
Abstrak — Linear  actuator pada  pneumatik  mempunyai kemampuan  gerak  linier  yang  cepat,  namun  tidak  diimbangi dengan  kemampuan  untuk  berhenti  pada  setiap  posisi pergerakannya.  Pergerakan linear  actuator pada  umumnya hanya  dapat  berhenti  pada  kedua  ujung terminalnya ( endpoint ). Sehingga  diperlukan  sistem  kendali  pergerakan  posisi linear actuator .  Dalam  penelitian  ini,  penulis  melakukan  penelitian bagaimana  merancang  sistem  kendali  untuk  mengendalikan posisi linear  actuator .  Pada  penelitian  ini  menggunakan  sistem kendali  PID  dengan  metode trial  and  error dalam  menentukan nilai  konstanta  PID  dan  menggunakan  kontroler  berupa  PLC. Dari  hasil  pengujian  sistem  kendali  posisi linear  actuator waktu yang  dibutuhkan  untuk  mencapai steady  state dari  posisi  0  cm menuju  30  cm  yaitu  2.079 second .  Hasil  dari  pengujian  sistem kendali  posisi linear  actuator menggunakan  kontrol  PID menghasilkan  nilai steady state error yang  cukup  kecil  yaitu selisih 1 mm antara posisi target dan posisi tujuan.
Kata  Kunci:  Kontrol  posisi,  PID,  PLC, linear  actuator , kontrol pneumatik.

## I. PENDAHULUAN
Aktuator  pneumatik  menawarkan  beberapa  keuntungan untuk  aplikasi-aplikasi  di  industri  manufaktur,  antara  lain karena  gerakannya  yang  cepat  dan  aktuator  yang  murah  jika dibandingkan  dengan  jenis  aktuator  lainnya,  seperti  hidraulik atau  motor  listrik.  Secara  umum  untuk  gerak  linier,  aktuator dapat  dikelompokan  menjadi  tiga  kelompok,  yaitu:  aktuator linier  pneumatik,  aktuator  linier  hidraulik  dan  motor  listrik linier. Masing-masing aktuator tersebut mempunyai kelebihan dan  kekurangan.  Kelebihan  aktuator  linier  pneumatik  yang menonjol, yaitu kemampuan gerak liniernya yang cepat, tidak diimbangi  dengan  kemampuan  untuk  berhenti  pada  setiap posisi  pergerakannya.  Pada  umumnya  gerakan  aktuator pneumatik  hanya  dapat  berhenti  pada  ujungnya  ( endpoint ), sehingga diperlukan sistem kontrol agar dapat mengatur posisi pergerakan linear actuator .
Penelitian  yang  telah  dilakukan  sebelumnya  terdapat sistem  pengontrolan linear  actuator dengan  kendali  P ( Proportional )  menggunakan  mikrokontroler  DT- Basic Mini System oleh  Roche  Alimin  [1],  diperoleh  bahwa  pengaturan pergerakan linear  actuator dengan  mengatur  sinyal  PWM pada katup 3/2 solenoid on / off dan  menghasilkan steady state error yang  cukup  besar.  Pada  penelitian  lain  terdapat  sistem pengontrolan  aktuator  pneumatik  dengan  kendali  PID menggunakan PLC CP1L [2], penelitian ini menggunakan dua buah  katup  elektromagnetis  untuk  mengontrol  pergerakan aktuator pneumatik.

## II. DASAR TEORI

## A. Kontrol PID
Salah  satu  metode  kontrol  yang  umum  digunakan  adalah kontrol  PID  [7].  Masing-masing  aksi  kontrol  ini  mempunyai keunggulan-keunggulan tertentu, dimana aksi kontrol proporsional mempunyai  keunggulan risetime yang  cepat, aksi kontrol integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error ,dan  aksi  kontrol derivative mempunyai keunggulan  untuk  memperkecil error atau  meredam overshot/undershot [5].

