PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI KONTINYU & DIGITAL PADA PLANT DEBIT AIR DENGAN METODE ZIEGLER-NICHOLS & COOHEN-COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO

1. 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 Digital Semester 4
DIPLOMA III PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA
JURUSAN ELEKTRO
Oleh :
Rahmawati Zakiyah
131311056
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015

2. MOTTO
“Seseorang akan dikatakan berhasil didunia ini adalah jika
seseorang tersebut selalu berbuat kebaikan kepada diri sendiri
dan orang lain”
"Jika kita berfikir bisa!
Maka akan ada jalan untuk meraihnya.”

3. i
ABSTRAK
Kontroler PID adalah kontroler yang sampai sekarang masih banyak
digunakan di dunia industri. Sehingga di dunia pendidikan juga mempelajari
sistem kontrol. Suatu sistem yang dirancang tidak selalu menghasilkan respon
atau output yang sesuai dengan perancangan. Dibutuhkan suatu pengendalian
untuk mengurangi error yang didapat agar sistem bisa stabil sesuai dengan hasil
output yang diharapkan. Contohnya menggunakan Kontroler PID. Hal yang
penting pada desain kontroler PID ini ialah menentukan parameter kontroler atau
tuning . Beberapa metode yang digunakan untuk mendesain sistem kendali yang
menggunakan tiga parameter yaitu Popotional – Integratif – Derivatif (PID)
adalah metode Ziegler-Nichols dan Cohen-Coon. Selain itu, Skrip Matlab dan
Skrip Arduino (Stand Alone) adalah metode pengembangan sistem kendali yang
lebih efektif. Skrip 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. Sedangkan untuk pemrograman PID
pada Arduino memungkinkan Arduino dapat menggerakkan sistem tanpa
bantuan/dihubungkan ke komputer. Misal dalam mengendalikan sitem kendali
debit air dapat diaplikasikan pada industri-industri seperti, pengukuran debit pada
saluran irigasi dan menghitung waktu untuk mengairi lahan sawah, daalam
pengukuran sirkulasi bendungan, pengisian tangki air/minyak dan sebagainya.
Kata Kunci : Kontrol PID, Sistem Kendali, Ziegles Nichols, Cohen Coon, Skrip
Matlab, Skrip Arduino, Debit Air.
iii

4. ii
ABSTRACK
PID controller is a controller that is still widely used in industry. So in the
world of education is also studying the control system. A system that was designed
does not always produce a response or output in accordance with the design. It
takes a control to reduce the error obtained for the system can be stabilized in
accordance with the results expected output. For example using a PID controller.
It is important at this PID controller design is to determine the parameters of the
controller or tuning. Some methods used to design the control system which uses
three parameters, namely Popotional - Integrative - Derivative (PID) is a method
of Ziegler-Nichols and Cohen-Coon. In addition, Matlab scripts and script
Arduino (Stand Alone) is a method of developing a more effective control system.
Matlab scripts used to run the system that has been stable, in the sense that
already contains a price Kp, Ki and Kd appropriate. So the response obtained
from the system have a rise time, settling time, overshoot, and steady-state error is
small. As for the PID programming allows Arduino Arduino can move without
assistance systems / connected to a computer. For example in controlling water
flow control system can be applied to industries such as discharge measurements
in irrigation and calculate the time to irrigate the paddy fields, daalam circulation
measurement dams, filling water tank / oil and etc.
Keywords : PID Control, Control Systems, Ziegles-Nichols, Cohen-Coon, Script
Matlab, Script Arduino, Debit Water.
iiii

5. iii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah rasa puji dan syukur yang sangat mendalam, penulis
panjatkan kepada Allah SWT. Karena atas ijin dan ridho-Nya telah memberikan
kepada penulis untuk dapat menyelasaikan Laporan Akhir Mata Kuliah Sistem
Kendali dan Digital (SKD) yang berjudul “Perancangan Dan Realisasi Sistem
Kendali Kontinyu & Digital Pada Plant Debit Air dengan Metode Ziegler-
Nichols & Coohen-Coon menggunakan Matlab dan Arduino”. Sholawat
beserta salam semoga tetap dicurah limpahkan kepada jungjunan kita semua Nabi
Muhammad SAW, kepada keluarga-Nya, sahabat-Nya, serta kita selaku umat-
Nya.
Pembuatan laporan ini bertujuan untuk memenuhi salah satu satu syarat
menyelesaikan mata kuliah SKD. Penulis juga menyadari dan yakin tidak sedikit
bahasa dari uraian penulis yang kurang lengkap dan jauh dari kata sempurna,
untuk itu penulis selaku penyusun mengharapkan kritik maupun saran yang
membangun baik dari tim pengajar, dan rekan-rekan pembaca semuanya guna
meningkatkan pengetahuan penulis dan perbaikan dimasa yang akan datang serta
demi sempurnanya laporan ini.
Berbagai bantuan dari berbagai pihak, sangat penulis rasakan dalam
pembuatan Laporan Akhir SKD ini. Maka pada kesempatan ini, penulis ingin
mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada :
1. Keluargaku tercinta, terutama Ayah dan Ibu yang sangat penulis hormati dan
banggakan, yang selalu mendo’akan, memberi dukungan baik 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. Ibu Iyom. Selaku teknisi laboraturium elektronika yang selalu membantu
dalam penyediaan peralatan yang dibutuhkan selama praktikum.
iiiii

6. iv
4. Bapak Tete. Selaku penjaga laboraturium elektronika yang selalu sabar
menunggu penulis dan rekan lainnya selama praktikum.
5. Mohammad Iqbal Tri Wijaya. Selaku partner selama praktikum SKD.
6. Rekan-rekan Ec-2B 2013 yang selalu memberikan dukungan dan semangat
kalian kepada penulis.
7. Seluruh pihak yang membantu dan mendukung yang tidak dapat disebutkan
satu persatu.
Akhir kata, penulis berdo’a semoga segala bantuan, bimbingan dan
dorongan yang diberikan pihak-pihak diatas bisa mendapat imbalan yang berlipat
ganda dari Allah SWT dan Laporan Akhir SKD ini bisa bermanfaat bagi kita
semua, khususnya bagi penulis dan umumnya bagi para pembaca.
Garut, Juli 2015
Penulis
i

7. v
DAFTAR ISI
Halaman
COVER
MOTTO
ABSTRAK .........................................................................................................i
ABSTRACK ......................................................................................................ii
KATA PENGANTAR ......................................................................................iii
DAFTAR ISI......................................................................................................v
DAFTAR TABEL ............................................................................................vii
DAFTAR GAMBAR . .....................................................................................viii
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang......................................................................................1
1.2 Rumusan Masalah.................................................................................2
1.3 Tujuan ...................................................................................................2
1.4 Sistematika Laporan..............................................................................3
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Debit Air ..............................................................................................4
2.2 Sistem Kendali PID...............................................................................4
2.3 Matlab...................................................................................................6
2.4 Metode Ziegler-Nichols........................................................................7
2.4.1 Metode Ziegler-Nichols Tipe 1..................................................7
2.4.2 Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 .................................................8
2.5 Metode Cohen-Coon.............................................................................9
2.6 Metode PID Skrip Matlab dan Skrip Arduino ......................................10
2.7 Arduino UNO........................................................................................11
BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
3.1 Diagram Blok Sistem............................................................................13
3.2 Alat dan Modul yang Digunakan..........................................................13
3.3 Uraian Materi........................................................................................14
3.3.1 Modul Catu Daya (PS-1) ............................................................14
3.3.2 Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1) .......................15
i
vi

8. vi
3.3.3 Modul PID (PID-1) ....................................................................15
3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-1) ......................................................16
3.3.5 Modul Sistem Kendali Debit Air (Twp-4)..................................17
3.4 Perancangan ..........................................................................................17
3.4.1 Sistem Kendali Ziegler-Nichols Tipe 1.......................................17
3.4.2 Sistem Kendali dengan Skrip Matlab .........................................20
3.4.3 Sistem Kendali Ziegler-Nichols Tipe 2.......................................22
3.4.4 Sistem Kendali Cohen Coon.......................................................24
3.4.5 Sistem Kendali Skrip Arduino (Stand Alone) ............................26
BAB IV HASIL PEMBAHASAN
4.1 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler-Nichols Tipe 1....................29
4.2 Sistem Kendali Debit Air dengan Skrip PID ........................................31
4.3 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler-Nichols Tipe 2....................35
4.4 Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon ....................................39
4.5 Sistem Kendali Debit Air menggunakan Arduino dengan Metode
Stand Alone Controller .........................................................................41
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ...........................................................................................46
5.2 Saran .....................................................................................................47
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................48

