KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan puji syukur kehadirat Tuhan yang Maha Esa, yang telah memberikan berkat, rahmat, serta karunia-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan project UAS UAS Ball and Beam Control System.
Adapun maksud dan tujuan dari penyusunan Laporan Project ini adalah untuk Laporan Project Ujian Akhir Semester dari mata kuliah Praktikum Sinyal Sistem Kontrol yang sudah kami lakukan sebelumnya. Laporan ini disusun berdasarkan project yang telah kami buat
dan
refrensi
dari
beberapa
sumber.
Namun
dalam
penyusunannya, kami menyadari masih banyak kekurangan dan jauh dari taraf kesempurnaan. Oleh karena itu, dengan rendah hati kami menanti saran dan kritik yang sifatnya membangun. Dalam kesempatan ini perkenankanlah kami menyampaikan rasa terimakasih kepada Bapak Bayu Sandi Marta selaku pembimbing atau dosen Praktikum Sinyal Sistem Kontrol.
Surabaya, 28 Juni 2015
Penyusun
i
DAFTAR GAMBAR
Gambar Gambar 2.1 Blok Diagram Diagram PID Controller Controller Gambar 2.2 Blok Diagram Kp Gambar 2.3 Nilai Kp kecil Gambar 2.4 Blok Diagram Diagram Kontrol Integral Integral Gambar Gambar 2.4 Blok Diagram Diagram Kontrol Kontrol Derivative Gambar 2.5 Respon Sistem Gambar 2.6 Prinsip kerja Sensor Ultrasonik Gambar Gambar 2.7 Bentu Bentuk k fisik fisik SRF04 SRF04 Gambar Gambar 2.8 PIN Sensor Sensor SRF04 SRF04 Gambar 2.9 Kerja Sensor SRF04 Gambar 2.10 Diagram Kerja Sensor SRF04 Gambar 2.11 Motor Servo standar Hitec HS-311 Gambar 2.12 Diagram pulsa Motor Servo Gambar 2.13 LCD 16x2 Gambar 3.1 Rancangan Ball and Beam Gambar Gambar 3.2 Alat Alat Peraga Ball Ball and Beam Gambar 3.3 User Interface Gambar 3.4 Pengaturan PID Gambar 3.5 Servo dan Sensor
ii
Daftar Tabel
Tabel 2.1 tabel pengaruh pengaruh Kp, Ki dan Kd Table 2.2 Konfigurasi PIN LCD 16x2
iii
Daftar Isi
KATA PENGANTAR ......................................................... ................................................................ ....... i DAFTAR DAFTAR ISI ............. .................... ............. ............. .............. ............. ............. ............. ............. .............. ............ ..... ii DAFTAR GAMBAR........................... GAMBAR.................................................................. ....................................... iii DAFTAR DAFTAR TABEL ............. .................... ............. ............. ............. ............. .............. ............. ............. ........... .... iv BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Tujuan…………………………………………………1 1.2 1.2 Latar atar Bel Belak akan ang g………………………………………..2 BAB II. DASAR TEORI 2.1 2.2 2.2 2.3 2.4
PID……………………………………………………..3 Sens Sensor or SRFSRF-04 04…………………………………………9 Servo………………………………………………… 14 LCD 16x2…………………………………………….16
BAB III. PERANCA PERANCANGAN NGAN ALAT ALAT 3.1 3.1 Gam Gambara baran n Ala Alatt………………………………………..18 3.2 Perancang Perancangan an dan dan Realis Realisasi asi Perangk Perangkat at Keras Keras……….. ..18 3.2.1 Perangka Perangkatt Keras Modul Mekanik Mekanik ……………. ……………. …18 …………… ...20 3.2.2 Perangka Perangkatt Keras Modul Elektronik Elektronik ……………
BAB IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS …………………… BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN …………………….
…24
….30
DAFTAR PUSTAKA………………………………………….. LAMPIRAN ………………………………………………….
31
…32
iv
v
BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar belakang
Keseimbangan merupakan salah satu bagian dari kontrol sistem. Untuk menyeimbangkan suatu papan , kita dapat menggunakan salah satu tangan sebagai kontrol untuk menaikkan atau merunkan salah satu sisi beam dengan tujuan untuk menyeimbangkan bola agar dapat seimbang berada pada beam.Sistem ini biasanya dapat ditemukan dikebanyakan Laboratorium Kontrol di beberapa universitas. Sistem ini biasanya berhubungan dengan kontrol nyata seperti kontrol untuk menyetabilkan pesawat saat akan mendarat dan saat pesawat mengalami turbulensi. Stuktur dasar kontrol ball and beam terdiri dari sebuah beam yang tersusun secara horizontal dengan salah satu sisi terhubung pada tiang penyangga dan sisi lainnya terhubung dengan lengan yang dikontrol oleh motor. Tujuan dari sistem adalah untuk mengontrol posisi bola agar sesuai dengan titik referensi dan meminimalisir gangguan seperti saat bola disentuh oleh jari.
Sinyal kontrol dapat diperoleh dengan
memberikan umpan balik informasi posisi bola.Sinyal kontrol tegangan menuju ke motor DC melalu amplifier, sehinga torsi yang dihasilkan dari motor akan mengerakkan balok sesuai sudut yang diinginkan. Dengan demikian bola dapat berada di posisi yang diinginkan.
1
1.2.
Rumusan Masalah a. Apakah yang dimaksud dengan Ball and Beam Control System
? b.
Bagaimana
memodelkan simulasi Ball and Beam Control
Sytem ? c. 1.3.
Bagaimana kontroler PID yang diterapkan pada system ?
Tujuan a. Mengetahui apa yang dimaksud dengan Ball and Beam Control System. b. Merancang model simulasi Ball and Beam Control System. c. Menerapkan control PID pada Ball and Beam Control System.
2
BAB II DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam merealisasikan system. Teori-teori yang digunakan terdiri dari PID controller, Sensor SRF-04 dan Servo. 2.1 PID
PID
(Proportional – Integral – Derivative
controller)
merupakan
kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengontrol PID adalah pengontrol konvensional yang banyak dipakai dalam dunia industri. Komponen PID terdiri dari 3 jenis, yaitu Proportional, Integratif, dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri, tergantung dari respon yang diinginkan terhadap suatu plant.
Gambar 2.1 Blok Diagram PID Controller 3
Adapun persamaan Pengontrol PID adalah :
Keterangan : mv(t) = output dari pengontrol PID atau Manipulated Variable Kp = konstanta Proporsional Ti = konstanta Integral Td = konstanta Detivatif e(t) = error (selisih antara set point dengan level aktual) Persamaan Pengontrol PID diatas dapat juga dituliskan sebagai berikut :
dengan :
Ada 3 macam control PID yaitu control PI, PD, dan PID. PI adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional dan integratif. PD adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional dan derivatif. Dan PID adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional, integratif, dan derivatif.
4
2.1.1 Kontrol Proportional
Kontroller merupakan sebuah penguat input sehingga hasil pada output tidak semakin menjadi kecil pada sebuah sistem. Output proportional adalah hasil pekalian antara konstata proposional dengan
nilai error nya. Perubahan yang terjadi pada sinyal input akan menyebabkan sistem secara langsung mengubah output sebesar konstata pengalinya.
Gambar 2.2 Blok Diagram Kp Jika nilai Kp kecil, controller proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.
Gambar 2.3 Nilai Kp kecil Jika nilai Kp besar, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai keadaan yang stabil, tetapi juga memungkinkan motor berputar diatas set point .
5
2.1.2 Kontrol Integratif
Kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin output dari sistem akan menuju ke keadaan yang diinginkan kalau sebuah plant tidak memiliki unsur integrator . Pada controller integral, respon kepada sistem akan meningkat secara kontinu terus-menerus kecuali nilai error yang diintegralkan dengan batasan atas t dan batasan bawah 0 (nol).
U(t) = Ki Pada diagram blok controller integral, menunjukan hubungan antara nilai error dengan output. Kontorller integral membantu menaikan respon sehingga menghasilkan output yang diinginkan.
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Integral 2.1.3 Kontrol Derivatif
Keluaran pengontrol Derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi
differensial.
Perubahan
yang
mendadak
pada
masukan
pengontrol, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Gambar 2.5 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara sinyal error dengan keluaran pengontrol.
6
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Derivative Karakteristik pengontrol derivative adalah sebagai berikut: 1. Pengontrol ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan pada masukannya (berupa sinyal kesalahan). 2. Jika sinyal kesalahan berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkanpengontrol tergantung pada nilai td dan laju perubahan sinyal kesalahan.(powel, 1994, 184). 3. Pengontrol derivative mempunyai suatu karakter untuk mendahului, sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelumpembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi pengontrol derivative dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan, memberikan
aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem .
2.1.3 Parameter Kontrol PID
Ada beberapa parameter dalam menentukan suatu sistem close loop, yaitu rise time, overshoot, settling time , dan steady state error . Rise time adalah waktu yang dibutuhkan oleh output plant yang melebihi 90% dari tingkat yang diinginkan saat pertama kali sisem dijalankan. Overshoot adalah seberapa besar peak level lebih tinggi dari steady state, untuk membuat normal lagi steady state. Settling time adalah
waktu yang dibutuhkan sistem untuk meng-konvergenkan steady state. Steady state error adalah perbedaan antara steady state ouput dengan
output yang diinginkan.
7
Overshoot
Settling Time
SteadyState Error
Decrease
Increase
Small changes
Decrease
Integral
Decrease
Increase
Increase
Eliminate
Derivatif
Small changes
Decrease
Decrease
No changes
Response Close Loop
Rise Time
Proporsional
Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp, Ki dan Kd
Gambar 2.5 Respon Sistem
8
2.2 Sensor Sensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur sesuatu yang
digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam lingkungan sistem pengendali
dan
robotika,
sensor
memberikan
kesamaan
yang
menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroler sebagai otaknya. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah besaran fisik (misalnya: temperatur, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional). Salah satu sensor yang digunakan dalam pembuatan tugas akhir ini adalah sensor ultrasonik. 2.2.1 Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik adalah sebuah sensor yang mengubah besaran fisis (bunyi) menjadi besaran listrik. Pada sensor ini gelombang ultrasonic dibangkitkan melalui sebuah benda yang disebut piezoelektrik . Piezoelektrik ini akan menghasilkan gelombang ultrasonik dengan
frekuensi 40 kHz ketika sebuah osilator diterapkan pada benda tersebut.
Gambar 2.6 Prinsip kerja Sensor Ultrasonik
9
Sensor
ultrasonik
secara
umum
digunakan
untuk
suatu
pengungkapan tak sentuh yang beragam seperti aplikasi pengukuran jarak. Alat ini secara umum memancarakan gelombang suara ultrasonik menuju suatu target yang memantulkan balik gelombang kearah sensor. Kemudian sistem mengukur waktu yang diperlukan untuk pemancaran gelombang sampai kembali ke sensor dan menghitung jarak target dengan menggunakan kecepatan suara dalam medium. Rangkaian
penyusun
sensor
ultrasonik
ini
terdiri
dari
transmitter,reiceiver , dan komparator. Selain itu, gelombang ultrasonik
dibangkitkan oleh sebuah kristal tipis bersifat piezoelektrik . Bagianbagian dari sensor ultrasonic adalah sebagai berikut : 1. Piezoelektrik Peralatan piezoelektrik secara langsung mengubah energi listrik menjad ienergi mekanik. Tegangan input yang digunakan menyebabkan bagian keramik meregang dan memancarkan gelombang ultrasonik. Tipe operasi transmisi elemen piezoelektrik sekitar frekuensi 32 kHz. Efisiensi lebih baik, jika frekuensi osilator diatur pada frekuensi resonansi piezoelektrik dengan sensitifitas dan efisiensi paling baik. Jika rangkaian pengukur beroperasi pada mode pulsa elemen piezoelektrik yang sama dapat digunakan sebagai transmitter dan reiceiver. 2. Transmitter Transmitter adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai pemancar
gelombang ultrasonik dengan frekuensi sebesar 40 kHz
yang
dibangkitkan dari sebuah osilator. Untuk menghasilkan frekuensi 40 KHz, harus dibuat sebuah rangkaian osilator dan keluaran dari osilator dilanjutkan menuju penguat sinyal. Besarnya frekuensi ditentukan oleh 10
komponen kalang RLC / kristal tergantung dari desain osilator yang digunakan. Penguat sinyal akan memberikan sebuah sinyal listrik yang diumpankan ke piezoelektrik dan terjadi reaksi mekanik sehingga bergetar dan memancarkan gelombang yang sesuai dengan besar frekuensi pada osilator. 3. Receiver Receiver terdiri dari transduser ultrasonik menggunakan bahan piezoelektrik , yang berfungsi sebagai penerima gelombang pantulan
yang berasal dari transmitter yang dikenakan pada permukaan suatu benda atau gelombang langsung LOS (Line of Sight) dari transmitter . Oleh karena bahan piezoelektrik memiliki reaksi yang reversible, elemen keramik akan membangkitkan tegangan listrik pada saat gelombang
datang
dengan
frekuensi
yang
resonan
dan
akan
menggetarkan bahan piezoelektrik tersebut.
2.2.2 Sensor Ultrasonik Devantech SRF04
Sensor jarak SRF04 adalah sebuah device transmitter dan receiver ultrasonic dalam 1 package buatan Devantech yang dapat membaca jarak dengan prinsip sonar.
Gambar 2.7 Bentuk fisik SRF04
11
Spesifikasi SRF04: Tegangan keja : 5V DC Konsumsi arus : 30mA (max 50mA) Frekuensi kerja : 40KHz Jangkauan
: 3cm - 300cm
Input trigger
: 10us, level pulsa TTL
Dimensi
: PxLxT (24 x 20 x 17) mm
SRF04 mempunyai 4 pin yaitu VCC, Trigger, Output dan Gnd.
Gambar 2.8 PIN Sensor SRF04 Modul sensor ultrasonic SRF04 ini dapat mengukur jarak antara 3 cm sampai 300 cm. Secara prinsip modul sensor ultrasonic ini terdiri dari
sebuah chip pembangkit
sinyal
40KHz,
sebuah speaker ultrasonic dan sebuah microphone ultrasonic. Speaker ultrasonic mengubah
sinyal
40
KHz
menjadi 12
suara ultrasonic sementara microphone
ultrasonic
berfungsi
untuk
mendeteksi pantulan dari suara ultrasonic tersebut.
Gambar 2.9 Kerja Sensor SRF04 Prinsip kerja SRF04 adalah transmitter memancarkan seberkas sinyal ultrasonic (40KHz) yang bebentuk pulsatic, kemudian jika di depan SRF04 ada objek padat maka receiver akan menerima pantulan sinyal ultrasonic tersebut. Receiver akan membaca lebar pulsa (dalam bentuk PWM) yang dipantulkan objek dan selisih waktu pemancaran. Dengan pengukuran tersebut, jarak objek di depan sensor dapat diketahui. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar di bawah ini :
Gambar 2.10 Diagram Kerja Sensor SRF04 13
Dari diagram diatas bisa dibaca seperti berikut ini : 1. Untuk memulai proses pengiriman data pertamatama pin trigger harus diberikan input high selama minimal 10 microsecond, kemudian setelah itu diberikan input low lagi. 2. Dari proses diatas sensor ultrasonic akan mengirimkan 8 Cycle sonic burst yang mana lebar pulsanya tergantung pada jarak antara sensor dan penghalang. 3. Setelah proses 2 selesai dikerjakan modul SRF04 akan mengolah data dan dikirimkan ke microcontroller melalui pin echo dengan rentang waktu antara 100 microsecond sampai 18 milisecond. 4. Setelah ke-3 proses diatas selesai dilakukan maka akan mendapat nilai waktu pemantulan dari penghalang ke sensor. dan dari situ kita tinggal memasukan rumus untuk mengkonversi nilai waktu ke jarak dalam centimeter maupun inci. 5. Setelah semua proses selesai untuk mengulang pembacaan nilai ultrasonic SRF04 harus diberi jedah sekitar minimal 10 milisecond.
2.3 Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Motor servo merupakan salah satu jenis motor DC. Berbeda dengan motor stepper, motor servo beroperasi secara close loop. Poros motor dihubungkan dengan rangkaian kendali, sehingga jika putaran poros belum sampai pada posisi yang diperintahkan maka rangkaian kendali akan terus
14
mengoreksi posisi hingga mencapai posisi yang diperintahkan. Motor servo banyak digunakan pada peranti R/C (remote control) seperti mobil, pesawat, helikopter, dan kapal, serta sebagai aktuator robot maupun penggerak pada kamera. Gambar 10.1 merupakan motor servo standar.
Gambar 2.11 Motor Servo standar Hitec HS-311
2.3.1 Prinsip Kerja Motor Servo
Motor servo dikendalikan dengan memberikan sinyal modulasi lebar pulsa (Pulse Wide Modulation / PWM) melalui kabel kontrol. Lebar pulsa sinyal kontrol yang diberikan akan menentukan posisi sudut putaran dari poros motor servo. Sebagai contoh, lebar pulsa dengan waktu 1,5 ms (mili detik) akan memutar poros motor servo ke posisi sudut 90⁰. Bila pulsa lebih pendek dari 1,5 ms maka akan berputar ke arah posisi 0⁰ atau ke kiri (berlawanan dengan arah jarum jam), sedangkan bila pulsa yang diberikan lebih lama dari 1,5 ms maka poros motor servo akan berputar ke arah posisi 180 ⁰ atau ke kanan (searah jarum jam).
15
Gambar 2.12 Diagram pulsa Motor Servo Ketika lebar pulsa kendali telah diberikan, maka poros motor servo akan bergerak atau berputar ke posisi yang telah diperintahkan, dan berhenti pada posisi tersebut dan akan tetap bertahan pada posisi tersebut. Jika ada kekuatan eksternal yang mencoba memutar atau mengubah posisi tersebut, maka motor servo akan mencoba menahan atau melawan dengan besarnya kekuatan torsi yang dimilikinya (rating torsi servo). Namun motor servo tidak akan mempertahankan posisinya untuk selamanya, sinyal lebar pulsa kendali harus diulang setiap 20 ms (mili detik) untuk menginstruksikan agar posisi poros motor servo tetap bertahan pada posisinya. 2.4 LCD 16x2 LCD (Liquid Crystal Display) adalah suatu jenis media tampilan
yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. Pada LCD berwarna semacam monitor, terdapat banyak sekali titik cahaya (pixel) yang terdiri dari satu buah kristal cair sebagai suatu titik cahaya. Walaupun disebut sebagai titik cahaya, namun kristal cair ini tidak
16
memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian belakang susunan kristal cair tadi. Titik cahaya yang jumlahnya puluhan ribu bahkan jutaan inilah yang membentuk tampilan citra. Kutub kristal cair yang dilewati arus listrik akan berubah karena pengaruh polarisasi medan magnetik yang timbul dan oleh karenanya akan hanya membiarkan beberapa warna diteruskan sedangkan warna lainnya tersaring.
Gambar 2.13 LCD 16x2 Adapun fitur yang disajikan dalam LCD ini adalah : a. Terdiri dari 16 karakter dan 2 baris. b. Mempunyai 192 karakter tersimpan. c. Terdapat karakter generator terprogram. d. Dapat dialamati dengan mode 4-bit dan 8-bit. e. Dilengkapi dengan back light.
17
Table 2.2 Konfi urasi PIN LCD 16x2
BAB III PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisai dari perangkat keras, serta perangkat lunak dari peraga Ball and Beam. 3.1 Gambaran Alat
Alat yang akan direalisasikan dalam project ini adalah sebuah alat peraga yang disebut Ball and Beam yang terdiri dari sebuah bola (ball) yang terletak pada sebuah batang (beam) yang mempunyai poros pada salah satu ujung sisinya dan dapat diatur sudutnya untuk mengendalikan letak / posisi dari bola. Dalam melakukan pengendalian dari posisi bola tersebut digunakan system kontrol PID. Selain itu, alat tersebut akan dilengkapi dengan sebuah program yang digunakan untuk konfigurasi nilai dari Kp, Ki dan Kd yang digunakan dalam system control PID.
3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan hingga perealisasian perangkat keras. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan meliputi modul mekanik dan modul elektronik yang meliputi modul elektronik pada mekanik dan controller.
3.2.1 Perangkat Keras Modul Mekanik
Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras dan mekanik dari alat peraga Ball and Beam beserta bagian18
bagiannya juga. Gambar dibawah ini menunjukkan rancangan desain dari mekanik alat peraga Ball and Beam.
Gambar 3.1 Rancangan Ball and Beam Mekanik yang dirancang mempunyai dimensi total panjang 80 cm, lebar 20 cm, dan tinggi 30 cm. Sedangkan base yang digunakan sebagai alas tempat holder, servo adapter, serta box controller mempunyai ukuran panjang 80 cm dan lebar 20 cm.Ball (bola) adalah obyek yang akan dikendalikan letak / posisinya. Bola akan digunakan adalah bola pimpong yang mempunyai diameter 4 cm dengan berat sekitar 0.1 gram Beam (batang) adalah bagian mekanik dimana bola diletakkan. Bagian ini terbuat dari 2 akrilik dengan masing-masing panjang 65 cm dan lebar 3 cm yang dihubungkan dengan baut dan juga mur pada masing-masing ujung dari beamnya. Pada sisi ujung dari beam terdapat sensor ultrasonic yang digunakan untuk mendeteksi jarak bola dari titik seimbang. Lever arm yang digunakan mempunyai panjang 25 cm. Dimana lever arm ini berfungsi sebagai penggerak batang (beam) keatas dan atau kebawah sesuai pergerakan servo.
19
Gambar 3.2 Alat Peraga Ball and Beam
3.2.2 Perangkat Keras Modul Elektronik
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras modul elektronik yang digunakan dalam alat peraga Ball and Beam.
3.2.2.1 Pengendali Utama
Pengendali
utama
bertugas
mendapatkan
data
sensor,
memfilter data sensor, mengkonversi data sensor ke jarak, melakukan proses kalkulasi PID, dan memberi pulsa motor servo. Bagian ini dirancang berbasis mikrokontoller sebagai pusat pengolahan data dan sebagai pengontrol bagian-bagian lainnya, microcontroller yang 20
termasuk dalam keluarga AVR yaitu ATmega16 buatan Atmel Corporation. Atmega16 dipilih karena fasilitas-fasilitas pendukung mikrokonroller ini cukup lengkap untuk melakukan fungsi-fungsi diatas.
3.2.2.2 Sensor Posisi Bola
Sensor ini menggunakan sensor ultrasonic SRF-04 yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan bola. Prinsip kerja sensor ini adalah transmitter mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik, lalu diukur waktu yang dibutuhkan hingga datangnya pantulan dari obyek. Lamanya waktu ini sebanding dengan dua kali jarak sensor dengan obyek, sehingga jarak sensor dengan obyek. SRF04 dapat mengukur jarak dalam rentang antara 3cm – 6m dengan output panjang pulsa yang sebanding dengan jarak obyek. Sensor ini memerlukan 4 pin I/O untuk berkomunikasi dengan mikrokontroller, yaitu VCC, TRIG, ECHO dan GND. 3.2.2.2 Aktuator
Aktuator yang digunakan pada mekanik Ball and Beam adalah sebuah motor servo yang dipasang di lengan yang berfungsi sebagai pengatur sudut beam sehingga beam dapat bergerak naik dan turun (tilting).Sebagai actuator digunakan sebuah moto servo.
21
3.2.2.3 Debugger
Bagian debugger berfungsi sebagai penanda alat ke pengguna sehingga pengguna dapat memantau status dari alat Ball and Beam. Bagian ini secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian pengendali utama. Debugger yang digunakan terdiri atas sebuah LCD karakter 16x2. LCD karakter 16x2 berfungsi sebagai penampil informasi yang ada pada system. LCD akan menampilkan informasi tentang status koneksi serial dengan program user interface dan juga penampil status beam. Pada perancangan pin LCD dihubungkan dengan PORT C pada mikrokontoller.Kemudian pada LCD ini terdapat sebuah menu untuk melakukan setting pada Ball and Beam. Saat mengaturnya digunakan push button dan switch.
Gambar 3.3 User Interface Gambar dibawah ini adalah pengaturan nilai dari Kp, Kd, Ki dan juga set point. Set point adalah titik yang ditentukan agar bola dapat berhenti tepat pada titik tersebut.
Gambar 3.4 Pengaturan PID 22
Untuk selanjutnya adalah gambar yang menjunkkan pengaturan dari nilai ocr untuk menentukan sudut atau posisi awal dari Alat peraga Ball and Beam. Dan pada pengaturan ini sebenarnya yang di atur adalah posisi sudut dari motor servo.
Gambar 3.5 Servo dan Sensor
23
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pada project kali ini adalah penerapan teori system ball and beam dengan menggunakan control PID. Cara kerja dari system ini adalah bergerak sesuai dengan kondisi bola terhadap titik yang sudah ditentukan pada beam. Untuk menggerakkan ball and beam digunakan motor servo standart 5 volt dan di ontrol dengan ATmega 16. Sebagai parameter atau tolok ukur untuk kestabilan system digunakan sensor ultrasonic SRF04 untuk mengukur jarak antara titik dengan bola. Sehingga data dari sensor ini akan dijadikan referensi untuk menggerakkan motor servo. Secara umum prinsip kerja dari system ini adalah sensor ultrasonic membaca jarak bola. Data yan dibaca dari sensor akan dikonversi kedalam satuan cm. Nilai konversi ini yang digunakan untuk menentukan nilai error yang digunakan untukkontrol pada ball and beam. Nilai error didapatkan dari kondisi data dikurangkan dengan setpoint, yaitu nilai sensor dikurangkan dengan nilai titik yang diinginkan. Lalu untuk mengatur kondisi pada system digunakan control PID yaitu dengan mengatur nilai Kp, Ki dan Kd. Untuk lebih jelasnya perhatikan source code berikut.
24
-
Deklarasi header, define, dan global variabel
Pada gambar diatas ditunjukkan deklarasi pada awal program, dimana terdapat deklarasi variable serta konstanta. Digunakan library delay.h untuk konfigurasi delay, lalu alcd digunakan untuk konfigurasi LCD. Untuk conter digunakan untuk pembacaan sensor, sedangkan setPoint adalah variable yang digunakan untuk menentukan titik stabil, dan data merupakan hasil pembacaan dari senor. Untuk variable calibServo digunakan untuk melakukan kalibrasi titik stabil beam. Untuk variable buffer dan buffer2 digunakan untuk menampilkan di LCD. Kp, Ki, dan Kd digunakan sebagai konstanta pada PID. Untuk variable yang digunakan untuk DUI (Display User Interface) adalah menu, setting,
25
dan demo. Sedangkan variable eeprom digunakan untuk menyimpan hasil turning pada memori eeprom ATmega 16. -
Inisialisasi Timer1
Pada gambar diatas ditunjukkan inisialisasi pada Timer1. Pada project kali ini diunakan Mode Phase Correct. Dengan nilai TOP berdasatkan nilai pada ICR. Nilai ICR diset dengan nilai 752F nilai ini didapatkan berdasarkan.
