## SISTEM PENGATURAN MOTOR DC MENGGUNAKAN PROPOTIONAL IINTEGRAL DEREVATIVE (PID)  KONTROLER

## Nursalim
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Nusa Cendana Jl. Adisucipto-Penfui Kupang, Telp. (0380)8037977
E-mail: nursalim_99@ymail.com

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melakukan  pengendalian  putaran  motor  dc  dengan  menggunakan  sistem kendali PID (Propotional Integral Derivative) . Untuk melihat kinerja dari PID, maka akan dibandingkan dengan  motor  dc    yang  menggunakan  kontroler  PI (Propotional    Integral) .  Dari  hasil  percobaan  yang telah  dilakukan  didapatkan  hasil  bahwa  motor  dc  yang  menggunakan  kontroler  PID  pada  saat  starting tanpa beban membutuhkan waktu yang lebih cepat, yaitu sekitar 0,066 detik. Sedangkan motor dc yang menggunakan kontroler PI membutuhkan waktu sekitar 2,345 detik. Pada saat pemberian beban,motor dc yang  menggunakan  kontroler  PID  membutuhkan  waktu  pemulihan  untuk  kembali  mencapai  setpoint adalah  0,34  detik.  Sedangkan  untuk  motor  dc  yang  menggunakan  kontroler  PI  membutuhkan  waktu pemulihan untuk kembali mencapai setpoint adalah 0,411 detik.

## Abstract
This  research  aims  to  control  the  DC  motor  rotation  using  the  control  system  using  PID  (Proportional Integral Derivative). To see the performance of PID controller, it will be compared to a DC motor using PI controller (Proportional Integral)). From the results of experiments that have been done indicate that the DC motor using PID controller when starting without load takes about 0.066 seconds. While the DC motor using PI controller takes about 2.345 seconds. At the time of granting the load, the DC motor using PID controller requires recovery time to reach the setpoint was 0.034 seconds. While for DC motor using PI controller requires recovery time to reach the setpoint  is 0.411 seconds.

## Keywords: PID Controllers, DC Motors

## 1. Pendahuluan
Motor  searah,  atau  yang  lebih  dikenal  sebagai  motor  dc adalah  merupakan  motor  listrik  yang  banyak  digunakan  di industri  baik  sebagai  penggerak  maupun  pengangkat  beban. Alasan utama penggunaan  mesin dc terutama pada industri- industri  modern adalah  karena kecepatan kerja  motor-motor dc  mudah  diatur  dalam  suatu  rentang  kecepatan  yang  luas, Selain  itu,  banyaknya  metode-metode  pengaturan  kecepatan yang dapat digunakan.[1].
Salah  satu  permasalahan  yang  sering  ditemui  pada  sistem pengaturan  kecepatan  motor  dc,  yaitu  terjadinya  penurunan putaran  ketika  diberi  beban  tertentu.  Semakin  besar  beban yang  diberikan  maka  penurunan  putaran  motor  juga  akan semakin  besar.  Untuk  mengatasi  permasalahan  tersebut, maka  diperlukan  suatu  kontroler  agar  putaran  motor  dc tersebut dapat konstan walaupun diberi beban yang berubah- ubah.
Kontroler PID adalah kontroler berumpan balik yang paling populer  di  dunia  industri.  Selama  lebih  dari  50  tahun, kontroler  PID  terbukti  dapat  memberikan  performa  kontrol yang  baik  meski  mempunyai  algoritma  sederhana  yang mudah  dipahami.  Hal  krusial  dalam  desain  kontroler  PID ialah tuning atau  pemberian  parameter  P,  I,  dan  D  agar didapatkan respon sistem yang diinginkan.[2]

## 2. Metode Penelitian
Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  menggunakan simulasi dan desain dengan menggunakan sistem pengendali PID pada pengaturan kecepatan motor DC:

## 2.1 Instrumen Penelitian
Alat  yang digunakan dalam desain dan implementasi sistem kendali pada motor listrik arus searah adalah:
- Software : Matlab 2008b (Matlab Simulink 7.7).
- Hardware : Laptop dengan spesifikasi Intel Celeron (R) Dual – Core CPU T3000 @1.80GHZ
Sedangkan bahan yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu data motor dengan spesifikasi sebagai berikut:
- Daya = 5 HP
- Kecepatan putaran (n) = 1750 RPM
- Resistansi jangkar = 2.581 Ohm
- Induktansi jangkar = 0.028 Henry
- Medan resistansi = 281.3 Ohm
- Medan induktansi = 156 Henry
- Mutual medan induktasi jangkar = 0.9483 Henry
- Total inersia = 0.02215 J (Kg m 2 )

## 2.2 Jenis dan Sumber Data
Jenis  data  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  data primer  yang  diambil  langsung  dari  pengukuran  dan  hasil simulasi,  sedangkan  data  sekunder  diambil  dari  data  yang ada dalam Matlab.

