-
iKATA PENGANTAR
Dengan mengucapkan puji syukur kehadirat Tuhan yangMaha Esa,
yang telah memberikan berkat, rahmat, serta karunia-Nya,
sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan project UAS Ball
andBeam Control System.
Adapun maksud dan tujuan dari penyusunan LaporanProject ini
adalah untuk Laporan Project Ujian Akhir Semester darimata 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
jauhdari taraf kesempurnaan. Oleh karena itu, dengan rendah hati
kamimenanti 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
-
ii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Blok Diagram PID Controller
Gambar 2.2 Blok Diagram Kp
Gambar 2.3 Nilai Kp kecil
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Integral
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Derivative
Gambar 2.5 Respon Sistem
Gambar 2.6 Prinsip kerja Sensor UltrasonikGambar 2.7 Bentuk
fisik SRF04
Gambar 2.8 PIN Sensor SRF04
Gambar 2.9 Kerja Sensor SRF04Gambar 2.10 Diagram Kerja Sensor
SRF04Gambar 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 3.2 Alat Peraga Ball and Beam
Gambar 3.3 User Interface
Gambar 3.4 Pengaturan PID
Gambar 3.5 Servo dan Sensor
-
iii
Daftar Tabel
Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp, Ki dan Kd
Table 2.2 Konfigurasi PIN LCD 16x2
-
iv
Daftar Isi
KATA
PENGANTAR................................................................
i
DAFTAR ISI
..............................................................................
ii
DAFTAR
GAMBAR..................................................................
iii
DAFTAR TABEL
......................................................................
iv
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Tujuan11.2 Latar Belakang..2
BAB II. DASAR TEORI
2.1 PID..32.2 Sensor SRF-0492.3 Servo 142.4 LCD 16x2.16
BAB III. PERANCANGAN ALAT
3.1 Gambaran Alat..18
3.2 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras.. ..18
3.2.1 Perangkat Keras Modul Mekanik. 18
3.2.2 Perangkat Keras Modul Elektronik ...20
BAB IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS 24
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN. .30
DAFTAR PUSTAKA.. 31
LAMPIRAN. 32
-
v
-
1BAB 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
dapatseimbang 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
yangtersusun 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
bolaagar sesuai dengan titik referensi dan meminimalisir gangguan
seperti
saat bola disentuh oleh jari. Sinyal kontrol dapat diperoleh
denganmemberikan umpan balik informasi posisi bola.Sinyal kontrol
tegangan
menuju ke motor DC melalu amplifier, sehinga torsi yang
dihasilkandari motor akan mengerakkan balok sesuai sudut yang
diinginkan.
Dengan demikian bola dapat berada di posisi yang diinginkan.
-
21.2. Rumusan Masalaha. Apakah yang dimaksud dengan Ball and
Beam Control System
?
b. Bagaimana memodelkan simulasi Ball and Beam ControlSytem
?
c. Bagaimana kontroler PID yang diterapkan pada system ?
1.3. Tujuana. 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.
-
3BAB 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 PIDPID (ProportionalIntegralDerivative 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
duniaindustri. 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
-
4Adapun persamaan Pengontrol PID adalah :
Keterangan :mv(t) = output dari pengontrol PID atau Manipulated
VariableKp = konstanta ProporsionalTi = konstanta IntegralTd =
konstanta Detivatife(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
komponenproportional, integratif, dan derivatif.
-
52.1.1 Kontrol ProportionalKontroller merupakan sebuah penguat
input sehingga hasil pada
output tidak semakin menjadi kecil pada sebuah sistem.
Outputproportional adalah hasil pekalian antara konstata
proposional dengannilai error nya. Perubahan yang terjadi pada
sinyal input akanmenyebabkan sistem secara langsung mengubah output
sebesar konstata
pengalinya.
Jika nilai Kp kecil, controller proporsional hanya mampu
melakukan
koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan
respon
sistem yang lambat.
Jika nilai Kp besar, respon sistem menunjukan semakin
cepatmencapai keadaan yang stabil, tetapi juga memungkinkan
motorberputar diatas set point.
Gambar 2.2 Blok Diagram Kp
Gambar 2.3 Nilai Kp kecil
-
62.1.2 Kontrol Integratif
Kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin output
darisistem akan menuju ke keadaan yang diinginkan kalau sebuah
planttidak memiliki unsur integrator. Pada controller integral,
respon kepadasistem 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
antaranilai error dengan output. Kontorller integral membantu
menaikanrespon sehingga menghasilkan output yang diinginkan.
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
menggambarkanhubungan antara sinyal error dengan keluaran
pengontrol.
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Integral
-
7Karakteristik 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
perubahansinyal kesalahan.(powel, 1994, 184).
3. Pengontrol derivative mempunyai suatu karakter untuk
mendahului,sehingga pengontrol ini dapat menghasilkan koreksi yang
signifikansebelumpembangkit kesalahan menjadi sangat besar. Jadi
pengontrolderivative dapat mengantisipasi pembangkit kesalahan,
memberikanaksi 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 timeadalah 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 steadystate, untuk membuat normal lagi steady state. Settling
time adalahwaktu yang dibutuhkan sistem untuk meng-konvergenkan
steady state.Steady state error adalah perbedaan antara steady
state ouput denganoutput yang diinginkan.