## 1) Kontrol Proporsional
Keluaran  sinyal  kontrol  proporsional  berbanding  lurus dengan sinyal kesalahan, dapat dikatakan kontrol proporsional merupakan  perkalian  antara  konstanta  proporsional  dengan nilai error .  Berikut  persamaan  matematis  dari  kontrol proporsional:
u(t) = Kp.e(t)                                            (1) Gambar  1  menunjukan  diagram  blok  kontrol  proporsional bahwa error merupakan  selisih  antara  besaran  yang  diatur dengan  besaran  sebenarnya  yang  mempengaruhi  kontrol dalam  menghasilkan  keluaran  yang  diinginkan.  Berikut diagram blok dari kontrol proporsional:

## Kendali Posisi Linear Actuator Berbasis PID Menggunakan PLC
Randy Hardiansyah 1 , M. Syafei Gozali 2 , and Handri Toar 3*
1 Politeknik Negeri Batam, Batam, Indonesia
* Email:  randyhardiansyah23@gmail.com, syafei@polibatam.ac.id, toar@polibatam.ac.id
Gambar 1. Diagram Blok Kontrol Proporsional

## 2) Kontrol Integral
Keluaran  sinyal  kontrol  integral  berbanding  lurus  dengan penjumlahan  sinyal  kesalahan  sebelumnya,  dapat  dikatakan kontrol integral merupakan perkalian antara konstanta integral dengan  perubahan  nilai error setiap  waktunya.  Berikut persamaan matematis dari kontrol integral:
u(t) = Ki. ∫  ( ) (2)
Gambar 2 menunjukan diagram blok hubungan antara error yang  dihasilkan  dengan  keluaran  sinyal  kontrol  integral, dengan  adanya  kontrol  integral  membantu  menaikan  respon sehingga  menghasilkan  keluaran  yang  diinginkan.  Berikut diagram blok dari kontrol integral:
Gambar 2. Diagram Blok Kontrol Integral
3) Kontrol Diferensial
Keluaran sinyal kontrol diferensial berbanding lurus dengan penjumlahan  sinyal  kesalahan  yang  akan  terjadi.  Kontrol diferensial  hanya  akan  berubah  saat  ada  perubahan error sehingga apabila error bernilai statis maka  kontrol tidak akan bereaksi. Berikut persamaan matematis dari kontrol diferensial:
u(t) = Kd. ( ) (3)
Gambar 3 menunjukan diagram blok control diferensial yang menggambarkan  hubungan  antara  sinyal  kesalahan  dan keluaran  sinyal  kontrol  yang  dihasilkan  pada  sistem  kontrol diferensial. Berikut diagram blok dari kontrol diferensial:
Gambar 3. Diagram Blok Kontrol Diferensial

## 4) Kontrol Proporsional Integral Diferensial
Kontrol PID merupakan gabungan antara kontrol P, I, dan D. Setiap  kelebihan  dan  kekurangan  dari  masing-masing  kontrol P,  I,  dan  D  dapat  saling  menutupi  dengan  menggabungkan
ketiganya secara paralel menjadi kontrol PID. Elemen–elemen kontrol  P,  I,  dan  D  masing–masing  secara  keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Berikut persamaan matematis dari kontrol PID [10]:
u(t) = Kp.e(t)
+
Ki. ∫  ( ) + Kd. ( ) (4)

## Gambar 4. Diagam Blok Kontrol PID
Gambar  4  menunjukan  diagram  blok  control  PID, karakteristik  kontrol  PID  sangat  dipengaruhi  oleh  kontribusi besar dari ketiga parameter P, I, dan D. Penyetelan konstanta Kp,  Ti,  dan  Td  akan  mengakibatkan  penonjolan  sifat  dari masing-masing  elemen.  Satu  atau  dua  dari  ketiga  konstanta tersebut  dapat  diatur  lebih  menonjol  dibanding  yang  lain. Konstanta  yang  menonjol  itulah  yang  akan  memberikan pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan.

## III. PERANCANGAN SISTEM

## A. Diagram Blok Sistem Perangkat Keras
Diagram blok sistem perangkat keras menunjukan rancangan keseluruhan  yang  bertujuan  untuk  mengontrol  posisi linear actuator , hal tersebut tergambar dalam Gambar 5.
Gambar 5. Diagram Blok Sistem Perangkat Keras
Gambar  5  merupakan  rancangan  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  yang  menggunakan  sistem close  loop .  Dalam gambar  tersebut  terdapat  posisi  target  yang  hendak  dicapai dalam  sistem,  kemudian  data  tersebut  diolah  oleh  unit kontroler  PLC  dengan  sistem  kontrol  PID.  Sehinnga menghasilkan  pergerakan linear  actuator yang  diatur  melalui solenoid valve dan pembacaan posisi settiap pergerakan linear actuator oleh slider  potentiometer sebagai  unit  umpan  balik dalam sistem.

## 1) Desain Slider Potentiometer
Gambar 6. Slider Potentiometer
Gambar 6 merupakan slider potentiometer yang telah dibuat berdasarkan perancangan sebelumnya. Sensor slider potentiometer menggunakan precision potentiometer yang dikopel  dengan  mekanik  yang  mampu  bergerak  sepanjang jalur linear . Precision potentiometer berputar  360 0 sebanyak 10  kali  putaran,  dengan  menghasilkan  nilai  resistansi  0  Ω  - 100  kΩ.  Untuk  mekanik  yang  mampu  bergerak slider dibangun  berdasarkan  prinsip  kerja  konveyor  terdiri  dari belting  yang  bergerak  diantara  dua  buah pulley ,  jarak  antara dua pulley ditentukan  sesuai  dengan  jarak  tempuh  aktuator ( linear actuator ).

## 2) Desain Elektrikal Perangkat Keras
Gambar 7. Desain Elektrikal Sistem Perangkat Keras
Gambar  7  menunjukan  desain  elektrikal  sistem  perangkat keras.  Sistem  terdiri  dari  silinder  pneumatik,  katup  kontrol arah  proporsional  MPYE  5/3, linear  potentiometer ,  PLC, set point , dan tampilan set point . Silinder pneumatik menggunakan linear  actuator dengan  panjang stroke 300 milimeter, silinder pneumatik dengan karakteristik  yang tidak diketahui  digunakan  untuk  mengetahui  apakah  aktuator  dapat dikontrol.
Gambar 8. (a) Katup Kontrol Arah Proporsional MPYE 5/3 dan (b) Grafik Respon Keluaran Katup Terhadap Masukan
Pada penelitian menggunakan katup kontrol arah proporsional  MPYE  5/3,  dikatakan  proporsional  karena  hasil keluaran  dari  katup  sebanding  dengan  nilai  pada  masukan katup tersebut. Masukan pada katup berupa tegangan analog 0 volt  sampai  10  volt  atau  4  mA  sampai  20  mA.  Gambar  8 (b) menunjukan  nilai  keluaran  katup  (%)  berdasarkan  nilai masukan  pada  katup.  Saat  masukan  bernilai  0  volt  maka keluaran katup akan membuka 100 % dan tekanan udara akan bergerak  dari  port  1  menuju  port  2  (Gambar  8(a)).  Ketika masukan  bernilai  5  volt  maka  keluaran  katup  tidak  membuka sedikitpun,  port  1  sebagai  tempat  masukan  udara  tersumbat. Kemudian jika masukan bernilai 10 volt maka keluaran katup akan  membuka  100  %  namun  tekanan  udara  melalui  port  1 menuju port 4 (Gambar 8(a)) [8].
PLC  M340  dengan  modul  analog input dan  analog output digunakan  dalam  penelitian  ini.  Analog output mengatur keluaran  PLC  antara  0  volt  sampai  10  volt    yang  masuk  ke katup  kontrol  arah  proporsional  MPYE,  bertujuan  untuk mengatur  tekanan  udara  yang  dilewati katup  menuju linear actuator .  Analog output memiliki  resolusi  hingga  0.37  mV dalam  aplikasinya  [9].  Untuk  mengetahui  dan  memantau posisi linear actuator menggunakan analog input AMI 0410.
B. Perancangan Perangkat Lunak
Pada  sistem  kontrol linear  actuator aplikasi  atau  perangkat lunak yang digunakan adalah unity pro xl. Pada program unity pro  xl  berisi  program  kontrol  PID  yang  mampu  mengontrol posisi linear actuator .
Gambar 9 menunjukan proses kerja dari sistem, dimulai dari start lalu  melakukan  inisialisasi  awal  dengan  mengatur  nilai Kp, Ki, Kd, dan Ts. Kemudian menentukan nilai set point atau posisi  target  sebagai  masukan  pada  sistem.  Selanjutnya melakukan  pembacaan  posisi linear  actuator menggunakan sensor slider  potentiometer yang  menghasilkan  nilai  posisi aktual dari aktuator. Nilai dari set point dibandingkan dengan nilai posisi aktual aktuator sehingga  menghasilkan  nilai error
yang  akan  diolah  unit  kontroler  menggunakan  kontrol  PID. Nilai output PID  masuk  ke  katup  analog  5/3  untuk mengerakan  aktuator  pneumatik.  Pergerakan linear  actuator dibaca  oleh  sensor slider  potentiometer ,  pembacaan  sensor feedback dibandingkan dengan set point hingga menghasilkan nilai error mendekati nol.
Gambar 9. Diagram Alir Sistem Perangkat Lunak

## IV. PENGUJIAN DAN ANALISA
Proses  pengujian  pertama  adalah  pengujian  terhdap pembacaan  yang  dihasilkan  oleh  sensor slider  potentiometer , hal  ini  untuk  mengetahui  nilai  analog  yang  dihasilkan  dan nantinya  mengetahui  nilai error dalam  pembacaan  posisi linear actuator .

## A. Pengujian Sensor Slider Potentiometer
Dalam pengujian ini slider potensiometer bergerak per 1 cm dari posisi 0 cm sampai 30 cm. Data hasil pembacaan setiap 1 cm  dapat  dilihat  pada  Tabel  1.  Tabel  1  menunjukan  hasil pengujian  terhadap  sensor slider  potentiometer .  Dapat simpulkan  bahwa  pergerakan slider  potentiometer mampu menghasilkan  data  dan  data  yang  dihasilkan  bergerak  linier antara  posisi  (cm)  dan  data  analog  (int) slider  potentiometer , hal ini dapat dlihat jika ditampilkan dalam bentuk grafik pada Gambar 10.
Tabel 1. Pengujian Sensor Slider Potentiometer
Gambar  10.  Grafik  Linieritas  Posisi  dan  Data  Analog Slide Potentiometer
Gambar  10  menunjukan  nilai  analog  yang  dihasilkan slider potentiometer bergerak  linier  dengan  posisi  dalam  bentuk grafik,  semakin  besar  nilai  posisi  maka  nilai  analog  yang dihasilkan  semakin  besar  pula.  Pada  grafik  diatas  terdapat persamaan garis yang dihasilkan yaitu:
(5)
Persamaan  4.1  digunakan  untuk  mengubah  nilai  posisi  dari set  point  yang  berbentuk.  Y  adalah  nilai  analog  yang dihasilkan dalam bentuk integer dan x adalah nilai posisi dari set point . digital menjadi nilai analog.

