Makalah Dasar Sistem Kontrol Ziegler-Nichols

DASAR SISTEM KONTROL

ZIEGLER-NICHOLS 1 DAN ZIEGLER-NICHOLS 2

  

Disusun oleh :

Zya Jamaluddin Al-Rasyid Arief Rahman

21060113120066

Kelas C

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.     Latar Belakang

    Sekarang ini dalam kehidupan sehari-hari penggunaan sistem kendali sudah merupakan hal umum. Hal ini untuk mempermudah mendapatkan respon sistem yang optimal sesuai yang diinginkan.  

Salah satu jenis pengendali adalah pengendali PID. Pengendali PID merupakan jenis pengendali konvensional yang paling banyak digunakan dalam proses kontrol industri dibandingkan jenis kendali-kendali lain yang lebih maju. Hal ini dikarenakan pengendali PID memiliki struktur yang relatif sederhana, mudah dipahami dan diterapkan.

Karena penggunaanya yang luas dalam dunia industri, berbagai metoda penalaan telah dikembangkan untuk menentukan parameter-parameter pengendali PID (Kp, Ki , Kd). Tujuannya adalah untuk mendapatkan respon sistem yang optimal sesuai dengan spesifikasi perancangan yang diinginkan. Diantara metoda penalaan tersebut, salah satunya adalah Metoda Ziegler-Nichols. Hasil-hasil yang diperoleh pada pengujian dan simulasi akan dibandingkan dengan Metoda ke-2 Ziegler-Nichols

1.2.     Rumusan Masalah

a.       Apa itu sistem pengendali PID?

b.      Bagaimana cara menentukan parameter pengendali PID?

c.       Apa itu metode tuning Ziegler-Nichols?

d.      Bagaimana cara penerapan metode Ziegler-Nichols pada pengendali PID?

1.3.     Tujuan Penelitian

a.       Menjelaskan pengertian sistem pengendali PID

b.      Menjelaskan cara yang dapat digunakan dalam menentukan parameter PID

c.       Menjelaskan pengertian metode tuning Ziegler-Nichols

d.      Menjelaskan cara menggunakan metode Ziegler-Nichols pada pengendali PID

1.4.     Metode Penulisan

                 Dalam penyusunan  laporan ini banyak dilakukan kajian pustaka dari internet dan sumber-seumber terkait. Laporan ini diharapkan dapat membantu pembaca khususnya orang awam dalam memahami dan mengetahui komponen dan cara kerja suatu pembangkit listrik tenaga air.

1.5.     Sistematika Penyajian

Ø  Halaman Judul

Ø  Bab I Pendahuluan

Ø  Bab II Landasan Teori           

Ø  Bab III Penutup         

Ø  Daftar Pustaka

BAB II

DASAR TEORI

2.1.  Sistem Pengendali PID

PID  (dari singkatan bahasa Inggris: 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. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.

a.       Kontrol Proporsional (P)

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.

b.      Kontrol Integratif (I)

Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai  : 

dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai 

. 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 sistem

c.       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

2.2.  Metode Penentuan Parameter PID

Karena kepopulerannya dalam dunia industri, berbagai metoda penalaan telah dikembangkan untuk menentukan parameter-parameter pengendali PID (Kp, Ki , Kd). Tujuannya adalah untuk mendapatkan respon sistem yang optimal sesuai dengan spesifikasi perancangan yang diinginkan. Diantara metoda penalaan tersebut, yang terkenal adalah Metoda Ziegler-Nichols, Metoda Cohen-Coon, IAE dan ITAE, dan IMC (Internal Model Control). Dalam makalah ini, metode yang digunakan metode Ziegler-Nichols.

Metoda ini merupakan 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. Metoda ini terdiri dari 2 macam, yaitu :

a.       Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf  S. Jika kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan. Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu tunda L dan time constant T.

b.      Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan proportional band saja. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut sebagai critical gain (Kcr).

2.3.  Pemodelan Orde Tereduksi

     Model Orde Tereduksi Fungsi alih plant model orde tereduksi adalah

 dengan a, b, c, dan L merupakan nilai-nilai yang akan ditentukan. Respon sistem tergantung pada nilai-nilai a, b, dan c yang menghasilkan pole-pole nyata atau konjugasi kompleks.

BAB III

PERANCANGAN

3.1  Pemilihan Plant

Plant yang digunakan pada pengujian dan simulasi merupakan plant-plant sampel orde tinggi plus transportasi lag. Berdasarkan, plant - plant yang digunakan, yaitu :

Waktu tunda (T) yang digunakan minimal 0,1 detik dan maksimal 2,0 detik. Variasi waktu tunda digunakan untuk mengetahui pengaruh penambahan waktu tunda terhadap kinerja sistem terkompensasi PID dengan metoda penalaan yang berbeda.

Dalam simulasi kali ini digunakan Plant 2, dengan nilai t=0,1 detik, dan nilai e sebesar 2.71828183

 3.2    Metode Tuning Ziegler-Nichols

Pada makalah ini akan dibuat dua buah perancangan. Perancangan yang pertama adalah sistem tanpa kontroler PID, dimana pada perancangan ini akan dicari nilai Kp, Ki, dan Kd dengan metode pertama Ziegler-Nichols. Sedangkan perancangan kedua adalah perancangan sistem dengan menggunakan kontroler PID.

BAB IV

PERANCANGAN

4.1.  Pengujian Sistem Tanpa Kontroller PID (loop terbuka)

Hasil pengujian dari sistem tanpa pengontrollan PID ditunjukkan pada gambar 8. Pengujian sistem tersebut menunjukkan bahwa tanpa kontroler PID outputnya masih belum stabil.

Gambar 3.1 Pengujian system tanpa kontroler PID

4.2.  Pengujian Sistem dengan Kontroller PID Metode Ziegler Nichols Pertama

Setelah kita mengetahui nilai K, L, dan T  selanjutnya kita dapat mencari nilai Kp, Ti, dan Td.

Tabel 4.1 Penalaan paramater PID

Setelah kita mengetahui nilai parameter Kp, Ki, dan Kd, selanjutnya kita dapat mencari nilai dari Kp, Ki, dan Kd.

Sehingga diperoleh pengujian sistem dengan kontroler PID pada gambar 3.2. Pengujian system tersebut menunjukkan bahwa tanpa kontroller PID outputnya sudah stabil. Hal ini dikarenakan sudah tidak terdapat osilasi, sehingga sudah sesuai dengan harapan..Setelah kita mengetahui nilai parameter Kp, Ki, dan Kd, selanjutnya kita dapat mencari nilai dari Kp, Ki, dan Kd.

Gambar 3.2 Pengujian system dengan kontroler PID

4.3.  Pengujian Sistem Tanpa Kontroler PID (loop tertutup)

Dari Pengujian tanpa control system loop tertutup didapati respon system yang belum stabil dan tidak bias mencapai settle time “1”.

Gambar 3.3 Pengujian system tanpa kontroler PID

5.1.Pengujian Sistem dengan Kontroler PID Metode Ziegler Nichols Kedua

Setelah mengetahui system berisolasi pada Kcr = 15, dengan periode (Pcr) = 0,0667 sekon, maka dapat diketahui Kp,Ti dan Td, sebagai berikut:

Tabel 4.2 Penalaan paramater PID

Sehingga diperoleh pengujian sistem dengan controller PID pada gambar .Pengujian system tersebut menunjukkan bahwa tanpa kontroler PID outputnya  hampir stabil. Hal ini dikarenakan osilasi hanya terjadi pada awal saja, dan respon sudah bisa mencapa settle time “1” setelah osilasi beberapa saat, sehingga sudah sesuai dengan harapan,Setelah kita mengetahui nilai Kp, Ti, dan Td, selanjutnya kita dapat mencari nilai dari Kp, Ki, dan Kd .

Gambar 3.3 Pengujian system dengan kontroler PID

BAB V

PENUTUP

5.1.  Kesimpulan

Dari hasil pengujian dan analisa terhadap enam buah sampel plant orde tinggi plus transportasi lag dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut :

1.      Secara umum, berdasarkan respon transien, penalaan dengan pemodelan orde tereduksi menghasilkan respon sistem dengan lewatan maksimum yang kecil, waktu penetapan yang singkat, dan offset yang kecil serta respon yang tidak berosilasi.

2.      Adanya waktu tunda dalam sistem loop tertutup dapat mempengaruhi bentuk respon keluaran dan menurunkan kestabilan sistem.

3.      Pada kontrolel Proporsional memiliki pengaruh untuk menambah kestabilan serta mengurangi error steady state namun bukan menghilangkan.

4.      Pada kontrolel Integral mempengaruhi pada sistem memiliki respon lebih lambat dan menghasilkan ketidakstabilan pada sistem.

5.      Pada kontrolel derivatif untuk memberikan efek redaman pada sistem yang berisolasi.

5.2.  Saran

Saran-saran yang dapat diambil dari hasil simulasi dan analisa yang telah dilakukan adalah :

1.      Dalam perancangan suatu sistem, kita harus memahami metode kontrol apa yang akan digunakan, supaya mencapai nilai yang diinginkan dari sistem tersebut.

2.      Diperlukan pemahaman metode-metode kontrol yang ada, supaya dapat menentukan nilai masing-masing variabel.

DAFTAR PUSTAKA

  

Anonim 1. 2014. Fungsi Eksponesial. (http://id.wikipedia.org/wiki/Fungsi_eksponensial, diakses 4 Juni 2015)

Anonim 2. 2011. Metoda Tuning Ziegler-Nichols. (http://instrumentationsystem.blogspot.com/2011/05/metoda-tuning-ziegler-nichols.html, diakses pada 4 Juni 2015).

Anonim 3. 2013. PID. (http://id.wikipedia.org/wiki/PID, diakses 4 Juni 2015).

SUMBER MAKALAH

Judul Makalah

 Perbandingan Penentuan Parameter Pengendali PID Pada Plant Orde Tinggi Plus Transportasi Lag Dengan Menggunakan Metoda Ziegler-Nichols dan Metoda Penempatan Pole-Pole Loop Tertutup Melalui Pemodelan Orde Tereduksi

Oleh

Teguh Mulianto, Mahasiswa TE Undip

Wahyudi,Staf Pengajar TE Undip, Aris Triwiyatno, Staf Pengajar TE Undip

Teguh Mulianto lahir di Dumai, 26 Juni 1978. Lulus dari SMU Negeri 1 Pemalang pada tahun 1997 dan melanjutkan kuliah di Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro dengan konsentrasi kontrol. E-mail: tguh_elechtro97@yahoo.com