PERANCANGAN SISTEM KENDALI SUHU PADA PLANT PEMANAS MENGGUNAKAN PID CONTROLLER DAN FUZZY CONTROL

(1)

FUZZY CONTROL

SKRIPSI

Disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik (S.T.)

Disusun oleh:

SHINTA NUR FADILLAH NPM. 3332160086

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

2023

(2)

ii Dengan ini saya sebagai penulis Skripsi berikut:

Judul : Perancangan Sistem Kendali Suhu pada Plant Pemanas Menggunakan PID Controller dan Fuzzy Control Nama Mahasiswa : Shinta Nur Fadillah

NIM : 3332160086

Fakultas/Jurusan : Teknik/Teknik Elektro

menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Skripsi di atas adalah benar-benar hasil karya asli saya dan tidak memuat hasil karya orang lain, kecuali dinyatakan melalui rujukan yang benar dan dapat dipertanggungjawabkan. Apabila di kemudian hari ditemukan hal-hal yang menunjukkan bahwa sebagian atau seluruh karya ini bukan karya saya, maka saya bersedia dituntut melalui hukum yang berlaku. Saya juga bersedia menanggung segala akibat hukum yang timbul dari pernyataan yang secara sadar dan sengaja saya nyatakan melalui lembar ini.

Cilegon, 02 Januari 2023

Shinta Nur Fadillah NPM. 3332160086

(3)

iii Dengan ini ditetapkan bahwa Skripsi berikut:

Judul : Perancangan Sistem Kendali Suhu pada Plant Pemanas Menggunakan PID Controller dan Fuzzy Control Nama Mahasiswa : Shinta Nur Fadillah

NIM : 3332160086

Fakultas/Jurusan : Teknik/Teknik Elektro

Telah diuji dan dipertahankan pada tanggal 02 Januari 2023 melalui Sidang Skripsi di Fakultas Teknik Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Cilegon dan dinyatakan LULUS.

Dewan Penguji

Tanda Tangan

Pembimbing I : Heri Haryanto, S.T., M.T. ...

Pembimbing II : Dr. Siswo Wardoyo, M.Eng. ...

Penguji I : Dr. Alimuddin, S.T., M.M., M.T. ...

Penguji II : Cakra Adipura Wicaksana, S.T., M.T. ...

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Elektro

Dr. Romi Wiryadinata, M.Eng.

NIP. 198307032009121006

(4)

iv

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah Yang Maha Esa, karena atas pertolongan dan rahmat-Nya, saya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan sempurna. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Saya menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan skripsi ini, sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada:

(1) Orang tua dan saudara saya yang telah memberikan bantuan dukungan, baik secara materil maupun doa tiada henti;

(2) Dr. Romi Wiryadinata, M.Eng, selaku Ketua Jurusan Elektro,

(3) Heri Haryanto, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing 1 yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi ini,

(4) Dr. Siswo Wardoyo, M.Eng, selaku Dosen Pembimbing 2 yang juga telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi ini,

(5) Ir. Ri Munarto, M.Eng., selaku kepala Laboratorium Jurusan Teknik Elektro yang telah memperbolehkan saya untuk mengerjakan skripsi di Laboratorium Kendali,

(6) Teman-teman Jurusan Teknik Elektro 2016,

(7) Teman-teman baik dari mahasiswa/i Teknik Elektro UNTIRTA maupun non mahasiswa/i Teknik Elektro UNTIRTA, serta tetangga yang juga telah mendukung saya dalam menyelesaikan skripsi ini.

Akhir kata, saya berharap kepada Allah Yang maha Esa berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah banyak membantu. Semoga skripsi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu ke depannya.

Cilegon, 14 Januari 2023

Penulis

(5)

v Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Shinta Nur Fadillah

Teknik Elektro

Perancangan Sistem Kendali Suhu pada Plant Pemanas Menggunakan PID Controller dan Fuzzy Control

Sistem kendali suhu merupakan sistem tidak linier dikarenakan sistem kendali suhu memiliki waktu tunda, inersia thermal yang tinggi, variasi parameter sistem, gangguan, dan sistem multivariabel. Beberapa kendali yang umum digunakan saat ini adalah pengendali PID dan kendali Fuzzy dengan kelebihan dan kelemahan yang dimiliki terhadap sistem yang tidak linier. Sistem kendali suhu dirancang dengan Labview bertujuan untuk meredam sistem berosilasi dan mengurangi nilai overshoot pada pengendali PID serta mempercepat settling time pada kendali Fuzzy.

Kinerja pengendali PID dan kendali Fuzzy terhadap sistem kendali suhu yang telah dirancang dibandingkan saat sistem diberikan set point sebesar 70°C. Hasil kendali suhu menggunakan pengendali PID dengan tipe PID dapat sedikit meredam osilasi pada sistem dengan delay time, rise time, dan peak time lebih cepat dibandingkan kendali Fuzzy, yaitu 209 s, 292 s, dan 427 s. Adapun persentase maksimum overshoot pengendali PID tipe PID lebih besar dibandingkan kendali Fuzzy, yaitu 24,28%. Sementara itu, kendali Fuzzy memiliki settling time lebih cepat dibandingkan pengendali PID, yaitu 999 s.

Kata Kunci:

Sistem kendali suhu, pengendali PID, kendali Fuzzy, Labview

(6)

vi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa Shinta Nur Fadillah

Electrical Engineering

Design of Temperature Control System in a Heating Plant Using PID Controller and Fuzzy Control

The temperature control system is a non-linear system because the temperature control system has a delay time, high thermal inertia, parameter variation systems, disturbances, and multivariable systems. Some of the controllers that commonly used are PID controller and Fuzzy control with their strength and weakness for non linier system. Temperature control system designed with Labview for damp the oscillating system and reduce the overshoot on PID controller and speed up the settling time on Fuzzy control. Performance of PID controller and Fuzzy control against temperature control system that has been designed are compared when the system given set point at 70°C. The results of temperature control using PID controller with PID type can slightly dampen oscillation in system with delay time, rise time, and peak time faster than Fuzzy control, i.e. 209 s, 292 s, dan 427 s. The maximum percentage of overshoot of PID controller with PID type is greater than Fuzzy control, i.e. 24,28%. Meanwhile, Fuzzy control has a faster settling time than PID controller, i.e. 999 s.

Keywords:

Temperature control system, PID controller, Fuzzy control, Labview

(7)

vii Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL... i

LEMBAR PENYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ... ii

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

PRAKATA ... iv

ABSTRAK ... v

ABSTRACT ... vi

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Rumusan Masalah ... 3

1.3. Tujuan Penelitian ... 3

1.4. Manfaat Penelitian ... 4

1.5. Batasan Masalah ... 4

1.6. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1. Sistem Kendali ... 6

2.2. Spesifikasi Respon Transien ... 7

2.3. Error Steady State ... 8

2.4. Pengendali PID ... 9

2.4.1.Karakteristik Pengendali PID ... 10

2.4.2.Metode Penalaan Pengendali PID ... 10

2.5. Fuzzy Logic Control ... 13

2.5.1.Fuzzy Logic ... 13

2.5.2.Fuzzy Control System ... 14

2.6. Pengendali Tegangan AC Satu Fasa ... 15

2.6.1.Operasi Dasar ... 15

2.6.2.Pengendali Satu Fasa dengan Beban Resistif ... 16

2.6.3.IC TCA 785 sebagai Pengendali Tegangan AC ... 17

(8)

viii Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

2.7. Penguat Transistor ... 17

2.8. Akuisisi Data ... 18

2.9. Termokopel Tipe K ... 19

2.10. Low Pass Filter ... 20

2.11. Kalibrasi Sensor ... 20

2.12. Kajian Pustaka ... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 23

3.1. Metodologi Penelitian ... 23

3.2. Instrumen Penelitian ... 23

3.3. Perancangan Sistem Kendali Suhu ... 24

3.4. Perancangan Perangkat Keras ... 25

3.4.1.Penggunaan Terminal NI USB 6008 ... 26

3.4.2.Rangkaian Driver Pemanas ... 27

3.4.3.Rangkaian Penguat Transistor ... 28

3.4.4.Rangkaian Pengkondisi Sinyal ... 28

3.5. Perancangan Program pada Labview ... 29

3.5.1.Low Pass Filter... 30

3.5.2.Kalibrasi Termokopel ... 30

3.5.3.Pengendali PID ... 31

3.5.4.Kendali Fuzzy ... 32

3.6. Pengambilan Data ... 34

3.7. Tempat dan Waktu Penelitian ... 34

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 35

4.1. Pengujian Rangkaian Driver Pemanas... 35

4.2. Pengujian Plant Pemanas ... 36

4.3. Pengujian Rangkaian Penguat Transistor ... 37

4.4. Pengujian Rangkaian Pengkondisi Sinyal ... 38

4.5. Pengujian Low Pass Filter ... 38

4.6. Pengujian Kalibrasi Sensor Termokopel ... 39

4.7. Pengujian Pengendali PID pada Rancangan Sistem ... 40

4.7.1.Penalaan Pengendali PID ... 41

4.7.2.Pengujian Tipe Kendali P ... 42

(9)

ix Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

4.7.3.Pengujian Tipe Kendali PI... 43

4.7.4.Pengujian Tipe Kendali PID ... 45

4.8. Pengujian Kendali Fuzzy pada Rancangan Sistem ... 46

4.9. Pembahasan Hasil Respon Sistem Menggunakan Kendali ... 47

BAB V PENUTUP ... 49

5.1. Kesimpulan ... 49

5.2. Saran ... 49

DAFTAR PUSTAKA ... 51 LAMPIRAN

Lampiran A Hasil Perancangan Sistem Kendali Suhu ... A-1 Lampiran B Dokumentasi Pengujian ... B-1 Lampiran C Diagram Pulsa IC TCA 785 ... C-1 Lampiran D Front Panel Labview ... D-1 Lampiran E Program Labview ... E-1 Lampiran F Domain Range Himpunan Variabel dan Fungsi Keanggotaan F-1 Lampiran G Hasil Pengujian Plant Pemanas ... G-1 Lampiran H Penalaan PID ... H-1 Lampiran I Hasil Pengujian Kendali ... I-1 Lampiran J Output Kendali Sistem ... J-1 Lampiran K Klasifikasi Tipe Sistem ... K-1

(10)

x Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram blok sistem kalang terbuka ... 6

Gambar 2.2 Diagram blok sistem kalang tertutup ... 7

Gambar 2.3 Respon tangga satuan dengan parameter td, tr, tp, Mp, dan ts ... 7

Gambar 2.4 Sistem kendali umpan balik kesatuan ... 8

Gambar 2.5 Respon sistem dengan input step terhadap plant ... 11

Gambar 2.6 Kurva respon sistem bentuk S dengan L dan T ... 11

Gambar 2.7 Sistem kalang tertutup dengan 𝐾_𝑝 ... 12

Gambar 2.8 Osilasi terus menerus secara kontinu dengan periode 𝑃_𝑐𝑟 ... 12

Gambar 2.9 Desain sistem kendali Fuzzy ... 14

Gambar 2.10 Pengendali tegangan AC satu fasa dengan beban resistif ... 15

Gambar 2.11 Bentuk gelombang kendali tegangan AC ... 16

Gambar 2.12 Karakteristik pengendali tegangan AC satu fasa beban resistif ... 17

Gambar 2.13 Rangkaian bias pembagi tegangan ... 18

Gambar 2.14 Proses akuisisi data ... 18

Gambar 2.15 Sistem pengukuran suhu dengan termokopel ... 19

Gambar 2.16 Rangkaian pasif RC low pass filter ... 20

Gambar 3.1 Diagram blok perancangan sistem kendali suhu ... 24

Gambar 3.2 Perancangan perangkat keras sistem kendali suhu ... 25

Gambar 3.3 Perancangan penggunaan terminal NI USB 6008 ... 27

Gambar 3.4 Rangkaian driver pemanas ... 27

Gambar 3.5 Rangkaian penguat transistor ... 28

Gambar 3.6 Rangkaian pengkondisi sinyal termokopel ... 29

Gambar 3.7 Perancangan program pada Labview ... 30

Gambar 3.8 Perancangan kalibrasi termokopel ... 30

Gambar 3.9 Perancangan sistem kalang terbuka... 31

Gambar 3.10 Perancangan pengendali PID ... 31

Gambar 3.11 Perancangan kendali Fuzzy ... 33

Gambar 4.1 Sinyal-sinyal pengujian rangkaian driver pemanas ... 35

Gambar 4.2 Input tegangan vs sudut penyulutan ... 36

Gambar 4.3 Input tegangan vs tegangan beban ... 36

(11)

xi Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

Gambar 4.4 Input tegangan vs suhu ... 37

Gambar 4.5 Output tegangan terukur pada Labview ... 38

Gambar 4.6 Pengujian low pass filter ... 39

Gambar 4.7 Respon sistem kalang terbuka pada plant pemanas ... 40

Gambar 4.8 Pengujian kalibrasi sensor termokopel ... 40

Gambar 4.9 Pengujian PID tipe P untuk metode pertama Ziegler-Nichols ... 42

Gambar 4.10 Pengujian PID tipe P untuk metode kedua Ziegler-Nichols ... 43

Gambar 4.11 Pengujian tipe kendali PI untuk metode pertama Ziegler-Nichols . 44 Gambar 4.12 Pengujian tipe kendali PI untuk metode kedua Ziegler-Nichols ... 44

Gambar 4.13 Pengujian tipe kendali PID untuk metode pertama Ziegler-Nichols45 Gambar 4.14 Pengujian tipe kendali PID untuk metode kedua Ziegler-Nichols .. 45

Gambar 4.15 Pengujian kendali Fuzzy dengan rule base 5x5 ... 47

(12)

xii Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kesalahan keadaan tunak dalam bentuk penguatan K ... 9

Tabel 2.2 Aturan penalaan PID dengan metode pertama Ziegler-Nichols ... 11

Tabel 2.3 Aturan penalaan PID dengan metode kedua Ziegler-Nichols ... 13

Tabel 3.1 Spesifikasi heater cup ...26

Tabel 3.2 Rule base 5x5 ... 33

Tabel 4.1 Hasil pengujian rangkaian penguat transistor ...37

Tabel 4.2 Nilai 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 menggunakan metode pertama Ziegler-Nichols ... 41

Tabel 4.3 Nilai 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 menggunakan metode kedua Ziegler-Nichols ... 42

Tabel 4.4 Hasil respon sistem dengan metode pertama Ziegler-Nichols ... 47

Tabel 4.5 Hasil respon sistem dengan metode kedua Ziegler-Nichols ... 48

Tabel 4.6 Hasil respon sistem dengan kendali Fuzzy ... 48

(13)

1 Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

1.1. Latar Belakang

Suhu merupakan salah satu parameter penting yang dikendalikan dalam industri, dikarenakan secara langsung maupun tidak langsung mempengaruhi kualitas produk yang dihasilkan [1]. Kendali suhu pada bidang industri dapat diaplikasikan pada boiler, thermal analyzer, industri keramik, metalurgi, dan industri susu. Selain bidang industri, pengendalian suhu juga dapat diaplikasikan pada green house [2] [3] [4] [5].

Salah satu aplikasi pengendalian suhu pada industri adalah boiler. Boiler dipanaskan hingga ribuan derajat celcius, sehingga peletakan sensor harus jauh dari sumber panas agar sensor tidak meleleh [2]. Selain itu, sistem pemanas pada industri keramik dan metalurgi yang memiliki sistem pemanasan suhu hingga 900°C menyebabkan sensor tidak dapat diletakkan pada sumber panas juga. Hal tersebut menyebabkan proses distribusi panas dari sumber panas ke sensor memiliki waktu tunda [2]. Pengendalian suhu pada plant power khususnya pada plant uap juga memiliki waktu tunda dan inersia yang besar [2]. Aplikasi pengendalian suhu lainnya yaitu industri susu khususnya pada plant pasteurisasi susu, memiliki variasi parameter sistem, sistem nonlinier yang melekat pada sistem, dan perubahan kondisi operasi selama pemrosesan [3].

Berdasarkan contoh-contoh aplikasi pengendalian suhu yang telah disebutkan, sistem kendali suhu memiliki waktu tunda, inersia thermal yang tinggi, variasi parameter sistem, dan gangguan. Selain itu, juga memiliki parameter yang multivariabel [6]. Hal ini menyebabkan sistem kendali suhu digolongkan ke dalam sistem yang tidak linier. Ketidaklinieran ini disebabkan adanya waktu tunda, inersia, variasi waktu, time lag, dan ketidakpastian [2].

PID controller (pengendali PID) merupakan salah satu jenis pengendali yang telah banyak digunakan di bidang industri. Diperkirakan lebih dari 95% pengendali PID digunakan dalam proses kendali di industri [7] [8]. Survei terbaru yang dipublikasikan pada tahun 2017 menunjukkan penggunaan kendali PID masih tinggi dibandingkan dengan teknik kendali lanjut yang telah dipelajari secara luas,

(14)

Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

seperti kendali kokoh, kendali optimal, dan kendali cerdas [9]. Alasan pengendali PID banyak digunakan di industri dikarenakan memiliki struktur yang sederhana, mudah untuk melakukan penalaan parameter, serta penggunaannya sudah dari sekitar tahun 1930-an jauh sebelum era digital berkembang [10].

Pengendali PID telah dikenal kegunaannya dalam memberikan kendali yang memuaskan pada bidang sistem proses kendali, walaupun dalam beberapa situasi pengendali PID tidak menghasilkan akhir kendali yang memuaskan [11]. Salah satu situasi kinerja pengendali PID tidak menghasilkan akhir kendali yang memuaskan adalah saat menghadapi sistem non linier [2]. Pengendali PID biasanya membutuhkan pemodelan matematis untuk mendesain kendali. Jika pemodelan matematis kurang akurat, maka akan menurunkan kinerja kendali, terutama untuk sistem non linier dan sistem kendali yang kompleks [1].

Fuzzy control (kendali Fuzzy) merupakan salah satu metode kendali sistem yang saat ini banyak digunakan di beberapa bidang ilmu, di antaranya bidang teknik elektro, manajemen, ilmu komputer, biologi, agrikultural, dan industri perumahan serta minimarket [12] [13]. Kendali Fuzzy tidak memerlukan model matematis dari sistem yang akan dikendalikan dalam perancangannya dan bisa bekerja dalam kondisi dengan input yang kurang tepat [14]. Kendali Fuzzy memiliki empat komponen utama dalam proses perancangannya, yaitu rule base, fuzzifikasi, inferensi, dan defuzzifikasi [15].

Salah satu aplikasi kendali Fuzzy yaitu sistem kendali suhu. Kendali Fuzzy dapat mengatasi masalah dari sistem kendali suhu yang non linier dikarenakan kendali Fuzzy dapat meniru cara berpikir manusia dan merealisasikannya. Kendali Fuzzy biasanya mengimplementasikan strategi kendali yang berasal dari aturan linguistik, yang diterjemahkan ke dalam bentuk matematis melalui konsep dari aturan Fuzzy dan logika Fuzzy [1]. Hasilnya, diperoleh sistem yang memiliki ketahanan dan stabilitas yang kuat [6].

Penelitian mengenai sistem kendali suhu menggunakan metode pengendali PID dan kendali Fuzzy telah dilakukan oleh Rendra Dwi Firmansyah dkk. Hasil penelitian yang diperoleh yaitu untuk pengendali PID masih memiliki overshoot dan berosilasi [2]. Sementara itu, kendali Fuzzy rule base 5x5 tidak mengalami overshoot dan tidak berosilasi, akan tetapi masih memiliki settling time yang lama

(15)

[2]. Penelitian yang telah dilakukan oleh Cao Weibin dan Meng Qingjian menghasilkan sistem mengalami overshoot jika menggunakan pengendali PID dan sistem tidak mengalami overshoot jika menggunakan kendali Fuzzy [6].

Berdasarkan uraian yang telah dijabarkan pada latar belakang, maka pada penelitian ini akan dirancang sistem kendali suhu pada plant pemanas menggunakan kendali PID dan Fuzzy. Sistem kendali suhu yang dirancang diharapkan dapat meredam sistem yang berosilasi dan mengurangi nilai overshoot pada pengendali PID, serta mampu mempercepat settling time pada kendali Fuzzy.

Selain itu, respon sistem dari kedua kendali tersebut akan dibandingkan kinerjanya.

Labview digunakan untuk mengendalikan sistem kendali suhu dan menampilkan respon sistem.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dijabarkan, maka rumusan masalah untuk penelitian ini meliputi:

1. Bagaimana merancang sistem kendali suhu pada plant pemanas menggunakan pengendali PID dan kendali Fuzzy di Labview?

2. Bagaimana meredam sistem yang berosilasi dan mengurangi nilai overshoot pada pengendali PID dan mempercepat settling time pada kendali Fuzzy terhadap sistem kendali suhu yang telah dirancang?

3. Bagaimana membandingkan hasil kinerja kendali PID dan Fuzzy pada sistem kendali suhu yang telah dirancang?

1.3. Tujuan Penelitian

Berdasarkan latar belakang masalah dan rumusan masalah yang telah dijabarkan, maka tujuan penelitian yang ingin dicapai di antaranya yaitu:

1. Merancang sistem kendali suhu pada plant pemanas menggunakan pengendali PID dan kendali Fuzzy di Labview.

2. Unjuk kerja sistem kendali suhu yang telah dirancang dapat meredam sistem yang berosilasi dan mengurangi nilai overshoot pada pengendali PID dan mempercepat settling time pada kendali Fuzzy.

3. Membandingkan hasil kinerja pengendali PID dan kendali Fuzzy pada sistem kendali suhu yang telah dirancang.

(16)

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini yaitu diharapkan dapat mempermudah dalam menganalisis karakteristik kendali PID dan Fuzzy pada sistem kendali suhu. Selain itu, diharapkan dapat menjadi referensi dalam melakukan riset mengenai sistem kendali suhu kedepannya. Terakhir, diharapkan dapat digunakan untuk menunjang praktikum di laboratorium kendali.

1.5. Batasan Masalah

Batasan masalah yang terdapat pada penelitian ini diuraikan sebagai berikut:

1. Proses kendali hanya melingkupi sistem kendali suhu yang dirancang.

2. Metode penalaan yang digunakan pada pengendali PID yaitu metode pertama Ziegler-Nichols dan metode kedua Ziegler-Nichols.

3. Rule base yang digunakan pada kendali Fuzzy yaitu 5x5.

4. Hanya menggunakan input unit step pada sistem kendali.

5. Tidak membahas kestabilan sistem secara rinci.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan pada penelitian ini terbagi menjadi 5 bab, dijelaskan secara singkat sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan mengenai latar belakang masalah pada penelitian ini, rumusan masalah yang terdapat pada penelitian ini, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah yang membatasi pembahasan pada penelitian ini, serta sistematika penulisan laporan penelitian.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini membahas mengenai teori-teori yang dibutuhkan pada penelitian ini, di antaranya yaitu sistem kendali, spesifikasi respon transien, error steady state berdasarkan tipe sistem, pengendali PID, kendali Fuzzy, pengendali tegangan AC satu fasa, penguat transistor, akuisisi data, termokopel tipe K, low pass filter, kalibrasi sensor, dan kajian pustaka.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini membahas mengenai metodologi penelitian dan instrumen yang digunakan pada penelitian ini. Selanjutnya, bab ini juga membahas mengenai

(17)

perancangan sistem kendali suhu, baik perancangan perangkat keras maupun perancangan program pada Labview. Selain itu, bab ini juga membahas mengenai pengambilan data penelitian yang telah dilakukan serta membahas tempat dan waktu penelitian yang telah dilakukan.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini menjelaskan mengenai pengujian rangkaian driver pemanas yang telah dirancang, pengujian plant pemanas, pengujian rangkaian penguat transistor yang telah dirancang, pengujian rangkaian pengkondisi sinyal, pengujian program low pass filter, pengujian program kalibrasi sensor termokopel, serta pengujian pengendali PID dan kendali Fuzzy pada sistem yang telah dirancang dengan Labview. Selain itu, bab ini juga membandingkan hasil respon kendali dari pengendali PID dan kendali Fuzzy.

BAB V PENUTUP

Bab ini membahas mengenai kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan secara singkat, padat, dan jelas. Selain itu, bab ini juga membahas mengenai saran- saran untuk penelitian yang akan datang.

(18)

2.1. Sistem Kendali

Sistem kendali adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variabel atau parameter) sehingga berada pada suatu harga atau range tertentu [16]. Sistem kendali memiliki beberapa istilah yang digunakan, di antaranya yaitu set point (input referensi terhadap sistem), error (hasil selisih dari set point dengan process value), process value (hasil pengukuran sensor), manipulative value (hasil dari proses kendali dalam satuan persen), control output (hasil dari proses kendali yang terukur dalam satuan tertentu), plant (objek yang dikendalikan), gangguan, dan output. Secara umum, sistem kendali dibagi menjadi dua bagian, yaitu open loop dan close loop.

a. Sistem kendali open loop

Sistem kendali open loop (kalang terbuka) adalah sistem kendali yang mana output-nya tidak berpengaruh pada aksi kendali. Output pada sistem kalang terbuka tidak diukur atau diumpan balik untuk dibandingkan dengan input [11]. Diagram blok sistem kalang terbuka disajikan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Diagram blok sistem kalang terbuka

Gambar 2.1 menunjukkan sistem kendali kalang terbuka bekerja dimulai saat sistem diberikan input. Input diproses pada pengendali sehingga menghasilkan CO (control output atau output kendali). Output kendali masuk ke plant sehingga plant menghasilkan output.

b. Sistem kendali close loop

Sistem close loop (kalang tertutup) adalah sistem kendali yang output-nya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengendali untuk memperkecil error pada sistem [17]. Sistem kalang tertutup dapat dikategorikan sebagai sistem kendali berumpan-balik. Adapun diagram blok sistem kalang tertutup dapat dilihat pada Gambar 2.2.

(19)

Gambar 2.2 Diagram blok sistem kalang tertutup

Gambar 2.2 menunjukkan sistem kalang tertutup bekerja dimulai saat sistem menerima input. Output dari plant diumpan-balik dan sensor mengukur output tersebut sehingga menghasilkan PV (process value). PV dikalkulasi dengan input menghasilkan error. Error masuk ke pengendali sehingga menghasilkan CO. CO masuk ke plant sehingga menghasilkan output yang baru. Proses ini terus menerus me-looping sehingga menghasilkan output yang sesuai dengan input.

2.2. Spesifikasi Respon Transien

Respon transien merupakan respon sistem yang berlangsung dari keadaan awal sampai keadaan akhir [17]. Respon transien suatu sistem kendali dengan input unit step memiliki karakteristik. Adapun karakteristik respon transien sistem dengan input unit step dapat dicari dengan melihat parameter-parameter yang ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Respon tangga satuan dengan parameter td, tr, tp, Mp, dan ts [11]

Adapun penjelasan parameter respon transien yang ditunjukkan Gambar 2.3, yaitu:

a. Waktu tunda (td), yaitu waktu yang diperlukan respon untuk mencapai setengah harga akhir (set point) yang pertama;

b. Waktu naik (tr), yaitu waktu yang diperlukan respon untuk naik dari 10 sampai dengan 90%, 5 sampai dengan 95%, atau 0 sampai dengan 100% dari keadaan awal sampai menyentuh set point pertama.

Toleransi yang diperbolehkan

(20)

c. Waktu puncak (tp), yaitu waktu yang diperlukan respon untuk mencapai puncak overshoot yang pertama;

d. Overshoot maksimum (Mp), yaitu harga puncak maksimum dari kurva respon yang diukur dari set point. Mp dapat dicari dengan Persamaan (2.1), yaitu:

M_p = PV saat berada di T_p− SP

SP × 100% (2.1) Berdasarkan Persamaan (2.1), overshoot maksimum diperoleh dari hasil pengurangan PV saat berada di waktu puncak dengan SP (set point), lalu dibagi dengan set point dan dikalikan dengan 100%.

e. Waktu menetap (ts), yaitu waktu yang diperlukan kurva respon untuk mencapai dan menetap dalam daerah set point, biasanya 5% atau 2%.

2.3. Error Steady State

Error steady state (kesalahan keadaan tunak) adalah ukuran ketelitian suatu sistem kendali [11]. Performansi keadaan tunak suatu sistem kendali dikatakan

‘stabil’ dinilai dari kesalahan keadaan tunak terhadap jenis input yang dipakai [17].

Kesalahan keadaan tunak dapat diketahui tergantung tipe sistem dan jenis input yang diberikan. Diketahui sistem kendali umpan balik kesatuan (unity-feedback control system) dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Sistem kendali umpan balik kesatuan [11]

Gambar 2.4 memiliki R(s) sebagai input referensi, E(s) sebagai error, G(s) sebagai fungsi alih sistem dan C(s) sebagai output. Adapun fungsi alih untuk sistem kalang terbuka disajikan pada Persamaan (2.2).

𝐺(𝑠) = 𝐾(𝑇_𝑎𝑠 + 1)(𝑇_𝑏𝑠 + 1) … (𝑇_𝑚𝑠 + 1)

𝑆^𝑁(𝑇₁𝑠 + 1)(𝑇₂𝑠 + 1) … (𝑇_𝑝𝑠 + 1) (2.2) Persamaan (2.2) memiliki 𝑆^𝑁 pada penyebutnya, dimana 𝑁 adalah tanda dalam mengklasifikasikan tipe sistem. Sistem disebut tipe 0, tipe 1, tipe 2, ... dan seterusnya dikarenakan 𝑁 = 0, 𝑁 = 1, 𝑁 = 2, ... dan seterusnya. Perlu diketahui, klasifikasi sistem ini berbeda dengan tingkat orde pada sistem [11].

(21)

Berdasarkan Gambar 2.4, diperoleh persamaan matematis untuk menentukan kesalahan keadaan tunak (ess) tergantung jenis input yang digunakan. Adapun ringkasan kesalahan keadaan tunak untuk sistem tipe 0, tipe 1, dan tipe 2 dengan input step, ramp, dan percepatan dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Kesalahan keadaan tunak dalam bentuk penguatan K [11]

Input Step 𝑟(𝑡) = 1

Input Ramp 𝑟(𝑡) = 𝑡

Input Percepatan 𝑟(𝑡) = 𝑡²⁄ 2

Sistem Tipe 0 ¹

1 + 𝐾 ∞ ∞

Sistem Tipe 1 0 ¹

𝐾 ∞

Sistem Tipe 2 0 0 ¹

𝐾

Berdasarkan Tabel 2.1, sistem akan memiliki kesalahan keadaan tunak saat sistem diklasifikasikan ke dalam sistem tipe 0 dengan input step, sistem tipe 1 dengan input ramp, dan sistem tipe 2 dengan input percepatan. Adapun sistem yang tidak memiliki kesalahan keadaan tunak saat sistem diklasifikasikan ke dalam sistem tipe 1 dengan input step dan sistem tipe 2 dengan input step dan ramp.

Adapun sistem yang memiliki kesalahan keadaan tunak tak hingga saat sistem diklasifikasikan ke dalam sistem tipe 0 dengan input ramp dan percepatan, dan sistem tipe 1 dengan input percepatan.

2.4. Pengendali PID

Pengendali PID merupakan salah satu jenis pengendali konvensional yang masih banyak digunakan hingga saat ini. PID memiliki tiga parameter yang digunakan sebagai aksi kendali, yaitu P (proporsional), I (integral), dan D (derivatif). Bentuk persamaan matematis pengendali PID dalam bentuk fungsi Laplace disajikan pada Persamaan (2.3), yaitu [7]:

𝐺_𝑐(𝑠) = 𝐾_𝑝(1 + 1

𝑇_𝑖𝑠+ 𝑇_𝑑𝑠) (2.3) Dimana 𝐺_𝑐(𝑠) adalah gain pengendali, 𝐾_𝑝 adalah penguat proporsional, 𝑇_𝑖 adalah parameter aksi integral, dan 𝑇_𝑑 adalah parameter aksi derivatif. Nantinya, Persamaan (2.3) akan digunakan untuk menentukan karakteristik tipe sistem dan melihat berapa kesalahan keadaan tunak yang seharusnya dimiliki sistem tersebut berdasarkan Tabel 2.1.

(22)

2.4.1. Karakteristik Pengendali PID

Pengendali PID memiliki karakteristik yang berbeda tergantung penggunaan parameter pengendali PID. Adapun karakteristik dari masing-masing parameter pengendali PID di antaranya yaitu [7]:

a. Proporsional, memiliki karakteristik dapat menurunkan kesalahan keadaan tunak dengan menaikkan nilai gain kendali. Selain itu, rise time juga akan semakin cepat. Namun, respon sistem akan semakin berosilasi jika gain semakin besar.

b. Integral, memiliki fungsi utama yaitu untuk memastikan bahwa process value sesuai dengan set point saat keadaan tunak. Jika aksi integral digunakan, nilai error positif yang kecil akan selalu meningkatkan sinyal kendali dan nilai error negatif akan menurunkan sinyal kendali. Karakteristik aksi integral yaitu jika nilai 𝑇_𝑖 semakin kecil maka rise time yang dihasilkan akan semakin cepat dan sistem akan berosilasi. Kebalikannya, jika nilai 𝑇_𝑖 semakin besar, maka respon akan semakin lama untuk mencapai keadaan tunak.

c. Derivatif, digunakan untuk meningkatkan kestabilan sistem kalang tertutup.

Karakteristik aksi derivatif yaitu jika nilai 𝑇_𝑑 semakin besar, maka rise time akan semakin cepat. Jika kenaikan 𝑇_𝑑 tidak terlalu signifikan, maka respon yang diperoleh akan meningkatkan kestabilan sistem. Akan tetapi, jika nilai kenaikannya terlalu besar, maka sistem mengalami osilasi dan sistem tidak stabil lagi.

2.4.2. Metode Penalaan Pengendali PID

Metode penalaan pengendali PID adalah metode yang digunakan untuk memperoleh nilai parameter PID. Metode penalaan PID yang digunakan banyak jenisnya, salah satunya yaitu dari Ziegler-Nichols. Metode Ziegler-Nichols sudah digunakan secara luas untuk mengatur nilai PID pada sistem kendali proses, baik dinamika plant yang tidak diketahui secara pasti maupun yang sudah diketahui.

Metode Ziegler-Nichols terbagi menjadi dua bagian, yaitu [11]:

a. Metode pertama (step response)

Metode pertama Ziegler-Nichols adalah metode yang menggunakan sistem kalang terbuka dengan input step untuk menghasilkan parameter yang dibutuhkan untuk penalaan PID. Kurva respon dengan input step dapat diperoleh secara

(23)

eksperimen atau berasal dari simulasi dinamik plant. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Respon sistem dengan input step terhadap plant [11]

Berdasarkan Gambar 2.5, plant menerima input step u(t). Lalu plant menghasilkan kurva respon sistem c(t). Adapun bentuk kurva respon sistem dengan input step yang tampak lebih besar dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Kurva respon sistem bentuk S dengan L dan T [11]

Berdasarkan Gambar 2.6, kurva respon sistem dengan input step berbentuk S dan memiliki tiga konstanta atau parameter, yaitu konstanta (K), delay time (L), dan constant time (T). K diperoleh saat set point bernilai K (K = set point). L ditentukan dengan menggambarkan garis singgung pada titik belok dari kurva bentuk S dan menentukan perpotongan garis singgung dengan sumbu time. T ditentukan dengan mencari waktu yang dibutuhkan PV saat 63% [11] [18].

Setelah diperoleh nilai K, L, dan T, maka nilai 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 dapat diketahui.

Adapun aturan penalaan PID dengan metode pertama disajikan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Aturan penalaan PID dengan metode pertama Ziegler-Nichols [11]

Tipe Kendali 𝐾_𝑝 𝑇_𝑖 𝑇_𝑑

P 𝑇

⁄ 𝐿 ∞ 0

PI 0,9𝑇

⁄ 𝐿 𝐿

⁄0,3 0

PID 1,2𝑇

⁄ 𝐿 2𝐿 0.5𝐿

Garis singgung pada titik infleksi

Saat PV sebesar 63%

Plant

(24)

Selain digunakan untuk penalaan PID seperti yang tersajikan pada Tabel 2.1, K, L, dan T dapat digunakan untuk menentukan fungsi alih plant sistem orde 1. Adapun bentuk fungsi alih suatu plant dengan transport lag, yaitu [11]:

𝐶(𝑠)

𝑈(𝑠) = 𝑃(𝑠) = 𝐾

𝑇𝑠 + 1𝑒^−𝐿𝑠 (2.4) Dimana 𝑃(𝑠) adalah fungsi alih plant dengan sistem berorde 1. Persamaan (2.4) diperoleh menggunakan metode pendekatan karakteristik sistem berode 1 [8].

b. Metode kedua (osilasi)

Metode kedua Ziegler-Nichols hanya menggunakan aksi kendali proporsional untuk mencapai nilai parameter yang digunakan untuk penalaan PID. Sistem kalang tertutup digunakan untuk mencari parameter yang digunakan untuk penalaan pengendali PID, yaitu 𝐾_𝑐𝑟 dan 𝑃_𝑐𝑟 [11]. Diagram blok sistem kalang tertutup dengan aksi kendali P dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Sistem kalang tertutup dengan 𝐾_𝑝 [11]

Berdasarkan Gambar 2.7, pengendali PID dengan 𝐾_𝑝 menerima error untuk diolah sehingga menghasilkan output kendali. Kemudian output kendali dikirim ke plant untuk menghasilkan output dan output diumpan balik sehingga menghasilkan error.

Adapun bentuk respon sistem yang diperoleh untuk mendapatkan parameter penalaan PID disajikan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Osilasi terus menerus secara kontinu dengan periode 𝑃_𝑐𝑟 Plant

(25)

Untuk mendapatkan 𝐾_𝑐𝑟 dan 𝑃_𝑐𝑟, maka dilakukan beberapa langkah menurut [18]. Pertama, terlebih dahulu memastikan sistem memiliki PV yang stabil dan tidak memiliki perubahan proses. Atur 𝑇_𝑖 menjadi tak hingga (∞), 𝑇_𝑑 menjadi nol (0), dan pengendali menjadi mode otomatis. Lalu atur set point dan masukkan 𝐾_𝑝 hingga PV berosilasi. Lalu lihat PV-nya, jika PV berosilasi namun puncak amplitudo menurun, 𝐾_𝑝 ditingkatkan menjadi 50%. Jika sebaliknya, 𝐾_𝑝 dikurangi 50%. Jika PV berosilasi dengan amplitudo yang konstan dan CO tidak menyentuh batas atas dan bawahnya seperti pada Gambar 2.8 bagian bawah, maka 𝐾_𝑐𝑟 dan 𝑃_𝑐𝑟 dapat diperoleh. 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 dapat ditentukan berdasarkan persamaan matematis yang tertera pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Aturan penalaan PID dengan metode kedua Ziegler-Nichols [11]

Tipe Kendali 𝐾_𝑝 𝑇_𝑖 𝑇_𝑑

P 0,5𝐾_𝑐𝑟 ∞ 0

PI 0,45𝐾_𝑐𝑟 0,833𝑃_𝑐𝑟 0

PID 0,6𝐾_𝑐𝑟 0,5𝑃_𝑐𝑟 0,125𝑃_𝑐𝑟

Tabel 2.3 memperlihatkan penalaan 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 memiliki variabel angka yang berbeda tergantung dari tipe kendali yang akan digunakan. Khusus tipe kendali P, 𝑇_𝑖 diatur menjadi (∞) agar nantinya aksi integral pada pengendali PID akan mati secara otomatis.

2.5. Fuzzy Logic Control 2.5.1. Fuzzy Logic

Fuzzy logic (logika Fuzzy) merupakan sebuah alat matematika cerdas untuk menangani ketidakpastian yang muncul karena ketidakjelasan [19]. Ketidakpastian dapat muncul karena ketidaktepatan dalam mendefinisikan masalah dengan bahasa, sebagian informasi bermasalah, informasi tidak sepenuhnya dapat diandalkan, atau informasi yang diterima lebih dari satu sumber [19]. Logika Fuzzy memiliki beberapa istilah, di antaranya yaitu [20]:

a. Semesta pembicaraan adalah keseluruhan ruang permasalahan dari nilai terkecil hingga nilai terbesar yang naik secara monoton dari kiri ke kanan.

b. Himpunan crisp adalah himpunan tegas, himpunan yang membedakan anggota dan non anggotanya dengan batasan yang jelas.

(26)

c. Variabel Fuzzy adalah variabel yang akan dibicarakan dalam sistem Fuzzy.

d. Himpunan Fuzzy adalah himpunan yang akan dibicarakan pada suatu variabel dalam sistem Fuzzy. Himpunan Fuzzy terbagi menjadi 2 atribut, yaitu linguistik dan numeris.

e. Domain himpunan Fuzzy merupakan nilai-nilai yang dimiliki oleh himpunan Fuzzy. Domain himpunan dapat berupa bilangan positif maupun negatif.

f. Fungsi keanggotaan (membership functions) merupakan suatu kurva yang menunjukkan pemetaan titik input data ke dalam nilai keanggotaannya (derajat keanggotaan) yang memiliki interval dari 0 dan 1. Fungsi keanggotaan terdiri dari beberapa jenis kurva, di antaranya yaitu fungsi linier, fungsi segitiga, fungsi trapesium, fungsi sigmoid, dan fungsi phi.

2.5.2. Fuzzy Control System

Fuzzy control system (sistem kendali Fuzzy) adalah sistem pakar real-time yang menerapkan bagian dari keahlian operator atau teknisi proses yang tidak mudah diekspresikan ke dalam persamaan diferensial, melainkan ke dalam aturan situasi/tindakan. Salah satu fitur sistem kendali Fuzzy adalah keberadaannya pada dua level yang berbeda yaitu aturan if-then dan kualitatif. Sistem kendali Fuzzy memiliki batasan, yaitu kendali Fuzzy hanya bisa digunakan jika proses sistem dan kendalinya dapat diekspresikan dengan logika Fuzzy dan tidak ada kriteria kestabilan sistem [19].

Perancangan desain sistem kendali Fuzzy sama seperti perancangan kendali konvensional, akan tetapi yang membedakannya adalah komponen kendali yang digunakan. Sistem kendali Fuzzy menggunakan sistem kalang tertutup dengan r(t) adalah input referensi, kendali Fuzzy, u(t) adalah output kendali, proses, dan y(t) adalah output. Adapun diagram blok sistem kendali Fuzzy dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Desain sistem kendali Fuzzy [19]

(27)

Gambar 2.9 memperlihatkan kendali Fuzzy memiliki empat komponen utama, yaitu rule base, mekanisme inferensi, fuzzifikasi, dan defuzzifikasi. Rule base ialah aturan-aturan yang digunakan untuk mengendalikan sistem. Mekanisme inferensi adalah proses untuk mengevaluasi aturan kendali mana yang relevan. Fuzzifikasi adalah proses memodifikasi input dan hasilnya dibandingkan dengan aturan di rule base. Defuzzifikasi adalah proses mengubah kesimpulan yang telah dicapai oleh mekanisme inferensi menjadi sinyal kendali ke plant [19].

2.6. Pengendali Tegangan AC Satu Fasa

Pengendali tegangan AC adalah sebuah konverter yang mengendalikan tegangan, arus, dan rata-rata daya yang dikirim ke beban dari sumber tegangan AC.

Saklar elektronika menghubungkan dan memutuskan sumber Vac ke beban pada interval yang teratur. Switching terjadi selama setiap siklus sumber Vac dan bentuk gelombang sumber Vac dikurangi sebelum mencapai ke beban. Salah satu IC yang dapat digunakan untuk mengendalikan tegangan AC yaitu IC TCA 785 [21].

2.6.1. Operasi Dasar

Operasi dasar pengendali tegangan AC satu fasa dapat diketahui dengan melihat rangkaian sederhana pengendali tegangan AC dengan beban resistif yang disajikan pada Gambar 2.10.

(a) (b)

Gambar 2.10 Pengendali tegangan AC satu fasa dengan beban resistif (a) Menggunakan SCR; (b) Menggunakan TRIAC [21]

Gambar 2.10 (a) adalah rangkaian pengendali tegangan AC menggunakan susunan SCR antiparalel yang digunakan sebagai saklar. Adapun Gambar 2.10 (b) adalah rangkaian pengendali tegangan AC menggunakan TRIAC sebagai saklarnya.

Prinsip operasi pengendali tegangan AC satu fasa hampir mirip dengan penyearah setengah gelombang. Di sini, arus beban berisi setengah siklus positif dan negatif. Lalu, analisis pada setengah siklus untuk pengendali tegangan sama

(28)

seperti pengendalian penyearah setengah gelombang. Selanjutnya, hasilnya dapat diekstrapolasi untuk menjelaskan operasi di seluruh periode dengan simetris [21].

2.6.2. Pengendali Satu Fasa dengan Beban Resistif

Bentuk gelombang pengendali tegangan AC satu fasa dengan beban resistif dapat dilihat pada Gambar 2.11. Bentuk gelombang tersebut merupakan bentuk gelombang yang ada di rangkaian peredupan cahaya pijar secara umum.

Gambar 2.11 Bentuk gelombang kendali tegangan AC (a) Sumber tegangan AC; (b) Tegangan beban; (c) Tegangan saklar elektronika [21]

Gambar 2.11 memperlihatkan tiga bentuk gelombang. Gambar 2.11 (a) adalah bentuk gelombang sumber Vac dengan io (arus beban) saat sudut penyulutan α.

Gambar 2.11 (b) adalah bentuk gelombang tegangan beban saat sudut penyulutan α. Gambar 2.11 (c) adalah bentuk gelombang tegangan dari saklar elektronika, berupa SCR atau TRIAC saat sudut penyulutan α. Dari Gambar 2.11 diperoleh Persamaan (2.5) untuk mengetahui tegangan beban rms, yaitu:

𝑉_{𝑜(𝑟𝑚𝑠)} = 𝑉_𝑠√1

𝜋(𝜋 − 𝛼) +sin 2𝛼

2 (2.5) Dimana 𝑉_{𝑜(𝑟𝑚𝑠)} adalah tegangan beban rms, 𝑉_𝑠 adalah sumber tegangan AC, 𝜋 adalah 180°, dan 𝛼 adalah sudut penyulutan. Persamaan (2.5) dapat digunakan untuk melihat karakteristik pengendali tegangan AC satu fasa dengan beban resistif

(a)

(b)

(c)

(29)

berdasarkan sudut penyulutan terhadap tegangan output atau beban. Adapun bentuk karakteristik pengendali tegangan AC satu fasa dengan beban resistif dapat dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Karakteristik pengendali tegangan AC satu fasa beban resistif [21]

Berdasarkan Gambar 2.12 dapat dilihat bahwa semakin besar nilai sudut penyulutan, maka akan semakin kecil tegangan beban rms. Saat sudut penyulutan bernilai 0, maka tegangan beban akan berbentuk sinusoida sama seperti sumber tegangan AC yang terukur [21].

2.6.3. IC TCA 785 sebagai Pengendali Tegangan AC

IC TCA 785 merupakan salah satu IC kendali fasa yang dapat digunakan sebagai pengendali tegangan AC. IC ini dapat digunakan untuk mengendalikan thyristor, TRIAC dan transistor. IC ini dapat menggeser tegangan kendali (𝑉₁₁) atau sudut penyulutan (𝛼) pada sudut fasa antara 0° sampai dengan 180°. Besarnya sudut penyulutan dapat dicari menggunakan Persamaan (2.6), yaitu [22]:

𝛼 = 𝑉₁₁

𝑉_{10𝑚𝑎𝑘𝑠}× 180° (2.6) Dimana 𝑉_{10𝑚𝑎𝑘𝑠} adalah tegangan ramp maksimum. Persamaan (2.6) diperoleh dengan melihat diagram pulsa IC TCA 785 yang tertera pada Lampiran C. Diagram pulsa IC TCA 785 memperlihatkan hubungan antara sinyal sinkronisasi, sinyal ramp, dan tegangan kendali dengan output.

2.7. Penguat Transistor

Secara umum, rangkaian penguat transistor menggunakan rangkaian bias pembagi tegangan (self-bias). Hal ini dikarenakan stabilitas biasnya sangat baik,

(30)

sehingga titik kerja transistor hampir tidak dipengaruhi oleh besarnya β. Rangkaian bias pembagi tegangan disajikan pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Rangkaian bias pembagi tegangan [23]

Berdasarkan Gambar 2.13, rangkaian bias pembagi tegangan memiliki R1 dan R2

yang terpasang paralel terhadap basis transistor. RE terpasang pada emiter transistor.

Rc terpasang pada kaki common. Vcc digunakan sebagai tegangan referensi.

2.8. Akuisisi Data

Akuisisi data (data acquisition) meliputi pengumpulan data dari hasil pengukuran dan mengubahnya dalam bentuk digital, kemudian disimpan, dianalisis, dan disajikan dalam bentuk yang sesuai. Sistem akuisisi data dengan komputer memiliki lima komponen yang harus dipertimbangkan, yaitu sensor, sinyal, pengatur sinyal, perangkat keras akuisisi data, dan perangkat lunak aplikasi. Proses akuisisi data disajikan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Proses akuisisi data [24]

Sensor digunakan sebagai alat penginderaan suatu keadaan dan hasil pengukurannya berbentuk sinyal listrik. Jika sinyal dari hasil pengukuran sensor mempunyai noise, maka diperlukan pengatur sinyal untuk mem-filter, meredam, dan/atau menguatkan sinyal sebelum dikirimkan ke perangkat keras akuisisi data.

Setelah sinyal diterima oleh perangkat keras akuisisi data, sinyal diolah dari sinyal analog menjadi sinyal digital agar komputer dapat mengolahnya. Lalu sinyal digital

(31)

diteruskan ke perangkat lunak pendukung yang telah di-install pada komputer agar dapat diolah lebih lanjut sampai dengan penyajian data [24].

2.9. Termokopel Tipe K

Termokopel terdiri dari dua logam konduktor yang berbeda (thermo-element), yang masing-masing diisolasi kecuali bagian junction. Kabel ekstensi termokopel menggunakan sepasang kabel yang mempunyai temperature emf relatif terhadap termokopelnya sehingga pada saat digunakan tidak memberikan pengaruh negatif (penyebab kesalahan) terhadap hasil pengukuran. Prinsip kerja termokopel yaitu saat elemen suhu (measuring junction) menghasilkan beda tegangan (emf), tegangan emf dibandingkan dengan skala konversi tertentu menjadi satuan suhu.

Secara umum, bagian-bagian termokopel dapat dilihat pada Gambar 2.15.

Gambar 2.15 Sistem pengukuran suhu dengan termokopel [25]

Termokopel tipe K adalah salah satu tipe termokopel yang terbuat dari nikel- kromium atau nikel-alumel. Termokopel tipe K umum digunakan karena harganya murah, akurat, dapat diandalkan, dan memiliki range suhu yang lebar. Kabel termokopel memiliki range dari -270°C sampai dengan 1260°C, sedangkan kabel ekstensinya memiliki range dari 0°C sampai dengan 200°C. Tingkat akurasi termokopel tipe K yaitu ±2,2°C atau ±0,75% [26]. Termokopel tipe K tidak boleh digunakan dalam keadaan [27]:

1. Kondisi yang dapat mereduksi atau mengoksidasi dan mereduksi secara bergantian.

2. Kondisi berbelerang, karena akan menyebabkan kedua thermoelement cepat rapuh dan mengalami kerusakan pada kabel thermoelement negatif.

3. Kondisi vakum, kecuali untuk periode singkat, karena penguapan prefential kromium dari elemen positif mungkin dapat mengubah kalibrasi.

4. Kondisi yang melabelkan korosi green-rot pada thermoelement positif, dikarenakan dapat menyebabkan error negatif yang besar dalam kalibrasi.

Titik pengukuran Kabel termokopel

Instrumen pengukuran

Kabel ekstensi

(32)

2.10. Low Pass Filter

Low pass filter merupakan filter yang digunakan untuk melewatkan semua komponen sinyal di bawah frekuensi cut-off dan menutup semua komponen sinyal di atas frekuensi cut-off. Low pass filter analog banyak digunakan sebagai anti aliasing dalam pemrosesan sinyal digital. Adapun rangkaian pasif RC low pass filter orde satu disajikan pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Rangkaian pasif RC low pass filter [28]

Berdasarkan Gambar 2.16, diperoleh fungsi alih low pass filter orde satu, yaitu [28]:

𝐻(𝑠) =𝑦_𝑓(𝑘)

𝑦(𝑘) = 1

𝑅𝐶𝑠 + 1= 1

𝜏𝑠 + 1 (2.7) Dimana 𝑦_𝑓(𝑘) adalah sinyal setelah di-filter, 𝑦(𝑘) adalah sinyal sebelum di-filter, dan τ adalah time constant filter. Kemudian Persamaan (2.7) diolah menggunakan metode persamaan diferensial dan Euler backwards, sehingga diperoleh Persamaan (2.8) untuk low pass filter diskrit yaitu:

𝑦_𝑓(𝑘) = (1 − 𝑎)𝑦_𝑓(𝑘 − 1) + 𝑎𝑦(𝑘) (2.8) dimana

𝑎 = 𝑇_𝑠 𝑇_𝑓+ 𝑇_𝑠

Adapun 𝑇_𝑠 adalah time sampling dan 𝑇_𝑓 adalah time filter constant. Persamaan (2.8) nantinya akan digunakan untuk membuat program low pass filter pada Labview untuk mem-filter sinyal hasil pengukuran.

2.11. Kalibrasi Sensor

Kalibrasi adalah serangkaian kegiatan yang membentuk hubungan antara nilai yang ditunjukkan oleh instrumen pengukur dengan nilai-nilai yang sudah diketahui, berkaitan dari besaran yang diukur dalam kondisi tertentu [29]. Kalibrasi sensor dilakukan agar nilai yang terukur memiliki satuan sistem nasional maupun internasional. Kalibrasi sensor dapat dilakukan dengan membandingkan nilai sensor yang terukur dengan alat ukur pada kondisi yang sama. Metode tersebut menggunakan Persamaan (2.9), yaitu [30]:

Input vi

Output vo

(33)

𝑦 − 𝑦₁

𝑦₂− 𝑦₁ = 𝑥 − 𝑥₁

𝑥₂− 𝑥₁ (2.9) Dimana 𝑦 merupakan nilai yang terukur oleh alat ukur dan 𝑥 merupakan nilai yang dihasilkan oleh sensor. 𝑥₁ dan 𝑦₁ yaitu ketika 𝑥 dan 𝑦 berada di kondisi awal. 𝑥₂ dan 𝑦₂ yaitu ketika 𝑥 dan 𝑦 berada pada kondisi akhir setelah diberi trigger.

Persamaan (2.9) merupakan persamaan matematis garis lurus melalui dua titik.

2.12. Kajian Pustaka

Kajian pustaka membahas mengenai rangkuman dari beberapa penelitian sebelumnya yang digunakan sebagai referensi dan acuan untuk penelitian ini.

Adapun beberapa penelitian tersebut membahas mengenai metode penalaan Ziegler-Nichols, baik metode pertama Ziegler-Nichols maupun metode kedua Ziegler-Nichols, serta kendali Fuzzy menggunakan rule base 5x5. Berikut penjabaran dari beberapa penelitian tersebut:

1. Penelitian sebelumnya yang membahas mengenai penggunaan metode penalaan Ziegler-Nichols open loop step response menghasilkan parameter PID, di antaranya yaitu 𝐾_𝑝 sebesar 90, 𝐾_𝑖 sebesar 50, dan 𝐾_𝑑 sebesar 0. Hasil pengujian berdasarkan parameter PID yang telah diketahui yaitu saat sistem diberikan set point sebesar 33°C menghasilkan kesalahan keadaaan tunak (ess) sebesar 0,057%. Lalu saat sistem diberikan set point sebesar 34°C menghasilkan (ess) sebesar 0,041%. Terakhir, saat diberikan set point sebesar 35°C menghasilkan (ess) sebesar 0,057% [31].

2. Penelitian selanjutnya yang membahas mengenai penggunaan metode penalaan Ziegler Nichols open loop step response menghasilkan parameter PID, yaitu 𝐾_𝑝 sebesar 23,1, 𝐾_𝑖 sebesar 40, dan 𝐾_𝑑 sebesar 10. Hasil pengujian menggunakan metode tersebut berhasil melakukan pengendalian suhu dengan tepat. Selain itu, pengaruh perubahan suhu siang dan malam tidak mempengaruhi kinerja pengendali PID secara signifikan [32].

3. Penelitian berikutnya yang membahas mengenai penggunaan metode penalaan Ziegler-Nichols yang kedua, yaitu metode osilasi, menghasilkan parameter PID, yaitu 𝐾_𝑝 sebesar 0,48000, 𝐾_𝑖 sebesar 0,59000, dan 𝐾_𝑑 sebesar 0,09672 untuk gangguan sebesar 0 N, 𝐾_𝑝 sebesar 0,18000, 𝐾_𝑖 sebesar 0,13660, dan 𝐾_𝑑 sebesar 0,05963 untuk gangguan sebesar 5000 N, dan 𝐾_𝑝

(34)

sebesar 0,2400, 𝐾_𝑖 sebesar 0,13750, dan 𝐾_𝑑 sebesar 0,10476 untuk gangguan sebesar 10000 N. Pengujian menggunakan metode tersebut menghasilkan kinerja yang lebih baik dibandingkan trial and error berdasarkan settling time, percentage overshoot, dan ess [33].

4. Penelitian selanjutnya yang membahas mengenai penggunaan metode penalaan Ziegler-Nichols yang kedua, yaitu metode osilasi, menghasilkan parameter PID, yaitu 𝐾_𝑝 sebesar 18, 𝑇_𝑖 sebesar 0,05075, dan 𝑇_𝑑 sebesar 0,01269. Pengujian menggunakan metode tersebut menghasilkan sistem yang dapat mencapai set point dan memiliki ess sebesar 0%. Rise time akan semakin lama jika pengaturan set point semakin besar. Selain itu, jika set point diatur lebih dari 80°, maka sistem akan mengalami overshoot [34].

5. Penelitian yang membahas mengenai penggunaan rule base 5x5 untuk kendali Fuzzy. Penelitian tersebut menghasilkan perbandingan kinerja sistem menggunakan rule base 3x3 dan rule base 5x5. Penggunaan rule base 5x5 menghasilkan respon yang lebih baik dari daripada rule base 3x3. Kenaikan angka pada rule base membuat hasilnya lebih akurat dan sistem lebih cepat dalam mencapai kondisi steady state. Untuk mendapatkan respon yang maksimum, maka diperlukan modifikasi variabel Fuzzy dengan menambahkan orde yang lebih tinggi [14].

Berdasarkan penjabaran dari lima penelitian yang telah dijabarkan, dapat diperoleh masukan untuk penelitian yang akan dilakukan yaitu merancang sistem kendali suhu pada plant pemanas menggunakan pengendali PID dan kendali Fuzzy.

Adapun penalaan PID yang digunakan adalah metode pertama Ziegler-Nichols dan metode kedua Ziegler Nichols, sedangkan rule base yang digunakan pada kendali Fuzzy adalah rule base 5x5. Tujuannya yaitu untuk meredam sistem yang berosilasi dan mengurangi nilai overshoot pada pengendali PID dan mempercepat settling time pada kendali Fuzzy. Metode penalaan yang akan digunakan pada pengendali PID adalah metode pertama dan kedua Ziegler-Nichols, sedangkan rule base yang akan digunakan pada kendali Fuzzy yaitu rule base 5x5.

(35)

3.1. Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian pada penelitian ini terbagi menjadi beberapa tahapan, di antaranya yaitu studi literatur, analisis kebutuhan, perancangan sistem, pembuatan perangkat keras, pembuatan program pada perangkat lunak, pengujian pengendali PID dan kendali Fuzzy, serta analisis data. Adapun penjabarannya dijelaskan sebagai berikut:

1. Studi literatur, tahapan ini bertujuan untuk mencari sumber literatur yang mendukung untuk melakukan penelitian ini, yang terdiri dari buku, e-book, jurnal nasional, jurnal internasional, video edukasi, dan sumber lainnya yang dapat dipercaya.

2. Analisis kebutuhan, tahapan ini bertujuan untuk menganalisis kebutuhan yang diperlukan untuk merancang sistem.

3. Perancangan Sistem, tahapan ini bertujuan untuk merancang sistem kendali suhu, baik perangkat keras maupun program pada perangkat lunak.

4. Pembuatan perangkat keras, tahapan ini merupakan proses membuat perangkat keras sistem sesuai dengan rancangan sistem yang telah dirancang.

5. Pembuatan program pada perangkat lunak, tahapan ini merupakan proses pembuatan program untuk sistem pada perangkat lunak, yaitu Labview.

6. Pengujian pengendali PID dan kendali Fuzzy, tahapan ini merupakan proses pengujian pengendali PID dan kendali Fuzzy terhadap sistem yang telah dirancang. Selain itu, melihat respon sistem yang telah diperoleh dari kedua kendali tersebut.

7. Analisis data, tahapan ini bertujuan untuk menganalisa data yang diperoleh, baik dari sistem yang telah dibuat, meliputi perangkat keras dan program yang telah dirancang, maupun respon sistem yang telah diperoleh.

3.2. Instrumen Penelitian

Instrumen penelitian merupakan alat yang digunakan oleh peneliti untuk mengumpulkan data, mengukur fenomena, dan menganalisa data yang sesuai dengan masalah yang dihadapi pada subjek yang diamati. Instrumen penelitian

(36)

digunakan agar lebih mudah dalam pengolahan data hingga penarikan kesimpulan [35]. Instrumen pada penelitian ini terbagi menjadi 2 bagian, yaitu:

1. Instrumen perangkat keras. Instrumen perangkat keras yang digunakan di antaranya yaitu PC dengan spesifikasi Intel(R) Core(TM) i3-5005U CPU @ 2.00GHz 2.00 GHz RAM 4 GB sistem operasi 64 bit; NI USB 6008 digunakan sebagai perangkat akuisisi data; multimeter digital digunakan untuk mengukur tegangan beban dan mengecek jalur pada rangkaian elektronika; osiloskop digital digunakan untuk mengukur dan melihat sinyal;

dan termometer digunakan untuk mengukur suhu.

2. Instrumen perangkat lunak. Instrumen perangkat lunak yang digunakan di antaranya yaitu Labview versi 2020 (32 bit) digunakan untuk mengolah data, mengendalikan sistem, dan menampilkan hasil output sistem; driver NI- DAQmx digunakan untuk membaca sinyal dari NI USB 6008 ke Labview dan mengirimkan sinyal dari Labview ke NI USB 6008; dan Microsoft Office Excel 2016 digunakan untuk mengolah data respon sistem.

3.3. Perancangan Sistem Kendali Suhu

Perancangan sistem kendali suhu merupakan gambaran awal untuk membuat sistem kendali suhu. Perancangan sistem kendali suhu disajikan dalam bentuk diagram blok untuk menjelaskan alur sistem kendali suhu. Adapun diagram blok perancangan sistem kendali suhu dapat dilihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram blok perancangan sistem kendali suhu

Gambar 3.1 memperlihatkan sistem kendali suhu dimulai dengan membaca tegangan termokopel dengan satuan (V) pada Labview dari perangkat ADC (analog to digital converter). Lalu, tegangan termokopel dikalibrasi sehingga menghasilkan PV (process value) dengan satuan (°C). Kemudian, SP (set point) dengan process

(37)

value dikalkulasi sehingga menghasilkan error. Error digunakan sebagai input ke blok kendali untuk menghasilkan sinyal kendali. Kendali yang digunakan yaitu pengendali PID atau kendali Fuzzy. Selanjutnya, sinyal kendali dikirim ke perangkat DAC (digital to analog converter). Seluruh proses ini terjadi di Labview.

Driver mendapatkan output kendali dari perangkat DAC untuk memanaskan elemen pemanas yang berada di heater cup. Driver menggunakan IC TCA 785 untuk memberikan variasi tegangan AC ke elemen pemanas berdasarkan output kendali yang diberikan. Lalu, heater cup menghasilkan perubahan suhu (output sistem). Output diukur oleh termokopel sehingga menghasilkan tegangan dan dikirim ke perangkat ADC. Adapun perangkat ADC dan DAC yang digunakan adalah NI USB 6008.

3.4. Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras merupakan gambaran awal untuk membuat perangkat keras. Perancangan perangkat keras terdiri dari laptop sebagai personal computer, heater cup beserta elemen pemanas, sensor termokopel tipe K, rangkaian driver pemanas, rangkaian penguat transistor, rangkaian pengkondisi sinyal, dan NI USB 6008. Perangkat keras yang dirancang mendapatkan sumber tegangan AC (220Vac) dan DC (+5 Vdc, dan ±15 Vdc). Modul step up tegangan juga digunakan untuk menaikkan tegangan dari +5 Vdc menjadi +10 Vdc. Bentuk perancangan perangkat keras dapat dilihat pada Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Perancangan perangkat keras sistem kendali suhu

Gambar 3.2 memperlihatkan heater cup mendapat tegangan AC dari driver pemanas. Termokopel tipe K dipasang pada tutup heater cup untuk mengukur

(38)

perubahan suhu pada heater cup. Termokopel terhubung ke pengkondisi sinyal untuk mengolah tegangan termokopel sehingga tegangan termokopel dapat dibaca.

Pengkondisi sinyal terhubung ke NI USB 6008 bertujuan untuk mengirimkan tegangan termokopel yang sudah diolah ke laptop yang sudah di-install Labview.

NI USB 6008 juga terhubung ke penguat transistor untuk mengirimkan sinyal kendali dari laptop ke penguat transistor. Driver pemanas terhubung ke penguat transistor untuk mendapatkan sinyal kendali yang telah dikuatkan sehingga menghasilkan tegangan AC yang digunakan untuk memanaskan heater cup.

Adapun spesifikasi heater cup yang digunakan disajikan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi heater cup Ukuran heater cup T x D (10,8 cm x 7 cm) Bahan heater cup Bagian atas : stainless steel

Bagian bawah : plastik

Ukuran elemen pemanas

Diameter elemen pemanas : ± 7 cm Diameter tabung elemen : ± 8 mm Celah terminal : ± 6 cm

Tinggi terminal : ± 3 cm Jenis elemen pemanas Tabung

Suplai daya 190 watt

Tabel 3.1 memperlihatkan heater cup memiliki ukuran tinggi 10,8 cm dan diameter 7 cm. Heater cup terdiri dari dua bahan, yaitu stainless steel pada bagian atas dan plastik pada bagian bawah untuk menutupi elemen pemanas. Elemen pemanas memiliki diameter sebesar kurang lebih 7 cm. Adapun celah terminal elemen pemanas kurang lebih 6 cm dengan tinggi terminal kurang lebih 3 cm. Elemen pemanas yang digunakan berjenis tabung dengan suplai daya 190 watt.

Rangkaian driver pemanas membutuhkan sumber tegangan AC dan +15 Vdc.

Lalu, rangkaian pengkondisi sinyal membutuhkan sumber tegangan ±15 Vdc.

Modul step up tegangan diberi sumber tegangan +5 Vdc untuk menghasilkan tegangan sebesar +10 Vdc yang digunakan untuk rangkaian penguat transistor.

3.4.1. Penggunaan Terminal NI USB 6008

Terminal NI USB 6008 yang digunakan pada penelitian ini yaitu terminal analog (sisi kiri NI USB 6008). Adapun perancangan penggunaan terminal NI USB 6008 pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.