Nilai 50 Hz merupakan nilai frekwensi PWM. Nilai TOP digunakan untuk melakukan settingan pada ICR.
26
- Kontrol PID
Selanjutnya adalah program PID. Dimana pada fungsi ini dilakiukan inisilaisasi nilai LastError yang digunakan untuk mengetahui nilai error sebelumnya, dan Integral, Rate yang digunakan untuk control Proporsional dan Integral. Untuk mengetahui nilai error digunakan dengan pengurangan nilai sensor dengan setPoint.
Kemudian untuk
perhitungan PID sesuai dengan rumus yaitu nilai P didapatkan dari Kp* error sedangkan untuk I = Ki*Integral sedangkan untuk nilai D = Kd*Rate. Untuk masing- masing control memiliki beberapa fungsi diantaranya untuk P digunakan untuk memperbaiki risetime, I untuk steady state error dan D digunakan untuk mengurangi overshoot. Hasil control PID nantinya akan digunakan sebagai referensi untuk control motor servo. Sedangkan untuk PID dipengaruhi oleh data hasil pembacaan sensor.
27
- Main Program
28
Pada fungsi main diisi dengan program untuk inisialisasi data dan juga untuk melakukan control pada ATmega 16. Diantaranya untuk melakukan demo dan juga untuk melakukan control pada konstanta PID dan juga kalibrasi nilai servo. Selain itu digunakan untuk pembacaan data.
29
BAB V KESIMPULAN
Pada bab ini akan dipaparkan kesimpulan yang telah didapatkan selama perancangan, pembuatan dan pengujian alat. Pada bab ini juga akan dipaparkan beberapa saran yang dapat dipertimbangkan untuk kedepannya. 2.5 Kesimpulan
Berdasarkan perancangan, perealisasian dan pengujian dapat ditarik kesimpulan bahwa: 1. Sistem ini dapat digunakan untuk menunjukkan efek kesimbangan benda. 2. Dalam merealisasikan system dibutuhkan suatu control yang digunakan untuk mengatur kestabilan bola, dalam hal ini menggunakan control PID.
2.6 Saran
Beberapa saran yang dapat diberikan penulis untuk penegmbangan system ball and beam adalah sebagai berikut : 1.
Menggunakan sensor jarak yang mempunyai respon lebih cepat agar respon system lebih cepat.
2.
Melakukan pemodelan system yang lebih mendetail agar hasil pemodelan yang didapatkan lebih baik lagi.
30
31
DAFTAR PUSTAKA Agus, M., J. Alam, Borland Delphi 5.0, Elex Media Komputindo, Jakarta, 2000. J.B. Rice, Ball On Beam Balance (BOBB), Makalah Internet. Malvino, Albert Paul, Prinsip – Prinsip Elektronika Jilid I, Diterjemahkan oleh Sahat Pakpahan, Erlangga, Jakarta, 1996. Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan), Diterjemahkan oleh Edi Leksono, Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1990. Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan), Diterjemahkan oleh Edi Leksono, Jilid 2, Erlangga, Jakarta, 1991. Phillips, Charles L., Royce D. Harbor,
Sistem Kontrol Dasar – Dasar (Feedback
Control System 3e), Diterjemahkan oleh Prof. R. J. Widodo, Prentice Hall (Asia), 1998. Wellstead, Peter, Ball And Beam System, Makalah Internet.
32
LAMPIRAN Bagian Mekanik Ball And Beam
Gambar 6.1. Beam
Gambar 6.2. Level Arm
Gambar 6.3. Tempat Servo
33
Gambar 6.4. Penumpu Dari Ball dan Beam
Gambar 6.4. Sensor Ultrasonik SRF04
Gambar 6.5 Hardware Minimum Atmega 16
34
Gambar 6.6 Skematik
35
