SKRIPSI - repository.ub.ac.idrepository.ub.ac.id/12662/1/Reza Kemal Firdaus.pdf2.1 Gaya Magnetik dan Gaya Lorentz ..... Error! Bookmark not defined. 2.2 ...

RANCANG BANGUN SISTEM MINIATUR KERETA MAGLEV DENGAN

MENGENDALIKAN GAP PADA LANDASAN GUIDEWAY

SKRIPSI

TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL

Ditujukan untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar Sarjana Teknik

REZA KEMAL FIRDAUS

NIM. 145060301111047

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

MALANG

2018

DAFTAR ISI

Halaman PENGANTAR Error! Bookmark not defined.

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... 3

DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................ 5

BAB 1 PENDAHULUAN .................................... Error! Bookmark not defined.

1.1 Latar Belakang ........................................ Error! Bookmark not defined.

1.2 Rumusan Masalah ................................... Error! Bookmark not defined.

1.3 Batasan Masalah ...................................... Error! Bookmark not defined.

1.4 Manfaat .................................................... Error! Bookmark not defined.

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ........................... Error! Bookmark not defined.

2.1 Gaya Magnetik dan Gaya Lorentz .......... Error! Bookmark not defined.

2.2 Fungsi Alih .............................................. Error! Bookmark not defined.

2.3 Respon Sistem ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.4 Latar Belakang Teknologi Kereta Magnetic LevitationError! Bookmark not

defined.

2.5 Electromagnetic Suspension ................... Error! Bookmark not defined.

2.6 Sensor Ultrasonik .................................... Error! Bookmark not defined.

2.7 Filter Kalman ........................................... Error! Bookmark not defined.

BAB 3 METODE PENELITIAN ......................... Error! Bookmark not defined.

3.1 Spesifikasi Alat ....................................... Error! Bookmark not defined.

3.2 Perancangan dan Pembuatan Alat ........... Error! Bookmark not defined.

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ................ Error! Bookmark not defined.

4.1 Prinsip Kerja Penggerak Utama Rancang Bangun KeretaError! Bookmark

not defined.

4.2 Pengujian Nilai Tegangan Dan Arus Terhadap Nilai Pulsa yang Diberikan

Mikrokontroller .................................................. Error! Bookmark not defined.

4.3 Pengujian Nilai Jarak Ketinggian Terhadap Nilai PWM.Error! Bookmark

not defined.

4.4 Penentuan Nilai PID untuk Proses Pengendalian Pada Kereta MaglevError!

Bookmark not defined.

4.5 Pengujian Respon Sistem Awal Dengan Setpoint BerbedaError! Bookmark

not defined.

4.6 Evaluasi Pengujian Sistem ...................... Error! Bookmark not defined.

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ................ Error! Bookmark not defined.

5.1 Kesimpulan .............................................. Error! Bookmark not defined.

5.2 Saran ........................................................ Error! Bookmark not defined.

DAFTAR PUSTAKA ............................................ Error! Bookmark not defined.

LAMPIRAN Error! Bookmark not defined.

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Respon Sinyal Step Dari Sistem Orde SatuError! Bookmark not defined.

Gambar 2.2 Respon Sinyal Step Dari Sistem Orde DuaError! Bookmark not defined.

Gambar 2.3 Perbandingan sistem EMS dan EDS pada sistem magnetic levitation.Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.4 Prnsip Kerja EMS .............................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.5 Prinsip Sensor Ultrasonik................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.6 Prinsip Pemantulan Ultrasonik ........... Error! Bookmark not defined.

Gambar 2.7 Proses penghitungan pada Kalman filterError! Bookmark not defined.

Gambar 2.8 Diagram alir pada kalman filter ......... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.1 Konsep pembacaan posisi .................. Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.2 Diagram blok sistem .......................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 3.3 Diagram alir kerja sistem prototipe .... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.1 Penggerak (a) pasif kereta dan (b) badan keretaError! Bookmark not defined.

Gambar 4.2 Penggerak aktif kereta ....................... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.3 Grafik hasil pengukuran keluaran tegangan dengan pengaruh sinyal PWM …………………………………………………………………..Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.5 Grafik Hasil pengukuran jarak terhadap sinyal PWMError! Bookmark not defined.

Gambar 4.6 Grafik respon alat dengan PID tuning Sumber : Pengukuran .... Error! Bookmark not defined.

Gambar 4.7. Grafik Hasil Respon Sistem Awal Dengan Setpoint 7,1 cm ..... Error! Bookmark not defined.



Gambar 4.10. Grafik Relasi Parameter Yang mempengaruhiError! Bookmark not defined.

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Perancangan Alat .......................... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 2 Listing Program Sensor ................ Error! Bookmark not defined.

Lampiran 3 Blok Program Kontrol Pada Raspberry PiError! Bookmark not defined.

Lampiran 4 Miniatur Kereta Beserta Guideway KeretaError! Bookmark not defined.

Lampiran 5 ATMEGA328 ............................... Error! Bookmark not defined.

Lampiran 6 HC-SR04 ...................................... Error! Bookmark not defined.

