IMPLEMENTASI KONTROL PROPORSIONAL, INTEGRAL DAN DERIVATIF (PID) TERHADAP KECEPATAN MOTOR DC
Andi Fatmawati 1 , Mery Subito 2 , Baso Mukhlis 3
Fakultas Teknik, Universitas Tadulako Jl. Soekarno Hatta Km. 9, Kampus Bumi Tadulako Tondo, Palu, Sulawesi Tengah

## ABSTRACT
Recently, research on DC motor has been rapidly developed, from the wether simple until the advanced  /  complicated  .  DC  motor  utilizes  DC  power  connected  to  its  armature  and  field  (stator) winding,  in  which  the  power  will  be  converted  to  mechanical  energy.  In  addition,  DC  motor  has beneficial  in  big  initial  torgue  and  simple  velocity  control.  When  DC  motor  given  the  burden  of arbitrary, rotation speed of motor also change.PID method was employed to control the rotation speed remaining constant.
Implementation  and  simulation  method  was  proposed  in  this  research. The  result  shows  that when 12,5 V of voltage was applied to DC Motor, at no load – open loop, the rotation speed was 2000 rpm. Increasing load up to 0,5 N.m, decreased the rotation  from 2000 rpm to 1404 rpm. Furthermore, for  closed  loop  using  Proportional  control  (P),  Proportional  Integral  (PI)  and  Proportional  Derivatif (PD) control.  proved that rotation of motor was unstable. Whereas, PID  control  method can stabilize the rotation of motor and give just response,reacling steady state at 3,4 s with 0,004 V of error.
Keywords:  DC motor, speed, load, PID control.