9. vii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel II.1 Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter........6
Tabel II.2 Penalaan Parameter PID dengan Metode Cohen Coon......................10
Tabel III.1 Parameter Kp, Ki, Kd........................................................................20
vii

10. viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar II.1 Simbol Matlab ................................................................................6
Gambar II.2 Kurva S...........................................................................................7
Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T.........................................................8
Gambar II.4 Blok Diagram Sistem Close Loop..................................................9
Gambar II.5 Kurva Respon Quarter Amplitude Decay ......................................9
Gambar II.6 Respon Awal pada Metode Cohen Coon........................................9
Gambar II.7 Sistem Kendali pada Metode Cohen Coon ....................................10
Gambar II.8 Grafik Nilai gp, Ԏd dan Ԏ..............................................................10
Gambar II.9 Tampilan Sistem Kendali Debit Air pada LCD .............................11
Gambar II.10 Kofigurasi Arduino Uno..............................................................12
Gambar III.1 Diagram Blok Sistem Kendali Debit Air .....................................13
Gambar III.2 Modul Catu Daya .........................................................................14
Gambar III.3 Modul Setpoint (RVG-1)...............................................................15
Gambar III.4 Modul PID-1 .................................................................................16
Gambar III.5 Modul Penguat Daya (PA-1).........................................................16
Gambar III.6 Modul Debit Air (TwP-4) .............................................................17
Gambar III.7 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air.................................18
Gambar III.8 Skematik Rangkaian Pembagi Tegangan .....................................18
Gambar III.9 Rangkaian Pembagi Tegangan......................................................18
Gambar III.10 Rangakain Modul Debit Air........................................................19
Gambar III.11 Rangkaian Modul Debit Air dengan PID....................................20
Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan Menggunakan
Skrip Matlab dan Arduino Uno...................................................21
Gambar III.13 Arduino Uno saat Koneksi dengan Modul..................................21
Gambar III.14 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Metoda
Ziegler-Nichols Tipe 2 ................................................................23
Gambar III.15 Rangkaian Modul Debit Air dengan Feedback..........................23
Gambar III.16 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon...25
Gambar III.17 Rangkaian Pembagi Tegangan....................................................25
Gambar III.18 Rangkaian Modul Debit Air dengan Metode Cohen Coon........26
viii

11. ix
Gambar III.19 Rangkaian Sistem Kendali Debit Air..........................................27
Gambar III.20 Langkah Upload Skrip ...............................................................27
Gambar III.21 Rangkaian Sistem Kenali Debit Air yang Terhubung dengan
Shield, Arduino dan Laptop ................................................28
Gambar IV.1 Respon Awal saat Menentukan Waktu Asli ................................29
Gambar IV.2 Proses Desain dengan Metode ZN-1.............................................29
Gambar IV.3 Hasil Perhitungan di Exel .............................................................30
Gambar IV.4 Gelombang Keluaran di Scope dengan menggunakan PID ..........30
Gambar IV.5 Gelombang Keluaran setelah dilakukan Tuning Manual..............31
Gambar IV.6 Skrip yang menentukan pin output arduino, time sampling dan
parameter PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya) .........31
Gambar IV.7 Skrip yang menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara
berulang menggunakan while .......................................................32
Gambar IV.8 Skrip yang menentukan nilai PID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan
membulatkan nilai hasil keluaran dari PID....................................32
Gambar IV.9 Skrip yang membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan
Plot Respon dan Setpoint dan Skrip penutup pada Program ........33
Gambar IV.10 Grafik Keluaran Kondisi Awal ...................................................33
Gambar IV.11 Grafik Keluaran saat Potensio dirubah-rubah ............................34
Gambar IV.12 Grafik Keluaran Saat Kondisi Ts = 0,051809 ...........................34
Gambar IV.13 Grafik hasil dari Metoda Manual Tunning ................................34
Gambar IV.14 Hasil Respon Steady State saat Respon Mulai Osilasi ...............35
Gambar IV.15 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi ............35
Gambar IV.16 Hasil Perhitungan saat Respon Mulai Osilasi ............................36
Gambar IV.17 Hasil Perhitungan saat Respon Berosilasi .....................................36
Gambar IV.18 Kondisi Awal saat Respon Mulai Osilasi ...................................36
Gambar IV.19 Kondisi saat Setpoint dirubah (Sebelum Osilasi)........................37
Gambar IV.20 Kondisi Awal saat Respon Osilasi..............................................37
Gambar IV.21 Kondisi saat Setpoint dirubah (Saat Osilasi)...............................38
Gambar IV.22 Hasil Perhitungan saat Metode Manual Tuning..........................38
Gambar IV.23 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi 3.................9
Gambar IV.24 Hasil Respon Awal Cohen Coon ................................................39
Gambar IV.25 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon ..............................40
Gambar IV.26 Hasil Perhitungan saat Menentukan Parameter PID ..................40

12. x
Gambar IV.27 Hasil Respon Akhir Metode Cohen Coon ..................................41
Gambar IV.28 Skrip pada Aplikasi Arduino Untuk menentukan Pin I/O Arduino,
Time Sampling dan Parameter PID (nilai berdasarkan praktikum
Unit 6) .........................................................................................42
Gambar IV.29 Hasil Proses Perbandingan Setpoint dan Feedback di Serial
Monitor .......................................................................................43
Gambar IV.30 Skrip Untuk Menampilkan di LCD............................................45
Gambar IV.31 Hasil Display Debit Air pada LCD ............................................45

13. 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi yang semakin pesat telah membawa banyak
pengaruh dalam berbagai aspek kehidupan terutama di industri. Sehingga hampir
semua alat di setting secara otomatis dan dikendalikan oleh sebuah sistem[1]
.
Sebagai contoh sistem kendali debit air, digunakan untuk mengetahui banyak air
yang mengalir persatuan waktu. Contoh aplikasi diantaranya, dalam pengukuran
debit pada saluran irigasi dan menghitung waktu untuk mengairi lahan sawah,
daalam pengukuran sirkulasi bendungan, dalam pengisian tangki air/minyak bumi
dan sebagainya.
Salah satu cara untuk sistem kendalinya yaitu kontroler PID, dimana
kontroler PID adalah kontroler berumpan balik yang paling populer di dunia
industri. Selama lebih dari 50 tahun, kontroler PID terbukti dapat memberikan
performansi kontrol yang baik meski mempunyai algoritma sederhana yang
mudah dipahami. Hal krusial dalam desain kontroler PID ialah tuning atau
pemberian parameter P, I, dan D agar didapatkan respon sistem yang kita
inginkan.
Pada praktikum yang telah dilakukan, penulis melakukan perancangan
yaitu menggunakan software Matlab. Matlab dapat digunakan untuk simulasi
sebagai alat untuk mempelajari dasar-dasar kendali PID sebelum dihubungkan
langsung pada plant. Matlab yang dilengkapi Control Toolbox, membantu
perancang untuk melihat respon berbagai kombinasi konstanta dengan variasi
input yang berbeda. Penggunaan MatLab ini sangat membantu perancang dalam
menentukan kombinasi di antara P, I, dan D Controller untuk menghasilkan
sistem pengaturan yang baik dan sederhana.
Pada tahun 1942, Ziegler-Nichols mengembangkan metode kurva reaksi
(open loop tuning ) di mana kita bisa mendapatkan parameter P, I, D dari respon
open loop sistem (tidak perlu mengetahui model plant). Sementara Cohen Coon
1

