Top Banner
RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI KONSENTRASI LARUTAN HIDROPONIK BERBASIS PID MADE EKALAYA PRATHISTHAYA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
47

RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

Mar 13, 2019

Download

Documents

LêHạnh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI KONSENTRASI LARUTAN

HIDROPONIK BERBASIS PID

MADE EKALAYA PRATHISTHAYA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2014

Page 2: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 3: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun

Sistem Kendali Konsentrasi Larutan Hidroponik Berbasis PID adalah benar karya

saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk

apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau

dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah

disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir

skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, Desember 2014

Made Ekalaya Prathisthaya

NIM F14100072

Page 4: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 5: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

ABSTRAK

MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Rancang Bangun Sistem Kendali

Konsentrasi Larutan Hidroponik Berbasis PID. Dibimbing oleh

LIYANTONO dan MOHAMAD SOLAHUDIN.

Konsentrasi larutan nutrisi pada kegiatan budidaya tanaman hidroponik

perlu dikendalikan agar sesuai dengan kebutuhan nutrisi tanaman. Tujuan

penelitian ini adalah merancang bangun sistem kendali konsentrasi larutan

nutrisi menggunakan sensor EC, dengan menggunakan metode PID.

Penelitian ini dilakukan dalam 4 tahap; kalibrasi sensor EC, simulasi

penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses evapotranspirasi,

penentuan parameter kendali PID (Kp, Ki, Kd) secara trial & error, dan

simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi. Hasil validasi pada tahap 2

sudah memuaskan yang diindikasikan oleh nilai RMSE sebesar 0.025 gram

dengan nilai R2 sebesar 0.973. Kemudian setelah dilakukan trial & error pada

penentuan parameter Kp, Ki, Kd diperoleh nilai berturut-turut 5, 5000, 200,

dengan nilai toleransi ±6 %. Nilai tersebut adalah nilai yang paling optimal

dengan nilai settling time 7.345 menit dan steady state error 0.025 dS/m.

Hasil simulasi pengendalian EC terukur dari larutan nutrisi didapat nilai

RMSE sebesar 0.025 dS/m dan nilai RMSE dari bobot nitrogen 0.012 gram.

Oleh karena itu, dapat dikatakan sistem kendali PID ini sesuai dengan yang

diharapkan.

Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative)

ABSTRACT

MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration Control

System for Hydroponic Solution Based on PID. Supervised by LIYANTONO

and MOHAMAD SOLAHUDIN.

Nutrient solution concentration in hydroponic crop cultivation need to

be controlled to make it appropriate to the plant nutrient requirement. The

purpose of this research is to design control system for nutrient solution

concentrations using EC sensor, by using a PID method. This research was

conducted in 4 stages; EC sensor calibration, simulation of decrease nutrient

solution concentration caused by evapotranspiration process, determination of

PID control parameter (Kp, Ki, Kd) with trial & error, and simulation of EC

control of nutrient solution. Validation result of second stage was satisfied

indicated by RMSE value at 0.025 grams with R2 value at 0.973. Then after

conducted trial & error in determination of Kp, Ki, Kd obtained respectively 5,

5000, 200, with tolerance value ±6 %. Those value are the most optimal

which is identified from settling time was 7.345 minute and steady state error

was 0.025 dS/m. Simulation result of EC control of nutrient solution obtained

RMSE value 0.023 dS/m and RMSE value from nitrogen mean weight 0.012

grams. Therefore, can be said this PID control system is in accordance with

which expected.

Key words: control system, EC, PID (Proportional-Integral-Derivative)

Page 6: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 7: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

dari Departemen Teknik Mesin dan Biosistem pada

Fakultas Teknologi Pertanian

RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI KONSENTRASI LARUTAN

HIDROPONIK BERBASIS PID

MADE EKALAYA PRATHISTHAYA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2014

Page 8: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 9: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

Judul Skripsi : Rancang Bangun Sistem Kendali Konsentrasi Larutan Hidroponik

Berbasis PID

Nama : Made Ekalaya Prathisthaya

NIM : F14100072

Disetujui oleh

Dr Liyantono, MAgr

Pembimbing I

Dr Ir Mohamad Solahudin, MSi

Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial, MEng

Ketua Departemen

Tanggal Lulus:

Page 10: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 11: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa atas segala

karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Judul yang dipilih

dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Mei 2014 ini yaitu Rancang

Bangun Sistem Kendali Konsentrasi Larutan Hidroponik Berbasis PID. Penelitian

ini berlangsung selama 5 bulan dikarenakan proses pengadaan alat yang cukup

memakan waktu.

Terima kasih penulis ucapkan kepada:

1. Tuhan Yang Maha Esa atas anugrah dan karunianya.

2. Dr Liyantono dan Dr Mohamad Solahudin selaku pembimbing.

3. Dr Slamet Widodo yang telah banyak memberi saran dan solusi.

4. Bapak (Putu Asiagama), Ibu (Ni Made Sri Seputri), Kakak (I Putu Arya Yasa

Saputra) dan Kakak ipar (Ni Luh Ketut Ayu Budiani) yang telah

mencurahkan kasih sayangnya dalam bentuk apapun.

5. Alfin Fathikunada yang telah banyak memberikan ilmunya.

6. Siti Asiyah yang telah mengoreksi dan memberikan masukan terhadap skripsi

ini.

7. Erlin Cahya Rizki Purnama, Dian Andriani, Amri Maulana, Naufal Rauf, dan

teman-teman Laboratorium Teknik Bioinformatika.

8. I Kadek Agus Hendra Dinata, I Nengah Dedi Setiadi, I Gde Wahyu Dani

Darmawan, Nyoman Riyawan dan teman-teman KMHD.

9. Bapak Ahmad, Ibu Mar, Bapak Dharma serta semua staf Departmen Teknik

Mesin dan Biosistem

10. Rizky Wiradinata dan teman-teman Antares (TMB 47) atas bantuannya

selama penelitian dan penulisan skripsi ini dilaksanakan.

11. Penghuni Vrindavan yang telah memberikan bantuan dalam bentuk apapun.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Desember 2014

Made Ekalaya Prathisthaya

Page 12: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 13: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

DAFTAR ISI

PRAKATA vii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR LAMPIRAN xi

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Tujuan Penelitian 2

Ruang Lingkup Penelitian 2

TINJAUAN PUSTAKA 3

Electrical Conductivity (EC) 3

Sistem Kendali Proportional-Integral-Derivative (PID) 4

Proses Penyerapan Nutrisi pada Tanaman Tomat 6

METODOLOGI 6

Tempat dan Waktu Penelitian 6

Alat dan Bahan 6

Prosedur Penelitian 7

Kalibrasi sensor EC 7

Interpolasi linier 7

Simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi 7

Validasi data 8

Penentuan parameter kendali PID (Kp, Ki, Kd) secara trial & error 8

Simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi 9

HASIL DAN PEMBAHASAN 11

Kalibrasi Sensor EC 11

Simulasi Penurunan Konsentrasi Larutan Nutrisi Karena Proses

Evapotranspirasi 13

Penentuan Parameter Kendali PID (Kp, Ki, Kd) Secara Trial & Error 16

Simulasi Pengendalian EC dari Larutan Nutrisi 20

SIMPULAN 21

Page 14: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

SARAN 22

DAFTAR PUSTAKA 22

LAMPIRAN 24

RIWAYAT HIDUP 31

DAFTAR TABEL

1 Nilai EC untuk beberapa jenis tanaman 3

2 Data EC acuan dan EC meter CM-21P 11

3 Data pengukuran EC di dalam 1 liter air yang dilakukan menggunakan

sensor EC CS200 dan EC meter CM-21P 12

4 Data EC terukur dengan bobot nitrogen di dalam 5 liter air 14

5 Nilai settling time dan steady state error untuk tiap nilai target 19

6 Data pencarian debit tetesan infus 27

7 Data penurunan bobot nitrogen referensi dan hasil simulasi 28

8 Kandungan nutrisi yang terdapat di dalam total padatan AB mix 30

DAFTAR GAMBAR

1 Hubungan dari tiap unsur siklus kendali PID 5

2 Diagram alir pengendalian EC larutan nutrisi 9

3 Tahapan prosedur penelitian 10

4 Grafik hubungan antara data pengukuran EC meter CM-21P terhadap

nilai EC acuan 11

5 Grafik hubungan antara data pengukuran dari sensor EC CS200

terhadap EC meter CM-21P 12

6 Grafik peningkatan kumulatif total nitrogen (NO3-) terserap oleh

tanaman tomat (Solanum lycopersicum L.) (Rincon et. al 2005) 13

7 Grafik perubahan kumulatif total nitrogen (NO3-) terserap oleh tanaman

tomat yang dipercepat menjadi 2 hari 13

8 Grafik analogi penurunan kumulatif bobot nitrogen (NO3-) terserap di

wadah larutan nutrisi 14

9 Grafik EC terukur dengan total volume AB mix di dalam 5 liter air 14

10 Grafik penurunan konsentrasi larutan selama 2 hari, grafik observasi

( ) dan grafik model penurunan bobot nitrogen ( ) 15

11 Grafik pengaturan Kp=20, Ki=3000, dan Kd= 200, dengan nilai target

0.500 dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m

16

12 Grafik pengaturan Kp=10, Ki=4000, Kd=200, dengan nilai target 0.500

dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m

16

Page 15: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

13 Grafik pengaturan Kp=5, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target 0.500

dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m 17

14 Grafik pengaturan Kp=3, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target 0.500

dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m 18

15 Grafik pengaturan Kp=5, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target 0.500

dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m

(nilai toleransi ±6 %) 18

16 Grafik simulasi sistem kendali EC yang dilakukan selama 2 hari dengan

nilai target 0.710 dS/m 20

17 Grafik simulasi bobot nitrogen ( ) yang dibandingkan dengan model

penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses evapotranspirasi

( ) 20

18 Perubahan berdasarkan waktu untuk nutrisi yang disuplai ( ), dibuang

( ), dan diserap oleh tanaman tomat ( ) (Rincon et al. 2005) 26

19 Pembagian pola perubahan jumlah nitrogen terserap 27

20 Kemasan pupuk hidroponik AB mix 30

DAFTAR LAMPIRAN

1 Algoritma dari program sistem kendali PID 24

2 Contoh perhitungan untuk pencarian pola penurunan bobot nitrogen 26

3 Contoh perhitungan untuk validasi menggunakan Root Mean Square

Error (RMSE) 28

4 Informasi kandungan nutrisi pupuk AB mix 30

Page 16: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration
Page 17: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Hidroponik adalah pembudidayaan tanaman tanpa menggunakan tanah

dimana teknik ini memanfaatkan pertumbuhan akar tanaman di dalam larutan

nutrisi dengan kandungan nutrisi sesuai dengan kebutuhan mineral tanaman

tersebut (Considine 1976). Berdasarkan pernyataan tersebut kita dapat menangkap

bahwa hidroponik merupakan kegiatan bercocok tanam dengan pembudidayaan

tanaman tanpa menggunakan media tanah, melainkan di dalam larutan nutrisi.