## 2.3 Analisis Data
Bahan  perbandingan  dalam  menganalisa  data,  yaitu  hasil analisa parameter respon transient antara lain:
- Pengaruh tegangan dan arus terhadap kecepatan putaran motor DC.
- Setting  time  ( ts ) adalah  waktu  yang  diperlukan  sistem dari waktu naik hingga mencapai keadaan steady state.
- Maximum  Overshoot (Mp)  adalah  persentase  nilai puncak  pada  keadaan  steady  state. M p dihitung  dengan menggunakan rumus:
100 . %    reference reference overshoot Max Mp .........    (1)

## 2.4 Desain Sistem Kerja Kontroler
Adapun    blok  diagram  alur  kerja  dalam  perancangan  dan implementasi  sistem  kendali  motor  DC  dapat  dilhat  pada Gambar 1 dan 2.
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Kendali PID

## Gambar 2. Diagram Blok Alur Simulasi PID

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengaturan Kecepatan
Pengaturan  kecepatan  memegang  peranan  penting  dalam motor  arus  searah  karena  motor  arus  searah  mempunyai karakteristik kopel-kecepatan yang menguntungkan dibandingkan  dengan  motor  listrik  lainnya.  Untuk  motor arus searah berlaku hubungan sebagai berikut:
= + ………………………………….. (2) ……………………………………….. (3) …………………………………….... (4)
Dari persamaan 4, terlihat bahwa kecepatan (n) dapat diatur dengan mengubah-ubah besaran atau . Apabila beban ditambahkan  pada  motor,  kecepatan  motor  cenderung langsung  menjadi  lambat.  Kemudian  Ggl-lawan  langsung
Input setting point
Kp
Ki Kd Setting  Point 120 RPS Analisis Data Selesai START Tidak Y a X(t ) ) P W Pr os Sinyal feedback P I D Input
berkurang  karena  ggl-lawan  bergantung  pada  kecepatan. Berkurangnya  arus  jangkar  menyebabkan  penurunan  Ia  Ra lebih besar yang berarti ggl-lawan tidak kembali pada harga semula, tetapi tetap pada harga yang lebih rendah.

## 3.2  Pengendali PID
Pengendali Proportional Integral Derivative (PID)
merupakan salah satu pengendali yang bertujuan memperbaiki  kinerja  suatu  sistem,  termasuk  sistem  kendali putaran  motor  dc.  Pengontrol  PID  ini  merupakan  jenis pengontrol  yang  paling  banyak  diaplikasikan  dalam  kontrol proses  industri  karena  kesederhanaan  strukturnya,  lebih tahan  terhadap  gangguan  luar  serta  dapat  diterapkan  dalam kondisi operasi yang bervariasi . Tetapi pengontrol PID perlu ditala  secara  benar,  yaitu  menentukan  harga  konstanta pengontrol proporsional,  integral  dan  derivatif agar  kinerja sistem  dapat  lebih  optimal.  Setelah  tiga  parameter  tersebut ditala,  maka  nilai  parameter  pengontrol  tersebut  pada  PID biasanya  dipertahankan  tetap  selama  proses  pengontrolan (1).  Sebuah  sistem  kendali close-loop yang  dasar, diperlihatkan  pada  Gambar  3  yang  terdiri  dari  sebuah pengendali dan sebuah plant .
Gambar 3. Sistem Close-Loop
Kendali  yang  diaplikasikan  pada  sistem  pengaturan  putaran motor  dc  pada  makalah  ini  adalah  kendali  PID.  Secara umum, blok diagram kontroler PID yang digunakan, terlihat pada Gambar 4.
K p Plant G(s) C(s) R(s) + - Controller Motor DC + + + dt t e K T p i ) ( . 1    dt t de T K d p . .

## Gambar 4. Blok Kontroller PID

## 3.3 Pemodelan Sistem Kontrol Motor DC
Pemodelan  sistem  pengaturan  motor  DC  ini  menggunakan perangkat lunak Matlab 7.7 yang dapat dilihat pada Gambar 4. Pada Gambar 4 ini diperlihatkan sebuah sistem pengaturan motor DC dengan seting point sebesar 100 (rad/s) dan beban Motor  yang  bervariasi  antara  10-60  Nm.  Berdasarkan  hal tersebut,  maka  paramater-parameter  PID  dapat  ditentukan sehingga setting point yang diinginkan dapat tercapai [3].
Gambar 4. Pemodelan Sistem Pengaturan Motor DC  dengan Kontroler PID