14. 2
juga mengembangkan metode eksperimental dimana hasilnya akan memberikan
overshoot yang meluruh seperempat bagian[2]
.
Kemudian muncul metode tuning yang berdasar model plant. Untuk
mengamati performansi suatu sistem, parameter-parameter berikut sering
digunakan : maximum overshoot, error steady state , rise time dan settling time.
Sehingga dalam prakteknya apabila metode ZN 1,2 dan CC terdapat error maka
dapat dilakukan manual tuning.
Selain itu, MATLAB dan arduino dapat saling berhubungan melalui
komunikasi serial. Arduino UNO merupakan mikrokontroler yang digunakan
untuk mengkomunikasikan skrip dan simulink yang telah dirancang oleh matlab
sebelumnya, dengan modul kendali debit air. Arduino yang telah menerima
perintah dari Matlab akan memberikan perintah-perintah terbut pada modul/plant
yang dihubungkan dengan Arduino UNO. Selain dari itu, dengan tanpa
menggunakan skrip matlab dan hanya menggunakan skrip arduino juga bisa
menjalankan sebuah sistem kendali debit air yaitu dengan menggunakan metode
stand alone controller dimana suatu sistem kendali sudah tidak dilibatkan dengan
piranti seperti laptop, komputer dan alat-alat yang mungkin membuat sistem
kendali itu terlihat menarik dan simpel (Embedded System).
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang dan tujuan yang ingin dicapai, berikut
merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini.
1. Bagaimana respon sistem debit air sebelum dan sesudan menggunakan PID.
2. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali debit air.
3. Bagaimana perbandingan hasil respon dari masing-masing metoda yang
digunakan.
1.3 Tujuan
Tujuan dari percobaan ini adalah melakukan pengujian dan penerapan
sistem kendali PID pada suatu modul sistem kendali debit air dengan

15. 3
menggunakan metoda Ziegler Nichols tipe 1 dan 2, Cohen Coon, Skrip PID dan
Stand Alone.
1.4 Sistematika Laporan
Adapun sistematika penulisan Laporan Akhir ini adalah :
BAB I PENDAHULUAN
Dalam bab ini akan dibahas mengenai latar belakang, rumusan masalah,
tujuan, dan sistematika penulisan.
BAB II LANDASAN TEORI
Dalam bab ini akan dibahas secara umum mengenai teori dasar yang
mendukung pelaksanaan praktikum seperti : Sistem Kendali, PID, Matlab, Metode
Ziegler Nichols, Metode Cohen Coon, Metode PID Script, Metode Stand Alone,
Manual Tunning, dan Arduino.
BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
Dalam bab ini diuraian rincian tentang langkah-langkah dan metodologi
penyelesaian masalah, bahan dan alat yang dipergunakan, metoda pengambilan
data, proses pengerjaan dan masalah yang dihadapi disertai dengan cara
penyelesaiannya.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam bab ini berisikan tentang hasil dari praktikum dan pembahasannya.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Dalam bab ini berisikan kesimpulan secara keseluruhan dari hasil yang
telah dicapai dari tujuan laporan. Saran dibuat berdasarkan pengalaman penulis
ditujukan kepada para mahasiswa/peneliti dalam bidang sejenis yang ingin
melanjutkan atau mengembangkan penelitian yang sudah dilaksanakan.

16. 4
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Debit Air
Debit adalah besaran yang menyatakan volum fluida yang mengalir
melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu tertentu. Sehingga debit air
adalah kecepatan aliran zat cait per satuan waktu. Pengendalian debit air pada
dasarnya dapat dilakukan dengan berbagai cara, namun yang terpenting adalah
mempertimbangkan secara keseluruhan dan mencari sistem yang paling optimal[3]
.
Kegiatan pengendalian debit air berdasarkan daerah pengendalian dapat
dikelompokkan menjadi dua, yaitu [3]
:
1. Bagian hulu, yaitu dengan membuat bangunan pengendali debit air yang
dapat memperlambat waktu tiba debit air dan menurunkan besarnya debit air,
dan pembuatan waduk lapangan atau kolam penampungan air yang dapat
merubah pola hidrograf debit air serta penghijauan di Daerah Aliran Sungai
(DAS).
2. Bagian hilir, yaitu dengan melakukan normalisasi sungai dan tanggul, sudetan
pada aliran kritis, pembuatan alur pengendalian debit air, serta pemanfaatan
daerah genangan untuk retarding basin.
2.2 Sistem Kendali PID
Sistem Kendali merupakan hubungan antara komponen yang membentuk
sebuah konfigurasi sistem, yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang
diharapkan. Jadi harus ada yang dikendalikan, yang merupakan suatu sistem fisis,
yang biasa disebut dengan kendali (plant) .
Pada sistem kendali terdapat 2 sistem :
1. Sistem Loop Terbuka
2. Sistem Loop Tertutup
Sedangkan dalam sistem kontrol terdapat banyak macam jenis. Salah
satunya yang sekarang dipelajari adalah kendali PID. Sistem kontrol PID
(Propotional-Integral-Derivative Controller) merupakan controller untuk
menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan adanya umpan balik
4

17. 5
(feedback) pada controller. Dalam mendesain controller kita dapat mengatur
pengaturan PID untuk mendapatkan sinyal yang kita inginkan. Parameter-
parameter pengendalian sistem :
1. Set point, merupakan elemen yang digunakan untuk menyatakan nilai yang
dikehendaki atau nilai referensi dari variabel dinamik atau variabel yang
dikendalikan dari suatu sistem.
2. Respon, bisa dikatakan sebagai plant karena respon adalah sebuah tanggapan
atau balasan terhadap sebuah rangsangan.
3. Overshoot, merupakan nilai yang dipakai sistem kontrol ketika pertama kali
mencapai nilai set point, dan selalu lebih besar dari nilai set point.
4. Rise time, adalah ukuran waktu yang diukur mulai dari respon t=0 sampai
dengan respon memotong sumbu steady state.
5. Settling Time, waktu yang dibutuhkan bagi sistem kontrol untuk kembali
kepada nilai set point.
6. Steady-state, merupakan kondisi dimana sewaktu sifat-sifat suatu sistem tak
berubah dengan berjalannya waktu (konstan).
7. Error Steady-state, merupakan jarak antara set point dengan nilai respon
ketika keadaan dalam keadaan steady-state.
Pengaruh perubahan konstanta parameter-parameter PID sangat
berpengaruh pada respon. Adapun penjelasannya sebagai berikut [4]
:
1. Kontrol Proporsional
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.
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 ketidak stabilan sistem. Pemilihan
Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena
menambah orde sistem.

18. 6
3. Kontrol Derivatif
Kontrol Derivatif 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.
Tabel II.1 Respon Kendali PID terhadap Perubahan Konstanta Parameter
2.3 Matlab
MATLAB merupakan bahasa canggih untuk komputasi teknik. MATLAB
merupakan integrasi dari komputasi, visualisasi dan pemograman dalam suatu
lingkungan yang mudah digunakan, karena permasalahan dan pemecahannya
dinyatakan dalam notasi matematika biasa. Kegunaan MATLAB secara umum
adalah untuk [5]
:
1. Matematika dan komputasi
2. Pengembangan dan algoritma
3. Pemodelan, simulasi dan pembuatan prototype
4. Analisa data, eksplorasi dan visualisasi
5. Pembuatan apilikasi termasuk pembuatan graphical user interface
Gambar II.1 Simbol Matlab [5]
Perintah MATLAB dapat dituliskan langsung pada prom pt
commandwindow atau dalam bentuk M-file. Penulisan pada command window
dilakukan hanya untuk operasi komputasi yang sederhana. Sementara untuk
operasi komputasi yang panjang dan kompleks lebih sering dituliskan dalam M -
file dimana file ini dapat diedit dan dipanggil setiap saat oleh MATLAB.