Pada umumnya kegiatan bercocok tanam secara hidroponik dilakukan di dalam

rumah tanaman agar kondisi lingkungan tanaman dapat dikendalikan. Bercocok

tanam di dalam rumah tanaman mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan

bercocok tanam di lahan terbuka. Kelebihan tersebut antara lain penggunaan

pestisida yang lebih sedikit karena tanaman lebih terlindungi dari serangan hama.

Penggunaan rumah tanaman juga memungkinkan pengaturan pasokan air lebih

efisien dan teratur sesuai dengan kebutuhannya. Tanaman di musim hujan

terlindung dari curah hujan yang berlebihan. Pemberian nutrisi dapat lebih mudah

dalam sistem hidroponik, yaitu bersama air dalam bentuk larutan nutrisi

(Suhardiyanto 2009). Nilai daya hantar listrik (electrical conductivity) digunakan

sebagai pendekatan untuk menentukan konsentrasi melalui konduktivitas listrik

dari larutan (Hanan 1998). Nilai target electrical conductivity dari larutan nutrisi

bervariasi tergantung pada jenis tanaman, tahap pertumbuhan dan kondisi iklim

lingkungan (Parks dan Murray 2011). Kebutuhan nutrisi tanaman adalah jumlah

nutrisi yang dibutuhkan oleh tanaman untuk bertahan dan reproduksi. Semakin

besar jumlah unsur yang terlarut dalam larutan nutrisi, maka nilai EC yang terukur

juga akan meningkat secara linier (Hanan 1998). Akan lebih baik pengendalian

nilai EC dilakukan secara berkala, sehingga nilai EC larutan selalu terjaga optimal.

Untuk mengoptimalkan pertumbuhan dan kualitas dari tanaman, diperlukan

penyesuaian antara pasokan air dan pupuk yang dibutuhkan oleh tanaman dalam

jangka waktu yang pendek (Jaimes-Ponce et al. 2012). Seiring perubahan waktu

konsentrasi dari larutan nutrisi dapat berubah. Dibutuhkan suatu perlakuan untuk

selalu menjaga konsentrasi larutan nutrisi tersebut optimal. Berdasarkan hal

tersebut, dalam penelitian ini dirancang suatu rancang bangun sistem kendali yang

dapat mengendalikan konsentrasi larutan sebagai perlakuan untuk menjaga

konsentrasi larutan nutrisi hidroponik.

Sistem kendali yang umum digunakan adalah sistem kendali on/off. Sistem

kendali on/off hanya memberikan dua aksi yaitu menyala dan mati. Kedua aksi

tersebut hanya memberikan dampak parameter yang dikendalikan terlalu tinggi

atau terlalu rendah. Sistem kendali PID dapat ditambahkan terhadap sistem

pengendalian agar galat yang ditimbulkan dari pengendalian dapat diredam,

sehingga kondisi yang diharapkan dari lingkungan yang dikendalikan dapat

dicapai. Metode ini bekerja dengan pendekatan yang berorientasi terhadap nilai

galat yang terukur pada saat lampau, sekarang, dan yang akan terjadi (Tehrani dan

Mpanda 2012). Sistem kendali PID bersifat umpan balik negatif (negative

feedback), dimana umpan balik negatif adalah pengurangan nilai dari masukan

(Tehrani dan Mpanda 2012). Kendali tertutup umumnya digunakan untuk sistem

Page 18: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

2

kendali PID. Sistem kendali tertutup adalah sistem kendali yang menggunakan

informasi dari alat ukur dan diumpankan kembali dari keluaran sistem untuk

memodifikasi masukannya (Bolton 2004). Pada sistem PID, secara garis besar

kendali proporsional digunakan untuk mengurangi galat secara proporsional

berdasarkan nilai terukur. Kendali integral mengakumulasi galat yang telah

berjalan, sehingga menggiring nilai galat secara perlahan menuju nilai nol.

Kendali derivatif digunakan sebagai laju perubahan galat dimana kondisi ini

berfungsi sebagai antisipasi nilai galat di waktu selanjutnya, mempercepat respon

kendali proporsional dan meningkatkan stabilitas dengan mengompensasi jeda

yang ditimbulkan dari kendali integral (Neary 2004). Kombinasi dari ketiga

kendali tersebut dapat menyajikan sistem kendali yang sangat akurat dan stabil.

Akan tetapi, sistem kendali harus terlebih dahulu dilakukan pengaturan untuk

karakteristik sistem yang optimum (Neary 2004).

Sistem kendali PID sangat berguna untuk kondisi yang mengharapkan

sistem memiliki respon cepat terhadap perubahan lingkungan dan sistem kendali

PID sangat berguna untuk pembebanan yang berlanjut terus (Neary 2004).

Menurut Shaw (2003), ada banyak algoritma yang bisa digunakan untuk

mengendalikan proses menggunakan metode PID. Salah satu yang paling mudah,

paling banyak digunakan di industri dan rumah tangga adalah sistem saklar on/off.

Maka dari itu, sistem kendali PID yang digunakan dalam penelitian ini

menggunakan sistem saklar on/off.

Tujuan Penelitian

Penelitian ini secara umum bertujuan untuk merancang bangun sistem

kendali konsentrasi larutan nutrisi dengan EC sebagai parameter, berbasis metode

Proportional-Integral-Derivative (PID). Tujuan tersebut dicapai dengan

dilakukan: 1. Simulasi pola penurunan konsentrasi larutan nutrisi hidroponik karena proses

evapotranspirasi.

2. Penentuan parameter kendali PID (Kp, Ki, Kd).

3. Simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi menggunakan parameter kendali

PID yang sudah ditentukan.

Ruang Lingkup Penelitian

Penelitian ini dilakukan dalam skala model. Sistem kendali diberikan

gangguan dalam bentuk penurunan konsentrasi larutan hidroponik karena proses

evapotranspirasi yang dimodelkan berdasarkan data penurunan bobot nitrogen

terserap oleh tanaman. Skala model juga diaplikasikan terhadap sistem

pencampuran larutan hidroponik, yaitu antara larutan hidroponik dengan air.

Page 19: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

3

TINJAUAN PUSTAKA

Electrical Conductivity (EC)

Nilai daya hantar listrik atau dengan istilah lain electrical conductivity dan

dapat disingkat menjadi EC, adalah ukuran total konsentrasi atau ukuran

kepekatan yang terdapat pada suatu larutan nutrisi. Semakin besar konsentrasi

larutan nutrisi, maka nilai EC akan semakin besar (Parks dan Murray 2011). Nilai

EC diukur dengan satuan desi siemens per meter (dS/m). Nilai EC dapat

dikonversi ke satuan μS/cm (mikro siemens per centimeter) dari satuan dS/m

dengan nilai EC terukur dikalikan dengan nilai 103. Umumnya penggunaan satuan

desi siemens per meter (dS/m) biasa digunakan pada literatur ilmiah (Whipker dan

Cavins 2000).

Nilai EC pada tiap jenis tanaman berbeda-beda. Nilai EC optimum tomat

(Solanum lycopersicum L.) berkisar antara 3.000 dS/m untuk fase vegetatif dan

4.500 dS/m sampai 7.000 dS/m untuk fase generatif (Rincon et al. 2005). Nilai

EC untuk beberapa macam tanaman hidroponik dapat dilihat pada Tabel 1.

Konsentrasi larutan dengan EC yang rendah atau terlalu tinggi akan

memberikan hasil panen yang rendah. Hasil panen akan meningkat jika tercapai

EC optimum (Wu dan Kubota 2008). Peningkatan konsentrasi dari larutan yang

dijadikan nutrisi disebabkan karena penambahan pupuk cair. Ada pula konsentrasi

meningkat karena efek dari akumulasi garam yang terdapat di dalam pupuk cair

hidroponik (Massa et al. 2011). Menurut Hanan (1998) penentuan nilai EC

merupakan metode paling mudah untuk menguji kepekatan larutan pada sistem

hidroponik. Pembacaan EC menyediakan informasi tentang tingkat substrat

terlarut dan salinitas dari larutan nutrisi, walaupun pada umumnya salinitas

ditentukan dari nilai total padatan terlarut (TDS) (Hanan 1998).

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Wu dan Kubota (2008) pada

tanaman tomat, laju pertukaran gas pada daun dan laju fotosintesis dipengaruhi

nilai daya hantar listrik dari suatu larutan nutrisi. Peningkatan nilai EC yang

melampaui nilai optimumnya pada larutan nutrisi untuk tanaman tomat pada masa

vegetatif akan memberi dampak penurunan laju transpirasi dan laju fotosintesis.

