SISTEM KENDALI DIGITAL PADA KENDALI LEVEL AIR DENGAN METODA:
ZIEGLER NICHOLS TIPE-1, ZIEGLER NICHOLS TYPE-2, COHEN COON
MENGGUNAKAN MATLAB DAN ARDUINO
Laporan ini disusun untuk untuk memenuhi salah satu mata kuliah
Sistem Kendali Digitaldi Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri
Bandung
Oleh :Dessy Erdinsyah Putri131311041
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRONIKAJURUSAN TEKNIK
ELEKTROPOLITEKNIK NEGERI BANDUNG2015
ABSTRACT
Dessy Erdinsyah Putri : Water Level Control System. Final
Report: Program Study D3 Electronics Engineering. Bandung State
Polytechnic. 2015
Water level control system is one example of designing a digital
control system (SKD), a plant used to use digital-based control. In
the lab PID Ziegler-Nichols method of type 1, Ziegler-Nichols of
type 2, Cohen Coon used as a simulator Matlab software and
interface for easier and simpler to obtain and view the results of
the control of practicum. In addition to using Matlab software also
uses Arduino Uno module that serves as a controller to control
systems used. With help of Arduino Uno as a controller in the
control of water level in order to facilitate the manual tuning can
set as needed. Results using the Arduino Uno is more practical and
easier. And a water level control system can be said to be a water
control dam simulator.
Keywords: control system, water level, arduino, manual-tuning,
matlab
ABSTRAKDessy Erdinsyah Putri : Sistem Kendali Level Air. Laporan
Akhir : Program Studi D3 Teknik Elektronika. Politeknik Negeri
Bandung. 2015Sistem kendali level air adalah salah satu contoh
perancangan sebuah sistem kendali digital (SKD), sebuah plant yang
digunakan menggunakan kendali berbasis digital. Pada praktikum
Metode PID Ziegler-Nichols type 1, Ziegler-Nichols type 2, Cohen
Coon digunakan software Matlab sebagai simulator dan interface agar
lebih mudah dan sederhana untuk mendapatkan dan melihat hasil dari
kendali yang dipraktikumkan. Selain menggunakan software Matlab
juga menggunakan modul Arduino Uno yang berfungsi sebagai kontroler
pada sistem kendali yang digunakan. Dengan bantuan dari Arduino Uno
sebagai kontroler pada kendali level air mempermudah dalam manual
tuning agar dapat men-set sesuai kebutuhan. Hasil menggunakan
Arduino Uno tersebut lebih praktis dan mudah. Dan sistem kendali
level air ini dapat dikatakan sebagai simulator kendali air
bendungan. Kata kunci : sistem kendali, level air, arduino,
manual-tuning, matlab
DAFTAR ISIABSTACT iiABSTRAKiiiDAFTAR ISI ivDAFTAR TABEL ivDAFTAR
GAMBAR viiBAB I PENDAHULUAN 11.1 Latar belakang 11.2 Rumusan
masalah 21.3 Ruang lingkup dan batasan masalah 2BAB II DASAR TEORI
32.1. SISTEM KENDALI 32.1.1. Kendali lup terbuka 32.1.2. Kendali
lup tertutup 32.1.2.2. Sistem kendali manual 42.1.2.2. Sistem
kendali otomatis 52.2. Kontroler PID 62.2.1. Kontrol Proporsional
62.2.2. Kontrol Integratif 72.2.3. Kontrol Derivatif 82.3. Plant
Kendali Air 112.3.1 Skala Level Air 112.3.2 Tujuan kendali level
air 11BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN 123.1. Deskripsi Alat
123.2. Perancangan Alat 123.2.1. Modul Power Supply 133.2.2. Modul
Set Point 133.2.3. Modul Penguat daya 143.2.4. Modul PID 153.2.5.
Modul Kendali Level Air 153.2.6. Arduino Uno 153.4. Langkah-Langkah
Percobaan 163.4. Metoda Praktikum 173.4.1. ZIEGLER NICHOLS TYPE 1
173.4.2. ZIEGLER NICHOLS TYPE 2 183.4.3. COHEN COON 193.4.4. SCRIPT
ARDUINO UNO 20BAB IV DATA DAN ANALISA 234.1. Ziegler Nichols tipe-1
234.2. Ziegler Nichols tipe-2 254.3. Cohen Coon 284.4. Script
Matlab304.5. Stand Alone Arduino Uno 34BAB V KESIMPULAN DAN
SARAN5.1. Kesimpulan 425.2. Saran 42DAFTAR PUSTAKA 43
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 tabel rumus kendali PID 10Tabel 2.2.
