Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali Digital

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM KENDALI KONTINYU DAN DIGITAL PADA PLANT TEMPERATUR DENGAN METODE ZIEGLERNICHOLS TIPE 1 dan ZIEGLER-NICHOLS TIPE 2 MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan mata kuliah sistem kendali digital DIPLOMA III PROGRAM STUDI ELEKTRONIKA Di Jurusan Teknik Elektro

Oleh Dwi Fakhri Amindin 131311044

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2015

Abstrak

Sistem kendali temperatur sangat banyak digunakan didunia industri. Berbagai penelitian mengenai sistem kendali temperatur dilakukan di dunia akademis dan dunia penelitian agar kelak muncul sebuah inovasi baru di dalam dunia sistem kendali temperatur. penelitian mengenai sistem kendali temperatur yang dilakukan di dunia akademis, dilakukan untuk mempersiapkan para penerus bangsa yang mampu bersaing dan berperan aktif dalam perkembangan dunia teknik kendali. Pengenalan metode yang digunakan untuk mengendalikan sebuah plant dan bagimana cara pemodelan serta proses perancangan merupakan suatu hal yang baru dirasakan oleh mahasiswa. Ada beberapa metode yang digunakan dalam sistem kendali, salah satunya adalah metode Proportional–Integral–Derivative (PID). Sebuah metode yang menggunakan prinsip penguatan posisi, penguatan integral, dan penguatan derivative untuk memperbaiki respon sistem kendali. Untuk mendesain sebuah pengendali PID ada tiga metode yang dapat dilakukan, yaitu metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler Nichols tipe 2. Dengan pemodelan melalui kedua metode tersebut, pengendali PID dapat menghasilkan respon sistem kendali yang lebih responsif dibandingkan dengan tanpa pengendali. Sehingga sistem kendali temperatur dengan pengendali PID dapat digunakan dalam sistem kendali temperatur Pengering gabah, atau Pelelehan besi.

Kata kunci : PID, Ziegler-Nichols tipe 1, Ziegler Nichols tipe 2, Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID, respon sistem.

i

Abstract Temperature control system is widely used in the world of industry. Various research on the temperature control system is done in the academic world and the world of research that later appeared a new innovation in the world of temperature control system. research on the temperature control system is done in the academic world, performed to prepare the successor to the nation that is able to compete and play an active role in the development of control engineering. The introduction of methods used to control a plant and how it modeling and design process is a new thing perceived by students. There are several methods used in control systems, one of which is a method of Proportional-Integral-Derivative (PID). A method that uses the principle of strengthening the position, strengthening the integral, and derivative gains to improve the response of the control system. To design a PID controller, there are three methods that can be performed, the method of Ziegler-Nichols Ziegler Nichols type 1 and type 2. With modeling through both methods, the PID controller can generate control system response is more responsive than without controllers. So that the temperature control system with PID controllers can be used in temperature control system of grain dryer, or Steel smelter . Keywords : PID, Ziegler-Nichols type 1, Ziegler Nichols type 2, Temperature Control System with PID Controller, System respons.

ii

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb. Segala puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan “Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Kontinyu & Digital pada Plant Temperatur dengan Metode ZieglerNichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2 Menggunakan Matlab dan Arduino”. Laporan akhir ini disusun sebagai persyaratan kelulusan pada Mata Kuliah Sistem Kendali Digital Program Studi D3-Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro Polieknik Negeri Bandung. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat saran, dorongan, bimbingan serta keterangan-keterangan dari berbagai pihak yang merupakan pengalaman yang tidak terukur secara materi, namun sesungguhnya pengalaman dan pengetahuan tersebut adalah guru yang terbaik bagi penulis. Oleh karena itu dengan segala hormat dan kerendahan hati perkenankanlah saya sebagai penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Feriyonika , ST.M.Sc.Eng selaku dosen Mata Kuliah Sistem Kendali Digital. 2. Kedua orang tua yang selalu memberikan dukungan dan doanya. 3. Para Teknisi yang setia membantu terlangsungnya praktek Sistem Kendali Digital. 4. Asep Mohammad Fauzi dan Kiki Abdul Baki selaku rekan satu grup dalam praktikum Sistem Kendali Digital. 5. Seluruh rekan-rekan kelas B angkatan 2013 telah memberikan motivasi. 6. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah banyak membantu sehingga laporan akhir praktikum ini dapat diselesaikan.

iii

Dalam penyusunan tugas akhir ini, penulis menyadari masih terdapat banyak kekurangan yang dibuat baik sengaja maupun tidak sengaja. Untuk itu penulis mohon maaf atas segala kekurangan tersebut tidak menutup diri terhadap segala saran dan kritik serta masukan yang membangun bagi diri penulis. Akhir kata semoga dapat bermanfaat bagi penulis sendiri, institusi pendidikan dan masyarakat luas. Wassalamu ‘alaikum Wr. Wb.

Bandung, 6 Juli 2015

Penulis

iv

DAFTAR ISI Abstrak .................................................................................Error! Bookmark not defined. Abstract .............................................................................................................................. ii DAFTAR ISI...................................................................................................................... v DAFTAR TABEL ............................................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... viii BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................................1 BAB II DASAR TEORI....................................................................................................4 2.1.

Perkembangan Sistem Kendali ...........................................................................4

2.1.1.

Sistem Kendali Loop Terbuka ....................................................................4

2.1.2.

Sistem Kendali Loop Tertutup ....................................................................5

2.1.3.

Bagian / Elemen Sistem Kendali ................................................................7

2.2.

Sistem Kendali PID ............................................................................................7

2.3.

Desain Kendali PID ..........................................................................................11

2.3.1.

Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 .................................................................11

2.3.2.

Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 .................................................................13

2.3.3.

Manual Tunning .......................................................................................14

2.4.

Perangkat Lunak (Software) MATLAB ...........................................................14

2.5.

Modul Miktrokontroller Arduino Uno ..............................................................15

BAB 3 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR ...........................16 3.1 Desain Alat.............................................................................................................16 3.1.1.

Modul Catu Daya .....................................................................................20

3.1.2.

Modul Set Poin .........................................................................................20

3.1.3.

Modul Pengendali PID .............................................................................21

3.1.4.

Modul Penguat Daya ................................................................................21

3.1.5.

Plant Sistem Kendali Temperatur .............................................................21

3.2.

Mekanisme Alat ...............................................................................................22

3.2.1. 3.3.

Diagram Blok Pengoperasian Modul ........................................................22

Desain Pengendali PID .....................................................................................23

3.3.1.

Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 ..........................................................23

3.3.2.

Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 ..........................................................24

3.3.3.

Desain PID Dengan Script MATLAB ......................................................26

3.3.4.

