BAB III METODOLOGI PENELITIAN

(1)

23 Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

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

(2)

Universitas Sultan Ageng Tirtayasa

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

(3)

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

(4)

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.

(5)

Gambar 3.3 Perancangan penggunaan terminal NI USB 6008

Gambar 3.3 memperlihatkan bahwa terminal yang digunakan pada penelitian ini yaitu terminal 2, 4, 25, dan 16. Terminal 2 adalah analog input 0, digunakan untuk menerima input tegangan dari rangkaian pengkondisi sinyal termokopel. Terminal 15 adalah analog output 1, digunakan untuk memberikan output tegangan dari NI USB 6008 ke rangkaian penguat transistor. Adapun terminal 4 dan 16 adalah ground.

3.4.2. Rangkaian Driver Pemanas

Rangkaian driver pemanas merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengendalikan tingkat panas pada pemanas. Tingkat panas pada pemanas diperoleh dengan mengatur besar kecilnya daya yang menyuplai pemanas berdasarkan output kendali yang diberikan. Rangkaian driver pemanas terdiri dari rangkaian IC TCA 785 (sebelah kiri garis putus-putus) dan rangkaian IC MOC3021 dengan TRIAC (sebelah kanan garis putus-putus), disajikan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Rangkaian driver pemanas

(6)

Rangkaian IC TCA 785 berfungsi sebagai kendali fasa untuk mengendalikan TRIAC. IC TCA 785 mendapatkan input tegangan dari NI USB 6008 yang telah dikuatkan. Input tegangan tersebut dikonversi menjadi sudut penyulutan dengan rentang 0° sampai dengan 180°, dibantu trimpot yang terhubung di pin 9. Output yang dihasilkan IC TCA 785 masuk ke IC MOC3021. IC MOC3021 digunakan untuk proteksi agar arus berlebih yang dihasilkan oleh TRIAC tidak masuk ke IC TCA 785 dan NI USB 6008. TRIAC berfungsi sebagai switching ke beban.

3.4.3. Rangkaian Penguat Transistor

Rangkaian penguat transistor digunakan untuk menguatkan tegangan dari NI USB 6008 ke rangkaian driver pemanas. Jenis penguatan yang dipakai adalah inverting (terbalik). Rangkaian ini menggunakan prinsip konfigurasi rangkaian bias pembagi tegangan. R1 dan R2 pada Gambar 2.13 dihilangkan dan menambahkan R baru di kaki basis. Rangkaian penguat transistor dapat dilihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Rangkaian penguat transistor

Gambar 3.5 memperlihatkan rangkaian penguat transistor diberi tegangan referensi sebesar 10 V pada kaki common yang telah dipasang resistor sebesar 470 Ω.

Tegangan input dari NI USB 6008 diletakkan pada kaki basis yang telah dipasang resistor sebesar 10 kΩ. Kaki emiter diberi resistor sebesar 360 Ω dan terhubung ke ground. Metode trial and error digunakan dalam menentukan nilai-nilai resistor pada masing-masing kaki transistor untuk menghasilkan output penguatan tegangan yang diinginkan.

3.4.4. Rangkaian Pengkondisi Sinyal

Rangkaian pengkondisi sinyal digunakan untuk memproses sinyal dari tegangan termokopel. Tegangan yang dihasilkan oleh termokopel terlalu kecil dan memiliki noise sehingga perlu di-filter serta dikuatkan agar sinyal tidak memiliki

(7)

noise dan dapat dibaca oleh alat ukur. Adapun rangkaian pengkondisi sinyal yang digunakan disajikan pada Gambar 3.6.

Gambar 3.6 Rangkaian pengkondisi sinyal termokopel

Gambar 3.6 memperlihatkan rangkaian pengkondisi sinyal termokopel terdiri dari tiga bagian dan dijelaskan sebagai berikut:

a. Low pass filter, digunakan untuk mem-filter sinyal termokopel yang memiliki noise. R1 dipasang sebesar 1 MΩ berguna sebagai pengaman saat termokopel terputus atau tidak terhubung dikarenakan input rangkaian pengkondisi sinyal menjadi besar. D1 dan D2 digunakan untuk membatasi input yang masuk ke rangkaian. R2, R3, C1, dan C2 adalah komponen penyusun low pass filter.

b. Penguat tingkat 1, merupakan rangkaian penguat non inverting menggunakan IC OP07. RV1 digunakan sebagai gain adjustment, berfungsi untuk mengatur besar penguatan. RV2 digunakan sebagai zero adjustment, berfungsi untuk mengatur besar kecilnya output tegangan offset. Tegangan offset digunakan untuk menentukan suhu terendah yang dapat dibaca oleh alat ukur.

c. Penguat tingkat 2 merupakan rangkaian penguat non inverting juga, namun menggunakan IC LF353. IC ini digunakan untuk menguatkan kembali sinyal yang dihasilkan oleh IC OP07.

3.5. Perancangan Program pada Labview

Perancangan program pada Labview merupakan proses gambaran awal untuk membuat program pada Labview. Perancangan program pada penelitian ini terdiri dari low pass filter, kalibrasi termokopel, pengendali PID, dan kendali Fuzzy.

Adapun urutan perancangan program pada Labview dapat dilihat pada Gambar 3.7.

(8)

Gambar 3.7 Perancangan program pada Labview

Gambar 3.7 memperlihatkan perancangan program pada Labview diawali dengan membaca tegangan termokopel pada Labview. Lalu, dilanjutkan dengan membuat program low pass filter. Setelah itu, dilanjutkan dengan membuat program kalibrasi termokopel. Terakhir, dilanjutkan dengan membuat program kendali, yaitu pengendali PID dan kendali Fuzzy yang menghasilkan sinyal kendali.

3.5.1. Low Pass Filter

Perancangan program low pass filter digunakan untuk mem-filter sinyal sensor termokopel yang terbaca oleh NI USB 6008. Hal ini dikarenakan NI USB 6008 memiliki noise sehingga sinyal yang telah diolah dari pengkondisi sinyal memiliki noise kembali. Adapun perancangan program low pass filter yang dibuat pada Labview menggunakan Persamaan (2.8).

3.5.2. Kalibrasi Termokopel

Perancangan kalibrasi termokopel adalah gambaran awal untuk membuat program kalibrasi termokopel. Adapun perancangan program kalibrasi termokopel dapat dilihat pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Perancangan kalibrasi termokopel

Gambar 3.8 memperlihatkan perancangan program kalibrasi termokopel dimulai dengan blok NI DAQ Assistant mode input membaca tegangan termokopel. Lalu sinyal tersebut di-filter pada blok low pass filter. Setelah di-filter, sinyal tersebut dikalibrasi sehingga menghasilkan nilai suhu dengan satuan (°C). Respon sistem yang terdiri dari tegangan awal sensor, tegangan sensor filter, dan suhu ditampilkan dalam bentuk grafik.

(9)

Metode kalibrasi termokopel yang digunakan adalah metode perbandingan tegangan termokopel yang terukur dengan suhu yang terukur pada termometer.

Persamaan metamtis yang dipakai untuk kalibrasi yaitu Persamaan (2.9), dimana 𝑦 adalah suhu, sedangkan 𝑥 adalah tegangan termokopel. Kondisi 1 dan kondisi 2 dapat diperoleh dengan mengamati respon sistem kalang terbuka dengan input step sebesar 2 V. Perancangan sistem kalang terbuka dapat dilihat pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9 Perancangan sistem kalang terbuka

Gambar 3.9 memperlihatkan perancangan sistem kalang terbuka memberikan input tegangan ke NI DAQ assistant (output). Tegangan yang dapat diterima oleh NI DAQ 6008 dibatasi hanya dari 0 sampai 5 V. Input tegangan ditampilkan dalam respon respon sistem bersama tegangan sensor awal dengan tegangan sensor filter.

3.5.3. Pengendali PID

Perancangan pengendali PID merupakan gambaran awal untuk membuat program pengendali PID pada Labview. Adapun perancangan program pengendali PID disajikan pada Gambar 3.10.

Gambar 3.10 Perancangan pengendali PID

(10)

Gambar 3.10 memperlihatkan program pengendali PID dimulai dengan blok NI DAQ assistant mode input membaca input tegangan dari termokopel. Kemudian sinyal tersebut di-filter oleh low pass filter. Setelah di-filter, sinyal tersebut dikalibrasi agar menghasilkan nilai suhu dengan satuan (°C), yang dapat disebut dengan process value. Process value masuk ke blok pengendali PID bersama set point dan PID gain. Output pengendali PID adalah manipulative value (100%).

Manipulative value harus diubah menjadi CO (control output) (V) karena NI DAQ assistant mode output diatur menjadi tegangan. Respon sistem yang ditampilkan yaitu set point, process value, dan control output.

Parameter 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑 dapat dicari menggunakan metode penalaan, di antaranya yaitu metode pertama Ziegler-Nichols dan metode kedua Ziegler-Nichols.

Metode pertama Ziegler-Nichols membutuhkan parameter 𝐾 , 𝑇 , dan 𝐿 untuk mencari nilai 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑. Parameter 𝐾, 𝑇, dan 𝐿 dapat dicari dengan melihat respon sistem kalang terbuka dengan input unit step. Bentuk perancangan program sistem kalang terbuka dapat dilihat pada Gambar 3.9. Parameter 𝐾, 𝑇, dan 𝐿 juga dapat digunakan untuk mencari fungsi alih sistem yang telah dirancang. Adapun persamaan matematis fungsi alih untuk sistem yang telah dirancang dapat dilihat pada Persamaan (2.4).

Metode kedua Ziegler-Nichols membutuhkan parameter 𝐾_𝑐𝑟 dan 𝑃_𝑐𝑟 untuk mencari nilai 𝐾_𝑝, 𝑇_𝑖, dan 𝑇_𝑑. Parameter 𝐾_𝑐𝑟 dan 𝑃_𝑐𝑟 dapat dicari dengan melihat respon sistem kalang tertutup dengan menetapkan set point dan memberikan variasi nilai 𝐾_𝑝. 𝑇_𝑖 diatur menjadi tak terhingga dan 𝑇_𝑑 diatur menjadi nol. Respon sistem kalang tertutup yang diperoleh harus berosilasi dengan amplitudo yang konstan dan output kendalinya tidak menyentuh batas bawah dan batas atas, seperti yang terlihat pada Gambar 2.8. Adapun bentuk perancangan program sistem kalang tertutup dengan input variasi nilai 𝐾_𝑝 sama seperti Gambar 3.10.

3.5.4. Kendali Fuzzy

Perancangan kendali Fuzzy merupakan gambaran awal untuk membuat program kendali Fuzzy pada Labview. Adapun perancangan program kendali Fuzzy dapat dilihat pada Gambar 3.11.

(11)

Gambar 3.11 Perancangan kendali Fuzzy

Gambar 3.11 memperlihatkan alur program kendali Fuzzy hampir sama dengan pengendali PID. Namun ada perbedaan pada input kendali Fuzzy, yaitu kendali Fuzzy menerima 3 input, yaitu error, delta error, serta Fuzzy system. Fuzzy system berisi himpunan dari variabel input dan output, rule base, dan metode defuzzifikasi.

Fuzzy system dibuat pada jendela Fuzzy System Designer.

Perancangan kendali Fuzzy dimulai dengan menentukan himpunan dari variabel input dan output, serta rule base pada Fuzzy System Designer. Variabel input yang digunakan yaitu error dan delta error, sedangkan variabel output yang digunakan yaitu manipulative value. Error diperoleh dari selisih nilai suhu yang terukur dengan set point. Delta error merupakan selisih dari error ke-i dan ke-j.

Manipulative value digunakan untuk mengatur tingkat panas pada pemanas.

Rule base yang digunakan pada penelitian ini yaitu rule base 5x5. Adapun tabel rule base 5x5 dapat dilihat pada Tabel 3.2.

Tabel 3.2 Rule base 5x5

Error/

Delta Error NL NS Z PS PL

NL VC VC VC C M

NS VC VC C M H

Z VC C M H VH

PS C M H VH VH

PL M H VH VH VH

(12)

Tabel 3.2 memperlihatkan rule base 5x5 memiliki 5 himpunan pada dua variabel input dan 5 himpunan pada variabel output. Himpunan variabel input error dan delta error yaitu NL (negative large), NS (negative small), Z (zero), PS (positive small), dan PL (positive large). Adapun himpunan variabel output manipulative value yaitu VC (very cold), C (cold), M (medium), H (hot), dan VH (very hot).

Fungsi keanggotaan variabel error, delta error, dan manipulative value dibentuk menggunakan kurva segitiga dan trapesium. Semesta pembicaraan variabel dan domain range himpunan ditentukan berdasarkan karakteristik dari plant pemanas yang telah diketahui, dikarenakan agar menghasilkan aksi kendali yang bagus.

3.6. Pengambilan Data

Pengambilan data pada penelitian ini di antaranya yaitu mencari karakteristik plant pemanas, melihat output tegangan yang dihasilkan oleh penguat transistor dan pengkondisi sinyal, mengukur serta membandingkan hasil ukur termometer dengan termokopel untuk kalibrasi termokopel, dan melihat respon sistem yang dihasilkan menggunakan kendali PID dan Fuzzy. Hasil pengambilan data secara keseluruhan terbagi menjadi beberapa bagian, yaitu pengujian perangkat rangkaian driver, plant pemanas, pengkondisi sinyal, penguat transistor, low pass filter, kalibrasi termokopel, dan pengujian terhadap kendali yang sudah dirancang dengan melihat respon sistem dan output kendalinya, serta menentukan karakteristik tipe sistem khusus sistem yang menggunakan pengendali PID.

3.7. Tempat dan Waktu Penelitian

Tempat penelitian dilakukan di Laboratorium Kendali Jurusan Teknik Elektro Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Hal ini dikarenakan tersedianya fasilitas yang dibutuhkan dalam melakukan penelitian. Waktu pengerjaan penelitian dimulai pada bulan Februari 2021 sampai dengan selesai.