## 3.4 Simulasi
Simulasi menggunakan perangkat lunak MATLAB versi 7.7. Pemberian  beban  pada  motor  mulai  dari  skala  0  sampai  60 Nm,  tetapi  dalam  pengujian  ini  hanya  ditampilkan pembebanan  60  Nm  yang  diasumsikan  sebagai  penurunan putaran  akibat  adanya  penambahan  atau  gangguan  pada output.  Respon  plant  dengan  pengontrolan  PI  pada  kondisi
tanpa  beban  dapat  dilihat  pada  Gambar  5,  dan  respon  plant dengan  pengontrolan  PID  pada  kondisi  tanpa  beban ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 5. Kinerja Motor DC Menggunakan Kontroler PI
Gambar 6. Kinerja Motor DC Tanpa Beban dengan Kontroler PID
Pada  kondisi  tanpa  beban  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar  5,  dengan  menggunakan  pengontrol  PI  motor berputar  dari  0  rpm  hingga  mencapai  nilai  setpoint membutuhkan  waktu  tempuh  ( settling  time )  selama  2.345 detik,  dan  pada  Pengontrol  PID  seperti  pada  gambar  6, membutuhkan  waktu  tempuh  ( settling  Time )  sekitar  0.066 detik.
Gambar  7  menunjukkan  hasil  pengujian  respon  plant  yang menggunakan  kontroler  PI,  dan  Gambar  8  menunjukkan hasil  pengujian  respon  plant  yang  menggunakan  kontroler PID.  Masing-masing  plant  diberi  pembebanan  sebesar  60 Nm.
Gambar 7. Kinerja Motor DC Menggunakan Kontroler PI dengan Beban 60 Nm
Gambar 8. Kinerja Motor DC dengan Beban 60 Nm Menggunakan Kontroler PID

## 3.5 Pembahasan Hasil Penelitian
Respon  sistem  pada  kondisi  berbeban  diperlihatkan  pada Gambar  7  dan  8,  dengan setpoint sebesar  100  rps.  Setelah respon putaran berada pada daerah steady state, maka sistem diberi  beban  sebesar  60  Nm.  Hal  ini  akan  menyebabkan putaran  turun  di  bawah  setpoint  yang  telah  ditetapkan. Dengan  menggunakan  kontroler,  maka  waktu  yang dibutuhkan  untuk  mencapai steady  state kembali  (waktu pemulihan) untuk pengontrol PI membutuhkan waktu selama 0.411  detik.  Sedangkan  pada  pegontrol  PID  membutuhkan waktu selama 0.34 detik.
Sesuai dengan penamaannya, sistem kontrol PID merupakan gabungan  pengaturan  yang  saling  dikombinasikan,  yaitu  P (Proportional) Controller ,  D (Derivative)  Controller ,  dan  I (Integral)  Controller .  Masing  -  masing  memiliki  parameter tertentu  yang  harus  diset  untuk  dapat  beroperasi  dengan baik,yang disebut sebagai konstanta .  Setiap jenis,  memiliki kelebihan  dan  kekurangan  masing-masing,  hal  ini  dapat dilihat pada Tabel 1.
Dari tabel 1 diketahui bahwa pada aksi kendali proporsional, keluaran  sistem  kendali  akan  berbanding  lurus  dengan masukan  dan error ,  dan  menghasilkan  tanggapan  yang cepat.  Akan  tetapi overshoot meningkat  sehingga  sistem cukup  bermasalah  terutama  saat  awal  beroperasi.Untuk kendali    integral,    keluaran    sistem    berubah    dengan    cepat sesuai    perubahan error ,sehingga error  steady  state mendekati  nol,  dan  aksi  kendali  derivative  bekerja  sesuai dengan laju perubahan error

## 4. SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  analisa  yang  dilakukan terhadap  penggunaan  PID  dan  kelebihan  dibanding  dengan kontroler PI sebagai pengatur putaran motor dc  maka dapat dibuat suatu kesimpulan sebagai berikut : 1. Waktu  yang dibutuhkan untuk  mencapai kondisi steady state untuk  sistem  yang  menggunakan  PID  memiliki nilai  yang  lebih  baik  dibanding  dengan  yang menggunakan  kontroler  PI.  Untuk  rangkaian    yang menggunakan  kontroler  PI,  waktu  yang  dibutuhkan untuk  mencapai  steady  state  sekitar  2.345  detik. Sedangkan pada kontroler  PID,  waktu  yang dibutuhkan untuk mencapai steady state sekitar 0.066 detik
2. Pada  saat  terjadi  perubahan  beban  dengan  gangguan sebesar  60  Nm,  sistem  dengan  PID  akan  lebih  stabil dengan  respon  waktu  pemulihan  sebesar  0.34  detik sedangkan  respon  PI  membutuhkan  waktu  pemulihan sekitar  0.411 detik.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Brilliant  Adhi  Prabowo,  2001. Pemodelan  Sistem Kontrol Motor DC dengan Temperatur Udara sebagai Pemicu , jurnal informatika LIPI.
[2] H a n d y W i c a k s o n o d k k .
1 9 9 9 . Kontrol PID Untuk Pengaturan Kecepatan  Motor  DC  Dengan  Metode  Tuning  Direct Synthesis.
[3] H. LeHuy dan G. Sybille Help Matlab 7.4
Tabel 1. Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta [2]
Respon Close Loop Rise Time Over Shoot Settling Time Error Proporsional Berkurang Meningkat Berubah Sedikit Berkurang Integral Berkurang Meningkat Meningkat Hampir Nol Derivative Berubah Sedikit Berkurang Berkurang Berubah Sedikit