Fungsi PID 10Tabel 3.1 Parameter PID ZN-1 (Kp, Ti dan Td) 18Tabel
3.2 Parameter PID ZN-2 (Kp, Ti dan Td) 18Tabel 3.3 Parameter PID CC
(Kp, Ti dan Td) 20Tabel 4.1 Hasil PID ZN-2 27Tabel 4.2 Hasil PID CC
29
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 sistem pengendali lup terbuka 3Gambar
2.2 Sistem pengendalian lup tertutup 4Gambar 2.3 Sistem
pengendalian level cairan secara manual 5Gambar 2.4 Sistem
pengendalian level cairan secara otomatis 5Gambar 2.5 Blok Diagram
PID 6Gambar 3.1 Plant Keseluruhan Kendali Level Air 12Gambar 3.2
Plant Power Supply 13Gambar 3.3 Plant Set-Point 14Gambar 3.4 Modul
Pengali Dua 14Gambar 3.5 Modul Level Air 15Gambar 3.6 Arduino Uno
16Gambar 3.6 Plant Level Air 16Gambar 3.7 Sistem Kendali dari
Ziegler Nichols tipe-1 17Gambar 3.8 Cara Menentukan Parameter T dan
L berdasarkan respon yang didapat 17Gambar 3.9 Sistem Kendali
Ziegler Nichols tipe-2 18Gambar 3.10 Sistem kendali input step
19Gambar 3.11 Sistem Kendali Sinyal Respon 19Gambar 3.12 Proses
Mencari nilai Gp, d dan 19Gambar 3.13 Konfigurasi Arduino Uno
20Gambar 3.14 Rumus PID 21Gambar 3.15 Konsep Integral PID 21Gambar
3.16 Shiel Arduino 22
Gambar 4.1 Plant Level Air 23Gambar 4.2 Respon Ziegler Nichols
tipe-1 23Gambar 4.3 Proses Desain 24Gambar 4.5 Hasil Respon setelah
memasukan nilai pada PID 24Gambar 4.6 Respon Hasil Manual Tunning
25Gambar 4.7 Plant Level Air 25Gambar 4.8 Simulink Zieglers Nichols
tipe-2 26Gambar 4.9 Hasil Respon 26Gambar 4.10 Hasil Respon
(set-point diatur) 26Gambar 4.11 Proses Desain 27Gambar 4.12 Hasil
Respon masukan PID 27Gambar 4.13 hasil Respon (setelah Tunning
Manual) 28Gambar 4.14 Simulink Cohen Coon 28Gambar 4.15 Hasil
Respon Cohen Coon 29Gambar 4.16 Proses Desain 29Gambar 4.17 Hasil
Respon setelah diset (PID) 30Gambar 4.19 Hasil Respon Script Matlab
30Gambar 4.20 Hasil Respon32Gambar 4.21 Hasil Respon Gangguan
33Gambar 4.22 Hasil Script pada software Arduino Uno 36Gambar 4.23
Hasil Stand Alone (SP 2,5 mbar) 40Gambar 4.23 Hasil Stand Alone (SP
5 mbar) 40Gambar 4.24 Hasil Stand Alone (SP 3 mbar) 41
41
BAB IPENDAHULUAN1.1. Latar BelakangSeiring perkembangan
teknologi yang semakin modern pada masa sekarang, terutama pada
bidang elektronika yang dapat mempermudah dalam pengoperasian suatu
alat, sehingga manusia sangat dimudahkan dengan adanya berbagai
peralatan yang diciptakan dan dapat dioperasikan serta digunakan
secara otomatis. Perkembangan teknologi tersebut menyebabkan banyak
perubahan dalam pemakaian sistem peralatan diseluruh bidang
kehidupan baik dunia industri, jasa, kesebatan dan sebagainya.
Pekerjaan pekerjaan yang dulu dikerjakan secara manual oleh tanaga
manusia, sekarang ini cenderung sudah dilakukan oleh sistem
peralatan yang serba otomatis. Peralatan dengan prinsip kerja
otomatis itu tidak lepas dari sistem kontrol sebagai pengendalinya.
Teknik kontrol yang dapat digunakan sangat beragam, sehingga mampu
diterapkan pada peralatan elektronik dengan tingkat keamanan dan
keakuratan yang tinggi.Pada industriindustri modern maupun industri
menengah yang sedang berkembang, banyak ditemukan sistem kontrol
untuk mengendalikan berbagai macam peralatan yang dapat
dioperasikan secara otomatis. Hanya dengan menekan tombol, alat
sudah dapat bekerja sesuai dengan yang diinginkan. Dengan demikian,
pekerjaan akan lebih cepat dan efisien. Hasil yang dicapai juga
sesuai dengan keinginan. Salah satu peralatan industri yang
dioperasikan secara otomatis adalah alat pencampur cat (mixing
paint) pada industri otomotif, pengemasan oli minuman kaleng dan
lain sebagainya. Yang paling sederhana adalah kontrol pada
pengisian BBM di SPBU. Sekarang ini sudah tidak ada lagi pengisian
yang menggunakan kontrol manual untuk pengisian. Sebagian besar
sudah menggunakan kontrol digital.[1]Dalam industri sistem kendali
yang digunakan menggunakan pengendaliaan PID (Proportional Integral
Deriviatif) merupakan kontroler untuk menentukan presisi dari suatu
sistem dengan umpan balik pada sistem tersebut. PID akan memberikan
aksi kepada Control Valve berdasarkan besar eror yang diperoleh.
