berfungsi sebagai pengendali pada plant temperature
dan terdiri dari pengaturan parameter KP, Ti, dan Td. Pengaturan prameter tersebut
dilakukan secara analaog sehingga hasil input tidak presisi dan pada penggunaan
modul PID ini ketiga parameter tersebut dapat digunakan salah satunya atau dapat
juga digunkana ketiganya.

10
Gambar III.4 Modul Controller PID
3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-4)
Modul Penguat Daya atau Power Amplifier berfungsi untutk menguatkan
daya yang keluar dari Modul Controller PID yang dihubungkan menggunakan
konektor secara sejajar. Pada modul penguat daya mempunyai dua keluaran, yaitu
tegangan positif dan tegangan negatif.
Gambar III.5 Modul Penguat Daya
3.3.5 Modul Plant Suhu (TSI-1)
Modul Plant Suhu ini berfungsi sebagai pengatur suhu ruangan yang dapat
dikendalikan seperti pada praktikum kali ini. Modul plant suhu ini menggunakan
sebuah lampu yang diletakkan pada sebuah tabung, dimana panas dari lampu tersebut
menjadi sumber panas yang akan dibaca besar suhunya oleh sensor yang terdapat
didekat lampu. Semakin panas suhu yang diinginkan maka lampu akan semakin
terang, bila suhu yang diinginkan cukup rendah maka lampu akan redup. Pada saat
penurunan suhu yang dibaca, modul kendali temperatur ini dapat menggunakan fan

11
yang dapat digunakan untuk mendinginkan lampu dan juga dapat digunakan sebagai
gangguan untuk pengetesan kestabilan sistem kendali suhu.
Gambar III.6. Modul Plant Suhu
3.4 Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Dalam perancangan pada perangkat lunak (software) matlab, penulis mendesain
kendali menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 dan Ziegler Nichols tipe 2 dan
Cohen and Coon. Hasil dari desain tersebut di aplikasikan ke sript Matlab dan
embedde syetem menggunakan Arduino.
3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1 (open Loop)
Gambar.III.7 Simulink untuk mencari parameter PID

12
Proses Perancangan sistem kendali Temperature ini dimulai dengan tahap
Ziegler Nichols Tipe 1 dimana menggunakan metode open loop dan akan
menghasilkan respon, kemudian mendesain kendali dengan parameter L dan T dan
melakukan manual tuning pada PID menggunakan parameter – parameter PID .
Gambar III.8 Perancangan Plant Kendali Temperature dengan Arduino
Pada Kendali Temperature ini menggunakan input tegangan sebesar +15V
dan tegangan input ke Arduino dilewatkan dengan pembagian tegangan sebesar 0.5,
yaitu; 2 resistor serial 18Kohm. Untuk metode Ziegler Nichols Tipe 1 selain
menggunakan pembagi tegangan, pada simulink digunakan suhu ruangan sebelumnya
dan mengukur waktu detik (asli) dengan suhu ruangan sebesar 29º dan waktu asli
1;30 detik.
Gambar III.9 Hasil Respon sistem kendali Suhu dengan Wreal 1:30 detik

13
Setelah mendapatkan respon dengan Wreal, kemudian menentukan nilai L dan
T buat garis potong pada gambar scope untuk menentukan nilai Kp, Ti, dan Td
dengan menggunakan rumus dan hitung dalam excel.
Gambar III.10 Hasil Respon Parameter L dan T
Dengan menggunakan data cursor maka didapat batas untuk nilai T yaitu
223.452 dan L yaitu 13.77 . Dengan Wreal sebesar 90s dengan perbandingan
Wmatlab sebesar 1000s, maka dapat dilihat nilai Kp, Ti, dan Td sebelum melakukan
proses tuning sebagai berikut.
Gambar III.11. Hasil perhitungan sebelum manual tuning
Setelah menghitung parameter PID maka didapatkan respon, respon yang
dihasilkan masih terdapat overshoot, sehingga perlu dilakukan Manual Tuning
dengan mengubah nilai Td dan Td. Gambar respon dapat dilihat pada gambar III.12

14
Gambar III.12 Hasil respon sebelum tuning manual
3.4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2 (Close Loop)
Gambar III.13 Simulink untuk mencari parameter Kcr dan Pcr
Pada tahap Ziegler Nichols Tipe 2 menggunakan metode close loop dimana
respon yang dihasilkan harus sampai berosilasi terus menerus dan jika sudah
berosilasi didesain agar dapat mencari parameter Kcr dan Pcr yang kemudian
melakukan manual tuning.
Pada Kendali Temperature ini menggunakan input tegangan sebesar +15V
dan tegangan input ke Arduino dilewatkan dengan pembagian tegangan sebesar 0.5,
yaitu; 2 resistor serial 18Kohm. Kemudian koneksikan Arduino ke PC yang
terhubung dengan Matlab menggunakan simulink untuk metode Ziegler Nichols tipe
2 respon harus berosilasi terus menerus dan gunakan stopwatch untuk mengukur

15
Wreal dengan didapatkan Wreal sebesar 90 detik, Gaian Kcr sebesar 461 dan Pcr
sebesar 22.68. Gambar dapat dilihat pada III.14.
Gambar III.14. Respon setelah berosilasi terus menerus
Setelah mendapatkan sinyal respon pada metode Ziegler – Nichols tipe 2,
maka sinyal respon tersebut didesain sehingga dapat mengukur parameter –
parameter yang di butuhkan untuk melakukan manual tunning.
Tabel III.1 Hasil perhitungan parameter sebelum manual tuning
3.4.3 Metode Cohen and Coon

16
Gambar III.15 Simulink untuk mencari parameter Gp , Ԏ , Ԏd
Cohen and Coon dapat dipakai untuk mendesain PD-Controller dan jika di
Cohen and Coon menyediakan rumusnya. Cohen and Coon (CC) bisa di pakai untuk
plant yang memiliki deadtime yang besar. Pada aturan nya akan ada delay yang di
akan catat pada change in CO di atas adalah state pengukuran nya ada Td yaitu Time
delay , tau yaitu time konstan harus 0.63 dari proses value. Parameter yang
dibutuhkan ialah : proses gain, deadtime dan time constant.
Untuk Sistem Kendali dengan metode Cohen and Coon ini simulink yang
dihubungkan dengan arduino untuk melihat suhu ruangan sebesar 32º, kemudian
gunakan stopwatch untuk mengukur waktu detik (asli). Pada simulink sinyal untuk
respon harus diset ke nol, agar sinyal respon awal sama dengan sinyal respon
setpoint.
Gambar III.16 Respon Desain dengan Cohen and Coon
Dengan Wreal 90 detik, kemudian desain respon yang telah di dapat agar
menghitung parameter Gp , Ԏd , ԏ. Dengan menghitung parameter – parameter yang
terlihat pada tabel III.2.

17
Tabel III.2 Tabel hasil perhitungan PID Cohen Coon
3.4.4 Script Matlab
Gambar III.17 Realisasi perancangan kendali temperature Script Matlab
Pada kendali temperature di beri tegangan sumber 15V dari modul power supply,
dengan PID (kp = on, Ti dan Td = off) sebagai pengali dua. Dalam plant kendali
temperature menggunakan rangkaian pembagi tegangan yang tersambung ke
arduiono. Tegangan input ke arduino dilewatkan dengan pembagian tegangang 0.5.
dengan menggunakan potensiometer sebagai setpoint agar dapat merubah-rubah
respon yang kita inginkan.
Inisialisasi pada kendali suhu di script matlab, dengan diset pin output-input pada
arduino, time sampling dan parameter PID (Kp, Ti dan Td) dari data praktikum yang
sebelumnya.

18
Gambar III.18 Hasil Parameter PID
3.4.5 Stand Alone Controller
3.4.5.1 PID Arduino
Dalam Praktikum sistem kendali suhu PID Script pada Matlab digunakan
untuk menjalankan sistem yang telah stabil, dalam artian sudah mengandung harga
Kp, Ki dan Kd yang sesuai. Sehingga respon yang didapat dari sistem memiliki Rise
time, settling time, overshoot dan steady state error yang kecil. Pemrograman PID
pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan sistem tanpa
bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone) dan hasilnya pun dapat ditampilkan
melalui LCD dengan menggunakan Shield Arduino sebagai penghubung antar
Arduino Uno dan hasil kendali yang telah dibuat.
Gambar III.19 Rangkaian kendali temperature yang terhubung ke arduino

19
BAB IV
ANALISA PENGUJIAN
4.1. Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1
Apabila nilai-nilai Kp, Ti dan Td sudah dihitung, dengan simulink yang sama,
maka langkah selanjutnya adalah melakukan proses tunning pada modul PID yang
terhubung langsung dengan modul Kendali Suhu . Keluaran diumpanbalikkan ke
modul PID. Setelah manual tuning dilakukan maka, didapat hasil Kp = 19.47294 Ti =
33 dan Td = 12 dan dapat dilihat hasil tabel pada gambar IV.1.
Tabel IV.1 Hasil tunning manual Ziegler Nichols Tipe 1
Setelah melakukan perhitungan untuk proses tunning , maka hasil parameter
di masukan ke PID dan akan menghasilkan respon, respon yang dihasilkan memiliki
overshoot yang berkurang sehingga hampir mendekati stady state.
Gambar IV.1. Hasil Respon PID dengan metode Ziegler Nichols Tipe 1

20
4.2 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2
Pada Ziegler – Nichols tipe 2 di dapatkan hasil perhitungan parameter –
parameter PID yang selanjutnya nilai tersebut di masukan ke modul PID agar Sistem
Kendali Suhu dapat dilihat respon nya, dan agar dapat di manual tuning. Untuk
Ziegler Nichols tipe 2 ini tidak bisa di manual tuning karena sinyal respon terlalu
lama sehingga hanya di dapatkan respon sebelum tunning manual.
Gambar IV.2 Hasil Respon PID dengan Ziegler Nichols tipe 2
4.3 Cohen and Coon
Setelah didapatkan hasil perhitungan PID Cohen - Coon maka di dapatkan
hasil perhitungan parameter – parameter PID yang selanjutnya nilai tersebut di
masukan ke modul PID agar dapat dilihat sinyal responya namun, nilai Kc respon nya
di bagi setengahnya agar dapat mengurangi nilai Overshoot sehingga sinyal Respon
dapat stabil.

21
Gambar IV.3 Hasil Respon PID setelah manual tuning
4.4 Script Matlab
Berdasarkan Percobaan tunning algoritma PID menggunakan Ziegler Nichols
tipe 1 untuk mendapatkan respon sistem terbaik dan Inisialisasi pada kendali suhu di
script matlab, dengan diset pin output-input pada arduino, time sampling dan
parameter PID (Kp, Ti dan Td) dari data praktikum yang sebelumnya. Dengan hasil
Kp sebesar 19.47294, Ti sebesar 33 dan Td sebesar 12.
Berikut merupakan script yang digunakan pada Matlab untuk melihat hasil
respon berdasarkan parameter-parameter yang sudah ditentukan.
%time sampling
Ts = 0.05;
pinMode(a,6,'output')
pinMode(a,10,'input')
pinMode(a,13,'output')
%setting parameter PID
Kp = 19.2;
Ti = 33;
Td = 12;
Ki = Kp/Ti;
Kd = Kp*Td;
%Kondisi error Awal
error_sebelum = 0;
errorI_sebelumnya = 0;
%set untuk plot
y1 = 0;
y2 = 0;
t = 0;
digitalWrite (a,13,1);
start = digitalRead(a,10);
x=0;
while (start == 1)
tic
x=x+1;
%tent PV awal
PV = analogRead(a,5);
PV = PV*0.0049*2;
SP = analogRead(a,0);
SP = SP*0.0049;
%hitung error
error = SP - PV;

22
Script untuk kendali temperature pada saat menentukan proses Value awal
dikalikan 2 dengan menggunakan modul PID dan time scaling diset menjadi 100 agar
respon tidak melebihi setpoint. Karena keterbatasan hadware dan PWM tidak lebih
255, nilai PID agar tidak lebih dari 10 dan kurang dari 0. Dari program script yang
dijalankan maka gambar respon akan muncul. Dengan merubah scaling nya dari 100
menjadi 90 dan memaksimalkan potensiometer / setpoint agar hasil respon steady
state.
%membatasi < 0
if outPID < 0
outPID = 0;
else
outPID = outPID;
end
outPID = outPID/2;
%=====================================================
%menuliskan PID ke arduino
outPID = round(outPID*51);
analogWrite(a,6,outPID);
pause (0)
%==============plot respon dan setpoint===============
y1=[y1,SP];
y2=[y2,PV];
t=[t,x];
plot(t,y1,t,y2);
axis([0 x+100 0 10]);
grid
drawnow;
error_sebelum=error;
errorI_sebelumnya=errorI;
start = digitalRead(a,10);
toc;
end
analogWrite(a,6,0);

23
Gambar IV.4 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scaling 100
Gambar IV.5 Hasil Respon terhadap Setpoint dengan Scaling 90

