1. DESAIN KENDALI PID PADA PLANT DEBIT AIR
DENGAN METODE ZIEGLER NICHOLS DAN
COOHEN-COON MENGGUNAKAN MATLAB DAN
ARDUINO
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan matakuliah
Sistem Kendali Digital pada semester IV
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK ELEKTRONIKA
Jurusan Teknik Elektro
Oleh
Rivaldi Siregar
131311059
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015
2. i
ABSTRAKSI
Dalam dunia Industri, terutama industri minuman dalam botol, kendali debit
air sangatlah dibutuhkan untuk menentukan berapa lama waktu pengisian botol-
botol minuman tersebut. Kecepatan alirannya harus dijaga tetap konstan agar air
yang masuk tidak kurang dan tidak berlebih dari yang seharusnya. Salah satu cara
untuk merancang kendali debit air adalah dengan sistem kendali PID (Proportional
Integral Derivative). Sistem kendali ini bekerja dengan membandingkan error
dengan set point. Dalam sistem kendali ini dibutuhkan nilai-nilai Kp, Ki, Kd. Nilai-
Nilai tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan Metode Ziegler-Nichols dan
Metode Coohen-Coon. Setiap Metode memiliki karakteristik masing-masing yang
mengakibatkan sinyal respon yang dihasilkan pun berbeda-beda. Perealisasian
sistem kendali ini dapat menggunakan bantuan arduino dan matlab dalam
pengerjaanya. Dalam realisasinya, metode ZN tipe 1 dirasa memiliki hasil respon
yang paling baik dibandingkan dengan metode yang lainnya untuk sistem kendali
debit air ini. Pengaplikasian sistem kendali ini sangat bermanfaat dalam dunia
industri karena dapat meminimalisir kesalahan-kesalahan yang mungkin terjadi.
Kata kunci : Kendali debit air, PID, Ziegler-Nichols, Coohen-Coon, sinyal respon.
3. ii
ABSTRACT
In the industrial, especially drink industrial, water flow control is strongly needed
for determine the time a bottle will be filled until it full. The speed of the flow must
be in constant condition so the water fills the bottle will not too few and too much
then it must be. One of the way to design the water flow control is using PID
(Proportional Integral Derivative) Controller. This kind of control system works by
comparing error value with set point value. Here, we need the values of Kp, Ki, Kd.
Those values can be obtained using Ziegler-Nichols and Coohen-Coon method.
Every method has its own characteristic that causes the responses has different
shape of signal. The realization of this control system use arduino and matlab on
its process. In the realization, ZN type 1 method has the greatest response signal
than the other methods for water flow control plant. The application of this control
system will be very useful in the industry, because this control system can minimize
errors that occur.
Keywords : Water flow control, PID, Ziegler-Nichols, Coohen-Coon, Signal
respons.
4. iii
KATA PENGANTAR
Mengendalikan debit air dalam sebuah perusahaan yang produknya
menggunakan air adalah sangat penting sifatnya. Dalam mengendalikannya banyak
metode yang dapat digunakan, salah satunya PID. Untuk mempelajarinya, penulis
menyusun karya tulis yang berjudul “Desain Kendali PID pada Plant Debit Air
Dengan Metode Ziegler Nichols dan Coohen-Coon Menggunakan Matlab dan
Arduino”.
Karya tulis ini dibuat dalam rangka memenuhi tugas matakuliah sistem
kendali digital. Karya tulis ini juga bertujuan untuk mempelajari sistem kendali
menggunakan sistem PID dengan bantuan matlab dan arduino.
Dengan tuntasnya pembuatan karya ilmiah ini, penulis berterimakasih
kepada Allah S.W.T karena berkat rahmat dan hidayah-Nya penulis dapat
menyelesaikan karya tulis ini. Ucapan terimakasih juga penulis haturkan kepada
dosen sistem kendali digital kami, Feriyonika, ST.M.Sc.Eng yang telah
memberikan arahan serta bimbingan dalam penyusunan karya tulis ini. Dan terakhir
penulis haturkan terimakasih kepada rekan-rekan mahasiswa program studi D3-
T.Elektronika yang telah membantu penulis dalam menyusun karya ilmiah ini.
Penulis berharap karya tulis ini memberikan pengetahuan kepada pembaca
mengenai sistem kendali PID pada plant debit air dengan menggunakan arduino
serta matlab. Penulis menerima kritik dan saran mengenai karya tulis ini. Untuk itu,
penulis mengucapkan terima kasih.
Bandung, Juli 2015
Penulis
5. iv
DAFTAR ISI
ABSTRAKSI......................................................................................................... i
KATA PENGANTAR........................................................................................iii
DAFTAR ISI....................................................................................................... iv
DAFTAR TABEL .............................................................................................. vi
DAFTAR GAMBAR.........................................................................................vii
BAB I PENDAHULUAN.................................................................................... 1
BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 2
2.1. PID ..................................................................................................... 2
2.1.1 Kontrol Propotional............................................................ 3
2.1.2 Kontrol Integrative ............................................................. 3
2.1.3 Kontrol Derivative.............................................................. 3
2.2. Ziegler Nichols................................................................................... 3
2.2.1 Ziegler Nichols tipe 1......................................................... 4
2.2.2 Ziegler Nichols tipe 2......................................................... 4
2.3. Coohen Coon...................................................................................... 6
2.4. Manual Tunning PID.......................................................................... 8
2.5. Arduino UNO..................................................................................... 8
2.6. Matlab 2013 ....................................................................................... 9
2.7. Plant sistem ........................................................................................ 9
BAB III PERANCAGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR........................ 12
3.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1.................................................................... 12
3.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2.................................................................... 15
3.3. Metode Coohen-Coon.................................................................................. 18
3.4. Perancangan Sistem Kendali Debit Air dengan Matlab Script .................... 20
3.5. Perancangan Sistem Kendali Debit Air Stand alone controller dengan
Menggunakan Arduino ................................................................................ 21
BAB IV REALISASI PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR...