## B. Tuning PID
Pengujian ini dilakukan untuk melihat hasil dari kontrol PID yang  digunakan  pada  kendali  posisi linear  actuator .  Metode yang  digunakan  dalam  melakukan tuning konstanta  PID adalah metode trial and error . Berikut gambar dari pengujian sistem  kontrol  PID  dengan  konstanta  terbaik  yaitu  Kp  =  0.6,
Ki = 0.1, dan Kd = 0.15 pada posisi 0 cm ke 5 cm sampai 30 cm dengan selisih 5 cm.

## Gambar 11. Grafik Pengujian Sistem Kontrol PID
Gambar  11  menunjukan  kinerja  kontrol  PID  menggunakan Kp,  Ki,  dan  Kd  terbaik  sehingga  mampu  bergerak  maksimal menuju set point .  Pada  gambar  tersebut  nilai  Kp,  Ki,  dan  Kd didapatkan  setelah  melakukan tuning terhadap  tiap-tiap konstanta dan memilih konstanta dengan steady state tercepat dan nilai yang stabil setelah mencapai steady state . Dari hasil pengujian  yang  telah  dilakukan  terhadap  kontrol  PID,  terlihat kriteria  sistem  yang  diinginkan  hampir  mendekati  dan tanggapan  sistem  tidak  memiliki overshoot .  Pada  pengujian posisi  0  cm  ke  5  cm, settling time terjadi  pada  waktu  1.45 second dengan  nilai steady state error 0.04  cm.  Pengujian posisi  0  cm  ke  10  cm  menghasilkan settling time pada  waktu 1.75 second dengan  nilai steady state error 0.05  cm. Pengujian  posisi  0  cm  ke  15  cm  menghasilkan settling time pada waktu 2.112 second dengan nilai steady state error 0.05 cm, namun waktu yang dibuthkan untuk mencapai steady state lebih  lama  dibandingkan  dengan  pengujian  dari  0  cm  ke  20 cm..  Pengujian  posisi  0  cm  ke  20  cm  menghasilkan settling time pada waktu 2.013 second dengan nilai steady state error 0.01  cm.  Pengujian  posisi  0  cm  ke  25  cm  menghasilkan settling time pada  waktu  2.079 second dengan  nilai steady state error 0.05  cm.  Pengujian  posisi  0  cm  ke  30  cm menghasilkan settling time pada  waktu  2.079 second dengan nilai steady state error 0.02 cm.
Berdasarkan  Gambar  14  dapat  dilihat  bahwa  nilai  Kp  0.6 memiliki waktu steady state yaitu 7.326 second dan tidak ada overshoot .  Pemberian  nilai  Kp  0.6  menghasilkan  nilai  yang tetap stabil setelah mencapai steady state . Pemberian nilai Kp yang terlalu kecil menyebabkan waktu steady state yang lama yaitu  8.514 second sehingga  nilai  Kp  yang  terlalu  kecil  tidak efektif  digunakan.  Pemberian  nilai  Kp  yang  terlalu  besar menyebabkan  sistem  dengan  nilai overshoot yang  tinggi  dan waktu steady state cepat,  meskipun  waktu steady state yang cepat  namun  menghasilkan  nilai overshoot yang  tinggi  yaitu
1.05 cm, hal ini tentunya tidak cocok jika diaplikasikan dalam sebuah  sistem  yang  menggunakan  pergerakan  silinder  ( linear actuator) .  Pemberian  nilai  Kp  yang  terlalu  besar  juga menghasilkan  nilai  yang  tidak  stabil  setelah  mencapai steady state yaitu  nilai feedback masih  mengalami  perubahan- perubahan kecil.
Gambar 12. Grafik Tuning Nilai Kp Pada PID Posisi 25 cm
Gambar 13. Grafik Tuning Nilai Ki Pada PID Posisi 25 cm
Gambar 14. Grafik Tuning Nilai Kd Pada PID Posisi 25 cm
Pada  Gambar  13  dapat  dilihat  bahwa tuning nilai  Ki  0.1 memiliki nilai yang lebih stabil dibandingkan Ki 0.00025 dan