## I. PENDAHULUAN
Motor  Arus  searah  (motor  DC)  adalah motor  yang  digerakkan  oleh  energi  listrik  arus searah    pada  kumparan  jangkar  atau  kumparan medan  untuk  diubah  menjadi  energi  mekanik. Pada  motor  DC   kumparan  medan  disebut  stator (bagian  yang  tidak  berputar)  dan  kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar).
Gambar 1. Motor DC magnet permanen Pada  penelitian  ini  menggunakan    motor DC  tipe  magnet  permanen  .  Arus  listrik  pada rangkaian  jangkar  dikendalikan  oleh  servo amplifier  sehingga    arah  putaran  motor tergantung  dari  salah  satu  atau  kedua  masukan.
Sebuah  motor  DC  magnet  permanen  biasanya tersusun  atas  magnet  permanen,  kumparan jangkar  dan  komutator.  Medan  magnet  yang besarnya  konstan  dihasilkan  oleh  magnet permanen  sedangkan  komutator  berfungsi  untuk menyalurkan  arus  listrik  dari  sumber  diluar motor kedalam kumparan jangkar.
Medan  stator  memproduksi  Ф  dari  kutub utara ke kutub selatan. Sikat menyentuh  terminal kumparan  rotor  dibawah  kutub.  Bila  sikat dihubung  pada    sumber  arus  searah  diluar tegangan  (V)  maka  arus    masuk  keterminal kumparan  rotor  di  bawah  kutub  utara  dan  keluar dari  terminal    di  bawah  kutub  selatan.  Dengan adanya  flux  stator  dan  arus  rotor  akan menghasilkan  gaya  (F)  bekerja  pada  kumparan yang  dikenal  dengan  gaya  Lorentz.  Arah  F menghasilkan  torsi  yang  memutar  rotor  kearah yang  berlawanan  dengan  jarum  jam.  Kumparan yang  membawa  arus  bergerak  menjauhi  sikat. Kumparan  berikutnya  bergerak  dibawah  sikat dan  membawa  arus  I.  Dengan  demikian  gaya  F terus menerus diproduksi sehingga rotor berputar secara kontinyu.[1]
Banyak  penelitian  menggunakan  motor DC  yang  telah  dilakukan  diantaranya  Nanang
Budi  Hartono  dan  Kemalasari  dengan  judul “Pengaturan  posisi  motor  servo  DC  dengan metode  P,  PI  dan  PID”.Penelitian  ini  bertujuan untuk  membuat modul pembelajaran pengaturan posisi  motor  servo  DC  yang  mekaniknya dilengkapi  dengan  gear  pembanding  agar putarannya  tidak  berputar  terlalu  cepat  sehingga dapat diatur, menggunakan potensiometer sebagai  sensor  dan  membandingkan  penggunaan plant saat menggunakan kontroler P, PI, dan PID, hasil  penelitian  menunjukkan  kontroler  PI  lebih bagus  hasilnya  dibanding  yang  lain.  Kelemahan dari modul alat ini yaitu penggunaan potensiometer  yang  belum  presisi  sebagai sensornya.[2]
Muhammad    Rizki  Setiawan  dan  Goegoes Dwi  Nusantoro  (2012)  dengan  judul  “  Kontrol kecepatan  motor  DC  dengan  metode  PID menggunakan Visual
Basic 6.0 dan mikrokontroler  Atmega  16  ”  membahas bagaimana  membuat    perangkat  lunak  yang mampu  melakukan  monitoring,  pengiriman  set point  dan  parameter  PID  pada  mikrokontroller untuk  menjalankan  driver  pada  pengaturan kecepatan  motor  DC.  Interface  sistem  kontrol menggunakan  Visual  Basic  6.0  dan  proses identifikasi sistem dilakukan dengan menggunakan  sinyal  input  Pseudo  Random Binary  Sequence  (PRBS)  10  bit  dengan  variasi sinyal  acak  sebanyak  1024  data.  Penentuan parameter  PID  dengan  menggunakan  metode root  locus  yang  hasilnya  menunjukkan  bahwa semua  akar  berada  di  sebelah  kiri  bidang  S. Sehingga  respon  yang  di  dapat  dari  semua  pole stabil. [3]
Widya  Nila  Velayati,  (2012)  dengan  judul “ Direct  Model  Reference  Adaptive  Control (DMRAC)  untuk  Sistem  Pengaturan  Kecepatan Motor  DC”.  Penelitian  ini  menggunakan  suatu kontroler  yang robust dan  dapat  diandalkan untuk  pemodelan  sistem  yang  kompleks  dan nonlinier  yang  berlaku  di  semua  proses  industri. Direct  Model  Reference  Adaptive  Control (DMRAC) dipilih sebagai kontroler coupled tank dan    pengaturan  kecepatan  motor  DC  karena memiliki  karakteristik  dimana  parameternya cenderung  mengalami  perubahan  yang  dapat diakibatkan oleh faktor pembebanan, noise , rugi- rugi dan lain-lain.[4]
Pemodelan Motor DC [5] Motor  DC  adalah  mesin  listrik  yang mengkonsumsi daya listrik DC sehingga menghasilkan
torsi mekanik. Untuk memudahkan analisis motor DC akan
digambarkan  dalam    model  statis,  model  fisis, dan dinamik.
a. Model Statis.
b. Model Fisis Motor DC diilustrasikan dalam bentuk rangkaian listrik, seperti Gambar 2.3. dimana input motor berupa tegangan suplai jangkar (ea(t)) dan output adalah posisi rotasi (θ) atau kecepatan putar (ω).
Gambar 2 .  Rangkaian Listrik Motor
Pada penelitian ini, motor DC akan dianalisis secara  numerik  dengan  simulink    Matlab.  Dari model  fisik  rangkaian  listrik  di  atas  dapat diturunkan beberapa persamaan model matematika  dinamik  dari  motor  DC  yang dituliskan sebagai berikut:
c. Model Dinamik
Untuk  bagian  rangkaian  listrik  berdasarkan Hukum Ohm
(1)
(2)
Untuk  bagian  mekanik  berdasarkan  Hukum Newton

## ………….(3)
3. Sifat Motor berdasarkan hubungan linear
antara arus jangkar dan torsi
……............…..........(4)
4. Sifat Generator
= Kb + ω ..................................(5)
5.Persamaan  arus  jangkar  dengan  mensubtitusi persamaan 5 ke persamaan 2
= (ea(t) – Kb.ω(t) – Ra.ia(t)...........(6)
6.  Persamaan  kecepatan  sudut  diperoleh  dengan mensubtitusi persamaan 3 ke persamaan 4
=
........(7)
Keterangan Simbol : ea(t) = tegangan jangkar (volt) ia(t)  = Arus jangkar (Ampere) eb(t) = Tegangan GGL lawan (Volt) ω(t)  = Kecepatan Putaran motor (rpm,rps,rad/s) Ra  =  Tahanan Jangkar (ohm) T    =  Torsi (N.m) La  =  Induktansi jangkar (Henry) J    =   Inersia (N.m.sec2/rad) Km =  Konstanta motor(N.m/A) Kb  =  Konstanta GGL lawan(Volt.s/rad) B    =  Beban motor (N.m )