Control Valve akan menjadi aktuator yang mengatur aliran fluida
dalam proses industri dengan menggunakan Set Point.Dalam praktikum
sistem kendali level air ini menggunakan PID juga, PID tersebut
untuk menentukan nilai Kp, Kd, Ki, Td dan Ti, yang gunanya untuk
mengatur respon pengendalinya (respon keluaran).
1.2. Rumusan Masalah1. Bagaimana rancangan sistem kendali level
air yang digunakan dalam praktikum.2. Bagaimana cara mengatur
sistem kendali level air agar sesuai dengan yang digunakan.3.
Bagaimana implementasi PID kontroler pada kendali level air.
1.3. Ruang Lingkup dan Batasan MasalahSejumlah permasalahan yang
dibahas dalam laporan akhir ini akan dibatasi ruang lingkup
pembahasannya, antara lain :1. Simulator dan interface Sistem
Kendali Level Air yang digunakan.2. Mempertahankan ketinggian air
pada posisi yang ditentukan agar stabil.3. Metoda pengendalian
menggunakan PID.4. Parameter yang digunakan dalam Sistem Kendali
Level Air.
BAB IIDASAR TEORI
2.1. Sistem KendaliSistem kendali dapat dikatakan sebagai
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 kendalian (plant). Masukan dan keluaran
merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran merupakan hal yang
dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan; sedangkan
masukan adalah yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur keluaran.
Kedua dimensi masukan dan keluaran tidak harus sama.2.1.1 Lup
terbuka (open loop)Pada sistem kendali dikenal sistem lup terbuka
(open loop system) dan sistem lup tertutup (closed loop system).
Sistem kendali lup terbuka atau umpan maju (feedforward control)
umumnya mempergunakan pengatur (controller) serta aktuator kendali
(control actuator) yang berguna untuk memperoleh respon sistem yang
baik. Sistem kendali ini keluarannya tidak diperhitungkan ulang
oleh controller. Suatu keadaan apakah plant benar-benar telah
mencapai target seperti yang dikehendaki masukan atau referensi,
tidak dapat mempengaruhi kinerja kontroler.
Gambar 2.1 sistem pengendali lup terbuka2.1.2 Lup tertutup
(close loop)Pada sistem kendali yang lain, yakni sistem kendali lup
tertutup (closed loop system) memanfaatkan variabel yang sebanding
dengan selisih respon yang terjadi terhadap respon yang diinginkan.
Sistem seperi ini juga sering dikenal dengan sistem kendali umpan
balik. Aplikasi sistem umpan balik banyak dipergunakan untuk sistem
kemudi kapal laut dan pesawat terbang. Perangkat sehari-hari yang
juga menerapkan sistem ini adalah penyetelan temperatur pada almari
es, oven, tungku, dan pemanas air.
Gambar 2.2 Sistem pengendalian lup tertutup
Dengan sistem kendali gambar 1.2, kita bisa ilustrasikan apabila
keluaran aktual telah sama dengan referensi atau masukan maka input
kontroler akan bernilai nol. Nilai ini artinya kontroler tidak lagi
memberikan sinyal aktuasi kepada plant, karena target akhir
perintah gerak telah diperoleh. Sistem kendali loop terbuka dan
tertutup tersebut merupakan bentuk sederhana yang nantinya akan
mendasari semua sistem pengaturan yang lebih kompleks dan rumit.
Hubungan antara masukan (input) dengan keluaran (output)
menggambarkan korelasi antara sebab dan akibat proses yang
berkaitan. Masukan juga sering diartikan tanggapan keluaran yang
diharapkan. Untuk mendalami lebih lanjut mengenai sistem kendali
tentunya diperlukan pemahaman yang cukup tentang hal-hal yang
berhubungan dengan sistem kontrol. Sebagai contoh dua tipe
pengendalian ;2.1.2.2 Sistem pengendali manualSistem pengendalian
dimana faktor manusia sangat dominan dalam aksi pengendalian yang
dilakukan pada sistem tersebut. Peran manusia sangat dominan dalam
menjalankan perintah, sehingga hasil pengendalian akan dipengaruhi
pelakunya. Pada sistem kendali manual ini juga termasuk dalam
kategori sistem kendali jerat tertutup. Tangan berfungsi untuk
mengatur permukaan fluida dalam tangki. Permukaan fluida dalam
tangki bertindak sebagai masukan, sedangkan penglihatan bertindak
sebagai sensor. Operator berperan membandingkan tinggi sesungguhnya
saat itu dengan tinggi permukaan fluida yang dikehendaki, dan
kemudian bertindak untuk membuka atau menutup katup sebagai
aktuator guna mempertahankan keadaan permukaan yang diinginkan.