24
4.5 Stand Alone Alone Controller
4.5.1 PID Arduino
Pada stand Alone arduino yang terhubung dengan plant tidak menggunakan
modul setpoint karena setpoint diganti dengan potensiometer. Mmbuat program atau
source code pada aplikasi Software Arduino yang sudah terinstall di PC dengan
menggunakan desain yang telah dirancang sebelumnya seperti nilai Kp, Ti dan Td.
Berikut adalah source code PID arduino pada plant sistem kendali suhu.
int Output = 3; //pin3
float Ts = 0.05; //waktu sampling
//nilai Kp,Ki,Kd
float Kp = 19.2;
float Ti = 33;
float Td = 12;
float Ki = Kp/Ti;
float Kd = Kp*Td;
//Definisi variable 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;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(3,OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
Setpoint = analogRead(A0);
Setpoint1 = Setpoint*0.0049;
Feedback = analogRead(A1);
Feedback1 = Feedback*0.0049;
//hitung error
error = Setpoint1 - Feedback1;
//Menghitung error Integral
errorIsekarang = error+errorsebelum;

25
Program yang sudah dibuat pada Arduino, dengan desain yang telah
dirancang sebelumnya sehingga setpointnya sebesar 3.82, kemudian download
program tersebut maka didapatkan hasil data serial sebagai berikut:
//menghitung error differensial
errorD1 = error - errorsebelum;
errorD = errorD1/Ts;
//kendali PID
outP = Kp*error;
outI = Ki*errorI;
outD = Kd*errorD;
outPIDsebelum = outP + outI + outD;
outPIDsebelum = outPIDsebelum/100;
//Membatasi nilai agar PID tidak >255 atau <0
if(outPIDsebelum>10)
{
outPIDsebelum=10;
}
else if(outPIDsebelum<0)
{
outPIDsebelum=0;
}
Else
{
outPIDsebelum=outPIDsebelum;
}
outPIDsebelum=outPIDsebelum/2;
outPID=outPIDsebelum*51;
//menuliskan hasil perhitungan PID pin 3
analogWrite(3,outPID);
errorsebelum=error;
errorIsebelum=errorI;
//Code untuk menampilkan diserial monitor
Serial.print("Setpoint = ");
Serial.print(Setpoint1);
Serial.print("Feedback = ");

26
Gambar IV.6 Data Serial PID Arduino
Dari Data serial tersebut setelah didapatkan hasil kendali suhu yang
diinginkan dengan mengatur setpoint sampai hasilnya steady state, untuk
menampilkan hasil kendali pada LCD dengan menggunakan shield Arduino, namun
program tersebut belum dapat ditampilkan pada LCD maka harus sedikit mengubah
program pada arduino dengan menambahkan program LCD agar hasil kendali dapat
ditampilkan pada LCD.
#include <LiquidCrystal.h>
int Output = 6; //pin6
float Ts = 0.05; //waktu sampling
//nilai Kp,Ki,Kd
float Kp = 19.2;
float Ti = 33;
float Td = 12;
float Ki = Kp/Ti;
float Kd = Kp*Td;
//Definisi variable 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);
Serial.begin(9600);
lcd.begin(16, 2);
}

27
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
Setpoint = analogRead(A0);
Setpoint1 = Setpoint*0.0049;
Feedback = analogRead(A1);
Feedback1 = Feedback*0.0049;
//hitung error
error = Setpoint1 - Feedback1;
//Menghitung error Integral
errorIsekarang = error+errorsebelum;
errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;
errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts;
errorI = errorIsekarang2 + errorIsebelum;
//menghitung error differensial
errorD1 = error - errorsebelum;
errorD = errorD1/Ts;
//kendali PID
outP = Kp*error;
outI = Ki*errorI;
outD = Kd*errorD;
outPIDsebelum = outP + outI + outD;
outPIDsebelum = outPIDsebelum/100;
//Membatasi nilai agar PID tidak >255 atau <0
if(outPIDsebelum>10)
{
outPIDsebelum=10;
}
else if(outPIDsebelum<0)
{
outPIDsebelum=0;
}
else
{
outPIDsebelum=outPIDsebelum;
}
outPIDsebelum=outPIDsebelum/2;
outPID=outPIDsebelum*51;
//menuliskan hasil perhitungan PID pin 3
analogWrite(6,outPID);
errorsebelum=error;
errorIsebelum=errorI;

