SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Posisi

Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & CoohenCoon menggunakan Matlab dan Arduino

Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mata kuliah Sistem Kendali Digital Diploma III Program Studi Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro

Oleh :

Hilman Sulaeman 131311048

POLBAN

POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2015

POLBAN

ABSTRAK

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

Kata Kunci : Sistem Kendali Posisi, PID Kontrol, Ziegler-Nicholes I dan II, Programmi ng Coohen-Coon, Scri pt Programmi , Matlab, Arduino dan Stand Alone Arduino.

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [i]

POLBAN

ABSTRACT

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

Posi ti on Contr ol Syste System m , PID Controller , Ziegler-Nicholes I dan II, Key Words : Posi

Coohen-Coon, Scri pt Progr , Matlab, Arduino dan Stand Progr amming Arduino. Arduino. Alone

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [ii]

POLBAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang memiliki segala sumber ilmu dan pengetahuan. Tak lupa shalawat serta salam penulis curahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW, karena berkat kasih dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Laporan Akhir Praktikum Sistem Kendali dengan judul Perancangan Perancangan dan Realisasi Sistem Kendali Digital pada “

Plant Posisi dengan Metode Ziegler-Nichols & Coohen-Coon menggunakan ”

Matlab dan Arduino .

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang telah memberikan

bantuan dan dorongan dari berbagai pihak yang yang berarti bagi

penyelesaian laporan ini kepada : 1. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku dosen pembimbing atas segala dorongan, kesabaran, ketekunan, pengertian dan bimbingannya. 2. Bapak Feriyonika S.T., M.sc.Eng. selaku wali kelas 2B Elektronika 2013 2013 yang selalu memberi dukungan dan nasihatnya. 3. Ibu Iom selaku teknisi yang telah melayani penulis untuk meminjamkan alat dan bahan untuk praktikum 4. Kepada kedua orang tua yang selalu memberi dukungan dan semangat setiap saat, baik secara moril maupun materil. 5. Febry Rustiansyah, selaku rekan penulis dalam praktikum. 6. Serta teman teman teman Elektronika 2B yang telah banyak memberi bantuan –

kepada penulis selama proses pembelajaran SKD. Akhirnya penulis berharap laporan akhir praktikum SKD dapat bermanfaat untuk

mahasiswa

khususnya

dan

masyarakat

luas

umumnya.

Penulis

mengharapkan kritik dan saran yang sufatnya membangun guna memperbaiki laporan ini di masa depan. Bandung , Juli 2015

Penulis Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [iii]

POLBAN

DAFTAR ISI

ABSTRAK ............................................. .................................................................... ............................................. ..................................... ............... i ABSTRACS ........................................... .................................................................. ............................................. .................................... .............. ii KATA PENGANTAR .......................................... ................................................................ ........................................... ..................... iii DAFTAR ISI .............................. ..................................................... .............................................. ............................................ ..................... iv-v DAFTAR GAMBAR ............................................ .................................................................. ...................................... ................ vi-vii DAFTAR TABLES ................................ ...................................................... ............................................. .................................. ........... viii

BAB-I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah .................................. ........................................................ ............................................ ........................ 1 1.2 Rumusan Masalah ........................................... ................................................................. ............................................ ........................ 2 1.3 Tujuan ........................................... ................................................................. ............................................ ......................................... ...................2 BAB-II LANDASAN TEORI

2.1 Sistem Secara Keseluruhan ..................................... ........................................................... ..................................... ...............3 2.1.1. Power Supply .............................................................. .................................................................................... ........................3 2.1.2. Set Point ............................................................... ..................................................................................... .............................. ........3 2.1.3. Power Amplifier ........................................ .............................................................. ......................................... ...................4 2.1.4. Modul PID .............................. .................................................... ............................................. ...................................... ...............4 2.1.5. Modul Kendali Posisi .................................... .......................................................... ..................................... ...............5 2.1.6. Multimeter............................................................ .................................................................................. .............................. ........5 2.1.7. Matlab ............................................ .................................................................. ............................................ .............................. ........ 6 2.1.8. Arduino .......................................... ................................................................ ............................................ .............................. ........ 6 Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [iv]