Gambar 2.3 Sistem pengendalian level cairan secara manual2.1.2.2
Sistem pengendalian otomatisSistem pengendalian dimana faktor
manusia tidak dominan dalam aksi pengendalian yang dilakukan pada
sistem tersebut. Peran manusia digantikan oleh sistem kontroler
yang telah diprogram secara otomatis sesuai fungsinya, sehingga
bisa memerankan seperti yang dilakukan manusia. Di dunia industri
modern banyak sekali sistem ken dali yang memanfaatkan kontrol
otomatis, apalagi untuk industri yang bergerak pada bidang yang
proses nya membahayakan keselamatan jiwa manusia.
Gambar 2.4 Sistem pengendalian level cairan secara otomatis
2.2. PID (Propotional Integrative Derivative).Sistem Kontrol PID
( ProportionalIntegralDerivative controller ) merupakan kontroler
untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan
karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut ( Feed back ).
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu
kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan
masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam
implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun
gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang
perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar
tanggapan sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu
sebagaimana yang diinginkan.
Gambar 2.5 Blok Diagram PIDDengan persamaan PID, dalam domain
waktu sinyal kendali, u(t) ditulis sebagai berikut :
2.2.1. Kontrol ProposionalKontrol P jika G(s) = kp, dengan k
adalah konstanta.Jika u = G(s) e maka u = Kp e dengan Kp adalah
Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja
tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan
kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang
tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar
yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki respon
transien khususnya rise time dan settling time. Pengontrol
proporsional memiliki keluaran yang sebanding/proporsional dengan
besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan
dengan harga aktualnya).Ciri-ciri pengontrol proporsional :1. Jika
nilai Kp kecil, pengontrol proporsional hanya mampu melakukan
koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon
sistem yang lambat (menambah rise time).2. Jika nilai Kp dinaikkan,
respon/tanggapan sistem akan semakin cepat mencapai keadaan
mantapnya (mengurangi rise time).3. Namun jika nilai Kp diperbesar
sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem
bekerja tidak stabil atau respon sistem akan berosilasi.4. Nilai Kp
dapat diset sedemikian sehingga mengurangi steady state error,
tetapi tidak menghilangkannya.2.2.2. Kontrol IntegratifPengontrol
Integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki
kesalahan keadaan mantap nol (Error Steady State = 0 ). Jika sebuah
pengontrol tidak memiliki unsur integrator, pengontrol proporsional
tidak mampu menjamin keluaran sistem dengan kesalahan keadaan
mantapnya nol.Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan
sebagai u(t)=[integral e(t)dT]Ki dengan Ki adalah konstanta
Integral, dan dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai
u=Kd.[delta e/delta t]Jika e(T) mendekati konstan (bukan nol) maka
u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat
memperbaiki error. Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini
semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan
respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat
menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan
ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru
dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde
systemKeluaran pengontrol ini merupakan hasil penjumlahan yang
terus menerus dari perubahan masukannya. Jika sinyal kesalahan
tidak mengalami perubahan, maka keluaran akan menjaga keadaan
seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran
pengontrol integral merupakan luas bidang yang dibentuk oleh kurva
kesalahan / error.Ciri-ciri pengontrol integral :1. Keluaran
pengontrol integral membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga
pengontrol integral cenderung memperlambat respon.2. Ketika sinyal
kesalahan berharga nil, keluaran pengontrol akan bertahan pada
nilai sebelumnya.3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol,
keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi
oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki.4. Konstanta integral
Ki yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. Tetapi
semakin besar nilai konstanta Ki akan mengakibatkan peningkatan
osilasi dari sinyal keluaran pengontrol.2.2.3. Kontrol
DerivatifKeluaran pengontrol diferensial memiliki sifat seperti
halnya suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada
masukan pengontrol akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar
dan cepat. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan, keluaran
pengontrol juga tidak mengalami perubahan, sedangkan apabila sinyal
masukan berubah mendadak dan menaik (berbentuk fungsistep),
keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan
berubah naik secara perlahan (fungsiramp), keluarannya justru
merupakan fungsi step yang besar magnitudenya sangat dipengaruhi
oleh kecepatan naik dari fungsirampdan factor konstanta Kd.Sinyal
kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai
G(s)=s.Kd Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D
ini dalam konteks kecepatan atau rate dari error. Dengan sifat ini
ia dapat digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan
memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya
berubah saat ada perubahan error sehingga saat error statis kontrol
ini tidak akan bereaksi, hal ini pula yang menyebabkan kontroler
Derivative tidak dapat dipakai sendiriCiri-ciri pengontrol
derivatif :1. Pengontrol tidak dapat menghasilkan keluaran jika
tidak ada perubahan pada masukannya (berupa perubahan sinyal
kesalahan)2. Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka
keluaran yang dihasilkan pengontrol tergantung pada nilai Kd dan
laju perubahan sinyal kesalahan.3. Pengontrol diferensial mempunyai
suatu karakter untuk mendahului, sehingga pengontrol ini dapat
menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit kesalahan
menjadi sangat besar. Jadi pengontrol diferensial dapat
mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan aksi yang bersifat
korektif dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem.4. Dengan
meningkatkan nilai Kd, dapat meningkatkan stabilitas sistem dan
mengurangi overshoot.Berdasarkan karakteristik pengontrol ini,
pengontrol diferensial umumnya dipakai untuk mempercepat respon
awal suatu sistem, tetapi tidak memperkecil kesalahan pada keadaan
tunaknya. Kerja pengontrol diferensial hanyalah efektif pada
lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh sebab itu
pengontrol diferensial tidak pernah digunakan tanpa ada kontroler
lainnya.Rumus untuk kendali PID, sebagai berikut :
Tabel 2.1 tabel rumus kendali PIDEfek dari setiap pengontrol
Proporsional, Integral dan Derivatif pada sistem lup tertutup
disimpulkan pada table berikut ini :
Tabel 2.2. Fungsi PIDSetiap kekurangan dan kelebihan dari
masing-masing pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan
menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol
proporsional plus integral plus diferensial (pengontrol PID).
Elemen-elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara
keseluruhan bertujuan :1. mempercepat reaksi sebuah sistem mencapai
set point-nya2. menghilangkan offset3. menghasilkan perubahan awal
yang besar dan mengurangi overshoot.2.3. Plant Level AirModul
kendali level air tujuannya adalah untuk mengukur ketinggian air
yang masuk dalam kantung air. Pada plant level air menggunakan
sistem pompa, yaitu mengatur kecepatan pompa. Maka semakin cepat
pompa, proses pengisian akan semakin cepat.2.3.1 Skala Level
AirSkala level air yang digunakan dalam plant level air di sini
dengan satuan mbar. Di mana 1 mbar=1 kotak horizontal.2.3.2 Tujuan
pengukuran ketinggian level air pada praktikum.1. Mendapatkan hasil
yang sesuai dengan yang diinginkan.2. Dapat men-set PID agar hasil
pada plant level air sempurna.3. Dapat mengukur output respon pada
plant kendali level air
BAB IIIMETODA DAN PROSES PENYELESAIAN
3.1 Deskripsi AlatSistem kendali yang digunakan dalam praktikum
ini adalah plant kendali level air. Pada plant level air ini
menggunakan sensor ketinggian air agar air yang masuk dalam kantung
dapat dideteksi ketinggian airnya tersebut. Dalam praktikum kendali
level air, digunakan bantuan plant yang lainnya. Seperti Modul
Power Supply, modul Set Point, modul PID, Modul Pengali dua. Dan
juga menggunakan arduino Uno yang berfungsi sebagai...
Gambar 3.1 Plant Keseluruhan Kendali Level Air
3.2 Perancangan AlatDalam perancangan alat ini akan menjelaskan
tentang modul-modul yang digunakan dalam praktikum kendali level
air :3.2.1. Modul Power SupplyModul Power Supply berfungsi sebagai
sumber daya masukan tegangan yang akan dihubungkan pada seluruh
plant yang digunakan. Ketika 220Vac dihubungkan dan switch
dinyalakan maka 220Vac masuk kedalam transformator dan mengalami
penurunan tegangan DC yang beragam. Penurunan tersebut diatur oleh
potensio yang terdapat pada modulnya. Pada titik-titik keluaran
yang tertera yaitu +15V,+5V dan -15V yang dihubungkan juga dengan
GROUND
Gambar 3.2 Plant Power Supply
3.2.2. Modul Set-PointModul Set Point berfungsi untuk mengatur
atau men-set keluaran yang digunakan setelah masukan dari modul
Power Supply. Dan modul ini menjadi titik tegangan untuk hasil
output kendali sistem. Dan memiliki 2 pengaturan. Pertama untuk
-10V s/d +10V dan 0V s/d +15V. Tetapi pada praktikum kali ini
menggunakan pengaturan pertama yaitu -10V s/d +10V
Gambar 3.3 Plant Set-Point
3.2.3. Modul Penguat DayaModul penguat daya berfungsi untuk
menguatkan daya keluaran untuk mengendalikan plant. Modul ini
mempunyai dua titik keluaran yaitu tegangan positif dan tegangan
negatif tetapi hasil tegangannya sama hanya saja polaritasnya yang
berbeda.