19. 7
MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman
yang canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan tugas
pengolahan sinyal, aljabar linier, dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB juga
berisi toolbox yang berisi fungsi-fungsi tambahan untuk aplikasi khusus.
MATLAB bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis
fungsi baru untuk ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang
tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang
dibutuhkan tidak terlalu sulit bila telah memiliki pengalaman dalam pemrograman
bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN. [5]
2.4 Metoda Ziegler-Nichols
Metode Ziegler Nichols merupakan pengembangan dari metoda trial and
error. Metode ini digunakan sebagai point awal untuk memulai manual tunning.
Ziegler Nichols ini akan menentukan parameter-parameter PID yang akan
digunakan untuk mendapatkan respon yang baik.
Metoda ini merupakan metoda tuning PID kontroler untuk menentukan
nilai proporsional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan
karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem [6]
.
2.4.1 Metode Ziegler Nichols Tipe 1
Dilakukan pada plant yang bersifat sistem terbuka (open loop). Plant yang
akan dikendalikan diberi input step dan responnya akan dianalisa dengan metode
Ziegler Nichols tipe 1 dimana perhitungannya akan menghasilkan parameter-
parameter PID.
Gambar II.2 Kurva S [6]
.
Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step,
hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, seperti pada gambar II.2.
Kurva berbentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu
tunda L dan time constant T.

20. 8
Gambar II.3 Penentuan parameter L dan T [6]
Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial
pada titik infleksi kurva S, seperti pada gambar II.3. Garis tangensial tersebut akan
berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K [6].
Berdasarkan parameter
tersebut, didapatkan cara untuk menghitung parameter Kp, Ti dan Td.
Kp = 1,2 ( ) ................ (1)
Ti = 2 x L ................. (2)
Td = 0,5 x L ................ (3)
Apabila harga Ti dan Td sudah diketahui, maka konstanta Ki dan Kd dapat
ditentukan.
Ki = .................. (4)
Kd= Kp x Td ............... (5)
2.4.2 Metode Ziegler Nichols Tipe 2
Pada metode 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.4 Blok Diagram Sistem Close Loop
Pada metode kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan
proportional band. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp yang
menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai slider gain ini disebut sebagai critical
gain (Kcr). Jika harga Kp terlalu kecil, sinyal output akan teredam mencapai nilai

21. 9
titik keseimbangan setelah ada gangguan, Sebaliknya, jika harga Kp terlalu besar,
osilasinya akan tidak stabil dan membesar [6]
.
2.5 Metode Cohen-Coon
Karena tidak semua proses dapat menoleransi keadaan osilasi dengan
amplitudo tetap, Cohen-Coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan
menggunakan metode quarter amplitude decay. Respon sistem close loop, pada
metode ini, dibuat sehingga respon berbentuk quarter amplitude decay. Quarter
amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudonya dalam
periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat (1/4) [2]
. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat pada Gambar II.5.
Gambar II.5 Kurva Respon Quarter Amplitude Decay [2]
Kontroler proportional Kp ditala hingga diperoleh tanggapan quarter
amplitude decay, periode pada saat tanggapan ini disebut Tp dan parameter Ti dan
Td dihitung dari hubungan KP dengan TP. Sedangkan penalaan parameter
kontroler PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-
Nichols[2]
.
Untuk lebih jelasnya berikut adalah tahapan Mendesain dengan CC adalah:
1. Plant diberi input step, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.
Gambar II.6 Respon Awal pada Metode Cohen Coon

22. 10
2. Step input ditambah, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.
Sinyal perubahan inilah yang akan dipakai untuk mendesain kendali.
Gambar II.7 Sistem Kendali pada Metode Cohen Coon
Parameter :
- Proses gain (gp)
- Deadtime Ԏd
- Time constant (Ԏ)
Gambar II.8 Grafik Nilai gp, Ԏd dan Ԏ
3. Menentukan parameter PID (Kp, Ti, Td) berdasarkan perhitungan rumus yang
tercantum pada tabel II.2..
Tabel II.2 Penalaan Paramater PID dengan Metode Cohen-Coon
2.6 Metode PID Skrip Matlab dan Skrip Arduino (Stand Alone)
Sistem kendali dikendalikan menggunakan sebuah arduino yang di
program di Matlab, dengan menterjemahkan algoritma PID ke script, kita dapat
mengendalikan sistem kendali agar lebih praktis, lebih efisien dan lebih handal

23. 11
dalam realisasinya. Selain dengan PID script, dalam merealisasikan script dapat
juga menggunakan program-program seperti visual basic, delphi, java, c, python
dan lain-lain.
Selanjutnya, selain metode PID script ada metoda sistem kendali yang
lebih efektif lagi yaitu menggunakan metode stand alone controller yang dimana
suatu sistem kendali sudah tidak dilibatkan dengan piranti seperti laptop,
komputer dan alat-alat yang mungkin membuat sistem kendali itu terlihat menarik
dan simpel (Embedded System).
Untuk menunjang metode stand alone ini maka digunakan piranti shield
arduino yang keluarannya ditampilkan di LCD.
Shield arduino adalah sebutan untuk modul tambahan dengan berbagai
fungsinya yang kebanyakan pinnya cocok dengan arduino, sehingga cara
menghubungkannya dengan arduino dengan menyusunnya diatas board arduino.
Gambar II.9 Tampilan Sistem Kendali Debit Air pada LCD
2.7 Arduino Uno
Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroler 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.[7]
.

24. 12
Gambar II.10 Kofigurasi Arduino Uno[7]
Spesifikasi Arduino Uno Mikrokontroler ATmega328 :
1. Catu Daya 5V
2. Teganan Input (rekomendasi) 7-12V
3. Teganan Input (batasan) 6-20V
4. Pin I/O Digital 14 (of which 6 provide PWM output1
5. Pin Input Analog 6
6. Arus DC per Pin I/O 40 mA
7. Arus DC per Pin I/O untuk PIN 3.3V 50 mA
8. Flash Memory 32 KB (ATmega328) dimana 0.5 KB digunakan oleh
bootloader
9. SRAM 2 KB (ATmega328)
10. EEPROM 1 KB (ATmega328)
11. Clock Speed 16 MHz
Salah satu kelebihan dari arduino Uno ini adalah didukung oleh software
Arduino IDE (Integrated Development Enviroment) untuk melakukan penulisan
pemrograman. Bahasa pemrogramannya pun berdasarkan bahasa C yang mudah
untuk dpelajari dan sudah didukung oleh library yang lengkap[7]
.

25. 13
BAB III
METODA DAN PROSES PENYELESAIAN
Bab ini menjelaskan mengenai metode-metode yang digunakan dalam
proses penelitian serta hasil pengujian alat-alat yang akan digunakan dalam proses
percobaan.
3.1 Diagram Blok Sistem
Diagram blok sistem kendali Debit Air dapat dilihat pada gambar III.1
Gambar III.1 Diagram Blok Sistem Kendali Debit Air
Keterangan:
1. Blok Input
Blok input terdiri dari modul catu daya dimana catu daya menyuplai tegangan
untuk seluruh modul sebesar +15V.
2. Blok Proses
Blok proses terdiri dari modul Setpoint, modul PID dan modul Penguat Daya.
3. Blok Output
Blok output merupakan output dari plant yang merupakan modul kendali Debit
Air.
3.2 Alat dan Modul yang Digunakan
Modul dan alat yang digunakan untuk melakukan praktikum sistem kendali
debit air ini, yaitu:
1. Modul Catu Daya/Power Supply (PS-1)
2. Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1)
3. Modul PID (PID-1)
4. Modul Penguat Daya (PA-1)
5. Modul Sistem Kendali Debit Air (TwP-4)
6. Arduino UNO dan Shield Arduino
7. Protoboard
13

26. 14
8. LCD (Sebagai display keluaran output)
9. Multimeter Digital
10. Kabel dan Konektor
11. Komputer/Laptop
Sistem dirancang menggunakan beberapa software pendukung seperti berikut:
1. Matlab R2013a
2. Arduino
3. Microsoft Excel 2010
3.3 Uraian Materi
3.3.1 Modul Catu Daya (PS-1)
Power supply adalah sebuah perangkat keras bertugas menyalurkan
tegangan listrik secara langsung kepada perangkat keras.
Power Supply akan bekerja sebagai sumber tegangan apabila power
ON/OFF diubah ke posisi ON. Pada catu daya terdapat potensiometer U untuk
mengubah tegangan yang diinginkan. Apabila arah panahnya diputar kekiri maka
nilai tegangannya 0 volt. Sebaliknya apabila diputar kearah yang berlawanan
maka harga tegangannya maksimal. Potensiometer digunakan untuk mengatur
besarnya tegangan.
Gambar III.2 Modul Catu Daya
Dengan demikian, hasil pengujian Power Supply yang dilakukan dapat
dikatakan berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan

27. 15
menggunakan multimeter. Pada variable maksimal, input +15 V, output yang
dihasilkan juga adalah +15V.
3.3.2 Modul Reverence Variabel Generator (RVG-1)
Modul setpoint berfungsi untuk memberikan nilai input yang digunakan
kepada sistem kendali sesuai yang diinginkan dan nantinya nilai setpoint ini akan
dijadikan acuan untuk hasil output sistem kendali. Pada modul setpoint ini
memiliki nilai range (-10) Volt sampai (+10) Volt atau 0 Volt sampai (+10) Volt.
Kedua pilihan tersebut dapat diatur dengan memindah jumper penghubung.
Gambar III.3 Modul Setpoint (RVG-1)
Setelah melakukan proses pengujian setpoint dinyatakan berjalan dengan
baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter. Setpoint
digunakan untuk menentukan nilai setpoint yang ingin dicapai. Ketika setpoint
diberi tegangan 5V maka output nya juga 5V.
3.3.3 Modul PID (PID-1)
Modul PID berfungsi sebagai kontrol atau pengendali pada sistem kendali
Debit Air. Pada modul PID ini terdapat parameter-parameter nilai yang dapat
diatur, yaitu Kp, Ti, dan Td. Pada penggunaan modul PID ini ketiga nilai
parameter tersebut dapat digunakan salah satunya atau dapat juga digunakan
ketiganya.

28. 16
Gambar III.4 Modul PID-1
Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa modul PID berjalan
dengan baik, hal ini dibuktikan dengan pengetesan menggunakan multimeter.
Ketika PID diberi input 1V, harga Kp dikali 1, maka output dari PID = 1V.
3.3.4 Modul Penguat Daya (PA-1)
Modul power amplifier atau modul penguat daya berfungsi untuk
menguatkan arus atau daya yang keluar dari modul PID agar dapat digunakan
untuk mengendalikan plant. Penguat daya ini mendapatkan tegangan input berasal
dari hasil output modul PID yang dihubungkan dengan modul penguat dengan
menggunakan konektor. Pada modul penguat daya terdapat dua keluaran, yaitu
tegangan positif dan tegangan negatif dengan besar tegangan yang sama.
Gambar III.5 Modul Penguat Daya (PA-1)

29. 17
Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa modul Penguat berjalan
dengan baik, hal ini dibuktikan dengan menghubungkan modul penguat dengan
modul setpoint dan pengetesan menggunakan multimeter. Ketika setpoint diatur
tegangannya 5V maka keluaran dari penguat (+) dan (-) akan menghasilkan 2x
lipat dari setpoint sehingga nilainya menjadi 10V.
3.3.5 Modul Sistem Kendali Debit Air (TwP-4)
Modul sistem kendali debit air terdiri dari dua buah pipa (selang air) yang
terhubung kedalam tangki dimana tangki pertama yang terhubung dengan input
yang akan menggerakkan seberapa besar motor akan berputar untuk memompa air
menuju tangki kedua melalui selang air.
Gambar III.6 Modul Debit Air (TwP-4)
Berdasarkan hasil praktikum yang telah dilakukan menunjukkan bahwa
modul Debit Air berjalan dengan baik, hal ini dibuktikan dengan mengalirnya air
melalui selang air saat dihubungkan semua modul dan dinyalakan dengan sumber
listrik.
3.4 Perancangan
3.4.1 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 1
Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali PID dengan Ziegles
Nichols Tipe 1 adalah Sebagai Berikut :
1. Buka program simulink Matlab R2013a
2. Koneksikan Arduino Uno dengan Laptop dan Matlab.
3. Setelah Arduino terkoneksi dan terinstal, cabut kembali arduino tersebut.

30. 18
4. Kemudian buat rangkaian pada simulink seperti gambar dibawah ini.
Gambar III.7 Rangkaian untuk Sistem Kendali Debit Air
5. Selanjutnya, tes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya, setelah
modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan.
6. Atur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint
dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.
7. Buat juga rangkaian pembagi tegangan pada protoboard yang dihubungkan
ke Arduino dan modul Debit Air. Dimana input dari arduino terhubung ke
konektor yang terpasang antara set point dengan penguat dan output dari
arduino-Analog IN5 terpasang ke keluaran dari modul debit air. Dapat dilihat
pada gambar dibawah ini :
Input 6V
R1
6V
3V R2
Gambar III.8 Skematik Rangkaian Pembagi Tegangan
Gambar III.9 Rangkaian Pembagi Tegangan

31. 19
8. Berikut adalah gambar lengkap dari modul debit air yang telah terpasang
dengan pembagi tegangan arduino uno.
Gambar III.10 Rangakain Modul Debit Air
9. Setelah terhubung dengan arduino dan rangkaian pembagi tegangan. Pasang
arduino dengan laptop kemudian hubungkan power supply dengan sumber
kemudian nyalakan switch pada modul.
10. Selanjutnya siapkan stopwatch dan jalankan simulink pada matlab. Klik
scope setelah muncul tampilan scope, On-kan switch pada setpoint dan saat
itu juga stopwatch mulai dijalankan.
11. Setelah gelombang terlihat dan sudah dikatakan seimbang dan baik maka
matikan simulink dan matikan juga stopwach. Sehingga didapat waktu asli.
12. Buat garis potong dan tentukan nilai L, T, waktu gelombang rise time dan
gelombang pengambilan terakhir.
13. Setelah mendapat nilai L, T, waktu gelombang pertama rise time, gelombang
terakhir dan waktu asli yang didapat dari stopwatch. Hitung di program excel
dengan rumus sebagai berikut :
L = Wreal/Wmatlab x Lmatlab
T = Wreal/Wmatlab x Tmatlab
Kp = 1,2 x (T / L), Ti = 2 x L, Td = 0,5 x L,
Ki = Kp / Ti Kd = Kp x Td
14. Setelah didapat hasilnya, hubungkan modul PID dengan rangkaian modul
debit air yang tadi menggunakan konektor. Pemasangannya setelah modul set
point.
15. Pada saat pemasangan PID jangan lupa matikan simulink, cabut arduino dari
laptop kemudian matikan switch pada modul power supply.

32. 20
16. Setelah PID terpasang. Hubungkan input pembagi tegangan ke konektor yang
terpasang antara modul set point dan modul PID. Kemudian pasang keluaran
modul debit air dengan modul PID (feedback) dan juga output dari arduino-
Analog IN5. Lalu atur tombol Kp, Ti dan Td pada modul PID sesuai hasil
perhitungan di excel yang telah dibuat. Seperti gambar dibawah ini :
Gambar III.11 Rangkaian Modul Debit Air dengan PID
17. Kemudian hubungkan lagi arduino dengan laptop, dan jalankan simulink.
18. Tahap selanjutnya adalah mengamati gelombang tersebut dimulai dari rise
time, steady-state dan overshoot. Jika masih terdapat sedikit error dan ingin
mengecilkan Ki maka yang di set kembali adalah dengan membesarkan Ti.
Atau dapat dilakukan dengan melihat tabel parameter dibawah ini :
Tabel III.1 Parameter Kp, Ki, Kd
19. Namun, jika gelombang rise time, steady-state dan overshoot-nya mendekati
atau sama, maka tidak perlu dilakukan manual tunning.
20. Jika tetap menggunakan tuning manual dan menghasilkan gelombang yang
baik, maka proses desain sistem kendali telah selesai dilakukan.
3.4.2 Sistem Kendali dengan Skrip Matlab
Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan skrip matlab
adalah Sebagai Berikut :