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Seiring dengan semakin meningkatnya dari populasi masyarakat, transportasi darat

seperti kendaraan pribadi dan penerbangan tidak akan sanggup menampung. Sesuai permintaan

cara angkutan umum yang telah meningkat. Dalam rangka untuk tepat melayani masyarakat,

sistem transportasi new-generation semacam itu harus memenuhi persyaratan tertentu seperti

kecepatan, reliabilitas, dan keselamatan. Selain itu, itu harus nyaman, ramah lingkungan,

pemeliharaan rendah, kompak yang ringan, dan cocok untuk transprotasi umum. Kereta

magnetic levitation (maglev) ada salah satu solusi yang terbaik dari permasalahan tersebut.

Sementara sebuah kereta api konvensional, menggunakan gesekan antara roda dan rel, kereta

maglev menggantikan roda oleh elektromagnetik dan levitasi di jalur, dan memproduksi

kekuatan propulsi secara elektromagnetik tanpa ada kontak (Lee & Lee, 2006)

Dalam penelitian ini akan digunakan sensor ultrasonik untuk mengukur jarak jalur kereta

dengan kereta agar tetap konstan. Penelitian ini diharapkan mengasilkan sebuah rancang bangun

yang layak untuk melihat prinsip kerja gerak levitasi pada kereta maglev.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan masalah yang telah dijelaskan pada latar belakang, dapat dibuat rumusan

masalah yaitu bagaimana membuat rancang bangun minatur kereta maglev untuk mengetahui

respon kontrol gerak levitasi menggunakan kontrol PID sebagai kontrol arus pada aktuator

solenoida.

1.3 Batasan Masalah

Dengan mengacu pada permasalahan yang telah dirumuskan, maka hal-hal yang berkaitan

dengan penelitian akan diberi batasan sebagai berikut:

1. Alat dirancang agar dapat mengetahui dan sesuai dengan prinsip kerja gerak levitasi pada

kereta maglev.

2. Alat dirancang untuk mengetahui respon dengan pelakuan kontrol berbeda.

1.4 Manfaat

Penelitian ini turut berkontribusi dalam pengembangan teknologi di bidang transportasi

yaitu sebagai alat simulasi untuk mengetahui prinsip gerak levitasi pada kereta maglev, sehingga

dapat dijadikan sebagai acuan untuk pengembangan kereta maglev yang lebih lanjut.

1

BAB II

BAB 1 TINJAUAN PUSTAKA

1.1 Gaya Magnetik dan Gaya Lorentz

Bila sebuah partikel bermuatan bergerak dalam medan magnetik maka ia akan mengalami

gaya magnetik yang arahnya tegak lurus pada bidang yang dibentuk oleh vektor kecepatan

partikel dan vektor medan magnetik. Bersama-sama dengan gaya listrik (gaya Coulomb) gaya

magnetik membentuk sebuah gaya yang disebut sebagai gaya Lorentz. Berbagai aplikasi dapat

diturunkan dengan memanfaatkan gaya Lorentz, seperti pemilih (selektor) kecepatan, dan efek

Hall. Gaya magnetik sendiri dapat menjelaskan prinsip terjadinya gerak melingkar partikel

bermuatan dan spektroskopi massa. (Viridi, 2010)

• Gaya magnet

Sebuah partikel bermuatan q yang bergerak dengan kecepatan

̂ ̂ (2.1)

dalam suatu ruang bermedan magnetik

̂ ̂ (2.2)

akan mengalami gaya magnetik

(2.3)

̂ ̂ ̂

• Garis-garis medan magnetik dan kutub magnetik.

Terdapat garis-garis medan yang menggambarkan arah medan magnetik dalam ruang.

Garis-garis medan magnetik ini berawal dari kutub magnetik utara U menuju kutub magnetik

selatan S. Garis-garis medan magnetik juga tidak saling berpotongan.

Kutub magnetik sejenis akan tolak-menolak, sedangkan kutub magnetik berbeda jenis

akan tarik-menarik.

Dengan menggunakan prinsip relativitas dapat dilihat bahwa medan magnetik sebenarnya

adalah suatu medan listrik yang dilihat dalam kerangka acuan yang bergerak. Muatan adalah

penyebab medan listrik, sehingga apabila sejumlah muatan bergerak, maka medan listrik yang

disebabkannya juga akan berubah. Perubahan ini (muatan bergerak menyebabkan arus) akan

menyebabkan timbulkan medan magnetik.

• Gaya Lorentz

Suatu partikel bermuatan q yang bergerak dalam ruang bermedan listrik

̂ ̂ (2.4)

akan mengalami sekaligus gaya listrik dan gaya magnetik ,

(2.5)

̂ ̂

1.2 Fungsi Alih

Dalam teori kendali, fungsi yang disebut fungsi alih seringkali digunakan untuk

mencirikan hubungan masukan dan keluaran dari sistem linier parameter konstan. Konsep fungsi

alih ini hanya digunakan pada sistem linear parameter konstan. Fungsi alih sistem linear

parameter konstan didefinisikan sebagai perbandingan dari transformasi Laplace keluaran dan

transformasi Laplace masukan dengan asumsi semua kondisi awal bernilai nol (Laksono, 2014).

Sistem linear parameter konstan dinyatakan dengan persamaan linear differensial pada

persamaan (2.6) berikut.

. . .. (2.6)

Dimana y adalah keluaran sistem dan x adalah masukan sistem. Fungsi alih dari persamaan

(2.6) diperoleh dengan mencari transformasi Laplace dari kedua persamaan (2.6) dengan asumsi

semua kondisi awal bernilai nol dan diperoleh persamaan (2.7) berikut.

..

.. (2.7)

1.3 Respon Sistem

Sinyal masukan sistem kendali tidak dapat diketahui sebelumnya tetapi mepunyai sifat

acak sehingga masukan sesaat tidak dapat dinyatakan secara analitis, untuk analitis dan

perancangan sistem kendali, harus dipunyai dasar perbandingan kinerja berbagai sistem kendali.

Dasar ini disusun untuk melakukan perbandingan tanggapan berbagai sistem, yaitu dengan

3

memberikan masukan uji. Masukan uji yang biasa digunakan adalah fungsi undak, fungsi laju,

fungsi percepatan, fungsi impulsa, fungsi sinusoida dan sebagainya. (Laksono, 2014)

• Sistem Orde Satu

Fungsi alih dari sistem orde satu dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

(2.8)

Dimana C adalah fungsi masukan, dan R adalah fungsi keluaran, dan notasi yang lebih

umum dari fungsi alih orde satu dinyatakan dengan persamaan (2.9) berikut.

(2.9)

Dipertimbangkan sistem orde satu, , dimana step respon adalah.

/ / (2.10)

Jika bisa mengidentifikasi K dan a maka bisa didapatkan transfer function dari

sistemnya.Pada gambar 2.1 adalah grafik dari respon sinyal step dari sistem.

Gambar 2.1 Respon Sinyal Step Dari Sistem Orde Satu Sumber : (Nise, 2011)

• Sistem Orde Dua

Bentuk standar dari fungsi alih orde kedua dapat dinyatakan dengan persamaan (2.11)

berikut.

(2.11)

Dimana ζ adalah rasio redaman, adalah frekuensi alamiah tidak teredam terlihat bahwa

sistem dari sistem orde kedua standar merupakan fungsi dari ζ dan . Tanggapan terhadap

masukan undak dari sistem orde kedua pada persamaan (2.12) berikut.

(2.12)

Transformasi balik dari persamaan (2.12) tidak diturunkan dari persamaan (2.11). namun

dengan mengasumsikan bahwa pole-pole dari G(s) bersifat kompleks, sehingga diperoleh

persamaan (2.13) berikut.

1 sin β t θ (2.13)

Dimana 1 ζ dan tan

Pada tanggapan ini, 1/ζ adalah konstanta waktu dari sinusoida dalam detik serta

frekuensi dari sinusoida teredam. Sekarang akan ditunjukkan tanggapan undak yang umum pada

sistem orde kedua. Tanggapan undak pada persamaan (2.13) adalah fungsi ζ dan . Jika

ditentukan nilai ζ saja maka memplot c (t) belum bisa dilakukan tanpa menentukan juga.

Untuk menyederhanakan plot grafik c(t) akan dipergunakan suatu nilai ζ yang telah ditentukan

sebagai fungsi dari keluarga kurva dari berbagai nilai ζ sangat berguna dan di perlihatkan

pada gambar 2.1 dengan nilai ζ antara 0 ζ 2 untuk 0 ζ 1 tanggapan merupakan

sinusoida teredam. Untuk ζ 0 tanggapan merupakan sinusoida tidak teredam dan untuk ζ 1

osilasi sudah tidak ada. Pada persamaan (2.13) terlihat bahwa untuk ζ 0 tanggapan bertambah

tanpa batas. Berikut adalah nilai satuan berbagai nilai ζ pada gambar 2.2 berikut.

Gambar 2.2 Respon Sinyal Step Dari Sistem Orde Dua Sumber : (Nise, 2011)

1.4 Latar Belakang Teknologi Kereta Magnetic Levitation

Ada dua teknologi utama dalam kereta magnetic levitation yaitu electromagnetic

suspension system (EMS) dan electrodynamic suspension system (EDS).Teknologi utama yang

di butuhkan adalah sifat superkonduktor dimana material tersebut harus pada suhu kritis untuk

material tersebut agar menghasilkan sifat superconducting. Teknologi EMS dimana “menarik ke

atas” yang di pakai oleh German conventional-magnet-based Transrapid System (Wahl 2004)

dan teknologi EDS, dimana “mendorong kebawah”, yang dipakai oleh Japanese JR low-

temperature superconducting system (Miyamoto 2004). Kedua teknologi yang dipersembahkan

oleh jerman dan jepang, masing-masing pemerintahnya mendukung dan mendanai

perkembangan dan demonstrasi dari masing-masing teknologi sebesar beberapa juta US dollar

setiapnya. Dapat dilihat pada gambar 2.1 yaitu perbandingan kerangka sistem EDS dan EMS.