Gambar 3.4 Modul Pengali Dua
3.2.4. Modul PIDSistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara
pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I
(Integral). Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja
sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem
kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I
atau D agar tanggapan sinyal keluaran system terhadap masukan
tertentu sebagaimana yang diinginkan.
3.2.5. Modul Kendali Level AirModul Kendali Level Air inilah
plant spesial tersebut. Yaitu Plant Level Air. Yang di mana sebuah
keluarannya berupa air, yang responnya didapat melalui sensor di
dalam kantung level air tersebut.
Gambar 3.5 Modul Level Air
3.2.6. Arduino UnoArduino Uno adalah board mikrokontroler
berbasis ATmega328. Uno memiliki 14 pin digital input / output
(dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog,
resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP,
dan tombol reset. Uno dibangun berdasarkan apa yang diperlukan
untuk mendukung mikrokontroler, sumber daya bisa menggunakan power
USB (jika terhubung ke komputer dengan kabel USB) dan juga dengan
adaptor atau baterai.
Gambar 3.6 Arduino Uno
3.3 Langkah-Langkah Percobaan
Gambar 3.6 Plant Level AirGambar di atas adalah gambar
keseluruhan Plant Level Air. Yang terdiri dari ; Catu Daya, Set
Point, PID, Penguat Daya, Level Air dan arduino. Plant tersebut
saling terhubung satu sama lain. Catu daya yang terhubung dengan
220Vac dihubungkan pada Set Point, yang berfungsi untuk mengatur
keluaran air dari plant level air, yang dihubungkan juga pada PID,
yang berfungsi sebagai pengaturan untuk KP, Ti dan Td. Lalu PID
tersebut dihubungkan ke plant Penguat Daya, plant tersebut untuk
menguatkan keluaran. Dan yg terakhir penguat daya dihubungkan pada
plant Level Air, plant ini adalah plant spesial karna dari plant
inilah hasil respon didapat.Lalu dari plant level air di umpan
balikkan ke PID. Dan set point di hubungkan ke A0 arduino, plant
level air dihubungkan juga ke A5 arduino, dan ground pada plant
dihubungkan juga pada GND arduino. Dan arduino itu sendiri
dihubungkan ke Laptop.3.4 Metode PraktikumDalam praktikum digunakan
4 metoda. Yaitu : Ziegler Nichols tipe 1, Ziegler Nichols tipe 2,
Cohen Coon, Stand Alone Arduino. Dan berikut hasil respon pada
masing-masing metode :3.4.1 Ziegler Nichols type 1Metode ini adalah
plant diberi input step (sinyal DC) lalu responnya dilihat.
Gambar 3.7 Sistem Kendali dari Ziegler Nichols tipe-1
Gambar 3.8 Cara Menentukan Parameter T dan L berdasarkan respon
yang didapat
Tabel 3.1 Parameter PID (Kp, Ti dan Td)
3.4.2 Ziegler Nichols type 2Metode ini adalah sistem diset
memiliki umpan balik dengan menggunakan Kendali Proposional
(Kp)/Gain sebagai controller (Ki&Kd diset 0/off).
Gambar 3.9 Sistem Kendali Ziegler Nichols tipe-2
Tabel 3.2 Parameter PID (Kp, Ti dan Td)
3.4.3 Cohen Coon CC bisa dipakai untuk plant yang memiliki
deadtime yang besar. Desain dengan Cohen Coon Plant diberi input
step, lalu respon dibiarkan sampai mencapai steady-state.
Gambar 3.10 Sistem kendali input step
Input step ditambah(diubah), lalu respon dibiarkan sampai
mencapai steady-state. Sinyal perubahan inilah yang akan dipakai
untuk mendesain kendali.
Gambar 3.11 Sistem Kendali Sinyal Respon
Mencari Gp, d dan .
Gambar 3.12 Proses Mencari nilai Gp, d dan .
Menentukan Parameter PID (Kp, Ti dan Td).
Tabel 3.3 Parameter PID (Kp, Ti dan Td)
3.4.4 Stand Alone Arduinoa. Konfigurasi Arduino Uno
Gambar 3.13 Konfigurasi Arduino Unoini adalah konfigurasi
Arduino Uno yang dipakai. Dengan Analog Input A0, A1, A2, A3, A4,
dan A5. Sedangkan Analog Output ~3, ~5, ~6, ~9, ~10, dan ~11.
Dengan daya 0-5V.b. Instalasi Arduino Uno1. Instal software Arduino
Uno.2. Dua folder berisi library I/O.3. Uji Blink pada PIN 13,
sesuai dengan penempatan COM Arduino yang terpasang.4. Setelah
Instalasi Arduino Uno selesai, baru dapat menjalankan program
serial untuk Stand Alone (Arduino Uno).
c. PID Script Rumus PID :
Gambar 3.14 Rumus PID
Dengan konsep Integral pada konsep PID sebagai berikut :
Gambar 3.15 Konsep Integral PID
Flow chart dari Script PID :
Untuk menerjemahkan semua algoritma pengendali PID adalah
flowchartnya. Jika sudah memahami Flowchartnya, dapat menerjemahkan
(step 1) ke bahasa pemograman.