Tabel 1 Nilai EC untuk beberapa jenis tanaman

Jenis tanaman Nilai EC (dS/m)

Vegetatif Generatif

Tomat (Solanum lycopersicum L.)

3.000 4.500-7.000

Pok choi (Brasica rapa L.) 1.330-1.300 -

Selada (L. Sativa) 1.560-1.740 -

Kentang (Solanum tuberosum L.)

2.000 5.800

Sumber: Rincon et al. (2008), Sesmininggar (2006), Setiawan (2007), Novella et al.

(2008).

Page 20: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

4

Sistem Kendali Proportional-Integral-Derivative (PID)

Sistem kendali yang terdiri dari tiga tipe sistem pengendalian, dimana

kecenderungan terjadinya galat kondisi setimbang (steady state error) parameter

kendali dan terjadinya osilasi dapat direduksi disebut sistem kendali Proportional-

Integral-Derivative (PID) (Bolton 2004). Menurut Shaw (2003), sistem kendali

PID dapat bekerja dikarenakan oleh siklus kendali (control loop). Siklus kendali

tersebut terdiri dari beberapa bagian yaitu pengukuran variabel proses, algoritma

kendali, unsur akhir kendali dan proses. Pengukuran variabel proses adalah

variabel yang terukur oleh instrumen atau alat ukur dalam bentuk sinyal. Beberapa

kasus dalam penggunaan sensor, sinyal bisa dalam bentuk tegangan atau

kapasitansi. Sinyal tersebut lalu dirubah ke dalam bentuk sinyal lain agar bisa

diolah oleh sistem kendali. Tahapan berikutnya adalah algoritma kendali, dimana

pada tahapan algoritma kendali, sistem kendali mengeksekusi data terusan dari

sensor dalam beberapa periode waktu (cenderung tiap detik atau lebih cepat)

untuk menghasilkan sinyal keluaran yang nantinya ditransmisikan ke unsur akhir

pengendalian. Sinyal keluaran yang ditransmisikan dari sistem kendali, akan

digunakan sebagai indikator aksi pengendalian oleh unsur akhir kendali. Selama

itu, unsur akhir kendali (motor listrik, katup, peredam aliran udara, dan peranti

lainnya) menerima sinyal dari sistem kendali dan memanipulasi proses kendali.

Selanjutnya tahapan proses adalah tahapan dimana terjadi perubahan dari variabel

ukur (nilai terukur oleh alat atau sensor) karena adanya perlakuan manipulasi dari

unsur akhir kendali dengan hasil yang dinamakan variabel termanipulasi. Variabel

termanipulasi adalah variabel ukur yang telah dirubah agar menghasilkan nilai

keluaran PID. Variabel termanipulasi ini nantinya akan digunakan sebagai acuan

untuk sistem kendali dalam melakukan perhitungan dalam proses algoritma

kendali untuk menghasilkan sinyal keluaran. Ilustrasi dari siklus kendali dapat

dilihat pada Gambar 1.

Jenis sistem yang digunakan dalam pengendalian proses di penelitian ini

adalah sistem kendali tertutup. Sistem kendali tertutup adalah sistem kendali yang

menggunakan informasi dari alat ukur dan diumpankan kembali dari keluaran

sistem untuk memodifikasi masukannya (Bolton 2004). Sistem kendali tertutup

digunakan dengan harapan sistem kendali PID yang dijalankan berada pada

kondisi otomatis. Menurut Haugen (2010) persamaan PID secara umum dapat

ditunjukan seperti pada persamaan 1 berikut:

)1()()()( teTKeT

KteKutu dp

i

pp0

Dimana u0 adalah variabel kendali manual (variabel dimasukan bila sistem

kendali pada awal beroperasi dijalankan secara manual oleh operator. Bila sistem

berjalan secara otomatis, nilai u0 tidak dimasukan). Simbol u(t) adalah keluaran

kendali. Simbol e(t) adalah nilai simpangan (error) kendali.

)2(rye

Pada persamaan 2, nilai r(t) adalah nilai titik acuan dan nilai y(t) adalah nilai

variabel terukur dari proses. Ada beberapa cara untuk menjabarkan persamaan

diatas agar dapat menjelaskan cara kerja sistem saat beroperasi. Akan tetapi dalam

penjelasan mengenai kendali PID ini hanya digunakan satu metode perhitungan

yaitu metode waktu-diskrit kendali PID berdasarkan aplikasi PID di dalam

Haugen (2010). Nilai u(t) diturunkan dengan tujuan mendapatkan nilai sinyal

Page 21: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

5

keluaran pada waktu tertentu. Persamaan 3 dirujuk dari persamaan PID yang

terdapat di dalam Haugen (2010). Akan tetapi variabel tidak dimasukan karena

PID yang digunakan termasuk dalam jenis otomatis.

(3) teTKdteT

KteKtu dp

t

0i

pp

Persamaan (3) dijabarkan menggunakan metode penurunan terbalik

menjadi:

s

kkdpk

i

p

s

kkp

s

1-k

T

teteTKte

T

K

T

teteK

T

tu-tu 11k ()(

Dilakukan penurunan di bagian kendali diferensial.

s

kkkkdpk

i

p

s

kkp

s

1-k

T

teteteteTKte

T

K

T

teteK

T

tu-tu 2111k ()(

Dilakukan penyetaraan pada ruas kiri dan ruas kanan.

(4)))()(2)(()(1))()(()()( 211 kkk

s

dpk

i

spkkpkk tetete

T

TKte

T

TKteteKtutu

Keterangan

u(tk) : Sinyal keluaran PID.

Kp : Konstanta proporsional.

Ti : Waktu integral (detik).

Td : Waktu derivatif (detik).

tk : Waktu koreksi (detik).

Ts : Waktu langkah (detik).

Nilai Ti didapat dari Ti = 2L, sedangkan Td didapat dari Td = 0.5L. Variabel

L adalah waktu ketertinggalan pada awal sistem dijalankan dalam satuan detik.

Variabel tk didapat dari nilai tk = k.Ts. Nilai k adalah faktor koreksi waktu.

Penggunaan dari faktor koreksi waktu adalah untuk menyesuaikan sistem dengan

keterbacaan data yang dikirim oleh alat ukur atau sensor. Berdasarkan persamaan

4 sinyal keluaran PID dipengaruhi oleh nilai galat dari variabel terukur pada

waktu terukur dan waktu terukur sebelumnya. Secara teori nilai sinyal keluaran

PID pada saat k-1 ikut dijumlahkan. Berdasarkan persamaan 4, sistem kendali PID

merupakan sistem kendali yang bekerja berdasarkan perubahan nilai galat. Cara

kerja sistem kendali PID menurut persamaan 4 yaitu menelusuri perubahan nilai

galat yang terjadi, sehingga aksi dari kendali akan menyesuaikan dengan

perubahan nilai galat yang terjadi.

Gambar 1 Hubungan dari tiap unsur siklus kendali PID (Haugen 2010)

Pengukuran

Page 22: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

6

Proses Penyerapan Nutrisi pada Tanaman Tomat

Penyerapan unsur hara oleh tanaman dipengaruhi oleh tiga proses yaitu

difusi ion (unsur hara) dari tanah ke akar akibat dari perbedaan gradien ion akar

dengan tanah, aliran massa air akibat proses transpirasi, dan penyerapan ion

selektif oleh tanaman (Hanan 1998). Unsur NO3-, H2PO4, dan K

+ umumnya di

salurkan lebih cepat ketika tanaman menyalurkan unsur hara ke seluruh bagian

tanaman, dan berpengaruh terhadap proses penyerapan serta laju transpirasi

(Hanan 1998).

Unsur hara di dalam penelitian ini dipilih salah satu unsur yaitu NO3-,

karena unsur tersebut termasuk unsur yang dibutuhkan tanaman dalam jumlah

yang besar (unsur makro). Berdasarkan Rincon et al. (2005) jumlah kumulatif

nitrogen terserap mengalami peningkatan selama 196 hari yang ditunjukan pada

Gambar 18. Tanaman tomat yang ditanam menyerap nitrogen sekitar 65.100

gram. Penyerapan tersebut terjadi selama proses penanaman yaitu dari masa

transplantasi sampai masa panen. Pola peningkatan tersebut dijadikan landasan

analogi ketersediaan sejumlah nitrogen di dalam suatu wadah larutan nutrisi

dalam penelitian ini.

METODOLOGI

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian dilaksanakan pada bulan Mei 2014 hingga Agustus 2014.

Kegiatan pengambilan data, simulasi, pengolahan dan penyusunan hasil penelitian

dilakukan di Laboratorium Teknik Bioinformatika, Departemen Teknik Mesin dan

Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri atas laptop, software

Arduino 1.0.5 untuk pembuatan program, 1 buah sensor EC probe CS200, EC

meter CM-21P, 3 buah katup selenoid 12 volt, board mikrokontroler Maxiduino

untuk kendali sistem, mikrokontroler EZO-COM untuk pembacaan data EC,

wadah pencampuran nutrisi, wadah larutan pupuk cair, timbangan 1 kg, pompa

udara (aerator) sebagai pengaduk, kran infus untuk simulasi penyerapan nitrogen

oleh tanaman. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pupuk

hidroponik cair dengan merek dagang AB mix, air terdestilasi, larutan KCl 12.880

dS/m dan 80.000 dS/m, model penyerapan nutrisi oleh tanaman tomat diperoleh

dari hasil penelitian Rincon et al. (2005).

Page 23: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

7

Prosedur Penelitian

Kalibrasi sensor EC

Penelitian ini diawali dengan kalibrasi sensor EC dengan kode alat CS200

dan EC meter CM-21P yang dilakukan pada tanggal 23 Maret 2014 di

Laboratorium Teknik Bioinformatika, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,

Institut Pertanian Bogor. Kalibrasi dilakukan terhadap EC meter CM-21P terlebih

dahulu. Kalibrasi untuk EC meter dibagi menjadi tiga tahap yaitu kalibrasi kering,

kalibrasi EC rendah dan kalibrasi EC tinggi menggunakan larutan KCl. Setelah

dilakukan kalibrasi terhadap EC meter CM-21P, dilakukan kalibrasi terhadap

sensor EC CS200 dengan menggunakan beberapa titik volume AB mix yang

digunakan sebagai bahan dalam penelitian ini dan hasil pengukuran sensor EC

dibandingkan dengan alat ukur EC meter CM-21P. Tiap bagian pupuk A maupun

bagian pupuk B memiliki perbandingan 1:1 sesuai dengan penggunaan pupuk cair

hidroponik AB mix yang dianjurkan oleh distributor pupuk cair. Takaran yang

telah ditentukan berturut-turut dicampurkan ke dalam 1 liter air. Pembacaan data

dari sensor dilakukan melalui mikrokontroler EZO-COM dan komputer.

Pembacaan EC meter CM-21P dilakukan melalui recorder yang sudah disertakan

bersama EC meter.

Interpolasi linier

Penentuan nilai debit tetesan dari infus yang digunakan untuk simulasi

penurunan konsentrasi larutan karena evapotranspirasi menggunakan metode

interpolasi linier yang ditunjukan pada persamaan 5 dan persamaan 6. Persamaan

dikutip dari Gloag et al. (2012).

)5(amxy

)6(12

12

xx

yym

Keterangan:

y2 : Nilai variabel terikat akhir x2 : Nilai variabel bebas akhir

y1 : Nilai variabel terikat awal x1 : Nilai variabel bebas awal

Simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi

Prosedur simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi hidroponik

dilakukan pada tanggal 30 Juni 2014 di Laboratorium Teknik Bioinformatika,

Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut

Pertanian Bogor. Komoditas yang digunakan adalah tanaman tomat (Solanum

Lycopersicum L.) dengan sistem hidroponik NFT (Nutrient Film Technique).

Tanaman tomat dan sistem hidroponik tidak benar-benar digunakan, akan tetapi

yang digunakan adalah data penurunan jumlah nitrogen di dalam wadah larutan

nutrisi yang digunakan untuk budidaya tomat. Simulasi diawali dengan

melakukan pengaturan alat penetes, dimana dalam simulasi ini yang digunakan

adalah infus. Infus diatur secara trial & error agar mendapat debit yang

diinginkan.

Page 24: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

8

Data diperoleh dari Rincon et al. (2005), dimana sumber telah melakukan

penelitian mengenai penurunan jumlah nitrogen yang disebabkan proses

penyerapan nutrisi oleh tanaman tomat. Perolehan data penurunan bobot nitrogen

didapat dari interpolasi terhadap grafik penurunan jumlah nitrogen yang terserap

oleh tanaman, yang ditampilkan di dalam jurnal referensi. Interpolasi dilakukan

karena data primer dari pengamatan penurunan jumlah nitrogen yang terserap oleh

tanaman tidak ikut ditampilkan dalam referensi. Data interpolasi diperoleh dengan

membandingkan jarak antar titik di dalam grafik dengan waktu dari peningkatan

jumlah nitrogen yang terserap.

Sebelum dilakukan prosedur simulasi, dilakukan pencarian hubungan

antara EC terukur dengan bobot nitrogen di dalam 5 liter air. Pencarian hubungan

antara EC terukur dengan bobot nitrogen di dalam 5 liter air dilakukan dengan

tujuan dapat diketahui hubungan linier antara bobot nitrogen dengan nilai EC

terukur melalui konversi volume AB mix bila digunakan 5 liter air sebagai media

pencampuran. Berdasarkan informasi yang tertera pada kemasan pupuk cair

hidroponik AB mix bahwa dari total padatan AB mix yang belum dilarutkan

dengan air, terkandung 9.900 % nitrogen (NO3-). Berdasarkan informasi tersebut,

nilai bobot nitrogen dari hubungan antara EC terukur dengan bobot nitrogen dapat

diketahui dari konversi total volume AB mix.

Setelah simulasi dilaksanakan, hasil dari simulasi di validasi terhadap data

analogi penurunan kumulatif total nitrogen (NO3-) terserap di wadah larutan

nutrisi.

Validasi data

Validasi dilakukan dengan menggunakan metode Root Mean Square Error

(RMSE) pada persamaan 7. Validasi dilakukan dengan menggunakan persamaan

RMSE pada Armstrong dan Collopy (1992).

)7()(

RMSE

2

N

AFN

ss

Keterangan:

Fs : Data observasi N : Banyak data

As : Data model

Penentuan parameter kendali PID (Kp, Ki, Kd) secara trial & error

Sistem kendali PID yang dioperasikan tidak stabil ketika mencapai nilai titik

acuan (set point). Maka dari itu diberikan suatu nilai toleransi agar semua kran

bisa diposisikan pada posisi tertutup dan proses yang terjadi hanya proses

pengadukan. Pengaturan dilakukan di awal terhadap nilai toleransi yaitu sebesar

±8.800 % dari nilai titik acuan (set point). Pengaturan dilanjutkan dengan

menentukan nilai konstanta proporsional, konstanta integral dan konstanta

derivatif secara berturut-turut yaitu sebesar 20, 3000, dan 200.

Pada awal pengaturan sistem kendali PID, dilakukan pengaturan terhadap

debit aliran larutan nutrisi dan aliran air. Hal ini dilakukan karena larutan nutrisi

terlalu pekat. Sehingga dapat mengakibatkan perubahan konsentrasi yang sangat

besar pada saat pencampuran bila aliran larutan nutrisi tidak dibatasi. Debit dari

larutan A diatur agar besarnya aliran 50 ml/menit dan begitu juga dengan larutan

Page 25: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

9

B dengan besar debit yang sama. Pengaturan dilakukan dengan memberikan

penanda pada muka larutan di wadah larutan nutrisi. Sedangkan untuk air diatur

agar debit air 500 ml/menit dengan memberikan penanda pada muka air di bagian

wadah air. Debit aliran air dibedakan agar laju perubahan nilai EC saat

penambahan larutan nutrisi dapat diimbangi dengan laju perubahan EC saat

penambahan air.

Simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi

Simulasi dilakukan di Laboratorium Teknik Bioinformatika, Departemen

Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor, Bogor. Alat dan bahan

yang digunakan untuk simulasi ini sama seperti yang digunakan untuk model

penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses evapotranspirasi. Hanya saja

ditambahkan ember larutan nutrisi dan kran otomatis untuk sistem pengendalian.

Simulasi ini dilakukan selama 2 hari, dengan pengambilan data setiap 50 menit

sekali. Proses pengendalian EC dari larutan nutrisi terdapat pada Gambar 2.

Setelah nilai EC terukur oleh sensor EC, informasi nilai EC diterima

mikrokontroler. Nilai EC terukur diolah oleh mikrokontroler agar dapat dihasilkan

suatu nilai keluaran PID. Kombinasi bukaan kran pupuk cair hidroponik dan kran

air ditentukan dari nilai keluaran PID yang dihasilkan. Perubahan nilai EC di

wadah larutan nutrisi dipengaruhi oleh kombinasi bukaan kran pupuk cair

hidroponik dan kran air.

Gambar 2 Diagram alir pengendalian EC larutan nutrisi

Relay Katup selenoid

Pompa udara Ember

5 liter

Infus Sensor EC

Page 26: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

10

Gambar 3 Tahapan prosedur penelitian

Penentuan parameter PID

secara trial & error

Kalibrasi sensor EC

Validasi model

Valid?

Ya

Sesuai target?

Ya

Tidak

Tidak

Data penurunan jumlah

nitrogen (NO3-) pada

tanaman tomat (Solanum

lycopersicum L.)

Simulasi penurunan

konsentrasi larutan

Selesai

Mulai

A

B

Keterangan A: Simulasi pertumbuhan tanaman B: Pengendalian nutrisi dengan PID

Model penurunan konsentrasi

karena evapotranspirasi

Simulasi sistem kendali EC

Sistem kendali PID dengan

parameter kendali terpilih

Page 27: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

11

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kalibrasi Sensor EC

Kalibrasi sensor EC diawali dengan kalibrasi terhadap EC meter CM-21P

terlebih dahulu. Hal ini dilakukan dengan tujuan sensor EC bisa mengukur nilai

EC dari larutan hidroponik AB mix pada beberapa titik dan berkaitan dengan hal

tersebut dibutuhkan suatu alat ukur yang sudah terstandar. Kalibrasi EC meter

CM-21P dibagi menjadi tiga tahap sesuai dengan tata cara kalibrasi yang tertera di

dalam datasheet sensor EC Atlas-Scientific. Kalibrasi dibagi menjadi tiga tahapan

yaitu kalibrasi kering dimana EC meter dikondisikan tidak terkena larutan atau

cairan apapun (EC probe kondisi kering), lalu kalibrasi dilanjutkan menggunakan

larutan KCL dengan nilai EC 12.880 dS/m sebagai EC rendah dan 80.000 dS/m

sebagai EC tinggi. Data hasil kalibrasi EC meter CM-21P dapat dilihat pada Tabel

2. Ditunjukan pada Tabel 2 nilai 0.000 pada bagian EC acuan dan EC terukur

merupakan nilai EC pada kondisi EC meter kering. Grafik dari data di dalam

Tabel 2 ditunjukan pada Gambar 4.

Persamaan regresi yang didapat yaitu y = 1.126x - 0.661, merupakan hasil

pencarian regresi data terukur EC meter CM-21P terhadap EC acuan yaitu

kalibrasi kering dan kalibrasi EC larutan KCL. Persamaan regresi tersebut

digunakan untuk rentang nilai EC 0.587 dS/m sampai 71.504 dS/m dalam

pengukuran EC meter sebelum dikalibrasi.

Setelah pengalibrasian EC meter CM-21P, dilakukan kalibrasi terhadap

sensor EC CS200 Atlas-Scientific melalui EC meter CM-21P. Hasil dari kalibrasi

Gambar 4 Grafik hubungan antara data pengukuran EC meter

CM-21P terhadap nilai EC acuan

y = 1.126x - 0.661

R² = 1.000

0.000

20.000

40.000

60.000

80.000

0.000 20.000 40.000 60.000 80.000

EC

acu

an (

dS

/m)

EC meter CM-21P (dS/m)

Tabel 2 Data EC acuan dan EC meter CM-21P

EC acuan (dS/m) EC meter CM-21P (dS/m)

0.000 0.000

12.880 12.739

80.000 71.504

Page 28: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

12

dapat dilihat pada Tabel 3 dan Gambar 5. Persamaan regresi yang didapat dari

hubungan EC terukur antara sensor EC CS 200 dengan EC meter CM-21P yaitu y

= 1.228x - 0.721. Persamaan regresi tersebut hanya berlaku pada rentang nilai EC

0.587 dS/m sampai 80.000 dS/m pada pengukuran sensor EC sebelum dikalibrasi.

Didapat nilai koefisien determinasi sebesar 0.998, yang memiliki makna bahwa

99.8 % keragaman diantara data EC meter CM-21P dapat dijelaskan korelasinya

dengan data sensor EC CS200.

Mikrokontroler yang digunakan khusus untuk pembacaan EC merupakan

kepingan kendali yang sudah ditanami perintah untuk pembacaan sinyal sensor

EC CS200 Atlas-Scientific. Mikrokontroler ini memiliki kode produk EZO-COM

dan memiliki 2 tipe serial komunikasi yaitu I2C dan UART. Serial komunikasi

dalam penelitian ini dikondisikan pada kondisi UART (Universal Asynchronous

Received Transmitter).

Gambar 5 Grafik hubungan antara data pengukuran dari sensor

EC CS200 terhadap EC meter CM-21P

y = 1.228x - 0.721

R² = 0.998

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000

EC

met

er (

dS

/m)

Sensor EC (dS/m)

Tabel 3 Data pengukuran EC di dalam 1 liter air yang dilakukan

menggunakan sensor EC CS200 dan EC meter CM-21P

Larutan Stok A

(ml)

Larutan Stok B

(ml)

Sensor EC

(dS/m)

EC meter

(dS/m)

0.900 0.900 0.509 0.008

2.500 2.500 1.564 1.196

5.000 5.000 2.878 2.696

7.500 7.500 3.968 4.126

10.000 10.000 5.102 5.681

12.500 12.500 6.000 6.728

15.000 15.000 6.700 7.167

20.000 20.000 8.947 10.434

Page 29: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

13

Simulasi Penurunan Konsentrasi Larutan Nutrisi Karena Proses

Evapotranspirasi

Tampilan grafik yang digunakan untuk simulasi dapat dilihat pada Gambar

6. Penyetaraan dilakukan terhadap data penyerapan nitrogen oleh tanaman tomat

dan menghasilkan grafik pada Gambar 6 agar didapat satuan gram/tanaman.

Grafik sebelum dilakukan penyetaraan dapat dilihat pada Lampiran 2 di Gambar

18.

Pembacaan data dilakukan secara manual melalui tampilan serial

komunikasi di dalam komputer dikarenakan keterbatasan dalam hal ketersediaan

alat dan biaya untuk bisa menyiapkan suatu perekam data. Waktu simulasi

dipercepat 98 kali dikarenakan tidak memungkinkan melakukan simulasi sesuai

dengan waktu penanaman sebenarnya, atau dengan kata lain menjadi 2 hari.

Penyesuaian dilakukan karena dalam simulasi dianalogikan bahwa penanaman

pada kondisi nyata yang dilakukan yaitu 2 tanaman/m2 dan dilakukan pemanenan

serta pengukuran bobot buah setelah 196 hari. Hal tersebut dilakukan karena tidak

memungkinkan untuk pemodelan sesuai dengan waktu penanaman tomat

sesungguhnya yaitu sekitar 196 hari dari penanaman sampai panen sesuai dengan

penelitian yang dilakukan di dalam jurnal referensi. Percepatan dan penyesuaian

seperti yang dijelaskan diatas ditampilkan pada Gambar 7.

Grafik pada Gambar 6 dan Gambar 7 merupakan peningkatan jumlah

nitrogen yang diserap oleh tanaman tomat (Solanum lycopersicum L.) secara

kumulatif. Berdasarkan Gambar 7, bila dianalogikan bahwa di dalam suatu wadah

larutan nutrisi tanaman hidroponik, sejumlah nitrogen (NO3-) yang ada berkurang

dikarenakan nitrogen tersebut hanya terserap oleh tanaman tomat, dengan kondisi

Gambar 6 Grafik peningkatan kumulatif total nitrogen (NO3

-) terserap oleh

tanaman tomat (Solanum lycopersicum L.) (Rincon et. al 2005)

0.000

20.000

40.000

0 50 100 150 200

Bobot

yan

g d

iser

ap

(g/t

anam

an)

Waktu (hari)

Gambar 7 Grafik perubahan kumulatif total nitrogen (NO3

-) terserap oleh

tanaman tomat yang dipercepat menjadi 2 hari

0.000

0.200

0.400

0 0.5 1 1.5 2

Bobot

yan

g

dis

erap

(g/t

anam

an)

Waktu (hari)

Page 30: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

14

tidak ada perlakuan penggantian larutan nutrisi atau penambahan pupuk cair

hidroponik agar jumlah nitrogen kembali ke kondisi yang diharapkan, maka

penurunan tersebut ditunjukan dalam Gambar 8.

Menurut Maria (1997) simulasi adalah alat atau metode yang digunakan

untuk mengevaluasi hasil dari kinerja sistem, yang telah ada atau masih

direncanakan, dengan tujuan yang berbeda-beda dan dilakukan selama jangka

waktu dari waktu sebenarnya. Simulasi yang telah dilakukan memiliki konsep

bahwa penurunan sejumlah nitrogen yang terjadi di dalam wadah larutan nutrisi

dikarenakan terserap oleh tanaman dan larutan nutrisi di dalam wadah tersebut

tidak diberikan perlakuan penambahan pupuk cair.

Sebelum dilakukan simulasi penurunan konsentrasi larutan karena proses

evapotranspirasi, dilakukan pencarian hubungan antara EC terukur dengan bobot

nitrogen. Data pencarian hubungan antara EC terukur dengan bobot nitrogen dapat

dilihat di dalam Tabel 4 dan grafik dari data hubungan EC terukur dengan bobot

nitrogen dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 8 Grafik analogi penurunan kumulatif bobot nitrogen (NO3

-)

terserap di wadah larutan nutrisi

0.000

0.200

0.400

0 0.5 1 1.5 2

Bobot

Nit

rogen

(gra

m)

Waktu (hari)

Tabel 4 Data EC terukur dengan bobot

nitrogen di dalam 5 liter air

Bobot nitrogen

(gram)

EC terukur

(dS/m)

0.149 0.290

0.311 0.623

0.622 1.242

1.244 2.462

Gambar 9 Grafik EC terukur dengan total volume AB

mix di dalam 5 liter air

y = 1.980x + 0.001

R² = 1

0.000

1.000

2.000

0.000 0.500 1.000 1.500

Nil

ai E

C (

dS

/m)

Bobot nitrogen (gram)

Page 31: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

15

Regresi linear dilakukan terhadap data pada Tabel 4 dan didapat persamaan

regresi Persamaan tersebut digunakan untuk melakukan

penyetaraan nilai EC terukur menjadi bobot nitrogen (NO3-). Persamaan regresi

EC terukur dengan bobot nitrogen hanya digunakan diantara nilai EC 0.002 dS/m

sampai 2.462 dS/m.

Berdasarkan Gambar 8 dapat dilihat bahwa penurunan bobot nitrogen dari

hari ke-0 sampai hari ke-2 tidak memiliki pola yang sama. Grafik penurunan

bobot nitrogen didekati menggunakan polinomial. Pengaturan debit tetesan infus

sulit didekati menggunakan polinomial dan pengaturan debit tetesan pada proses

pengenceran larutan nutrisi selanjutnya didekati secara linier. Maka dari itu dibagi

menjadi beberapa bagian pola penurunan bobot nitrogen dari hari ke-0 sampai hari

ke-2. Pada awalnya digunakan 6 penetes karena telah ditentukan 6 pola penurunan

dari hari ke-0 sampai hari ke-2. Akan tetapi saat dilakukan simulasi, penetes yang

dapat meneteskan debit dan memberi dampak penurunan konsentrasi mendekati

model penurunan bobot nitrogen hanya 3 penetes.

Hasil simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi hidroponik karena

proses evapotranspirasi ditampilkan pada Gambar 10. Dilakukan validasi data

simulasi terhadap data model penurunan bobot nitrogen. Nilai RMSE didapat

sebesar 0.025 dengan koefisien determinasi (R2) 0.973. Berdasarkan hasil validasi

RMSE, rata-rata nilai simpangan data simulasi yang didapat dari pengukuran

aktual dibandingkan dengan data model penurunan bobot nitrogen yaitu sebesar

0.025 dengan satuan gram. Hasil pencarian koefisien determinasi menunjukan

97.3% di antara keragaman data model penurunan nitrogen selama 2 hari yang

dijadikan sebagai referensi dapat dijelaskan korelasinya oleh data penurunan

bobot nitrogen dari EC terukur hasil simulasi penurunan konsentrasi larutan

karena proses evapotranspirasi.

Berdasarkan nilai RMSE dan koefisien determinasi yang didapat, bisa

dikatakan bahwa model simulasi penurunan konsentrasi larutan hara budidaya

tomat selama 196 hari sudah dapat disimulasikan.

Gambar 10 Grafik penurunan konsentrasi larutan selama 2 hari, grafik observasi

( ) dan grafik model penurunan bobot nitrogen ( )

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0 0.5 1 1.5 2

Jum

lah N

itro

gen

(gra

m)

Waktu (hari)

Page 32: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

16

Penentuan Parameter Kendali PID (Kp, Ki, Kd) Secara Trial & Error

Pengaturan dilakukan dengan melihat kinerja sistem kendali yang

ditunjukan dari settling time. Settling time adalah waktu yang dibutuhkan oleh

kurva respon untuk tercapainya nilai akhir dan diam pada nilai tersebut (Ogata

2010). Berdasarkan Gambar 11 ditunjukan hasil dari pengaturan sistem dengan

nilai konstanta proporsional, konstanta integral dan konstanta derivatif berturut-

turut yaitu 20, 3000, dan 200. Data dari settling time dan steady state error dapat

dilihat pada Tabel 5. Perubahan nilai EC yang ditunjukan pada Gambar 11

menunjukan respon sistem belum stabil yang ditandai dengan nilai settling time di

titik target 1.500 dS/m mencapai 28.117 menit. Nilai galat kondisi setimbang

(steady state error) juga dipertimbangkan untuk mengevaluasi kinerja sistem.

Nilai steady state error terjadi ketika lingkungan yang dikendalikan PID

sudah setimbang. Proses trial & error dilakukan agar nilai settling time dan steady

state error dapat diperkecil dalam pengendalian EC di sekitar nilai target.

Pengaturan awal dilakukan dengan tujuan memperkecil settling time. Setelah

didapat Kp, Ki ,Kd yang tepat nilai toleransi diatur agar diperoleh steady state

error yang lebih kecil.

Gambar 11 Grafik pengaturan Kp=20, Ki=3000, dan Kd=200, dengan nilai

target 0.500 dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m

, 6.000 dS/m

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0 50 100 150 200

NIl

ai E

C (

dS

/m)

Waktu (menit)

Gambar 12 Grafik pengaturan Kp=10, Ki=4000, Kd=200, dengan nilai target

0.500 dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m ,

6.000 dS/m

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0 50 100 150 200

NIl

ai E

C (

dS

/m)

Waktu (menit)

Page 33: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

17

Berdasarkan Gambar 12, trial & error dilakukan dengan mengubah nilai

konstanta proporsional dan konstanta integral, serta merubah nilai target untuk

melihat respon kendali. Konstanta derivatif tidak ikut dirubah karena bila dirubah

kurang berpengaruh terhadap respon sistem, akan tetapi berpengaruh dalam

peredaman osilasi dari nilai EC disekitar nilai target. Peubahan dilakukan terhadap

nilai konstanta proporsional menjadi 10 dan konstanta integral menjadi 4000 dan

didapat nilai rata-rata settling time 9.040 menit.

Pengaturan sistem kendali PID pada pengendalian nilai EC dari larutan

nutrisi hidroponik dilakukan berdasarkan karakteristik konstanta PID yang

dijelaskan oleh Neary (2004). Konstanta proporsional bertindak sebagai

pengoreksi dan penambah di dalam sistem kendali PID. Seiring dengan

penambahan nilai konstanta proporsional, maka respon sistem semakin meningkat,

tetapi kestabilan respon sistem akan semakin berkurang dan mengakibatkan

kondisi parameter terukur melampaui nilai target (overshoot). Pada hakikatnya,

meskipun konstanta proporsional mengurangi nilai simpangan dari parameter

terukur terhadap nilai target, perubahan tersebut tidak benar-benar menjadikan

nilai simpangan tersebut menjadi 0. Simpangan tersebut bisa mencapai 0 bila kita

menambahkan konstanta integral di dalam sistem. Konstanta integral dapat

meningkatkan respon sistem kendali secara stabil sampai nilai galat mencapai atau

mendekati 0. Meskipun begitu, walau nilai konstanta integral ditingkatkan, akan

mengakibatkan osilasi pada parameter terukur, sehingga akan memberikan efek

perubahan nilai parameter terukur disekitar nilai target. Maka dari itu diperlukan

konstanta derivatif untuk menekan atau mengurangi jumlah dari osilasi di sekitar

nilai target tersebut. Semakin tinggi nilai konstanta derivatif, maka semakin

berkurang osilasi di sekitar nilai target yang terjadi. Akan tetapi akan memberi

dampak pada repson sistem yang semakin berkurang dan mengakibatkan

keterlampauan nilai parameter terukur (overshoot) (Neary 2004).

Pengaturan dilakukan untuk memperkecil settling time dengan

meningkatkan nilai Ki dan mengurangi nilai Kp. Nilai Kp dan Ki dirubah secara

berturut-turut menjadi 5 dan 5000. Hasil dari pengaturan terhadap nilai Kp dan Ki

tersebut ditampilkan pada Gambar 13.

Gambar 13 Grafik pengaturan Kp=5, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target

0.500 dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m ,

6.000 dS/m

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0 20 40 60 80 100

Nil

ai E

C (

dS

/m)

Waktu (menit)

Page 34: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

18

Pengaturan dilakukan terhadap konstanta proporsional, dari nilai 5 menjadi

nilai 3, agar nilai keterlampauan (overshoot) dari EC terukur terhadap nilai target

dapat diredam seperti yang ditunjukan pada Gambar 14. Nilai rata-rata settling

time didapat sebesar 4.462 menit, dimana sebelumnya pada nilai Kp=5 didapat

nilai rata-rata settling time 3.938 menit.

Terlihat bahwa tidak banyak perubahan yang terjadi dan masih ada

keterlampauan nilai EC terukur terhadap target. Nilai konstanta proporsional,

konstanta integral dan konstanta derivatif berturut-turut yaitu 5, 5000, 200 dipilih

karena memberikan respon yang lebih cepat.

Pengaturan selanjutnya dilakukan terhadap nilai toleransi untuk nilai titik

acuan, yaitu merubah nilai dari ±8.800 % menjadi ±6 %. Hal ini dilakukan untuk

memperkecil nilai steady state error. Hasil dari pengaturan dengan nilai toleransi

±6 % ditunjukan pada Gambar 15.

Setelah dilakukan pengaturan terhadap nilai toleransi untuk nilai titik acuan,

nilai steady state error dapat sedikit teredam dengan nilai rata-rata steady state

error 0.025 dS/m dan nilai rata-rata settling time 7.345 menit. Walaupun settling

time yang didapat lebih besar daripada ketika nilai toleransi ±8.800 %, masih

lebih baik dibandingkan dengan parameter kendali yang telah didapat sebelumnya

Gambar 14 Grafik pengaturan Kp=3, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target 0.500

dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m , 6.000 dS/m

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0 50 100 150 200 250

Nil

ai E

C (

dS

/m)

Waktu (menit)

Gambar 15 Grafik pengaturan Kp=5, Ki=5000, Kd=200, dengan nilai target

0.500 dS/m , 1.500 dS/m , 2.500 dS/m ,

6.000 dS/m (nilai toleransi ±6 %)

0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

0 50 100 150 200 250

Nil

ai E

C (

dS

/m)

Waktu (menit)

Page 35: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

19

dengan nilai steady state error dapat diredam dan mempertimbangkan settling

time yang lebih kecil. Berdasarkan pengaturan yang telah dilakukan, nilai

konstanta proporsional, konstanta integral, konstanta derivatif, nilai toleransi

sistem kendali PID yang digunakan secara berturut-turut adalah 5, 5000, 200,

±6 %.

Nilai overshoot yang terjadi ketika pengaturan nilai Kp, Ki, Kd (di nilai target

0.5 dS/m pada Gambar 11 dan Gambar 12) disebabkan adanya arus pendek yang

menyebabkan aktuator (kran on/off) terbuka dan tertutup, sehingga ada sebagian

larutan hidroponik yang tertuang dan ikut teraduk. Pada nilai target 0.5 dS/m di

Gambar 13 dan Gambar 14 ketika sudah tercapai kondisi di satu titik nilai EC,

setelah beberapa lama nilai EC masih mengalami penurunan. Akibatnya ketika

sudah melampaui nilai toleransi, kran untuk pupuk cair terbuka.

Tabel 5 Nilai settling time dan steady state error untuk tiap nilai target

Nilai

toleransi Kp Ki Kd

Nilai target

(dS/m)

Settling time

(menit)

Steady state

error (dS/m)

±8.800 %

20 3000 200

2.500 16.650 0.020

6.000 18.000 0.030

1.500 28.117 0.020

0.500 2.716 0.010

Rata-rata 16.371 0.020

10 4000 200

2.500 12.333 0.010

6.000 2.250 0.040

1.500 10.400 0.050

0.500 11.184 0.020

Rata-rata 9.042 0.030

5 5000 200

2.500 4.000 0.120

6.000 0.917 0.170

1.500 5.450 0.110

0.500 5.385 0.020

Rata-rata 3.938 0.105

3 5000 200

2.500 7.000 0.190

6.000 1.183 0.380

1.500 5.383 0.090

0.500 4.283 0.020

Rata-rata 4.462 0.170

±6 % 5 5000 200

2.500 6.517 0.010

6.000 2.930 0.010

1.500 6.200 0.070

0.500 13.733 0.010

Rata-rata 7.345 0.025

Page 36: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

20

Simulasi Pengendalian EC dari Larutan Nutrisi

Simulasi ini dilakukan dengan menggunakan model yang telah divalidasi

sebelumnya di dalam simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi. Hasil dari simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi dapat

dilihat pada Gambar 16.

Dapat dilihat di Gambar 16, bahwa sistem dapat menjaga nilai EC disekitar

nilai target yaitu 0.710 dS/m dengan kondisi nilai EC terukur tidak keluar dari

rentang nilai toleransi yang diberikan yaitu ±6 %. Pada Gambar 16 pengendalian

EC larutan nutrisi dibandingkan dengan model penurunan konsentrasi larutan

nutrisi karena proses evapotranspirasi . Setelah data ditampilkan dalam bentuk

nilai EC, data dikonversi menjadi bobot nitrogen agar bisa dibandingkan dengan

model dari simulasi penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi. Tampilan data dibandingkan dengan model penurunan

konsentrasi larutan ditunjukan pada Gambar 17.

