## PENERAPAN ADVANCED PID TUNING PADA PLANT YANG CRITICALLY STABLE : HEIGHT LEVITATION PINGPONG BALL
M.Iqbal Nugraha 1 , Aan Febriansyah 2 , A.F.Khoiri 3 , D.Pratama 4 1,2,3,4 Jurusan Teknik Elektro – Politeknik Manufaktur Negeri Bangka Belitung Kawasan Industri Air Kantung, Sungailiat – Bangka, 33211 Email: iqbal@polman-babel.ac.id

## Abstract
PID  controller is the most  popular feedback  controller in  industry.  It has been known that  PID controller is capable to provide a good control performance despite having a simple algorithm and easy to understand. However, the most common problem of using this control system is that it is difficult to stipulate  the  most  appropriate  constants  to  each  controller  or  tuning.  This  project  implemented advanced PID  tuning which involves several tuning methods to acquire best performance on system or plant which is volatile or critically stable such as controlling height levitation pingpong ball. The tuning methods used and compared were Ziegler-Nichols (ZN) and Chien-Hrones-Reswick (CHR). Tuning process and monitoring were performed in real time using Simulink-Arduino. Based on experimental result, CHR method gave better performance compared to ZN method. ZN resulted  in overshoot, rise time, settling time, and steady state error  of 48%, 0.85s, 3.8s, and ±2cm respectively, while  CHR method resulted  in overshoot, rise time, settling time, and steady state error of 14%, 1.15s, 1.4s, and ±1cm respectively.
Keywords : PID, Tuning, Simulink, ZN, CHR

## Abstrak
Kontroler  PID  adalah  kontroler  berumpan  balik  yang  populer  di  dunia  industri.  Kontroler  PID terbukti dapat memberikan performansi kontrol yang baik meski mempunyai algoritma sederhana dan mudah  dipahami.  Namun,  permasalahan  yang  paling  umum  dalam  penggunaan  sistem  kontrol  ini adalah  dalam  penetapan  konstanta  pada  masing-masing  kontroler  atau  tuning.  Proyek  ini  mencoba menerapkan  advanced  PID  tuning  yang  didalamnya  melibatkan  beberapa  metode  tuning  untuk mendapatkan performansi terbaik pada suatu sistem atau plant yang bersifat labil atau critically stable seperti  pada  pengontrolan  ketinggian  bola  pingpong.  Metode    tuning    yang  digunakan  dan dibandingkan  adalah  Ziegler-Nichols  (ZN)  dan  Chien-Hrones-Reswick  (CHR).  Proses  tuning  dan monitoring  dilakukan  secara  real  time  menggunakan  media  Simulink – Arduino.  Berdasarkan  hasil percobaan  diperoleh  bahwa  metode  CHR  menghasilkan  perfomansi  yang  lebih  baik  dibandingkan dengan metode ZN. Dengan menggunakan ZN dihasilkan secara berurutan overshoot, rise time, settling time dan steady state error sebesar 48%, 0.85s, 3.8s dan  ±2cm, sedangkan pada CHR dihasilkan secara berurutan overshoot, risetime, settlingtime dan steady state error sebesar 14%, 1.15s, 1.4s, dan±1cm.
Kata kunci : PID, Tuning, Simulink, ZN, CHR

## 1. PENDAHULUAN
PID merupakan salah satu jenis kontroler yang sering digunakan dalam dunia elektronika. Tak dapat dipungkiri, sampai saat ini kontrol PID (Proporsional Integral Derivative) merupakan satu-satunya strategi  yang  paling  banyak  diadopsi  pada  pengontrolan  proses  industri.  Berdasarkan  survey,  97% industri  yang  bergerak  dalam  bidang  proses  (seperti  industry  kimia, pulp ,  makanan,  minyak  dan  gas) menggunakan PID sebagai komponen utama dalam pengontrolannya.
Kepopuleran  PID  sebagai  komponen  kontrol  proses  dilatarbelakangi  terutama  oleh kesederhanaan struktur, serta kemudahan dalam  melakukan tuning parameter kontrolnya [1]. Namun terkadang  masih  terjadi  kesulitan  dan  kesalahan  yang  terjadi  dalam  proses tuning pada  saat penerapannya. Disamping itu, tidak semua semua plant yang ada di industry itu bersifat stabil dan dapat dimodelkan secara matematika, sehingga untuk plant yang memiliki karakteristik unik maka cara tuning -
nya pun unik. Untuk plant yang memiliki karakteristik unik metode tuning simple seperti trial and error tidak  cocok  digunakan  sehingga  dibutuhkan  metode  khusus.  Proyek  ini  akan  mencoba  menerapkan metode tuning Ziegler-Nichols  dan  metode tuning Chien-Hrones-Reswick  dengan  alat  peraga  berupa sebuah height levitation pingpong ball sebagai plant dengan karakterisasi unik.