Ini adalah Shield Arduino dan Shield yang digunakan untuk proses
Stand Alone (Arduino Uno). Di mana Shield di sini adalah penghubung
antara Arduino Uno dengan LCD.BAB IVDATA DAN ANALISA
Dalam praktikum sistem kendali level air yang telah dilakukan
dalam empat metode yaitu Ziegler Nichols tipe-1, Ziegler Nichols
tipe-2, Cohen Coon dan Stand Alone yang menggunakan script PID
Matlab dan Script Arduino. 4.1. Ziegler Nichols tipe-1
Gambar 4.1 Plant Level AirDan berikut hasil hasil respon dari
metoda Ziegler Nichols tipe-1 :
Gambar 4.2 Respon Ziegler Nichols tipe-1Dan inilah hasil respon
dari level air yang di kendalikan. Dengan di dapat Tmatlab=3000 dan
Tasli=249detik.
Gambar 4.3 Proses DesainLalu setelah respon didapat maka,
didesainlah respon tersebut untuk mendapatkan nilai T dan L yang
digunakan untuk menghitung/menentukan nilai Kp, Ti dan Td yang akan
di tuning.
Gambar 4.5 Hasil Respon setelah memasukan nilai pada PIDDan ini
adalah hasil respon yang telah dihitung sebelumnya. Dengan
memasukan nilai Kp, Ti dan Td pada plant PID asli.
Gambar 4.6 Respon Hasil Manual Tunning
Uji coba praktikum yang terakhir adalah mentuning secara manual,
agar respon yang sebelumnya lebih baik (agar overshoot dan over
damp berkurang) dengan masukan ke PID : Kp=30; Td=0,02; Ti=10.
4.2. Ziegler Nichols tipe-2
Gambar 4.7 Plant Level AirSetelah Plant diatur/ditata. Membuat
simulink matlab untuk hasil respon keluaran yang diinginkan.
Gambar 4.8 Simulink Zieglers Nichols tipe-2
Gambar 4.9 Hasil Respon
Ini adalah hasil respon dari level air. Dengan di dapat :
Gambar 4.10 Hasil Respon (set-point diatur)
Gambar 4.11 Proses DesainLalu setelah respon didapat maka,
didesainlah respon tersebut untuk mendapatkan nilai x0, x1, Pcr,
Pcr(asli) dan Kcr. yang digunakan untuk menghitung/menentukan nilai
Kp, Ti, Td, Ki dan Td yang akan di tuning. Setelah didapat, didapat
hasil semua itu. Hasil dapat dilihat dibawah ini.
Tabel 4.1 Hasil PID
Gambar 4.12 Hasil Respon masukan PIDDan ini adalah hasil respon
yang telah dihitung dari data yg sudah didapat sebelumnya. Dengan
dimasukan nilai Kp, Ti dan Td ke PID aslinya.
Gambar 4.13 hasil Respon (setelah Tunning Manual)Uji coba
praktikum yang terakhir adalah mentuning secara manual, agar respon
yang sebelumnya lebih baik dan lebih halus. Hasilnya seperti gambar
di atas. Untuk mendapatkan hasil yang lebih halus responnya, dengan
men-set Kp=200, Td=0/OFF dan Ti=tetap.
4.3. Cohen CoonSebelum mendapatkan respon Cohen Coon, terlebih
dahulu membuat simulink seperti dibawah ini. Simulink ini adalah
bantuan untuk mendapatkan respon Cohen Coon.
Gambar 4.14 Simulink Cohen Coon
Gambar 4.15 Hasil Respon Cohen CoonIni adalah hasil respon dari
metoda Cohen Coon. Steady state 2 di dapat dengan memberi tegangan
kejut menggunakan set-point. Dan otomatis respon mengikuti line
steady state.
Gambar 4.16 Proses DesainDan selanjutnya mendesai respon yang
sudah didapat. Dan diketahuilah data yang telah di cari dan
dihitung.
Tabel 4.2 Hasil PID
Gambar 4.17 Hasil Respon setelah diset (PID)Hasil respon sudah
sempurna dan steady state, jadi tidak memerlukan manual tunning
untuk metoda Cohen Coon ini.4.4. Script Matlab
Gambar 4.18 Plant Level Air Script Matlab
Programming dengan Matlab Command. Berikut program untuk Arduino
Uno :
Gambar 4.19 Hasil Respon Script MatlabRespon tersebut diketahui
bahwa nilai KP=30, Td=0 dan Ti=10 didapat pada manual tuning yang
sudah dicoba/dicari pada praktikum sebelumnya. Tetapi Ts=0,1
(semula).