Gambar 2.3 Perbandingan sistem EMS dan EDS pada sistem magnetic levitation. Sumber: (Rose, C.,Peterson, D.,Leung, M. ,2014 )

Kereta EMS menggunakan temperatur suhu ruangan. Teknologi magnet terkonduksi

normal. Kereta EDS menggunakan keduanya yaitu suhu ruangan dan magnet superkonduktif .

1.5 Electromagnetic Suspension

Electromagnetic Suspesion (EMS) bekerja seperti bantalan magnetic aktif. Prinsip ini

terkadang disebut sebagai servo-stabilization. Sensor mengukur jarak udara antara

electromagnetic dan guideway. Sistem kontrol pada EMS berfungsi untuk menjaga agar jarak

tetap konstan. Prinsip kerja ini sangat sering digunakan dalam aplikasi komersial seperti

transrapid. Pada gambar 2.2 dapat dilihat prinsip kerja dari sistem EMS.

Gambar 2Sumber:

Serv

dalam ke

Namun r

gerak le

(dibandin

& Vavřík

1.6 Sen

Sen

suara da

frekuensi

2017). Se

unit pem

dengan m

balik yan

dari Kri

polaritas

ultrasonik

ultrasonik

2.4 Prnsip Ker(Čermák, Bar

vo-stabilizati

eadaan diam

roda penahan

evitasi ini

ngkan denga

k, 2008)

nsor Ultraso

nsor ultraso

an digunakan

i kerja pada

ensor ultraso

mancar. dan

mekanik jan

ng memiliki

stal piezoel

tegangan y

k. Pantulan g

k akan diter

rja EMS rtoň, Spal, Ba

ion mampu m

m. Maka roda

n untuk kebu

untuk kebu

an EDS) dan

onik

nik adalah

n untuk me

a daerah diat

onik terdiri d

penerima.

gkar dan ha

frekuensi k

lectric meny

yang diberi

gelombang u

rima kembal

arták, & Vavř

menahan bo

a tidak diper

utuhan kese

utuhan jarak

n adanya feed

sensor yang

endeteksi ke

tas gelomba

dari dari dua

Sangatlah s

anya dihubun

kerja 20 kHz

yebabkan b

ikan dan in

ultrasonik te

li oleh unit

řík, 2008)

dy dalam po

rlukan untuk

lamatan bia

k yg lebih

dback contro

g bekerja b

eberadaan su

ang suara da

a unit, yaitu u

ederhana se

ngkan denga

z hingga 2 M

berkontraksi

ni disebut d

erjadi bila ad

sensor pene

osisi yang di

k menjalakan

sanya digun

h dekat ant

ol system. (Č

erdasarkan

uatu objek a

ari 20 kHz h

unit pemanc

ebuah krista

an diafragm

MHz (Arasa

mengemba

dengan efek

da objek terte

erima. Selan

iinginkan. ba

n fungsi utam

nakan. Ciri k

tara magnet

Čermák, Bart

prinsip pant

atau benda

hingga 2 MH

ar dan unit p

al piezoelect

ma penggetar

ada, B., 2017

ang atau m

k piezoelect

entu dan pan

njutnya unit

ahkan jika k

ma gerak lev

khas prinsip

t dan guid

toň, Spal, Ba

tulan gelom

tertentu did

Hz (Arasada

penerima str

tric dihubun

r tegangan b

7). Struktur

menyusut, se

tric pada se

ntulan gelom

sensor pene

kereta

vitasi.

kerja

deway

arták,

mbang

depan

a, B.,

ruktur

ngkan

bolak-

atom

ebuah

ensor

mbang

erima

akan menyebabkan diafragma penggetar akan bergetar dan efek piezoelectric menghasilkan

sebuah tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang sama. Untuk lebih jelas tentang prinsip kerja

dari sensor ultrasonik dapat dilihat prinsip dari sensor ultrasonik pada gambar 2.5 berikut ini

Gambar 2.5 Prinsip Sensor Ultrasonik Sumber: (Arasada, B.,2017)

Pada Gambar 2.5. dijelaskan bahwa pada saat arduino mengirimkan sinyal pulsa ke

sensor lalu sensor akan mengirimkan sinyal chirp infra merah dan memantulkan nya ke yang

disebut echo, dan sensor akan mendapatkan pantulan sesuai dengan perhitungan rumus yang di

implementasikan Besar amplitudo sebuah sinyal elektrik yang dihasilkan sensor penerima

tergantung dari jauh dekatnya sebuah objek yang akan dideteksi serta kualitas dari sensor

pemancar dan sensor penerima. Proses sensoring yang dilakukan pada sensor ini menggunakan

metode pantulan untuk menghitung jarak antara sensor dengan objek sasaran. Prinsip pemantulan

dari sensor ulrasonik dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut ini:

Gambar 2.6 Prinsip Pemantulan Ultrasonik Sumber: (Arasada, B.,2017)

Pada gambar 2.6 dijelaskan bahwa referensi jarak dari pengukuran sensor ultrasonic

adalah antara transceiver dan receiver sampai dengan objek.