............................................................................................................................. 22
4.1 Metode Ziegler-Nichols Tipe 1..................................................................... 22
6. v
4.2 Metode Ziegler-Nichols Tipe 2..................................................................... 23
4.3 Metode Coohen-Coon................................................................................... 24
4.4 Realisasi Perancangan Sistem Kendali Debit Air dengan Matlab Script...... 25
4.5 Realisasi Perancangan Sistem Kendali Debit Air Stand alone controller
dengan Menggunakan Arduino ...................................................................... 31
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN............................................................ 35
5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 35
5.2 Saran.............................................................................................................. 36
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 37
7. vi
DAFTAR TABEL
Tabel II.1 Parameter Ziegler-Nichols 1
Tabel II.2 Parameter Ziegler Nichols 2
Tabel II.3 Menentukan parameter PID dengan metode CC
Tabel II.4 Parameter Mengubah Nilai Kp, Ki dan Kd
Tabel III.1 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 1
Tabel III.2 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat awal berosilasi
Tabel III.3 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint
Tabel III.4 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode Coohen-Coon
8. vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Blok diagram kontrol PID
Gambar II.2 Penentuan parameter L dan T
Gambar II.3 Sistem teredam
Gambar II.4 Sistem Tidak teredam
Gambar II.5 Osilasi Konsisten
Gambar II.6 Urutan tahap untuk mendesain sistem Coohen and Coon
Gambar II.7 Parameter dalam perancangan dengan metode Coohen and Coon
Gambar II.8 Konfigurasi Arduino UNO
Gambar II.9 Plant A.PS B.SP C.PID controller D.Penguat daya E.Plant debit air
Gambar III.1 Blok diagram ZN tipe 1 pada Simulink matlab
Gambar III.2 Pengaturan Lowpass Filter
Gambar III.3 Diagram blok rangkaian plant kendali debit air dengan ZN tipe 1
Gambar III.4 Pengkoneksian plant dengan rangkaian voltage devider
Gambar III.5 Grafik respon plant debit air dengan metode ZN tipe 1
Gambar III.6 Blok diagram ZN tipe 2 pada Simulink matlab
Gambar III.7 Blok diagram rangkaian plant ZN tipe 2
Gambar III.8 Respon sinyal dengan ZN tipe 2 saat awal berosilasi
Gambar III.9 Respon sinyal dengan metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat
setpoint
Gambar III.10 Blok diagram Coohen-Coon pada Simulink matlab
Gambar III.11 Blok diagram rangkaian Coohen-Coon
Gambar III.12 Rangkaian pembagi tegangan
9. viii
Gambar III.13 Respon sinyal dengan metode Coohen-Coon
Gambar III. 14 Flowchart script matlab untuk kendali debit air
Gambar III.15 Flowchart program arduino untuk kendali debit air
Gambar IV.1 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode ZN tipe 1
Gambar IV.2 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1
Gambar IV.3 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1 setelah manual tuning
Gambar IV.4 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode ZN tipe 2
Gambar IV.5 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di awal
Gambar IV.6 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di dekat
Gambar IV.7. Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode Coohen-
Coon
Gambar IV.8 Sinyal respon dengan metode Coohen-Coon
Gambar IV.9 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan menggunakan script
matlab
Gambar IV.10 Sinyal respon dengan menggunakan script matlab
Gambar IV.11 Koneksi rangkaian low pass filter ke plant kendali debit air
Gambar IV.12 Respon sinyal dengan script matlab menggunakan low pass filter
Gambar IV.13 Respon sinyal dengan script matlab dengan Ts 0.07s
Gambar IV.14 Respon sinyal dengan script matlab setelah manual tuning
Gambar IV.15 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan stand alone
controller
Gambar IV.16 Tampilan output pada LCD
10. 1
BAB 1
PENDAHULUAN
Debit air merupakan besaran yang menyatakan banyaknya air yang
mengalir selama satuan detik yang melewati suatu penampang luas [1]. Umumnya,
satuan untuk menyatakan debit adalah volume per satuan wakt, seperti m3
/s (meter
kubik per detik) dalam satuan internasional, atau ft3
/s (kaki kubik per detik) dalam
satuan imperial [2]. Debit air banyak ditemukan pada kontrol aliran sungai, dimana
pada kondisi ini, debit adalah satuan besaran air yang keluar dari Daerah Aliran
Sungai (DAS). Debit air merupakan komponen yang penting dalam pengelolaan
DAS [3]. Oleh karena itu perlu adanya kendali debit air, agar air yang mengalir
dapat diprediksi dan tidak menjadi wabah bagi manusia, seperti terjadinya air bah
atau banjir. Kendali debit air ini pula banyak digunakan di dunia industry, seperti
pada pembangkit listrik tenaga air, industri pembuatan gula yang memiliki limbah
cair, industri minuman dalam botol, dan industri-industri lainnya.