Gambar 4.20 Hasil Respon dengan nilai Ts dirubahIni adalah hasil
repon setelah dirubah pada nilai Ts-nya. Ts yang didapat adalah
0,05. Ts tersebut didapat dengan perhitungan Time sebenarnya dan
Time Matlab. Bahwa didapat Time sebenarnya=5 detik pada Time
Matlab=1000. Dan ternyata hasil dari perubahan nilai Ts yang
didapat, menghasilkan bentuk respon yang lebih baik. Overshoot yang
didapat mengecil/lebih kecil.
Gambar 4.21 Hasil Respon GangguanDan inilah hasil respon dengan
Noise(gangguan), gangguan yang diganggu adalah aliran keluaran air
pada Plant sebenarnya, dan hasil responnya yang tidak stabil.
4.5 Stand Alone Arduino UnoScript Serial Pada Arduino Uno :
Dari hasil Script yang sudah dibuat dan dihubungkan dengan
Plant. Dapat dilihat proses respon plant kendali level air dari
software Arduino Uno : Dengan SetPoint 2,5 mbar
Gambar 4.22 Hasil Script pada software Arduino UnoDan gambar di
atas dengan set point diatur pada 5 mbar. Bahwa respon dari kendali
level air juga mengikuti set point yang ditentukan. Dan sudah stady
state, walau masih ada perubahan respon, perubahan tersebut
disebabkan oleh dorongan air dari pompanya, dan menyebabkan air
yang pada kantung tersebut bergelonjak(terjadinya ombak).Untuk
ditampilkan pada LCD, menggunakan Shield Arduino. Shield
dihubungkan antara Arduino Uno dan LCD. Agar respon keluar pada
LCD, ditambahkan program pada program sebelumnya :
Dan ini adalah Script untuk LCD. Di mana Script ini adalah
program untuk Arduino Uno untuk Stand Alone dan respon dari Kendali
Level Air ditampilkan pada LCD. Dan Script untuk LCD ini hanya
menambahkan script yang hanya untuk Arduino Uno ditambahkan untuk
LCD. Di script inilah kita memberikan huruf-huruf pengaturan untuk
menampilkan hasil respon.
Gambar 4.23 Hasil Stand Alone (SP 2,5 mbar)
Gambar 4.23 Hasil Stand Alone (SP 5 mbar)Dan jika set point
diset pada posisi 5 mbar. Maka PV pun akan mengikuti SP, hasilnya
sama. Bahwa PV tidak slalu stabil dengan SP, disebabkan oleh pompa
Level Air yang mendorong air masuk dan terjadi ombak pada kantung
air. Pada intinya PV stabil (Stady State).
Gambar 4.24 Hasil Stand Alone (SP 3 mbar)Dan ini adalah
instalasi dari Stand Alone. Di mana kabel dihubungkan pada tegangan
langsung, dan Set Point diatur di Potensiometer, dan respon SP dan
PV ditampilkan pada LCD.
BAB VKESIMPULAN DAN SARAN
5.1. KESIMPULANBerdasarkan dari hasil praktikum sistem kendali
digital dengan plant kendali air yang telah dilakukan, maka dapat
disimpulkan bahwa : Praktikum sistem kendali digital dengan plant
level air dapat dilakukan dengan lima metoda, yaitu; Ziegler
Nichols tipe-1, Ziegler Nichols tipe-2, Cohen Coon, PID Matlab dan
Stand Alone Arduino Uno dengan tujuan untuk mendapatkan hasil
respon yang stabil (steady state). Hasil respon dari plant kendali
air, selalu ada ombak yang menyebabkan naik turunnya respon.
Didapat hasil terbaik pada metode Cohen Coon. Hasil respon stabil.
Pada Stand Alone Arduino Uno, Arduino Uno dapat digunakan sebagai
pengendali, tanpa menggunakan PID asli
5.2. SARAN Untuk mengembangkan hasil praktikum yang sudah
dilakukan dan sistem kendali digital, terdapat saran yang diajukan
sebagai berikut Pengecekan terhadap modul secara intensif agar
modul yang digunakan dalam keadaan baik selalu. Mengikuti prosedur
dan arahan dengan benar.
DAFTAR PUSTAKA
1. Mengenal Arduino Uno lebih rinci
http://aozon.blogspot.com/2014/03/mengenal-arduino-uno-lebih-rinci.html
2. Pengertian Sistem Kendali
http://eviandrianimosy.blogspot.com/2010/05/pengertian-sistem-kendali.html
3. PID https://putraekapermana.wordpress.com/2013/11/21/pid/ 4.
teori Kontrol PID
http://menanamilmu.blogspot.com/2010/09/teori-kontrol-pid-proportionalintegrald.html
5. Sistem Kendali PID
http://anggashorapratama.blogspot.com/2012/12/sistem-kendali-pid.html