## 2. METODE PENELITIAN
Tuning bertujuan  untuk  mendapatkan  kinerja  sistem  sesuai  spesifikasi  perancangan  [3]. Pengujian alat akan menggunakan metode tuning PID yang popular digunakan sebagai berikut: 1. Metode Ziegler-Nichols 2. Metode Chien-Hrones-Reswick (C-H-R)
Pemilihan metode di atas didasari oleh plant yang digunakan bersifat critically stable .

## 2.1 Metode Ziegler-Nichols
Metode Ziegler-Nichols  (ZN)  merupakan metode yang umum digunakan  dalan tuning PID kontrole  [4]. Meski  metode  ini  dipublikasikan  pada  tahun  1940  namun  masih  digunakan  secara  luas.  Metode step response berdasarkan  pada step  response pada  rangkaian open  loop suatu plant [5].  Terdapat  2  cara penentuan nilai PID menggunakan metode Ziegler-Nichols antara lain:
-Metode Step Response
Metode  ini  merupakan  metode  yang  digunakan  pada  sistem  yang open  loop .  Sistem  akan  di trigger menggunakan sinyal step kemudian dari hasil output system akan di dapatkan nilai K, L, T dan a = K (L/T).
Gambar 4. Permodelan Sistem dan Output Dengan Metode Step Response Ziegler-Nichols
Dimana  K adalah nilai output tertinggi sistem, L adalah dead time , dan T adalah waktu tunda system  hingga  mencapai  63%  kesetabilan.  Setelah  didapatkan  nilai  K,  L,  T,  dan  a  maka  barulah  dapat ditentukan nilai PID menggunakan tabel 1.
Tabel 1 PID dengan metode Step response Tipe pengontrol Kp Ti Td P T/L ~ 0 PI 0.9 T/L L/0.3 0 PID 1.2 T/L 2L 0.5L
-Metode Osilasi Metode ini digunakan pada sistem yang close loop . Hal pertama yang dilakukan adalah mengubah nilai I dan D pada sistem menjadi 0, kemudian nilai Kp akan di- setting hingga sistem berosilasi terus menerus.
Gambar 6. Permodelan Sistem dan Output Dengan Metode Osilasi ZN
Dari kurva output sistem akan didapatkan nilai Kp yang merupakan ultimate gain (Ku), Pu yang merupakan Ultimate  Period .  Kedua  nilai  yang  diperoleh  akan  digunakan  untuk  menentukan  nilai  PID sesuai tabel 2.
Tabel 2 PID dengan metode Osilasi Tipe pengontrol Kp Ti Td P 0.5 Ku PI 0.45 Ku ½ Pu PID 0.6 Ku 0.5 Pu 0.125 Pu PID with no overshoot 0.2 Ku Pu/2 Pu/3

## 2.2 Metode Chien-Hrones-Reswick (C-H-R)
Metode C-H-R merupakan modifikasi dari metode Ziegler Nichols[6], metode ini diciptakan oleh Chien-Hrones-Reswick  pada  tahun  1952  yang  mana  menghasilkan  kompensator  yang  lebih  baik  untuk aplikasi proses kontrol.
Metode C-H-R memanfaatkan Metode Open Loop ZN yang menggunakan step response untuk menentukan nilai K, L, T dan a = K (L/T)
Gambar 6. Hasil Metode Step Response Nilai yang di dapatkan kemudian dapat di hitung menjadi nilai P, I, D uuntuk kontroler dengan tabel 3.
Tabel 3 Tabel metode C-H-R Overshoot 0% 20% Tipe Disruption Guide Disruption Guide Kp 0.95/a 0.6/a 1.2/a 0.95/a Ti 2.4L T 2L 1.35T Td 0.42.L 0.5L 0.42L 0.47L

## 3.   HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Rancangan Alat Peraga
Alat  peraga  berupa  tabung  transparan  dimana  pada  bagian  bawah  tabung  dipasang  sebuah blower untuk  meniup  bola  pingpong  dalam  tabung  hingga  berada  pada  posisi  stabil  yang  diinginkan. Gambar 7 merupakan gambar rancangan alat peraga yang dibuat.
140cm 50cm 35cm 45mm C D E A B
Gambar 7. RancanganAlat, (A) TabungTransparan, (B) Box Kayu, (C) Sensor Ultrasonic, (D) Blower , (E) Box Rangkaian Kontrol 3.2 Pengujian dan Analisa 3.2.1 Hasil Uji Coba Metode Ziegler-Nichols
Untuk penentuan nilai awal akan digunakan metode osilasi dari ZN untuk mendapatkan nilai Ku dan  Pu.  Dari  sistem  yang  dijalankan  menggunakan  metode  osilasi  Ziegler-Nichols  didapatkanlah  grafik seperti pada gambar 8.
Gambar 8. Grafik Hasil Metode Osilasi Dari  grafik  pada  gambar  8  didapatkan  nilai  Ku  =  2.7  dan  Pu  =  0.445.  Setelah  nilai  Ku  dan  Pu diproses  sesuai  rumus  pada  tabel  2,  maka  didapatkan  nilai  Kp  =  0.54,  Ki  =  2.426966292134831,  Kd  = 0.0801. Ketika kontroler di- setting menggunakan nilai PID tersebut maka akan menghasilkan grafik pada gambar 9.
Gambar 9. Grafik Hasil Metode Ziegler-Nichols Dari grafik pada gambar 9 didapatkan nilai overshoot = 48%, rise time 0.85s, settling time = 3.8s, steady state error = ±2cm, output yang dihasilkan menggunakan metode ZN sudah cukup bagus dimana system memiliki rise time 0.85s dan mencapai kestabilan dalam waktu 3.8s dan steady state error ±2cm, namun overshoot yang dihasilkan masih cukup besar yakni 48%.

