## PERANCANGAN SISTEM KONTROL KECEPATAN MOTOR DC DENGAN PID LABVIEW 2010
Fauzy 1) , Sugiatmo Kasmungin 2) 1, 2 ) Jurusan Teknik Perminyakan, Universitas Trisakti, Jakarta 11440, email: fauzy.said1107@gmail.com

## Abstract
The  stability  of  the  system  is  the  main  objective  for  Control  System  Design  criteria.  PID  control  with closed loop system is the one of control which can improve the stability of the system from disturbance effect. In this  study,  DC  Motor  Speed  Control  is  designed  with  PID  LabVIEW  2010  Software  and  Proximity  Sensor  as  a closed loop feedback. The system allows the operator to control speed of DC Motor from LabVIEW front panel which  automatically  stabilized  when  load  –which  usually  slow  down  the  speed  of  DC  Motor,  applied.  PID LabVIEW  2010  generates  voltage  output  0-5Vdc  and  drives  DC  Motor  through  analog  output  channel  from NIDAQ 600, which received by Non-Inverting Amplifier and amplified to 0-12Vdc output. PID Control with Closed Loop system may dampen the speed response second order of DC Motor to have value of overshoot number ≈ 0 with steady state error of ±2%. The system feedback can stabilize this condition from outside interference. The result  of  this  speed  control  system  has  success  criteria  of  overshoot  (Mp)  =  0  and  Error  Steady  State  (Ess)  = 0.82%.
Keywords: PID Control, PID LabVIEW 2010, NIDAQ 6008, DC Motor

## Abstrak
Dalam  mendesain  sistem  kontrol,  stabilitas  sistem  merupakan  hal  yang  sangat  penting.  Keberadaan sistem  kontrol  umpan  balik  PID  memungkinkan  kestabilan  sistem  dapat  diraih  meskipun  terdapat  gangguan pada sistem. Dalam penelitian ini, penulis merancang sebuah sistem kontrol kecepatan motor DC. Pada sistem ini digunakan PID LabVIEW 2010 sebagai sistem kontrol dan Sensor Proximity sebagai input dari proses variabel PID LabVIEW 2010. Sistem ini dapat  dioperasikan oleh  operator melalui front panel  LabVIEW.  Operator  dapat mengatur  kecepatan  Motor  DC  yang  kemudian  kecepatan  ini  akan  dijaga  tetap  sama  oleh  sistem  kontrol  ini meskipun  ada  pembebanan/gangguan  dari  luar  sistem  yang  mengakibatkan  penurunan  kecepatan.  PID LabVIEW 2010 ini memberikan keluaran output tegangan 0-5Vdc melalui kanal analog output dari NIDAQ 6008. Tegangan  ini  akan  diterima  oleh  Penguat  Non-Inverting  untuk  dikuatkan  menjadi  0-12Vdc.  Tegangan  ini kemudian  dijadikan  sebagai tegangan input dari  Motor DC.  Sistem  kontrol  PID dengan  umpan balik ini  dapat membuat respon motor DC (respon sistem orde 2) dapat diredam sehingga overshoot ≈ 0 dan error steady state ±2%.  Sedangkan  umpan  balik  dapat  membuat  kondisi  sistem  ini  stabil  meskipun  adanya  gangguan  dari  luar. Hasil  rancangan  sistem  kontrol  kecepatan  ini  memenuhi  kriteria  yang  diharapkan  dengan  overshoot,  Mp  =  0 dan Error Steady State, Ess = 0,82%.
Kata Kunci : Kontrol PID, PID LabVIEW 2010, NIDAQ 6008, Motor DC

