## PERANCANGAN KONTROL PROPORTIOAL INTEGRAL (PI) PADA SISTEM PENGATURAN DEBIT AIR DALAM TANGKI TERHUBUNG UNTUK MENDUKUNG PEMBELAJARAN PROJEK
Nurwulan Fitriyanti , Reza Fauzi Iskandar, Mujaddid Shibghotul Islam, Indah Wardati, Mohammad Rakha Farizi, Imam Maulana Taufan, Ventiano.
Teknik Fisika, Fakultas Teknik Elektro, Telkom University, nurwulanf@telkomuniversity.ac.id ,

## Abstrak
Kontrol  otomatik merupakan bidang  ilmu yang  multidisiplin, sehingga  dibutuhkan kemampuan matematis dan nalar yang bagus dalam memahami konsep, akan tetapi salah satu kendala yang dihadapi yaitu karakteristik materi yang abstrak dan kemampuan  dasar  mahasiswa  yang  masih  kurang.  Oleh  karena  itu  salah  satu  cara  memperbaiki  hal  tersebut,  dilakukan suatu  inovasi  dalam pembelajaran yaitu dengan  membuat suatu  prototype  sederhana  sebagai  media  pembelajaran dalam memahami  kontrol  otomatik. Kegiatan ini dilakukan untuk mendukung pengembangan keterampilan mahasiswa, terutama dalam  desain  kontrol  untuk  sistem  debit  air.  Sistem  ini  dirancang  terdiri  dari  tiga  tangki,  sensor  flowmeter,  pompa  air, mikrokontroller,  dan  servo  yang  terhubung  dengan  valve  sebagai  actuator.  Sistem  merupakan  loop  terbuka  dengan perkiraan merupakan orde 1 dan memiliki konstanta waktu sekitar 15 detik. Skema kontrol dirancang dengan menggunakan strategi  proportional  integral  (PI).  Hasil  pengujian  alat  menunjukkan    nilai  yang  mendekati    rise  time  (Tr)  60.17  detik, settling time (Ts) 70.32 detik dan steady state error sekitar 7.85% relatif terhadap nilai set point.
Kata kunci : Kontrol Otomatik, Debit Air, Pembelajaran Proyek.

## PENDAHULUAN
kontrol otomatik merupakan bidang ilmu multidisiplin yang tidak  hanya  kemampuan  matematis  dan  fisika  saja  yang dibutuhkan  akan  tetapi  kemampuan  nalar  yang  logis  juga sangat  diperlukan  dalam  memahami  konsep  penting  sistem kontrol  otomatik  sehingga  dibutuhkan  suatu  perubahan dalam  proses  pembelajaran  yang  mampu  meningkatkan pemahaman  dan  keterampilan  mahasiswa.  Salah  satu  cara yang  dilakukan  yaitu  dengan  pembuatan  proyek  secara sederhana,  hal  ini  bertujuan  supaya  mahasiswa  mampu menerapkan  pemahaman  konsep  kontrol  otomatik  pada aplikasi yang sederhana.
Permasalahan  umum  yang  sering  dihadapi  oleh  mahasiswa terkait pembelajaran kontrol otomatis diantaranya karakteristik  materi  yang  bersifat  abstrak  serta  banyaknya analisis  matematis  sehingga  dibutuhkan  kemampuan  dasar yang  dimiliki  oleh  mahasiswa  sebelumnya,  adapun kemampuan  dasar  yang  sangat  menunjang  terhadap pembelajaran kontrol meliputi mekanika fluida, elektrik dan komputer  sains.  Selain  itu  mata  kuliah  kontrol  otomatis merupakan  mata  kuliah  yang  wajib  bagi  mahasiswa    di Prodi  Teknik  Fisika  dikarenakan  materi  yang  dipelajarinya sangat  penting  serta  menunjang  terhadap  pengetahuan  dan wawasan  mahasiswa,  oleh  karena  itu  untuk  mengatasi kesulitan  mahasiswa  dalam  memahami  sistem  kontrol otomatik  dibutuhkan  suatu  inovasi    dalam  pembelajaran yaitu dengan pembelajaran berbasis proyek (Julie E, 2003). Pembelajaran  berbasis  proyek  merupakan  suatu  inovasi dalam  pembelajaran  yang  mengajarkan  strategi  penting, dimana  mahasiswa  didorong  secara  aktif  untuk  terlibat
dalam  pembelajaran  serta  bekerja  sama  untuk  membuat proyek  berdasarkan  pengetahuan  yang  dimilikinya  (Chun Ming, 2012).
Manfaat  dari  pembelajaran  proyek  yaitu  mahasiswa mendapatkan  pengetahuan,  keterampilan  dan  sikap  dari tugas  atau  proyek  yang  dikerjakan  sehingga  dapat meningkatkan  pemahaman  mahasiswa  terhadap  konsep yang  dipelajari  .  Selain  itu  dengan  adanya  pembuatan proyek  yang  sederhana  ini,  bukan  hanya  pengetahuan mahasiswa  yang  bertambah,  akantetapi  kemampuan  sikap dalam bekerja sama, berkomunikasi serta bertanggungjawab akan  muncul  pada  diri  setiap  anggota  kelompoknya (Sumarni, 2012).
Pada  artikel  ini  akan  membahas  mengenai  aplikasi  kontrol proportional integral (PI) pada studi kasus pengaturan debit air  dalam  dua  tangki  terhubung,  perangkat  keras  yang digunakan  yaitu  katup  aktuasi,  sensor  debit  cairan,  sistem dua tangki terhubung dan mikrokontroler sebagai perangkat pengendalian.  Metode  kontrol  PI  dapat  ditentukan  dengan menggunakan  metode  Ziegler  –  Nichols  ( Hang,  C.  C.,  & Åström,  K.  J.  (1987),  yang kemudian  sistem  diuji  dengan nilai aliran acuan.

## a. Desain Sistem Dan Kontrol
Perancangan  alat  yang  dibuat  yaitu  terkait  sistem pengontrolan  laju  aliran  air  dengan  menggunakan  sensor flowmeter, yang mana sistem terdiri dari tiga tangki, sensor flowmeter,  pompa  air,  mikrokontroller,  dan  servo  yang
p -ISSN 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN 2550-0325
terhubung  dengan  valve  sebagai  actuator  yang  terintegrasi menjadi satu subsistem. Untuk desain dari alat terlihat pada gambar 1.
Gambar 1.  Desain Alat
Keterangan :
a. Aktuator (servo) f. Flowmeter
b. Valve 1
g. Controller (Arduino Uno)
c. Tangki 1 h. Pump
d. Valve 2 i. Tangki 3
e. Tangki 2
Struktur sistem dari tangki air, terlihat pada Gambar 2,  sistem  secara  otomatis  menggunakan  kontrol  PI  dengan metode Ziegler Nicols.
Gambar 2.  Struktur sistem dari tangki air
Sistem  yang  dibangun  merupakan    sistem  pengatur  laju aliran  q 3 terhadap  q 2 ,  Debit  (q 2 )  pada  selang  2  merupakan input dari sistem yang telah diatur menggunakan servo dan ditampung  pada  tangki  2  (C 2 ),  Tangki  2  (C 2 )  tersambung pada  tangki  1  (C 1 )  menggunakan  pipa  1,  pada  tangki  2  air keluar  menuju  tangki  pembuangan  melalui  pipa  3  dengan debit  q 3, kemudian  pada  tangki  pembuangan,  dipasang pompa yang mengalirkan air pada tangki sebagai input dari sistem (q 2 ).
Untuk  menunjang  desain  yang  ada,  diperlukan  pemodelan dalam  bentuk  matematis  yaitu  fungsi  transfer.  Di  tangki  1, aliran air q 1 masuk dari tangki 2 menuju tangki 1. Tangki 1 memiliki  capasitansi  C 1 .  Laju  perubahan  volume  pada tangki 1 digambarkan dengan persamaan (1).
. 1 1 1 C h q  (1)
(1)
Aliran q 2 akan dibagi setelah sampai di C 2 menuju q 1 dan q 3 , sementara  dimensi  C 1 dan  C 2 relatif  besar,  hal  tersebut menyebabkan  laju  alir  q 3 juga  lambat,  sehingga  dalam sistem  terkait  hubungan  antara  debit  q 2 dan  q 3 didekati dengan persamaan model orde 1 sebagai berikut :
3 2 1 q q s     (2) (2)
Berdasarkan  hasil  percobaan  awal  yang  telah  dilakukan, diperoleh grafik debit air dalam tangki  seperti pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 3.  Debit air dalam tangki
Dari  grafik  diatas  diperoleh  konstanta  waktu  (τ)  15  detik, sehingga fungsi transfernya menjadi :
( ) 15 1 G s s    (3) (3)
dari  persamaan  diatas,  nilai τ cl tergantung  dari  nilai  τ,  K p , dan  K.  Jika  sistem  loop  tertutup  dipercepat  kali  lipat, maka dapat diasumsikan τ cl   τ. Pada percobaan ini respon sistem akan diupayakan agar menjadi 4 kali lebih cepat dari sistem  awal  maka  nilai  =  0.25,  selain  itu  nilai diasumsikan juga nilai open loop gain (K) = 1, maka :
. cl P
K K    , jika
0, 25 cl    dan K = 1          (4) P i i K K   , jika i    (5)
Integrasi  skema  kontrol  PI  dengan  sistem  seperti  pada gambar 4, berikut
p -ISSN 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN 2550-0325
Gambar 4.  Terminologi dari tangki air

## METODE PENELITIAN
Penelitian  yang  dilakukan  yaitu  pembuatan  projek sederhana  yang  berupa prototyp e  sebagai  media  penunjang dalam  pembelajaran  kontrol  otomatik.  Adapun  tahapan kegiatan  dimulai  dengan  mahasiswa  berdiskusi  dan bekerjasama dengan teman kelompoknya untuk menentukan rancangan atau desain dari alat yang akan dibuat, kemudian setelah selesai alat dibuat, maka dilakukan validasi terhadap system  kontrol,  dan  terakhir  dilakukan  pengujian  secara silang  pada  kelompok  lain  untuk  mengetahui  respon mengenai alat yang dibuat.

## ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Untuk  Analisis  terdiri  dari  analisis  data  hasil percobaan  dan  analisis  hasil  pembelajaran  yang  telah dilakukan.  Untuk  lebih  jelasnya  terkait  analisis  data sebagai berikut :

## 1. Analisis Data Percobaan
Berdasarkan data hasil pengujian alat yang telah dilakukan, maka  diperoleh  grafik  seperti  yang  ditunjukkan  pada gambar  5-8.  Sumbu  Horizontal  pada  gambar  merupakan sampling  interval,  dimana  setiap  2  sampling  interval bernilai 1 detik, sedangkan sumbu vertikal mengidentifikasikan  debit  dalam  satuan  m 3 /detik.  Selama percobaan setiap detik diwakili oleh 2 data percobaan. Dari hasil  percobaan,  bahwa  respon  sistem  cenderung  lama  dan tidak  ada overshoot .  Sehingga  dapat  diasumsikan  bahwa sistem  merupakan  orde  1.  Nilai set  point yang  digunakan selama percobaan adalah 80 L/jam atau 2,22x10 -5 m 3 /detik. Karena  sistem  berorde  1  maka  parameter  kontrol  yang digunakan  untuk  mengontrol  debit  adalah  parameter proportional  Kp  dan  parameter  integral  Ki  yang  nilainya sudah dibahas pada bab sebelumnya.
Gambar 5. Sinyal pengukuran  debit air
Gambar 6. Sinyal debit air
Gambar 6. Sinyal eror
p -ISSN 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN 2550-0325
Gambar 8. Sinyal Kontrol PI
Rise  Time (Tr)  merupakan    waktu  yang  dibutuhkan  sistem untuk  naik  dari  5%  sampai  95%  dari  kondisi  stabil, sehingga  dari  data  dapat  ditentukan  bahwa  nilai  Tr  adalah 60,17 detik, sedangkan untuk Settling time (Ts) yaitu data yang diambil pada saat sistem telah masuk 5% pada kondisi tunak, diperoleh nilai Ts yaitu 70,03 detik. Selain itu dengan nilai  sinyal  keluaran  saat  mencapai steady  state mendekati nilai set  point maka  diperoleh  kesalahan  kinerja  sinyal dalam merespon steady state adalah 7,85%.
Pada sistem ini, nilai output dikontrol dengan menggunakan kontrol  PI  untuk  mendapatkan set  point yang  ditetapkan. Sinyal  PI  yang  terbentuk  tergantung  dari  nilai error ,  delta error , dan integral error . Saat nilai error besar, maka sinyal PI  akan  besar  juga  sehingga  sistem  akan  dengan  cepat stabil. Ketika nilai error kecil maka sinyal PI juga kecil hal ini  akan  membuat  sistem  lambat  sehingga  kerja  sistem halus.  Disimulasikan,  mula-mula  kondisi  q3  diset  0  L/m dengan set  point 80L/m  hal  ini  mengakibatkan  nilai error yang besar.
Tampak pada gambar 7, nilai sinyal PI besar pada saat awal. Akan  tetapi,    semakin  lama  nilai error akan  megecil,  nilai sinyal PI nya pun ikut mengecil dan konvergen menuju 600 sampling  interval.  Dari  gambar  diatas  dapat  disimpulkan bahwa  sistem  telah  dapat  mengontrol  dengan  baik  karena sinyal PI konvergen pada nilai yang cukup kecil.

## 2. Analisis Pembelajaran
Untuk  mengetahui efektivitas  pembelajaran  melalui percobaan  dengan  metode  proyek  sederhana  berupa  studi kasus,  maka  dilakukan  survey  kepada  kelompok  lain melalui beberapa pertanyaan yang menunjang dalam bentuk kuisioner,  yaitu  pertanyaan  mengenai  antuasias  mahasiswa dalam mempelajari kontrol otomatik, peningkatan keterampilan  mahasiswa  melalui  desain  kontrol  PI,  dan peningkatan  pemahaman  mahasiswa  terhadap  mata  kuliah kontrol  automatik.  Hasil  kuesioner  ditampilkan  pada gambar 9-11.
Berdasarkan  gambar  diatas,  dapat  terlihat  bahwa  50% responden setuju dan 50% lagi sangat setuju bahwa dengan adanya  alat  peraga  yang  dibuat  dapat  meningkatkan  minat belajar  mahsiswa  terhadap  kontrol  otomatik,  selain  itu aktifitas  desain  kontrol  PI  menggunakan  pendekatan  studi kasus mampu meningkatkan keterampilan mahasiswa dalam merancang  dan  membuat  alat  tersebut  hal  ini  ditunjukkan
Gambar 9. Antusias mahasiswa dalam mempelajari kontrol otomatik
Gambar 11. peningkatan pemahaman mahasiswa terhadap kontrol otomatik melalui alat peraga
Gambar 10. peningkatan keterampilan mahasiswa melalui desain kontrol PI
p -ISSN 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN 2550-0325
dengan  50%  reponden  setuju  dan  50%  lagi  sangat  setuju. Dan  yang  terakhir  penggunaan  alat  peraga  ini  dapat meningkatkan  pemahaman  mahasiswa  terhadap  kontrol otomatik,  dengan  hasil  reponden  yaitu  50%  setuju,  25% sangat setuju dan 25% sangat puas.
Secara  keseluruhan  pembelajaran  melalui  proyek  ini berdampak  positif  terhadap  proses  pembelajaran,  hal  ini sejalan  dengan  beberapa  manfaat  yang  didapatkan  dari penerapan  pembelajaran  berbasis    proyek  yaitu  dapat meningkatkan  minat  belajar  mahasiswa  dan  mampu menambah  keterampilan  mahasiswa  karena  dituntut  untuk bekerjasama  dan  menggali  kemampuannya  dari  berbagai disiplin  ilmu  yang  menunjang, sehingga hal tersebut secara tidak  langsung dapat  membantu  meningkatkan pemahaman mahasiswa terhadap pembelajaran kontrol otomatik.
Selain  itu  dalam  pembelajaran  proyek  juga  dapat meningkatkan sikap saling menghargai dan tanggung jawab terhadap  anggota  kelompoknya,  hal  ini  sangat  menunjang pada keberhasilan dari setiap kelompoknya.

## KESIMPULAN
1. Pembuatan  prototype  debit  air  dipengaruhi  oleh karakteristik  dan  kinerja sistem ,  Hasil  pengujian  alat menunjukkan    nilai  yang  mendekati    rise  time  (Tr) 66.17  detik,  settling  time  (Ts)  70.32  detik  dan  steady state error sekitar 7.85% relatif terhadap nilai set point.
2. Selama  kegiatan  perancangan  dan  pengujian  alat tampak  bahwa  mahasiswa  lebih  antusias  dalam pembelajaran,  sehingga  hal  tersebut  dapat  membatu pemahaman  dan  pengetahuan  mahasiswa  terhadap materi kontrol otomatik secara lebih baik lagi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    Mills,  Julie  E.  (2003).  Engineering  Education  -  is Problem  based  or  Project-Based  Learning  The  Answer? Australian Journal of Engineering Education.
[2]  Hung,  Chun  Ming  (2012).  A  Project-based  Digital Storytelling  Approach  for  Improving  Students’  Learning Motivation,  Problem-Solving  Competence  and  Learning Achievement. Educational Technology & Society .
[3]  Sumarni,  Woro  (2013).  The  Strengths  and  weaknesses of  the  Implementation  of  Project  Based  Learning:  A Review. International  Journal  of  Science  and  Research (IJSR)
[4] Hang, C. C., & Åström, K. J. (1987). Refinements of the Ziegler-Nichols tuning formula for PID auto- tuners. Technical Reports .
[5]  De Paor, A. M., & O'Malley, M. (1989). Controllers of Ziegler-Nichols  type  for  unstable  process  with  time  delay. International Journal of Control , 49 (4), 1273-1284.
[6]  Hägglund,  T.,  &  Åström,  K.  J.  (2002).  Revisiting  The Ziegler ‐ Nichols  Tuning  Rules  For  Pi  Control. Asian Journal of Control , 4 (4), 364-380.
[7]  S.M.  Girirajkumar,  K.Ramkumar,  Bodlarakesh,  Sanjay Sarma O.V. and Deepak Jayaraj,”Real Time Interfacing of a Transducer  with  a  Non-Linear  Process  Using  Simulated Annealing”,
Sensors and Transducers Journal, Vol.121,Issue 10, October 2010, Pp.:29-4.1