SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi

Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada
Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-
Coon menggunakan Matlab dan Arduino
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah
Sistem Kendali Digital
Diploma III Program Studi Teknik Elektronika
Jurusan Teknik Elektro
Oleh :
Hilman Sulaeman
131311048
POLBAN
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015

POLBAN
Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi
[i]
ABSTRAK
Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, dewasa ini
sistem kendali automatik memiliki peran yang sangat penting. Peranan sistem
kendali automatik adalah paling menonjol dalam berbagai keperluan manusia atau
bangsa yang telah maju peradabannya. Contoh konkrit dapat kita lihat pengendalian
lift pada gedung bertingkat.
Untuk itu dengan adanya sistem kendali posisi yang di aplikasikan dalam
berbagai kendali otomatis, dapat di simulasikan dengan rancang bangun sistem
pengendalian pada Plant Posisi dengan PID kontrol. Menggunakan metode Ziegler-
Nicholes I dan II, Coohen-Coon, serta penggunaan script programming pada
Matlab dan Arduino. Hasil akhir dari simulasi ini dapat kita rancang dengan Stand
Alone Arduino.
Kata Kunci : Sistem Kendali Posisi, PID Kontrol, Ziegler-Nicholes I dan II,
Coohen-Coon, Script Programming, Matlab, Arduino dan Stand
Alone Arduino.

POLBAN
[ii]
ABSTRACT
Along with the development of science and technology, today's automatic control
system has a very important role. The role of the automatic control system is the most
prominent in a variety of human purposes or nation that has advanced civilization. Concrete
examples we can see the elevator control in buildings.
For it with the position control system is applied in a variety of automatic control,
can be simulated with the control system design Plant Position wit PID Controller. Using
the method of Ziegler-Nicholes I and II, Coohen-Coon, as well as the use of script
programming in Matlab and Arduino. The end result of this simulation can be designed
with a Stand Alone Arduino.
Key Words : Position Control System, PID Controller, Ziegler-Nicholes I dan II,
Coohen-Coon, Script Programming, Matlab, Arduino dan Stand
Alone Arduino.

POLBAN
[iii]
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang memiliki
segala sumber ilmu dan pengetahuan. Tak lupa shalawat serta salam penulis
curahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW, karena berkat kasih dan
karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Laporan Akhir Praktikum Sistem
Kendali dengan judul “Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada
Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon menggunakan
Matlab dan Arduino”.
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang telah
memberikan bantuan dan dorongan dari berbagai pihak yang berarti bagi
penyelesaian laporan ini kepada :
1. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku dosen pembimbing atas segala
dorongan, kesabaran, ketekunan, pengertian dan bimbingannya.
2. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku wali kelas 2B Elektronika 2013
yang selalu memberi dukungan dan nasihatnya.
3. Ibu Iom selaku teknisi yang telah melayani penulis untuk meminjamkan
alat dan bahan untuk praktikum
4. Kepada kedua orang tua yang selalu memberi dukungan dan semangat
setiap saat, baik secara moril maupun materil.
5. Febry Rustiansyah, selaku rekan penulis dalam praktikum.
6. Serta teman – teman Elektronika 2B yang telah banyak memberi bantuan
kepada penulis selama proses pembelajaran SKD.
Akhirnya penulis berharap laporan akhir praktikum SKD dapat bermanfaat
untuk mahasiswa khususnya dan masyarakat luas umumnya. Penulis
mengharapkan kritik dan saran yang sufatnya membangun guna memperbaiki
laporan ini di masa depan.
Bandung , Juli 2015
Penulis

POLBAN
[iv]
DAFTAR ISI
ABSTRAK......................................................................................................... i
ABSTRACS...................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR ..................................................................................... iii
DAFTAR ISI................................................................................................. iv-v
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................vi-vii
DAFTAR TABLES........................................................................................ viii
BAB-I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah...............................................................................1
1.2 Rumusan Masalah........................................................................................2
1.3 Tujuan ..........................................................................................................2
BAB-II LANDASAN TEORI
2.1 Sistem Secara Keseluruhan..........................................................................3
2.1.1. Power Supply .....................................................................................3
2.1.2. Set Point .............................................................................................3
2.1.3. Power Amplifier.................................................................................4
2.1.4. Modul PID..........................................................................................4
2.1.5. Modul Kendali Posisi.........................................................................5
2.1.6. Multimeter..........................................................................................5
2.1.7. Matlab ................................................................................................6
2.1.8. Arduino ..............................................................................................6