1.7 Filter Kalman

Pada tahun 1960, R.E. Kalman mempublikasikan makalahnya yang merupalan solusi rekursi

tentang masalah filter pada proses yang linier, sehingga filter tersebut dikenal dengan nama filter

Kalman. Filter Kalman dapat menghilangkan noise dari suatu sinyal yang mengandung informasi

dan mengambil informasi tersebut untuk diproses lebih lanjut. Suatu proses yang menggunakan

filter Kalman untuk memfilter noise dapat disajikan dalam dua persamaan, yaitu persamaan state

dan persamaan keluaran. Masing-masing persamaan mempunyai noise yang tidak berhubungan

satu sama lain, sehingga tidak ada korelasi silang antara kedua noise (Kalman, 1960).

Proses perhitungan pada filter Kalman dapat dilihat pada Gambar 1. yang terdiri dari dua

tahap yaitu: perhitungan state dan penghitungan kovarian.

Gambar 1.7 Proses penghitungan pada Kalman filter Sumber: (Wahyudi, 2009)

Berdasarkan proses perhitungan pada gambar Gambar 1.7 Pada awalnya dilakukan

inisialisasi awal yaitu nilai x, lalu dimasukkan data pengukuran, setelah ter input data

pengukuran maka dilakukan perhitungan kalman gain, dengan error covariance (P) sebelumnya

dibagi dengan penjumlahan error covariance ditambah kovarian noise pengukuran (R).lalu

dilakukan penentuan nilai estimasi (X), yaitu nilai estimasi sebelumnya ditambah dengan

penguatan kalman gain dikali pengurangan antara nilai masukan kalman filter (z) dan estimasi

sebelumnya.lalu dilakukan perhitungan error covariance dengan 1 dikurangi gain, lalu dikali

dengan gaindan ditambahjan dengan kovarian noises process.

, maka dapat dibuat diagram alir untuk proses filter Kalman:

Gambar 1Sumber: (

.8 Diagram a(Wahyudi, 20

alir pada kalm009)

man filter

BAB III

BAB 1 METODE PENELITIAN

Penyusunan proposal ini didasarkan dalam masalah yang bersifat aplikatif, yaitu

perencanaan dan perealisasian alat agar dapat bekerja sesuai dengan yang direncanakan dengan

mengacu pada rumusan masalah. Langkah-langkah yang perlu dilakukan untuk merealisasikan

alat yang dirancang adalah penentuan spesifikasi alat, perancangan dan pembuatan alat,

pengujian alat, dan pengambilan kesimpulan.

1.1 Spesifikasi Alat

Rancang bangun gerak levitasi pada kereta maglev ini memiliki spesifikasi sebagai berikut:

• Mampu mensimulasikan gerak levitasi pada kereta maglev pada umumnya.

• Mampu menjaga jarak antara gerbong dan jalur sekitar 10mm.

• Dapat beradaptasi dengan gangguan yang diberikan.

• Dapat mengambil data hasil yang dihasilkan.

Dan memiliki spesifikasi kontrol sebagai berikut:

• Respon transient pada prototipe ini adalah Underdamped Response karena memiliki

overshoot, dan memiliki efek osilasi.

• Memiliki respon cepat, sistem ini memiliki rise time rata - rata < 3 detik, dan

settling time rata – rata < 5 detik.

• Sistem ini memiliki error steady state sebesar < 5 %.

1.2 Perancangan dan Pembuatan Alat

1. Perancangan dan pembuatan alat terbagi atas perangkat keras (hardware) dan perangkat

lunak. (software). Dalam perancangan ini akan digunakan 3 komponen utama yaitu:

Sensor, Mikrokontroler dan Plant Kereta.

2. Sensor: Digunakan untuk mendapatkan nilai posisi ketinggian levitasi yang di atur

sedemikian rupa, bagian ini sebagai masukan system.

3. Mikrokontroler: Sebagai pusat pemrosesan data, proses yang akan dikerjakan pada

bagian ini adalah sebagai berikut:

• Melakukan kontrol PID pada arus agar jarak antara guideway dan gerbong kereta

tetap stabil.

13

• Mengatur nilai keluaran arus agar jarak antara guideway dan gerbong kereta

sesuai dengan nilai keluaran yang diinginkan.

• Membaca nilai sensor sebagai referensi nilai ketinggian gerbong.

4. Plant Kereta : sebagai objek yang terkontrol.

• Pembacaan posisi

Ketika badan kereta mendekati sensor maka sensor secara otomatis akan menangkap jarak

yang dihitung oleh sensor sebesar waktu pantulan gelombang yang di hasilkan antara gelombang

yang dikeluarkan oleh sensor dan gelombang pantulan yang ditangkap oleh sensor lagi, ketika

sensor mulai menjauh maka magnet akan diperbesar dengan menginput nilai digital sesuai

dengan keadaan. Ketika magnet terlalu dekat maka akan ada sensor tambahan sebagai pembatas

posisi kereta agar tidak terjadi overlap dan mencegah terjadinya kereta terlalu dekat dan terlalu

jauh dari jarak guideway. Pada gambar 3.1 dapat di perhatikan konsep dari pembancaan posisi

badan kereta.

Gambar 3.1 Konsep pembacaan posisi Sumber: Perancangan

• Skema Pengontrolan Alat

Konsep pengontrolan alat ini berdasarkan jarak guideway dengan kereta yang diinginkan,

dengan nilai yang sudah ditentukan, konsep skema kontrol ini berfungsi untuk menpatkan hasil

keluaran yang diinginkan yaitu proses simulasi gerak levitasi kereta maglev. Dapat di perhatikan

pada gambar 3.2 sebuah blok diagram dari sestem kereta maglev yang dirancang pada prototipe

ini.

Gambar 3.2 Diagram blok sistem Sumber: Perancangan

• Konsep Rancang Bangun

Pada rancang bangun ini penggunaan prinsipnya yaitu secara EMS (Electromagnetic

Suspension) yang bekerja seperti bantalan magnet. Prinsip ini juga bisa disebut dengan servo-

stabilization. dimana sensor bekerja untuk mengukur jarak antara elektromagnetik dengan jalur

kereta,dan penggunaan sensor sebagai pengukur jarak kereta dengan guideway

• Diagram alir sistem

Diagram alir sistem digunakan sebagai acuan pembuatan progam untuk kelajuan pengaturan

kestabilan posisi gerak levitasi pada simulasi kereta maglev. Diagram alir tersebut terdiri atas

proses tuning kontrol, pengecekan arus, antisipasi gangguan, proses gerak levitasi. Dapat di

perhatikan pada Gambar 3.3 diagram alir kerja prototipe.

Gambar 3.3 Diagram alir kerja sistem prototipe Sumber: Perancangan

BAB IV

BAB 1 HASIL DAN PEMBAHASAN

Pembuatan rancang bangun ini akan meliputi beberapa pembahasan dan hasil dari beberapa

pengujian. Pertama, yaitu menghasilkan suatu keluaran berupa penjalasan prinsip kerja

komponen penggerak utama dari fisik rancang bangun kereta. Kedua, yaitu Pengujian Nilai

Tegangan Dan Arus Terhadap Nilai Pulsa yang Diberikan Mikrokontroller. Ketiga, adalah

Pengujian Nilai Jarak Ketinggian Terhadap Nilai PWM. Keempat adalah Penentuan Nilai PID

untuk Proses Pengendalian Pada Kereta Maglev. Terakhir adalah Pengujian Respon Sistem Awal

Dengan Setpoint Berbeda.

1.1 Prinsip Kerja Penggerak Utama Rancang Bangun Kereta

Pada prototype ini menggunakan kumparan magnet sebagai penggerak utama untuk gerak

melakukan levitasi. Dapat di perhatikan pada gambar 4.1 dua penggerak utama dari prototipe.

Gambar 4.1 Penggerak (a) pasif kereta dan (b) badan kereta Sumber: Perancangan

Pada dasar guideway diberi magnet sebagai magnet permanen yang berfungsi sebagai

penggerak pasif. Dapat di perhatikan pada gambar 4.2 yaitu beberapa komponen pada penggerak

aktif prototipe.

A B

17

Gambar 4.2 Penggerak aktif kereta Sumber: Perancangan

Kumparan terpasang pada bawah kereta sebagai penggerak aktif dan ditambahkan magnet

permanen sebgai pemberi gaya tolak awal dari kereta yang terhubung dengan driver pengendali

arus.

Pada hasil ini didapatkan sebuah prinsip kerja gaya tolak antara penggerak aktif dan

penggerak pasif.

1.2 Pengujian Nilai Tegangan Dan Arus Terhadap Nilai Pulsa yang Diberikan

Mikrokontroller

Pengujian ini bertujuan mengetahui output tegangan yang dihasilkan oleh sumber melalui

rangkaian driver terhadap perubahan PWM dari mikrokontroller. Dari tabel 1 dapat di perhatikan

hasil pengukuran.

Tabel 1 Hasil Pengukuran Tegangan Keluaran dengan pengaruh terhadap sinyal PWM yang diberikan. No PWM

(%)

Tegangan Rata –

Rata (V)

1 10 25,3

2 20 16.6

3 30 13,2

4 40 11,1

5 50 09,7

6 60 08,8

7 70 08,1

8 80 07,5

9 90 07,1

10 100 06,6

Maka didapatkan grafik hubungan antara tegangan dengan sinyal PWM. Dapat diperhatikan

pada gambar 4.3 grafik hasil pengukuran.

Gambar 4.3 Grafik hasil pengukuran keluaran tegangan dengan pengaruh sinyal PWM Sumber: Perancangan

Sedangkan berikut adalah Arus yang dihasilkan sumber melalui rangkaian driver terhadap

perubahan PWM dari mikrokontroller. Dapat di perhatikan pada Tabel 2 hasil pengukuran arus

dengan pengaruh terhadap sinyal PWM yang diberikan.

Tabel 2 Hasil Pengukuran Arus dengan Pengaruh Terhadap Sinyal PWM yang Diberikan No PWM Arus Rata – Rata

(I)

1 10 0,85

2 20 1,41

3 30 1,76

4 40 2,18

5 50 2,62

6 60 3,11

7 70 3,61

8 80 4,14

9 90 4,68

10 100 5,16

25.3

16.613.211.1 9.7 8.8 8.1 7.5 7.1 6.6

0

10

20

30

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tegangan

(V)

Sinyal PWM (%)

Nilai Tegangan

Maka didapatkan grafik hubungan antara arus dengan sinyal PWM. Dapat diperhatikan pada

gambar 4.4 hasil pengukuran tersebut.