## II. METODE PENELITIAN

## 2.1. Plant Motor DC
Dalam  perancangan  motor  DC  dengan kontrol  PID  dilakukan  dengan  implementasi  dan simulasi  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  3  dan Gambar 4. [6]
Gambar  3. Perancangan  Sistem  Implementasi motor DC menggunakan alat merk Feedback
Gambar 4. Simulasi pemodelan motor  DC
Close Loop menggunakan Kontrol PID
2.2.Kontrol PID [7][8]
Kontrol  PID  ini  terdiri  dari  tiga  buah komponen:  bagian  proportional,  bagian  Integral dan  bagian  derivative.  Dalam  perancangan kontrol  PID,  ketiga  konstanta  tersebut  harus dipilih  agar  sistem close-loop memberikan respon yang diinginkan. Respon yang diinginkan haruslah  memiliki settling  time yang  minimal dengan overshoot yang  kecil  atau  tanpa overshoot dari respon step sistem close-loop
Gambar 5 . Diagram Blok Kontrol PID
Kontrol  Proporsional  berfungsi  untuk memperkuat  sinyal  kesalahan  penggerak  (sinyal error ),  sehingga  mempercepat  keluaran  sistem mencapai  titik  referensi.  Kontrol  Proporsional memiliki  keluaran  yang  sebanding  dengan besarnya  sinyal  kesalahan  yakni  selisih  antara nilai yang diinginkan dengan nilai sebenarnya.
Gambar 6. Diagram Blok kontrol Proporsional Kontrol  Integral  memiliki  karakteristik seperti halnya sebuah Integral. Keluaran kontroller  sangat  dipengaruhi  oleh  perubahan yang  sebanding  dengan  nilai  sinyal error . Keluaran  kontroler  ini  merupakan  jumlah  yang terus  menerus  dari  perubahan  masukannya. Kalau  sinyal error tidak  mengalami  perubahan, keluaran  akan  menjaga  keadaan  seperti  sebelum terjadinya perubahan masukan.
Gambar 7. Diagram Blok kontrol Integral
Kontrol  Derivatif    umumnya  dipakai untuk  mempercepat  respon  awal  suatu  sistem, Perubahan  yang  mendadak  pada  masukan kontroler  akan  mengakibatkan  perubahan  yang sangat besar dan cepat pada keluarannya.
Gambar 8. Diagram Blok kontrol Derivatif
tidak ya
tidak
tidak                     ya
ya
Gambar 9. Diagram Alir ( Flowchart
Mulai Pengumpulan da Data Tujuan Penelitian Rumusan Masalah Studi Pustaka Mensimulasikan motor DC menggunakan program MATLAB Pengujian Open Loop A Apakah pengujian simulasi berhasil A Mendesain kendali PI D Mensimulas ikan
Pengujian Close Loop kendali PID Apakah pengujian berhasil Implementasi (merangkai) motor DC menggunakan alat Feedback Pengujian alat Open Loop dengan variasi beban Apakah pengujian alat berhasil Pengujian alat Close Loop menggunakan PID dengan variasi beban Analisa dan pembahasan Kesimpulan dan saran Selesai Menentukan Parameter motor DC Memodelkan motor DC

## III . HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Hasil Pengujian Implementasi Motor DC Open Loop Dengan Kecepatan 2000 RPM
Vt.
(V) V tacho (V) Kecep atan (rpm) Beban (N.m) Aru s (A) 12,6 12,6
12,6
12,6 12,6 12,6 7,06 7,02 6,92 6,48 5,56 5,24 2000 1960 1810 1550 1460 1360 0 0,1
0,2
0,3
0,4 0,5 0,1 0,2
0,3 0,5 1 1,2
Tabel 1. Tabel implementasi motor DC pada saat Open Loop.
Berdasarkan  hasil  pengukuran  pada  tabel-1, terlihat  bahwa  apabila  tegangan  terminal  motor (Vt)    di  set  ke  12,6  V    maka  kecepatan  putaran motor    2000  rpm,  arus  jangkar  0,1  A  ,tanpa beban. Jika di tambahkan beban 0,1 N.m sampai 0,5  N.m  maka  kecepatan  putaran  motor  akan berkurang  dari  1960 rpm  menjadi  1360  rpm  dan arus  jangkar  (Ia)  akan  naik  dari  0,2A  menjadi 1,2A.