Ki  2.1.  Nilai  Ki  0.1  memiliki  waktu steady state pada  waktu 2.08 second .  Berdasarkan  pengujian  pada  saat  menggunakan Ki yang besar yaitu 2.1, maka menghasilkan sistem yang tidak stabil  pada  saat  mencapai steady  state masih  terdapat gangguan  pada  sistem  yang  dihasilkan.  Pemberian  nilai  Ki yang terlalu besar menghasilkan aktuator tidak berhenti secara keseluruhan,  namun  masih  tampak  sedikit  pergerakan  yang dihasilkan  aktuator.  Pemberian  nilai  Ki  yang  tepat  mampu menghilangkan steady state error meskipun pengaruh kontrol integral  terhadap  sistem  menghasilkan  respon  yang  lebih lambat  dibandingkan  dengan  kontrol  proporsional.  Sehingga pemilihan  nilai  Ki  yang  tepat  menghasilkan  nilai steady state error yang kecil.
Pada  Gambar  13  dapat  dilihat  bahwa tuning nilai  Kd  0.15 memiliki  nilai  yang  lebih  stabil  setelah steady state dan settling time yang cukup cepat yaitu 2079 ms. Pemberian nilai Kd yang terlalu besar akan mengakibatkan sistem lebih lambat menuju  waktu steady state dan  pemberian  nilai  Kd  yang terlalu  kecil  mengakibatkan  sistem  kurang  stabil  setelah mencapai steady state .kesimpulan
Berdasarkan  hasil  dan  analisa  dan  pembahasan  maka  dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Sistem  kendali  dengan  metode  kontrol  PID  untuk mengontrol  posisi linear  actuator dengan  menggunakan PLC dapat diterapkan.
2. Lama  waktu  yang  dibutuhkan linear  actuator untuk mencapai steady state dari posisi 0 cm menuju 30 cm yaitu 2.079 second . 3. Posisi  dari linear  actuator (posisi  target) mendekati  nilai set point yang diberikan dengan nilai error ± 1 milimeter. 4. Telah  mampu  membuat  sensor slider  potentiometer untuk pembacaan posisi linear actuator .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Alimin Roche. Kontrol Posisi Aktuator Pneumatik dengan Katup On/Off Secara PWM. Surabaya. 2007.
[2] S.  Cajetinac,  D.  Seslija,  S.  Aleksandrov,  M.  Todorovic.  PWM  Control and  Identification  of  Frequency  Characteristics  of  a  Pneumatic  Actuator using PLC Controller. Kaunas: Technologija, 2012.
[3] Atika Wahyuningsih. ”Sistem Pengepakan Produk Dengan Kendali PLC Siemens  S7-300.”  Buku  Tugas  Akhir  Sarjana  I,  Jurusan  Teknik  Elektro,
Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta, 2015.
[4] Diono.” Monitoring dan Control Rumah Pintar Menggunakan Programmable Logic Control dan Pemrograman C#”, Buku Tugas Akhir Diploma IV, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Batam, 2015.
[5] Guntur Wicaksono. “Kontrol PID Pada Robot Barelang 3.1”, Buku Tugas Akhir  Diploma  III,  Jurusan  Teknik  Elektro,  Politeknik  Negeri  Batam, 2012.
[6] Sri  Kusumadewi, “ Artificial  Intelligence  (Teknik  dan  Aplikasinya) edisi pertama ,” Graha Ilmu : Jakarta, 2003.
[7] Ankita  Nayak,  Mahesh  Singh.  Study  of  Tuning  of    PID  Controller  by Using Particle Swarm Optimization. India, 2015.
[8] Proportional directional control  valves MPYE, Festo.
[9] Modicon  M340  With  Unity  Pro  Analog  Input/Output  Modules  User Manual. Schneider. 2012
[10] Udeh  Tochukwu.  Effect  of  PID  Controller  in  Closed  Loop  Feedback System. 2014.