Gambar 4.4 Grafik hasil pengukuran arus dengan pengaruh sinyal PWM Sumber: Perancangan

Hasil Pengujian menunjukkan bahwa keluaran tegangan dan arus berbanding terbalik karena

nilai hambatan dari kumparan yang dikendalikan oleh driver bernilai sangat kecil hampir

mendekati 0 ,maka terjadi drop voltage.

1.3 Pengujian Nilai Jarak Ketinggian Terhadap Nilai PWM.

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui nilai jarak kereta dengan landasan yang

dipengaruhi oleh tegangan dan arus. Dapat di perhatikan pada Tabel 3 hasil pengukuran tersebut.

Tabel 3 Hasil Pengukuran jarak terhadap arus yang diberikan. No Jarak Rata - Rata

(cm)

PWM

1 7.44 10

2 7.56 20

3 7.77 30

4 7.89 40

5 7.98 50

6 8.06 60

7 8.06 70

8 8.06 80

0.851.41 1.76 2.18 2.62

3.113.61

4.144.68

5.16

0

2

4

6

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Arus (i)

Sinyal PWM (%)

Nilai Arus

9 8.10 90

10 8.21 100

Maka didapatkan grafik hubungan jarak antara PWM. Dapat diperhatikan pada gambar 4.5

hasil pengukuran tersebut.

Gambar 4.5 Grafik Hasil pengukuran jarak terhadap sinyal PWM Sumber : Perancangan

Dari data pada grafik dapat dilihat bahwa nilai ketinggian pada rentang sinyal 60 -80 %

tidak mengalami perubahan yang signifikan. Kereta akan berada di posisi tertinggi yaitu 8.21 cm

pada saat sinyal PWM sebesar 100%. Dan posisi terendah kereta yaitu 7.44 cm pada saat sinyal

PWM sebesar 10%.

1.4 Penentuan Nilai PID untuk Proses Pengendalian Pada Kereta Maglev

Pada Percobaan ini dilakukan penentuan nilai fungsi alih dengan menggunakan parameter

input dan output. Setelah itu memasukkan ke fungsi indent dan masukkan variabel pada transfer

function dan masukan pole = 2, zero = 0, lalu di estimate dan menghasilkan keluaran transfer

function. Metode inialisasi yang digunakan untuk menemukan transfer function pada plant kereta

adalah metode IV (Instrument Variable Approach).

(.

(4 – 1)

Pada pengujian PID didapatkan respon sistem. Dapat di perhatikan gambar 4.6 berikut

adalah gambar grafik yang ditampilkan dari aplikasi.

7.447.567.777.89

7.988.068.068.06 8.1 8.21

7

7.5

8

8.5

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Jarak (cm)

Sinyal PWM (%)

Uji Ketinggian

Gambar 4.6 Grafik respon alat dengan PID tuning Sumber : Pengukuran

Hasil dari tuning PID tersebut didapatkan dengan memasukkan nilai output dan input

dengan interval time = 0,05 lalu didapatkan parameter Kp = 1,9358, Ki = 1,8023, Kd = -0,17854

untuk mendapatkan respon seperti pada grafik 4.6. Hasil tersebut menggunakan metode Real

Time Autotuning pada matlab.

1.5 Pengujian Respon Sistem Awal Dengan Setpoint Berbeda

Pada Percobaan ini akan dilakukan beberapa kondisi setpoint yang berbeda.

Pertama, berikut adalah hasil keluaran dari proses pengendalian arus dan tegangan pada

setpoint yang berbeda dengan kereta dengan tanpa beban. Pengujian ini dilakukan hingga kereta

mencapai setpoint yang diminta.

Berikut grafik proses kontrol dengan setpoint 7,1 cm maka didapatkan grafik. Dapat di

perhatikan pada gambar 4.7 hasil grafik yang dihasilkan.

Gambar 4.7. Grafik Hasil Respon Sistem Awal Dengan Setpoint 7,1 cm Sumber : Perancangan







Pada Pengujian ini dilakukan dengan nilai parameter PID Kp = 1,9358, Ki = 1,8023, Kd = -

0,17854 , dan diketahui sistem dapat menuju setpoint dengan ber osilasi, dan pada pengujian ini

didapatkan data terbaik saat setpoint 7,2 cm.

1.6 Evaluasi Pengujian Sistem

Pada beberapa pengujian sistem terapat beberapa permasalahan yang perlu ditijau ulang :

• Munculnya Panas Pada Aktuator Dan Penyebabnya

Pada percobaan proses kontrol levitasi pada miniatur terdapat kendala panas yang sangat

mempengaruhi kekuatan magnetisasi dan pada akhirnya. Dapat di perhatikan pada gambar 4.10

yaitu sebuah relasi parameter prototipe.