## 3.2. Hasil Pengujian menggunakan Simulasi
MATLAB Open Loop Dengan Kecepatan 2000 RPM
Gambar 10 . Hasil simulasi Open Loop tanpa beban
Gambar 11 . Hasil simulasi Open Loop beban
0,1 N.m
Pada  Gambar  10  dan  11.  menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  motor  DC  pada  saat Open  Loop tanpa  beban  dan  beban  0,1  N.m, dimana  pada  awal,  terjadi  osilasi  /  transien karena  motor  mula-mula  dalam  keadaan  diam menuju  ke  keadaan  berputar  (bergerak)  atau umumnya  disebut  starting  hingga  mencapai keadaan  steady  state  membutuhkan  arus  yang besar  kebutuhan  arus  ini  dapat  menyebabkan lonjakan  arus  (transient)  yang  tinggi  seperti terlihat  pada  grafik.  Pada  saat  beban  ditambah kecepatan  motor  berkurang  dari  2000  Rpm1836 Rpm dan arus jangkar (Ia) meningkat dari -0,004 A menjadi 0,38 A. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai  steady  state  21,07  s  tanpa  beban  dan 6,2 s pada beban 0,1 N.m.
Gambar 12. Hasil simulasi Open Loop beban 0,2 N.m
Gambar 13 . Hasil simulasi Open Loop beban 0,3 N.m
Pada  gambar  12  dan  13  menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  motor  DC  pada  saat Open  Loop dengan  beban  0,3  N.m  dan  0,4  N.m. Hasil  kecepatan  putaran  motor  semakin  turun menjadi  1592  Rpm  dan  arus  jangkar  naik menjadi  1  Ampere.Waktu  untuk  mencapai  stedy state semakin cepat 3,6 s pada beban 0,3 N.m.
Gambar 14.Hasil Simulasi Open Loop beban 0,4 N.m
Gambar 15.Hasil Simulasi Open Loop beban 0,5 N.m.
Pada  gambar  14    dan  15.    menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  motor  DC  pada  saat
Open  Loop .  Tegangan  suplay  motor  (Vt)  tetap 12,5  Volt.  Beban  di  naikkan  menjadi  0,4  N.m dan  0,5  N.m.  Hasil    kecepatan  putaran  motor semakin  turun   menjadi  1404  Rpm,  arus  jangkar naik  dari  1A  menjadi  1,47  Ampere.  Waktu  yang dibutuhkan untuk stedy state 2 s pada saat beban 0,4 N.m dan 1,8 s pada beban 0,5 N.m.

## 3.3. Hasil Pengujian Implementasi Motor DC
Close Loop menggunakan kontrol PID Dengan Kecepatan 2000 RPM. V Ref. (V) Vt (V) Ke cep ata n (rp m) Be ban (N. m) Aru s (A) V Error Akhi r V tacho (V) - 6,4 4 - 6,4 4 - 6,4 4 - 6,4 4 - 6,4 4 - 6,4 4 12,7 6
12,7 7 12,7 9 13,3 1 13,4 2 13,7 6 200 0
200 0 200 0 200 0 200 0 200 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,1 0,2 0,5 0,6 1 1,2 0,00 4 0,00 4 0,00 4 0,00 4 0,00 4 0,00 4 7,79 7,79 7,79 7,79 7,79 7,79
Tabel 2. Tabel implementasi motor DC pada saat Close loop menggunakan kontrol PID.
Berdasarkan hasil pengukuran pada tabel di  atas,  terlihat  bahwa  apabila  tegangan  Ref (Vref)    di  set  ke  -  6,44V    maka  akan menghasilkan  kecepatan  putaran  motor  sebesar 2000  rpm.  Jika  di  tambahkan  beban  sampai  0,5 N.m,  maka kecepatan putaran motor tetap (2000 rpm).  dan    arus  jangkar  (Ia) akan  naik  dari  0,1A menjadi 1,2A. Dan tegangan terminal motor (Vt)
semakin  bertambah  dari  12,76  V  tanpa  beban menjadi 13,76 V pada beban 0,5 N.m.