Pada Gambar 17, ditunjukan hasil dari simulasi sistem kendali EC dalam

bentuk bobot nitrogen dengan satuan gram. Hasil tersebut kemudian divalidasi

dengan nilai target yang ditandai dengan simbol pada Gambar 17. Nilai target

ditentukan sebesar 0.358 gram berdasarkan jumlah bobot nitrogen di awal kondisi

Gambar 16 Grafik simulasi sistem kendali EC yang

dilakukan selama 2 hari dengan nilai

target 0.710 dS/m

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

0 1 2 3

EC

ter

ukur

(dS

/m)

Waktu (hari)

Gambar 17 Grafik simulasi bobot nitrogen yang

dibandingkan dengan model penurunan

konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0 1 2 3

Jum

lah n

itro

gen

(gra

m)

Waktu (hari)

Page 37: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

21

simulasi dan dijaga di sekitar nilai tersebut. Adapula perubahan nilai EC pada

pengendalian nilai EC oleh sistem kendali PID dipengaruhi oleh efek

penggaraman. Terjadi pengendapan sebelum seluruh bagian pupuk AB mix

tercampur di dalam wadah larutan nutrisi. Akibatnya garam yang terbentuk dari

proses pengendapan tersebut ikut tercampur pada pengadukan berikutnya.

Sehingga memberi dampak nilai EC terus meningkat, yang semestinya kondisi

larutan nutrisi sudah setimbang. Kondisi tersebut serupa dengan yang terjadi pada

penelitan mengenai perubahan nilai EC larutan nutrisi di dalam penelitian oleh

Massa et al. (2011). Pada penelitian tersebut, tangki berisi wadah larutan tidak

diberikan perlakuan untuk penggantian larutan nutrisi. Larutan nutrisi diganti

apabila nilai EC dari larutan nutrisi sudah mencapai nilai EC maksimal. Nilai EC

maksimal sudah ditentukan sebelum dilakukan pencampuran dan dalam penelitian

tersebut EC maksimal ditentukan pada nilai 4.500 dS/m. Proses penambahan

pupuk cair hidroponik terus dilakukan seiring dengan pertambahan waktu dan

larutan nutrisi dialirkan ke tanaman. Akibat dari perlakuan tersebut, ada

akumulasi dari unsur hara yang berada di larutan nutrisi dan unsur hara tersebut

saling bereaksi karena perbedaan jenis ion dari unsur hara. Akumulasi tersebut

menghasilkan garam NaCl yang memberi dampak ketika dilakukan pengukuran

nilai EC larutan nutrisi, nilai EC terukur meningkat.

Setelah dilakukan simulasi, data dipindahkan ke MS Excel untuk

selanjutnya ditampilkan dalam bentuk grafik. Metode validasi yang digunakan

adalah metode RMSE. Validasi dilakukan terhadap dua tipe data yaitu validasi

untuk data EC terukur dan validasi untuk bobot nitrogen. Validasi yang dilakukan

terhadap EC terukur didapat nilai rata-rata simpangan 0.023 dS/m atau dalam

bentuk presentase 2.300 %. Validasi juga dilakukan terhadap bobot nitrogen

terukur dan didapat nilai rata-rata simpangan 0.012 gram atau dalam bentuk

presentase 1.200 %. Data EC terukur berada pada rentang nilai toleransi yaitu

±6 %, dengan batas bawah 0.667 dan batas atas 0.752. Maka dari itu, dapat

dikatakan bahwa sistem kendali PID yang dioperasikan selama 2 hari dapat

menjaga nilai EC di sekitar nilai target. Jika dilakukan pengendalian nilai EC pada

waktu sebenarnya yaitu 196 hari, maka pola nilai EC terukur nantinya di dalam

tampilan grafik seperti pada Gambar 16 akan terlihat lebih halus (mendekati garis

lurus) karena tiap data nilai EC terukur mendekati nilai target acuan.

SIMPULAN

Model penurunan konsentrasi larutan hidroponik karena proses

evapotranspirasi sudah dapat disimulasikan dengan nilai RMSE sebesar 0.025

gram dan koefisien determinasi 0.973. Nilai parameter kendali PID yang optimum

dengan Kp, Ki, Kd berturut-turut bernilai 5, 5000, 200, dan nilai toleransi ±6 %

dengan settling time 7.345 menit dan steady state error 0.025 dS/m. Setelah

dilakukan validasi terhadap data dari EC terukur dan data dari bobot nitrogen di

dalam simulasi pengendalian EC dari larutan nutrisi, berturut-turut didapat nilai

RMSE 0.023 dS/m dan 0.012 gram. Hal tersebut didukung dengan nilai data EC

terukur yang berada pada rentang ±6 % dari nilai target. Sehingga dapat dilihat

Page 38: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

22

bahwa sistem kendali PID yang dibangun dapat menjaga nilai EC di sekitar nilai

target.

SARAN

Untuk diaplikasikan pada sistem nyata, perlu dilakukan analisis dimensional

lebih lanjut. Pengembangan suatu metode optimasi dan metode komputasi perlu

dilakukan untuk mencari nilai konstanta proporsional, konstanta integral dan

konstanta derivatif yang paling ideal untuk pengendalian konsentrasi larutan

nutrisi menggunakan sistem kendali PID.

DAFTAR PUSTAKA

[AS] Atlas-Scientific. 2014. EZO class embedded electrical conductivity circuit

(datasheet). Broklyn (US): Atlas-Scientific.

Armstrong JS, Collopy F. 1992. Error measures for generalizing about forecasting

methods: empirical comparisons. International Journal of Forecasting. 8(2):

69-80.

Bolton W. 2004. Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol. Jakarta (ID): Erlangga.

Considine DM. 1976. Van Nostrand’s: Scientific Enc clopedia fifth edition. New

York (US): Van Nostrand Reinhold.

Gloag A, Gloag A, Kramer M. 2012. Linear Interpolation and Extrapolation.

California (US): CK-12.

Hanan JJ. 1998. Greenhouses: Advanced Technology for Protected Horticulture.

Florida (US): CRC Pr.

Haugen F. 2010. Discretization of simulator, filter, and PID controller. TechTeach

[Internet]. [diunduh 30 Juni 2014]; 2(1): 1-10. Tersedia pada:

techteach.no/publications/articles/discretization/discretization.pdf.

Jaimes-Ponce J, Liceaga-Castro JU, Alcantara-Ramirez R, Siller-Alcala II. 2013.

Control of nutrients in a NFT system in production of spinach based on control

of electrical conductivity and water flow. International Journal of Circuits,

Systems and Signal Processing. 7(2): 134-141.

Maria A. 1997. Introduction to modelling and simulation. Di dalam: Andradóttir

S, Healy KJ, Withers DH, Nelson BL, editor. Proceedings of the 29th

conference on Winter simulation; 1997 Des 7-10; New York, USA.

Washington (US): IEEE Computer Society. hlm 7-13.

Massa D, Incrocci L, Maggini R, Bibbiani C, Carmassi G, Malorgio F, Pardossi

A. 2011. Model simulation of crop water and mineral relations in greenhouse

soilless culture. Environmental Modelling & Software. 26(6): 711-722.

doi:10.1016/j.envsoft.2011.01.004.

Page 39: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

23

Neary E. 2004. Mixed-signal control circuits use microcontroller for flexibility in

implementing PID algorithms. Analog Dialogue [Internet]. [diunduh 23 Mar

2014]; 38(1): 1-3. Tersedia pada: http://www.analog.com/analogdialogue.

Novella MB, Andriolo JL, Bisognin DA, Cogo CM, Bandinelli MG. 2008.

Concentration of nutrient solution in the hydroponic production of potato

minitubers. Ciȇncia Rural, Santa Maria. 38(6): 1529-1533.

Ogata K. 2010. Modern Control Engineering. New Jersey (US): Prentice Hall.

Parks S, Murray C. 2011. Leafy Asian Vegetables and Their Nutrition in

Hydroponics. New South Wales (AU): NSW Industry & Investment.

Rincon LP, Perez A, Abadia A, Pellicer C. 2005. Yield, water use and nutrient

uptake of a tomato crop grown on coconut coir dust. Acta Hort. 697(1): 73-79.

Sesmininggar A. 2006. Optimasi konsentrasi larutan hara tanaman pak choi

(Brassica rapa L. cv. group Pak Choi) pada teknologi hidroponik sistem

terapung [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.

Setiawan L. 2007. Optimasi konsentrasi larutan hara tanaman pada budidaya

selada (Lactuca sativa L. var. Grand Rapids) dengan teknologi hidroponik

sistem terapung (THST) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.

Shaw J. 2003. The PID Control Algorithm: How it works, how to tune it, and how

to use it: 2th

edition. New York (US): Rochester. Suhardiyanto H. 2009. Teknologi Rumah Tanaman untuk Iklim Tropika Basah:

Pemodelan dan Pengendalian Lingkungan. Bogor (ID): IPB Pr.

Tehrani KA, Mpanda A. 2012. Introduction to PID Controllers-Theory, Tunning

and Application to Frontier Areas. Panda RC, editor. Rijeka (HR): InTech.

Whipker BE, Cavins TJ. 2000. Electrical conductivity (EC): units and conversions.

Florex [Internet]. [diunduh 2 Maret 2014]; 2(1): 1-2. Tersedia pada:

http://www.ces.ncsu.edu/floriculture.

Wu M, Kubota C. 2008. Effects of electrical conductivity of hydroponic nutrient

solution on leaf gas exchange of five greenhouse tomato cultivars.

HorTechnology. 18(2): 271-277.

Page 40: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

24

Lampiran 1 Algoritma dari program sistem kendali PID

#include <PID_v1.h>

int pin1 = 6;

int pin2 = 9;

float x = 0.66;

float y = 0.75;

double Setpoint, Input, Output;

PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint,5,5000,200, REVERSE);

int WindowSize = 1600;

unsigned long windowStartTime;

void setup()

{

windowStartTime = millis();

Serial.begin(9600);

Serial3.begin(9600);

Setpoint = 0.71;

myPID.SetOutputLimits(0, WindowSize);

myPID.SetMode(AUTOMATIC);

pinMode(pin1, OUTPUT);

pinMode(pin2, OUTPUT);

}

void loop()

{

Serial1.write("R");

char dummy1[10]={};

Serial3.readBytesUntil(',',dummy1,10);

float EC_val = atof(dummy1);

char dummy2[10]={};

Serial3.readBytesUntil(',',dummy2,10);

float TDS_val = atof(dummy2);

char dummy3[10]={};

Serial3.readBytesUntil(',',dummy3,10);

int Led3_val = atoi(dummy3);

char dummy4[40]={};

Serial3.readBytesUntil('\n',dummy4,40);

float EC_true = (1.228*EC_val)-0.721;

float EC_PID = EC_true*10E-4;

Input = EC_PID;

myPID.Compute();

if(millis() - windowStartTime>WindowSize)

Page 41: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

25

Lampiran 1 (lanjutan)

{

windowStartTime = millis();

}

if(Output < millis() - windowStartTime) {

digitalWrite(pin1,HIGH);

digitalWrite(pin2,LOW);

}

if(Output > millis() - windowStartTime){

digitalWrite(pin1, LOW);

digitalWrite(pin2, HIGH);

}

if(Input > x && Input < y){

digitalWrite(pin1, LOW);

digitalWrite(pin2, LOW);

}

Serial.println(EC_true);

}

Page 42: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

26

Lampiran 2 Contoh perhitungan untuk pencarian pola penurunan bobot nitrogen

Pembesaran ukuran dilakukan terhadap grafik di Gambar 18 dan

pengukuran dilakukan menggunakan penggaris. Jarak antara nilai 0 g/m2 dengan

40 g/m2 memiliki jarak 2.3 cm.

Penyesuaian dilakukan terhadap nilai bobot nitrogen dari Gambar 18 karena

nilai tersebut terlalu besar bila digunakan untuk pemodelan simulasi penurunan

konsentrasi larutan karena proses evapotranspirasi. Berdasarkan proses

penyesuaian dihasilkan nilai bobot nitrogen 0.5 kali dari sebelumnya berdasarkan

kerapatan penanaman yaitu 2 tanaman/m2 dan dihasilkan grafik yang ditunjukan

pada Gambar 5.

Gradien perubahan volume dari air di dalam wadah pencampuran digunakan

dan arah gradien berbeda dengan arah gradien penurunan bobot nitrogen di dalam

wadah pencampuran. Sehingga pada persamaan 6 nilai gradien dikalikan dengan -

1. Debit untuk tiap infus ditunjukan pada Tabel 5 dan data penurunan bobot

nitrogen di dapat dari Tabel 6.

12

12

xx

yym

m pola 1 = 0.142 liter/hari

m pola 1 = 5.907 mililiter/jam

Berdasarkan Gambar 18, grafik penurunan bobot nitrogen didekati

menggunakan polinomial. Selajutnya didekati secara linier untuk trial & error

terhadap infus. Debit yang terpakai hanya debit pada pola 1, pola 2 dan pola 3

karena setelah diaplikasikan ke infus, debit dari pola 4, pola 5, pola 6 terlalu besar.

Gambar 18 Perubahan berdasarkan waktu untuk nutrisi

yang disuplai ( ), dibuang ( ), dan diserap

oleh tanaman tomat ( ) (Rincon et al. 2005)

m o

i r ( r m r m

r m

( ri

Page 43: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

27

Keterangan: (pola 1), (pola 2), (pola 3), (pola 4), (pola 5), (pola 6)

Gambar 19 Pembagian pola perubahan jumlah nitrogen terserap

y = -0.1023x5 + 0.5817x4 - 1.1382x3 + 0.7581x2 - 0.1676x + 0.3632

R² = 0.9958

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

0.400

0 0.5 1 1.5 2

Bobot

nit

rogen

(gra

m)

Waktu (hari)

Tabel 6 Data pencarian debit tetesan infus

Pola Debit tetesan (ml/jam)

1 5.907

2 117.953

3 92.593

4 277.781

5 648.137

6 2917.667

Page 44: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

28

Lampiran 3 Contoh perhitungan untuk validasi menggunakan Root Mean Square

Error (RMSE)

Berikut ditunjukan contoh perhitungan validasi terhadap data model

penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses evapotranspirasi

menggunakan persamaan 7.

Data referensi model penurunan konsentrasi larutan nutrisi karena proses

evapotranspirasi dengan parameter bobot nitrogen dan data hasil simulasi

penurunan konsentrasi larutan nutrisi selama dua hari dengan parameter bobot

nitrogen ditunjukan pada Tabel 7.

Nilai galat (error) dihitung dengan menggunakan rumus RMSE pada

persamaan 7.

Tabel 7 Data penurunan bobot nitrogen referensi dan hasil simulasi

Waktu (hari) Data acuan (gram) Data simulasi (gram)

0 0.358 0.353

0.071 0.358 0.353

0.142 0.358 0.353

0.214 0.357 0.353

0.285 0.356 0.353

0.357 0.355 0.353

0.428 0.354 0.353

0.500 0.353 0.352

0.571 0.352 0.350

0.642 0.351 0.348

0.714 0.350 0.347

0.785 0.342 0.338

0.857 0.333 0.318

0.928 0.324 0.280

1.000 0.302 0.248

1.071 0.280 0.230

1.142 0.253 0.215

1.214 0.226 0.199

1.285 0.200 0.176

1.357 0.173 0.166

1.428 0.164 0.131

1.500 0.155 0.103

1.571 0.133 0.088

1.642 0.106 0.079

1.714 0.093 0.063

1.786 0.049 0.054

1.857 0.031 0.044

1.928 0.000 0.028

2.000 0.000 0.010

Page 45: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

29

29

0.000)(0.0100.000)(0.0280.358)(0.353 222 RMSE

RMSE = 0.025 gram.

Page 46: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

30

Lampiran 4 Informasi kandungan nutrisi pupuk AB mix

Informasi mengenai kandungan nitrogen (NO3-) di dalam pupuk hidroponik

AB mix yang digunakan terdapat pada kemasan pupuk hidroponik AB mix.

Informasi mengenai kandungan nutrisi dari pupuk hidroponik AB mix terdapat

pada Tabel 8. Terlebih dahulu dilakukan penimbangan terhadap pupuk hidroponik

AB mix dan didapat berat total pupuk 628.133 gram. Pupuk hidroponik AB mix

dapat diencerkan menjadi 2 liter pupuk cair. Kemasan dari pupuk cair hidroponik

AB mix dapat dilihat pada Gambar 20.

Tabel 8 Kandungan nutrisi yang terdapat di

dalam total padatan AB mix

Unsur Presentase (%)

Kalsium (Ca) 8.300

Nitrogen (NO3-) 9.900

Kalium (K) 16.500

Fosfat (PO43-

) 9.900

Sulfat (S) 6.600

Magnesium (Mg) 2.800

Fe EDTA 0.040

Boron (B) 0.010

Mangan (Mn) 0.010

Seng (Zn) 0.010

Kuprum (Cu) 0.009

Molibdenum (Mo) 0.009 Sumber: CV. Agrifam

Sumber: agrifam.com

Gambar 20 Kemasan pupuk hidroponik AB mix

Page 47: RANCANG BANGUN SISTEM KENDALI ... - repository.ipb.ac.id · Kata kunci: EC, sistem kendali, PID (Proportional-Integral-Derivative) ABSTRACT MADE EKALAYA PRATHISTHAYA. Design of Concentration

`

31

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Rumah Sakit Harapan Kita, Slipi, Jakarta Barat pada

tanggal 27 Juni 1992. Penulis adalah putra kedua dari dua bersaudara, anak dari

Putu Asiagama (Bapak) dan Ni Made Sri Seputri (Ibu). Penulis mengenyam

pendidikan sekolah menengah pertama di SMPN 111, Kemanggisan, Jakarta Barat.

Lalu penulis melanjutkan pendidikan menengah atas di SMAN 112, Pesanggrahan,

Jakarta Barat. Setelah penulis lulus dari pendidikan SMA, penulis melanjutkan

pendidikan ke jenjang yang lebih tinggi yaitu dengan mengambil jalur USMI IPB,

dengan Jurusan Teknik Mesin dan Biosistem.

Penulis pernah meraih prestasi non-akademik saat Tingkat Persiapan

Bersama (TPB), yaitu juara 2 IPB Art Contest dari kontingen perkusi. Setelah

penulis masuk ke tingkat fakultas, penulis pernah meraih peringkat 1 pada bidang

perkusi yang diadakan dalam Fateta Art Contest (FAC). Penulis juga pernah

menjuarai Engineering Debate Competition yang diadakan oleh Himpunan

Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) dengan predikat juara 1. Selama tahun

2010 sampai 2013 penulis pernah terlibat di dalam organisasi kemahasiswaan.

Organisasi yang pernah diikuti oleh penulis yaitu Kesatuan Mahasiswa Hindu-

Dharma IPB (KMHD IPB) periode 2010-2011, periode 2011-2012, dan periode

2012-2013. Tahun 2011 penulis juga pernah terlibat dalam organisasi Himpunan

Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) periode 2011-2012. Pada tahun 2014

penulis pernah menjadi asisten praktikum pada mata kuliah Teknik Mesin Irigasi

dan Drainase (TMID).