RANCANG BANGUN ALAT SISTEM PENGONTROLAN SUHU MENGGUNAKAN KONTROL PID DENGAN
PROGRAM MATLAB
Oleh:
Rohani Debora Ginting NIM 082244610008 Program Studi Fisika
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Sain
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
iv
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, yang
telah memberikan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi ini sesuai dengan waktu yang direncanakan. Skripsi berjudul “Rancang
Bangun Alat Sistem Pengontrolan Suhu Menggunakan Kontrol PID Dengan
Program Matlab” disusun untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) Jurusan
Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri
Medan (UNIMED).
Dalam penyusunan dan penulisan karya tulis ini banyak dukungan serta
arahan yang penulis terima.Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih
kepada Bapak Dr. Ridwan A. Sani, M.Si sebagai dosen pembimbing skripsi yang
telah banyak memberikan bimbingan, dan saran sejak awal hingga terselesainya
penulisan skripsi ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Bapak
Drs. Nurdin Siregar, M.Si, Drs. J.H. Panggabean, M.Si, Drs. Pintor Simamora,
M.Si, selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan saran kepada
penulis dalam penyusunan skripsi ini. Terima kasih juga penulis sampaikan
kepada Bapak Prof. Drs. Motlan, M.Sc, Ph.D selaku Dekan FMIPA UNIMED,
Ibu Dr. Derlina, M.Si selaku Ketua Jurusan Fisika dan sebagai Dosen
pembimbing Akademik, Bapak Drs. Pintor Simamora, M.Si, selaku Ketua
Program Studi Fisika, seluruh Bapak dan Ibu Dosen serta pegawai Jurusan Fisika
FMIPA UNIMED yang telah banyak membantu penulis. Teristimewa penulis
ucapkan terima kasih kepada Ayahanda M. Ginting dan Ibunda tercinta K. Lingga
yang telah mendidik dan membesarkan penulis, memberi doa yang tulus dan
dorongan serta sumbangsih yang besar dari segi material, spiritual dan nasehat
yang menjadi motivasi sehingga penulis dapat menyelesaikan studi di Universitas
Negeri Medan, juga teristimewa penulis ucapkan terima kasih kepada William
S.M Simanjuntak, S.Kom, kakak dan abang saya, Rehulina Ginting, S.E, S.Pd,
Dewi L, A.Md.AK, Sondang Ginting, S.Pd dan Johanes Ginting, ST yang telah
DAFTAR ISI
BAB II . TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kerangka Teori 6
2.1.1. Pengertian Sistem Kontrol 6
2.1.2. Pengaturan ON-OFF 6
2. 1.3. Pengontrolan PID 7
2.1.3.1. Transformasi Laplace 8
2.1.3.2. Pengontrol Proposional 10
2.1.3.3. Pengontrol Integral 12
2.1.3.5. Pengontrol Proporsional ditambah Turunan (PD) 15
2.1.3.6. Pengontrolan Turunan (Derivative Controller) 17
2.1.4. Penalan (Tuning) Parameter Pengendali PID 19
2.1.5. Sensor 21
2.1.5.1. Sensor Suhu Rangkaian Terpadu (IC) LM 35 22
2.1.6. Mikrokontrol AVR ATMega8535 23
2.1.6.1. Arsitektur ATMega8535 24
2.1.6.2. Konfigurasi Pin ATMega8535 24
2.1.6.3. Peta Memori 26
2.1.6.4. Status Register (SREG 27
2.1.6.5. I/O Port 28
2.1.7. Bahasa C (C-language)29
2.1.8. Software ATMega8535 Editor 33
2.1.9. Software Downloader 34
2.1.10. Tampilan Pada LCD 16x2 Baris 34
2.1.11. Pemograman Matlab 35
2.1.11.1. Matlab Command Window/Editor 36
2.1.11.2. Matlab/Debugger (Editor M-File/ Pencarian Kesalahan) 37
2.1.11.3. Figure Windows 38
2.1.11.4. Matlab help window 38
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Lokasi Dan Waktu Penelitian 39
3.2. Alat dan Bahan 39
3.2.1. Alat 39
3.2.2. Bahan 41
3.3. Diagram Blok Rancangan Penelitian 43
3.4. Prosedur Penelitian 44
3.5. Rancangan Penelitian 44
3.5.1. Rangkaian Antarmuka Sensor dan Aktuator 45
3.5.2. Rangkaian Catu Daya (Power Supply) 45
3.5.4. Rancangan Antarmuka Penampil LCD 47
3.6. Diagram alir pemrograman 48
3.7. Diagram Alir (Flow Chart) Penelitian 49
3.8. Teknik Pengambilan Data 50
3.9. Analisis Data 50
BAB IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian 52
4.1.1. Deskripsi Dan Cara Kerja Alat 52
4.1.2. Data Pengujian Alat 54
4.1.2.1. Rangkaian Catu Daya (Power Supply) 54
4.1.2.2. Pengujian Sensor LM35 dan ADC 56
4.1.2.3. Pengujian Kipas 57
4.1.2.4. Pengujian Relay Penggerak Lampu Pijar 57
4.1.2.5. Pengujian Sistem Minimum Mikrokontroler dan Penampil LCD 58
4.1.2.6. Pengujian Keseluruh 60
4.2 Hasil Pembahasan 63
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan 67
5.2. Saran 67
DAFTAR PUSTAKA 68
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1. Klasifikasi tipe data dalam bahasa pemrograman C 20
Tabel 2.2. Penentuan gain pengendali pada metode pertama Ziegler-Nichols 21
Tabel 2.3. Penentuan gain pengendali pada metode kedua Ziegler-Nichols 29
Tabel 2.4. Tipe-Tipe Data Pada Bahasa C 32
Tabel 3.1. Peralatan Penelitian 39
Tabel 3.2. Bahan Penelitian 41
Tabel 3.3. Pengaruh perubahan parameter PID terhadap respon system 50
Tabel 3.4. Pengaruh perubahan parameter PID terhadap respon system 50
Tabel 4.1. Data pengukuran tegangan keluaran pada unit catu daya 55
Tabel 4.2. Penentuan tr, tp, ts dan overshoot 60
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Struktur Kontrol PID Ideal Bentuk Independen 7
Gambar 2.2. Alat Kontrol Elektronik PID 8
Gambar 2.3. Diagram Blok Kontrol Proposional 10
Gambar 2.4. Proporsional Band 11
Gambar 2.5. Kurva Sinyal Kesalahan e(t) 13
Gambar 2.6. Diagram Blok Kontrol Integral 13
Gambar 2.7. Diagram Blok Kontrol Proporsional Ditambah Integral 15
Gambar 2.8. Diagram blok kontrol proporsional ditambah turunan 16
Gambar 2.9. Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran 17
Gambar 2.10. Blok Diagram kontrol diferensial 18
Gambar 2.11. Kurva respon Ziegler-Nichols metode pertama 19
Gambar 2.12. Simbol IC LM 35 22
Gambar 2.13. Mikrokontrol ATmega8535 23
Gambar 2.14. Konfigurasi Pin ATmega8535 25
Gambar 2.15. Konfigurasi Memori Data AVR ATmega8535 26
Gambar 2.16. Memori Program AVR ATmega8535 27
Gambar 2.17. Status Register ATMega8535 27
Gambar 2.18. Tampilan Code Vision AVR 33
Gambar 2.19. Tampilan Ponyprog2000 34
Gambar 2.20. LCD 16x2 baris 35
Gambar 2.21. Matlab Command window/editor 36
Gambar 2.22. Matlab Editor/Debugger 37
Gambar 3.1. Diagram blok system 43
Gambar 3.2. Rancangan rangkaian sensor suhu, lampu pijar dan kipas 45
Gambar 3.3. Rancangan Catu Daya (Power Supply) 45
Gambar 3.4. Rancangan sistem minimum mikrokontroler ATmega8535 46
Gambar 3.5. Rangkaian antarmuka penampil LCD 47
Gambar 4.2. Rangkaian unit catu daya 56
Gambar 4.3. Rangkaian antarmuka sensor dan actuator 58
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Perhitungan Data Penelitian 70
Lampiran 2. Data Hasil Dan Grafik Pengujian 74
Lampiran 3. Listing Bahasa Program 89
Lampiran 4. Dokumentasi Penelitian 112
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Pemakaian sistem kendali otomatis saat ini merupakan kebutuhan yang
sangat utama untuk menjaga agar proses produksi berjalan seperti yang
direncanakan, mengurangi beban pekerjaan manusia dan mendapatkan hasil yang
cepat, tepat dan efisien. Penggunaan sistem kendali otomatis digunakan dalam
banyak ruang lingkup kegiatan manusia. Sebagai contoh, pada lingkup industri
seperti pabrik, peralatan dan mesin yang digunakan proses kendali yang dapat
memantau suhu secara otomatis, sehingga parameter-parameter proses pengolahan
atau manufaktur tetap terjaga dengan baik. Misal, pada pabrik kelapa sawit,
dibutuhkan kondisi suhu yang konstan agar proses pemisahan antara batu kelapa
sawit dengan kulitnya untuk dijadikan sebagai minyak goreng, berjalan baik. Pada
lingkup kegiatan yang lain, misalkan instansi kesehatan seperti rumah sakit, jenis
pengendalian secara otomatis banyak dipergunakan untuk mengontrol suhu
ruangan. Suhu ruangan perlu dikendalikan dan terjaga untuk keperluan khusus
seperti ruangan penyimpanan darah, ruang perawatan bayi dan sebagainya.
Salah satu sistem kendali yang banyak digunakan di industri adalah
pengontrolan PID (Proportional Integral Derivatif). Kendali PID merupakan
gabungan dari ketiga macam metode kendali, yaitu pengendali proporsional
(Proportional Controller), pengendali integral (Integral Controller), dan
pengendali turunan (Derivative Controller). Ketiga parameter P,I, dan D tersebut
masing-masing memiliki aksi berbeda terhadap respon sistem dan dipengaruhi
oleh konstanta-konstanta pengendalinya (Kp, Ki, dan Kd). Sampai saat ini,
perancang sistem kendali masih mendapatkan kesulitan dalam mengatur
parameter-parameter PID karena bersifat independen. Jika salah satu nilai
konstantanya diubah, mungkin sistem tidak akan bereaksi seperti yang diinginkan.
Ketiga parameter tersebut juga tidak dapat berdiri sendiri karena dapat
2
kelemahan dan kelebihannya sendiri-sendiri. Itu sebabnya, pemilihan konstanta
yang tepat dari kombinasi ketiga sistem kendali tersebut diharapkan dapat
mengeliminasi kelemahan masing-masing, dan mampu memberikan kontribusi
dari kelebihan ketiga parameter tersebut. Kelebihan kendali PID dibandingkan
pengendali otomatis yang lain adalah kendali PID dapat mempercepat reaksi
sistem, menghilangkan offset atau menstabilkan sinyal yang diperoleh,
mendapatkan energi ekstra pada awal-awal perubahan load, dapat mengontrol dan
mempertahankan suhu ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap dan real
time sedangkan pengontrolan jenis lain yakni tidak dapat mengontrol dan
mempertahankan suhu ruangan pada kondisi yang diinginkan secara tetap dan real
time, dapat dilihat pada sistem pengontrolan yang dipakai AC atau air conditionir
( Ferdinando, 2011).
Pada penelitian ini, teknik kendali PID yang diterapkan mengacu
pengendalian temperatur pada suatu ruang menggunakan mikrokontroler sebagai
pusat pengolah dan pengendali data-data masukan dan keluaran. Pengendali PID
diinginkan untuk dapat diaplikasikan sehingga suatu temperatur khusus yang telah
dipilih dapat dipertahankan nilainya. Penggunaan mikrokontroler pada penelitian
didasarkan pada efisiensi sistem pengendali yang diperlukan. Sebuah
mikrokontroler dapat menjadi komputer kecil yang menyimpan data dan program
terkait aplikasi sistem kendali PID dengan biaya yang lebih murah, ukuran yang
lebih kompak, serta fleksibilitas dalam programnya. Mikrokontroler yang
digunakan adalah mikrokontroler berarsitektur Harvard dimana data dan program
ditempatkan secara terpisah sehingga dapat disesuaikan dengan bahasa program
tingkat menengah seperti Bahasa program C. Untuk kebutuhan tersebut pula,
pemilihan kompiler program disandarkan pada kompiler yang berbasis pada
Bahasa program C.
Karakteristik kendali PID yang memiliki kerumitan dalam pemodelan
matematis, secara intuitif relatif sukar dipahami. Itu sebabnya, penggunaan piranti
lunak tambahan, disertakan sebagai perangkat simulasi. Salah satu perangkat
lunak yang populer dan relatif mudah diperoleh adalah Matlab. Program aplikasi
3
tinggi yang dikhususkan untuk kebutuhan komputasi teknis, visualisasi dan
program seperti komputasi matematik, analisis data dan simulasi. Bahasa program
matlab banyak digunakan untuk tes kendali, proses sinyal, dan komunikasi,
bahkan dapat bekerja secara pemodelan menggunakan simbol-simbol yang telah
disediakan pada library program. Sedangkan untuk menganalisa sistem, program
hanya perlu masukan berupa fungsi transfer dalam bentuk Transformasi Laplace
(dalam s-domain). Namun terkadang, para perancang sistem kendali masih
kesulitan untuk mendapatkan fungsi transfer yang ditulis dalam Transformasi
Laplace (dalam s-domain) untuk dianalisis secara cepat, mudah tanpa melakukan
proses perhitungan yang rumit dan membosankan (Firmansyah, 2003).
Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari penelitian terdahulu yang
dilakukan Paraden Parsaoran Fumihikho Lumbanraja berupa pembuatan
rancangan alat pemantau suhu berbasis komputer dengan program Borland
Delphi. Serta penelitian yang berasal dari Nurwahyudi S yang membuat sistem
pengatur suhu menggunakan komputer dengan ADC 12 bit. Keduanya
menggunakan sistem pengaturan on-off dimana bahasa program yang digunakan
adalah Bahasa Program Assembly.
Sesuai dengan uraian pada latar belakang yang telah dikemukakan di atas
4
1.2.Identifikasi Masalah
Adapun identifikasi masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Penerapan sistem teknik kendali PID masih jarang ditemui secara praktis
di lingkungan kampus.
2. Penentuan parameter-parameter kendali PID masih menjadi kesulitan yang
umum dijumpai oleh perancang sistem otomasi.
3. Penerapan sistem kendali PID mensyaratkan pengetahuan mengenai
banyak aspek meliputi perancangan perangkat keras elektronika dan
program.
4. Pemodelan sistem secara matematis menjadi salah satu kerumitan dalam
membangun sebuah sistem kendali PID.
5. Diperlukan suatu perangkat sistem yang dapat merepresentasikan prinsip
dan penerapan sistem kendali PID secara praktis.
1.3.Pembatasan Masalah
Dalam penelitian ini penulis membatasi masalahan pada:
1. Penentuan parameter-parameter kendali PID yang tepat sesuai
karakteristik sistem yang dibangun.
2. Sensor temperatur yang digunakan adalah LM35.
3. Mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler keluarga AVR
berjenis ATmega8535 produk dari Atmel Corp.
4. Pencuplikan data temperatur hasil pengukuran dibatasi sebanyak 40 buah,
mengingat keterbatasan kapasitas SRAM yang dimiliki oleh
mikrokontroler.
5. Selang waktu pencuplikan ditetapkan dalam perioda sebesar 3 detik.
6. Data temperatur hasil pengukuran ditampilkan pada sebuah perangkat
penampil LCD.
7. Keseluruhan data hasil percobaan ditampilkan secara grafis melalui piranti
5
1.4.Perumusan Masalah
Adapun perumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana menentukan parameter-parameter kendali PID secara efektif?
2. Bagaimana merancang dan mengkonstruksi suatu sistem pengendalian
suhu berbasis kendali PID dengan program Matlab?
1.5.Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Dapat mengoptimasi penentuan parameter-parameter kendali PID berbasis
mikrokontroler dari suatu sistem melalui teknik-teknik yang telah ada.
2. Dapat merancang dan mengkonstruksi sistem pengontrolan suhu
menggunakan kendali PID berbasis mikrokontroler dan piranti lunak
Matlab.
1.6.Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian ini adalah:
1. Manfaat teoritis, yaitu dapat menerapkan kendali PID sesuai teori yang
telah ada, serta menyesuaikan kebutuhan pengolahan data dengan
penggunaan piranti lunak Matlab.
2. Manfaat praktis, yaitu:
Menambah pengetahuan dan keterampilan dalam merancang suatu
sistem perangkat yang terdiri atas rangkaian elektronika dan
program.
Menerapkan pengetahuan mengenai mikrokontroler dan program
ke dalam kasus nyata sebuah sistem kendali.
Sebagai penambah ilmu tentang peralatan uji dan simulasi teknik
67
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan
1. Rancang Bangun Alat Sistem Pengontrolan Suhu Menggunakan Kontrol
PID Dengan Pemrograman Matlab telah dilakukan dengan berhasil
karena bekerja dengan baik.
2. Untuk menentukan nilai parameter PID digunakan metode kedua
Ziegler-Nichols dan fungsi transformasi laplace.
3. Jika error bernilai negatif yang artinya suhu terukur lebih rendah
dibanding suhu setpoint, maka mikrokontroler memerintahkan bola
lampu pijar untuk menyala. Sebaliknya, jika error bernilai positif,
mikrokontroler memerintahkan kipas untuk bekerja dan memerintahkan
bola lampu pijar untuk padam.
4. Nilai parameter PID yang baik digunakan untuk mengontrol suhu adalah
pada saat nilai Konstanta proporsional (Kp) bernilai 2, konstanta integral
(Ki) bernilai 8, dan konstanta derivatif (Kd) bernilai 2.
5. Pencuplikan data suhu dilakukan sebanyak 40 buah.
6. Suhu yang diinginkan (setpoint) sebesar 600C dari rentang 300 C sampai
dengan 600 C.
7. Bahasa pemograman matlab yang digunakan sangat bermanfaat untuk
melakukan iterasi dan mengontrol suhu lewat grafik yang dihasilkannya.
8. Lama bola lampu pijar hidup selama 3 menit kemudian mati kembali
pada saat suhunya sudah melebihi 600C.
5.2. Saran
Berdasarkan hasil perancangan, adapun saran dari penulis untuk penelitian
selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Panas bola lampu pijar dan Sensor LM35 dapat diganti dengan bahan
elektronikan yang lain agar suhu yang diinginkan melebihi dari setpoint
sebesar 600C.
2. Kapasitas penyimpanan data dapat ditambah dengan mikrokontroler yang
lain sehingga mampu menyimpan data dengan jumlah kapasitas yang