Pada laporan praktikum ini penulis akan menggunakan algoritma PID untuk
mengendalikan modul plant debit air. Metode yang dipakai untuk mendapatkan
parameter PID adalah dengan menggunakan metode Ziegler Nichols tipe 1 (open
loop) dan tipe 2 (xlosed loop) serta metode Coohen-Coon. Masing-masing metode
memiliki cara yang berbeda dalam menentukan parameter-parameter PIDnya.
Setelah parameter-parameter PID (Kp,Ti, Td) didapat, selanjutnya nilai dari
parameter tersebut digunakan ke modul PID. Respon sistem akan di analisi dan
diperbaiki dengan teknik manual tuning. Pada intinya, sistem kendali ini
membandingkan nilai respon yang dikeluarkan oleh output dengan setpoint yang
sudah ditentukan. Kontrol pada sistem ini berupa PID controller.
11. 2
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. PID
PID (Propotional Integral Derivative) Controller merupakan
kontroler untuk menetukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan
karakteristik adanya umpan balik/ feedback pada sistem tersebut.
Komponen PID terdiri dari 3 jenis, yaitu Propotional, Integratif, dan
Derivative. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-
sendiri,tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant[4].
Gambar II.1 Blok diagram kontrol PID
Adapun persamaan Pengontrol PID adalah :
Keterangan :
mv(t) = output dari pengontrol PID atau Manipulated Variable
Kp = konstanta Proporsional
Ti = konstanta Integral
Td = konstanta Detivatif
e(t) = error (selisih antara set point dengan level aktual)
Seperti dalam penjelasan kontrol PID terbagi atas 3 komponen
utama yaitu Proportional, Integrative dan Deritative.
12. 3
2.1.1. Kontrol Proporsional
Kontrol 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[4].
2.1.2. Kontrol Integratif
Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t) = Ki
∫ e(t) dt dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas,
G(s) dapat dinyatakan sebagai u(t) = Kd de(t)/dt 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
system[4].
2.1.3. Kontrol Derivatif
Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan
sebagai 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 sendiri[4].
2.2. Ziegler-Nichols
Metode Ziegler-Nichols memiliki dua tipe yaitu Ziegler-Nichols 1,
dan Ziegler-Nichols 2.
13. 4
2.2.1. Ziegler Nichols tipe 1
Metode ke-1 didasarkan pada respon plant. Plant yang tidak
mempunyai integrator, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk
huruf S, lihat gambar II.2. Jika kurva ini tidak terbentuk maka Metode ini
tidak bisa diterapkan. Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2
buah konstanta, yaitu waktu tunda L dan time constant T [5].
Gambar II.2 Penentuan parameter L dan T
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 II.1.
Pengendali Kp Ti Td
P T/L ~ -
PI 0,9T/L L/0.3 -
PID 1,2T/L 2L L/2
Tabel II.1 Parameter Ziegler-Nichols 1
2.2.2. Ziegler Nichols tipe 2
Pada metode ke-2, 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 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 gambar II.3.
14. 5
Gambar II.3 Sistem teredam
Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan
membesar, seperti gambar II.4.
Gambar II.4 Sistem Tidak teredam
Jika dengan Metode ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten,
maka Metode ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh
nilai critical gain Kcr dan periode kritis Pcr, lihat gambar II.5 dan tabel
II.2. Berdasarkan nilai ini, kita dapat menentukan nilai parameter Kp, Ti,
dan Td berdasarkan rumus di bawah [5]:
15. 6
Gambar II.5 Osilasi Konsisten
Pengendali Kp Ti Td
P 0,5Kcr ∞ 0
PI 0,45Kcr (1/1,2)*Pcr 0
PID 0,6Kcr 0,5Pcr 0,125Pcr
Tabel II.2 Parameter Ziegler Nichols 2
2.3. Coohen-Coon
Bila dibandingkan dengan Zigle – Nichols, perancangan sistem Coohen and
Coon ini dapat mendesain PD Controller, sedangkan ZN tidak bisa. CC
memiliki death time yang besar.
Tahap Mendesain Sistem dengan Coohen and Coon :
Gambar II.6 Urutan tahap untuk mendesain sistem Coohen and Coon
16. 7
Bentuk Perubahan Respon :
Gambar II.7 Parameter dalam perancangan dengan metode Coohen and Coon
Parameter yang harus didapatkan :
1. Gain :
2. Dead Time (td)
3. Time Constant (tau)
Menentukan Parameter PID (Kp,Ti,Td)
Tabel II.3 Menentukan parameter PID dengan metode CC
17. 8
2.4. Manual Tuning PID
Untuk mendapatkan sinyal respon yang sesuai dengan yang diinginkan
ataupun dibutuhkan, maka dapat dimanual tuning dengan parameter seperti
gambar dibawag ini. Parameter dapat digunakan pada Ziegler-Nichols 1
atau 2.