Desain PID Dengan Script Arduino ..........................................................27

v

BAB 4 DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS ...............................................................28 4.1.

Hasil Pengujian ................................................................................................28

4.1.1.

Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 ......................28

4.1.2.

Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 ......................30

4.2.

Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID.......30

4.2.1.

Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB ...................................31

4.2.2.

Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno ..............................34

BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................38 5.1.

Kesimpulan ......................................................................................................38

5.2.

Saran ................................................................................................................38

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................................40

vi

DAFTAR TABEL Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID .......................... 98 Tabel 3.1.............................................................................................................. 124 Tabel 3.2.............................................................................................................. 135

vii

DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt................................................ 4 Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka ................................... 5 Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup................................... 6 Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID .................... 8 Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID ..................... 9 Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time .............................. 10 Gambar 2. 7. Respon Sistem Loop Terbuka ......................................................... 12 Gambar 2. 8. Respon Sistem Osilasi ..................................................................... 13 Gambar 2. 9. Logo Simulink MATLAB ............................................................... 15 Gambar 2. 10. Arduino Uno .................................................................................. 15 Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur ............................................................. 16 Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan Arduino Uno.......................................................................................................... 17 Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan Arduino Uno.......................................................................................................... 17 Gambar 3. 4. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ............................................................................. 18 Gambar 3. 5. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ............................................................................. 19 Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter..................................................................... 20 Gambar 3. 7. Plan Sistem Kendali Temperatur..................................................... 21 Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan Pengendali PID...................................................................................................... 22 Gambar 3. 8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L......................................... 24 Gambar 3. 9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr ................................................ 25 Gambar 3.10. Flowchart Script MATLAB ........................................................... 26 Gambar 3.11. Flowchart Script Arduino .............................................................. 27 Gambar 4. 2. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 .................................................................................................................... 29 Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 .............. 30 Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital (MATLAB) ........................................................................................................... 33 Gambar 4. 6. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID...................................................................................................... 37

viii

BAB I PENDAHULUAN Sistem Kendali Temperatur sangat banyak digunakan di dalam dunia industri saat ini. Misalnya pada industri minyak dan gas. Selaras dengan perkembangan teknologi saat ini, sistem kendali temperatur yang digunakan pun semakin berkembang. Sistem kendali temperatur didesain untuk dapat mengendalikan temperatur dari sebuah proses produksi. Sistem kendali yang digunakan pun dituntut memiliki efisiensi yang baik dan tangguh terhadap berbagai gangguan yang dihadapi oleh sistem. Selaras dengan perkembangan teknologi sistem kendali yang ada di industri saat ini, penelitian mengenai pengendalian temperatur yang lebih komplek juga sangat banyak ditemui di dunia penelitian maupun dunia akademis. Untuk merancang sistem kendali temperatur yang efisien dan tangguh terhadap gangguan, perlu dilakukan penelitian yang bersifat rutin dan terfokus. Dengan memberikan pendidikan mengenai dasar-dasar dan parameter sistem kendali temperatur, diharapkan perguruan tinggi sebagai salah satu penghuni dunia akademis mampu mempersiapkan peserta didiknya agar mampu untuk memberikan kontribusi aktif dalam perkembangan teknologi sistem kendali temperatur. Kontribusi aktif yang diharapkan mampu diberikan oleh para lulusan perguruan tinggi tersebut diantaranya adalah mampu untuk mendesain sebuah sistem kendali temperatur yang efisien dan tangguh dengan menggunakan metoda dan analisis yang berkembang saat ini. Salah satu metoda sistem kendali yang paling lama ada dan relatif sering digunakan adalah metoda Proportional– Integral–Derivative (PID).

PID merupakan pengendali untuk menentukan ketepatan suatu sistem kendali dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kendali PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu 1

Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiga komponen kendali PID tersebut didapatkan melalui pendesainan yang juga dapat dilakukan melalui beberapa metode. Salah satu metode tersebut adalah Metode Ziegler-Nichols. Metoda Ziegler-Nichols terbagi menjadi dua tipe, yaitu Metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Metoda Ziegler-Nichols tipe 2. Dengan pendesainan yang baik dalam menentukan nilai pada ketiga jenis komponen kendali PID, dapat menciptakan sebuah sistem kendali temperatur yang efisien, tepat, dan tangguh terhadap berbagai gangguan yang dihadapi (robust). Maka dari itulah penelitian untuk mendesain sistem kendali temperatur berbasis metoda kendali PID Ziegler-Nichols menjadi poin penting dalam dunia pendidikan teknik elektronika di bidang kendali. Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk melatih pendesainan sistem kendali temperatur yang efisien dan tangguh serta pada akhirnya akan diimplementasikan pada sistem kendali temperatur yang berdiri sendiri (stand alone) dengan menggunakan Arduino Uno sebagai pengendali. Tujuan penelitian ini adalah: 1. Melatih ketepatan pendesainan sistem kendali temperatur berbasis metoda kendali PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols Tipe 2. 2. Mampu melakukan manual tunning untuk memperbaiki respon sistem kendali temperatur berdasarkan nilai komponen kendali PID hasil desain awal. 3. Mampu membuat stand alone control menggunakan Arduino Uno pada sistem kendal temperatur berdasarkan hasil tunning. Identifikasi permasalahan pada penelitian ini adalah: 1. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1. 2. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID dengan menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 2.

2

3. Bagaimana cara membuat stand alone control pada sistem kendali temperatur menggunakan Arduino Uno. Agar praktikum ini dapat dilakasanakan dengan baik maka penelitian ini dibatasi pada: 1. Desain sistem kendali temperatur berbasis PID menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. 2. Realisasi stand alone control pada sistem kendali temperatur berbasis PID menggunakan Arduino Uno. Bagaimana cara mendesain sistem kendali temperatur berbasis PID menggunakan metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2 dan melakukan manual tunning untuk mendapatkan nilai komponen kendali PID yang tepat dengan plant yang digunakan serta membangun sebuah stand alone control pada sistem kendali temperatur menggunakan Arduino Uno.

3

BAB II DASAR TEORI 2.1.

Perkembangan Sistem Kendali Sistem kendali memiliki peranan penting dalam perkembangan teknologi dalam berbagai bidang. Contoh penggunaan sistem kendali di industri adalah memberikan kemudahan dalam meningkatkan kualitas, menurunkan biaya produksi, meningkatkan laju produksi. Aplikasi sistem kendali saat ini tidaklah lepas dari penelitian tentang sistem kendali yang dilakukan pada zaman dahulu. Di mana pada zaman dahulu, mayoritas penggunaan sistem kendali adalah dengan menggunakan sistem kendali on-off. Namun seiring berkembangnya teknologi di berbagai bidang, sistem kendali dengan metode lain mulai bermunculan. Diantaranya adalah sistem kendali PID dan Fuzzy.