## 3.2.2 Hasil Uji Coba Metode C-H-R
Untuk penentuan nilai awal digunakan metode step response dari ZN untuk mendapatkan nilai K, L, T, dan a. Pertama, program sistem kontrol yang dibuat akan diubah menjadi open loop seperti pada gambar 10.
Gambar 10. Program Sistem Kontrol Open Loop Setelah itu sistem akan dijalankan dengan set point 40 untuk mendapatkan grafik FOTD seperti pada gambar 11.
Gambar 11. Grafik FOTD metode step response
Dari  grafik  FOTD  pada  gambar  11  didapatkan  nilai  K  =  0.92,  L  =  0.3,  T  =  1.05,  dan  a  = 0.2628571428571429, nilai yang didapat, diproses dengan rumus pada tabel 3 maka didapatkan nilai Kp =3.614130434782608, Ki = 1.47, Kd = 0.141.
Ketika kontroler di- setting menggunakan nilai PID tersebut maka akan menghasilkan grafik pada gambar 12.
Gambar12. Grafik Hasil Metode C-H-R
Dari  grafik  pada  gambar  12  didapatkan  nilai overshoot =  14%, rise  time 1.15s, settling  time = 1.4s, steady  state  error =  ±1cm, output yang  dihasilkan  menggunakan  metode  C-H-R  lebih  bagus dibandingkan  dengan  metode  ZN  meskipun  memiliki rise  time yang  lebih  lama  dibandingkan  dengan metode ZN namu metode  C-H-R lebih cepat  mencapai kestabilan dan juga memiliki steady state error yang lebih kecil yakni ±1cm.
Tabel 4 Perbandingan output hasil tuning Output Metode Tuning ZN CHR Overshoot 48% 14% Risetime 0.85s 1.15s SettlingTime 3.8s 1.4s Steady state Error ±2cm ±1cm

## 4.  SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  percobaan  dapat  disimpulkan  bahwa  untuk  system  control  PID  yang digunakan  pada  alat  peraga height  levitation  pingpong  ball ,  metode tuning ZN  dan  C-H-R  dapat diimplementasikan  pada  sistem.  Metode tuning ZN  menghasilkan output dengan overshoot 48%, rise time 0.85s, settling time 3.8s dan steady state error ±2cm, sedangkan metode tuning CHR menghasilkan output dengan overshoot 14%, rise time 1.15s, settling time 1.4s dan steady state error ±1cm. Dari hasil tersebut,  meskipun  memiliki rise  time yang  lebih  lama  namun  metode tuning CHR  lebih  unggul digunakan pada alat peraga height levitation pingpong ball dibandingkan dengan metode tuning ZN.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Setiawan, Iwan. 2008. Kontrol PID Untuk Proses Industri .Penerbit Andi.
[2]. Xue, Jun-jie. Wang, Ying. Li, Hao. Meng, Xiang-fei. And Xiao, Ji-yang. Advanced Fireworks Algorithm and Its Application Research in PID Parameters Tuning . 2016.
[3]. Ogata, katsuhiko. TeknikKontrolAutomatik; 1991.
[4]. J. Nagrath, M. Gopal. Control  System Engineering, New Age International Publications, 3rd Edition ; 2002
[5]. Ogata, katsuhiko. Modern Control Engineering.
[6]. Neil Kuyvenhove. PID Tuning Methods An Automatic PID Tuning Study with MathCad , Calvin College ENGR; 2002.
[7]. Chen, H. C., & Huang, H. H. 2013. Design of buck-type current source inverter fed brushless DC motor drive and its application to position sensorless control with square-wave current . IET Electric Power Applications, 7(5), 416-426.
[8]. Dorf.  R.  C,  Bishop  R.  H.  2008. Modern  Control  System  Eleventh  Edition .  Pearson  International Edition: Prentice Hall.