Tabel II.4 Parameter Mengubah Nilai Kp, Ki dan Kd
2.5. Arduino UNO
Gambar II.8 Konfigurasi Arduino UNO
Feri Djuandi mengatakan bahwa Arduino tidak hanya sekedar
sebuah alat pengembangan, tetapi ia adalah kombinasi dari hardware,
bahasa pemrograman dan Integrated Development Environment (IDE)
yang canggih. IDE adalah sebuah software yang sangat berperan untuk
menulis program, meng-compile menjadi kode biner dan meng-upload ke
dalam memory microcontroller. Ada banyak projek dan alat-alat
dikembangkan oleh akademisi dan profesional dengan menggunakan.
Arduino, selain itu juga ada banyak modul-modul pendukung (sensor,
18. 9
tampilan, penggerak dan sebagainya) yang dibuat oleh pihak lain untuk bisa
disambungkan dengan Arduino. Arduino berevolusi menjadi sebuah
platform karena ia menjadi pilihan dan acuan bagi banyak praktisi.[6]
2.6. Matlab 2013
MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk
analisis dan komputasi numerik dan merupakan suatu bahasa
pemrograman matematika lanjutan yang dibentuk dengan dasar pemikiran
menggunkan sifat dan bentuk matriks. Pada awalnya, program ini merupakan
interface untuk koleksi rutin-rutin. Numeric dari proyek LINPACK dan
EISPACK, dan dikembangkan menggunkan bahasa FORTRAN namun
sekarang merupakan produk komersial dari perusahaan Mathworks,
Inc.yang dalam perkembangan selanjutnya dikembangkan
menggunakan bahasa C++ dan assembler (utamanya untuk fungsi-fungsi
dasar MATLAB).
MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment
pemrograman yang canggih yang berisi fungsi-fungsi built-in untuk
melakukan tugas pengolahan sinyal, aljabar linier, dan kalkulasi
matematis lainnya. MATLAB juga berisi toolbox yang berisi fungsi-
fungsi tambahan untuk aplikasi khusus. MATLAB bersifat extensible,
dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis fungsi baru untuk
ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang tersedia tidak
dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang
dibutuhkan tidak terlalu sulit bila Anda telah memiliki pengalaman
dalam pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN.[6]
2.7. Plant Sistem
Dalam mendesain sistem kendali, terdapat beberapa plant yang
dibutuhkan, diantaranya, Power Supply (PS), Set Point(SP), PID controller,
Amplifier atau penguat daya, dan Plant yang akan dikendalikan, yaitu plant
debit air.
19. 10
A B C D E
Gambar II.9 Plant A.PS B.SP C.PID controller D.Penguat daya E.Plant debit air
Power supply digunakan untuk memberikan tegangan agar plant
yang lain dapat bekerja, tegangan yang diberikan powersupply adalah +-
15Vdc. Prinsip kerja modul ini yaitu akan menguluarkan output tegangan
DC -15V sampai +15V, dengan menyalakan modul pada tombol on/off
maka modul akan menyala. Pada modul terdapat potensiometer, fungsi dari
potensio berguna untuk mengatur besar keluaran dari -15 VDC hingga 0
VDC ataupun mengatur dari 0 VDC hingga +15VDC. Namun modul ini
terdapat keluaran tegangan tetap dengan nilai, yaitu +5VDC, 6VDC,
12VDC dan 24VDC. Modul power supply ini menghasilkan arus sebesar 1
Ampere (1A). Modul ini berfungsi untuk memberikan tegangan pada modul
lainnya agar dapat digunakan. Keluaran yang dibutuhkan yaitu +15 VDC, 0
VDC, -15 VDC dan +5 VDC.
Setpoint digunakan untuk menentukan nilai tegangan yang akan
dijadikan nilai referensi. Terdapat 2 jenis setpoint yang dapat digunakan, 0-
10V ataupun -10-10V. Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc dan
ground.
PID controller digunakan untuk memasukan nilai Kp, Ti, Td yang
telah didapat. Modul ini bekerja bila diberi tegangan +/- 15Vdc dan
dihubungkan pada ground. Modul ini akan menjumlahkan ataupun
mengurangi dari beberapa nilai yang dimasukan. Hal itu dilakukan pada
blok sum, setelah melewati blok sum, maka akan melewati blok PID. Pada
blok tersebut akan terdapat nilai Kp, Ki dan Kd yang dapat diatur. Blok ini
berfungsi sebagai sistem kendali, dengan memberi nilai set point dan umpan
20. 11
balik dari output sistem. Maka nilai-nilai tersebut akan dijadikan masukan
pada modul ini.
Modul ini berfungsi sebagai penguatan daya, agar motor dapat
bergerak maka dibutuhkan modul ini untuk menguatkan daya. Penguatan
dilakukan pada besar nilai arus. Modul ini dapat menguatkan tegangan
bernilai positif atau pun tegangan bernilai negatif. Modul ini akan bekerja
jika telah diberikan tegangan dari modul power supply.
21. 12
BAB III
PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR
3.1 Metode Ziegler Nichols tipe 1
Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Ziegler
Nichols tipe 1 ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab.
Apabila arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat
blok diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.1.
Gambar III.1 Blok diagram ZN tipe 1 pada Simulink matlab
Low pass filter yang terdapat pada blok perlu diatur seperti gambar III.2.
Gambar III.2 Pengaturan Lowpass Filter
22. 13
Setelah Simulink selesai, maka rangkai plant yang ada seperti gambar
III.3 dan kemudian cek keadaan masing-masing dari plant. Pastikan keadaan
masing masing plant dalam keadaan baik.
Gambar III.3 Diagram blok rangkaian plant kendali debit air dengan ZN tipe 1
Untuk membandingkan setpoint dan respon, maka setpoint dan respon
dibaca oleh arduino. Dikarenakan output maksimal dari setpoint adalah 10V,
sedangkan batas maksimum dari arduino adalah 5V, maka diperlukan
rangkaian voltage devider untuk membagi dua setpoint yang akan dibaca oleh
arduino seperti pada gambar III.4.
Gambar III.4 Pengkoneksian plant dengan rangkaian voltage devider
Setelah semua selesai, maka sistem dapat dijalankan dengan
menghidupkan powersupply pada plant dan menjalankan Simulink pada
matlab, maka akan dihasilkan bentuk gelombang seperti pada gamba III.5.
Setelah gelombang didapatkan, maka Tarik garis sesuai dengan teorinya dan
mencari Kp, Ti, Td.
24. 15
Maka akan didapatkan nilai-nilai seperti data dibawah ini :
Waktu pada stopwatch = 22.73 detik
Waktu matlab = 499-185 = 314
Lmatlab = 188-185 = 3
Tmatlab = 196-188 = 8
Dari data diatas maka dapat diperoleh T dan L sebagai berikut :
L = Lmatlab (Waktu stopwatch/waktu matlab)
= 3 (22.73/314)
= 0.217
T = Tmatlab (waktu stopwatch/waktu matlab)
= 8 (22.73/314)
= 0.579
Dengan data T dan L, serta rumus Kp, Ti, Td pada landasan teori, maka dapat
diperoleh data sebagai berikut :
L T Kp Ti Td Ki Kd
0.217 0.579 3.201843 0.434 0.1085 7.377519 0.3474
Tabel III.1 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 1
3.2 Metode Ziegler Nichols tipe 2
Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Ziegler
Nichols tipe 2 ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab.
Apabila arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat
blok diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.6.
25. 16
Gambar III.6 Blok diagram ZN tipe 2 pada Simulink matlab
Kemudian plant dirangkai sesuai gambar III.7 dan cek keadaan masing-
masing plant. Pastikan dalam keadaan baik.
Gambar III.7 Blok diagram rangkaian plant ZN tipe 2
Output plant debit air dikoneksikan dengan analog input 5 arduino dan
output set point dikoneksikan dengan analog input 0 arduino. Set point tidak
boleh melebihi batas kemampuan output plant yaitu 3.4V. Pada blok PID
controller, parameter Ti, Td di off kan. Menyalakan Power supply,
mengkoneksikan arduino ke laptop dan menjalankan program pada Simulink
matlab. Atur gelombang hingga berosilasi terus menerus. Ambil 2 data,
pertama ketika awal berosilasi seperti pada gambar III.8, kedua saat berosilasi
mendekati set point seperti gambar III.9. On-kan switch pada modul power
amplifier berbarengan dengan menghidupkan stopwatch. Stop simulasi pada
Simulink matlab bersamaan dengan menghentikan stopwatch. Simpan gambar
sinyal dan waktu pada stopwatch yang didapat. Tentukan nilai Kp, Ti, Td
dengan data yang didapat.
26. 17
Gambar III.8 Respon sinyal dengan ZN tipe 2 saat awal berosilasi
Dari gelombang diatas, diperoleh Pcr dan Kcr, maka dapat diperoleh
Kp, Ti, Td sebagai berikut :
Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd
5.24 1.497342 0.748671 0.187168 3.144 4.199441 0.588455
Tabel III.2 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat awal berosilasi
Gambar III.9 Respon sinyal dengan metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint
Dari gelombang diatas, diperoleh Pcr dan Kcr, maka dapat diperoleh
Kp, Ti, Td sebagai berikut :
Kcr Pcr Ti Td Kp Ki Kd
21.3108 1.005774 0.502887 0.125722 12.78648 25.42615 1.607539
Tabel III.3 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode ZN tipe 2 saat berosilasi dekat setpoint
27. 18
3.3 Metode Coohen-Coon
Dalam perancangan sistem kendali debit air dengan metode Coohen-
Coon ini, mahasiswa perlu mengkoneksikan arduino dengan matlab. Apabila
arduino dan matlab telah terkoneksi, maka mahasiswa harus membuat blok
diagram pada Simulink matlab seperti pada gambar III.10.
Gambar III.10 Blok diagram Coohen-Coon pada Simulink matlab
Kemudian plant dirangkai sesuai gambar III.11 dan cek keadaan
masing-masing plant. Pastikan dalam keadaan baik.
Gambar III.11 Blok diagram rangkaian Coohen-Coon
Mengkoneksikan modul dengan arduino dan juga voltage devider
seperti gambar III.12.
Gambar III.12 Rangkaian pembagi tegangan
Output plant debit air dikoneksikan dengan analog input 5 arduino dan
output voltage devider dikoneksikan dengan analog input 0 arduino.
Menyalakan Power supply, mengkoneksikan arduino ke laptop dan
28. 19
menjalankan program pada Simulink matlab. On-kan switch pada modul power
amplifier berbarengan dengan menghidupkan stopwatch. Stop simulasi pada
Simulink matlab bersamaan dengan menghentikan stopwatch. Pada matlab
akan menghasilkan bentuk sinyal seperti gambar III.13. Tentukan nilai Kp, Ti,
Td dengan data yang didapat.
Gambar III.13 Respon sinyal dengan metode Coohen-Coon
Waktu pada stopwatch = 35.14 detik
Waktu matlab = 359.8
Td matlab = 2.8
Tau matlab = 3
Dari data diatas maka dapat diperoleh T dan L sebagai berikut :
Td = Td matlab (Waktu stopwatch/waktu matlab)
= 2.8 (35.14/359.8)
= 0.2735
Tau = Tau (waktu stopwatch/waktu matlab)
= 3 (35.14/359.8)
29. 20
= 0.293
Kemudian, dengan landasan teori yang ada, maka akan diperoleh Kp, Ti, Td
sebagai mana tabel III.4 :
CO GP Ԏd Ԏ Kc atau Kp Ti Td Ki Kd
1.529 1.157 0.2735 0.293 1.465861958 0.27553 0.086293 5.320158 0.12649395
Tabel III.4 Nilai Kp, Ki, Kd untuk metode Coohen-Coon
3.4 Perancangan sistem kendali debit air dengan matlab script
Dalam perancangannya, digunakan scipt pada matlab dan tidak
menggunakan Simulink lagi. Isi dari sriptnya dapat dijelaskan dengan
flowchart seperti pada gambar III.14.
30. 21
Gambar III. 14 Flowchart script matlab untuk kendali debit air
3.5 Perancangan sistem kendali debit air stand alone controller dengan
menggunakan arduino
Dalam perancangannya, digunakan aplikasi arduino untuk membuat
program. Program di unggah ke arduino kemudian aruino dikoneksikan ke
LCD untuk melihat setpoint dan respon yang terbaca. Program arduinonya
dapat dijelaskan dengan flowchart pada gambar III.15
Gambar III.15 Flowchart program arduino untuk kendali debit air
31. 22
BAB IV
REALISASI PERANCANGAN SISTEM KENDALI DEBIT AIR
4.1 Metode Ziegler Nichols tipe 1
Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.1.
Gambar IV.1 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode ZN tipe 1
Setelah data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID
Controller, maka didapatkan bentuk signal respon seperti gambar IV.2.
Gambar IV.2 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1
Terlihat antara bentuk sinyal set point dengan sinyal respon masih
terdapat banyak noise. Untuk mengurangi noise tersebut, maka dilakukan
manual tuning dengan merubah Ti dan Tdnya sebagai berikut :
Ti = 0.434 dikurangi menjadi 0.4
Td = 0.1085 dikurangi menjadi 0.07
Maka bentuk sinyal responya akan seperti gambar IV.3 dibawah ini :
32. 23
Gambar IV.3 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 1 setelah manual
tuning
Dapat terlihat bahwa setelah dilakukan manual tuning, sistem lebih
satbil.
Keterangan : warna biru = set point, warna ungu = respon
4.2 Metode Ziegler Nichols tipe 2
Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.4.
Gambar IV.4 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode ZN tipe 2
Pada metode ini, terdapat dua macam data yang diperoleh, pertama data
diambil dari pertama sinyal respon berosilasi, dan yang kedua ketika berosilasi
didekat setpoint.
Pada data pertama dimana ketika sinyal respon berosilasi di awal,
diperoleh data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID
Controller, maka didapatkan bentuk signal respon seperti gambar IV.5.
33. 24
Gambar IV.5 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di awal
Pada data kedua dimana ketika sinyal respon berosilasi di awal,
diperoleh data Kp, Ti, Td diperoleh, nilai tersebut dimasukan ke PID
Controller, maka didapatkan bentuk signal respon seperti gambar IV.6.
Gambar IV.6 Sinyal respon dengan metode ZN tipe 2 kondisi osilasi di dekat
set point
Dapat terlihat bahwa sinyal respon yang dihasilkan sudah sama
dengan setpointnya, maka dapat dikatakan sistem kendalinya sudah cukup
baik. Apabila respon yang dihasilkan kurang sesuai dengan yang
dibutuhkan, maka dapat dilakukan manual tuning dengan ketentuan seperti
yang terdapat pada landasan teori.
4.3 Metode Coohen-Coon
Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.7.
34. 25
Gambar IV.7. Realisasi plant sistem kendali debit air dengan metode Coohen-Coon
Setelah Kp, Ti, Td didapatkan, masukan data Kp, Ti, Td diatas ke
plant PID, kemudian hasil responnya akan seperti gambar IV.8 dibawah ini:
Sinyal Respon dengan Kp, Ti, Td.
Gambar IV.8 Sinyal respon dengan metode Coohen-Coon
Apabila sinyal respon yang dihasilkan belum sesuai dengan yang
diinginkan, maka dapat dilakukan manual tuning.
4.4 Realisasi perancangan sistem kendali debit air dengan matlab script
Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.9.
35. 26
Gambar IV.9 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan menggunakan script
matlab
Pada metode ini diperlukan scipt pada matlab untuk menggantikan Simulink
matlab yang biasanya digunakan. Nilai Kp, Ti, Td yang digunakan dapat
menggunakan data pada percobaan sebelumnya. Script matlab yang dibuat
adalah sebagai berikut :
clf %untuk menghapus figure jika masih ada yang tampil (clear
Figure)
%Time Sampling
Ts = 0.1; %besar sampling
pinMode(a,6,'output'); %Set PIN arduino sebagai keluaran kendali
//untuk dikali --> 2// *6 itu pin digital*
pinMode(a,13,'output'); %Set PIN arduino sebagai logic 1
pinMode(a,10,'input');
digitalWrite(a,13,1);
%Setting parameter PID
Kp = 3.2;
Ti = 0.434; %Ti waktu real
Td = 0.1085; %Td waktu real
Ki = Kp/Ti;
Kd = Kp*Td;
%===============Kondisi Error awal
error_sebelum=0;
errorI_sebelumnya=0;
36. 27
%===============set untuk plot
y1=0; %untuk mem-plot nilai set point
y2=0; %untuk mem-plot nilai-nilai respon
x=0;
digitalWrite(a,13,1);
start=digitalRead(a,10);
t=0; %waktu looping
while (start==1)
x=x+1;
tic
%==============================================================
%Tentukan SP (set point) awal
SP =analogRead(a,0);
SP = SP*0.0049 ;
%Tentukan PV (proess value) awal
PV = analogRead(a,5);
PV = PV*0.0049; %normalisasi dari 0-1023 ke 0-5
%Hitung Error
error = SP - PV;
%Hitung Error Integral
errorI_sekarang = ((error + error_sebelum)/2)*Ts; %luas error skrg
dan sebelumnya
errorI = (errorI_sekarang) + (errorI_sebelumnya); %Total error
integral
%Hitung Error Differntial
errorD = (error - error_sebelum)/Ts;
%Kendali PID
outP = Kp*error;
outI = Ki*errorI;
outD = Kd*errorD;
37. 28
outPID = outP + outI + outD;
outPID=outPID/20 %scalling //pmbtas arus//
%===============================================================
%Membatasi agar nilai PID tidak > 10 *hasil Perhitungan outPID*
if outPID > 10
outPID = 10;
else
outPID=outPID;
end
%Membatasi agar nilai PID tidak < 0
if outPID < 0
outPID = 0;
else
outPID = outPID;
end
outPID = outPID/2;
outPID = round(outPID*51);
%================================================================
%Menuliskan hasil PID ke Arduino
analogWrite(a,6,outPID);
%=====================Plot Respon dan Set Point==================
y1=[y1,SP] ; %nilai SV baru akan ditambahkan pada variable/
matrik y1
y2 = [y2,PV]; %nilai PV baru akan ditambahkan pada
variable/matrik y2
t =[t,x]; %nilai t baru akan ditambahkan sesuai perulangan x
plot (t,y1,t,y2); %memplot y1 dan 2 bersama-sama
axis ([0 x+100 0 5]) ; %menentukan axis gambar x= dari 0-600,
y=0-3
grid
38. 29
drawnow;
error_sebelum=error;
errorI_sebelumnya=errorI;
start=digitalRead(a,10);
toc
end
analogWrite(a,6,0);
Setelah script dijalankan, maka akan menghasilkan bentuk gelombang seperti
gambar IV.10 dibawah ini :
Gambar IV.10 Sinyal respon dengan menggunakan script matlab
Karena dirasakan sinyal yang dihasilkan terlalu banyak noise, maka output
dari sensor perlu dikoneksikan dengan low pass filter.
Setelah dilakukan perhitungan f = 1/T, diperlukan low pass filter
menggunakan RC untuk nilai frekuensi ±1 Hz. Maka dengan melakukan
perhitungan dengan rumus :
f = 1/(2πRC)
dimisalkan nilai R 220 ohm, maka diperlukan Kapasitor dengan nilai ± 723uF, tapi
dalam realisasinya, dikarenakan keterbatasan komponen, maka digunakan resistor
220 ohm dan kapasitor 2200uF.
Rangkaian filter dikoneksikan dengan output dari plant, kemudian output dari
rangkaian filter ini dihubungkan ke input analog 5 arduino UNO seperti pada
gambar IV.11.
39. 30
Gambar IV.11 Koneksi rangkaian low pass filter ke plant kendali debit air
Setelah digunakan filter, maka hasil dari sinyal responya akan seperti gambar
IV.12.
Gambar IV.12 Respon sinyal dengan script matlab menggunakan low pass filter
Setelah didapat sinyal respon seperti itu, kemudian memasukan tic dan toc pada
program, maka diperoleh waktu respon sebenarnya 0.07, kemudian mengganti Ts
dengan nilai 0.07.
Setelah Ts-nya diganti, maka hasil sinyal responnya akan seperti gambar IV.13
dibawah ini :
40. 31
Gambar IV.13 Respon sinyal dengan script matlab dengan Ts 0.07s
Jika sinyal respon yang dihasilkan masih belum sesuai dengan yang diinginkan,
maka dapat dilakukan manual tuning, dalam percobaan kali ini penulis merubah
parameter Td nya menjadi Td = 0, dan Ti nya menjadi Ti = 0.343. Sinyal respon
yang dihasilkan akan seperti gambar IV.14.
Gambar IV.14 Respon sinyal dengan script matlab setelah manual tuning
4.5 Realisasi perancangan sistem kendali debit air stand alone controller
dengan menggunakan arduino
Realisasinya pada plantnya seperti pada gambar IV.15.
41. 32
Gambar IV.15 Realisasi plant sistem kendali debit air dengan stand alone
controller
Realisasi dari perancangan ini membutuhkan aplikasi arduino untuk
mengisikan programnya. Untuk membuta sistem kendali ini, dibutuhkan
program arduino seperti program dibawah ini :
#include <LiquidCrystal.h>
int Output = 6;
float Ts = 0.1;
float Kp = 1.4658;
float Ti = 0.27553;
float Td = 0.086293;
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;
float Ki, Kd;
int outPID, outPID1;
LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2);
void setup() {
pinMode (6, OUTPUT);
lcd.begin (16,2);
}
void loop() {
Ki = Kp/Ti;
44. 35
BAB V
Kesimpulan dan Saran
5.1 Kesimpulan
Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bawa dalam
perancangan sistem kendali debit air menggunakan PID, terdapat tiga metode
yang dapat digunakan untuk mendapatkan nilai nilai parameter PIDnya, yaitu
Kp, Ki, Kd. Metode-metode tersebut adalah metode Ziegler-Nichols tipe 1 dan
tipe 2, serta metode Coohen-Coon.
Pada metode ZN tipe 1, untuk mendapatkan parameter-parameter PIDnya,
digunakan sistem open loop. Kemudian untuk perealisasiannya digunakan loop
tertutup dimana output sensor di umpan balikan ke PID controller dengan
pengaturan PID controller telah dimasukan nilai Kp, Ti, Td dari data yang
sudah didapat.
Pada metode ZN tipe 2, untuk mendapatkan parameter-parameter PIDnya
digunakan sistem loop tertutup dimana output di umpan balikan ke PID
controller dengan pengaturan Ti dan Td di offkan. Untuk mendapatkan
parameter PIDnya, maka nilai Kp diatur hingga mendapatkan 2 bentuk sinyal.
Pertama sinyal ketika respon berosilasi di awal dan yang kedua ketika respon
berosilasi didekat setpoint. Setelah Kp, Ti, Td diperoleh, PID controller
dimasukan nilai parameter tersebut, artinya Ti, Td di-on kan. Dari hasil
perancangan yang telah dilakukan, sinyal respon dengan data Kp, Ti, Td dari
sinyal yang berosilasi di awal memiliki sinyal respon yang blebih baik
dibandingkan dengan yang berosilasi di dekat set point.
Metode Coohen-Coon menggunakan sistem loop tertutup dalam kegiatan
mencari parameter PIDnya. Untuk mendapatkan nilai-nilai tersebut,
dibutuhkan dua setpoint dalam realisasinya. Ketika setpoint awal sudah
diberikan dan respon sudah dalam keadaan steady state, maka setpoint 2 perlu
diberikan. Setelah parameter parameter tersebut didapatkan, maka sistem
plantnya menjadi sistem loop tertutup dimana output sensor di umpan balikkan
ke PID controller dimana PID controller telah diatur nilai Kp, Ti, Td-nya sesuai
dengan data yang telah didapatkan.
45. 36
Dalam pengerjaannya, apabila terdapat banyak noise yang dihasilkan oleh
sinyal respon, maka dapat digunakan rangkaian filter RC untuk mengurangi
noise tersebut. Nilai frekuensi yang harus diberikan dapat ditentukan dengan
rumus 1/(2πRC).
Dari semua sinyal respon yang diperoleh, apabila sinyal yang dihasilkan
belum sesuai dengan yang diinginkan ataupun dibutuhkan, dapat dilakukan
manual tuning dengan pertimbangan-pertimbangan seperti yang terdapat pada
landasan teori.
5.2 Saran
Dalam pembuatan sistem kendali debit air menggunakan PID, penulis dapat
memberikan saran untuk mencari parameter PID-nya, metode yang paling
cocok adalah metode Ziegler Nichols tipe 1. Hal ini terlihat dari sinyal respon
yang sudah sama dengan setpointnya.
46. 37
DAFTAR PUSTAKA
[1]. “Debit Air (Kontinuitas)”, http://www.fisikaituasyik.weebly.com/debit-
air.html . Diakses tanggal 8 Juli 2015.
[2]. “Debit (Hidrologi)”, http://id.m.wikipedia.org/wiki/Debit_(hidrologi) .
Diakses tanggal 8 Juli 2015.
[3]. “Debit Aliran Air Sungai”,
http://wandycivilengeneering.blogspot.com/2012/10/debit-aliran-air-sungai.html .
Diakses tanggal 8 Juli 2015.
[4]. “PID”, https://id.wikipedia.org/wiki/PID . Diakses tanggal 8 Juli 2015
[5]. “Pengenalan Arduino” , http://www.tobuku.com/docs/Arduino-
Pengenalan.pdf . Diakses tanggal 8 Juli 2015
[6]. “Modul pengantar pemrograman matlab”,
https://inaseptiana.files.wordpress.com/2014/11/modul-pengantarpemrograman-
matlab.pdf . Diakses 8 Juli 2015