## 3.4. Hasil Pengujian menggunakan Simulasi
MATLAB Close Loop menggunakan kontrol PID Dengan Kecepatan 2000 RPM.
Gambar 16. Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  tanpa beban
Gambar 17. Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  beban 0,1 N.m
Pada  gambar  16  dan  17.  menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  putaran  motor  DC pada saat Close Loop menggunakan kontrol PID. Tanpa  beban,  kecepatan  putaran  motor  sebesar
2000  rpm.  Beban  di  tambah  menjadi  0,1  N.m kecepatan  putaran  motor  dapat  di  pertahankan 2000 rpm dan respon sistem cukup stabil. Waktu yang dibutuhkan untuk stedy state semakin cepat dari 4,13 s menjadi 3,85 s.
Gambar 18. Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  beban 0,2 N.m
Gambar 19. Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  beban 0,3 N.m
Pada  gambar  18.  dan  19.  menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  putaran  motor  DC pada  saat Close  Loop ,    beban  diubah  dari  0,2 N.m    menjadi  0,3  N.m  menggunakan  kontrol PID.  Dari  hasil  simulasi    dapat  dilihat  kontrol PID    dapat  memperbaiki  respon  sistem  sehingga tetap  stabil  dan  kecepatan  putaran  motor  tetap 2000  rpm.  Waktu  yang  dibutuhkan  untuk  stedy state semakin cepat dari 3,7 s menjadi 3,6 s.
Gambar 20.  Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  beban 0,4 N.m
Gambar 21. Hasil Simulasi Close Loop Motor DC menggunakan kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID)  beban 0,5 N.m
Pada  gambar  20.  dan  21.  menunjukkan respon  pengujian  kecepatan  putaran  motor  DC pada saat Close Loop menggunakan kontrol PID, beban  diubah  dari  0,4  N.m  menjadi  0,5  N.m. Dari  hasil  simulasi    dapat  dilihat  kontrol  PID dapat  memperbaiki  respon  sistem  sehingga  tetap stabil  dengan  kecepatan  putaran  motor  tetap 2000  rpm.  Waktu  yang  dibutuhkan  untuk  steady state semakin cepat dari 3,5 s menjadi 3,4 s.

## IV . KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan
Dari hasil Impementasi dan simulasi  kontrol PID terhadap kecepatan motor DC,  respon kecepatan  putaran  motor  2000  rpm  pada  saat open  loop tidak  stabil,  yaitu  kecepatan  motor turun  dari  2000  RPM  menjadi  1404  RPM. Setelah  menggunakan  kontrol  PID  kecepatan putaran  motor  DC  dipertahankan  konstan
walaupun beban berubah-ubah dengan
pencapaian steady state yang cepat sekitar 3,4s 4.2 Saran Untuk penelitian selanjutnya dapat dikembangkan  menggunakan  metode  yang  lain seperti fuzzy  logic,  jaringan saraf tiruan maupun metode  non  linier,  sehingga  dapat  dibandingkan mana  yang  lebih  bagus  performansi  dan kestabilannya.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1]       Djafar J.R.M. 2014. Pengenalan tentang motor DC [2] Hartono B.N, Kemalasari 2000. Pengaturan  posisi  motor  servo  DC dengan metode P,PI dan PID, Surabaya,PENS – ITS Sukolilo. [3] Setiawan  Rizki  M,Nusantoro  Dwi  G. 2012. Kontrol  kecepatan  motor  DC dengan  metode  PID  menggunakan  visual basic 6.0 dan mikrokontroller atmega 16 [4] Velayati  Nila  W.  2012. Direct  model reference  adaptive  control  (DMRAC) untuk sistem pengaturan kecepatan motor
DC,  Surabaya Institut Teknologi  Sepuluh Nopember.
[5]          Meena  Tushir,  smriti  srivastara. Type-2 fuzy  logic  controller  implementation  for tracking control of DC motor.
[6]        __________.2001.” Modular Servo System MS150: DC, Synchro & AC Basic Assignments ”, Versi Manual: 150-1 EdG
0193, England: Feedback Instruments Limited. [7] Ogata, Katsuhiko. 1996. TeknikKontrolAutomatik , Jakarta, Erlangga.
[8] Gamayanti,Nurlita.2007. Kontrol  PID . Surabaya,  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember.