Sistem Pengontrol Jarak dengan Kontroler Proporsional

Sistem Pengontrol Jarak dengan Kontroler Proporsional

Disusun Oleh :

Junaidi Sucipto (1122051)

Dhiyaa Putri K. (1122053)

Ayu Maulidya (1122065)

Kelas : B

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik

Universitas Kristen Marantha

Bandung

2013

9

I. Latar Belakang

Sistem pengontrol jarak sering kita temui aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari maupun di bidang industri. Contoh paling mudah dari aplikasi sistem ini di kehidupan sehari-hari adalah sistem pengontrol jarak pada sensor parkir mobil. Selain itu sistem pengontrol jarak ini digunakan juga dalam bidang industri, seperti misalnya sistem pengontrol jarak yang dipasang di sistem ban berjalan (conveyor). Setiap sistem pengontrol jarak ini menggunakan sensor dan kontroler yang berbeda, mulai dari yang sederhana hingga rumit, menggunakan rangkaian analog maupun digital. Selain itu cara kerja sistem pengontrol jarak ini pun bermacam-macam. Ada yang berkarakteristik open loop, dimana sistem hanya memiliki kontroler yang diberi suatu set point. Ada juga yang berkarakteristik closed loop, dimana sistem memiliki kontroler yang diberi suatu set point, dan terpasang sensor yang akan membandingkan nilai set point dengan nilai output sebenarnya untuk dibandingkan dan menjadi sinyal kontrol yang baru. Sistem berkarakteristik closed loop ini dapat digunakan pada sistem ban berjalan (conveyor) untuk menggerakkan benda sepanjang conveyor sejauh jarak tertentu yang telah ditentukan sebelumnya.

Terlihat dari penjelasan diatas sistem pengontrol jarak berperan sangat penting dalam kehidupan sehari-hari, baik disadari maupun tidak. Berdasarkan alasan tersebut maka dalam laporan ini akan dijelaskan dan dilakukan simulasi sistem pengontrol jarak sederhana menggunakan kontroler proporsional sehingga dapat mengerti prinsip kerja dan salah satu contoh aplikasi sederhana dari sistem pengontrol jarak.

II. Prinsip Kerja dan Teori 1. Sensor Jarak Ultrasonik

Sensor jarak ultrasonik adalah sensor jarak yang menggunakan prinsip perambatan dan pemantulan gelombang ultrasonik untuk mengukur jarak sensor ke suatu benda yang ada dihadapannya. Sensor tipe ini bekerja dengan mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik melalui pemancar (transmitter) yang ada pada badan sensor, lalu selanjutnya diukur waktu yang dibutuhkan hingga diterimanya pantulan dari objek yang akan diukur jaraknya. Lamanya waktu ini sebanding dengan dua kali jarak sensor ke objek, sehingga didapat jarak sensor dengan objek yang dapat dicari melalui persamaan berikut :

Jarak= Kecepatan suara×Waktu pantul2

Laporan Proyek Komponen Sistem Kontrol

9

1.1 Sensor Jarak (Ultrasonik) SRF05

Pada proyek ini digunakan sensor jarak (ultrasonik) tipe SRF05 dengan spesifikasi sebagai berikut :

1. Bekerja pada tegangan DC 5 volt.

2. Beban arus sebesar 30 mA – 50 mA.

3. Menghasilkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi 40 KHz.

4. Jangkauan jarak yang dapat dideteksi 3 cm – 400 cm.

5. Membutuhkan input trigger minimal sebesar 10 µS.

6. Dapat digunakan dalam dua pilihan mode yaitu input trigger dan output echo terpasang pada pin yang berbeda atau input trigger dan output echo terpasang dalam satu pin yang sama.

Mode yang digunakan pada proyek ini adalah mode pertama, yaitu input trigger dan echo output terpisah, yang akan dibahas pada sub bab selanjutnya.

1.1.1 Mode 1 - Input Trigger dan Echo Output Terpisah

Pada mode ini untuk mengakses input dan output digunakan pin sensor utrasonik yang berbeda, dan merupakan mode yang paling mudah digunakan. Artinya satu pin akan berfungsi sebagai transmitter dan satu pin sisanya berfungsi sebagai receiver. Jadi antara Triger dan Echo di bedakan.

sumber : http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf05tech.htm

Gambar 2.1 : Timing Diagram SRF05 Mode 1


9

Tampak pada gambar diatas pertama-tama akan dikirim pulsa trigger input ke sensor SRF05 sebesar 10 µS (minimum). Selanjutnya sensor SRF05 akan mentransmisikan deretan gelombang ultrasonik sebanyak 8 cycle off. Selanjutnya sensor SRF05 menerima pantulan dari objek dan mengirimkan pulsa Echo Output ke kontroler yang digunakan sebesar 100 µS hingga 25 mS (terjadi time out setelah 30 mS jika tidak ada objek yang terdeteksi).

2. Kontroler Proporsional (P)

Kontroler Proporsional (P) adalah kontroler dengan penguatan murni KP. Persamaan karakteristik sistem closed loop (lup tertutup) dengan kontroler P adalah :

1 + KP G(s) H(s) = 0

Sedangkan hubungan antara keluaran kontroler u(t) dan sinyal kesalahan (error) kontroler e(t) adalah sebagai berikut :

U(t) = Kp E(t)

U(s) = Kp E(s)

U (s)E(s)

=K P

KP berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik pada kinerja kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time. Kontroler P ini digunakan dalam keadaan dimana tanggapan peralihan (transient) yang diinginkan dipenuhi cukup dengan mengatur penguatan sistem saja.

sumber (dengan perubahan) : http://id.wikipedia.org/wiki/PID


9

Gambar 2.1 : Diagram Blok Kontroler Proporsional

Kontroler Proporsional memiliki karakteristik sebagai berikut: 1. Mempercepat proses.2. Tidak merubah orde proses. 3. Meningkatkan Overshoot dari respon transien.4. Tidak menghilangkan offset (error steady state).

.

2.1 Pololu Dual MC33926 Motor Driver Shield

Pololu Dual MC33926 merupakan sebuah motor driver shield (penggerak motor) yang telah dilengkapi Arduino library. Motor Driver ini penggunaannya tergolong mudah dan dapat digunakan sebagai pengontrol dua motor DC brushed bidirectional (motor DC dengan sikat-sikat yang arah putarannya bisa berubah) sekaligus. Pololu Motor Driver ini berupa sebuah board yang terdiri dari sepasang Freescale MC33926 motor drivers yang dapat beroperasi dalam ambang batas tegangan 5 - 28 V dan dapat mengirimkan arus kontinu sebesar 3 A per kanal, termasuk didalamnya rangkaian pendeteksi arus, resistor pengaman, sebuah FET untuk melindungi baterai dengan polaritas terbalik, serta gerbang logika (logic gate) untuk mengurangi jumlah pin I/O (input/output) yang dibutuhkan.

Berikut beberapa fitur yang disediakan oleh Pololu Dual MC33926 Motor Driver :

1. Rentang tegangan operasi yang besar: 5 – 28 V.2. Arus output : 3 A (kontinu) (besar arus puncak5 A) per motor. 3. Input sesuai dengan sistem 5 V maupun 3,3 V.4. Operasi PWM hingga 20 kHz, bersifat ultrasonik sehingga dapat

menghasilkan kerja motor yang lebih halus. 5. Tegangan output dari rangkaian pendeteksi arus sebanding dengan arus

motor (kira-kira 525 mV/A) 6. Motor Indicator LEDs (LED indikator untuk motor) menunjukkan apa

yang tengah dikerjakan oleh output walaupun tidak ada motor yang terhubung.

2.2 Pulse Width Modulation (PWM)

Untuk mengatur kecepatan motor DC salah satunya dapat digunakan teknik PWM (Pulse Width Modulation). Dengan menggunakan PWM kita dapat mengatur kecepatan motor DC yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan motor DC dilakukan dengan cara mengubah-ubah


9

besarnya duty cycle pulsa. Duty cycle adalah perbandingan perioda logic high pada pulsa berbanding dengan perioda satu gelombang penuh pulsa, atau dirumuskan melalui persamaan berikut :

Duty=T ON

T

Pulsa dengan duty cycle yang berubah-ubah inilah yang akan menentukan kecepatan motor DC. Besarnya amplitudo dan frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. Semakin besar duty cycle maka semakin cepat pula kecepatan motor DC, dan sebaliknya semakin kecil duty cycle maka semakin pelan pula kecepatan motor DC. Sebagai contoh bentuk pulsa yang dikirimkan adalah seperti pada gambar berikut, yaitu pulsa kotak dengan duty cycle 50%.

sumber : http://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/pwm-pulse-width-modulation-adalah/

Gambar 2.2 : Contoh sinyal PWM

Duty cycle memiliki kaitan yang erat dengan tegangan rata-rata yang disuplai pada motor DC. Semakin besar Duty Cycle maka semakin besar pula tegangan rata-rata yang disuplai, sehingga kecepatan motor DC akan semakin meningkat. Begitu juga sebaliknya, semakin kecil Duty Cycle maka semakin kecil pula tegangan rata-rata yang disuplai, sehingga kecepatan motor DC akan semakin menurun.

Selain itu, dengan mengatur besarnya duty cycle pulsa kotak yang dikirimkan, kita dapat mengatur banyaknya logic high yang diberikan pada motor, dengan kata lain mengatur lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa. Jika lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa ini berubah maka kecepatan putaran motor juga akan berubah, sesuai dengan duty cycle atau waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa.


9

III. Tujuan Proyek

Pada proyek ini didesain simulasi sistem pengontrol jarak sederhana yang terdiri dari ban berjalan (conveyor) sebagai plant, sensor jarak ultrasonik dan kontroler Proporsional (P) dimana pada sistem yang dibuat sensor akan diletakkan diatas conveyer, kemudian conveyer akan bergerak maju atau mundur sesuai jarak set point yang telah ditentukan sebelumnya, dihitung dari dinding yang ada di depan sensor. Tujuannya adalah mensimulasikan suatu sistem pengontrol jarak sederhana yang sering ditemukan dalam kehidupan sehari-hari.

IV. Perancangan dan Realisasi

Berikut ini diagram blok dari sistem yang akan direalisasikan:

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, untuk perancangan digunakan sensor jarak ultrasonik SRF05 dengan ketentuan pin sebagai berikut :

sumber : http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf05tech.htm


∑Kontroler P

(Motor Driver Pololu MC3926)

Aktuator(Motor DC)

ErrorPlant

(SistemConveyer)

Sensor(SRF05)

OutputSet Point

9

Gambar 4.1 : Konfigurasi pin SRF05 menggunakan Mode 1

Ketentuan pin diatas digunakan untuk penggunaan SRF05 dengan mode 1. Kelima pin di sebelah kanan tidak digunakan.

Kemudian digunakan kontroler Pololu Dual MC33926 Motor Driver Shield dengan ketentuan pin sebagai berikut :

sumber : http://www.pololu.com/product/2503

Gambar 4.2 : Konfigurasi pin Pololu menggunakan mikrokontroler

Pada sistem yang dirancang hanya digunakan satu motor, sehingga terlihat pada gambar diatas pin-pin M2A, M2B, M2DIR dan M2PWM tidak digunakan. Yang digunakan hanya pin M1PWM, M1DIR, pin GND di sebelah kiri (untuk mikrokontroler dan gerbang logika) dan pin GND di sebelah kanan (untuk motor DC) serta pin VDD (untuk mikrokontroler dan gerbang logika) dan VIN (untuk motor).

Berikut gambar sistem (mencakup plant) yang telah berhasil direalisasikan :


9

sumber : dokumentasi pribadi

Gambar 4.3 : Gambar sistem lengkap dengan plant, sensor dan kontroler

Sistem ini bekerja melalui langkah-langkah sebagai berikut :1. Input Set Point (SP) telah ditentukan terlebih dahulu, misal 10 cm dari

tembok.2. Nilai KP telah ditentukan di dalam pemrograman yang ada di dalam

mikrokontroler. 3. Kemudian sensor akan bekerja membaca jarak ke tembok. Algoritma di

dalam pemrograman akan terus-menerus membandingkan hasil pembacaan sensor dengan nila Set Point yang telah ditentukan. Selisihnya yang berupa sinyal error akan digunakan sebagai sinyal kontrol. Algoritma pemrograman akan terus bekerja secara kontinu hingga sinyal error bernilai 0.

4. Algoritma pemrograman juga akan membandingkan apakah nilai pembacaan sensor lebih besar atau lebih kecil dari nilai SP. Jika lebih besar berarti jarak sensor terlalu besar, sehingga sensor perlu maju menuju tembok. Untuk maju maka motor driver perlu diberi logic high (1).

5. Sebaliknya, jika pembacaan sensor lebih kecil maka sensor perlu mundur menjauhi tembok untuk mencapai SP. Untuk mundur maka motor driver perlu diberi logic low (0).


9

6. Selanjutnya sinyal error yang merupakan selisih nilai SP dan pembacaan sensor digunakan untuk menentukan besar Gain (penguatan) dari kontroler Proporsional dengan persamaan :

P=error∗K P

Dengan P merupakan nilai Gain, dan nilai KP telah ditentukan sebelumnya. Sinyal error tidak bernilai minus karena hanya berupa selisih.

7. Nilai Gain P akan menentukan Duty Cycle dari sinyal PWM yang ada dalam motor driver melalui persamaan :

Duty Cycle=P(%)

Saat Duty Cycle maksimal (100 %) maka kecepatan motor akan maksimal untuk bergerak mengejar SP, sedangkan saat Duty Cycle minimal (0 %) maka motor akan berhenti. Sehingga semakin besar sinyal error maka pergerakan conveyor akan semakin cepat, sedangkan saat sinyal error mendekati nol maka motor akan melambat hingga akhirnya berhenti.

V. Uji Coba Data PengamatanBerikut data pengamatan yang didapat :

Set Point KP Sinyal Error


10,06944 5

34,684590

10,05556 8

36,55866029,664810 28,34956027,109270 26,61724024,752710 23,83816021,458440 21,09044018,830650 19,15094015,607250 15,18337013,295670 12,67280010,800090 11,49520011,484300 10,00957011,777330 9,69064210,907770 10,34077011,602870 9,90053810,617450 10,113160


9

11,072680 10,66107011,169450 9,84329410,879140 9,41396212,063550 9,79831611,673750 9,95641911,514280 10,03683010,671970 10,02729010,902310 10,08863011,730990 9,50664310,816450 10,14587010,741480 9,9237089,769694 10,0259309,861012 9,5366289,231325 9,771057

10,197660 9,16317711,135380 9,41532511,072680 9,4793849,922345 10,233100

10,204480 9,66747210,089990 9,50119110,170400 9,878731

8,930111

10,443000

10,347590

9,220421

11,072680

10,272630

10,621540

10,678790

10,245370


Set Point KP

Sinyal Error

10,05556 1033,25349

10,05556 1532,967270

29,92105 28,566270


9

27,7703 25,56640024,01671 23,88995022,50519 20,62703019,51077 17,79616015,69312 15,70402013,05852 11,62059010,46617 10,02729011,2267 9,23814010,51387 8,97372610,31897 6,87476810,70741 9,13046610,03956 11,26622010,08999 9,91825710,60383 9,61704310,77011 9,4057849,769694 9,43304310,29034 10,50706010,43891 13,86811010,49615 10,75375010,71968 10,49070010,63245 10,46617010,24946 10,48116010,70605 10,6310809,861012 9,75742710,65562 10,49615010,74557 9,76015310,33123 10,63245010,34214 10,59292010,94729 9,81058310,5016 9,94142710,91867 10,6038309,775146 10,67334010,46208 10,82599010,98137 9,375799

9,25040610,85052010,14178011,16264010,55885010,66243011,3929809,862375


9

10,50706010,72377010,49615010,92412010,4879709,976864

10,38848011,10539010,449810


10,06944

20

31,97776029,00105026,25060024,11893021,47888018,42994015,38372013,71274010,3993809,7478879,3703479,6879169,4971028,443534

10,71968011,75961013,4510509,1018448,4271799,2722149,788775

10,1922108,536216

10,73740010,39393010,3203309,775146

10,34895010,1022609,521635


9

9,90599010,21538010,1867609,7015469,2899329,499828

10,1404209,870553

10,23310010,1526909,540717

10,32442010,8150809,443947

10,5711108,8674158,905578

10,62700011,5142809,1400077,982854

Grafik dari data pengamatan diatas adalah sebagai berikut :

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 430

5

10

15

20

25

30

35

40

Kp=5

ErrorSet Point


9

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43-20

0

20

40

60

80

100

120

140Kp=5

ErrorSinyal Kontrol

Pada Kontroler P dengan nilai KP = 5 terlihat osilasi sistem cukup kecil, namun respon transien dari sistem tidak dapat mencapai set point, dan error steady state sistem masihlah cukup besar.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 350

5

10

15

20

25

30

35

40Kp=8

ErrorSet Point


9

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35-50

0

50

100

150

200

250Kp=8

ErrorSinyal Kontrol

Pada Kontroler P dengan nilai KP = 8 terlihat osilasi sistem semakin menurun, dan sistem berosilasi dibawah nilai set point. Selain itu respon transien sistem terlihat cukup bagus, ditandai dengan tercapainya set point dan osilasi serta error steady state yang sangat kecil. KP = 8 dianggap merupakan nilai KP yang sesuai untuk sistem ini.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 350

5

10

15

20

25

30

35

Kp=10

ErrorSet Point


9

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35-50

0

50

100

150

200

250Kp=10

ErrorSinyal Kontrol

Pada Kontroler P dengan nilai KP = 10 terlihat osilasi sistem hampir sama besarnya dengan saat KP = 8, namun sistem cenderung berosilasi di atas nilai set point. Selain itu respon transien sistem terlihat cukup bagus, ditandai dengan tercapainya set point dan osilasi serta error steady state yang sangat kecil. KP = 10 juga dianggap merupakan nilai KP yang sesuai untuk sistem ini.

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 520

5

10

15

20

25

30

35Kp=15

Error

Set Point


9

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400Kp=15

ErrorSinyal Kontrol

Pada Kontroler P dengan nilai KP = 15 terlihat osilasi sistem cenderung naik dan nilai osilasi puncaknya cukup besar, sehingga KP = 15 tidak sesuai dengan sistem ini, walaupun dengan KP tersebut sistem dapat mencapai set point.

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 490

5

10

15

20

25

30

35Kp=20

Error

Set Point


9

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49-100

0

100

200

300

400

500Kp=20

ErrorSinyal Kontrol

Pada Kontroler P dengan nilai KP = 20 terlihat osilasi sistem bertambah sehingga membuat sistem cenderung tidak stabil sehingga KP = 20 tidak sesuai dengan sistem ini, walaupun dengan KP tersebut sistem dapat mencapai set point.

VI. Kesimpulan

Menurut hasil uji coba yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa proyek berhasil direalisasikan dan dapat bekerja sesuai dengan tujuan yang telah disebutkan sebelumnya.

Namun pada saat uji coba didapat beberapa kesimpulan lain, diantaranya penggunaan kontroler Proporsional menyebabkan respon transien sistem masih memiliki error steady state, sehingga masih ada sistem yang tidak mencapai set point pada respon transiennya.

Selain itu sistem terus berosilasi di sekitar set point akibat kurangnya faktor redaman, serta settling time dengan nilai KP yang terlalu besar cukup lama sehingga sistem sulit untuk stabil.

Namun yang lebih utama didapat nilai KP yang sesuai untuk sistem, yaitu diantara KP = 8 dan KP = 10. Respon transien dengan KP tersebut dinilai cukup bagus, dan terbukti bahwa sistem dapat mencapai set point dan memiliki respon transien yang cukup bagus hanya dengan menggunakan kontroler Proporsional

VII. Daftar Pustaka


9

Spesifikasi Pololu Dual MC33926 Motor Driver Shield

http://www.pololu.com/product/2503

Artikel Wikipedia mengenai PID

http://id.wikipedia.org/wiki/PID

Artikel lain mengenai PID

http://digilib.itb.ac.id/files/disk1/548/jbptitbpp-gdl-suryadinim-27355-3-2007ta-2.pdf

http://directory.umm.ac.id/Data%20Elmu/pdf/Desain_Kontroller_PID.pdf

Spesifikasi Ultra Sonic Ranger - SRF05

http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf05tech.htm

Artikel mengenai SRF05

http://belajar-dasar-pemrograman.blogspot.com/2013/04/sensor-jarak-ultrasonik-srf05.html

Artikel mengenai PWM

http://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/pwm-pulse-width-modulation-adalah/

VIII. Glosarium

Conveyor : Ban berjalan, digunakan pada industri atau sistem transportasi untuk memindahkan suatu barang dalam sebuah proses. Tipe yang paling sederhana dapat terdiri dari satu buah motor untuk menggerakkan gear (geligi) yang dililit oleh karet ban.

Respon Transien : respon sistem yang berlangsung dari keadaan awal kemudian input sistem berubah secara tiba-tiba.

Error Steady State : Selisih nilai akhir output dengan set point saat sistem tidak dapat mencapai set point.

Settling Time : Ukuran waktu yang menyatakan respon telah masuk 5% atau 2% atau 0,5% dari respon steady state


Sistem Pengontrol Jarak dengan Kontroler Proporsional

Documents