Perangkat kendali otomatis yang berhasil dibuat pertama kali adalah pengatur sentrifugal untuk pengendali kecepatan mesin uap pada abad ke18 oleh James Watt yang diperlihatkan pada Gambar 2.1.

Gambar 2. 1. Centrifugal Governor by James Watt

2.1.1.

Sistem Kendali Loop Terbuka Sistem Kendali Loop Terbuka adalah suatu sistem kendali yang keluarannya tidak akan berpengaruh terhadap aksi kendali. Sehingga keluaran sistem tidak dapat diukur dan tidak dapat digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Jadi pada setiap masukan akan didapatkan suatu kondisi operasi yang tetap. Sedangkan ketelitiannya 4

akan tergantung pada kalibrasi. Dalam prakteknya, sistem kendali loop terbuka dapat digunakan jika hubungan output dan inputnya diketahui serta tidak adanya gangguan internal dan eksternal. Sistem kendali loop terbuka dapat digambarkan melalui diagram blok pada Gambar 2.2.

Gambar 2. 2. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Terbuka

Sistem kendali loop terbuka memiliki kelemahan dan keunggulan. Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut: 1. Tidak tahan gangguan. 2. Untuk menjaga kualitas yang diingankan pada keluaran perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.

Sedangkan kelebihan dari sistem kendali loop terbuka adalah sebagai berikut: 1. Kestabilan bukan merupakan persoalan utama. 2. Cocok untuk keluaran yang susah diukur. 3. Mudah dirawat. Sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop terbuka adalah sistem kendali yang tidak mengutamakan kestabilan dan tidak tangguh terhadap gangguan. Namun sistem kendali ini mudah untuk digunakan. 2.1.2.

Sistem Kendali Loop Tertutup Sistem kendali loop tertutup adalah suatu sistem kendali yang keluarannya berpengaruh langsung terhadap aksi kendali. Sistem ini

5

berupaya untuk mempertahankan keluaran sehingga hampir sama bahkan sama dengan masukan acuan walaupun terdapat gangguan pada sistem. Sistem ini adalah sistem kendali berumpan balik, dimana kesalahan (error) penggerak adalah selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik (berupa sinyal keluaran dan turunannya) yang diteruskan ke pengendali (controller) sehingga melakukan aksi terhadap proses untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran mendekati harga yang diingankan. Sistem kendali loop tertutup dapat digambarkan dengan diagram blok seperti pada Gambar di bawah ini.

Gambar 2. 3. Diagram Blok Sistem Kendali Loop Tertutup

Sistem kendali loop tertutup juga memiliki kelemahan dan kelebihan. Kelemahan dari sistem kendali ini adalah sebagai berikut: 1. Sulit

dalam

hal

desain

dan

perancangan,

karena

perlu

memperhatikan kepresisian dan keakuratan sistem. 2. Perawatan relatif sulit dilakukan. Sedangkan kelebihan dari sistem ini adalah sebagai berikut: 1. Sistem lebih presisi dan akurat. 2. Sistem lebih dinamis, sehingga kecepatan respon dapat diatur sesuai keinginan. 3. Tahan terhadap gangguan yang dihadapi. 4. Cocok digunakan untuk sistem yang komplek dan keluaran yang terukur.

6

Dapat disimpulkan bahwa sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali yang menjamin kepresisian, keakuratan, dan ketangguhan sistem terhadap gangguan. Namun dalam perancangan dan pendesainannya lebih sulit. 2.1.3.

Bagian / Elemen Sistem Kendali Pada perancangan sistem kendali haruslah diperhatikan bagian ataupun elemen dari sistem itu sendiri. Karena sistem kendali akan memanipulasi suatu masukan yang akan mengendalikan suatu keluaran. Berikut akan dijelaskan mengenai bagian ataupun elemen dari sistem kendali.

2.2.

Sistem Kendali PID Sistem kendali yang digunakan di berbagai bidang dituntut untuk memiliki kepresisian dan tingkat keakuratan yang cukup tinggi. Dan sistem tersebut dituntut pula memiliki kedinamisan yang baik, sehingga respon sistem dapat diatur sesuai dengan keinginan. Sehingga dibuatlah sebuah pengendali (controller) sehingga proses kendali dapat menjadi lebih efektif dan efisien. Ada berbagai metode yang digunakan dalam sistem kendali. Salah satunya adalah sistem kendali dengan ProportionalIntegral-Derivative (PID) Controller. PID merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID adalah pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri. Pengontrol PID akan memberikan aksi kepada aktuator berdasarkan besar error yang diperoleh. Aktuator akan mengatur keluaran pada plant sesuai yang diinginkan disebut dengan Set Point. Error adalah perbedaan dari Set Point dengan keluaran aktual pada plant. Diagram blok sistem kendali dengan pengendali PID dapat dilihat pada gambar dibawah ini

7

Gambar 2. 4. Diagram Blok Sistem Kendali dengan Pengontrol PID

Dari Gambar 2.4 dapat diketahui bahwa pengendali PID akan mengendalikan error yang dihasilkan dari set point dengan sinyal feedback. Sinyal umpan balik didapat dari keluaran plant yang berasal dari sensor pada plant tersebut. Keluaran dari pengendali PID akan mengaktifkan aktuator pada plant. Proses terus berulang hingga antara sinyal set point dengan sinyal galat selisihnya sama dengan nol. Pada pengendali PID diketahui terdapat tiga komponen, yaitu Proportional (Kp), Integratif (Ki), dan Derivatif (Kd). Komponen tersebut memiliki fungsi tersendiri pada pengendali PID. Secara matematis, persamaan umum pengendali PID adalah: 𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) +

𝐾𝑝 𝑇𝑖

∫ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑝 𝑇𝑑

𝑑[𝑒(𝑡)] 𝑑𝑡

(1)

Keterangan: 𝑢 (𝑡 )

= Set point

𝑒 (𝑡 )

= error 1

Karena ∫ = 𝑠 𝑑𝑎𝑛

𝑑() 𝑑𝑡

=𝑠

(2)

𝐾𝑝

Maka 𝑢(𝑠) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑠) + 𝑇 𝑠 𝑒(𝑠) + 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠 𝑒(𝑠) 𝑖

(3)

Sehingga: 𝑒(𝑠)

𝐾𝑝

1

𝑖

𝑖

= 𝐾𝑝 + 𝑇 𝑠 + 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠 = 𝐾𝑝 (1 + 𝑇 𝑠 + 𝐾𝑝 𝑇𝑑 𝑠) 𝑢(𝑠)

(4)

Karena komponen-komponen P, I, dan D pada pengendali PID memiliki fungsi tersendiri, maka perubahan nilai komponen-komponen 8

tersebut sangat berpengaruh terhadap respon sistem kendali. Fungsi komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2. 1. Fungsi Komponen P, I, dan D pada Pengendali PID

Parameter

Rise Time

Overshoot

Setting Time

S-S Error

Proportional

Berkurang

Bertambah

Minor Change

Berkurang

Integratif

Berkurang

Bertambah

Bertambah

Menghilangkan

Derivatif

Minor Change

Berkurang

Bertambah

Minor Change

Dengan memperhatikan fungsi komponen tersebut, pengendali PID menghasilkan respon sistem awal seperti ditunjukan pada Gambar 2.5.