POLBAN

2.2 PID Controller ...................... Controller ............................................ ............................................. ............................................. .......................... ....6 2.2.1. Pengontrol Proporsional Pengontrol Proporsional ............................................................ ............................................................... .... 7-8 2.2.2. Pengontrol Integral Pengontrol Integral .................... .......................................... ............................................. .................................. ...........9 2.2.3. Pengontrol Derivative Pengontrol Derivative .......................................... ................................................................. ............................ .....10 2.3 Metoda Tunning PID Ziegler-Nichols PID Ziegler-Nichols .......................................... ....................................................... .............11 2.3.1. Metode ke-I Ziegler-Nichols ke-I Ziegler-Nichols ...................................................... ..................................................... 11-12 2.3.2. Metode ke-II Ziegler-Nichols ke-II Ziegler-Nichols .......................................... ........................................................... .................13 2.4 Cara Men-tuning Men- tuning ................... ......................................... ............................................ ......................................... ................... 14-17 BAB-III METODELOGI PERANCANGAN

3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi ........................................... ............................................................ .................18 3.2 Spesifikasi Spesif ikasi Modul Sistem Pengendali Posisi ............................................. .............................................18 3.3 Blok Diagram ......................................................... ................................................................................ .................................... .............19 3.4 Langkah Percobaan (Metodologi Eksperimental) ................................ ................................ 19-22 BAB-IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I ................................... ................................... 23-24 4.2 Desain Kendali dengan Ziegler-Nichols Tipe I ......................................... .........................................25 4.3 Desain Kendali dengan Coohen-Coon .......................................... ....................................................... .............26 4.4 Menggunakan Script-Matlab ....................... .............................................. ......................................... .................. 26-27 4.5 Menggunakan Stand Alone Aduino .......................................... ..................................................... ........... 28-30 BAB-V PENUTUP

5.1 Kesimpulan .......................................... ................................................................ ............................................ ................................ .......... 31 31 5.2 Saran............................................................ ................................................................................... .............................................. .........................31 32

DAFTAR PUSTAKA

……………………………………………………….

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [v]

POLBAN

DAFTAR GAMBAR

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

POLBAN

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

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [vii]

POLBAN

DAFTAR TABLE

Tabel II.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode met ode ke-1 ........................................... ...........................................12 Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode met ode ke-2 ........................................... ...........................................13 Tabel II.3 Acuan Men-Tunning .......................................................... ....................................................................... .............17 Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi ........................................... ...........................................18 Tabel II.5 Nilai Nila i X1 dan X2 ......................................................... .............................................................................. .....................23 Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I................................................ I............................................................. .............23 Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I ............................... ..................................................... ........................ ..24 Tabel II.8 Hasil Has il Perhitungan ZN Tipe II ............................................. .......................................................... .............25 Tabel II.9 Hasil Manual Tuning ........................................... .................................................................. ............................ .....25 Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning ................................................ ................................................27

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [viii]

POLBAN

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah

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

POLBAN

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah dan tujuan yang ingin dicapai, berikut merupakan beberapa masalah yang akan dibahas pada laporan ini. Bagaimana respon sistem level air sebelum menggunakan PID. 1. Metode apa yang sesuai untuk diterapkan pada sistem kendali posisi.

2. Bagaimana perbandingan hasil respon sistem siste m menggunakan metode PID Ziegler Nichols I dan Ziegler Nichols II 3. Bagaimana desain kendali dengan metode Coohen-Coon 4. Penggunaan Script Programming pada MATLAB 5. Dan membandingkannya dengan Script Programming Stan Alone Arduino

1.3 Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai penulis adalah sebagai berikut : 1. Melakukan pengujian dan penerapan sistem kendali PID pada suatu modul sistem kendali level air dengan menggunakan dua metoda yaitu metoda Ziegler Nichols tipe 1 dan 2. Coohen-Coon. 2. Menggunakan Script Programming Matlab 3. Serta menggunakan Script Programming pada Stand Alone Arduino

Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [2]

POLBAN

BAB II LANDASAN TEORI

2.1

Sistem Secara Keseluruhan 2.1.1. Power Supply

Power Supply adalah catu daya dc yang berfungsi untuk memberi tegangan. Power supply yang digunakan disini adalah output +15V/1A dan -15V1A yang kemudian terhubung dengan Set-Point. Dan terdapat tombol yang mengatur besar tegangan yang keluar. Dan juga ada tegangan yang fix atau tetap yaitu 5V per 1A.