33. 21
1. Pertama, mengetes masing-masing modul dan tegangan setiap outputnya,
setelah modul terukur sesuai dengan yang telah ditentukan lalu lanjutkan ke
tahap penghubungan setiap modul menggunakan konektor.
2. Selanjutnya, meng-set Modul PID (Kp On, Ti dan Td Off) hingga
keluarannya 2x dari Setpoint dengan bantuan modul Setpoint.
3. Kemudian, lepaskan modul Setpoint (digantikan melalui script Matlab
menggunakan Arduino dan potensiometer) dan memasang kembali modul
menggunakan konektor. Lalu, koneksikan Arduino UNO dan Laptop juga
telah terhubung dengan Matlab.
Gambar III.12 Rangkaian Modul Kendali Debit Air dengan Menggunakan Skrip
Matlab dan Arduino Uno
4. Selanjutnya membuat script di Matlab
5. Kemudian menghubungkan potensio pada Arduino sebagai Setpoint (A0)
juga VCC, GND, analog input (analogRead) , analog output (analogWrite)
arduino dengan modul PID dan PLANT.
Gambar III.13 Arduino Uno saat Koneksi dengan Modul
6. Menjalankan skrip program sistem kendali pada arduino yang dibuat dengan
meng-klik tombol Run di Matlab. Maka secara otomatis akan muncul figure

34. 22
(scope) yang merupakan hasil keluaran gelombang dari plant yang telah
dibuat.
7. Lakukan pengamatan dan analisa pada grafik keluarannya.
8. Setelah itu, gelombang dirubah rubah dengan mengatur potensio yang
berfungsi untuk menguji keandalan kendali yang telah di program.
9. Selanjutnya, mencari nilai Ts menggunakan intruksi tic (dibawah intuksi
While) dan tac (diatas instruksi end).
Sampai .......
10. Kemudian, mengubah nilai Ts pada skrip sesuai dengan Ts yang didapat dan
amati hasil responnya, conto :
11. Langkah selanjutnya yaitu mengamati gelombang tersebut, Jika masih
terdapat delay, steady-state, dan overshoot maka dilakukan metoda manual
tunning dengan merubah nilai Kp, Ti dan Td pada skrip program. Pada sistem
ini, nilai yang dirubah adalah Td menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu
besar, dan mengubah nilai Ti menjadi 0.3.
3.4.3 Sistem Kendali Ziegler Nichols Tipe 2
Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali PID dengan Ziegles
Nichols Tipe 2 adalah Sebagai Berikut :
1. Membuka program simulink Matlab R2013a.
2. Mengoneksikan Arduino Uno dengan Laptop dan Matlab.
3. Setelah Arduino terkoneksi dan terinstal, maka arduino dicabut kembali.

35. 23
4. Kemudian membuat rangkaian pada simulink seperti gambar 2.1.
Gambar III.14 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Metoda
Ziegler-Nichols Tipe 2
5. Selanjutnya mengetes masing-masing tegangan keluaran setiap modul. Dan
mengatur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint
dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.
6. Setelah itu menghubungkan semua modul dengan menggunakan jumper dan
menghubungkan juga dengan arduino.
7. Kemudian memasang arduino dengan laptop dan menghubungkan power
supply dengan sumber dan menyalakan switch pada modul yang dapat dilihat
pada gambar 3.2.
Gambar III.15 Rangkaian Modul Debit Air dengan Feedback
8. Selanjutnya menyiapkan stopwatch untuk menghitung waktu sebenarnya
yang nanatinya dibandingkan dengan waktu yang ada di matlab. Lalu,
menjalankan simulink pada matlab dengan cara mengklik scope setelah

36. 24
muncul tampilan scope, mengOn-kan switch pada setpoint dan saat itu juga
stopwatch mulai dijalankan.
9. Setelah gelombang terlihat dan sudah dikatakan seimbang dan baik maka
matikan simulink dan matikan juga stopwach. Sehingga didapat waktu asli
dan kemudian set point diputar-putar sampai menghasilkan respon mendekati garis
set point dan mulai berisolasi. Kemudian hasilnya di design sampai menghasilkan
nilai X dan Y.
10. Setelah X dan Y didapat, maka selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti, Td,
Ki, Kd.
11. Setelah perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td nya diset pada modul set
point. Lalu simulink dijalankan kembali dan mengamati hasilnya.
12. Karena proses design saat respon kondisi mulai osilasi sudah selesai, maka
proses selanjutnya yaitu mendesign saat respon kondisi osilasi.
13. Langkah kerjanya hampir sama dengan kondisi saat mulai osilasi. Yang
pertama dicari yaitu respon berisolasi.
14. Kemudian mendesain dan didapat nilai X dan Y. Dan selanjutnya menghitung
nilai Pcr, Kp, Ti, Td, Ki, Kd. Dan untuk Kcr didapat dari rumus berikut ini :
Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint
15. Setelah perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td nya diset pada modul
set point. Lalu simulink dijalankan. Dan didapat hasil respon saat kondisi
awal atau kondisi steady state dan saat nilai set point dirubah-rubah.
16. Jika hasil akhir dari respon yang osilasi masih terdapat error dan tidak
sebagus hasil saat kondisi awal osilasi maka untuk memperbaiki respon
tersebut diperlukan metode manual tunning.
3.4.4 Sistem Kendali Cohen-Coon
Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan metode Cohen
Coon adalah Sebagai Berikut :

37. 25
1. Pertama membuat rangkaian pada simulink seperti gambar III.16.
Gambar III.16 Simulik untuk Sistem Kendali Debit Air dengan Cohen Coon
2. Selanjutnya mengetes masing-masing tegangan keluaran setiap modul. Dan
mengatur masing-masing modul : Power supply dengan output 15V, setpoint
dengan pilihan (0 s.d 10V), penguat daya dan modul debit air.
3. Setelah itu menghubungkan semua modul dengan menggunakan jumper dan
menghubungkan juga dengan arduino.
4. Kemudian memasang arduino dengan laptop dan menghubungkan power
supply dengan sumber.
5. Buat juga rangkaian pembagi tegangan pada protoboard yang dihubungkan
ke Arduino dan modul Debit Air. Dimana input dari arduino terhubung ke
konektor yang terpasang antara setpoint dengan penguat dan output dari
arduino-Analog IN5 terpasang ke keluaran dari modul debit air.
Gambar III.17 Rangkaian Pembagi Tegangan
6. Selanjutnya menyalakan switch pada modul yang dapat dilihat pada gambar
III.18.

38. 26
Gambar III.18 Rangkaian Modul Debit Air dengan Metode Cohen Coon
7. Setelah itu, menjalankan simulink dengan cara mengklik tombol Run pada matlab
dan menghasilakan respon keluaran. Untuk mendapatkan respon yang dapat didesain
untuk metode CC ini, maka setpoint diatur.
8. Setelah itu mengetik editscope agar dapat mengedit gambar respon yang tadi
untuk menghasilkan nilai parameter gp, Ԏd dan Ԏ. Lalu mengatur garis/line
dan kemudian menentukan data cursor di masing-masing titik perpotongan
yang ditandai dengan nilai X dan Y.
9. Kemudian menetukan parameter PID (Kp, Ti, Td) dan Ki, Kd berdasarkan
perhitungan rumus ini. Dan gunakan excel untuk membantu dalam
perhitungan.
10. Setelah semua perhitungan didapat. Maka langkah selanjutnya adalah menset
pada PID dan memasukan nilai Kp, Ti, Td.
3.3.5 Sistem Kendali dengan Skrip Arduino (Stand Alone)
Langkah-Langkah Perancangam Sistem Kendali dengan metode stand
alone adalah Sebagai Berikut :
1. Pertama, mengecek setiap modul, apakah berjalan dengan baik atau tidak.
Dan dicatat dilembar kertas yang telah disediakan.
2. Menghubungkan modul Power Supply, SP, PID (Kp on, Ti dan Td off) dan
tegangan inputnya dari setpoint dikalikan 2, sehingga output dari modul PID
jadi 2 kali lipat tegangannya.