POLBAN
[v]
2.2 PID Controller .............................................................................................6
2.2.1. Pengontrol Proporsional................................................................ 7-8
2.2.2. Pengontrol Integral ............................................................................9
2.2.3. Pengontrol Derivative ......................................................................10
2.3 Metoda Tunning PID Ziegler-Nichols .......................................................11
2.3.1. Metode ke-I Ziegler-Nichols...................................................... 11-12
2.3.2. Metode ke-II Ziegler-Nichols...........................................................13
2.4 Cara Men-tuning .................................................................................. 14-17
BAB-III METODELOGI PERANCANGAN
3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi............................................................18
3.2 Spesifikasi Modul Sistem Pengendali Posisi .............................................18
3.3 Blok Diagram.............................................................................................19
3.4 Langkah Percobaan (Metodologi Eksperimental)................................ 19-22
BAB-IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I ................................... 23-24
4.2 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I .........................................25
4.3 Desain Kendali dengan Coohen-Coon.......................................................26
4.4 Menggunakan Script-Matlab................................................................ 26-27
4.5 Menggunakan Stand Alone Aduino..................................................... 28-30
BAB-V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ................................................................................................31
5.2 Saran...........................................................................................................31
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….32

POLBAN
[vi]
DAFTAR GAMBAR
Gambar I.1 Power Supply..................................................................................3
Gambar I.2 Set Point..........................................................................................3
Gambar I.3 Power Amplifier .............................................................................4
Gambar I.4 Modul PID ......................................................................................4
Gambar I.5 Modul Kendali Posisi......................................................................5
Gambar I.6 Multimeter.......................................................................................5
Gambar I.7 Matlab .............................................................................................6
Gambar I.8 Arduino ...........................................................................................6
Gambar I.9 Blok Diagram Kontroler PID Analog.............................................7
Gambar I.10 Diagram blok kontroler proporsional............................................8
Gambar I.11 Proportional band dari pengontrol proporsional tergantung pada
penguatan. ..........................................................................................................9
Gambar I.12 Kurva Sinyal Kesalahan E (T) Terhadap T Pada Pembangkit
Kesalahan Nol..................................................................................................10
Gambar I.13 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan10
Gambar I.14 Blok diagram pengontrol Derivative ..........................................11
Gambar I.15 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative......11
Gambar I.16 Kurva Tanggapan Berbentuk S...................................................12
Gambar I.17 Karakteristik Keluaran Suatu Sistem Dengan Penambahan Kp .13
Gambar I.18 Gambar 1. Overshoot 25%..........................................................14
Gambar I.19 Kurva S .......................................................................................14
Gambar I.20 Penentuan paameter L dan T.......................................................15
Gambar I.21 Formula PID................................................................................15
Gambar I.22 Sistem Teredam ..........................................................................16
Gambar I.23 Sistem Tidak Teredam ................................................................16
Gambar I.24 Persamaan ZN-Tipe 2 .................................................................17

POLBAN
[vii]
Gambar I.25 Osilasi Konsisten ........................................................................17
Gambar I.26 Plant Pengendalian Posisi ...........................................................18
Gambar I.27 Diagram Blok..............................................................................19
Gambar I.28 Plant Kendali Posisi....................................................................19
Gambar I.29 Simulink 1...................................................................................20
Gambar I.30 Simulink 2...................................................................................20
Gambar I.31 Lowpass Filter.............................................................................20
Gambar I.32 Konfigurasi Arduino pada Plant .................................................21
Gambar I.33 Modul PID ..................................................................................22
Gambar I.34 Respon Awal Kendali .................................................................23
Gambar I.35 Menentukan Nilai X1 dan X2.....................................................23
Gambar I.36 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning..................................24
Gambar I.37 Respon Awal dan Menentukan X1 X2 .......................................25
Gambar I.38 Respon Gelombang Hasil Tuning Manual..................................25
Gambar I.39 Respon Awal dengan Coohen-Coon...........................................26
Gambar I.40 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning..................................27
Gambar I.41 Hasil pada Serial Komputer........................................................30

POLBAN
[viii]
DAFTAR TABLE
Tabel II.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1 ...........................................12
Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-2 ...........................................13
Tabel II.3 Acuan Men-Tunning .......................................................................17
Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi...........................................18
Tabel II.5 Nilai X1 dan X2 ..............................................................................23
Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I.............................................................23
Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I.......................................................24
Tabel II.8 Hasil Perhitungan ZN Tipe II..........................................................25
Tabel II.9 Hasil Manual Tuning.......................................................................25
Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning ................................................27