Gambar I.1 Power Supply

2.1.2. Set Point

Set Point adalah alat yang berfungsi untuk menentukan kendali suatu alat yang diinginkan. Set point disini terbagi menjadi 2 pilihan yaitu : 1.

Untuk konektor yang pertama dapat mengatur antara

0V sampai dengan +10V. 2.

Untuk konektor yang kedua dapat mengatur antara -

10V sampai dengan +10V

Gambar I.2 Set Point


POLBAN

2.1.3. Power Amplifier (Penguat Daya)

Power amplifier berfungsi sebagai penguatan daya agar pengendalian output beban stabil karena output beban yang digunakan membutuhkan daya yang besar. Terdapat 3 pilihan dalam penggunaan power amplifier : 1.

Output pada power amplifier dikalian +1

2.

Output pada power amplifier dikalian -1

3.

Jika keduanya digabungkan maka output power

amplifier dikuatkan atau dikalikan 2 dari set point.

Gambar I.3 Power Amplifier

2.1.4. Modul PID

PID Controller (Kendali PID) adalah suatu alat untuk mengatur nilai keluaran desain kendali yang telah dibuat. Terdapat 3 tombol pengatur yaitu untuk Kp, Ti dan Td. Dan dapat diatur secara manual sesuai dengan yang kita inginkan.

Gambar I.4 Modul PID


POLBAN

2.1.5. Modul Kendali Posisi

Adalah

suatu

alat

yang

dapat

mengendalikan posisi suatu objek. Dengan motor sebagai pengerak posisi dan sensor sebagai penentu posisi. Pada modul ini terdapat 2 keluaran yaitu +10V dan -10V. Serta terdapat tombol sebagai pengatur manual posisi.

Gambar I.5 Modul Kendali Posisi

2.1.6. Multimeter

Sebelum merangkai cek terlebih dahulu alat yang digunakan dengan multimeter seperti power supply, set point(reference variable generator),

power

amplifier,

dan

motor

generator, dengan mengukur tegangannya apakah sudah sesuai atau belum.

Gambar I.6 Multimeter


POLBAN

2.1.7. Matlab

Matlab adalah salah satu software yang digunakan untuk mendesain sistem kendali yang akan kita bangun. Dengan menggunakan

script

programming

pada

MATLAB.

Gambar I.7 Matlab

2.1.8. Arduino Uno

Arduino digunakan untuk melihat gelombang output sistem kendali pada MATLAB.

Gambar I.8 Arduino

2.2

PID Controller

PID (dari singkatan bahasa Proportional Integral Derivative controller ) – –

– –

merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Masing-masing aksi kontrol ini mempunyai keunggulan-keunggulan tertentu. Kontrol proportional Kontrol proportional mempunyai keunggulan keunggulan rise time

yang cepat, kontrol integral mempunyai

keunggulan untuk memperkecil error dan dan kontrol derivative memiliki derivative memiliki keunggulan untuk memperkecil error atau atau meredam overshot/undershoot . Untuk mendapatkan keluaran dengan rise time yang time yang cepat dan error yang yang kecil dapat menggabungkan ketika kontroller ini. Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [6]

POLBAN

Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol proposional plus integral plus derivative (pengontrol PID). Elemenelemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar.

Gambar I.9 Blok Diagram Kontroler PID Analog

Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Pengaturan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga konstanta tersebut dapat diatur lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan

2.2.1 Pengontrol Proporsional

Pengontrol proposional Pengontrol proposional memiliki keluaran yang sebanding atau proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang di inginkan dengan harga aktualnya). Secara lebih sederhana dapat dikatakan bahwa keluaran pengontrol proporsional pengontrol proporsional merupakan perkalian antara konstanta proposional konstanta proposional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segeramenyebabkan sistem secara langsung mengeluarkan output sinyal sebesar konstanta pengalinya. Gambar 2.2 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengontrol Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [7]

POLBAN

proporsional . Sinyal keasalahan (error ( error ) merupakan selisih antara besaran setting dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi pengontrol, untuk mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting ) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).