39. 27
3. Kemudian hubungkan semua modul dari PS sampai TwP dengan
menggunakan jumper. rangkaian penguat dan kendali debit air dapat dilihat
pada gambar III.19.
Gambar III.19 Rangkaian Sistem Kendali Debit Air
4. Selanjutnya, mengkoneksikan Arduino UNO pada laptop yang telah terinstal
aplikasi arduino.
5. Membuat skrip di arduino.
6. Selanjutnya menghubungkan potensio pada arduino sebagai Set point, VCC,
GND, Analog input (analogRead), analog output (analogWrite) arduino
dengan PID dan Plant.
7. Setelah skrip dipastikan telag benar, langkah selanjutnya adalah proses
upload skrip dengan cara mengklik button Upload pada arduino.
Gambar III.20 Langkah Upload Skrip
8. Tunggu sampai proses upload selesai. Pada saat proses mengupload skrip
jangan sekali-sekali melakukan perubahan rangkaian atau mencabut arduino
dari laptop karena dapat membuat proses upload gagal bahkan bisa merusak
pada arduinonya sendiri.
9. Pada saat skrip telah selesai di upload, lihat pada tools “Serial Monitor” pada
aplikasi arduino, yang akan menampilkan proses keadaan setpoint (SP) dan
feedback (PV) dan lakukan perubahan setpoint dengan memutar potensio, jika
sistem bekerja maka nilai feedback akan mengikuti setpoint.

40. 28
10. Amati nilai proses Setpoint dan Feedback, jika nilai keduanya mendekati
sama dan feedbanck mengikuti setpoint dengan perbandingan yang tidak
terlalu jauh, berarti error pada sistem kendali itu kecil dan sistem kendali
tersebut bisa dikatakan bagus.
11. Selanjutnya, melakukan pengaplikasian secara terpisah dengan laptop yaitu
dengan menggunakan Shield arduino dan LCD (Liquid Crystal Display).
12. Lalu, Memasang Shiels arduino pada arduino dan terakhir memasang LCD
pada tumpukan shield dan arduino tadi. Jangan lupa menghubungkan kembali
potensio dan semuanya dihubungkan dengan laptop.
Gambar III.21 Rangkaian Sistem Kenali Debit Air yang Terhubung dengan
Shield, Arduino dan Laptop
13. Selanjutnya membuat skrip yang baru untuk sistem kendali embedded.
14. Kemudian mengecek skrip dengan cara mengklik button “Verify” pada
aplikasi arduino bagian atas, ketika sudah “Done Compiling” lakukan upload
skrip tersebut dengan mengklik button “Upload” pada aplikasi arduino
bagian atas.
15. Dan tunggu hinggal proses Upload selesai.
16. Pada saat skrip telah selesai di upload, lihat keadaan plant kendali debit air
apakah bekerja sesuai dengan yang semestinya atau tidak dan melihat juga
nilai setpoint dan feedback pada LCD.
17. 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.

41. 29
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bagian ini terdapat data dan pembahasan yang telah dilakukan pada
praktikum sistem kendali debit air, yang terdiri dari sistem kendali debit air
menggunakan Ziegler-Nichols tipe 1, skrip matlab, Ziegler-Nichols tipe 2, Cohen
Coon, dan yang terakhir menggunakan skrip pada Arduino Uno.
4.1 Sistem Kendali Debit Air dengan Ziegler Nichols Tipe 1
Hasil respon yang didapat saat mengukur waktu asli. Dapat dilihat pada
gambar IV.1 :
Gambar IV.1 Respon Awal Saat Menentukan Waktu Asli
Kemudian membuat garis potong dan menentukan nilai L, T, waktu
gelombang rise time dan gelombang pengambilan terakhir. Seperti pada gambar
IV.2.
Gambar IV.2 Proses Desain dengan Metode ZN-1
29

42. 30
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 :
L = Wreal/Wmatlab x Lmatlab
T = Wreal/Wmatlab x Tmatlab
Kp = 1,2 x (T / L), Ti = 2 x L, Td = 0,5 x L,
Ki = Kp / Ti Kd = Kp x Td
Gambar IV.3 Hasil Perhitungan di Exel
Setelah didapat hasilnya, hubungkan modul PID dengan rangkaian modul
debit air yang tadi menggunakan konektor. Pemasangannya setelah modul
setpoint. dan menjalankan kembali simulink, maka setelah di-play akan
menghasilkan gelombang seperti ini dibawah ini.
Gambar IV.4 Gelombang Keluaran di Scope dengan menggunakan PID
Karena masih terdapat error maka dilakukan manual tunning. Gambar
IV.5 adalah gambar hasil dari tuning manual.

43. 31
Gambar IV.5 Gelombang Keluaran setelah dilakukan Tuning Manual
4.2 Sistem Kendali Debit Air Menggunakan Skrip Matlab
Berikut adalah skrip yang digunakan pada praktikum ini, adalah sebagai
berikut.
Gambar IV.6 Skrip yang menentukan pin output arduino, time sampling dan
parameter PID (nilai terdapat pada praktikum sebelumnya)

44. 32
Gambar IV.7 Skrip yang menentukan Proses Value dan Perhitungan Error secara
berulang menggunakan while
Gambar IV.8 Skrip yang menentukan nilai PID agar tidak > dari 10, < dari 0 dan
membulatkan nilai hasil keluaran dari PID

45. 33
Gambar IV.9 Skrip yang membaca input hasil PID pada Arduino, menentukan
Plot Respon dan Setpoint dan Skrip penutup pada Program
Selanjutnya menjalankan skrip program sistem kendali pada arduino
tersebut dengan meng-klik tombol Run di Matlab. Maka secara otomatis respon
akan muncul pada scope. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar IV.10.
Gambar IV.10 Grafik Keluaran Kondisi Awal
Kemudian untuk menguji keandalan kendali yang telah di program maka
potensio dirubah-rubah dan menghasilkan respon seperti gambar IV.11.

46. 34
Gambar IV.11 Grafik Keluaran saat Potensio dirubah-rubah
Gambar IV.12 Grafik Keluaran Saat Kondisi Ts = 0,051809
Karena masih terdapat error maka dilakukan metoda manual tunning
dengan merubah nilai Kp, Ti dan Td pada skrip program. Pada sistem ini, nilai
yang dirubah adalah Td menjadi “0” agar frekuensi tidak terlalu besar, dan
mengubah nilai Ti menjadi 0.3. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar IV.13.
Gambar IV.13 Grafik hasil dari Metoda Manual Tunning

47. 35
4.3 Desain Kendali Debit Air dengan Ziegles-Nichols Tipe 2
Berikut adalah hasil design ZN-2 saat respon mulai berosilasi dapat dilihat
pada gambar IV.14 dan respon saat berisolasi dapat dilihat pada gambar IV.15.
yang mana keduanya didesain untuk menghasilkan nilai X dan Y.
Gambar IV.14 Hasil Respon Steady State saat Respon Mulai Osilasi
Gambar IV.15 Hasil Respon Steady State saat Respon Kondisi Osilasi
Setelah X dan Y didapat, maka selanjutnya menghitung nilai Pcr, Kp, Ti,
Td, Ki, Kd dan ntuk Kcr didapat dari perhitungan sebagai berikut :
 Perhitungan Sebelum Osilasi
Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint
= 9,94/0,578 = 17,197231
Time= 0,081s

48. 36
Inilah hasil perhitungan di Exel :
Gambar IV.16 Hasil Perhitungan saat Respon Mulai Osilasi
 Perhitungan Saat Osilasi
Kcr = Nilai Pengukuran Keluaran PID / Pengukuran Keluaran di Setpoint
=9,37/0,2226 = 42,093441
Time=0,0854s
Inilah hasil perhitungan di Exel :
Gambar IV.17 Hasil Perhitungan saat Respon Berosilasi
Saat perhitungan didapat makan nilai Kp, Ti dan Td diset pada modul
setpoint. Lalu simulink dijalankan dan hasilnya :
 Kondisi Sebelum Osilasi
Dapat dilihat pada gambar IV.18 untuk kondisi awal atau kondisi steady state
dan seperti gambar IV.19 saat nilai setpoint dirubah-rubah.
Gambar IV.18 Kondisi Awal saat Respon Mulai Osilasi

49. 37
Gambar IV.19 Kondisi saat Setpoint dirubah (Sebelum Osilasi)
 Kondisi Respon Osilasi
Dapat dilihat pada gambar IV.20 untuk kondisi awal atau kondisi steady state
dan seperti gambar IV.21 saat nilai setpoint dirubah-rubah.
Gambar IV.20 Kondisi Awal saat Respon Osilasi

