## RANCANG BANGUN KONTROL PID PADA SPEED OBSERVER GENERATOR DC BERBASIS ARDUINO UNO
M. Galih Adi P. 1 , Bambang Sri Kaloko 1
1 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
Email: galihprakoso1927@gmail.com

## ABSTRACT
In this study discusses the development of observer to the generator speed direct current (DC) that is  controlled  using  the  rotary  encoder  sensor  built  using  the  Arduino  UNO  with  recording capability  of  the  two  systems  is  also  compared.  Testing  is  done  to  see  readings  observer  error indicates  that  the  observer  is  sufficient  with  an  average  error  of  0.81%  of  the  speed  sensor readings in this case be used as a standard. Application of PID control as the control of the speed observer DC generators that keep the generator speed setpoint despite the load current increases. Referring  to  the  curve  of  speed  and  power  relations  in  the  prime  mover  speed  setpoint  is  to improve the reliability and performance of the DC generator. PID control makes speed generator is stable at voltage setpoint. PID parameters used are Kp = 0.77, Ki = 0.0083 and Kd = 0.0096. After applying PID control value obtained rise time of 0.51 s, the steady-state error 1:28%. Testing is done by giving a resistive load to the setpoint speed of 1500 rpm, 2000 rpm and 3000 rpm and load  variations  that  are  used  50  Ω  and  25  Ω.  For  steady-state  error  value  obtained  supreme 17:21%  when  the  setpoint  of  3000  rpm  and  the  lowest  was  0.004%  at  2000  rpm  setpoint.  The highest value of recovery time on a setpoint of 3000 rpm that can not be returned to the setpoint and the lowest was 0.6 s current setpoint 1500 rpm.
Keywords: Arduino Uno R3, DC Generator, PID, Speed Observer

## PENDAHULUAN
Generator DC merupakan sebuah perangkat  mesin  listrik  dinamis  yang  mengubah energi  mekanis  menjadi  energi  listrik  searah. Secara umum generator DC tidak berbeda dengan motor  DC  kecuali  pada  arah  aliran  daya. Berdasarkan cara memberikan fluks pada kumparan  medannya,  generator  arus  searah  DC dapat  dikelompokkan menjadi  dua,yaitu : generator  berpenguatan  terpisah  dan  generator berpenguatan sendiri [1].
Kecepatan  generator  DC  dapat  dikontrol dengan  mengubah  tegangan  yang  diberikan  ke armature  atau  dengan  mengubah  arus.  Modern Generator  DC  sering  dikendalikan  oleh  sistem elektronik disebut DC drive. Perhitungan kecepatan  di  motor  penting.  Hal  ini  dapat digunakan dalam proses kontrol.Kecepatan pengukuran  adalah  mengharuskan  untuk  proses pengendalian, pemantauan, pengujian, dll. Pendekatan konvensional untuk mengukur kecepatan  adalah  spedometer,  seperti encoders ,
tachometer , dan sebagainya. Dalam penelitian ini, untuk  mengatasi  ketidakefektifan  dari hall  effect dengan melakukan perhitungan kecepatan menggunakan Observer. Sebuah observer kecepatan menggunakan pendekatan nilai tegangan  dan  arus  pada  generator,  dimana  besar tegangan  dan  arus  generator  digunakan  untuk mengetahui nilai kecepatannya. Untuk mengetahui  nilai  tegangan  dan  arus,  peneliti menggunakan  sensor  tegangan  dan  arus.  Dimana sensor tegangan dan arus bersifat statis atau diam, sehingga  dapat  dipasang  dalam  keadaan plan jarak  jauh  ataupun  jumlah plan yang  lebih  dari satu.  Monitoring  akan  lebih  mudah  karena  dapat dipasang dalam satu DC drive . Suatu plan dengan kehandalan yang tinggi membutuhkan sistem pengendali sebagai kontrol. Dalam  hal  ini  peneliti  menerapkan  kontrol algoritma  PID  pada  observer  kecepatan.  Kontrol konvensional  PID  sudah  banyak  dibahas  pada penelitian-penelitian sebelumnya salah satu dipaparkan  pada  jurnal.  Kontrol  PID  dapat mengatur  suatu plan agar  mendapatkan  nilai
output yang diinginkan dengan mendapatkan nilai feedback dari  nilai output pada plan dan  stabil.
Oleh  karena  itu  kontrol  PID  ini  dapat diimplementasikan  untuk  mengontrol  kecepatan pada generator DC bila terjadi penurunan maupun peningkatan  beban,  kecepatan  generator  akan kembali  ke set  point yang  sudah  ditentukan dengan feedback kecepatan generator DC

## TINJAUAN PUSTAKA
Generator Direct Current (DC) Generator DC
merupakan sebuah perangkat  mesin  listrik  dinamis  yang  mengubah energi  mekanis  menjadi  energi  listrik  yang menghasilkan  arus  DC  atau  arus  searah. Generator  DC  dibedakan  menjadi  beberapa  jenis berdasarkan  dari  rangkaian  belitan  magnet  atau penguat  eksitasinya  terhadap  jangkar  (angker), jenis  generator  DC  yaitu:  generator  penguat terpisah,  generator  shunt,  generator  kompon. Kecepatan  ini  penting  pada  generator  karena tegangan output yang  dihasilkan  sebanding dengan  kecepatan  poros  generator  sebagaimana dinyatakan dalam persamaan [2].
(1)
Sistem Speed Observer
Sampai  saat  ini  belum  ada  publikasi  yang khusus membahas tentang observer yang digunakan  untuk  menggantikan  sensor  seperti yang  akan  dilakukan  dalam  penelitian  yang diusulkan. Pembahasan dalam bagian ini berkaitan dengan observer yang sudah dikembangkan  dalam  penelitian  lain  yang  dapat digunakan  sebagai  rujukan  dan  diaplikasikan dalam  kegiatan  penelitian  ini.  Salah  satu  model observer kecepatan adalah obeserver yang berkeja berdasarkan prinsip komutasi. Hal ini dikarenakan  pada  generator  arus  searah  yang berkerja  dengan  komutator  dan  brush  selalu terjadi  ripple,  baik  pada  arus  maupun  pada tegangan output generator.

## Sistem Kontrol PID
Pengendali PID telah secara luas digunakan  dalam  industri,  yaitu  hampir  sebesar 90  %.  Hal  ini  dikarenakan  jika  pengendali  ini diatur  dengan  baik  maka  akan  menghasilkan pengendalian  PID  yang  sangat  baik.  Selain  itu pengendali ini juga sederhana dan diimplementasikan dengan mudah. Skema pengendalian PID ditunjukkan oleh gambar 1.
Controller Process + - U(t) Process e(t) Command Σ Kp 1Ki/s sKd Gambar 1. Skema Pengendali PID

## METODOLOGI PENELITIAN
Mencapai  hasil  penelitian  yang  sesuai dengan  tujuan  yang  diharapkan,  tahapan  dari penelitian  ini  selanjutnya  direncanakan  dalam tahapan – tahapan yang berisi kegiatan penelitian sebagaimana dijelaskan dalam bagian berikut
.

## Blok Diagram Sistem
Perancangan  diagram  blok  sistem  pada gambar 2 adalah rancangan secara sederhana dari penelitian  yang  dilakukan.  Prinsip  kerja  dari penelitian  ini  dapat  digambarkan  pada  blok diagram  sistem  seperti  terlihat  pada  gambar  2. Ketika prime  mover yaitu air  motor diberi  aliran udara  dari  kompresor  akan  berputar  dan  juga memutar  generator,  maka  akan  menghasilkan tegangan  dan  arus output tertentu.  Dalam perancangan ini akan diberi beban yang bervariasi sehingga  didapat  arus output generator  yang berubah-ubah.  Nilai  tegangan  dan  arus  yang terbaca  oleh  sensor  SV  dan  SA,  kemudian dikonversikan  menjadi  nilai  kecepatan  putaran generator.  Persamaan  kecepatan  dirubah  ke persamaan  deskrit  agar  dapat  diolah  ke  dalam arduino  uno  R3  yang  akan  dijadikan speed observer
. Perancangan Hardware
Dalam bagian ini akan dibahas mengenai pengujian  perangkat  keras  yang  diperlukan  dan dibuat  dalam  penelitian  ini.  Hasil  pengujian disajikan dan dibahas dalam Bab 4.
1) Perancangan Rangkaian INA 219 INA  219  pada  penelitian  ini  digunakan untuk  mengindentifikasi  tegangan  dan  arus output  pada  generator  DC.  Dimana  pin  I/O sudah  dijelaskan  pada  bab  sebelumnya.  Pin yang  digunakan  adalah  VCC  5  V,  GND,  A0 dan  A1,  SCL  dan  SDA  yang  akan dihubungkan  dengan  board  microcontroller berupa  arduino  uno  R3.  Berikut  wiring
rangkaian INA 219 dengan arduino UNO R3. Perancangan rangkaian INA  219 dapat dilihat pada gambar 3.
Arduino UNO-R3 Algoritma Kontrol PID ST M AM PMDC PWM Speed Obesrver ADC Set Point EC SA SV Gambar 2. Diagram Blok Sistem Sistem Speed Observer
Untuk menentukan
estimasi nilai kecepatan  dari  generator  DC  magnet  permanen, maka  dapat  dilakukan  dengan  menggunakan persamaan [3].
ω r = (2)
Persamaan  kecepatan  generator  (2)  masih dalam  satuan  rad/s  yang  harus  dirubah  ke  dalam satuan rpm.
SO = (3)
Sehingga
SO = (4)
Untuk kondisi steady state = 0 maka
SO = Vt.K 2 + Ia.Ra.K 2
K 2
(5) Karena Ra adalah konstanta maka SO = Vt.K2 + Ia.K3 (6)
Dengan  hubungan  kecepatan  dengan  tegangan dan  arus  dapat  ditulis  dengan  persamaan  linier sebagai berikut.
SO = a + b1.Vt + b2 Ia (7) Kontrol PID Perancangan kontrol PID
diskrit diperlukan  algoritma  program  kontrol  PID  agar menjadi kontrol yang sesuai yang akan dimasukan  ke  dalam  program  arduino.  Program
algoritma  PID  pada  arduino  meliputi  proses inisialisasi, tuning parameter, akumulasi error dan perhitungan  PID  sebagai  proses  berjalannya motor  servo  yang  digunakan  untuk  mengatur aliran  tekanan  udara  yang  masuk  ke  air  motor sehingga kecepatannya dapat diatur.
Gambar 3. Wiring Rangkaian INA 219 Pada
Arduino

## Diagram Alir Penelitian
Mulai Studi Literatur Percobaan Pengujian Perancangan dan Penerapan PID Pada Speed Observer Rise Time  < 1 s Settling Time < 3 s ESS < 5% E% Observer < 1.9 % Pengujian Speed Observer dengan PID Analisa Data dan Penyusunan Laporan Selesai Y N Kesimpulan dan Saran Gambar 4. Diagram Alir Penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Kalibrasi
Tabel  1  membahas  kalibrasi  pada  hasil pembacaan  sensor  dan  alat  ukur  yang  akan dijadikan  acuan  sebagai  nilai output generator.
Kalibrasi  sensor  ini  meliputi  kalibrasi  terhadap sensor tegangan, arus, dan kecepatan.  Dalam hal ini  proses  kalibrasi  dilakukan  dengan  cara melakukan  perbandingan  antara  alat  ukur  dengan hasil  pembacaan  sensor.  Untuk  persamaan error % seperti sebagai berikut.
(8)
Dengan  keterangan  Hp  merupakan  hasil pengukuran  dari  alat  ukur  sedangkan  Ht
merupakan  pembacaan    dari  sensor.  Dengan mempertimbangkan  keperluan  penelitian speed observer pada generator dimana kalibrasi seluruh sensor  mempunyai  rata  –  rata error persen dibawah 1 %.
Tabel 1. Hasil Kalibrasi Sensor Tegangan (V) Arus (A) Kecepatan (rpm) Vp Vt E (%) Cp Ct
E (%) Sp St E% 1.007 1 0.69 0.18 0.18 0 318 321 0.94 3.01 3 0.33 0.38 0.38 0 600 601 0.17
5.42 5.41 0.18 0.56 0.56 0 1231 1233 0.16 8.03 8.08 0.62 0.74 0.73 1.35 1540 1543 0.19 12.01 12.04 0.24 0.92 0.92 0 1851 1853 0.11 17 17.04 0.23 1.1 1.1 0 2130 2133 0.14 20.11 20.1 0.04 1.37 1.38 0.72 2412 2416 0.17 23.15 23.18 0.12 1.46 1.47 0.68 2705 2730 0.92 Rata-rata 0.28 Rata-rata 0.34 Rata-rata 0.35%
Pembentukan Persamaan Speed Observer
Pada  gambar  5  menjelaskan,  perubahan kecepatan prime  mover dilakukan  dengan mengatur valve yang  dibuat  dengan  motor  servo memutar  kekanan  maupun  kekiri  secara  manual yang  menandakan valve terbuka  tertutup.  Untuk mendapatkan  nilai  arus  beban  yang  bervariasi dilakukan  menambah  dan  mengurangi  beban resistif  pada  generator.  Percobaan  dilakukan dengan mengambil data hubungan antara tegangan, arus dan kecepatan dari hasil pembacaan  sensor.  Data  berikut  akan  digunakan untuk  mendapatkan  nilai  konstanta  a,  b1  dan  b2 melalui perhitungan regresi linier.
Proses regresi linier menghasilkan nilai a = -3.9564,  b 1 =  150.3448  dan  b 2 =  351.2057, sehingga Persamaan (7) dapat dituliskan sebagai:
SO = -3.9564 + 150.3448 VS + 351.2057 CS (9)
Persamaan  (9)  adalah  persamaan  observer kecepatan  yang  kemudian  digunakan  untuk menggantikan  pembacaan  sensor  kecepatan  SS [4].

## Pengujian Speed Observer
Pengujian  untuk  kerja  observer  kecepatan ini  dilakukan  dengan  melakukan  beberapa percobaan.    Percobaan  pertama  dilakukan  untuk melihat  error  pembacaan  observer  terhadap pembacaan  SS. Gambar  grafik  6  dibuat berdasarkan data keseluruhan observer kecepatan. Perhitungan error rata-rata  dari  pembacaan observer terhadap sensor kecepatan adalah 0.8 %. Untuk error terbesar  saat  kecepeatan  generator rendah  yaitu  202  rpm  dengan error 4.30  %.
Pengambilan data observer yaitu dari range kecepatan  terendah  yaitu  195  rpm  sampai kecepatan tertinggi sebesar 3087 .
Pengujian Speed Observer dengan Kontrol PID
1) Metode Manual Tunning PID
Parameter  PID  terdiri  dari  Kp  untuk parameter propotional ,  Ki  untuk  parameter Integral dan  Kd  untuk  parameter Derivative seperti  pada  tabel  2.  Untuk  mendapatkan parameter  –  parameter  ini  dilakukan  metode manual  tunning yang  telah  dijelaskan  pada  bab sebelumnya. Berikut data pengujian dari pemberian nilai Kp, Ki dan Kd pada kontrol PID. Parameter  –  parameter  kontrol  terbaik  yang digunakan  adalah  Kp  =  0.077,  Ki  =  0.0083  dan Kd = 0.0096 [5]
Gambar 5. Grafik Perbandingan VS, SS dan CS
2) Pengujian PID Terhadap Observer Kecepatan Bervariasi Pengujian  kontrol  PID  terhadap  observer dengan kecepatan yang bervariasi ditujukan untuk melihat  seberapa  besar  respon  yang  dihasilkan kontrol  terhadap  kecepatan  generator  dengan target  kecepatan  yang  berubah-ubah. Setpoint kecepatan  yang  digunakan  antara  lain  1500  rpm, 2000 rpm dan 3000 rpm. Variasi kecepatan dapat dilihat pada gambar grafik 7.
Parameter  PID  yang  sudah  ditentukan menghasilkan  kontrol  saat setpoint 1500  rpm dengan  nilai rise  time 0.59  s ,  setling  time 0.93  s, overshoot 3.03  %  dengan error  steady-state sebesar  0.08  %.  Selanjutnya  saat  kecepatan  naik dari  1500  rpm  ke  3000  rpm  menghasilkan rise time sekitar 1.01 s, overshoot 1.52 %, setling time 1.21  s  dan error  steady-state 0.08  %.  Kemudian saat  kecepatan  turun  dari  3000  rpm  ke  2000  rpm menghasilkan rise time sekitar 1.09 s, undershoot 1.52  %, setling  time 2.27  s  dan error steady-state 1.54 %.
Tabel 2. Mannual Tunning PID Kp Ki Kd Rise Time Settling Time ESS (%) Peak (s) (s) (%) 0.77 0 0 0.46 0.86 0.69 4.72% 1 0 0 0.33 0.79 0.29 5.94% 1.17 0 0 0.33 1.05 0.76 6.85% 0.77 0.0083 0 0.52 1.05 1.75 4.70% 1 0.0047 0 0.3 0.7 1.2 6.70% 1.17 0.0006 0 0.45 1.05 1.38 8.71% 0.77 0.0083 0.0096 0.45 0.85 0.92 2.22% 1 0.0047 0.0015 0.39 1.25 1.14 5.04% 1.17 0.0006 0.0001 0.39 1.05 0.98 6.51%
Gambar 6. Grafik Perbandingan Sensor Kecepatan dan Observer
Gambar 7. Grafik Observer Kecepatan Variasi
3) Pengujian PID Terhadap Obserever Kecepatan Berbeban
Pada  pengujian  ini  dilakukan  dengan menggunakan  target  kecepatan  1500  rpm  yang diberi  pembebanan  resistif.  Pemberian  beban terdapat dua variasi beban yaitu 50 Ω dan 25 Ω
a) Pembebanan 50 Ω Pada  pengujian setpoint 1500  rpm diberikan  beban  50  Ω  dan  25  Ω.  Diperoleh data  saat  pemberian  beban  50  Ω  terjadi undershoot 5.27  %  sehingga  terjadi drop
kecepatan 79.02 rpm dari setpoint 1500 rpm. Waktu  kembali  mencapai setpoint dari drop kecepatan  sekitar  0.59  s  dan  untuk error steady-state yang terjadi adalah sebesar 0.81
% yang dapat dilihat pada gambar grafik 8.
Gambar 8. Grafik Pembebanan 50 Ω
Gambar 9. Grafik Pembebanan 25 Ω
b) Pembebanan 25 Ω
Pada  saat  pemberian  beban  25  Ω
diperoleh nilai undershoot mencapai 3.77 % sehingga  terjadi drop kecepatan  56.51  rpm dari setpoint. Waktu  kembali  mencapai setpoint sekitar 0.66 s dan error steady-state
sebesar 1.1 % seperti gambar 9.
c) Pelepasan Beban 25 Ω Sedangakan saat melakukan
pelepasan  beban  25  Ω  diperoleh  data sebagai  berikut  yaitu  terjadi overshoot kecepatan sebesar 6.66 %, sehingga mengalami drop mencapai  99.85  rpm. Waktu  yang  dibutuhkan  untuk  kembali setpoint sekitar  0.53  s  dan  terjadi error steady-state yang meningkat cukup signifikan  yaitu  sebesar  2.19  %  seperti gambar 10.
d) Pelepasan 50 Ω
Sedangkan saat pelepasan beban 50 Ω  diperoleh  data  sebagai  berikut  yaitu terjadi overshoot mecapai 5.5%, terjadi drop hingga  75.26  rpm. Recovery  time yang dibutuhkan  untuk  kembali  ke setpoint sekitar  0.67  s.  Dengan  terjadinya overshoot yang  cukup  tinggi  justru  memperoleh error steady-state yaitu  sebesar  2.20  %  seperti gambar 11.
Gambar 10. Grafik Pelepasan Beban 25 Ω

## Gambar 11. Grafik Pelepasan 50 Ω

## KESIMPULAN
Kesimpulan  dari  pengujian  dan  analisis data yang telah dilakukan adalah :
1. Hubungan dari tegangan dan arus sangat penting untuk membentuk sebuah observer  kecepatan.  Seperti  yang  sudah dijelaskan,  untuk  mencari  nilai speed observer yaitu melalui analisis hubungan tegangan  dan  arus output generator dengan  nilai  tegangan  11.86  V  dan  arus 1.23  A  menghasilkan speed  observer 2211  rpm  dengan  pembacaan  sensor kecepatan  2213  rpm.  Pembangunan persamaan speed observer menggunakan teori regresi linier menggunakan perhitungan matlab.
2. Perancangan kontrol PID pada pengujian
ini menggunakan metode manual tunning .  Kontrol  PID  yang  digunakan sebagai  pengaturan  kecepatan  pada speed obeserver generator DC didapatkan  nilai  parameter  kontrol  PID yang  sesuai  dengan  plan  adalah  Kp  = 0.77,  Ki  =  0.0083,  dan  Kd  =  0.0096. Pada  pengujian kontrol PID saat digunakan setpoint yang bervariasi tanpa beban,  rise  time  tercepat  yaitu  sekitar 0.48  s  dan error  steady-state terkecil 0.02  %  terjadi  saat setpoint 2000  rpm akan  tetapi  membutuhkan setling  time yang cukup lama yaitu sekitar 2.28 s.

## SARAN
Beberapa saran yang dapat dipertimbangkan untuk  pengembangan  penelitian  selanjutnya adalah:
1. Kontrol PID dapat dikembangkan dengan  kontrol hybrid yaitu  PID-Fuzzy agar dapat mengurangi presentase overshoot dan peak.
2. Pada plan yang  digunakan  dapat
mengganti coupling  shaft yang  lebih kuat agar tidak terjadi slip.
3. Generator  yang  digunakan  dapat  diganti dengan generator AC.
4. Motor  servo  sebagai valve dapat  diganti dengan electric  valve ataupun pnumatic valve agar  menghasilkan recovery  time yang lebih baik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Hameyer,  K.  (2001). Electrical  Machines. Aachen:  Institut  für  Elektrische  Maschinen der RWTH Aachen.
[2]  Chapman.  (2005). Electric  Machinery Fundamentals. New  York:  Library  of Congress Cataloging.
[3]  Hasan,  I.  (2004). Analisis  Data  Penelitian Dengan Statistik. Jakarta: PT Bumi Aksara.
[4]  Widjonarko,  Setiawan,  A.,  &  Afiliasi. Pengembangan  Observer  untuk  Pendeteksi Kecepatan  Brushed  DC  Generator  NC475. elekreonik  Jurnal  Arus  Elektro  Indonesia (eJAEI) .
[5]  Patil,  Jogalekar,  S.,  R.  J.,  &  S.  J.  (2013). Tachogeneratorless Speed Control of Seperately  Excited  DC/PMDC  Motor  Using Observer. International Journal of Innovative Research  in  Science,  Engineering  and Technology , 1086-1091