Gambar I.10 Diagram blok kontroler proporsional

Pengontrol proposional

memiliki

2

parameter,

pita proposional

( propotional propotional band ) dan konstanta proporsional . Daerah kerja kontroler efektif dicerminkan oleh pita proporsional pita proporsional sedangkan konstanta proporsional konstanta proporsional menunjukan nilai faktor penguatan sinyal tehadap sinyal kesalahan Kp. Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional proporsional (Kp) ditunjukkan secara persentasi oleh persamaan berikut:  =

1 

× 100% 100%

menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran pengontrol dan kesalahan yang merupakan masukan pengontrol. Ketika konstanta proporsional bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan sema kin sempit.


POLBAN

Gambar I.11 Proportional band dari pengontrol proporsional tergantung pada penguatan.

2.2.2

ntegral Pengontrol I ntegral

Pengontrol integral berfungsi menghasilkan respon sistem yang memiliki m emiliki kesalahan keadaan stabil nol. Jika sebuah plant sebuah plant tidak memiliki unsur integrator(1/s), pengontrol proposional tidak akan mampu menjamin keluaran sistemdengan kesalahan keadaan stabilnya nol. Dengan pengontrol integral , responsistem dapat diperbaiki, yaitu mempunyai kesalahan keadaan stabilnya nol. Pengontrol

integral

memiliki

karaktiristik

seperti

halnya

sebuah

integral.Keluaran integral.Keluaran sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyalkesalahan. Keluaran pengontrol ini merupakan penjumlahan yang terus menerusdari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan,eluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Sinyal keluaran pengontrol integral merupakan luas bidang yang dibentuk oleh kurva kesalahan penggerak. Sinyal keluaran akan berharga sama dengan harga sebelumnya ketika sinyal kesalahan berharga nol. Gambar 2.4 menunjukkan contoh sinyal kesalahan yang dimasukan ke dalam pengontrol integral dan keluaran pengontrol integral terhadap perubahan sinyal kesalahan tersebut.


POLBAN

Gambar I.12 Kurva Sinyal Kesalahan E(T) Terhadap T Pada Pembangkit Kesalahan Nol

Pengaruh

perubahan

konstanta

integral

terhadap

keluaran

integral

ditunjukkan oleh Gambar 2.5. Ketika sinyal kesalahan berlipat ganda, maka nilai laju perubahan keluaran pengontrol berubah menjadi dua kali dari semula. Jika nilai 10 konstanta integrator berubah menjadi lebih besar, sinyal kesalahan yang relatif kecil dapat mengakibatkan laju keluaran menjadi besar .

Gambar I.13 Perubahan Keluaran Sebagai Akibat Penguatan Dan Kesalahan

2.2.3

Pengontrol Derivative

Keluaran pengontrol Derivative pengontrol Derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi differensial. Perubahan yang mendadak pada masukan pengontrol, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Gambar 2.6 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyalckesalahan dengan keluaran pengontrol.


POLBAN

Gambar I.14 Blok diagram pengontrol Derivative

Gambar 2.7 menyatakan hubungan antara sinyal masukan dengan sinyal keluaran pengontrol Derivative. Derivative. Ketika masukannya tidak mengalami perubahan, keluaran pengontrol juga tidak mengalami perubahan, sedangkan apabila sinyal masukan berubah mendadak dan menaik (berbentuk fungsi step), step), keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah naik secara perlahan (fungsi ramp), ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar magnitudnya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp dan faktor konstanta diferensialnya.

Gambar I.15 Kurva waktu hubungan input-output pengontrol Derivative

Berdasarkan karakteristik pengontrol tersebut, pengontrol derivative umumnya dipakai untuk mempercepat respon awal suatu sistem, tetapi tidak memperkecil kesalahan pada keadaan stabilnya. Kerja pengontrol derivative hanyalah efektif pada lingkup yang sempit, yaitu pada periode peralihan. Oleh sebab itu pengontrol derixxvative tidak pernah digunakan tanpa ada pengontrol lain sebuah sistem (Sutrisno, 1990, 102).