POLBAN
[1]
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Dalam era modern ini pembangunan gedung berlantai tingkat kian
bertambah, yang menyebabkan transportasi vertikal diantara lantai gedung-gedung
tersebut semakin dibutuhkan. Elevator (lift) merupakan salah satu dari alat
transportasi vertikal yang banyak digunakan saat ini, hal ini disebabkan perjalanan
antar lantai dengan menggunakan elevator didalam gedung lebih menghemat waktu
dan tenaga dibandingkan dengan menggunakan tangga [1]. Sistem pembangunan
otomatis menjadi faktor pendorong dalam perkembangan pembuatan lift hingga
sekarang yang menggunakan motor AC dengan kontrol PLC. Lift merupakan
seperangkat alat angkut transportasi vetikal yang mempunyai gerakan periodik dan
digunakan untuk mengangkut (manaikkan/menurunkan) orang atau barang secara
vertikal melalui suatu guide rail vertical (jalur rel vertikal) dengan menggunakan
seperangkat alat mekanik baik disertai alat otomatis ataupun manual [2] dan dengan
sebuah controller. Kontroller berfungsi untuk memastikan bahwa setiap proses
terjadi dengan baik. PID (Proportional-Integral-Derivative controller) merupakan
kontroller untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan
karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut [3]. Pengontrol PID adalah
pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri. Pemilihan
kontroller bergantung pada sistem instrumentasi yang digunakan. Untuk
mendapatkan kontroller yang diingin dapat disimulasikan dengan menggunakan
aplikasi MATLAB [4].
Laporan praktikum Sistem Kendali Kontinu ini menggunakan algoritma PID
untuk mengontrol sebuah plant kendali posisi. Metoda mendesain kontrol PID yang
digunakan dalam praktikum ini ialah metoda Ziegler Nichols 1 dan 2. Dengan
mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd, maka didapatkan pula desain dari metoda ZN-1
dan ZN-2. Desain kontroller dapat dilakukan dengan men-tunning secara manual
untuk mendapatkan hasil yang maksimal dan sesuai dengan plant yang akan di
kontrol.

POLBAN
[2]
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah dan tujuan yang ingin dicapai, berikut
merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini. Bagaimana
respon sistem level air sebelum menggunakan PID.
1. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali posisi.
2. Bagaimana perbandingan hasil respon sistem menggunakan metode PID
Ziegler Nichols I dan Ziegler Nichols II
3. Bagaimana desain kendali dengan metode Coohen-Coon
4. Penggunaan Script Programming pada MATLAB
5. Dan membandingkannya dengan Script Programming Stan Alone
Arduino
1.3 Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai penulis adalah sebagai berikut :
1. Melakukan pengujian dan penerapan sistem kendali PID pada suatu
modul sistem kendali level air dengan menggunakan dua metoda yaitu
metoda Ziegler Nichols tipe 1 dan 2. Coohen-Coon.
2. Menggunakan Script Programming Matlab
3. Serta menggunakan Script Programming pada Stand Alone Arduino

POLBAN
[3]
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Sistem Secara Keseluruhan
2.1.1. Power Supply
Power Supply adalah catu daya dc yang berfungsi
untuk memberi tegangan. Power supply yang digunakan
disini adalah output +15V/1A dan -15V1A yang kemudian
terhubung dengan Set-Point. Dan terdapat tombol yang
mengatur besar tegangan yang keluar. Dan juga ada
tegangan yang fix atau tetap yaitu 5V per 1A.
Gambar I.1 Power Supply
2.1.2. Set Point
Set Point adalah alat yang berfungsi untuk menentukan
kendali suatu alat yang diinginkan. Set point disini terbagi
menjadi 2 pilihan yaitu :
1. Untuk konektor yang pertama dapat mengatur antara
0V sampai dengan +10V.
2. Untuk konektor yang kedua dapat mengatur antara -
10V sampai dengan +10V
Gambar I.2 Set Point

POLBAN
[4]
2.1.3. Power Amplifier (Penguat Daya)
Power amplifier berfungsi sebagai penguatan daya
agar pengendalian output beban stabil karena output
beban yang digunakan membutuhkan daya yang besar.
Terdapat 3 pilihan dalam penggunaan power amplifier :
1. Output pada power amplifier dikalian +1
2. Output pada power amplifier dikalian -1
3. Jika keduanya digabungkan maka output power
amplifier dikuatkan atau dikalikan 2 dari set point.
Gambar I.3 Power Amplifier
2.1.4. Modul PID
PID Controller (Kendali PID) adalah suatu
alat untuk mengatur nilai keluaran desain kendali
yang telah dibuat. Terdapat 3 tombol pengatur
yaitu untuk Kp, Ti dan Td. Dan dapat diatur secara
manual sesuai dengan yang kita inginkan.
Gambar I.4 Modul PID

