SIMULASI SISTEM KONTROL HIDROLIK DENGAN PID CONTROLLER PADA EXCAVATOR.

(1)

SIMULASI SISTEM KONTROL HIDROLIK DENGAN PID CONTROLLER PADA EXCAVATOR

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Mencapai Gelar Strata Satu Program Studi Informatika

Disusun Oleh:

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI M0512018

PROGRAM STUDI INFORMATIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET

(2)

i

SIMULASI SISTEM KONTROL HIDROLIK DENGAN PID CONTROLLER_PADAEXCAVATOR

HALAMAN JUDUL

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Mencapai Gelar Strata Satu Program Studi Informatika

Disusun Oleh:

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI M0512018

PROGRAM STUDI INFORMATIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET

(3)

ii SKRIPSI

HALAMAN PERSETUJUAN

Disusun oleh:

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI M0512018

Skripsi ini telah disetujui untuk dipertahankan di hadapan Dewan Penguji pada tanggal 20 Juli 2016

Pembimbing I

Drs. Sarngadi Palgunadi Yohanes M.Sc

NIP. 195604071983011004

Pembimbing II

Drs. Bambang Harjito, M.App.Sc., Ph.D.

(4)

iii ‘’SKRIPSI

HALAMAN PENGESAHAN

HALAMAN PENGESAHAN

Disusun oleh:

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI M0512018

Telah dipertahankan di hadapan Dewan Penguji pada tanggal 20 Juli 2016

Susunan Dewan Penguji

1. Drs. Sarngadi Palgunadi Yohanes M.Sc

NIP. 195604071983011004 ( ) 2. Drs. Bambang Harjito, M.App.Sc.,Ph.D.

NIP. 196211301991031002

( )

3. Ristu Saptono, S.Si., M.T. NIP. 197902102002121001

( )

4. Dr. Wiranto, M.Cs.

NIP. 196612301993021001

( )

Disahkan oleh

Kepala Program Studi Informatika

(5)

iv MOTTO

(6)

v

PERSEMBAHAN

Untuk Ayah dan Ibu, saudara-saudaraku,

(7)

vi

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI Program Studi Informatika. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

System control hidrolik telah diaplikasikan dalam berbagai alat, salah satunya adalah excavator. Parameter kinerja system yang berubah pada kehidupan sehari-hari menyebabkan respon system juga akan berubah. Perubahan respon dapat menjadi pengaruh yang buruk bagi kondisi perangkat system. Salah satu cara untuk mengetahui respon system ketika parameter berubah adalah dengan memodelkan kemudian mensimulasikan model tersebut.

Model matematis yang berasal dari penelitian sebelumnya mengalami getaran saat dalam posisi menggali sehingga memerlukan penyesuaian untuk memperbaiki respon system. Penelitian ini akan melakukan perbaikan respon model matematis dari system control hidrolik excavator yang berasal dari penelitian sebelumnya. Perbaikan dilakukan dengan menambahkan P controller, PD controller, dan PID controller pada model matematis. Hasil simulasi akan dibandingkan dan didapatkan controller yang paling baik untuk system. Hasil simulasi model matematis menunjukkan bahwa respon model tidak dapat diperbaiki dengan controller yang diusulkan.

(8)

vii

SIMULATION OF HYDRAULIC CONTROL SYSTEM WITH PID CONTROLLER ON EXCAVATOR

ERSINTA ELFANDARI HAYU KUSUMA WARDANI Department of Informatic. Mathematic and Science Faculty.

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Hydraulic control system has been applied in various tools, one of these is an excavator. Changing system parameters on daily life caused change in system response. Changes in response can be a bad influence for the system condition. The system response can be evaluated by modelling the system then simulating the model.

A mathematical model derived from previous research sustains vibration in a digging position so that it requires adjustments to improve the system response. This study will improve the response through the mathematical model of the hydraulic excavator control system. Improvements carried out by adding a P controller, a PD controller, and a PID controller on the mathematical model. The simulation results will be compared so that the best controller for the system will be obtained. The simulation results show that the response can not be improved with the proposed controller.

(9)

viii

KATA PENGANTAR

Segala puji penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan skripsi dengan judul Simulasi Sistem Kontrol Hidrolik dengan PID Controller pada Excavator. Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan, bimbingan, dan motivasi, terutama kepada: 1. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D. selaku dekan

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret. 2. Bapak Drs. Bambang Harjito, M.App.Sc., Ph.D. selaku Kepala Program Studi

Informatika dan Dosen Pembimbing II atas saran, masukan, dan koreksinya selama proses penyelesaian skripsi.

3. Bapak Drs. Sarngadi Palgunadi Yohanes M.Sc selaku Dosen Pembimbing I dan Dosen Pembimbing Akademik atas bimbingan, masukan, dan koreksinya selama proses penyelesaian skripsi dan selama masa studi di Informatika. 4. Bapak dan Ibu dosen serta karyawan program studi Informatika yang telah

memberikan ilmu dan membantu penyusunan skripsi.

5. Bapak dan Ibu yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan moral dan material pada penulis.

6. Rio Pahlevy Ridlo Yudha Bhakti yang senantiasa mendampingi dan menjadi semangat penulis untuk menyelesaikan skripsi ini

7. Teman-teman Informatika 2012 yang selalu membantu, memotivasi, dan menemani dalam suka maupun duka.

8. Semua pihak yang telah membantu penyusunan skripsi.

Penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak.

Surakarta, Juli 2016

(10)

ix DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERSETUJUAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

MOTTO ... iv

PERSEMBAHAN ... v

ABSTRAK ... vi

ABSTRACT ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Batasan Masalah ... 3

1.4 Tujuan Penelitian ... 3

1.5 Manfaat Penelitian ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Landasan Teori ... 5

2.1.1 Pemodelan dan Simulasi ... 5

2.1.1.1 Pemodelan ... 5

2.1.1.2 Simulasi ... 5

2.1.2 Sistem Kontrol ... 8

2.1.2.1 Sistem Kontrol Hidrolik... 10

2.1.2.2 Excavator ... 11

2.1.2.3 PID Controller... 11

(11)

x

2.2 Penelitian Terkait ... 16

2.3 Kerangka Pemikiran ... 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 20

3.1 Pemilihan Model ... 20

3.2 Setting Parameter ... 20

3.3 Implementasi Model ... 21

3.3.1 Error Steady State ... 22

3.3.2 Maximum Overshoot ... 23

3.3.3 Settling Time ... 23

3.3.4 Rise Time ... 24

3.4 Simulasi ... 25

3.4.1 Open Loop System ... 25

3.4.2 Penambahan P Controller pada Open Loop System ... 26

3.4.3 Penambahan PI Controller pada Open Loop System ... 26

3.4.4 Penambahan PD Controller pada Open Loop System ... 26

3.4.5 Penambahan PID Controller pada Open Loop System ... 27

3.4.6 Closed Loop System ... 27

3.5 Analisa Hasil ... 27

BAB IV PEMBAHASAN ... 28

4.1 Pemilihan Model ... 28

4.2 Setting Parameter ... 28

4.3 Implemetasi Model ... 28

4.3.1 Error Steady State ... 30

4.3.2 Maximum Overshoot ... 30

4.3.3 Settling Time ... 31

4.3.4 Rise Time ... 31

4.4 Simulasi ... 32

4.4.1 Open Loop System ... 32

4.4.2 Closed Loop System ... 33

4.4.3 Penambahan P Controller pada Open Loop System ... 34

(12)

xi

4.4.5 Penambahan PD controller pada Open Loop System ... 35

4.4.6 Penambahan PID Controller pada Open Loop System ... 37

4.5 Analisa Hasil ... 37

BAB V PENUTUP ... 40

5.1 Kesimpulan ... 40

5.2 Saran ... 40

DAFTAR PUSTAKA ... 41

(13)

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Operasi transformasi Laplace (Schiff, 2013) ... 16

Tabel 2.2 Penelitian terkait ... 18

Tabel 2.3 Kerangka pemikiran ... 19

Tabel 4.1 Hasil evaluasi fungsi invers system control open-loop tanpa controller ... 29

Tabel 4.2 Nilai maksimum evaluasi fungsi ... 31

Tabel 4.3 Nilai settling time ... 31

Tabel 4.4 Respon mulai mencapai nilai 0.1 ... 32

Tabel 4.5 Respon mulai mencapai 0.9 ... 32

Tabel 4.6 Respon system dengan nilai yang berbeda-beda ... 38

(14)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Analisa respon system (Ogata, 2010) ... 6

Gambar 2.2 Respon stabil ... 7

Gambar 2.3 Respon cukup stabil ... 7

Gambar 2.4 Respon tidak stabil ... 8

Gambar 2.5 Skema open loop control system (Dorf dan Bishop, 2011) ... 8

Gambar 2.6 Skema closed loop control system (Dorf dan Bishop, 2011) ... 8

Gambar 2.7 Diagram blok system control open-loop ... 9

Gambar 2.8 Diagram blok sistem kontrol open-loop dengan controller ... 9

Gambar 2.9 Diagram blok sistem kontrol closed-loop ... 9

Gambar 2.10 Diagram blok sistem kontrol closed-loop dengan controller ... 10

Gambar 2.11 Skema excavator hidrolik (Alaydi, 2009) ... 11

Gambar 2.12 Diagram blok controller proportional ... 12

Gambar 2.13 Diagram blok controller integral ... 12

Gambar 2.14 Diagram blok controller derivative ... 13

Gambar 3.1 Posisi extreme excavator saat menggali (Alaydi, 2008) ... 20

Gambar 3.2 Implementasi model ... 22

Gambar 3.3 Error steady state pada respon ... 22

Gambar 3.4 Pseudo code error steady state ... 22

Gambar 3.5 Maximum overshoot pada respon ... 23

Gambar 3.6 Pseudo code maximum overshoot ... 23

Gambar 3.7 Settling time pada respon ... 24

Gambar 3.8 Pseudo code settling time ... 24

Gambar 3.9 Rise time pada respon ... 24

Gambar 3.10 Pseudo code rise time ... 25

Gambar 4.1 Tampilan awal implementasi program ... 29

Gambar 4.2 Plot fungsi dan analisa fungsi... 30

Gambar 4.3 Respon dari system yang bersifat open-loop tanpa controller ... 33

Gambar 4.4 Respon system closed-loop memiliki komponen imajiner ... 33

(15)

xiv

Gambar 4.6 Respon system dengan = 1 dan = 0.5 ... 35

(16)

xv

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A: HASIL SIMULASI ... 42 LAMPIRAN A: HASIL SIMULASI LANJUTAN ... 43 LAMPIRAN B: SISTEM KONTROL OPEN LOOP ... 44 LAMPIRAN C: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN P

CONTROLLER ... 45 LAMPIRAN C: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN P

CONTROLLER LANJUTAN ... 46 LAMPIRAN D: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN PI

CONTROLLER ... 47 LAMPIRAN E: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN PD

CONTROLLER ... 48 LAMPIRAN E: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN PD

CONTROLLER LANJUTAN ... 49 LAMPIRAN F: SISTEM KONTROL OPEN LOOP DENGAN PID

(17)

1 BAB I PENDAHULUAN BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Dewasa ini, sistem kontrol telah berkembang pesat dan dapat dijumpai dalam berbagai bidang, salah satunya pada bidang Kemajuan dalam system control memberikan kemudahan dalam pengaturan kinerja system, meningkatkan kualitas dan menurunkan biaya produksi, serta mempertinggi laju produksi

(Ogata, 2010). Sebuah sistem kontrol dibuat untuk melakukan suatu tugas dan dijalankan dengan parameter-parameter, misal suhu, tekanan, dan kecepatan (Ingels, 1985). Parameter yang digunakan dalam system control dapat disusun menjadi sebuah model persamaan differensial. Persamaan differensial tersebut diperoleh dari hukum fisika yang mendasari system (Ogata, 2010). Ketika model dari system telah diketahui maka kinerja system dapat dipelajari karena parameter yang digunakan dalam model nilainya dapat berubah karena kondisi lingkungan. Simulasi dilakukan untuk mendapatkan informasi mengenai sistem apabila terjadi perubahan terhadap parameter yang berpengaruh tanpa mengganggu sistem yang ada (Chung, 2003).

Sistem kontrol meliputi berbagai jenis system, salah satunya adalah sistem hidrolik. Sistem hidrolik sendiri telah diaplikasikan ke dalam berbagai bidang karena ukuran yang kecil hingga rasio kekuatan dan kemampuan untuk menghasilkan gaya dan torsi yang sangat besar (Maneetham dan Afzulpurkar, 2009). Salah satu pengaplikasian kontrol sistem hidrolik adalah pada excavator. Excavator memiliki peran yang penting dalam bidang pertambangan, konstruksi, dan pembangunan. Excavator mampu meringankan pekerjaan di medan yang berat yang kemungkinan akan memakan waktu terlalu lama jika dikerjakan oleh

manusia.

(18)

2

matematis tersebut kurang stabil saat berada pada posisi ekstrim karena model menghasilkan getaran yang terjadi secara berkelanjutan. Posisi ekstrim yang dimaksud adalah saat proses menggali dan ini mengakibatkan beban terbesar terjadi ketika silinder boom mengayun ke depan. Model matematika yang bersifat open-loop tersebut memerlukan controller untuk menghilangkan getaran yang terjadi (Alaydi, 2008).

Penyesuaian pada model dapat dilakukan dengan menambahkan controller. Variasi PID controller dapat digunakan untuk men-stabilkan kinerja

sistem (Aly, 2012). Maneetham dan Afzulpurkar (2009) melakukan penyesuaian dalam model yang digunakan dalam penelitian dengan menambahkan PD controller. Kumaravel dan Vedaraj (2015) juga melakukan penelitian dengan menambahkan P controller, PD controller, PI controller, dan PID controller pada model matematika sistem.

Penelitian tugas akhir ini akan melakukan simulasi untuk memperbaiki model matematika pada hasil penelitian oleh Alaydi (2008) yang bersifat open-loop. Model terlebih dahulu diubah menjadi transfer fungsi. Transfer fungsi yang telah dalam bentuk Laplace ini kemudian diinvers transformasi Laplace. Fungsi invers laplace tersebut akan dianalisa untuk mengetahui respon dari system. Hasil simulasi sistem open-loop akan dibandingkan dengan hasil simulasi sistem yang bersifat closed-loop. Hasil yang terbaik akan ditambah P controller, PI controller, PD controller, dan PID controller kemudian dianalisa sehingga didapatkan jenis controller yang paling baik bagi performa sistem. Response dari sebuah sistem control berupa rise time, maximum overshoot, dan settling time (Ogata, 2010).

1.2Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut, masalah yang akan dibahas dalam

(19)

3

1.3Batasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Model yang digunakan adalah model sistem hidrolik pada komponen boom excavator dari penelitian sebelumnya.

2. Perbaikan dilakukan dengan menambahkan P controller, PI controller, PD controller, dan PID controller.

3. Kriteria respon yang dianalisis adalah maximum overshoot, rise time, dan settling time, serta error steady state.

1.4Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah memperbaiki hasil simulasi dari model sistem kontrol hidrolik pada excavator dengan P controller, PI controller, PD controller, dan PID controller. Analisa hasil simulasi akan menunjukkan controller yang paling baik digunakan pada model.

1.5Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat memberikan informasi mengenai respon system control hidrolik pada excavator dan penggunaan PID controller. Hasil simulasi akan menunjukkan controller apa yang paling cocok digunakan untuk perbaikan model. Informasi ini dapat berguna untuk pengembangan system kontrol hidrolik.

1.6Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini terdiri dari beberapa bab seperti berikut: BAB I PENDAHULUAN

Bab ini menjabarkan latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan

masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(20)

4

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini membahas tentang metode atau langkah-langkah pemecahan masalah yang dilakukan.

BAB IV PEMBAHASAN

Bab ini memuat tentang penambahan controller pada model dan hasil simulasi sistem kontrol hidrolik. Kemudian hasil simulasi akan dibandingkan dan dianalisa lebih lanjut.

BAB V PENUTUP

(21)

40 BAB V PENUTUP BAB V PENUTUP

5.1Kesimpulan

Berdasarkan penelitian didapatkan bahwa model persamaan matematis yang dihasilkan dari penelitian sebelumnya tidak dapat diperbaiki dengan PID controller yang diusulkan. Ketika model yang bersifat open-loop diubah menjadi closed-loop, system menjadi tidak stabil karena system tidak mengalami

gangguan yang berarti, hal ini dikarenakan adanya komponen imaginer pada invers transfomasi Laplace fungsi transfer. Penambahan P controller pada model mengakibatkan nilai steady state yang sama dengan nilai penguatan P dan nilai penguatan P yang digunakan antara 0.0001-11 akan menghasilkan respon yang sama dengan system open loop tanpa controller yaitu maximum overshoot sebesar 95.40%, settling time sebesar 26.6, dan rise time sebesar 0.11, untuk itu agar error steady state bernilai 0 maka nilai penguatan P harus bernilai 1. Penggunaan PD controller mengakibatkan nilai maximum overshoot dipengaruhi oleh nilai penguatan D. Nilai penguatan D yang semakin kecil membuat respon semakin baik namun respon system tidak lebih baik dari respon tanpa controller. Nilai Nilai penguatan P yang digunakan agar tidak ada error adalah 1, dan agar respon tetap sama dengan system open loop tanpa controller nilai penguatan D yang digunakan harus lebih kecil dari 0.002. Penambahan controller PI dan PID menyebabkan ketidakstabilan karena pengaruh controller I yang menambah orde system. Nilai penguatan I yang diinputkan dari range 0.0002-20 akan mengakibatkan system menjadi tidak stabil.

5.2Saran

(22)

41

DAFTAR PUSTAKA

Alaydi, J 2000, Optimization of Pump Controlled System of Hydraulic Unit of Single Bucket Excavator Digging Mechanism, PhD Thesis Kharkov Polytechnic University, Kharkov Ukraine.

Alaydi, J 2008, ‘Mathematical Modeling for Pump Controlled System of Hydraulic Drive Unit of Single Bucket Excavator Digging Mechanism.’, Jordan Journal of Mechanical and Industry Engineering, vol. 2, no 3, hh. 157-162.

Alaydi, J 2009, ‘Modeling and Simulation of a Hydraulic Excavator.’

Aly, A 2012, ‘Model Reference PID Control of an Electro-hydraulic Drive’, International Journal of Intelligent Systems and Applications, vol. 4, no.11, h 24-32.

Chung, C 2003, Simulation modeling handbook: a practical approach, CRC press, Amerika Serikat

Dorf, R & Bishop, R 2011, Modern control systems. Prentice Hall. New Jersey. Ingels, D 1985, What every engineer should know about computer modeling and

simulation. Marcel Dekker, Inc., Amerika Serikat.

Kumaravel & Vedaraj, R 2015, ‘Modeling and Simulation of Hydraulic Servo System with Different Type of Controllers’, IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, vol. 10, no. 1, hh. 04-09.

Maneetham, D & Afzulpurkar, N 2009, ‘Modeling, Simulation and Control of

High Speed Nonlinear Hydraulic Servo System’, Journal of Automation

Mobile Robotics and Intelligent Systems, vol. 4, no. 1, hh 94-103.

Merritt, H 1967, Hydraulic control systems. John Wiley & Sons, Amerika Serikat. Ogata, K 2010, Modern Control Engineering fifth edition, Prentice Hall. New

Jersey.