POLBAN

2.3

Metoda Tunning PID Ziegler Nichols

Metoda penentuan parameter pengontrol PID Ziegler Nichols Nichols memiliki kelebihan dibandingkan dengan metoda klasik. Salah satu kelebihan tersebut adalah tidak ditekankannya penurunan model matematik komponen yang akan diatur (plant). Perhitungan parameter-parameter pengontrol Proportional, Integral, dan Diferential PID PID hanya dilakukan untuk menentukan ultimate gain Ku gain Ku dan ultimate periode Tu dari respon step sebuah plant. Penalaan parameter kontroller PID selalu didasari atas tinjauan terhadap karakteristik yang diatur (plant). Metoda ini didasarkan pada reaksi plant yang dikenai seuatu perubahan. 2.3.1

Metode ke-1 Ziegler-Nichols

Metode ke-1 didasarkan pada respon plant respon plant terhadap masukan tangga dalam kalang terbuka. Plant yang tidak mempunyai integrator, menghasilkan kurva tanggapan terhadap masukan tangga seperti kurva huruf S pada Gambar 2. Kurva tanggapan plant tanggapan plant digunakan untuk mencari waktu tunda L dan konstanta waktu T.

Gambar I.16 Kurva Tanggapan Berbentuk S.

Parameter-parameter yang didapat dari kurva reaksi digunakan untuk menentukan parameter parameter pengendali PID berdasarkan tetapan empiris Zielger-Nichols. Rumus-rumus untuk parameter pengendali menggunakan metode kurva reaksi ditabelkan pada Tabel 1. Tabel I.1 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-1

Pengendali

Kp

Ti

Td

P

1/a 1/a

-

-

PI

0,9 /a /a

3L

-

PID

1,2 /a /a

2L

L/2 L/2


POLBAN

2.3.2

Metode ke-2 Ziegler-Nichols Ziegler-Nichols

Pada metode ke-2, penalaan dilakukan dalam kalang tertutup dimana masukan referensi yang digunakan adalah fungsi tangga ( step ( step). ). Pengendali pada metode ini hanya pengendali proporsional. Kp, dinaikkan dari 0 hingga nilai kritis Kp, sehingga diperoleh keluaran yang terus-menerus berosilasi dengan amplitudo yang sama. Nilai kritis Kp ini disebut sebagai ultimated gain. gain. Tanggapan keluaran yang dihasilkan pada 3 kondisi penguatan proporsional ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem dapat berosilasi dengan stabil pada saat Kp = Ku.

Gambar I.17 Karakteristik Keluaran Suatu Sistem Dengan Penambahan Kp

Nilai ultimated period , Tu, diperoleh setelah keluaran sistem mencapai kondisi yang terus menerus berosilasi. Nilai perioda dasar, Tu, dan penguatan dasar, Ku, digunakan untuk menentukan konstanta-konstanta pengendali sesuai dengan tetapan empiris Ziegler-Nichols pada Tabel 2. Tabel II.2 Penalaan Ziegler-Nichols metode ke-2 Pengendali

Kp

Ti

Td

P

K u/2

-

-

PI

2 K u /5

4T u / 5

-

PID

3 K u /

T u / 2

3T u / 25 25

5


POLBAN

2.4

Cara Men-Tunning

metoda tuning PID controller untuk menentukan nilai proportional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem. Metoda ini akan memberikan nilai overshoot sebesar 25% pada step response, seperti gambar di bawah.

Gambar II.18 Gambar 1. Overshoot 25%

Metoda ini terdiri dari 2 macam : a. Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, lihat gambar 2. Jika kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan. Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah buah konstanta, yaitu waktu waktu tunda L dan time constant T. Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi kurva S, lihat gambar 3. Garis tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa melakukan pendekatan fungsi transfer dalam first order sebagai berikut :

Gambar I.19 Kurva S


POLBAN

Gambar I.20 Penentuan paameter L dan T

Gambar I.21 Formula PID

b. Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan proportional band saja. s aja. Nilai Nila i Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai ter capai nilai Kp yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut sebagai critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal output akan teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti terlihat di bawah ini.


POLBAN

Gambar I.22 Sistem Teredam

Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan membesar, seperti gambar di bawah

Gambar I.23 Sistem Tidak Teredam

Jika dengan metoda ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten, maka metoda ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh nilai critical gain Kcr dan periode kritis Pcr, lihat gambar 6 dan tabel 2. Berdasarkan nilai ini, kita dapat menentukan nilai parameter Kp, Ti, dan Td berdasarkan rumus di bawah :


POLBAN

Gambar I.24 Persamaan ZN-Tipe 2

Gambar I.25 Osilasi Konsisten Tabel II.3 Acuan Men-Tunning


POLBAN

BAB III METODELOGI PENYELESAIAN

3.1 Modul Sistem Pengendalian Posisi

Gambar I.26 Plant Pengendalian Posisi

Modul Sistem Kendali Posisi merupakan merupakan sebuah sistem yang terdiri atas motor servo motor servo.. Prinsip kerja dari modul ini adalah input didapatkan didapatkan secara manual dari potensiometer yang terdapat pada motor driver , atau didapatkan dari setpoint dari setpoint . Tegangan input akan menggerakkan motor servo. motor servo. sensor posisi yang terdapat pada modul ini akan mengeluarkan output 1V 1V setiap perubahan 1cm.