POLBAN
[5]
2.1.5. Modul Kendali Posisi
Adalah suatu alat yang dapat
mengendalikan posisi suatu objek. Dengan motor
sebagai pengerak posisi dan sensor sebagai
penentu posisi. Pada modul ini terdapat 2 keluaran
yaitu +10V dan -10V. Serta terdapat tombol
sebagai pengatur manual posisi.
Gambar I.5 Modul Kendali Posisi
2.1.6. Multimeter
Sebelum merangkai cek terlebih dahulu
alat yang digunakan dengan multimeter seperti
power supply, set point(reference variable
generator), power amplifier, dan motor
generator, dengan mengukur tegangannya
apakah sudah sesuai atau belum.
Gambar I.6 Multimeter

POLBAN
[6]
2.1.7. Matlab
Matlab adalah salah satu software
yang digunakan untuk mendesain sistem
kendali yang akan kita bangun. Dengan
menggunakan script programming pada
MATLAB.
Gambar I.7 Matlab
2.1.8. Arduino Uno
Arduino digunakan untuk melihat
gelombang output sistem kendali pada
MATLAB.
Gambar I.8 Arduino
2.2 PID Controller
PID (dari singkatan bahasa Proportional–Integral–Derivative controller)
merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan
karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini
terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Masing-masing
aksi kontrol ini mempunyai keunggulan-keunggulan tertentu. Kontrol proportional
mempunyai keunggulan rise time yang cepat, kontrol integral mempunyai
keunggulan untuk memperkecil error dan kontrol derivative memiliki keunggulan
untuk memperkecil error atau meredam overshot/undershoot. Untuk mendapatkan
keluaran dengan rise time yang cepat dan error yang kecil dapat menggabungkan
ketika kontroller ini.

POLBAN
[7]
Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengontrol P, I dan D
dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi
pengontrol proposional plus integral plus derivative (pengontrol PID). Elemen-
elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk
mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan
perubahan awal yang besar.
Gambar I.9 Blok Diagram Kontroler PID Analog
Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari
ketiga parameter P, I dan D. Pengaturan konstanta Kp, Ti, dan Td akan
mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari
ketiga konstanta tersebut dapat diatur lebih menonjol dibanding yang lain.
Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon
sistem secara keseluruhan
2.2.1 Pengontrol Proporsional
Pengontrol proposional memiliki keluaran yang sebanding atau proposional
dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang di inginkan dengan
harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran
pengontrol proporsional merupakan perkalian antara konstanta proposional dengan
masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segeramenyebabkan sistem
secara langsung mengeluarkan output sinyal sebesar konstanta pengalinya.
Gambar 2.2 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan
antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengontrol

POLBAN
[8]
proporsional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting
dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi pengontrol, untuk
mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif
(memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).
Gambar I.10 Diagram blok kontroler proporsional
Pengontrol proposional memiliki 2 parameter, pita proposional
(propotional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroler efektif
dicerminkan oleh pita proporsional sedangkan konstanta proporsional menunjukan
nilai faktor penguatan sinyal tehadap sinyal kesalahan Kp.
Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional
(Kp) ditunjukkan secara persentasi oleh persamaan berikut:
𝑃𝐵 =
1
𝐾𝑝
× 100%
menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran pengontrol dan kesalahan yang
merupakan masukan pengontrol. Ketika konstanta proporsional bertambah
semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil,
sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit.

POLBAN
[9]
Gambar I.11 Proportional band dari pengontrol proporsional tergantung pada penguatan.
2.2.2 Pengontrol Integral
Pengontrol integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki
kesalahan keadaan stabil nol. Jika sebuah plant tidak memiliki unsur integrator(1/s),
pengontrol proposional tidak akan mampu menjamin keluaran sistemdengan
kesalahan keadaan stabilnya nol. Dengan pengontrol integral, responsistem dapat
diperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keadaan stabilnya nol.
Pengontrol integral memiliki karaktiristik seperti halnya sebuah
integral.Keluaran sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai
sinyalkesalahan. Keluaran pengontrol ini merupakan penjumlahan yang terus
menerusdari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami
perubahan,eluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan
masukan.
Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang dibentuk
oleh kurva kesalahan penggerak. Sinyal keluaran akan berharga sama dengan harga
sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 2.4 menunjukkan contoh
sinyal kesalahan yang dimasukan ke dalam pengontrol integral dan keluaran
pengontrol integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.

