ANALISIS DAN DESAIN KONTROLER FUZZY-PID
PADA PLANT MOTOR DC BERBASIS SPREADSHEET
MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE NUMERIK
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi
Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1 Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun oleh:
MAHATMA PUTRA BADRAMURTI NIM. 201310130311099
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2018
ii
LEMBAR PERSETUJUAN
ANALISIS DAN DESAIN KONTROLER FUZZY-PID
PADA PLANT MOTOR DC BERBASIS SPREADSHEET
MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE NUMERIK
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh:
MAHATMA PUTRA BADRAMURTI 201310130311099
Tanggal Ujian : 19 Januari 2018 Tanggal Wisuda : 24 Februari 2018
Diperiksa dan disetujui oleh :
Pembimbing I,
Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T NIDN. 0705056501 Pembimbing II,
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T NIDN. 0718036502
iii
LEMBAR PENGESAHAN
ANALISIS DAN DESAIN KONTROLER FUZZY-PID
PADA PLANT MOTOR DC BERBASIS SPREADSHEET
MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE NUMERIK
Tugas Akhir ini Disusun Sebagai Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Oleh:
MAHATMA PUTRA BADRAMURTI 201310130311099
Tanggal Ujian : 19 Januari 2018 Tanggal Wisuda : 24 Februari 2018 Disetujui Oleh:
1. Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T NIDN. 0705056501
(Pembimbing I)
2. Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T
NIDN. 0718036502 (Pembimbing II)
3. Zulfatman, M.Eng., Ph.D. NIDN. 0709117804
(Penguji I)
4. Ilham Pakaya, S.T.
NIDN. 0717018801 (Penguji II)
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T NIDN. 0718036502
iv
LEMBAR PERNYATAAN
i. LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : MAHATMA PUTRA BADRAMURTI
Tempat/Tgl. Lahir : JOMBANG / 28 JULI 1994
NIM : 201310130311099
Fakultas/Jurusan : TEKNIK/TEKNIK ELEKTRO
Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir dengan judul “ANALISIS DAN DESAIN KONTROLER FUZZY-PID PADA PLANT MOTOR DC BERBASIS SPREADSHEET MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE NUMERIK” beserta seluruh isinya adalah karya saya sendiri dan bukan merupakan karya tulis orang lain, baik sebagian maupun seluruhnya, kecuali dalam bentuk kutipan yang telah disebutkan sumbernya.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya. Apabila kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap etika keilmuan dalam karya saya ini, atau ada klaim dari pihak lain terhadap keaslian karya saya ini maka saya siap menanggung segala bentuk risiko/sanksi yang berlaku.
Mengetahui,
Malang, 16 Januari 2018 Yang Membuat Pernyataan
Mahatma Putra Badramurti
Pembimbing I,
Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T NIDN. 0705056501 Pembimbing II,
Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T NIDN. 0718036502
vii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Puji syukur kehadirat Allah S.W.T yang telah melimpahkan nikmat serta hidayah-Nya. Sholawat serta salam tidak lupa selalu terucapkan kepada Nabi junjungan kita Muhammad S.A.W., sehingga penulis berhasil menyelesaikan Tugas Akhir ini yang berjudul:
“ANALISIS DAN DESAIN KONTROLER FUZZY-PID
PADA PLANT MOTOR DC BERBASIS SPREADSHEET
MENGGUNAKAN PENDEKATAN METODE NUMERIK”
Penulisan Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T.) di Universitas Muhammadiyah Malang. Selain itu penulis berharap Tugas Akhir ini dapat memperluas pustaka dan pengetahuan utamanya dalam bidang analisis sistem kontrol.
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu Penulis berharap saran yang membangun, agar kedepannya menjadi lebih baik dan bermanfaat. Penulis mohon maaf apabila terdapat kesalahan dalam penulisan baik yang sengaja maupun yang tidak disengaja.
Wassalamu’alaikum Wr. Wb.
Malang, 16 Januari 2018
viii
LEMBAR PERSEMBAHAN
Puji syukur kepada Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Kepada kedua orang tua penulis yang selalu tidak berhenti memberi doa serta dukungan secara materiil demi terselesaikannya Tugas Akhir ini.
2. Bapak Dr. Ir. Ermanu Azizul Hakim, M.T dan Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, M.T yang telah menjadi Dosen pembimbing yang luar biasa, selalu memberi nasehat, arahan, bimbingan maupun motivasi untuk penulis.
3. Linda Dwi Andari, S.Pd yang selalu memberi dukungan dan semangat dengan sangat baik, sehingga bisa meraih semua ini.
4. Bapak Drs. Tomi Tristono, M.Si (Om Tomi) yang selalu membantu ketika penulis mengalami kesulitan.
5. Teman-teman seperjuangan Elektro B 2013 dimana pun kalian berada, yang saya cintai.
6. Para sahabat penulis Tio, Desi, Izzul, M. Yusuf, Wikan, dan siapa pun yang telah merelakan untuk menjadi tempat bertukar pikiran dalam penyusunan Tugas Akhir ini.
7. Seluruh civitas akademika (dosen, asisten, dan karyawan) Universitas Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu penulis selama menempuh pendidikan.
8. Semua pihak yang telah membantu dan mendoakan penulis tanpa terkecuali. Semoga Allah SWT memberikan limpahan rahmat dan hidayah-Nya atas segala kebaikan dan semoga kita semua selalu dalam lindungan serta tuntunan-Nya.
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBARPERSETUJUAN ... ii
LEMBARPENGESAHAN ... iii
LEMBARPERNYATAAN ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
KATAPENGANTAR ... vii
LEMBARPERSEMBAHAN ... viii
DAFTARISI ... ix
DAFTARTABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR SINGKATAN ... xvi
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1.Latar Belakang ... 1 1.2.Rumusan Masalah ... 2 1.3.Tujuan ... 2 1.4.Batasan Masalah ... 3 1.5.Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. Motor DC ... 5
2.2.Pemodelan Matematis Motor DC ... 6
x
2.4.Identifikasi Sistem... 8
2.4.1.Pengambilan Data ... 8
2.4.2.Pemilihan Struktur Pemodelan ... 8
2.4.3.Estimasi Model ... 9
2.4.4.Validasi Model ... 9
2.5.Proportional Integral Derivative (PID) ... 10
2.6.Tuning PID Ziegler-Nichols ... 11
2.7.Logika Fuzzy ... 12 2.7.1.Kuantisasi ... 12 2.7.2.Fuzifikasi ... 12 2.7.3.Rule ... 13 2.7.4.Defuzifikasi ... 13 2.8.Kontroler Fuzzy-PID ... 13 2.9.Runge-Kutta ... 13
2.9.1.Runge-Kutta Orde Dua (Ralston) ... 14
2.9.2.Runge-Kutta Orde Tiga ... 15
BAB III ANALISIS DAN DESAIN ... 16
3.1.Perancangan Sistem pada Spreadsheet ... 16
3.2.Perancangan Sistem pada LabVIEW ... 20
3.3.Identifikasi Plant Motor DC ... 22
3.4.Blok Diagram Rangkaian Hardware ... 23
3.5.Perancangan Hardware ... 24
3.6.Perancangan Kontroler Fuzzy-PID ... 25
xi
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... ... 28
4.1.Pembacaan Encoder pada Motor DC ... 28
4.2.Identifikasi Plant Motor DC ... 29
4.3.Ziegler-Nichols Tuning PID ... 32
4.4.Kontrol P ... 32
4.4.1.Pengujian Kontrol P pada Hardware ... 32
4.4.2.Pengujian Kontrol P pada Spreadsheet ... 33
4.5.Kontrol PI ... 36
4.5.1.Pengujian Kontrol PI pada Hardware ... 36
4.5.2.Pengujian Kontrol PI pada Spreadsheet ... 37
4.6.Kontrol Fuzzy-PID ... 40
4.6.1.Pengujian Kontrol Fuzzy-PID pada Hardware ... 40
4.6.2.Pengujian Kontrol Fuzzy-PID pada Spreadsheet ... 41
BAB V PENUTUP ... 43
5.1.Kesimpulan ... 43
5.2.Saran... 43
DAFTAR PUSTAKA ... 44
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Dampak dari parameter PID Controller ... 11
Tabel 2.2 Tuning PID metode Ziegler-Nichols... 12
Tabel 3.1 Aturan fuzzy untuk parameter Kc ... 26
Tabel 3.2 Aturan fuzzy untuk parameter Ti ... 27
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Motor DC... 5
Gambar 2.2 Rangkaian Ekuivalen Motor DC ... 6
Gambar 2.3 Diagram Blok Sistem Identifikasi ... 8
Gambar 2.4 Blok Diagram PID Controller ... 10
Gambar 2.5 Kurva Reaksi Tuning Ziegler-Nichols ... 11
Gambar 2.6 Struktur Self-Tuning Kontroler Fuzzy-PID ... 13
Gambar 3.1 Perancangan Sistem pada Spreadsheet ... 16
Gambar 3.2 Perancangan Front Panel Kontrol PID pada LabVIEW ... 21
Gambar 3.3 Graphical Programming Kontrol PID pada LabVIEW ... 21
Gambar 3.4 Perancangan Front Panel Kontrol Fuzzy-PID pada LabVIEW ... 21
Gambar 3.5 Graphical Programming Kontrol Fuzzy-PID pada LabVIEW ... 22
Gambar 3.6 Identifcation System Toolkit pada LabVIEW ... 22
Gambar 3.7 Graphical Programming Pengujian Input-Output Identifikasi Sistem pada LabVIEW ... 23
Gambar 3.8 Graphical Programming Estimasi Parameter dan Validasi Pemodelan Motor DC pada LabVIEW ... 23
Gambar 3.9 Blok Diagram Rangkaian Hardware ... 23
Gambar 3.10 Perancangan Hardware ... 24
Gambar 3.11 Port dan Pin Input-Output pada Hardware ... 24
Gambar 3.12 Membership function untuk error ... 25
Gambar 3.13 Membership function untuk Δerror ... 25
Gambar 3.14 Membership function untuk parameter Kc ... 26
xiv
Gambar 4.1 Pengujian Encoder pada LabVIEW ... 28
Gambar 4.2(a) Hasil Pengujian Encoder motor DC ... 28
Gambar 4.2(b) Hasil Pengukuran pada Tachometer Digital ... 28
Gambar 4.3 Pengujian Input dan Output Proses Identifikasi Sistem ... 29
Gambar 4.4 Hasil Estimasi Parameter dan Validasi Pemodelan Motor DC ... 30
Gambar 4.5 Proses Penentuan Parameter L dan T ... 32
Gambar 4.6 Pengujian Kontroler P pada Hardware ... 33
Gambar 4.7 Output Hardware Pengujian Kontroler P ... 33
Gambar 4.8 Diagram Blok motor DC dan Kontroler P pada spreadsheet ... 34
Gambar 4.9 Pengujian Kontrol P pada Spreadsheet ... 34
Gambar 4.10 Hasil Pengujian Kontroler P menggunakan Runge-Kutta Orde 2 ... 34
Gambar 4.11 Hasil Pengujian Kontroler P menggunakan Runge-Kutta Orde 3 ... 35
Gambar 4.12 Hasil Pengujian Kontroler P pada Hardware dan Spreadsheet... 35
Gambar 4.13 Pengujian Kontroler PI pada Hardware ... 36
Gambar 4.14 Output Hardware Pengujian Kontroler PI ... 37
Gambar 4.15 Diagram Blok Motor DC dan Kontroler PI ... 37
Gambar 4.16 Pengujian Kontrol PI pada Spreadsheet ... 37
Gambar 4.17 Hasil Pengujian Kontroler PI menggunakan Runge-Kutta Orde 2 .. 38
Gambar 4.18 Hasil Pengujian Kontroler PI menggunakan Runge-Kutta Orde 3 .. 39
Gambar 4.19 Hasil pengujian kontroler PI pada Hardware dan Spreadsheet ... 39
Gambar 4.20 Pengujian Kontroler Fuzzy-PID pada Hardware ... 40
Gambar 4.21 Output Hardware pengujian Kontroler Fuzzy-PID ... 41
Gambar 4.22 Hasil Pengujian Kontroler Fuzzy-PID menggunakan Runge-Kutta Orde 2 ... 41
xv Gambar 4.23 Hasil Pengujian Kontroler Fuzzy-PID menggunakan Runge-Kutta Orde 3 ... 42
xvi
DAFTAR SINGKATAN
DC : Direct Current RPM : Revolusi per menit rad/s : radian per detik
: Momen inersia rotor ( . ⁄ )
: Ratio redaman dari sistem mekanis ( ) : Electric resistance ( )
: Electric inductance (m ) : Sumber tegangan input ( ) : Arus armature ( )
: Konstanta armature : Konstanta motor : Konstanta
: Output kecepatan ( ⁄ ) : fungsi alih motor DC /
: jumlah kesalahan kuadrat (summation of square error) : total jumlah kuadrat (total sum of square)
: akar rata-rata kesalahan kuadrat (root mean squared error) : derajat kebebasan (degree of freedom)
: elemen ke-i dari bobot : elemen ke-i dari y : elemen ke-i dari best fit ӯ : rata-rata dari y
: perbandingan antara SSR (sum of squares of the regression) dan SST (total sum of square)
Error = nilai setpoint (nilai yang diinginkan) – nilai output Δerror = nilai error saat (t) – nilai error saat (t-1)
NB = Negatif Besar NK = Negatif Kecil
xvii Z = Zero PK = Positif Kecil PB = Positif Besar LK = Lebih Kecil K = Kecil S = Sedang B = Besar LB = Lebih Besar
44
DAFTAR PUSTAKA
Aliane, Nourdine. 2007. Control System Demonstrations using Spreadsheet. World Transactions on Engineering and Technology Education. Vol. 6, No. 2. Aliane, Nourdine. 2009. Use of Spreadsheet in Control Engineering Education. Int.
J. Engng Ed. Vol. 00, No. 0.
Am, Rois’, dkk. 2011. Pengaturan Posisi Motor Servo DC dengan Metode Fuzzy Logic. Jurnal Politeknik Elektronika Negeri Surabaya PENS-ITS.
Aslam, Sohaib, dkk. 2016. Implementation of PID on PIC24F Series Microcontroller for Speed Control of a DC Motor using MPLAB and Proteus. Advances in Science Technology Research Journal. Vol. 10, No. 31.
Åström, Karl Johan. 2002. Control System Design. Sweden: Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology.
Chapra, Steven C. dan Canale, Raymond P. 2010. Numerical Methods for Engineers – Sixth Edition. Avenue of the Americas, New York, NY: McGraw-Hill Companies, Inc.
Chilev, Ch., dkk. 2012. Features for the Determination of Parameters of Equilibrium Adsorption Model by A Nonlinear Regression Process of Experimental Data. Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy. Vol. 47, No. 5.
Dewanto, Satrio. 2015. Step Response Motor DC by using Compression Signal Method. ComTech Vol. 6, No. 3.
Dubey, Saurabh dan S.K. Srivastava. 2013. A PID Controlled Real Time Analysis of DC Motor. International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering (IJIRCCE). Vol. 1, No. 8.
Emhemed, Abdulrahman A.A dan Rosbi Bin Mamat. 2012. Modelling and Simulation for Industrial DC Motor using Intelligent Control. International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors 2012 (IRIS). Vol. 41.
Harifuddin. 2008. Pemodelan dan Pengendalian Motor DC Terkendali Jangkar. Media Elektrik. Vol. 3, No. 1.
45 Hubalovsky, Stepan. 2011. Modeling and Computer Spreadsheet Simulation of
Real System – Mixing of Two Different Temperature Water Flows. Recent Advances in Signal Processing, Computational Geometry and Systems Theory. Kuka, Shkelqim dan Brunela Karamani. 2011. Using Excel and VBA for Excel to Learn Numerical Methods. 1st International Symposium on Computing in Informatics and Mathematics 2011 (ISCIM).
Kusumadewi, Sri dan Hari Purnomo. 2013. Aplikasi Logika Fuzzy untuk Pendukung Pengambil Keputusan Edisi 2. Yogyakarta: Graha Ilmu.
LabVIEW 2012 PID and Fuzzy Logic Toolkit Help
Lankarany, M. dan A. Rezazade. 2007. Parameter Estimation Optimization Based on Genetic Algorithm Applied to DC Motor. Conference Paper. 1-4244-0893-8/07/$20.00 ©2007 IEEE.
Mirapalheta, Gustavo C., dkk. 2013. A Feedback System Dynamic Response Analysis by Root Locus Method using Excel Spreadsheet and XNumbers Add-in Package. International Journal of Electrical EngAdd-ineerAdd-ing Education. Vol. 50, No. 1.
Nusantoro, Goegoes Dwi, dkk. 2012. Identifikasi Sistem Plant Suhu dengan Metode Recursive Least Square. Jurnal EECIS. Vol. 6, No. 1.
Pramudijanto, Josaphat, dkk. 2013. Implementasi Hybrid Fuzzy PID pada Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa dengan Beban Rem Magnetik. JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering. Vol. 11, No. 1. Ross, Timothy J. 2010. Fuzzy Logic with Engineering Applications – Third Edition.
Singapore: John Wiley & Sons, Ltd.
Salem, Farhan A. dan Albaradi A. Rashed. 2013. PID Controllers and Algorithms: Selection and Design Techniques Applied in Mechatronics Systems Design – Part II. Internasional Journal of Engineering Science. Vol. 2, No. 5.
Salim, Jyoti Ohri. 2015. Fuzzy Based PID Controller for Speed Control of D.C. Motor using LabVIEW. World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS) Transcactions on System and Control. Vol. 10.
Sardi, Juli dan Ali Basrah Pulungan. 2014. Pengembangan Bioelectrical Impedance sebagai Control Commands Pengaturan Kecepatan Gerak Kursi Roda dengan Metode PID Controller. Jurnal Nasional Teknik Elektro. Vol. 3, No. 2.
46 Singh, Aditya Pratap, dkk. 2013. Speed Control of DC Motor using PID Controller Based on Matlab. International Converence on Recent Trends in Applied Sciences with Engineering Applications. Vol. 4, No. 6.
Surjono, Dwi Herman. 2007. Elektronika: Teori dan Penerapan. Jember: Cerdas Ulet Kreatif Publisher.
Warmada, I Wayan. 2004. Geokomputasi (Komputer untuk Geologi). Yogyakarta. Zain, Sharifuddin Md., dkk. 2013. The Teaching and Learning of Chemical Kinetics Supported with MS Excel. Journal of Science and Mathematics Education in Southeast Asia. Vol. 36, No. 1.