## 1. PENDAHULUAN
Berkembangnya  teknologi  tidak  terlepas  dari  kemajuan  bidang  elektronika  khususnya  dalam  Sistem Kontrol Analog. Salah satu aktuator yang sering dipergunakan dalam proses automasi adalah Motor DC. Dalam pemanfaatannya,  Motor  DC dalam  berbagai  hal,  seperti:  robot  pemindah  barang,  konveyor  pada  perusahaan manufaktur dan lain-lain. Setiap motor DC memiliki respon sistem yang berbeda-beda ketika diberikan sebuah inputan  sehingga  diperlukan  sebuah  sistem  kontrol  dapat  membuat  respon  dari  motor  DC.  ini  khususnya kecepatannya  dapat  dikontrol  secara  stabil  walaupun  terdapat  gangguan  dari  luar  sistem  itu  sendiri.  Pada Tugas  Akhir  ini,  PID LabVIEW digunakan  sebagai  sistem  kontrol  otomatis  untuk  mengontrol  kecepatan  dari motor agar tidak terjadi kondisi overshoot dan error steady state yang kecil dengan motor DC sebagai objeknya.
Sensor yang digunakan adalah sensor proximity untuk menghitung banyaknya putaran dari motor DC yang akan ditampilkan pada Man Machine Interface (MMI) sebagai representasi dari frekuensi motor DC tersebut. Sistem kontrol yang digunakan dalam sistem ini adalah PID LabVIEW dengan software Lab VIEW 2010.

## 2. LANDASAN TEORI

## 2.1 Motor DC dan Generator DC
Aktuator  yang  biasa  digunakan  dalam  sistem  kontrol  adalah  motor  DC.  Berikut  ini  adalah  rangkaian listrik dari armatur dan mekanisme dari rotor seperti diperlihatkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Rangkaian pengganti dari motor DC [1]
Fungsi Transfer Sistem :
V • θ = ( )( ) 2 K R Ls b Js K + + +
..............................................(1)
Keterangan :
- J  : Momen Inersia dari rotor ( 2 2 . s m kg )
- b  : rasio redaman dari sistem mekanik ( Nms )
- K  : gaya elektromotif ( Amp Nm )
- R  : resistansi (ohm)
- L  : induktansi (H)
- V  : tegangan input (Volt)
- • θ : kecepatan sudut (rps)

## 2.2 Sistem Kontrol PID
Sebuah  kontrol  PID  adalah  sebuah  mekanisme  kontrol  lup  umpan  balik  yang  secara  luas  digunakan dalam  sistem-sistem  kontrol  pada  Industri.  PID  kontroller  adalah  solusi  untuk  memperbaiki error antara  set point  dan  proses  variabel  dan  outputnya  merupakan  hasil  perbaikan  yang  dapat  diatur  dengan  kriteria  yang diinginkan.[2]
Algoritma dari PID kontroler terdiri dari 3 bagian seperti ditunjukan pada gambar 2.2. Bagian tersebut adalah  kontrol  Proporsional,  Integral  dan  Derivative.  Masing-masing  bagian  memiliki  konstanta.  Dengan mengatur  ketiga  nilai  konstanta  dari  kontrol  PID  maka  kita  bisa  mendapatkan  aksi  kontrol  sesuai  dengan kriteria yang dibutuhkan. Sebuah catatan bahwa penggunaan kontrol PID tidak menjamin kontrol akan optimal dalam suatu sistem.[8]
Ve(t) ∑ + - Kp Ki d dt ∑ + + + Proses Variabel Vpv(t) Vo(t)
Gambar 2.2. Blok diagram PID.[6]
) ( ) ( ) ( ) ( ) ( s Vpv s Vsp s Vout s Vsp s Ve − = − =
[5]
        + + = S Ki KpS KdS s Ve s Vout 2 ) ( ) ( ; ( ) ( ) ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 2 2 2 2 2 s Vsp S Ki S Kp KdS S Ki KpS KdS s Vout s Vsp S Ki KpS KdS S Ki KpS KdS s Vout s Vout S Ki KpS KdS s Vsp S Ki KpS KdS S Ki KpS KdS s Vout s Vsp         + + +         + + =
        + + =                 + + +         + + −         + + =
        + + − = ( ) ) ( 1 ) ( 2 2 s Vsp Ki S Kp KdS Ki KpS KdS s Vout         + + + + + = ………………(2)

## 2.3 Data Akuisisi
Sistim  akuisisi  data  dapat  didefinisikan  sebagai  suatu  sistem  yang  berfungsi  untuk  mengambil, mengumpulkan dan menyiapkan data, hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang dikehendaki. Jenis serta metode yang dipilih pada umumnya bertujuan untuk menyederhanakan setiap langkah yang dilaksanakan pada keseluruhan proses.
Sistem kanal tunggal yang disebut juga sistem akuisisi data sederhana, ditunjukan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Sistem akuisisi data kanal tunggal.[8]
Adapun fungsi masing-masing blok dalam sistem adalah sebagai berikut :
- Tranduser :  berfungsi untuk merubah besaran fisis yang diukur kedalam bentuk sinyal listrik.
- Amplifier
:  berfungsi untuk memperbesar amplitudo dari sinyal yang dihasilkan transduser.
- Filter :  berfungsi untuk membatasi lebar band frekuensi sinyal listrik dari data yang diukur.
- S/H :  berfungsi  untuk  menjaga  amplitudo  sinyal  analog  tetap  konstan  selama  waktu  konversi analog ke digital.
- A/D
:  berfungsi untuk merubah besaran analog kedalam bentuk representasi numerik.
- D/A
:  berfungsi untuk merubah besaran numerik kedalam sinyal analog.
- Komputer
:  berfungsi untuk mengolah data dan mengontrol proses.
Pada  konfigurasi  kanal  tunggal,  komputer  berfungsi  sebagai  pemroses  data  dan  juga  pengontrol penguatan sinyal.
Sistem akuisisi data  yang  menggunakan komputer digital sebagai pengolah datanya, maka  kecepatan ditentukan  oleh  proses  pengubahan  sinyal  analog  ke  digital.  Untuk  mempercepat  akuisisi  data  biasanya digunakan suatu konverter analog ke digital yang berkecepatan tinggi yang disebut dengan FLASH A to D. Bila kecepatan  akuisisi  masih  ingin  dipercepat,  maka  dapat  digunakan  teknik  seperti  yang  diperlihatkan  pada gambar 2.4. Cara ini digunakan dua buah A/D yang bekerja secara bergantian.
Gambar 2.4. Dua Buah A/D untuk Mempercepat Akuisisi
Satu  diantara  sekian  banyak  produk  DAQ  (data  acquisition)  yang  memenuhi  persyaratan  tersebut adalah DAQ USB 6008 produk National Instruments seperti diperlihatkan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5. Visualisasi NI-DAQ 6008 USB.[3]

## 2.4 LabVIEW 2010
LabVIEW  ( Laboratory  Virtual  Instrumentation  Engineering  Workbench )  adalah  media  dan pengembangan  berupa  bahasa  program visual dari  National  Instrument.  Bahasa  grafik  dinamakan  “G”. LabVIEW  digunakan  untuk  akuisisi  data,  pengontrolan  instrumen,  dan  otomatisasi  industri  pada  variasi tampilan.[7]
Bahasa pemrograman LabVIEW adalah dataflow programming language. Pengeksekusian didefinisikan oleh  struktur  dari  blok  diagram  yang  mengkoneksikan  berbagai  macam  fungsi  dengan  pengkabelan.  Lalu tampilannya  dapat  dilihat  pada front  panel sebagai Human  Machine  Interface (HMI)  seperti  ditunjukan  pada gambar 2.6 .
Gambar 2.6. Contoh Front Panel pada LabVIEW 2010

## 2.5 PID LabVIEW
PID kontroller membandingkan antara setpoint (SP) dengan process variable (PV) untuk mendapatkan nilai error ( e ).[4] PV SP e − = .................................................................(3)
Kemudian PID kontroller menghitung aksi kontrol, ) ( t u ,dimana K c adalah gain kontroller.
       
+ + = ∫ t d i c dt de T dt e T e K t u 0 1 ) ( .........................................(4)
Jika error dan  output  kontroller  memiliki  range  yang  sama,  -100%  hingga  100%, gain kontroller berbanding  terbalik  dari  proporsional  band. T i adalah  waktu  integral  dalam  menit,  disebut  juga  waktu reset ( reset time ), dan Td adalah waktu derivative dalam menit, disebut juga waktu rata-rata ( rate time ). Persamaan (5) adalah persamaan untuk menghitung aksi proporsional.
e K t u c p = ) ( ..................................................................(5)
Persamaan (6) adalah persamaan untuk menghitung aksi integral .
∫ = t i c I dt e T K t u 0 ) ( ............................................................(6)
Persamaan (7) adalah  persamaan untuk menghitung aksi derivative .
dt de T K t u d c D = ) ( ............................................................(7)
Kemudian berikut ini adalah penjelasan implementasi algoritma PID LabVIEW 2010:
Perhitungan Error Persamaan  (8)  menggambarkan  arus error yang  digunakan  untuk  menghitung  proporsional,  integral,  dan  aksi derivative.
) ( ) ( f PV SP k e − = .........................................................(8)
Aksi Proporsional Aksi  proporsional  adalah  perkalian  dari gain kontroller  dengan error ,  seperti  diperlihatkan  pada  persamaan (2.9).
( ) ( ) k e K k u c P * ) ( = .........................................................(9)
Integral Trapezoid
Integral  trapezoid  digunakan  untuk  menghindari  perubahan  ketajaman  dalam  aksi  integral  ketika terjadi perubahan secara tiba-tiba dalam PV atau SP . Penggunaan pengaturan nonlinier pada aksi integral untuk meniadakan overshoot . Error terbesar, aksi integral terkecil, seperti diperlihatkan pada persamaan (10).
( ) ( ) ( ) t i e i e T K k u k i i c I ∆       − + = ∑ = 1 2 1 .......................................(10)
Aksi Derivative Parsial Karena perubahan secara tiba-tiba pada SP , aksi derivative hanya berlaku pada PV , bukan pada error ( e ), untuk menghindari sentakan derivative. Persamaan (11) menggambarkan aksi derivative parsial.
( ) ( ) ( ) ( ) 1 − − ∆ − = k PV k PV t T K k u f f d c D ...............................(11)
Output Kontroller
Output  kontroller  adalah  penyajian  terakhir  dari  proporsional,  integral  dan  aksi  derivative,  sebagaimana diperlihatkan pada persamaan (12).
( ) ( ) ( ) ( ) k u k u k u k u D I P + + = ............................................(12) Pembatasan Output Output kontroller sesungguhnya dibatasi pada range yang ditetapkan untuk output kontrol.
If ( ) max u k u ≥ then ( ) max u k u = dan If ( ) min u k u ≤ then ( ) min u k u =
Persamaan (13) memperlihatkan model praktis dari PID kontroller.
( ) ( ) ( )
        − − + − = ∫ t f d i c dt dPV T dt PV SP T PV SP K t u 0 1 ...............................(13)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Perancangan Sistem Nama Sistem :  Kontrol Kecepatan Motor DC dengan PID LabVIEW 2010 Fungsi Sistem :  Mengontrol  kecepatan  motor  DC  agar  tidak  ada overshoot dan error  steady  state yang terjadi  2  –  5%.  Selain  itu  menjaga  kecepatan  motor  tetap  stabil  meskipun  terdapat gangguan dari luar sistem.
Diagram Blok
:
Gambar 3.1. Diagram Blok system
Berikut ini adalah keterangan bagian dari system, yaitu: a. Komputer/Laptop sebagai pengeksekusi Program LabVIEW 2010;
b. NIDAQ 6008 sebagai Sistem Akuisisi Data;
c. Amplifier sebagai penguat tegangan output dari NIDAQ 6008 dengan gain 2,4 kali;
d. Attenuator  sebagai  pelemah  tegangan  output  dari  proximity  dan  generator  sehingga  dapat  dibaca  oleh NIDAQ 6008, gain pelemahan adalah 0,42 kali;
e. Motor sebagai Objek yang akan dikontrol;
f. Generator sebagai penghasil tegangan DC akan digunakan untuk memonitor RPM dan PV;
g. Proximity Sensor sebagai Acuan Kalibrasi RPM motor. Sistem  ini  memiliki  cara  kerja  sebagai  berikut  yaitu set  point ditentukan  oleh  operator  melalui front panel .  Kemudian  PID  LabVIEW  akan  memproses  error  dari  set  point  dan  process  variable  (umpan  balik  dari generator  DC).  Kemudian  memberikan  outputnya  ke  motor  DC.  Jika  generator  dc  diberikan  beban  resistif dengan  mengaktifkan  saklar,  maka  PID  LabVIEW  akan  mendeteksi  perubahan  dari  error  antara  setpoint  dan process variable. Kemudian PID LabVIEW akan secara otomatis memperkecil error yang terjadi sehingga sistem akan kembali mengejar nilai set point.
Kontroller PID ini dirancang dengan nilai Kc=0,01, Ti=0,001 menit = 0,06 (detik) dan Td=1.10 -4 menit (6 . 10 -3 detik). Berdasarkan persamaan berikut:
        + + = ∫ t d i c dt de T dt e T e K t u 0 1 ) ( ) ( 1 1 ) ( s E Tds Tis Kc s U ×       + + = ) ( 006 . 0 06 , 0 1 1 01 , 0 ) ( s E s s s U ×       + + =
Jadi, fungsi transfer lup terbukanya adalah
) ( 1 06 , 0
00036 , 0 ) ( 2 s E s s s s U  
      + + = ……………………(14)
Perancangan  sistem  kontrol  kecepatan  motor  DC  dengan  PID  LabVIEW  2010  dilakukan  dengan  cara membuat software kontrol lup tertutup seperti blok diagram kontrol PID pada gambar 3.1. Hasil perancangan diperlihatkan pada gambar 3.2, 3.3, 3.4 dan s 3.5.
Gambar 3.2. Blok Diagram Kontrol Kecepatan Motor DC dengan PID LabVIEW 2010
Gambar 3. 3 Blok Diagram Penghitung Frekuensi Motor DC
Gambar 3.4. PID Front panel Kontrol Kecepatan Motor DC dengan PID LabVIEW 2010
Gambar 3.5. Data Collector Front panel Kontrol Kecepatan Motor DC dengan PID LabVIEW 2010

## 3.2 Hasil Pengukuran
Pengujian  dimaksudkan  untuk  mendapatkan  data-data  yang  diperlukan  untuk  kemudian  dianalisis, agar  kinerja  dan  spesifikasi  sistem  setelah  direalisasi  dapat  diketahui  ( settling-time,  delay-time,  overshoot, steady state error dan kemampuan melakukan koreksi terhadap pembebanan). Penyimpangan nilai parameter di luar  batas yang dipersyaratkan akan  digunakan sebagai  masukan untuk melakukan perbaikan. Sampel  data numerik  hasil  pengukuran  secara  otomatis  disimpan  dalam  satu  file  (text  file)  dengan  ekstensi  *.lvm.  Untuk keperluan analisis, data ini dapat di-replay dan diolah sesuai kebutuhan.
Konfigurasi  untuk  pengujian  sistem  kontrol  kecepatan  motor  DC  dengan  PID  LabVIEW  2010 diperlihatkan pada gambar  3.6.
Gambar 3.6. Konfigurasi Pengujian sistem kontrol kecepatan motor DC dengan PID LabVIEW 2010
Dengan  membuat  program  pembacaan  data  seperti  diperlihatkan  pada  gambar  4.3,  kita  dapat mengambil  kembali  data  yang  telah  disimpan  pada  saat  pengujian  untuk  selanjutnya  diolah  agar  dapat diketahui  spesifikasi  dari  sistem  kontrol  yang  digunakan.  Analisa  data  dilakukan  secara  otomatis  dengan membuat program untuk menganalisa respon dari sistem. Hasil analisa diperlihatkan pada gambar 4.4.
Gambar 3.7. Program pembacaan data hasil pengukuran
PID LABVIEW 2010 & SOFTWARE UJI PID LABVIEW NIDAQ 6008 M Amp 2,4 kali AO0 GND Vin GND Vout GND Att 0,42 kali Vout GND AI0 GND G Vin GND PSU +24VDC GND Vcc GND
Gambar 3.8. Pengukuran settling time (ts), rise time (tr),dan delay time (td)
Dari data yang diperoleh maka diketahui bahwa sistem kontrol memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Settling time , ts = 4,1 s Rise time , tr = 2,3 s Ess (%) = 1 % (dibawah 5%) Overshoot , Mp = 0 % Delay-time , td = 0,8 s

## 3.3 Pembahasan Hasil Pengukuran
Perhitungan secara teoritis, fungsi transfer lup terbuka dari PID, yaitu:
) ( 1 06 . 0 00036 . 0 ) ( 2 s E s s s s U         + + =
Fungsi transfer lup tertutup dari PID unity feedback:
) ( 78 , 2777 44 , 2944 78 , 2777 67 , 166 ) ( 2 2 s Vin s s s s s U         + + + + =
Saat Vin = 4Volt ; unit step
( )( ) s s s s s s U 4 5 , 2943 944 , 0 78 , 2777 67 , 166 ) ( 2         + + + + =
Setelah diproses secara matematis adalah :
( ) ( ) 5 , 2943 3 944 , 0 2 1 ) ( + + + + = s k s k s k s U
Dalam hal ini k3 tidak perlu dicari nilainya karena nilai eksponensial pada U(t) akan bernilai mendekati nol.
( ) 0 1 = = s s s U k = 4 ( ) ( ) 944 , 0 944 , 0 2 − = + = s s s U k = -4,23
Jadi,
( ) t e t U 944 , 0 23 , 4 4 − − = ......................................(4.1) Untuk setting time yaitu saat output 98 %, masukkan ke dalam persamaan 4.1 dan carilah nilai t, yaitu : t s =4,2 detik......................................................(4.2)
Untuk waktu naik  yaitu saat output antara 10 % sampai 90 %, masukkan ke dalam persamaan 4.1 dan carilah nilai t, yaitu :
Untuk nilai output 10 % maka t (10%) = 0,17 detik Untuk nilai output 90 % maka t (90%) = 2,50 detik Jadi, t r = t (90%) - t (10%) = 2,33 detik...........................(4.3) tidak ada overshoot secara teoritis Membandingkan data hasil perhitungan dengan pengujian, data hasil perhitungan : Settling time , ts = 4,2 detik Rise time , tr = 2,33 detik Ess (%) = 1 % (dibawah 5%)
Overshoot , Mp = 0 % (dibawah 5%) Delay-time, td = 0,8 detik Data hasil pengujian : Settling time , ts = 4.1 detik Rise time , tr = 2,3 detik Ess (%) = 0,82 % (dibawah 5%) Overshoot , Mp = 0 % (dibawah 5%) Delay-time , td = 0,8
% 100 % × − = n perhitunga data pengujian data n perhitunga data an penyimpang
Untuk settling time persentase perbedaannya adalah 2,3 % Untuk delay time persentase perbedaannya adalah 0 % Untuk rise time persentase perbedaannya adalah 1,3 %

## 4. SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  pengamatan  dan  analisis  data  hasil  pengujian,  dapat  disimpulkan  bahwa  sistem kontrol  kecepatan  dan  pengereman  menggunakan  kontrol  PID LabVIEW  2010 memiliki  nilai overshoot  sama dengan  nol .  Kemudian  penyimpangan  yang  terjadi  antara  pengujian  dan  perhitungan  adalah  2,  3%  untuk settling time dan 1,3% untuk rise time dan 0% untuk delay time .

## DAFTAR  PUSTAKA
[1]. Carnegie Mellon, Modeling DC Motor Position , The University of Michigan, 2001.
[2]. Carnegie Mellon, Tutorial PID , The University of Michigan, 1817.
[3]. National Instruments, Datasheet USB-6008/6009 User Guide and Specification , 2006.
[4]. National Instruments, PID and Fuzzy Control Toolset User Manual , USA: Austin Texas, 2006.
[5]. Philips dan Harbor, Feedback Control Systems , London:  Prentice-Hall International Editions, 1991.
[6]. Endang Wijaya, Tutorial Sistem Kontrol  Analog , Depok: Politeknik Negeri Jakarta, 2006.
[7].    LabVIEW 8.0: Measurement and Automation , National Instruments, USA: Austin Texas, 2006
[8]     Jacob J.Michael, Industrial control Electronic , New Jersey: Prentice Hall of Englewood cliffs.