50. 38
Gambar IV.21 Kondisi saat Setpoint dirubah (Saat Osilasi)
Setelah dibandingakan antara respon saat kondisi mulai osilasi dan kondisi saat
osilasi hasilnya yaitu :
- Untuk kondisi respon osilasi menghasilkan respon yang sudah baik sehingga
tidak memerlukan metode manual tuning. Sebaliknya,
- Untuk kondisi respon saat osilasi masih terdapat error yang cukup besar
antara setpoint dan respon memiliki jarak yang cukup jauh sehingga
diperlukan metode manual tuning. Dalam hal ini, nilai yang dirubah yaitu
nilai Kp = 20 dan Ti = 0,45. Agar lebih jelasnya dapat dilihat pada hasil
perhitungan di exel yang terdapat pada gambar IV.22 dan hasil responnya
pada gambar IV.23.
Gambar IV.22 Hasil Perhitungan saat Metode Manual Tuning

51. 39
Gambar IV.23 Hasil Desain Manual Tunning saat Respon Osilasi
4.4 Desain Kendali Debit Air dengan Cohen Coon
Untuk mendapatkan respon yang dapat didesain untuk metode CC ini,
maka setpoint diatur sehingga akhirnya menghasilkan respon seperti gambar
IV.24.
Gambar IV.24 Hasil Respon Awal Cohen Coon
Proses selanjutnya adalah mendesain. Untuk menghasilkan nilai parameter
gp, Ԏd dan Ԏ sebelumnya cari nilai X dan Y yaitu dengan cara membuat
garis/line dan kemudian menentukan data cursor di masing-masing titik
perpotongan yang ditandai dengan nilai X dan Y.

52. 40
Rumus perhitungan :
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
Inilah hasil responnya dapat dilihat pada gambar IV.25.
Gambar IV.25 Proses Desain dengan Metode Cohen Coon
Kemudian menentukan parameter PID (Kp, Ti, Td) dan Ki, Kd. Hasil
perhitungan dapat dilihat pada gambar IV.26
Gambar IV.26 Hasil Perhitungan saat Menentukan Parameter PID
Setelah nilai-nilai diatas didapat maka nilai Kp, Ti, dan Td dimasukan ke
PID. Dan inilah hasil respon akhir dapat dilihat pada gambar IV.27.

53. 41
Gambar IV.27 Hasil Respon Akhir Metode Cohen Coon
4.5 Sistem Kendali Debit Air menggunakan Arduino dengan Metode Stand
Alone Controller
Berikut adalah program skrip di arduino.

54. 42
Gambar IV.28 Skrip pada Aplikasi Arduino Untuk menentukan Pin I/O
Arduino, Time Sampling dan Parameter PID
(nilai berdasarkan praktikum Unit 6)

55. 43
Berikut adalah perbandingan feedback dengan setpoint yang dihasilkan
dari skrip yang telah dibuat dan hasil perhitungan Kp, Ti dan Td. Hasil dapat
dilihat pada gambar IV.29.
Gambar IV.29 Hasil Proses Perbandingan Setpoint dan Feedback di Serial
Monitor
Hasil dari perbandingan tersebut sudah dikatakan baik karena selisih antara
setpoint dan feedback sangat kecil. Dan selanjutnya masuk ke metode stand alond
dengan menggunakan LCD sebagai display untuk keluarannya.
Berikut adalah skrip untuk menampilkan di LCD. Dapat dilihat pada
gambar IV.30.

56. 44

57. 45
Gambar IV.30 Skrip Untuk Menampilkan di LCD
Untuk hasil keluaran di LCD dapat dilihat pada gamabr IV.31.
Gambar IV.31 Hasil Display 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.

58. 46
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan mengenai Sistem Kendali PID
pada Sistem Kendali Debit Air, dapat disimpulkan bahwa:
1. Sistem Kendali Debit Air dapat menggunakan sistem kendali PID Dengan
Metode Ziegler Nichols 1 dan 2, Cohen Coon, Skrip PID, dan Stand Alone.
2. Saat Sistem Kendali Debit Air menggunakan metode ZN tipe 1 hasil dari respon
terlihat sudah stabil. Dimana, metode ZN tipe-1 merupakan metoda tuning PID
controller untuk menentukan nilai proporsional gain Kp, integral time Ti,
dan derivative time Td berdasarkan karakteristik respon transient dari sebuah
plant atau sistem.
3. Untuk metode ZN tipe-2 mendapatkan dua hasil respon yang berbeda yaitu
saat respon mulai osilasi (dibawah set point) dan saat kondisi respon
berosilasi (diantara titik set point). Setelah dibandingkan dari 2 kondisi
tersebut ternyata hasil desain yang mendekati sempurna yaitu hasil dari
respon saat mulai berisolasi karena pada hasil akhirnya mendapatkan nilai
respon yang bagus dan memuaskan sehingga tidak perlu dilakukan manual
tunning. Namun untuk kondisi saat berisolasi, desain akhirnya masih terdapat
sedikit error sehingga perlu dilakukan perbaikan respon dengan cara manual
tunning.
4. Saat metode Cohen Coon, respon telah memenuhi kriteria dan menghasilkan
respon yang bagus sehingga tidak membutuhkan metode manual tuning.
5. Dengan menggunakan skrip PID sistem kendali terlihat lebih efektif. Namun
untuk hasil respon masih terdapat sedikit error sehingga perlu dilakukan
scalling dan dengan merubah nilai Ts pada skrip. Jika dengan scalling respon
belum baik maka lakukan manual tuning.
6. Yang terakhir yaitu metode stand alone, Untuk data yang dihasilkan terdapat
osilasi sehingga tidak mendapatkan nilai yang permanen namun mendapat
nilai setpoint dan feedback yang berubah-rubah dan respon pada feedback
sangat lambat sehingga pada saat setpoint dirubah, proses penyesuaian nilai
46

59. 47
feedback agar mendekati setpoint sangat lambat. Namun meskipun respon
yang dihasilkan lambat, sistem kendali debit air dikatakan bekerja karena
nilai selisih antara setpoint dan feedback sangat kecil.
5.2 Saran
Untuk penyempurnaan kekurangan dan pengembangan laporan ini, maka
penulis memberikan beberapa saran, sebagai berikut :
1. Melakukan prosedur praktikum sesuai dengan yang diberikan oleh dosen agar
praktikum berjalan dengan baik.
2. Pastikan laptop/netbook kita dalam kondisi baik.
3. Lakukan pengecekan setiap modul dengan benar jangan mengada-ngada demi
kelancaran kegiatan praktikum yang kita lakukan.
4. Lebih teliti dan jeli dalam melakukan tunning terutama pada saat menentukan
parameter-parameter PID.

60. 48
DAFTAR PUSTAKA
[1] Wahyudi, Indra.Bakhtiar, Setiawan.Iwan, “Perancangan Sistem Pengendalian
Debit Aliran Masukan Pada Tandon Air Dengan Menggunakan
Mikrokontroler Atmega 8535”, Jurnal, Universitas Diponegoro
Semarang, 2005.
[2] Wicaksoo, Handi, “Analisa Performansi dan Robustness Beberapa Metode
Tuning Kontroler PID pada Motor DC”, Jurnal, Universitas Kristen
Petra, 2004.
[3] Hairani. Putri Mina, “Pengukuran Debit Air Saluran Terbuka dan Menghitung
Lama Waktu Irigasi”, Laporan Laporan Praktikum, Universitas
Bengkulu, 2014.
[4] “Pengertian Kendali PID”,
http://catatan-elektro.blogspot.com/2011/11/pengertian-kendali-pid.html.
Diakses 5 Juli 2015.
[5] “Matlab”,
https://herirustamaji.files.wordpress.com/2011/12/bab-1-memulai.pdf.
Diakses 6 Juli 2015.
[6] “Metoda Tuning Ziegler Nichols”,
http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-
ziegler-nichols.html. Diakses 5 Juli 2015.
[7] “Arduino”,
http://ndoware.com/apa-itu-arduino-uno.html. Diakses 5 Juli 2015.
48