Gambar 2. 5. Respon Awal Sistem Kendali dengan Pengendali PID

Dalam sistem kendali PID ada beberapa parameter yang juga harus diperhatikan

selain

komponen-komponen

penyusunnya.

Seperti

ditunjukkan pada tabel 2.1 dan Gambar 2.5 parameter tersebut adalah rise time, overshoot, settling time, dan steady state error (s-s error). Rise Time (Waktu Naik) adalah waktu yang diperlukan oleh sistem untuk dapat naik dari titik nol menuju titik mantap (steady state). Berdasarkan rise time, respon sistem kendali dibagi menjadi tiga jenis, yaitu Over Damp, Under

9

Damp, dan Critical Damp. Perbedaan ketiga respon tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2. 6. Respon Sistem Kendali berdasarkan Rise Time

Gambar 2.6 memperlihatkan tiga respon sistem kendali yang berbeda. Gelombang A dan C memperlihatkan kondisi over damp. Sedangkan gelombang B memperlihatkan kondisi under damp. Dan gelombang D memperlihatkan kondisi critical damp. Parameter selanjutnya adalah

overshoot. Overshoot adalah

perbandingan selisih harga maksimum dengan harga akhir sistem. Secara matematis, overshoot dapat dicari dengan rumus berikut: % 𝑜𝑣𝑒𝑟𝑠ℎ𝑜𝑜𝑡 =

𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘−𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑑𝑦 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒

𝑥100%

(5)

Paramater yang lain adalah settling time. Settling time adalah waktu yang dibutuhkan agar respon sistem mencapai dan tetap berada di dalam batas-batas dengan nilai akhir dan dinyatakan pada 2% atau 5 %. Secara matematis settling time dapat diperoleh dengan cara: 3

𝑡𝑠 (±5%) = 𝜉𝜔

𝑛

4

𝑡𝑠 (±2%) = 𝜉𝜔

𝑛

(6) (7)

Parameter terakhir adalah steady state error. Steady state error adalah selisih antara respon sistem saat steady state dengan set point. Keempat parameter tersebut dapat dikurangi dan ditambahkan dengan

10

mengubah-ubah nilai komponen P, I, dan D pada pengendali PID sesuai dengan keinginan desainer

2.3.

Desain Kendali PID Desain kendali PID bertujuan untuk menentukan nilai Kp, Ki, dan Kd yang akan digunakan dalam realisasi sistem kendali menggunakan pengendali PID. Ada beberapa cara yang digunakan untuk mendesain kendali PID ini. Cara tersebut adalah dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Kedua metode tersebut menggunakan cara yang berbeda untuk mencari nilai Kp, Ki, dan Kd pada pengendali PID. Setelah menemukan nilai Kp, Ki, dan Kd menggunakan kedua metode tersebut, maka biasanya desainer akan melakukan manual tunning dengan cara mengubah nilai Kp, Ki, dan Kd tersebut agar mendapatkan respon sistem yang lebih baik dari hasil desain awal. Ketiga metode tersebut akan dijelaskan lebih lanjut pada pembahasan di bawah ini.

2.3.1.

Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 pada awalnya menggunakan sistem loop terbuka. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.2. Respon sistem loop terbuka berupa gelombang step. Seperti ditunjukan pada Gambar 2.7.

11

Gambar 2.7. Respon Sistem Loop Terbuka

Pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd pada metode ini diawali dengan mencari nilai L dan T seperti pada Gambar 2.7. L adalah nilai dead time (time delay/lag) pada respon dari titik nol menuju waktu cut-off. Dan T adalah time constant. Nilai L dan T dalam satuan detik (sekon). Penarikan garis diagonal pada respon loop terbuka adalah dengan menempelkannya pada bagian gelombang yang terlandai. Nilai L ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan sumbu x. Sedangkan nilai T ditentukan dari perpotongan garis diagonal dengan garis perpanjangan steady state. Setelah menemukan nilai L dan T, selanjutnya dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan pada Tabel 2.2. Tipe Pengendali

Kp

Ti

Td

Ki

Kd

P

𝑇 𝐿

∞

0

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

PI

0,9

𝑇 𝐿

𝐿 0,3

0

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

PID

1,2

𝑇 𝐿

2𝐿

0,5𝐿

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

Tabel 2. 2. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 1

12

2.3.2.

Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 Desain pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 2 pada awalnya menggunakan sistem loop tertutup dengan feedback seperti ditunjukan pada Gambar 2.3. Pencarian diawali dengan mengatur nilai K (penguatan) hingga respon sistem osilasi. Respon sistem untuk desain menggunakan metode ini ditunjukan pada Gambar 2.8.

Gambar 2. 8 Respon Sistem Osilasi

Berdasarkan Gambar 2.8, pencarian nilai Kp, Ki, dan Kd menggunakan metode ini adalah dengan mencari nilai Kcr. Kcr adalah nilai K (penguatan) saat respon sistem osilasi. Setelah didapatkan respon sistem yang berosilasi, selanjutnya adalah mencari nilai Pcr. Pcr adalah waktu yang dibutuhkan sistem untuk menempuh satu gelombang. Pcr dalam satuan waktu (sekon). Setelah menemukan nilai Kcr dan Pcr, selanjutnya dapat dicari nilai Kp, Ki, dan Kd berdasarkan penghitungan pada Tabel 2.3. Tabel 2. 3. Penghitungan Kp, Ki, dan Kd Ziegler Nichols Tipe 2

Tipe

Kp

Ti

Td

Ki

Kd

P

0,5𝐾𝑐𝑟

∞

0

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

PI

0,45𝐾𝑐𝑟

1 𝑃 1,2 𝑐𝑟

0

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

Pengendali

13

PID

2.3.3.

0,6𝐾𝑐𝑟

0,5𝑃𝑐𝑟

0,125𝑃𝑐𝑟

𝐾𝑝 𝑇𝑖

𝐾𝑝 𝑥 𝐾𝑑

Manual Tunning Manual tunning adalah metode yang dilakukan dengan cara mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd yang telah dihitung melalui pendesainan awal. Manual tunning digunakan untuk memperbaiki respon sistem agar menjadi lebih responsif. Pengubahan nilai Kp, Ki, dan Kd dilakukan dengan tetap memperhatikan parameter yang telah ditunjukan pada Tabel 2.1. Manual tunning biasanya dilakukan untuk menghilangkan overshoot, steady state error, dan settling time serta memperkecil nilai rise time.