28
Pada saat program sudah diupload kemudian LCD dipasang pada shield
Arduino lalu hasil kendali yang telah diprogram akan tampil di LCD dengan
keterangan SP = set point dan PV= Proccess Value (respon kendali yang telah
dibuat).
Gambar IV.7. Hasil tampilan kendali di LCD
//Code untuk menampilkan diserial monitor
Serial.print("Setpoint = ");
Serial.print(Setpoint1);
Serial.print("Feedback = ");
Serial.println(Feedback1);
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("SP :");
lcd.setCursor(5,0);
lcd.print(Setpoint1*10);
lcd.setCursor(11,0);
lcd.print("C");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("PV :");
lcd.setCursor(5,1);
lcd.print(Feedback1*10);
lcd.setCursor(11,1);
lcd.print("C");
}

29
BAB V
KESIMPULAN
1.1 Kesimuplan
Berdasarkan dari proses pengujian, pengambilan data dan analisa percobaan
Yang telah dilakukan dalam Sistem Kendali PID pada Kendali Temperature dapat
disimpulkan bahwa:
1. Sistem Kendali Digital dapat dilakukan dengan modul PID dan Arduino
dengan metode Ziegler Nichols, Cohen Coon dan Stand Alone
2. Pada Praktikum kendali temperature dapat dirancang dengan cara melakukan
proses manual tunning menggunakan parameter PID Kp, Ti dan Td agar
kendali sesuai dengan dibutuhkan.
3. Untuk hasil Ziegler Nichols Tipe 1 pada saat sebelum manual di tuning respon
suhu terdapat overshoot dan rise time yang panjang setelah di manual tuning
respon tidak terjadi overshoot dengan mengubah nilai Ti = 33 dan nilai Td = 12.
4. Untuk hasil Ziegler Nichols Tipe 2 pada saat manual tuning memiliki overshoot
tinggi , sehingga tidak dapat dimanual tuning karena sinyal respon yang sangat
lama.
5. Dan untuk hasil metode Cohen – Coon memiliki sinyal respon hampir stabil di
karenakan nilai KC pada PID di bagi setengahnya sehingga berpengaruh terhadap
nilai responya.
6. Sript Matlab yang yang di kontrol oleh Arduino, lebih efisien dan kendalinya
pun hanya menggunakan Arduino dan potensiometer. Seperti pada sistem
kendali temperature respon yang dimiliki hampir mendekati steady state dan
sedikit overshoot dengan mengatur scaling sebesar 100.
7. Pemrograman PID pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan
sistem tanpa bantuan/dihubungkan ke komputer (standalone) dan hasilnya pun
dapat ditampilkan melalui LCD dengan menggunakan Shield Arduino sebagai
penghubung antar plant dan Arduino Uno

30
1.2 Saran
Untuk pengembangan dalam praktikum selanjutnya terutama pada Sistem
Kendali Temperature terdapat beberapa saran sebagai berikut
1. Selalu melakukan pengecekan terhadap modul agar kondisi modul tetap baik
dan saat proses percobaan dalam keadaan baik.
2. Lebih teliti dalam melakukan desain maupun saat proses manual tunning pada
saat menentukan parameter-parameter PID karena akan sangat berpengaruh
terhadap hasil desain.

31
DAFTAR PUSTAKA
[1]. “Pengertian Sistem Kendali”,
https://id.wikipedia.org/wiki/Sistem_kendali
[2] Fatimah, Sitti. Muh Tola, dan Riza S. Sadjad , “Sistem Kendali Suhu Pada
Miniatur Proses Industri Berbahan Baku Padat (Temperature Control System
on Miniature of Industrial Process with Solid Raw Material)”, Teknik
Komputer, Kendali dan Elektronika (Desember)2011
[3] “Definisi Kendali PID”,
http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-kendali-pid.html
Diakses 05 Juli 2015
[4] “Metoda Ziegler Nichols”,
http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-ziegler-
nichols.html
Diakses 06 Juli 2015
[6] Wijaya, Candra Eka, Setiawan Iwan,ST.MT, Wahyudi,ST.MT, ”Auto Tuning
PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols Menggunakan Mikrokontroler
AT89S52 pada Pengendalian Suhu”, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas
Teknik, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang,
Indonesia
[7] Rachmat Agung H, Muhammad Rivai , dan Harris Pirngadi, “Alat Penentu
Parameter PID dengan Metode Ziegler-Nichols pada Sistem Pemanas Air”,
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi
Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

32
[8] “Mengenal Shield Arduino”
http://abangelektronika.blogspot.com/2012/06/mengenal-arduino-shield.html
Diakses 07 Juli 2015.

Skd 131311061-laporan-akhir

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Skd 131311061-laporan-akhir

Similar to Skd 131311061-laporan-akhir (20)

Skd 131311061-laporan-akhir