Gambar 4.10. Grafik Relasi Parameter Yang mempengaruhi Sumber : Prancangan

Di grafik dijelaskan bahwa ketika suhu (T) pada aktuator meningkat maka gaya

elektromagnetik (F), arus listrik (I) dan daya (P) akan meurun sesuai dengan meningkatnya suhu.

Jadi dapat disimpulkan aktuator solenoida masih belum bisa bekerja secara efisien karena

dipengaruhi oleh kenaikan suhu.

• Kecocokan Sensor Dengan Sistem

Pada percobaan ini diperlukan presisi dan akurasi yang tinggi agar menghasilkan nilai yang

tepat sebagai pembanding sistem. Dan memerlukan sensor yang tepat untuk penghitung error.

Karena pada sensor yng digunakan pada saat ini hanya memilliki ketelitian diantara jarak 2cm –

400cm, sedangkan ketika kereta dibawah 2cm ,maka akan mengalami kesalahan pembacaan.

• Analisa rugi rugi daya pada aktuator

Pada aktuator memiliki rugi - rugi daya jika dirumuskan adalah :

(4 – 2)

I = adalah arus yang dialirkan pada aktuator dan R adalah resistansi solenoida,jadi ketika

resistansi solenoida semakin besar maka semakin besar juga rugi – rugi daya yang dihasilkan

pada aktuator. Pada percobaan ini memiliki resistansi solenoida relatif tinggi, karena memiliki

jumlah lilitan yang banyak.

BAB V

BAB 1 KESIMPULAN DAN SARAN

1.1 Kesimpulan

Setelah dilakukan penelitian dengan pengambilan data dan perhitungan parameter serta

analisis, maka dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Nilai Tegangan dan Arus pada saat Sinyal PWM maksimal adalah 06,6 V dan 5.16 A. Pada

saat Sinyal PWM Minimim adalah 25.3 V dan 0.85 A.

2. Jarak tertinggi yang dapat di capai oleh kereta adalah 8.21 cm diatas lintasan dengan

parameter PID kontrol yang didapatkan Kp = 1.9358, Ki = 1.8023, Kd = -0.17854

3. Sistem miniatur ini dapat bekerja dengan setpoint tertentu yaitu dengan batas dan jarak

tertentu

4. Sistem pada miniatur kereta ini memiliki respon yang relatif cepat dan memiliki overshoot.

1.2 Saran

Berdasarkan kesimpulan yang telah diperoleh, terdapat beberapa aspek yang masih dapat

diteliti dan dilakukan analisis lebih mndalam, penulis menyarankan untuk :

1. Menggunakan Sumber Tegangan dan Arus lebih besar sehingga dapat menghasilkan

perubahan yang lebih signifikan.

2. Mendesain badan kereta dengan bahan yang lebih ringan agar mengurangi beban yang dapat

menambah efisiensi kontrol dari kereta.

3. Menggunakan kontroler lebih baik agar mengurai error yang didaptkan pada proses

pengendalian.

DAFTAR PUSTAKA

Arasada, B. (2017). APLIKASI SENSOR ULTRASONIK UNTUK DETEKSI POSISI JARAK

PADA RUANG MENGGUNAKAN ARDUINO UNO. Fakultas Teknik, Universitas Negeri

Surabaya

Čermák, R., Bartoň, L., Spal, P., Barták, J., & Vavřík, J. (2008). OVEVIEW OF MAGNETIC

LEVITATION PRINCIPLES AND THEIR APPLICATION IN MAGLEV TRAINS.

ADVANCED ENGINEERING 2(2008)1,ISSN 1846-5900, 22.

Hasan (2018). PEMBACA KELAJUAN KENDARAAN MENGGUNAKAN

IMU (Inertial Measuring Unit). Brawijaya University Department Of Engineering.

Laksono, D. (2014). SISTEM KENDALI. GRAHA ILMU, 57 – 99.

Lee, Y., & Lee, S. (2006). Review Of Maglev Train Technologies. IEEE, 1 - 9.

Miyamoto, S., (2004).The Status of the Running Tests of the JR MagLev. MagLev 2004

Proceedings, 60.

Nise, N. (2011). CONTROL SYSTEM ENGINEERING SIXTH EDITION. John Wiley & Sons,

Inc (2011). ISBN 13 978-0470-54756-4, 168 - 172

Rose, C.,Peterson, D.,Leung, M. (2014). Implementation Of Cargo Maglev in The United States.

Maglev 2008: 20th International Conference on Maglev Systems and Drivers, 2-8.

Viridi, S. (2010). FISIKA DASAR UNTUK UNIVESITAS. Fakultas Teknologi Industri Institut

Teknologi Bandung,79-80.

Wahl, G. (2004). The MagLev System Transrapid – a Future-oriented technology for Track-

bound Transport Systems. MagLev 2004 Proceedings, 32.

Wahyudi, A. S. (2009). Simulasi Kalman Filter untuk Estimasi Posisi dengan menggunakan

Sensor Accelerometer. Jurnal Techno Science, 350-359.

SKRIPSI - repository.ub.ac.idrepository.ub.ac.id/12662/1/Reza Kemal Firdaus.pdf2.1 Gaya Magnetik dan Gaya Lorentz ..... Error! Bookmark not defined. 2.2 ...

Documents