2.4.

Perangkat Lunak (Software) MATLAB MATLAB adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi keempat. Dikembangkan oleh The MathWorks, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pemplot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan peng-antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya. Meskipun hanya bernuansa numerik, sebuah kotak kakas (toolbox) yang menggunakan mesin simbolik MuPAD, memungkinkan akses terhadap kemampuan aljabar komputer. Sebuah paket tambahan, Simulink, menambahkan simulasi grafis multiranah dan Desain Berdasar-Model untuk sistem terlekat dan dinamik. Simulink MATLAB digunakan untuk membaca gelombang pada set poin dan keluaran sistem sebagai respon sistem kendali. Respon sistem ini kemudian akan diolah dalam pendesainan pengendali PID. Logo Simulink MATLAB dapat dilihat pada Gambar 2.9

14

Gambar 2.9. Logo Simulink MATLAB

2.5.

Modul Miktrokontroller Arduino Uno Arduino Uno sebenarnya adalah salah satu kit mikrokontroller yang berbasis pada ATmega28. Modul ini sudah dilengkapi dengan berbagai hal yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler untuk bekerja, tinggal colokkan ke power suply atau sambungkan melalui kabel USB ke PCmu Arduino Uno ini sudah siap sedia. Arduino Uno ini memilki 14 pin digital input/output, 6 analog input, sebuah resonator keramik 16MHz, koneksi USB, colokan power input, ICSP header, dan sebuah tombol reset. Arduino Uno digunakan untuk membangun sebuah sistem kendali yang berdiri sendiri tanpa tergantung pada Personal Computer (PC) atau biasa disebut Stand Alone Control. Stand Alone Control dibangun agar sebuah sistem kendali dapat beroperasi dengan baik tanpa tergantung pada PC. Karena sebuah sistem kendali berjalan secara rutin sehingga haruslah dibuat sistem kendali yang dapat berdiri sendiri. Arduino Uno digunakan untuk membuat sebuah Stand Alone Control yang bersifat digital. Arduino Uno diprogram dengan script yang mirip dengan bahasa C.

Gambar 2. 2. Arduino Uno

15

BAB 3 PERANCANGAN SISTEM PENGENDALI TEMPERATUR 3.1 Desain Alat Perancangan sistem pengendali suhu akan diaplikasikan pada sebuah modul pengendali suhu yang terdiri dari beberapa modul sebagai komponen utamanya. Sebuah modul sistem pengendali temperatur analog (analog stand alone control) secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3. 1. Sistem Kendali Temperatur

Agar dapat membaca gelombang masukan dan keluaran sistem diatas, modul sistem kendali temperatur akan dihubungkan ke perangkat lunak (software) MATLAB pada PC melalui kit mikrokontroler Arduino Uno. Untuk selanjutnya, gelombang keluaran yang dibaca oleh MATLAB akan dijadikan acuan untuk desain sistem kendali temperatur menggunakan

pengendali

PID.

Gambar

3.2

menunjukan

cara

mengkoneksikan modul sistem kendali temperatur ke PC untuk pendesaianan menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1.

16

Gambar 3. 2. Rangkaian open loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan Arduino Uno

Sedangkan Gambar 3.3 menunjukan cara mengkoneksikan modul sistem kendali temperatur ke PC untuk pendesainan menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 2.

Gambar 3. 3. Rangkaian closed loop Sistem Kendali Temperatur menggunakan Arduino Uno

Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 memperlihatkan penggunaan resistor sebagai pembagi tegangan. Hal ini dilakukan untuk membatasi tegangan yang masuk ke Arduino Uno. Tegangan masukan dan keluaran sistem

17

adalah sekitar 0 – 10 volt. Sedangkan Arduino Uno hanya mampu menerima tegangan hingga 5 volt. Tetapi hal ini juga dimanipulasi kembali secara software. Untuk memanipulasi pembacaan agar kembali seperti pembacaan tegangan di modul, maka digunakan Simulink MATLAB. Simulink MATLAB digunakan untuk pembacaan tegangan pada set poin dan umpan balik. Seperti ditunjukan pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5.

Gambar 3. 4. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1

Gambar 3.4 menunjukkan desain Simulink MATLAB untuk sistem open loop. Pada desain Simulink diatas, ditambahkan nilai suhu ruangan untuk diselisihkan dengan pembacaan keluaran sistem kendali. Hal ini dikarenakan suhu ruangan minimal di Indonesia adalah sekitar 25 0C – 270C. Sehingga nilai suhu ruangan diisi nilai suhu ruangan pada saat praktikum. Sedangkan pada Gambar 3.5 tidak ditambahkan suhu ruangan pada saat praktikum. Hal ini dikarenakan desain Simulink pada Gambar 3.5 sudah dilengkapi dengan umpan balik yang juga membaca suhu ruangan pada saat praktikum.

18

Gambar 3. 5. Desain Simulink MATLAB pada Perancangan PID Menggunakan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2

Berdasarkan dua desain Simulink MATLAB diatas, dapat dilihat bahwa terjadi penguatan dua kali. Penguatan pertama yaitu 0,0048875 dan penguatan kedua adalah 2. Hal ini bertujuan untuk mengembalikan nilai tegangan asal yang telah dibagi pada masukan Arduino Uno. Penguatan 0,0048875 adalah sama dengan

5

. Pembacaan Arduino untuk sinyal

1023

analog adalah 0-1023 atau setara dengan 0-5 volt. Selanjutnya akan dikuatkan kembali 2 kali untuk mengembalikan nilai tegangan sama seperti sebelum dibagi dua pada masukan Arduino Uno. Agar pembacaan gelombang pada Simulink MATLAB sama dengan pembacaan pada osiloskop, maka lowpass filter pada desain Simulink harus diset seperti pada Gambar 3.6.

19

Gambar 3. 6. Setting Lowpass Filter

Terlepas dari sambungan modul sistem kendali temperatur ke PC, maka modul pembangun sistem kendali harus dikenal terlebih dahulu. Susunan modul yang membangun sistem kendali temperatur pada Gambar 3.1 secara berurutan dari kanan ke kiri dapat dijabarkan sebagai berikut: 3.1.1.

Modul Catu Daya Modul catu daya adalah modul power supply yang menghasilkan tegangan untuk menghidupkan seluruh modul yang akan digunakan. Modul catu daya dilengkapi dengan penghasil tegangan + 15V, - 15V, 5V dan Ground serta fungsi lainnya.

3.1.2. Modul Set Poin Modul set poin merupakan modul yang berfungsi untuk menghasilkan set poin pada sistem kendali yang digunakan. Modul ini dilengkapi dengan penghasil set poin dengan range 0 ~ 10 V dan range 10 V ~ 10 V.

20

3.1.3.

Modul Pengendali PID Modul pengendali PID adalah modul yang digunakan untuk mengendalikan masukan plan berdasarkan parameter Peripheral (P), Integral (I) dan Diferential (D).

3.1.4.

Modul Penguat Daya Modul penguat daya adalah modul yang dapat menguatkan daya dari keluaran pengendali PID untuk dijadikan input dari sebuah plan. Penguatan yang terjadi adalah penguatan arus. Sehingga modul ini tidak merubah tegangan yang masuk, namun hanya menguatkan arusnya saja.

3.1.5.

Plant Sistem Kendali Temperatur Plant sistem kendali temperatur akan mengkonversikan masukkan tegangan menjadi besaran suhu (0C). Konstanta transduser tersebut adalah 1 𝑣𝑜𝑙𝑡 100 𝐶

. Suhu ini akan mempengaruhi tegangan keluaran sensor suhu yang

merubah kembali besaran suhu menjadi besaran tegangan (volt). Keluaran berupa tegangan ini menjadi umpan balik (feedback) yang akan menjadi masukan SUM pada modul pengendali PID. Selanjutnya selisih antara set poin dan umpan balik akan menjadi galat (error). Plan ini dilengkapi dengan kipas dan katup yang menjadi parameter gangguan pada plan. Plan sistem kendali temperatur dapat dilihat pada Gambar 3.7.

Gambar 3.7. Plan Sistem Kendali Temperatur

21

3.2.

Mekanisme Alat Di bagian ini akan dijabarkan mengenai cara kerja keseluruhan modul sistem kendali temperatur dan sudah diuji coba.

3.2.1.

Diagram Blok Pengoperasian Modul Cara kerja sebuah perangkat keras (hardware) sebuah sistem kendali dapat digambarkan melalui sebuah diagram blok. Hal ini dilakukan untuk memudahkan pembacaan cara kerja sistem tersebut. Diagram blok sistem kendali temperatur menggunakan pengendali PID dapat dilihat pada Gambar 3.8.

Set Poin

+

SUM

e(t)

Output Pengendali PID

Penguat Daya

Plant

-

Feedback

Gambar 3. 8. Diagram Blok Sistem Kendali Temperatur Menggunakan Pengendali PID

Berdasarkan diagram blok diatas, dapat dilihat bahwa cara kerja sistem kendali temperatur ini diawali oleh tegangan set poin sebagai input sistem. Tegangan set poin akan dijumlahkan dengan tegangan umpan balik yang berasal dari sensor transduser. Selisih tersebut adalah error. Error akan dikendalikan oleh pengendali PID. Pengendali PID mengontrol galat yang terjadi sampai galat sama dengan 0. Hasil keluaran dari PID akan dikuatkan oleh penguat daya. Daya dikuatkan agar memenuhi daya yang dibutuhkan oleh plant, sehingga plant dapat berjalan. Keluaran dari plant yang dihasilkan oleh sensor transduser akan menjadi feedback. Begitu seterusnya selama sistem terus bekerja.

22

3.3.

Desain Pengendali PID Pendesainan pengendali PID berupa pencarian nilai-nilai Kp, Ki, dan Kd dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metoda Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2. Setelah mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd, langkah selanjutnya adalah dengan melakukan manual tunning pada hasil desain tersebut. Manual tunning dilakukan dengan cara mengubah-ubah nilai Kp, Ki, dan Kd hasil desain dengan tujuan memperbaiki respon sistem. Respon sistem diperbaiki agar mencapai hasil yang optimum berupa peningkatan respon sistem sesuai dengan keinginan. Perbaikan respon ini biasanya dilakukan untuk menghilangkan overshoot, settling time, dan eror steady state serta memperkecil nilai rise time. Pendesainan pengendali PID akan dijelaskan pada pembahasan dibawah ini.

3.3.1.

Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 1 menggunakan respon sistem open loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.2 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.4, proses desain PID dengan metode ini mulai dilakukan. Set poin ditentukan pada tegangan 5,5 volt. Dengan mengklik scope dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.8. Respon sistem tersebut kemudian diolah dengan melakukan pemplotan untuk mencari nilai T dan L seperti ditunjukan oleh Gambar 3.8.

23

Gambar 3.8. Pemplotan untuk Mencari Nilai T dan L

Maka nilai L dan T adalah sebagai berikut L = 1092 - 967.6 = 124,4 T = 3476 - 1092 = 2384 Hasil yang didapat dari waktu matlab maka waktu aslinya yaitu : 88 88 Lasli = × Lmatlab Tasli = × Tmatlab 1000 1000 88 88 Lasli = × 124,4 Tasli = × 2384 1000 1000 Lasli = 10,94 Tasli = 209,792 Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID sebagai berikut : Kp Ti Td Ki Kd 23,01191956 21,88 5,47 1,05173307 125,8752 Tabel 3.1

3.3.2.

Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 Desain PID dengen metode Ziegler-Nichols tipe 2 menggunakan respon sistem closed loop. Dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.3 dan desain Simulink MATLAB pada Gambar 3.5, proses desain PID dengan metode ini mulai dilakukan. Set poin ditentukan pada tegangan 3,5 volt. Penguatan (K) diatur sedemikian rupa agar respon sistem berosilasi. Dengan mengklik scope dua kali pada Simulink MATLAB, maka dapat dilihat dua gelombang

24

yang berasal dari set poin dan keluaran sistem kendali. Respon sistem open loop dapat ditunjukan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9. Pemplotan untuk Mencari Nilai Pcr

Maka nilai Kcr adalah: 280 dan Pcr adalah:5655-5079=576 Maka Didapat Harga Kp, Ti, Td, Ki dan Kd dengan menggunakan PID sebagai berikut : Kp Ti Td Ki Kd 18,54 22,88 5,72 0,810314685 106,0488 Tabel 3.2

Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd dari kedua metode diatas didapat, maka nilai-nilai tersebut dapat diaplikasikan ke dalam pengendali PID untuk membandingkan mana metode yang terbaik untuk digunakan pada sistem kendali temperatur menggunakan pengendali PID.

25

3.3.3.

Desain PID Dengan Script MATLAB Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan Script MATLAB

Gambar 3. 10. Flowchart Script MATLAB

26

3.3.4.

Desain PID Dengan Script Arduino Berikut adalah Flowchart dari desain PID dengan menggunakan Script Arduino

Gambar 3. 11. Flowchart Script Arduino

27

BAB 4 DATA PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1.

Hasil Pengujian Pengujian kepada sistem kendali temperatur pada awalnya adalah dengan melakukan uji batasan plant kendali temperatur yang digunakan. Pengujian awal ini dilakukan untuk mengetahui kemampun plant kendali temperatur untuk mengukur suhu minimal dan maksimal. Setelah mengetahui kemampuan plant kendali temperatur yang digunakan, maka pengujian selanjutnya adalah dengan memasukan nilai Kp, Ki, dan Kd ke sistem kendali temperatur menggunakan pengendali PID. Setelah nilai Kp, Ki, dan Kd didapat dari pendesainan pengendali PID menggunakan metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan Ziegler-Nichols tipe 2, maka nilai-nilai tersebut akan diujikan kepada sistem kendali temperatur dengan pengendali PID. Setelah pengujian hasil desain tersebut, maka akan dilakukan manual tunning sebagai perbaikan dari pengujian hasil desain awal. Dan setelah mendapatkan nilai Kp, Ki, dan Kd sesuai respon yang diinginkan, maka hasil akhir tersebut akan diaplikasikan dalam stand alone control menggunakan Arduino Uno. Pengujian sebelum diaplikasikan pada stand alone control dilakukan secara analog melalui perangkat keras pengendali PID yang ada di Laboratorium Kendali. Namun pembacaan dilakukan secara digital dengan menghubungkan modul sistem kendali temperatur dengan pengendali PID ke PC melalui Arduino Uno. Pembacaan di PC menggunakan piranti lunka Simulink MATLAB. Tahap pengujian yang dilakukan adalah seperti di bawah ini.

4.1.1.

Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1 Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan

28

respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID ZieglerNichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 4. 1. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 1

Berdasarkan Gambar 4.1, respon sistem hasil manual tunning menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai Kp, Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 23,0119156 , Ti = 21,88 , dan Td = 12.

29

4.1.2.

Manual Tunning Hasil Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2 Perubahan nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1 menunjukan perbedaan dari nilai Kp, Ti, dan Td hasil desain berdasarkan respon sistemnya. Respon sistem hasil manual tunning desain PID ZieglerNichols tipe 1 dapat dilihat pada Gambar 4.3.

Gambar 4. 3. Respon Sistem Hasil Manual Tunning Desain PID Ziegler-Nichols Tipe 2

Berdasarkan Gambar 4.3, respon sistem hasil manual tunning menunjukan hasil yang lebih baik daripada hasil desain awal. Dan nilai Kp, Ti, dan Td hasil manual tunning adalah Kp = 58 , Ti = 22,88 , dan Td = 5,72.

4.2.

Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Setelah menentukan nilai Kp, Ki, dan Kd yang akan diaplikasikan ke dalam stand alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali PID, maka ada dua hal yang dilakukan. Hal pertama yang dilakukan adalah dengan membuat sistem kendali terhubung ke MATLAB pada PC melalui Arduino Uno dan yang kedua adalah membuat modul tidak terhubung ke PC dan hanya tersambung ke Arduino Uno sebagai pengendali PID digital.

30

Sebelum beralih ke sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital, ada beberapa hal yang harus diperhatikan selain error, set point, feedback, Kp, Ki, dan Kd, yaitu time sampling, error integral, error integral sekarang, error integral sebelumnya, error sebelum, dan error sekarang. Hal-hal tersebut sangat berpengaruh terhadap pemrograman perangkat lunak sebagai pengendali digital. 4.2.1.

Pengujian Stand Alone Control dengan MATLAB Untuk dapat membangun sebuah sistem kendali dengan MATLAB, maka MATLAB harus diprogram terlebih dahulu. Untuk pengujian sistem kendali temperatur ini, script yang digunakan adalah sebagai berikut: %Praktikum Sistem Kendali Digital %T. Elektronika POLBAN %Menggunakan desain Ziegler Nichols %Dengan Tool Box Matlab yang memiliki performance magus pada simulink %========START======== %Pin 6 Sebagai keluaran PWM (DC) %A (5) sebagai pembaca umpan balik clf %menghapus figur jika masih ada yang tertampil %Time Sampling Ts = 5/100; %besarnya sampling pinMode(a,3,'output') % set pin 6 arduino sebagai output kendali pinMode(a,9,'output') digitalWrite(a,9,1);

%seting parameter PID Kp = 60; Ki = 1; Kd = 175; %============kondisi error awal error_sebelum = 0; errorI_sebelumnya = 0; %============set untunk plot y1=0; %plot nilai Setpoint y2=0; %plot nilai Respons t=0; %waktu looping x=0; start = digitalRead(a,8); while(start==1) %600 merupakan nilai pengulangan tergantung jenis plant untuk suhu bisa melebihi

31

%======================================================= === %Penentuan PV x = x+1; SP = analogRead(a,0); SP = (SP * 0.0049) * 2; PV = analogRead(a,5); PV = (PV * 0.0049) * 2; %untuk nominal 0-1023 setara 0-5V %hitung Error error = SP - PV; %Menghitung Error Integral errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts; %Luas Error sekarang errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya); %Error Integral Total %menghitung Error Diferential errorD = (error - error_sebelum)/Ts; %Kendali PID outP = Kp*error; outI = Ki*errorI; outD = Kd*errorD; outPID = outP + outI + outD; outPID = outPID/10 %==================================================== %membatasi agar nilai PID tidak lebih dari 255 if outPID > 10 outPID = 10; else outPID = outPID; end %membatasi agar PID tidak kurang dari 0 if outPID < 0 outPID = 0; else outPID = outPID; end outPID = outPID/2 outPID = round(outPID*51); %fungsi 'round' agar outPID bilangan bulat, krn out pwm 0-255 %===================== %Menulis Hasil PID ke Arduino analogWrite(a,3,outPID); % pause(0) %fungsi dari pause(x) untuk mendelay x detik

%===========plot respons dan setpoint==========-

32

y1 =[y1,SP]; %nilai SP baru akan ditambahkan pada variabel/matrik y1 y2 =[y2,PV]; %nilai SP baru akan ditambahkan pada variabel/matrik y1 t =[t,x]; %nilai akan ditambah sesuai perulangan x plot (t,y1,t,y2); %Menentukan Axis Gambar x= dari 0600, y=0-3 axis ([0 x+100 0 10]); grid drawnow; error_sebelum = error; errorI_sebelumnya = errorI; start = digitalRead(a,8); end analogWrite(a,3,0);

Sistem kendali yang dihubungkan ke MATLAB saat ini, tidak lagi menggunakan modul set poin dan modul pengendali PID. Karena set poin dan PID sudah bisa ditentukan dan dihasilkan oleh script MATLAB. maka respon sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital tersebut adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.4.

Gambar 4. 4. Respon Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID Digital (MATLAB)

33

4.2.2.

Pengujian Stand Alone Control dengan Arduino Uno Sama halnya seperti pemrograman sistem kendali digital dengan MATLAB. Penggunaan Arduino Uno sebagai inti pengendali harus diprogram terlebih dahulu dengan script yang telah ditentukan. Penulisan script untuk membangun sebuah stand alone control menggunakan Arduino Uno adalah sebagai berikut: #include int output = 6; //untuk menset pin 3 sebagai output float Ts = 0.05; //wanktu sampling //Nilai Kp, Ki dan Kd float Kp = 60; float Ki = 1; float Kd = 175; // Definisi variabel untuk perhitungan PID float setpoint, feedback, setpoint1, feedback1; float error; float errorD, errorD1; float errorI, errorIsekarang, errorIsekarang1, errorIsekarang2; float outP, outI, outD, outPIDsebelum; float errorsebelum = 0; float errorIsebelum = 0; int outPID; LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() { // put your setup code here, to run once: pinMode(6,OUTPUT); lcd.begin(16, 2); }

void loop() { // put your main code here, to run repeatedly:

34

setpoint = analogRead(A0); // membaca setpoint dari potensio setpoint1 = (setpoint*0.0049)*2*10;

feedback = analogRead(A1); feedback1 = (feedback*0.0049)*2*10;

//hitung error error = setpoint1 - feedback1;

//menghitung error Integral errorIsekarang = error + errorsebelum; errorIsekarang1 = errorIsekarang/2; errorIsekarang2 = errorIsekarang1*Ts; errorI = errorIsekarang2 + errorIsebelum;

//menghitung error Diferensial errorD1 = error - errorsebelum; errorD = errorD1/Ts;

//kendali PID outP = Kp*error; outI = Ki*errorI; outD = Kd*errorD; outPIDsebelum = outP + outI + outD;

//membatasi nilai agar PID tidak >255 atau <0 if(outPIDsebelum>=10) { outPIDsebelum = 10; } else if(outPIDsebelum<=0) { outPIDsebelum = 0; }

35

else { outPIDsebelum = outPIDsebelum; } outPID = outPIDsebelum/2; outPID = outPID*51; //Menuliskan Hasil Perhitungan PID ke Pin 3 analogWrite(6,outPID);

//Deklarasi Error errorsebelum = error; errorIsebelum = errorI;

//Code penampilan di serial monitor lcd.setCursor(0,0); lcd.print ("SP="); lcd.setCursor(4,0); lcd.print (setpoint1); lcd.setCursor(10,0); lcd.print ("C"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print ("PV="); lcd.setCursor(4,1); lcd.print (feedback1); lcd.setCursor(10,1); lcd.print ("C"); lcd.setCursor(12,0); lcd.print (error); lcd.setCursor(12,1); lcd.print (outPID);

}

36

Rangkaian yang dibuat untuk membangun sebuah stand alone control menggunakan Arduino Uno hampir sama dengan menggunakan MATLAB. Hanya saja perbedaannya saat ini Arduino Uno tidak perlu disambungkan ke PC. Set poin dan pengendali PID sudah bisa ditentukan melalui script Arduino. Namun respon sistem tidak dapat dilihat dalam bentuk gelombang, Tetapi respon sistemnya memperlihatkan tegangan set poin dan tegangan feedback Pada layar LCD 16x2. Hasil respon pada stand alone control sistem kendali temperatur dengan pengendali PID digital menggunakan Arduino Uno dapat dilihat pada Gambar 4.6.

Gambar 4. 1. Respon Stand Alone Control Sistem Kendali Temperatur dengan Pengendali PID

37

BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN 5.1.

Kesimpulan Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Desain kendali PID Ziegler-Nichols tipe 1 cocok digunakan pada sistem kendali temperatur yang digunakan untuk keperluan pengendalian temperatur yang membutuhkan respon yang tidak terlalu cepat dengan overshoot yang rendah. Karena hasil desain dan manual tunning dengan metode Ziegler-Nichols tipe 1 menunjukan rise time yang lebih lambat dan overshoot yang lebih rendah dibandingkan dengan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 2. Contoh penggunaannya adalah pada sistem kendali temperatur dalam mesin pengering gabah. 2. Desain kendali PID Zigeler-Nichols tipe 2 cocok digunakan pada sistem kendali temperatur yang membutuhkan respon yang cepat walaupun memiliki overshoot yang lebih tinggi dibandingkan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1. Hal ini dibuktikan pada hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 2, rise time respon sistem jauh lebih cepat dibandingkan hasil desain PID Ziegler-Nichols tipe 1. Meskipun memiliki overshoot yang lebih tinggi, respon sistem lebih cepat mencapai kondisi steady state. Contoh penggunaannya adalah pada sistem kendali temperatur mesin pelelehan besi.

5.2.

Saran 1. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 1 digunakan pada sistem kendali temperatur yang membutuhkan overshoot yang rendah meskipun dengan rise time yang cukup lambat.

38

2. Penggunaan desain PID Ziegler-Nichols tipe 2 digunakan pada sistem kendali temperatur yang membutuhkan rise time yang cukup cepat meskipun menghasilkan overshoot yang cukup tinggi.

39

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Ali, M. (2004). PEMBELAJARAN PERANCANGAN SISTEM KONTROL PID. Jurnal Edukasi@Elektro Vol. 1, 1-8. [2]. Fahmizal. (t.thn.). fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-risetime/feed/. Dikunjungi pada 5 Juli 2015, dari fahmizaleeits.wordpress.com: https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/waktu-naik-rise-time/feed/ [3]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2013). Tuning PID ZN tipe-I [Gambar Hidup]. [4]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). Tuning PID ZN tipe-II [Gambar Hidup]. [5]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2014). PID MATLAB Script [Gambar Hidup]. [6]. Feriyonika, S. (Sutradara). (2015). PID Arduino [Gambar Hidup]. [7]. Huailin Shu; Youguo Pi. (2005). Decoupled Temperature Control System Based on PID Neural Network. ACSE 05 Conference, 1-5. [8]. M., H. S. (2004). SISTEM KENDALI HYBRID PID - LOGIKA FUZZY. MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 8, 1-10. [9]. Purdue University, Calumet. (t.thn.). Application of Computers in Process Control. Calumet: Purdue University. [10]. Wijaya, Eka Candra; Iwan Setiawan; Wahyudi, (2004). Auto Tuning PID Berbasis Metode Osilasi Ziegler-Nichols. UNDIP Journal, 1-12. [11]. Azwardi ; Cekdin, Cekmas. (2015). Panduan Praktis Sistem Kendali Digital. PENERBIT ANDI YOGYAKARTA.

40