POLBAN
[10]
Gambar I.12 Kurva Sinyal Kesalahan E(T) Terhadap T Pada Pembangkit Kesalahan Nol
Pengaruh perubahan konstanta integral terhadap keluaran integral
ditunjukkan oleh Gambar 2.5. Ketika sinyal kesalahan berlipat ganda, maka nilai
laju perubahan keluaran pengontrol berubah menjadi dua kali dari semula. Jika nilai
10 konstanta integrator berubah menjadi lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif
kecil dapat mengakibatkan laju keluaran menjadi besar .
Gambar I.13 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan
2.2.3 Pengontrol Derivative
Keluaran pengontrol Derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi
differensial. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol, akan
mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Gambar 2.6 menunjukkan
blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyalckesalahan dengan
keluaran pengontrol.

POLBAN
[11]
Gambar I.14 Blok diagram pengontrol Derivative
Gambar 2.7 menyatakan hubungan antara sinyal masukan dengan sinyal
keluaran pengontrol Derivative. 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
magnitudnya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp dan faktor
konstanta diferensialnya.
Gambar I.15 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative
Berdasarkan karakteristik pengontrol tersebut, pengontrol derivative
umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak
memperkecil kesalahan pada keadaan stabilnya. Kerja pengontrol derivative
hanyalah efektif pada lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh
sebab itu pengontrol derixxvative tidak pernah digunakan tanpa ada pengontrol lain
sebuah sistem (Sutrisno, 1990, 102).

POLBAN
[12]
2.3 Metoda Tunning PID Ziegler Nichols
Metoda penentuan parameter pengontrol PID Ziegler Nichols memiliki
kelebihan dibandingkan dengan metoda klasik. Salah satu kelebihan tersebut adalah
tidak ditekankannya penurunan model matematik komponen yang akan diatur
(plant). Perhitungan parameter-parameter pengontrol Proportional, Integral, dan
Diferential PID hanya dilakukan untuk menentukan ultimate gain Ku dan ultimate
periode Tu dari respon step sebuah plant. Penalaan parameter kontroller PID selalu
didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (plant). Metoda ini
didasarkan pada reaksi plant yang dikenai seuatu perubahan.
2.3.1 Metode ke-1 Ziegler-Nichols
Metode ke-1 didasarkan pada respon plant terhadap masukan tangga dalam
kalang terbuka. Plant yang tidak mempunyai integrator, menghasilkan kurva
tanggapan terhadap masukan tangga seperti kurva huruf S pada Gambar 2. Kurva
tanggapan plant digunakan untuk mencari waktu tunda L dan konstanta waktu T.
Gambar I.16 Kurva Tanggapan Berbentuk S.
Parameter-parameter yang didapat dari kurva reaksi digunakan untuk
menentukan parameter parameter pengendali PID berdasarkan tetapan empiris
Zielger-Nichols. Rumus-rumus untuk parameter pengendali menggunakan metode
kurva reaksi ditabelkan pada Tabel 1.
Tabel I.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1
Pengendali Kp Ti Td
P 1/a - -
PI 0,9 /a 3L -
PID 1,2 /a 2L L/2

POLBAN
[13]
2.3.2 Metode ke-2 Ziegler-Nichols
Pada metode ke-2, penalaan dilakukan dalam kalang tertutup 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 dengan amplitudo
yang sama. Nilai kritis Kp ini disebut sebagai ultimated gain.
Tanggapan keluaran yang dihasilkan pada 3 kondisi penguatan proporsional
ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem dapat berosilasi dengan stabil pada saat Kp =
Ku.
Gambar I.17 Karakteristik Keluaran Suatu Sistem Dengan Penambahan Kp
Nilai ultimated period, Tu, diperoleh setelah keluaran sistem mencapai
kondisi yang terus menerus berosilasi. Nilai perioda dasar, Tu, dan penguatan dasar,
Ku, digunakan untuk menentukan konstanta-konstanta pengendali sesuai dengan
tetapan empiris Ziegler-Nichols pada Tabel 2.
Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-2
Pengendali Kp Ti Td
P Ku/2 - -
PI 2Ku /5 4Tu / 5 -
PID 3Ku /
5
Tu / 2 3Tu/25

POLBAN
[14]
2.4 Cara Men-Tunning
metoda tuning PID controller untuk menentukan nilai proportional gain Kp,
integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan karakteristik respon transient
dari sebuah plant atau sistem. Metoda ini akan memberikan nilai overshoot sebesar
25% pada step response, seperti gambar di bawah.
Gambar II.18 Gambar 1. Overshoot 25%
Metoda ini terdiri dari 2 macam :
a. Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step,
hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, lihat gambar 2. Jika
kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan. Kurva
bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu tunda
L dan time constant T. Kedua parameter tersebut diperoleh dengan
menggambar garis tangensial pada titik infleksi kurva S, lihat gambar 3.
Garis tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis
c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa melakukan pendekatan fungsi transfer
dalam first order sebagai berikut :
Gambar I.19 Kurva S

POLBAN
[15]
Gambar I.20 Penentuan paameter L dan T
Gambar I.21 Formula PID
b. Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan
proportional band saja. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp
yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut
sebagai critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal output akan
teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti
terlihat di bawah ini.

POLBAN
[16]
Gambar I.22 Sistem Teredam
Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan membesar,
seperti gambar di bawah
Gambar I.23 Sistem Tidak Teredam
Jika dengan metoda ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten, maka metoda
ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh nilai critical gain Kcr dan
periode kritis Pcr, lihat gambar 6 dan tabel 2. Berdasarkan nilai ini, kita dapat
menentukan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus di bawah :

POLBAN
[17]
Gambar I.24 Persamaan ZN-Tipe 2
Gambar I.25 Osilasi Konsisten
Tabel II.3 Acuan Men-Tunning

POLBAN
[18]
BAB III
METODELOGI PENYELESAIAN
3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi
Gambar I.26 Plant Pengendalian Posisi
Modul Sistem Kendali Posisi merupakan sebuah sistem yang terdiri atas
motor servo. Prinsip kerja dari modul ini adalah input didapatkan secara manual
dari potensiometer yang terdapat pada motor driver, atau didapatkan dari setpoint.
Tegangan input akan menggerakkan motor servo. sensor posisi yang terdapat pada
modul ini akan mengeluarkan output 1V setiap perubahan 1cm.
3.2 Spesifikasi Modul Sistem Pengendalian Posisi
Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi
Catu Daya 15 Volt
Aktuator Motor Servo
Sensor Sensor Posisi ( 1V / 1 cm)
Posisi Maksimum 5 cm
Posisi Minimum -5cm

POLBAN
[19]
3.3 Diagram Blok
Set Point Plant
Feedback
Input Output
+-
Gambar I.27 Diagram Blok
3.4 Langkah Percobaan (Metodelogi Eksperimental) :
1. Siapkan alat dan bahan yang akan digunakan.
2. Periksa dan pastikan modul yang digunakan dalam kondisi baik dengan
cara memeriksa menggunakan multimeter. Memeriksa setiap output
setiap modul.
3. Merangkai modul berdasarkan gambar. Power Supply, Set Point,
Modul PID, Power Amplifier, dan Modul Sistem Kendali Posisi.
4. Jalankan program MATLAB dan ARDUINO yang sudah diinstal
sebelumnya.
5. Menghubungkan Arduino ke laptop/PC.
6. Upload file adio.pde pada Arduino.
7. Atur agar arduino terhubung pada MATLAB.
8. Buka tool Simulink dan buat rangkaian seperti ini
Gambar I.28 Plant Kendali Posisi

POLBAN
[20]
 Berikut Simulink untuk output +5V sampai -5V
9. Berikut Simulink untuk output +10V sampai -10V
10. Pada Lowpass Filter atur seperti pada gambar dibawah.
Gambar I.29 Simulink 1
Gambar I.30 Simulink 2
Gambar I.31 Lowpass Filter

POLBAN
[21]
11. Koneksikan Arduino dengan Plant dan sabungkan port A0 pada output
setpoint dan A5 pada output sistem kendali posisi.
Gambar I.32 Konfigurasi Arduino pada Plant
12. Mengatur Set Point sesuai dengan yang diinginkan.
13. Menjalankan Simullink dan menjalankan plant.
14. Mencari nilai T dan L atau Kcr dan Pcr dari hasil desain awal.
15. Menghitung nilai Kp, Ti, dan Td.

POLBAN
[22]
16. Jika sudah didapat nilai Kp, Ti, dan Td, dengan waktu nyata selanjutnya
gunakan PID Controller pada rangkaian. Dan lakukan Tunning manual
Mengamati dan mencatat hasil dari desain ZN tipe 1.
Gambar I.33 Modul PID
17. Langkah percobaan untuk mendesain dengan menggunakan ZN tipe II
sama halnya dengan ZN tipe I, hanya saja menentukan Kcr dan Pcr dan
untuk nilai Kp nya yang berbeda.

POLBAN
[23]
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Tipe I
Gambar I.34 Respon Awal Kendali
Gambar I.35 Menentukan Nilai X1 dan X2
X1 X2
41 304.8
Tabel II.5 Nilai X1 dan X2
ZN-1
L T Kp Ti Td Ki Kd
8.2 263.8 38.60488 16.4 4.1 2.353956 158.28
Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu nyata
Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
X: 304.8
Y: 1.322
X: 41
Y: 0.002547
X: 33.4
Y: 0.0001916
X: 632
Y: 1.842

POLBAN
[24]
 Berikut Respon Gelombang Hasil Tuning Manual
Gambar I.36 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning
Dengan :
ZN-1
L T Kp Ti Td Ki Kd
8.2 263.8 79 16 4
2.35395
6
158.28
Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
-1
0
1
2
3
4
5
6

POLBAN
[25]
4.2 Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Tipe II
Gambar I.37 Respon Awal dan Menentukan X1 X2
ZN-2
Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd
98 9.2 58.8 4.6 1.15 12.78261 67.62
Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu
nyata
Tabel II.8 Hasil Perhitungan ZN Tipe II
 Berikut Hasil Respon Gelombang setelah di Tuning Manual
Gambar I.38 Respon Gelombang Hasil Tuning Manual
ZN-2
Kcr Pcr Kp Ti Td Ki Kd
98 9.2 81 4.6 1.15 12.78261 67.62
Tabel II.9 Hasil Manual Tuning
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5
X: 11.8
Y: 4.882
X: 21
Y: 4.885
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14

POLBAN
[26]
4.3 Desain Kendali dengan Coohen-Coon
Gambar I.39 Respon Awal dengan Coohen-Coon
*Note : Untuk desain kendali menggunakan Coohen-Coon, saya beserta rekan
saya belum dapat menyelesaikannya dikarenakan waktu yang terbatas saat
praktikum. Namun dapat dilihat respon gelombang sudah terlihat.
4.4 Menggunakan Script-MATLAB
 Koneksikan Arduino pada MATLAB.
 Karena keluaran Arduino hanya 0-5V kemudian set 2,5 V x 4 pada SET
POINT sehingga keluaran menjadi -10V sampai 10V.
 Masukan Script programming berikut pada Matlab
clf
Ts = 0.01 ;
pinMode(a,6,'output')
pinMode(a,13,'output')
digitalWrite(a,13,1);
Kp = 87;
Ki = 0;
Kd = 0;
error_sebelum = 0;
errorI_sebelumnya = 0;
y1 = 0;
y2 = 0;
t =0;
x=0;
analogWrite(a,6,128);
start=digitalRead(a,10);
while (start==1)
x=x+1;
SP =
analogRead(a,0)*(0.0049);
PV = analogRead(a,5);
PV = PV*0.0049;
error = SP - PV;
errorI_sekarang = ((error +
error_sebelum)/2)*Ts;
errorI = (errorI_sekarang)
+ (errorI_sebelumnya);
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8

POLBAN
[27]
errorD = (error -
error_sebelum)/Ts;
outP = Kp * error;
outI = Ki * errorI;
outD = Kd * errorD;
outPID = outP + outI +
outD;
if outPID > 10
outPID = 10;
else
outPID = outPID;
end
if outPID < -10
outPID = -10;
else
outPID = outPID;
end
outPID=(outPID+10)/4;
outPID = round(outPID*51);
analogWrite(a,6,outPID);
pause (0)
y1 = [y1,SP];
y2 = [y2,PV];
t = [t,x];
plot(t,y1,t,y2);
axis ([0 3000 0 5]);
grid
drawnow;
error_sebelum=error;
errorI_sebelumnya=errorI;
start=digitalRead(a,10);
end
analogWrite(a,6,128);
Gambar I.40 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning
PID Script
L T Kp Ti Td Ki Kd
8.2 263.8 87 16.4 4.1 16 41
Keterangan : 100 detik di matlab = 4 detik waktu nyata
Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5

POLBAN
[28]
4.5 Menggunakan Stand Alone Arduino
 Ukur Set-Point atur menjadi 2.5 V dan atur juga pada modul PID dengan
menset nilai Kp = 4 Ti dan Td = 0 pada posisi saklar OFF. Kemudian ukur
keluaran pada modul PID sehingga menjadi 10 V. Nilai keluaran 10 V
tersebut berasal dari hasil pengalian tegangan Set-Point dengan modul PID.
Itu bertujuan untuk menggantikan tegangan yang diberikan oleh Arduino
yang terbatas sebesar 5 V sehingga dilakukan pengalian tegangan dengan
tujuan memberi tegangan yang sesuai dengan plan yaitu -10 - 10 V.
 Masukan Script programming berikut pada Arduino.
#include
<LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12,
11, 5, 4, 3, 2);
int Output = 6;
float Ts = 0.01;
float Kp = 87;
float Ti = 0;
float Td = 0;
float Ki = 0;// Kp/Ti;
float Kd = 0;// Kp*Td;
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 () {
lcd.begin(16, 2);
pinMode (6,OUTPUT);
}
void loop () {
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("SP=");
lcd.setCursor(6,0);
lcd.print(Setpoint1);
lcd.setCursor(11,0);
lcd.print("mm");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("PV=");
lcd.setCursor(6,1);
lcd.print(Feedback1);
lcd.setCursor(11,1);
lcd.print("mm");
Setpoint = analogRead
(A0);

POLBAN
[29]
Setpoint1 =
Setpoint*0.0049*10;
Feedback = analogRead
(A1);
Feedback1 =
Feedback*0.0049*10;
error = Setpoint1 -
Feedback1;
errorIsekarang =
error+errorsebelum;
errorIsekarang1 =
errorIsekarang/2;
errorIsekarang2 =
errorIsekarang1*Ts;
errorI = errorIsekarang2
+ errorIsebelum;
errorD1 = error -
errorsebelum;
errorD = errorD1/Ts;
outP = Kp*error;
outI = Ki*errorI;
outD = Kd*errorD;
outPID = outP + outI +
outD;
//outPID =
outPIDsebelum;
if(outPID>=10)
{
outPIDsebelum=10;
}
else if(outPID<=-10)
{
outPIDsebelum=-10;
}
else
{
outPIDsebelum=outPIDsebe
lum;
}
float
outPIDsebelum1=(outPIDse
belum+10);
outPID=outPIDsebelum1/4;
outPID=outPIDsebelum*51;
analogWrite(6,outPID);
errorsebelum=error;
errorIsebelum=errorI;
}
 Masukan persamaan pengali tegangan pada Arduino seperti berikut :
RUMUS : outPID=(outPID+10)/4;
 Koneksikan Arduino dengan Laptop, kemudian pada Arduino klik Upload
dan lihat gelombang pada Serial-Monitor.

POLBAN
[30]
 Berikut Hasil program pada Serial-Monitor. Terlihat nilai keluaran antara
Set-Point dan Feedback mempunyai nilai yang sama. Itu menunjukan
sistem berjalan dengan baik dan stabil.
Gambar I.41 Hasil pada Serial Komputer

POLBAN
[31]
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan
antara lain :
1. Pada metoda desain ZN-Tipe 1, dengan menaikkan nilai Kp, Td, dan Kd
maka dapat menurunkan overshoot dan mengurangi risetime. Terlihat
pada gambar hasil desain yang di tunning secara manual.
2. Metoda desain ZN-Tipe 2 berbanding terbalik dengan ZN-Tipe 1. Untuk
menghasilkan desain kendali yang baik maka pada ZN-Tipe 2 harus
menurunkan nilai Kp, Ti, dan Kd.
3. Dengan menggunakan script programming dapat membantu dalam
proses mendesain kendali.
4. Serta untuk merealisasikan kendali dapat di aplikasikan pada Stand
Alone Arduino.
5. Dan untuk dapat mendesain kendali baik dibutuhkan ketelitian dan
kesabaran serta insting seorang engineer.
5.2 Saran
Beberapa saran dari penulis untuk praktikum sistem kendali yaitu :
1. Setiap modul yang digunakan dirawat dan dijaga kondisinya agar ketika
praktikum dapat berjalan dengan lancar.
2. Setiap mahasiswa mempunyai handbook praktikum agar hasil
praktikum dapat tersusun rapih.

POLBAN
[32]
DAFTAR PUSTAKA
[1] Zen, R. (2008). Pemodelan Sederhana. - , 1.
[2]Steven. (2011). Perancangan simulator lift gedung 6 lantai menggunakan
Mikrokonttroller ATMega 8535. Makalah seminar tugas besar , 3.
[3]Tama, P. E. (2013). PID (proportional-Integral-Derivative) Controller.
[4]Ali, M. (2004). Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID Dengan
Software MATLAB.
Metoda Tunning Ziegler Nichols. (2011, Mei 9). Dipetik January 11, 2015, dari
Sistem Instrumentasi dan Kontrol:
http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-ziegler-
nichols.html.
Wijaya, E. C. (2004). Auto Tuning PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols
Menggunakan Mikrokontroler AT89S52 pada Pengendalian Suhu.
Referensi : Guntur Kurniawan. Laporan Ahir Sistem Kendali Digital 2014.

SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (12)

Similar to SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi

Similar to SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi