DESAIN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER SELF-TUNING PID DENGAN PENDEKATAN INTERAKSI ADAPTIF PADA SISTEM PENGATURAN LEVEL

JUDUL

TUGAS AKHIR – TE 141599

DESAIN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER SELF-TUNING PID
DENGAN PENDEKATAN INTERAKSI ADAPTIF PADA SISTEM
PENGATURAN LEVEL
Muhammad Zakki Ghufron
NRP 2212100064
Dosen Pembimbing
Ir. Ali Fatoni, MT.
Imam Arifin, ST., MT.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2016

i

FINAL PROJECT – TE 141599

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SELF-TUNING PID
CONTROLLER BY ADAPTIVE INTERACTION APPROACH IN
LEVEL CONTROL SYSTEM
Muhammad Zakki Ghufron
NRP 2212100064
Supervisor
Ir. Ali Fatoni, MT.
Imam Arifin, ST., MT.
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
Faculty of Industrial Technology
Sepuluh Nopember Institute of Technology
Surabaya 2016

i

vii

DESAIN DAN IMPLEMENTASI KONTROLER SELFTUNING PID DENGAN PENDEKATAN INTERAKSI
ADAPTIF PADA SISTEM PENGATURAN LEVEL
Nama

Pembimbing

: Muhammad Zakki Ghufron
: Ir. Ali Fatoni, MT.
Imam Arifin, ST., MT.

ABSTRAK
Kontroler PID sampai saat ini masih mampu menghasilkan performa
sistem sesuai dengan keinginan ketika di-tuning dengan benar. Kata “dituning dengan benar” menjadi sorotan utama dalam perkembangan
kontroler PID, karena performansinya sangat bergantung pada proses
tuning yang dilakukan. Penerapan kontroler PID pada sistem pengaturan
level masih dinilai kurang maksimal ketika terjadi proses pembebanan.
Kontroler PID harus di-tuning ulang agar dapat menghasilkan performa
yang sesuai keinginan. Pada penelitian ini akan diterapkan metode selftuning PID dengan menggunakan pendekatan interaksi adaptif. Metode
interaksi adaptif mampu mengadaptasi perubahan yang terjadi pada plant
seperti pembebanan, sehingga ketergantungan kontroler PID terhadap
proses tuning ulang bisa dihilangkan. Metode self-tuning PID dengan
interaksi adaptif dirancang dengan tiga buah kriteria kesalahan yaitu
menggunakan Square Kesalahan (SE), Time Multiplied Square
Kesalahan (TSE), Square Time Multiplied Square Kesalahan (STSE).

Ketika Simulasi kontroler self tuning PID kriteria STSE lebih unggul
dalam hal perubahan set point dengan RMSE sebesar 3,64 % dan dalam
hal pembebanan dengan RMSE dan recovery time sebesar 0,093 % dan
2,2 detik. Ketika implementasi kontroler PID lebih unggul dalam hal
perubahan set point dengan RMSE sebesar 2,34% dan kontroler self
tuning PID kriteria TSE lebih unggul dalam hal pembebanan dengan
RMSE dan recovery time sebesar 13,74 % dan 29 detik.
Kata Kunci: Self-Tuning PID, Interaksi Adaptif, Sistem Pengaturan level

ix

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SELF-TUNING
PID CONTROLLER BY ADAPTIVE INTERACTION
APPROACH IN LEVEL CONTROL SYSTEM
Name
Supervisor

: Muhammad Zakki Ghufron
: Ir. Ali Fatoni, MT.
Imam Arifin, ST., MT.

ABSTRACT
Furthermore, a well-tuned PID controller still able to give excellent
system performance. Word “well-tuned” become main focus in its
development because performance of PID controller is dependent on
tuning process. Implementation in level control system still considered
that PID controler can’t give excelent performance when loading effect
occur and plant parameter changes. PID controller tuning must be
repeated in order to get an excellent performance as desired. Therefore,
in this final project report will be implemented a method of self-tuning
PID by adaptive interaction approach.. Adaptive interaction is able to
adapt in plant parameter changes such as loading effect so repeated PID
controller tuning can be vanish. Self-tuning PID with adaptive interaction
is designed with three criteria of kesalahan using Square Kesalahan (SE),
Time Multiplied Square Kesalahan (TSE), and Square Time Multiplied
Square Kesalahan (STSE). In Simulation self tuning PID controller by
STSE criteria give better performance in set point changes with RMSE
3,64 % and load disturbance with RMSE dan recovery time about 0,093
% and 2,2 second. In implementation PID Controller give better
performance in set point changes with RMSE about 2,34% and self tuning

PID by TSE criteria better in load disturbance with RMSE and recovery
time about 13,74 % and 29 second.
Keywords: Self-Tuning PID, Adaptive Interaction, Level Control System

xi

KATA PENGANTAR
Segala Puji bagi Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya,
sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan penelitian ini dengan
segala kekurangannya. Sholawat serta salam semoga senantiasa
tercurahkan terhadap Nabi besar Muhammad SAW, yang telah membawa
umat manusia dari jaman yang gelap menuju jaman yang terang
benderang.
Laporan penelitian ini berjudul “Desain dan Implementasi
Kontroler Self-Tuning PID dengan Pendekatan Interaksi Adaptif
Pada Sistem Pengaturan Level” ini dipersembahkan untuk kemajuan
riset dalam dunia teknologi dan guna memenuhi persyaratan untuk
mencapai Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Teknik Sistem
Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut
Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya.

Pada kesempatan yang berbahagia ini penulis mengucapkan terima
kasih kepada semua pihak yang telah banyak membantu baik secara
langsung maupun tidak langsung, hingga penelitian ini dapat
diselesaikan. Terima kasih tak ternilai kepada keluarga penulis khususnya
kedua orang tua yang selalu memberikan motivasi dan dukungan dalam
penelitian ini. Selain itu, Penulis secara khusus mengucapkan terima kasih
yang sebesar-besarnya kepada Bapak Ir. Ali Fatoni, MT. dan Bapak Imam
Arifin, ST., MT. atas bimbingan selama mengerjakan tugas akhi ini.
Ucapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada Bapak Moh. Abdul
Hady, ST., MT. atas bimbingan, saran, dan nasihat dalam penelitian ini.
Teman-teman asisten laboratorium teknik sistem pengaturan dasar AJ104, dan juga kepada teman-teman angakatan E-52. Serta berbagai pihak
yang turut membantu dalam pengerjaan penelitian ini yang penulis tidak
dapat menyebutkannya satu persatu.
Laporan penelitian ini masih jauh dari kata sempurna baik dalam
penyusunan, maupun dalam pembahasan dan analisa permasalahan.
Untuk itu pada kesempatan ini pula penulis mohon maaf atas segala
ketidaksempurnaan yang ada. Semoga laporan penelitian ini dapat
memberikan manfaat bagi pembaca sebagai acuan penelitian selanjutnya.
Surabaya, Januari 2016
Penulis

xiii

DAFTAR ISI
Halaman
JUDUL ............................................................................................... i
PERNYATAAN KEASLIAN ............................................................... v
HALAMAN PENGESAHAN ............................................................. vii
ABSTRAK .......................................................................................... ix
ABSTRACT .......................................................................................... xi
KATA PENGANTAR ....................................................................... xiii
DAFTAR ISI ...................................................................................... xv
DAFTAR GAMBAR ......................................................................... xix
DAFTAR TABEL.............................................................................. xxi
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang ........................................................................... 1
1.2
Perumusan Masalah ................................................................... 2
1.3

Batasan Masalah ........................................................................ 2
1.4
Tujuan ....................................................................................... 2
1.5
Sistematika Penyusunan Laporan ............................................... 3
1.6
Manfaat...................................................................................... 3
BAB 2 SISTEM PENGATURAN LEVEL PCT-100
2.1
PCT-100 .................................................................................... 5
2.1.1 Process Rig ................................................................................ 5
2.1.2 Control Module .......................................................................... 7
2.1.3 Sistem Pengaturan Level PCT-100 ............................................. 8
2.2
Pemodelan Plant ........................................................................ 9
2.2.1 Pemodelan Pompa .................................................................... 10
2.2.2 Pemodelan Pipa ....................................................................... 10
2.2.3 Pemodelan Tangki ................................................................... 11
2.2.4 Pemodelan Sensor .................................................................... 13
2.3

Kontroler PID .......................................................................... 13
2.3.1 Kontroler Proporsional ............................................................. 14
2.3.2 Kontroler Integral..................................................................... 14
2.3.3 Kontroler Differensial .............................................................. 15
2.3.4 Kontroler PID .......................................................................... 16
2.4
Indeks Performansi ................................................................. 17
2.4.1 Mean Square Error (MSE)....................................................... 17
2.4.2 Integral Square Error (ISE) ..................................................... 18
2.4.3 Integral of Time Multiplied Square Error (ITSE) ..................... 18

xv

2.4.4 Integral of Squared Time Multiplied by Squared Error
(ISTSE) .................................................................................... 18
2.4.5 Integral of Absolute Value of Error (IAE)................................. 19
2.4.6 Integral of Time Multiplied by Absolute Value of Error
(ITAE)...................................................................................... 19
2.5
Kontroler Self-Tuning PID ........................................................ 19

2.6
Interaksi Adaptif ...................................................................... 20
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM
3.1
Gambaran Umum Sistem .......................................................... 23
3.2
Pemodelan Plant ...................................................................... 24
3.2.1 Pemodelan Pompa .................................................................... 25
3.2.2 Pemodelan Pipa ........................................................................ 25
3.2.3 Pemodelan Tangki .................................................................... 25
3.2.4 Pemodelan Sensor .................................................................... 26
3.3
Perancangan Kontroler PID ...................................................... 26
3.4
Perancangan Kontroler Self-Tuning PID dengan Interaksi Adaptif
................................................................................................. 27
3.4.1 Berdasarkan Squared Error (SE) .............................................. 29
3.4.2 Berdasarkan Time Squared Error (TSE) ................................... 30
3.4.3 Berdasarkan Squared Time Squared Error (STSE) ................... 32
BAB 4 PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1
Pengujian Sistem Tanpa Kontroler............................................ 35
4.2
Pengujian Sistem Dengan Kontroler PID .................................. 36
4.2.1 Pengujian Dengan Perubahan Set point ..................................... 36
4.2.2 Pengujian Dengan Variasi Nilai Kp .......................................... 37
4.2.3 Pengujian Dengan Variasi Nilai Ti ........................................... 38
4.2.4 Pengujian Dengan Variasi Nilai Td ........................................... 40
4.2.5 Pengujian Dengan Pembebanan ................................................ 40
4.2.6 Pengujian Dengan Menggunakan Noise .................................... 41
4.3
Pengujian Sistem Dengan Kontroler Self-tuning PID Interaksi
Adaptif ..................................................................................... 42
4.3.1 Pengujian Dengan Perubahan Set point ..................................... 42
4.3.2 Pengujian Dengan Perubahan Nilai Gamma.............................. 43
4.3.3 Pengujian Dengan Pembebanan ................................................ 44
4.3.4 Pengujian Dengan Noise ........................................................... 46
4.4
Perbandingan Antara Sistem Dengan Kontroler PID Dan
Kontroler Self-Tuning PID Interaksi Adaptif ............................. 47
4.4.1 Pengujian Dengan Tracking Sinyal Ramp ................................. 47
4.4.2 Pengujian Dengan Pembebanan ................................................ 50

xvi

Implementasi Kontroler PID dan Self-Tuning PID interaksi
adaptif pada PCT-100 .............................................................. 53
4.5.1 Pengujian Variasi Nilai Gamma ............................................... 54
4.5.2 Pengujian Dengan Perubahan Set point .................................... 55
4.5.3 Pengujian Dengan Pembebanan ............................................... 58
BAB 5 PENUTUP
5.1
Kesimpulan .............................................................................. 63
5.2
Saran........................................................................................ 63
DAFTAR PUSTAKA ......................................................................... 65
LAMPIRAN ....................................................................................... 67
RIWAYAT PENULIS ...................................................................... 105

4.5

xvii

DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Gambar 2.2
Gambar 2.3
Gambar 2.4
Gambar 2.5
Gambar 2.6
Gambar 2.7
Gambar 2.8
Gambar 3.1
Gambar 3.2
Gambar 3.3
Gambar 3.4
Gambar 3.5
Gambar 3.6
Gambar 4.1
Gambar 4.2
Gambar 4.3

Halaman
Process rig PCT-100........................................................ 6
Control module (tampak depan) ....................................... 7
Diagram blok sistem pengaturan level .............................. 8
Gambaran plant ............................................................... 9
Diagram blok pemodelan sistem pengaturan level ............ 9
Diagram blok kontroler PID ........................................... 13
Diagram blok Self-tuning PID ........................................ 20
Interaksi antara komponen keluaran dan masukan .......... 21
Arsitetkur sistem SCADA .............................................. 23
Diagram blok sistem pengaturan level secara umum ...... 24
Interaksi antar komponen masukkan dan keluaran .......... 27
Diagram blok sistem pengaturan level dengan kriteria
SE ................................................................................. 30
Diagram blok sistem pengaturan level dengan kriteria
TSE ............................................................................... 31
Diagram blok sistem pengaturan level dengan kriteria
STSE............................................................................. 33
Respon closed loop sistem pengaturan level tanpa
kontroler ....................................................................... 35
Respon sistem dengan kontroler PID saat terjadi
perubahan set point ....................................................... 37
Respon ssstem dengan kontroler PID untuk variasi K p . 38

Gambar 4.4 Respon sistem dengan kontroler PID untuk variasi Ti .... 39
Gambar 4.5 Respon sistem dengan kontroler PID untuk variasi Td ... 40
Gambar 4.6 Respon saat diberikan gangguan berupa efek
pembebanan .................................................................. 41
Gambar 4.7 Respon saat diberikan gangguan noise ........................... 42
Gambar 4.8 Respon sistem dengan perubahan nila set point .............. 43
Gambar 4.9 Respon sistem dengan variasi nilai gamma ..................... 44
Gambar 4.10 Respon sistem ketika diberi gangguan ............................ 45
Gambar 4.11 Respon sistem ketika diberikan noise berupa white
gaussian ........................................................................ 46
Gambar 4.12 Perbandingan Kontroler dengan sinyal ramp .................. 47
Gambar 4.13 Perubahan nilai K p ketika tracking sinyal ramp ............ 48

xix

Gambar 4.14 Perubahan nilai K i ketika tracking sinyal ramp ............. 49
Gambar 4.15 Perubahan nilai K d ketika tracking sinyal ramp ............. 50
Gambar 4.16 Perbandingan sistem ketika pembebanan ........................ 51
Gambar 4.17 Perubahan nilai K p saat pembebanan ............................ 52
Gambar 4.18 Perubahan nilai K i ketika pembebanan .......................... 52
Gambar 4.19 Perubahan nilai K d ketika pembebanan ......................... 53
Gambar 4.20 Respon sistem dengan variasi nilai gamma ..................... 54
Gambar 4.21 Perbandingan implementasi kontroler dengan perubahan
set point ......................................................................... 55
Gambar 4.22 Perubahan nilai K p ketika terjadi perubahan set point ... 56
Gambar 4.23 Perubahan nilai K i ketika perubahan set point ............... 57
Gambar 4.24 Perubahan nilai K d ketika perubahan set point .............. 58
Gambar 4.25 Perbandingan implementasi kontroler dengan
pembebanan...................................................................59
Gambar 4.26 Adaptasi nilai K p ketika pembebanan ........................... 60
Gambar 4.27 Adaptasi nilai K i ketika pembebanan ............................ 61
Gambar 4.28 Perubahan nila K d ketika pembebanan .......................... 61

xx

DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Komponen penyusun process rig ........................................... 6
Tabel 2.2 Daftar switched fault.............................................................. 8
Tabel 2.3 Parameter pemodelan plant.................................................. 10
Tabel 2.4 Parameter PI dengan metode CHR disturbance rejection ..... 16
Tabel 4.1 Data hasil pengujian ............................................................ 62

xxi

BAB 1
PENDAHULUAN
1.1

Latar Belakang

Level merupakan salah satu variabel kontrol yang hampir ada di
setiap industri. Sistem pengaturan level mempunyai karakteristik timevarying dan nonlinear pada industri skala besar [1]. Berbagai metode
kontrol sudah diterapkan dalam sistem pengaturan level seperti kontroler
PID dan fuzzy-PID keduanya belum mampu memberikan hasil yang
presisi [1]. Kombinasi PID neural network membutuhkan waktu yang
lama untuk proses learning [2]. Kombinasi PID dengan metode adaptif
memberikan hasil yang baik ketika digunakan dalam sistem dengan plant
dinamik[1][3]. Metode adaptif yang sudah sering diterapkan seperti
Model Reference Adaptive Controller (MRAC) masih menggunakan
sistem yang kurang simpel seperti adanya identifikasi sistem sebelum
melakukan proses adaptasi [4].
Sampai saat ini, kontroler PID masih mampu menghasilkan
performansi sistem sesuai dengan keinginan ketika di-tuning dengan
benar. Kata di-tuning dengan benar menjadi sorotan utama dalam
perkembangannya karena performansi PID sangat bergantung pada
proses tuning yang dilakukan. Terdapat dua metode tuning yaitu offline
tuning dan online tuning. Offline tuning dilakukan secara manual oleh
campur tangan manusia, sedangkan tuning online dilakukan secara
otomatis sesuai dengan metode yang digunakan. Pada penelitian ini
diterapkan metode online tuning pada kontroler PID. Menurut Feng Lin
dan Robert D. Brandt [5], terdapat dua alasan mengapa menggunakan
online tuning. Pertama, tujuan dan kebutuhan dari kontroler PID sering
berubah selama penerapan dalam kondisi yang berbeda. Sering kali
performansi sistem yang diinginkan adalah respon yang cepat, tetapi juga
dapat mengurangi kesalahan keadaan tunak. Pada kenyataanya respon
yang cepat dan mengurangi kesalahan keadaan tunak membutuhkan
parameter yang berbeda jika menggunakan kontroler PID. Jika tetap
diinginkan respon dengan spesifikasi cepat dan tanpa kesalahan, maka
pada kondisi awal disesuaikan untuk mendapatkan respon yang cepat
kemudian dilakukan tuning ulang untuk mengurangi kesalahan keadaan
tunak. Alasan kedua adalah dikarenakan dalam kenyataanya di dunia
industri plant yang dikendalikan mengalami perubahan parameter pada
kondisi-kondisi tertentu. Untuk mengatasi perubahan parameter plant

1

diperlukan metode yang dapat beradaptasi langsung dengan perubahan
tersebut. Pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya banyak
digunakan metode kontrol adaptif dengan berbagai metode untuk
mengatasi perubahan plant tersebut. Metode yang digunakan baik melaui
pendekatan model, identifikasi parameter estimasi, dan pendekatan
kecerdasan buatan seperti fuzzy dan jaringan saraf tiruan. Dalam
penelitian ini ditawarkan metode tuning parameter PID dengan
pendekatan interaksi adaptif yang diusulkan oleh Feng Lin dan Robert D.
Brandt [5]. Keistimewaan metode interaksi adaptif adalah penerapannya
yang tidak membutuhkan banyak informasi seperti parameter estimasi
dan model acuan dari plant. Hanya dibutuhkan nilai kesalahan dari sistem
untuk melakukan adaptasi. Kontroler dengan tuning interaksi adaptif akan
divariasi pada bagian indeks performansinya untuk menunjukkan
perbandingan penentuan spesifikasi performansi dari sistem yang akan
diadaptasi. Indeks performansi tersebut adalah Square Kesalahan (SE),
Time Multiplied Squared Kesalahan (TSE), dan Squared Time Multiplied
Squared Kesalahan (STSE).
1.2

Perumusan Masalah

1.3

Batasan Masalah

1.4

Tujuan

Kontroler PID pada dasarnya bersifat tetap selama parameter P, I,
dan D tidak diubah. Ketika terjadi perubahan parameter plant yang
diakibatkan oleh pembebanan, terkadang sinyal kontrol yang diberikan
tidak sesuai dengan kondisi plant saat ini sehingga muncul pelonjakan
atau penurunan nilai. Waktu tunak yang dibutuhkan sistem dengan
kontroler PID masih terlalu lama. Selain itu, besarnya penurunan atau
lonjakan nilai yang terjadi masih terlalu besar, sehingga dapat
disimpulkan kontroler PID belum mampu mengatasi pembebanan jika
tidak dilakukan tuning ulang pada parameter P, I, dan D.
Pada penelitian ini hanya akan membahas analisis mengenai nilai
RMSE pada setiap pengujian yang dilakukan. Pada pengujian dengan
pembebanan akan ditambahkan analisis mengenai recovery time dari
sistem.
Penelitian ini diharapkan mampu menerapkan sebuah metode
kontrol untuk mengurangi besarnya penurunan nilai dan mempercepat
recovery time ketika terjadi pembebanan pada sistem.

2

1.5

Sistematika Penyusunan Laporan

1.6

Manfaat

Penyusunan laporan penelitian ini akan dibagi menjadi lima Bab
dengan sistematika sebagai berikut:
BAB 1 : PENDAHULUAN
Penjelasan dalam bab ini meliputi latar belakang, perumusan
masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, sistematika
laporanm, dan juga manfaat.
BAB 2 : DASAR TEORI
Teori dasar sebagai pendukung dalam penelitian ini
diantaranya plant PCT-100, kontroler PID, kriteria kesalahan,
interaksi adaptif. Selain itu terdapat teori mengenai software
yang digunakan untuk simulasi dan juga menghubungkannya
terhadap plant dibahas pada Bab ini.
BAB 3 : PERANCANGAN SISTEM
Perancangan sistem terdiri dari pemodelan plant menggunakan
hukum fisika, desain dan perancangan kontroler PID dan selftuning dengan interaksi adaptif berdasarkan teori pada BAB II.
Selain itu dibahas juga mengenai debitchart algoritma kontrol
yang dibuat.
BAB 4 : HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Data hasil simulasi, implementasi, dan analisis mengenai hasil
yang didapatkan dijelaskan pada Bab ini
BAB 5 : PENUTUP
Kesimpulan dari hasil pengujian mengenai penelitian ini
dibahas pada Bab ini. Selain itu juga disertakan saran mengenai
kekurangan dari penelitian ini dan rencana riset selanjutnya
yang bisa dikembangkan.
Penelitian ini akan memberikan inovasi terbaru dalam hal metode
kontrol untuk mengatasi pembebanan. Metode self-tuning PID interaksi
adaptif pada penelitian ini dapat diaplikasikan pada dunia industri dengan
kondisi beban yang sulit diprediksi dan berubah-ubah setiap waktunya..
Selain itu, penelitian ini juga dapat digunakan sebagai acuan untuk
pengembangan kontroler adaptif yang dikombinasikan dengan kontroler
lainnya.

3

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

4

BAB 2
SISTEM PENGATURAN LEVEL PCT-100
2.1

PCT-100 [6]

PCT-100 adalah miniatur sistem pengaturan proses pada dunia
industri seperti pada industri makanan dan minuman, industri kimia,
pemurnian air, dan pengolahan limbah. PCT-100 merupakan produk dari
vendor Bytronic. Perangkat lunak yang mendukung PCT-100 mempunyai
fasilitas untuk melakukan pengaturan terhadap empat buah variabel
kontrol diantaranya debit, level, suhu, dan tekanan. Tujuan dari PCT-100
adalah untuk memberikan pembelajaran yang mencerminkan masalah
pengaturan sebuah sisem sebenarnya dalam dunia industri,
mempermudah untuk melakukan analisis dan menerapkan metode kontrol
yang lain. PCT-100 juga dapat digunakan untuk menggambarkan secara
sederhana dan jelas, karakteristik dari kontroler P, I, dan D.
Beberapa sasaran PCT-100 antara lain memberikan keuntungan
yang dalam hal penerapan pengaturan berbasiskan mikroprosesor untuk
proses otomasi, menyediakan proses skala kecil dengan gambaran
masalah yang ditemukan dalam dunia industri sehingga dapat diterapkan
teknik kontrol yang berbeda, menunjukkan kesederhanaan dan efektifitas
dari kontroler yang banyak digunakan yaitu PID, dapat melakukan
pengamatan terhadap sinyal digital dan analog untuk mengembangkan
pemahaman tentang metode yang sedang digunakan, dan menyediakan
fasilitas cocok untuk para operator dalam praktek menemukan dan
menyelesaikan permasalahan. Komponen utama pada PCT-100 terdiri
dari process rig dan control module. Process rig dan control module
dihubungkan oleh port serial untuk melakukan proses pertukaran data.
Penjelasan lebih detail mengenai masing-masing komponen disajikan
pada subbab selanjutnya.
2.1.1 Process Rig [6]
Process rig merupakan tampilan miniatur proses pada dunia
industri sepeti pada Gambar 2.1. Process rig terdiri dari 19 komponen
penyusun utama yang dilambangkan oleh angka 1 sampai 19 pada
Gambar 2.1. Process rig mempunyai empat variabel yang dapat dikontrol
diantaranya debit, level, suhu, dan tekanan. Keempat variabel tersebut
dapat dikontrol melalui komputer atau Programmable Logic Controller
(PLC) yang terhubung dengan control module.

5

Gambar 2.1 Process rig PCT-100[6]

Penjelasan mengenai angka yang terdapat pada Gambar 2.1
ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Komponen penyusun process rig
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Keterangan
Tangki proses
Tangki penampungan air
Pendingin
Sensor suhu tangki penampungan
Pompa
3/2 diverter valve
2/2 proportional control valve
Sensor debit
One way check valve
2/2 proportional drain valve
Needle valve
Pressure relief valve
Pemanas
Sensor level
Transducer tekanan
Float switch
Overdebit valve
Digital LCD displays
Lampu indikator

6

Tangki penampungan berisi air yang akan dipompa menuju tangki
proses. Dalam tangki penampungan terdapat sensor suhu berupa Platinum
Resistance Thermometer (PRT) yang nilainya ditampilkan melalui digital
display. Pompa pada process rig bertugas melakukan sirkulasi air ke
semua sistem. Pompa tersebut diatur oleh motor DC dengan kecepatan
yang mampu divariasikan untuk menghasilkan debit air yang berbedabeda. Debit air yang melewati pipa akan diukur oleh sensor debit yang
nilainya ditampilkan melalui digital display. Proses utama terjadi pada
tangki proses yang terdiri dari sensor level untuk mengukur level air
dalam tangki, elemen pemanas, PRT, drain valve yang digunakan untuk
mengeluarkan air dari tangki proses, needle valve yang digunakan untuk
menambahkan gangguan pada proses, transducer tekanan, float switch
dan one way check valve.
2.1.2 Control Module [6]
Control module mengkoordinasikan semua rangkaian elektronik
dan juga sebagai penghubung antara process rig dan kontroler. Control
module berisi indikator aktif dari keseluruhan sistem dan titik pengujian.

Gambar 2.2 Control module (tampak depan)[6]

Proses pengiriman data baik berupa analog dan digital dilakukan
melalui control module. Selain itu, control module juga memiliki
pengaman dan sistem untuk memberikan masalah atau disebut switched
faults. Switched faults berfungsi memberikan masalah nyata seperti
terdapat pada dunia industri sehingga kita dapat melatih kemampuan kita
dalam menemukan dan memecahkan permasalahan yang ada. Masalah
yang ada meliputi hal-hal pada pada Tabel 2.2. Switched faults berisi
tombol pada bagian depan control module ditunjukkan pada Gambar 2.2.

7

Tabel 2.2 Daftar switched fault
Fault No
F1
F2
F3

Fungsi
AD Fault
Pompa
Suhu

F4
F5

Pendingin
Pemanas

F6

Sensor debit

Efek
ADC terkunci
Pompa tidak bisa diaktifkan
Display proses suhu permanen
membaca skala penuh
Pendingin permanen aktif
Display
pemanas
memberikan
pembacaan yang salah
Tidak ada umpan balik debit

2.1.3 Sistem Pengaturan Level PCT-100
Sistem pengaturan level memiliki tujuan untuk mempertahankan
nilai level fluida pada referensi tertentu meskipun terjadi gangguan atau
bisa disebut regulator. Diagram blok sistem pengaturan level pada PCT100 ditunjukkan oleh Gambar 2.3. Komponen penyusun sistem ini adalah
kontroler PID, pompa sebagai aktuator, tangki proses sebagai plant,
kemudian sensor level sebagai measurement system.
Level

Gambar 2.3 Diagram blok sistem pengaturan level

Mekanisme kerja sistem adalah ketika air pada tanki penampungan
dipompa menuju tangki proses, pada tangki proses level air akan diukur
dan kemudian dibandingkan dengan referensi yang dipilih. Jika nilai yang
terukur masih belum sesuai dengan referensi maka kontroler bertugas
memberikan sinyal koreksi atau sinyal kontrol kepada aktuator sehingga
mampu memberikan aksi yang tepat. Keluaran dari sistem berupa level
dari air dalam cm yang akan dikonversikan menjadi tegangan dengan
skala 0 – 10 volt oleh sensor level.

8

2.2

Pemodelan Plant [7]

Plant yang digunakan pada Gambar 2.4 merepresentasikan dua
proses utama dalam sistem pengaturan level yaitu proses pengisian dan
pembuangan air. Proses pembuangan air dalam tangki dilakukan oleh
control valve sedangkan proses pengisian air dalam tangki dilakukan oleh
pompa.

Gambar 2.4 Gambaran plant

Proses pemodelan plant pada sistem pengaturan level
digambarkan seperti diagram alir pada Gambar 2.5. Proses pemodelan
dimulai dari pemodelan pompa, pipa, tangki, dan sensor.

Gambar 2.5 Diagram blok pemodelan sistem pengaturan level

9

Semua parameter pemodelan plant pada Tabel 2.3 beserta
keterangan dan satuan yang digunakan nilainya diambil dari data sheet
dan pengukuran langsung pada plant PCT-100.
Tabel 2.3 Parameter pemodelan plant

Simbol

Qin
Qout
Q

H
A
a

h0
Q0
R
C
L



Keterangan
Debit air yang masuk ke
tangki
Debit air yang keluar dari
tangki
Debit air dalam tangki
Ketinggian air dalam tangki
Luas alas tanki
Diameter pipa
Ketinggian air saat kondisi di
titik operasi
Laju aliran keluar saat
kondisi di titik operasi
Resistansi control valve

Satuan

Kapasitansi tangki
Panjang pipa
Waktu tunda

cm 2

cm 3 / s
cm 3 / s
cm 3 / s

cm

cm 2

cm
cm

cm 3 / s
s / cm 2

cm

detik

2.2.1 Pemodelan Pompa
Pemodelan pompa bertujuan untuk mendapatkan nilai penguatan
dari pompa yang dilambangkan dengan K1 . Mencari nilai K1
dirumuskan seperti Persamaan 2.1

K1 

Rentang debit air yang keluar dari pompa (cm 3 /s)
Rentang tegangan masukan (V )

(2.1)

2.2.2 Pemodelan Pipa
Pemodelan pipa dilakukan untuk mencari tahu besarnya waktu
penundaan yang diakibatkan oleh panjang pipa. Hubungan waktu tunda
dengan panjang pipa dapat dirumuskan pada Persamaan 2.2.

10



Volume pipa (cm3 )
Debit air yang masuk ke pipa (cm3/s)

(2.2)

Jika dihubungkan dengan sistem pengaturan level maka waktu
tunda yang terjadi merupakan hubungan antara debit air yang dikeluarkan
pompa dan debit air yang masuk ke tangki dituliskan pada Persamaan 2.3.
QinT
 e s
QoutP

(2.3)

2.2.3 Pemodelan Tangki
Komponen utama dalam pemodelan tangki adalah tangki itu
sendiri dan control valve. Tangki diasumsikan seperti kapasitor
dikarenakan sifatnya yang mirip. Ketika proses pengisian air seperti
proses pengisian muatan sedangkan proses pembuangan air seperti proses
pembuangan muatan pada kapasitor. Sehingga Kapasitansi tangki dapat
didekati dengan luas alas tangki yang berupa lingkaran seperti Persamaan
2.4.
C

Perubahan volume air (cm 3 )
Peruahan ketinggian air (m)

C  Luas penampang tangki 

d 2
4

(2.4)
A

Pemodelan tangki dimulai dari hukum kesetimbangan massa pada
Persamaan 2.5 dimana debit air didalam merupakan selisih antara debit
air yang masuk ke dalam tangki dan debit air yang keluar dari tangki.

Qin  Qout  Q

(2.5)

Hubungan antara debit dengan level air dalam tangki dirumuskan
pada Persamaan 2.6.

Q  Av  A

dh
dt

(2.6)

11

Substitusikan Persamaan 2.4 dan 2.6 pada Persamaan 2.5 sehingga
hubungan antara debit air yang masuk dan yang keluar dituliskan pada
Persamaan 2.7.

Q in  Q out  C

dh

(2.7)

dt

Control valve diasumsikan seperti resistansi atau hambatan pada
saat proses pembuangan air. Hal tersebut dikarenakan debit air yang
keluar bergantung pada bukaan dari control valve, sehingga dapat
dirumuskan pada Persamaan 2.8. Perumusan ini dilakukan pada saat
kondisi titik kerja sehingga h  h0 dan Qout  Q0 .

R

Perubahan ketinggian air (cm)
Perubahan debit air yang keluar (cm 3 /s)

(2.8)

Debit air yang melewati control valve adalah laminar karena tidak
terdapat perubahan diameter dari pipa antara pompa dan control valve
ditunjukkan oleh Persamaan 2.9.

R

h0
Q0

Q0 

(2.9)

h0
R

(2.10)

Substitusi hubungan antara debit air yang keluar dengan bukaan
valve pada Persamaan 2.10 ke Persamaan 2.7, sehingga rumus
kesetimbangan massa menjadi Persamaan 2.11.

dh
h0
C 0
dt
R
dh
Qin R  h0  RC 0
dt

Qin 

(2.11)
(2.12)

Dengan menggunakan transformasi Laplace pada Persamaan 2.12
maka diperoleh fungsi alih sistem pada Persamaan 2.15.

12

Qin (s) R  H (s)  RCsH (s)
Qin (s) R  H (s)(1  RCs)

(2.13)
(2.14)

H ( s)
R

Qin ( s) RCs  1

(2.15)

2.2.4 Pemodelan Sensor
Pemodelan sensor bertujuan untuk mendapatkan nilai penguatan
yang dilambangkan dengan K 2 . Nilai K 2 dirumuskan dengan rentang
kerja dari pompa terhadap masukan berupa tegangan seperti Persamaan
2.16.

K2 

Rentang tegangan keluaran (V )
Rentang ketinggian air dalam tangki (cm)

(2.16)

Pemodelan keseluruhan plant dapat dihitung dengan rumus seperti
Persamaan 2.17.

H ( s) total
H ( s)
*K2
 K1* e s *
Qin ( s)
Qin ( s) total

2.3

Kontroler PID [8]

(2.17)

Kontroler PID memiliki tiga komponen penyusun utama yaitu
proporsional atau dilambangkan dengan P, Integral yang dilambangkan
dengan I, dan differensial atau D. Pada Gambar 2.6 merupakan struktur
kontroler PID. E(s) adalah kesalahan yang terjadi akibat selisih nilai
aktual dan nilai yang diinginkan, sedangkan U(s) adalah sinyal kontrol
yang dihasilkan oleh kontroler PID.

Gambar 2.6 Diagram blok kontroler PID

13

Kontroler PID menggabungkan keunggulan dari masing-masing
kontroler penyusunnya untuk dijadikan sebagai sebuah kelebihan ketika
disatukan. Kontroler PID merupakan kontroler dengan struktur paling
mudah untuk diaplikasikan.
2.3.1 Kontroler Proporsional
Kontroler proporsional memberikan aksi yang proporsional
terhadap kesalahan yang terjadi sekarang. Kontroler proporsional terdiri
dari konstanta pengali atau penguatan yang ditunjukkan pada Persamaan
2.18. Kontroler proporsional berfungsi untuk mempercepat respon tetapi
semakin besar nilainya maka semakin besar kesalahan yang terjadi dan
juga akan menyebabkan sistem berosilasi.

u(t )  K p e(t )  K p (r (t )  y(t )),

(2.18)

Nilai K p adalah penguatan proporsional. Jika kontroler ini
diterapkan maka kesalahan yang sekarang akan terus meningkat sehingga
dapat menimbulkan osilasi. Dengan melakukan transformasi Laplace
pada Persamaan 2.18 maka fungsi alih dari kontroler proporsional dapat
dituliskan menjadi Persamaan 2.19.
U ( s)
 Kp
E ( s)

(2.19)

Pada aplikasinya di dunia industri penguatan proporsional
biasanya digantikan dengan Proportional Band (PB) yang merupakan
rentang kerja kesalahan yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan
rentang dari variabel kontrol pada Persamaan 2.20.

PB 

100
Kp

(2.20)

2.3.2 Kontroler Integral
Kontroler integral memberikan aksi proporsional terhadap integral
dari kesalahan. Kontroler ini dapat menghilangkan kesalahan yang terjadi
namun mengakibatkan respon sistem menjadi lambat. Pada kontroler
integral terdapat komponen  i yang merupakan waktu integral.

14

Hubungan antara kesalahan dan aksi integral dapat dilihat pada
Persamaan 2.21.
t



u (t )  K i e( )d

(2.21)

0

Nilai K i adalah penguatan integral. Aksi kontrol ini muncul
berdasarkan nilai kesalahan waktu sebelumnya pada Persamaan 2.22.

U ( s) K i

s
E ( s)

(2.22)

Kekurangan dari kontroler integral adalah memiliki pole pada
origin seperti ditunjukkan pada Persamaan 2.22 sehingga menyebabkan
sistem menjadi tidak stabil. Kehadiran pole pada titik origin membuat
pengurangan pada kesalahan keadaan tunak ketika sinyal uji step
diberikan.
2.3.3 Kontroler Differensial
Kontroler proporsional memberikan aksi berdasarkan kesalahan
saat ini dan kontroler integral memberikan aksi berdasarkan nilai
kesalahan sebelumnya. Kontroler differensial memberikan aksi
berdasarkan prediksi nilai kesalahan yang akan datang seperti dirumuskan
pada Persamaan 2.23

u (t )  K d

de(t )
dt

(2.23)

Nilai K d adalah penguatan differensial, sehingga ketika
ditransformasi Laplace fungsi alih dari kontroler differensial dapat
dituliskan dengan rumus yang lebih sederhana pada Persamaan 2.24.
U ( s)
 Kd s
(2.24)
E ( s)
Keuntungan dari kontroler differensial adalah memiliki zero pada
origin sehingga jika ditambahkan, sistem bisa menjadi lebih stabil.

15

Kontroler differensial tidak bisa bediri sendiri dikarenakan jika
diaplikasikan akan menghasilkan nilai nol, jika kesalahan yang terjadi
konstan dan akan memperbesar sinyal kontrol yang diberikan. Noise pada
frekuensi tinggi akan diperbesar, oleh karena itu bentuk kontroler
differensial diubah menjadi Persamaan 2.25.
Kd s
U (s)

K
E ( s)
ds
1
N

(2.25)

2.3.4 Kontroler PID
Kontroler PID terdiri dari tiga komponen utama yaitu kontroler
proporsional, kontroler integral, dan kontroler diferensial. Metode
perancangan yang digunakan pada penelitian kali ini berdasarkan pada
tuning Chien Hrones Reswick (CHR) [9]. Alasan memilih metode CHR
karena metode tersebut dapat dirancang menggunakan kriteria
disturbance rejection yang dibutuhkan dalam sistem pengaturan level.

G p ( s) 

K
e s
Ts  1

(2.26)

Persamaan 2.26 mempunyai parameter antara lain K adalah
penguatan plant, T = time constant,  adalah waktu tunda. Parameter PI
untuk tuning dengan metode CHR dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4 Parameter PI dengan metode CHR disturbance rejection
Tipe

Parameter

Kontroler
2,4 L

TI
0%
overshoot

0,95T
KL
0,42L

KP

Td
TI
20 %
overshoot

2L

1,2T
KL
0,42L

KP

Td

16

Masing-masing spesifikasi mempunyai kelemahan dan
kekurangan yaitu ketika menggunakan spesifikasi 0 % overshoot maka
respon sistem akan menjadi lambat dibandingkan dengan 20 % overshoot.

2.4

Indeks Performansi [10]

Kontrol optimal tidak dapat didefinisikan dengan tepat. Solusi
yang menurut sebuah masalah adalah kondisi optimal, mungkin bukan
nilai yang optimal bagi permasalahan lain. Indeks performansi banyak
digunakan oleh kalangan praktisi dan juga akademisi untuk membantu
dalam menentukan kualitas dari sebuah sistem. Indeks performansi
sendiri sebenarnya adalah fungsi hubungan dimana beberapa karakteristik
sistem seperti kondisi optimal dari sistem didefinisikan. Indeks
performansi secara umum dapat dirumuskan pada Persamaan 2.27 dimana
J adalah indeks performansi dan e adalah kesalahan.


J

 f (e)dt

(2.27)

0

Nilai indeks performansi ini mengindikasikan seberapa bagus
performansi dari suatu sistem. Pada penjelasan selanjutnya akan dibahas
mengenai beberapa indeks performansi untuk kriteria kesalahan yang
biasa digunakan dalam perancangan kontroler.
2.4.1 Mean Square Error (MSE)
Indeks performansi MSE didefinisikan pada Persamaan 2.28.
Indeks performansi tersebut secara matematis cocok digunakan untuk
mendesain sistem dengan orde rendah.

1
  2

J  Lim



 e (t )dt
2

(2.28)



Kelebihan dari indeks performansi MSE antara lain mudah
dioperasikan secara matematis, biasanya diaplikasikan untuk masukkan
berupa unit step. Beberapa kekurangan jika meminimumkan nilai MSE
dapat mengakibatkan sedikit redaman pada sistem orde tinggi dengan
nilai waktu tunak dan overshoot yang tinggi. Sistem dengan indeks
performansi ini cenderung tidak sensitif terhadap variasi parameter.

17

2.4.2 Integral Square Error (ISE)
Indeks performansi ISE ditunjukkan pada Persamaan 2.29. Indeks
performansi ini sangat dekat hubungannya dengan MSE.




J  e 2 (t )dt

(2.29)

0

Indeks performansi ISE memiliki karakteristik yang hampir sama
dengan indeks performansi MSE. ISE selain digunakan untuk mendesain
sebuah kontroler, juga digunakan sebagai kriteria analisa mengenai
seberapa baik sebuah sistem dengan kontroler dalam mengatasi
pembebanan.
2.4.3 Integral of Time Multiplied Square Error (ITSE)
Indeks performansi ITSE ditunjukkan pada Persamaan 2.30.
Indeks performansi ITSE secara umum cocok digunakan untuk sistem
dengan sinyal uji berupa sinyal step.




J  te 2 (t )dt

(2.30)

0

Indeks ini memiliki karakteristik untuk menghilangkan kesalahan
yang besar dengan cepat seperi kesalahan yang dihasilkan pada fase
transient sebuah sistem. Perbedaan dengan kriteria ISE hanya terdapat
tambahan bobot waktu pada kriteria ITSE.
2.4.4 Integral of Squared Time Multiplied by Squared Error (ISTSE)
Indeks performansi ISTSE ditunjukkan pada Persamaan 2.31.
ITSE dan ISTSE sangat cocok digunakan pada respon sinyal step.




J  t 2 e 2 (t )dt

(2.31)

0

ISTSE menuju nilai tunak lebih cepat dibandingkan indeks
performansi lainnya hal tersebut dikarenakan faktor pengali waktu yang
ada padanya. Tetapi ITSE dan ISTSE lebih sensitif terhadap variasi
parameter ketika dibandingkan dengan MSE dan ISE.

18

2.4.5 Integral of Absolute Value of Kesalahan (IAE)
Indeks performansi IAE ditunjukkan pada Persamaan 2.32. IAE
memiliki struktur kriteria yang paling mudah diaplikasikan karena secara
matematis mudah dioperasikan jika dibandingkan dengan kriteria
kesalahan lainnya.




J  e(t ) dt

(2.32)

0

Kriteria ini dapat menghilangkan kesalahan yang besar dan
kesalahan yang kecil jika dibandingkan dengan ISE. Tetapi masih kurang
dalam hal sensitivitas terhadap variasi parameter dan kecepatan dari
respon yang dihasilkan jika dibandingkan dengan ITSE dan ISTSE.
Sistem optimal berdasarkan kriteria ini mempunyai nilai redaman dan
fase transient yang sangat baik.
2.4.6 Integral of Time Multiplied by Absolute Value of Kesalahan
(ITAE)
Indeks performansi dari ITAE ditunjukkan pada Persamaan 2.33.
Bobot pengali waktu pada ITAE membuatnya lebih cepat untuk
meminimalkan kesalahan dibandingkan IAE.




J  t e(t ) dt

(2.33)

0

Jika dibandingkan dengan ITSE dan ISTSE tetapi bukan dalam hal
matematis, ITAE memiliki nilai kesalahan awal yang besar dan kemudian
kesalahan menghilang secara perlahan.

2.5

Kontroler Self-Tuning PID

Proses tuning diperlukan dalam memaksimalkan fungsi kontroler.
Proses tuning dapat dibedakan menjadi dua yaitu offline tuning dan online
tuning. Pada penelitian ini akan diterapkan metode online tuning seperti
Gambar 2.7. Pemilihan metode online tuning dikarenakan dapat berubah
secara otomatis tanpa campur tangan manusia. Mekanisme perhitungan
pada tuning function digunakan untuk menemukan nilai yang tepat untuk
melakukan tuning pada parameter kontroler utama.

19

Gambar 2.7 Diagram blok self-tuning PID

Pendekatan interaksi adaptif pada penelitian ini akan digunakan
sebagai tuning function. Interaksi adaptif akan melakukan perhitungan
yang digunakan untuk tuning terhadap parameter PID yaitu Kp, Ki, dan
Kd. Kontroler self-tuning dengan pendekatan interaksi adaptif diharapkan
dapat membuat kontroler PID lebih tahan terhadap pembebanan.

2.6

Interaksi Adaptif [5]

Interaksi adaptif diperkenalkan pertama kali oleh Robert D Brandt
dan Feng Lin. Metode ini berawal dari hubungan antara masukan dan
keluaran pada Persamaan 2.34. Fungsi waktu (t) dihilangkan untuk
memudahkan perhitungan seperti pada Persamaan 2.35.


y n (t )  f n u n (t ) 
 c y prec (t ), n  N ,


cI n




y n  f n u n 
 c y prec , n  N ,


cI n







(2.34)

(2.35)

Tujuan dari sistem ini adalah menngadaptasikan nilai  c
(connection weight) sehingga indeks performansi E( y1,...,yn , u1,...,un )

20

sebagai fungsi eksternal dari masukan dan keluaran dapat
diminiminalkan. Jika  c diadaptasi dari Persamaan 2.26 dan mempunyai
solusi yang unik, maka indeks performansi E akan menurun sesuai waktu.
Sehingga dapat ditulis seperti Persamaan 2.36. Interaksi antar komponen
penyusun ditunjukkan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Interaksi antara komponen keluaran dan masukan

Gambar 2.8 terdiri dari komponen masukkan dan keluaran yang
dilambangkan dengan device, dimana setiap interaksi antar komponennya
memiliki bobot koneksi. Bobot koneksi tersebut antara lain C1, C2, C3,
dan C4. Bobot koneksi inilah yang diadaptasi untuk menghasilkan respon
yang sesuai. Terdapat beberapa istilah yang perlu dipahami diantaranya
pre dan post. Pre merupakan istilah untuk nilai yang keluar dari sebuah
device dan post adalah nilai yang masuk menuju device. Bobot koneksi
dirumuskan pada Persaman 2.36 dan 2.37.


 c  

A

E 
 F ' postc[ x postc]  y prec,

postc


  A   y


 cOn

s s

dE
 F ' postd [ x posts ]
dy posts
dE
 F ' postd [ x posts ]  y postc
dy posts

21

(2.36)

(2.37)

Dengan melakukan penyederhanaan sehingga didapatkan solusi
yang unik pada Persamaan 2.38.

c  

E
 c

(2.38)

dimana Persamaan 2.38 didekati dengan persamaan rantai
sehingga didapatkan pendekatan pada Persamaan 2.39

 c  

E
 F ' postc [ x postc]  y prec ,
y postc

22

(2.39)

BAB 3
PERANCANGAN SISTEM
3.1

Gambaran Umum Sistem

Pada penelitian ini dirancang sebuah sistem Supervisory Control
And Data Acquisition (SCADA) dengan arsitektur seperti pada Gambar
3.1.

Gambar 3.1 Arsitektur sistem SCADA

Arsitektur sistem SCADA yang dirancang terdiri dari 3 buah
komponen utama yaitu Remote Terminal Unit (RTU), Master Terminal
Unit (MTU), dan jaringan komunikasi. Masing-masing RTU mengontrol
satu buah plant. Plant yang dikontrol adalah PCT-100 dan motor DC.
Hubungan antara RTU dan plant dilakukan melalui ADAM 5000 L/TCP
dan Advantech USB 4716 sebagai akuisisi data. Pemilihan perangkat juga
berpengaruh terhadap sistem yang akan dirancang. ADAM 5000 L/TCP
memiliki sampling rate sebesar 10 S/detik oleh karena itu sesuai
digunakan pada PCT-100 karena karakteristik sistemnya yang cenderung
lama. Advantech USB 4716 memiliki sampling rate 200kS/detik,
sehingga sesuai digunakan pada sistem pengaturan kecepatan motor DC
yang memiliki karakteristik respon yang cepat. Fokus peneletian saya
berada pada sistem pengaturan level PCT-100.

23

Gambar 3.2 menunjukkan diagram blok sistem pengaturan level
yang akan dirancang. Diagram blok yang disusun hampir sama dengan
sistem pengaturan level pada umumnya hanya saja terdapat metode tuning
otomatis terhadap kontroler PID. Tuning otomatis tersebut menggunakan
prinsip dari interaksi adaptif yang diusulkan oleh Feng Lin dan Robert D.
Brandt [5].
Sistem yang akan diimplementasikan seperti Gambar 3.2 terdiri
dari beberapa komponen penyusun diantaranya kontroler berupa
algoritma program yang dibuat pada LabVIEW. Komputer berisikan
LabVIEW akan dihubungkan dengan PCT-100 menggunakan OLE for
Process Control (OPC). OPC yang digunakan adalah KepserverEx.
Kepserver akan dihubungkan pada ADAM 5000 L/TCP. ADAM 5000
akan memberikan sinyal kontrol berupada tegangan 0 -10 V kepada
pompa dan membaca sinyal analog dari sensor level berupa tegangan 0 –
10 V. Pompa akan bekerja sesuai dengan sinyal kontrol yang diberikan.
Level air yang ada didalam tangki proses akan dibaca oleh sensor level
dan diumpan balikkan kepada referensi sebagai pembanding. Jika data
sensor level masih belum sesuai dengan referensi maka akan dilakukan
koreksi oleh kontroler. Selain itu, pada penelitian ini dilakukan pengujian
beban yang direpresentasikan dengan control valve untuk menguji kinerja
dari kontroler yang dibuat.

Gambar 3.2 Diagram blok sistem pengaturan level secara umum

3.2

Pemodelan Plant

Pemodelan plant dilakukan mengacu pada Gambar 2.5 terdiri dari
pemodelan pompa, pipa, tangki dan sensor

24

3.2.1 Pemodelan Pompa
Mengacu pada Persamaan 2.1 dengan memasukkan rentang debit
3

air yang keluar dari pompa antara 0 - 58.33 cm / s . Rentang tegangan
masukan antara 0 – 10 V didapatkan hasil pada Persamaan 3.1.

K1 

58.33  0
 5.83 cm 3 / sV
10  0

(3.1)

3.2.2 Pemodelan Pipa
Mengacu pada Persaman 2.2 dengan memasukkan data diameter
pipa sebesar 1 cm, panjang pipa sebesar 90 cm dan dengan debit air yang
masuk 16.67 cm 3 / s didapatkan Persamaan 3.2.



70.65
 4.23s
16.67

(3.2)

Jika dihubungkan dengan sistem pengaturan level maka waktu
tunda yang terjadi dapat dituliskan pada Persamaan 3.3.

e s  e 4.23s

(3.3)

3.2.3 Pemodelan Tangki
Nilai Q0 didapatkan dengan melakukan uji pengosongan tangki.
Diambil titik kerja ketika nilai h0 sebesar 7.5 cm didapatkan nilai Q0
seperti pada Persamaan 3.4.

Q0 

V 1507.2

 13.701cm 3 / s
t
110

(3.4)

V adalah volume air yang keluar dan t adalah waktu yang
dibutuhkan untuk mengosongkan tangki. Mengacu pada Persamaan 2.4
dan Persamaan 2.9 didapatkan nilai R dan C pada Persamaan 3.5 dan 3.6.
7.5
R
 0.547 s / cm 2
(3.5)
13.701

C  200.96cm 2

(3.6)

25

Fungsi alih pada Persamaan 3.7 didapatkan melalui substitusi
Persamaan 3.5 dan Persamaan 3.6 pada Persamaan 2.15.

H ( s)
0.547

Qin ( s) 109.92s  1

(3.7)

3.2.4 Pemod