3.2 Spesifikasi Modul Sistem Pengendalian Posisi Tabel II.4 Spesifikasi Modul Pengendalian Posisi

Catu Daya

15 Volt

Aktuator

Motor Servo

Sensor

Sensor Posisi ( 1V / 1 cm)

Posisi Maksimum

5 cm

Posisi Minimum

-5cm


POLBAN

3.3 Diagram Blok

Input

+ -

Set Point

Plant

Output

Feedback

Gambar I.27 Diagram Blok 3.4 Langkah Percobaan (Metodelogi Eksperimental) :

1. Siapkan alat dan bahan yang akan digunakan. 2. Periksa dan pastikan modul yang digunakan dalam kondisi baik dengan cara memeriksa menggunakan multimeter. Memeriksa setiap output setiap modul. 3. Merangkai modul berdasarkan gambar. Power Supply, Set Point, Modul PID, Power Amplifier, dan Modul Sistem Kendali Posisi.

Gambar I.28 Plant Kendali Posisi 4. Jalankan program MATLAB dan ARDUINO yang sudah diinstal sebelumnya. 5. Menghubungkan Menghubungkan Arduino ke laptop/PC. 6. Upload file adio.pde pada Arduino. 7. Atur agar arduino terhubung pada MATLAB. 8. Buka tool Simulink dan buat rangkaian seperti ini Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [19]

POLBAN



Berikut Simulink untuk output +5V sampai -5V Gambar I.29 Simulink 1

9.

Berikut Simulink untuk output +10V sampai -10V

Gambar I.30 Simulink 2

10. Pada Lowpass Filter atur seperti pada gambar dibawah.

Gambar I.31 Lowpass Filter Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [20]

POLBAN

11. Koneksikan Arduino dengan Plant dan sabungkan port A0 pada output setpoint dan A5 pada output sistem kendali posisi.

Gambar I.32 Konfigurasi Arduino pada Plant

12. Mengatur Set Point sesuai dengan yang diinginkan. 13. Menjalankan Simullink dan menjalankan plant. 14. Mencari nilai T dan L atau Kcr dan Pcr dari hasil desain awal. 15. Menghitung nilai Kp, Ti, dan Td.


POLBAN

16. Jika sudah didapat nilai Kp, Ti, dan Td, dengan waktu nyata selanjutnya gunakan PID Controller pada rangkaian. Dan lakukan Tunning manual Mengamati dan mencatat hasil dari desain ZN tipe 1.

Gambar I.33 Modul PID

17. Langkah percobaan untuk mendesain dengan menggunakan ZN tipe II sama halnya dengan ZN tipe I, hanya saja menentukan Kcr dan Pcr dan untuk nilai Kp nya yang berbeda.


POLBAN

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1

Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Ziegler-Nicholes Tipe I

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

Gambar I.34 Respon Awal Kendali 3

2.5

X: 632 2

Y: 1.842

X: 304.8

1.5

Y: 1.322

1

0.5

X: 33.4

X: 41

Y: 0.0001916

Y: 0.002547

0 0

100

200

300

400

500

600

Gambar I.35 Menentukan Nilai X1 dan X2 X1

X2

41

304.8

Tabel II.5 Nilai X1 dan X2 ZN-1 L

T

Kp

Ti

Td

Ki

Kd

8.2

263.8

38.60488

16.4

4.1

2.353956

158.28

Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu nyata

Tabel II.6 Hasil Perhitungan ZN tipe I


700

800

POLBAN



Berikut Respon Gelombang Hasil Tuning Manual

6

5

4

3

2

1

0

-1 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Gambar I.36 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning Dengan : ZN-1 L

T

Kp

Ti

Td

8.2

263.8

79

16

4

Ki 2.35395 6

Tabel II.7 Hasil Tuning Manual ZN tipe I


Kd

158.28

3500

4000

POLBAN

4.2

Desain Kendali dengan Ziegler-Nicholes Tipe II

5

4.9

X: 11.8

X: 21

Y: 4.882

Y: 4.885

4.8

4.7

4.6

4.5

4.4 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Gambar I.37 Respon Awal dan Menentukan X 1 X2 ZN-2 Kcr 98

Pcr 9.2

Kp 58.8

Ti 4.6

Td 1.15

Ki 12.78261

Kd 67.62

Keterangan : 100 detik di matlab = 10 detik waktu nyata Tabel II.8 Hasil Perhitungan ZN Tipe II



Berikut Hasil Respon Gelombang setelah di Tuning Manual

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

-4 0

100

200

300

400

500

600

700

Gambar I.38 Respon Gelombang Hasil Tuning Manual ZN-2 Kcr 98

Pcr 9.2

Kp Ti Td Ki 4.6 1.15 12.78261 81 Tabel II.9 Hasil Manual Tuning


Kd 67.62

800

900

1000

POLBAN

4.3

Desain Kendali dengan Coohen-Coon

8

7

6

5

4

3

2

1

0

-1 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Gambar I.39 Respon Awal dengan Coohen-Coon *Note : Untuk desain kendali menggunakan Coohen-Coon, saya beserta rekan

saya belum dapat menyelesaikannya dikarenakan waktu yang terbatas saat praktikum. Namun dapat dilihat respon gelombang gelombang sudah terlihat.

4.4

Menggunakan Script-MATLAB Script-MATLAB 

Koneksikan Arduino pada MATLAB.



Karena keluaran Arduino hanya 0-5V kemudian set 2,5 V x 4 pada SET POINT sehingga keluaran menjadi -10V sampai 10V.



Masukan Script programming berikut pada Matlab

clf Ts = 0.01 ; pinMode(a,6,'output' pinMode(a,6,'output') ) pinMode(a,13,'output' pinMode(a,13,'output') ) digitalWrite(a,13,1);

x=0; analogWrite(a,6,128); start=digitalRead(a,10); while (start==1) while (start==1) x=x+1; SP = analogRead(a,0)*(0.0049); PV = analogRead(a,5); PV = PV*0.0049;

Kp = 87; Ki = 0; Kd = 0; error_sebelum = 0; errorI_sebelumnya = 0;

error = SP - PV; errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts; errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya);

y1 = 0; y2 = 0; t =0; Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [26]

3500

POLBAN

errorD = (error error_sebelum)/Ts;

end

outP = outI = outD = outPID outD;

outPID = round(outPID*51); analogWrite(a,6,outPID); pause (0)

outPID=(outPID+10)/4;

Kp * error; Ki * errorI; Kd * errorD; = outP + outI +

y1 = [y1,SP]; y2 = [y2,PV]; t = [t,x]; plot(t,y1,t,y2); axis ([0 3000 0 5]); grid drawnow; error_sebelum=error; errorI_sebelumnya=errorI; start=digitalRead(a,10); end analogWrite(a,6,128);

if outPID if outPID > 10 outPID = 10; else outPID = outPID; end if outPID if outPID < -10 outPID = -10; else outPID = outPID; 5

4.5

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

500

1000

1500

2000

2500

Gambar I.40 Respon Gelombang Hasil Manual Tuning PID Script L 8.2

T 263.8

Kp 87

Ti 16.4

Td 4.1

Ki 16

Keterangan : 100 detik di matlab = 4 detik waktu nyata

Tabel II.10 Hasil Perhitungan Manual Tuning Sistem Kendal Digital pada Plant Posisi [27]

Kd 41

3000

POLBAN

4.5

Menggunakan Stand Alone Arduino 

Ukur Set-Point atur menjadi 2.5 V dan atur juga pada modul PID dengan menset nilai Kp = 4 Ti dan Td = 0 pada posisi saklar OFF. Kemudian ukur keluaran pada modul PID sehingga menjadi 10 V. Nilai keluaran 10 V tersebut berasal dari hasil pengalian tegangan Set-Point dengan modul PID. Itu bertujuan untuk menggantikan tegangan yang diberikan oleh Arduino yang terbatas sebesar 5 V sehingga dilakukan pengalian tegangan dengan tujuan memberi tegangan yang sesuai dengan plan yaitu -10 - 10 V.



Masukan Script programming berikut pada Arduino. #include

float errorsebelum = 0;

float errorIsebelum = 0;

LiquidCrystal lcd(12,

int outPID;

11, 5, 4, 3, 2);

void setup () { lcd.begin(16, 2);

int Output = 6;

pinMode (6,OUTPUT);

float Ts = 0.01;

}

float Kp = 87;

void loop () {

float Ti = 0;

lcd.setCursor(0,0);

float Td = 0;

lcd.print("SP=");

float Ki = 0;// Kp/Ti;

lcd.setCursor(6,0);

float Kd = 0;// Kp*Td;

lcd.print(Setpoint1);

float Setpoint,

lcd.setCursor(11,0);

Feedback, Setpoint1,

lcd.print("mm");

Feedback1;

lcd.setCursor(0,1);

float error;

lcd.print("PV=");

float errorD, errorD1;

lcd.setCursor(6,1);

float errorI,

lcd.print(Feedback1);

errorIsekarang,

lcd.setCursor(11,1);

errorIsekarang1, lcd.print("mm");

errorIsekarang2; float outP, outI, outD,

Setpoint = analogRead

outPIDsebelum;

(A0);


POLBAN

Setpoint1 =

//outPID =

Setpoint*0.0049*10;

outPIDsebelum;

Feedback = analogRead

if(outPID>=10)

(A1);

{

Feedback1 =

outPIDsebelum=10;

Feedback*0.0049*10;

}

error = Setpoint1 -

else if(outPID<=-10)

Feedback1; { errorIsekarang = outPIDsebelum=-10;

error+errorsebelum;

}

errorIsekarang1 errorIsekarang1 = errorIsekarang/2;

else

errorIsekarang2 errorIsekarang2 =

{

errorIsekarang1*Ts;

outPIDsebelum=outPIDsebe

errorI = errorIsekarang2 errorIsekarang2

lum; }

+ errorIsebelum; errorD1 = error -

float

errorsebelum;

outPIDsebelum1=(outPIDse

errorD = errorD1/Ts;

belum+10);

outPID=outPIDsebelum1/4;

outP = Kp*error; outI = Ki*errorI;

outPID=outPIDsebelum*51; outD = Kd*errorD; analogWrite(6,outPID); errorsebelum=error; outPID = outP + outI + errorIsebelum=errorI;

outD; }



Masukan persamaan pengali tegangan pada Arduino seperti berikut : RUMUS : outPID=(outPID+10)/4; outPID=(outPID+10)/4;



Koneksikan Arduino dengan Laptop, kemudian pada Arduino klik Upload dan lihat gelombang pada Serial-Monitor.


POLBAN



Berikut Hasil program pada Serial-Monitor. Terlihat nilai keluaran antara Set-Point dan Feedback mempunyai nilai yang sama. Itu menunjukan sistem berjalan dengan baik dan stabil.

Gambar I.41 Hasil pada Serial Komputer


POLBAN

BAB V PENUTUP

5.1

Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan antara lain : 1. Pada metoda desain ZN-Tipe 1, dengan menaikkan nilai Kp, Td, dan Kd maka dapat menurunkan overshoot dan mengurangi risetime. risetime. Terlihat pada gambar hasil desain yang di tunning secara secara manual. 2. Metoda desain ZN-Tipe 2 berbanding terbalik dengan ZN-Tipe 1. Untuk menghasilkan desain kendali yang baik maka pada ZN-Tipe 2 harus menurunkan nilai Kp, Ti, dan Kd. 3. Dengan menggunakan script programming dapat membantu dalam proses mendesain kendali. 4. Serta untuk merealisasikan kendali dapat di aplikasikan pada Stand Alone Arduino. 5. Dan untuk dapat mendesain kendali baik dibutuhkan ketelitian dan kesabaran serta insting seorang seorang engineer .

5.2

Saran

Beberapa saran dari penulis untuk praktikum sistem kendali yaitu : 1. Setiap modul yang digunakan dirawat dan dijaga kondisinya agar ketika praktikum dapat berjalan dengan lancar. 2. Setiap mahasiswa mempunyai handbook praktikum agar hasil praktikum dapat tersusun rapih.


POLBAN

DAFTAR PUSTAKA

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


SKD-131311048-Laporan Akhir Sistem Kendali Posisi

Recommend Documents