Gambar 2.4 Blok Diagram Kontrol Derivative
-
8Response CloseLoop
RiseTime Overshoot
SettlingTime
Steady-StateError
Proporsional Decrease Increase Smallchanges Decrease
Integral Decrease Increase Increase Eliminate
Derivatif Smallchanges Decrease Decrease
Nochanges
Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp, Ki dan Kd
Gambar 2.5 Respon Sistem
-
92.2 SensorSensor adalah alat untuk mendeteksi / mengukur
sesuatu yang
digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar
dan
kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam lingkungan
sistempengendali 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 listrikyang proposional). Salah satu sensor yang digunakan
dalam pembuatantugas 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
ultrasonicdibangkitkan melalui sebuah benda yang disebut
piezoelektrik.Piezoelektrik ini akan menghasilkan gelombang
ultrasonik denganfrekuensi 40 kHz ketika sebuah osilator diterapkan
pada benda tersebut.
Gambar 2.6 Prinsip kerja Sensor Ultrasonik
-
10
Sensor ultrasonik secara umum digunakan untuk suatu
pengungkapan tak sentuh yang beragam seperti aplikasi
pengukuranjarak. Alat ini secara umum memancarakan gelombang suara
ultrasonikmenuju suatu target yang memantulkan balik gelombang
kearah sensor.Kemudian sistem mengukur waktu yang diperlukan untuk
pemancaran
gelombang sampai kembali ke sensor dan menghitung jarak
targetdengan 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.
Bagian-bagian dari sensor ultrasonic adalah sebagai berikut :
1. PiezoelektrikPeralatan piezoelektrik secara langsung mengubah
energi listrik
menjad ienergi mekanik. Tegangan input yang digunakan
menyebabkanbagian keramik meregang dan memancarkan gelombang
ultrasonik.
Tipe operasi transmisi elemen piezoelektrik sekitar frekuensi 32
kHz.Efisiensi lebih baik, jika frekuensi osilator diatur pada
frekuensiresonansi piezoelektrik dengan sensitifitas dan efisiensi
paling baik. Jikarangkaian 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
osilatordilanjutkan menuju penguat sinyal. Besarnya frekuensi
ditentukan oleh
-
11
komponen kalang RLC / kristal tergantung dari desain osilator
yang
digunakan. Penguat sinyal akan memberikan sebuah sinyal listrik
yangdiumpankan ke piezoelektrik dan terjadi reaksi mekanik
sehinggabergetar dan memancarkan gelombang yang sesuai dengan
besar
frekuensi pada osilator.
3. ReceiverReceiver terdiri dari transduser ultrasonik
menggunakan bahan
piezoelektrik, yang berfungsi sebagai penerima gelombang
pantulanyang 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
receiverultrasonic dalam 1 package buatan Devantech yang dapat
membaca
jarak dengan prinsip sonar.
Gambar 2.7 Bentuk fisik SRF04
-
12
Spesifikasi SRF04:
Tegangan keja : 5V DCKonsumsi arus : 30mA (max 50mA)Frekuensi
kerja : 40KHzJangkauan : 3cm - 300cm
Input trigger : 10us, level pulsa TTLDimensi : PxLxT (24 x 20 x
17) mm
SRF04 mempunyai 4 pin yaitu VCC, Trigger, Output dan Gnd.
Modul sensor ultrasonic SRF04 ini dapat mengukur jarak antara
3cm 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
Gambar 2.8 PIN Sensor SRF04
-
13
suara ultrasonic sementara microphone ultrasonic berfungsi
untuk
mendeteksi pantulan dari suara ultrasonic tersebut.
Prinsip kerja SRF04 adalah transmitter memancarkan
seberkassinyal ultrasonic (40KHz) yang bebentuk pulsatic, kemudian
jika didepan SRF04 ada objek padat maka receiver akan menerima
pantulansinyal ultrasonic tersebut. Receiver akan membaca lebar
pulsa (dalambentuk PWM) yang dipantulkan objek dan selisih waktu
pemancaran.Dengan pengukuran tersebut, jarak objek di depan sensor
dapatdiketahui. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar di bawah
ini :
Gambar 2.9 Kerja Sensor SRF04
Gambar 2.10 Diagram Kerja Sensor SRF04
-
14
Dari diagram diatas bisa dibaca seperti berikut ini :
1. Untuk memulai proses pengiriman data pertamatama pin
triggerharus diberikan input high selama minimal 10
microsecond,
kemudian setelah itu diberikan input low lagi.
2. Dari proses diatas sensor ultrasonic akan mengirimkan 8
Cyclesonic burst yang mana lebar pulsanya tergantung pada jarak
antarasensor dan penghalang.
3. Setelah proses 2 selesai dikerjakan modul SRF04 akan
mengolahdata dan dikirimkan ke microcontroller melalui pin echo
denganrentang 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 ServoMotor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan
balik
tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali
kerangkaian 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
sampaipada posisi yang diperintahkan maka rangkaian kendali akan
terus
-
15
mengoreksi posisi hingga mencapai posisi yang diperintahkan.
Motor
servo banyak digunakan pada peranti R/C (remote control)
sepertimobil, pesawat, helikopter, dan kapal, serta sebagai
aktuator robot
maupun penggerak pada kamera. Gambar 10.1 merupakan motor
servo
standar.
2.3.1 Prinsip Kerja Motor ServoMotor servo dikendalikan dengan
memberikan sinyal modulasi lebar
pulsa (Pulse Wide Modulation / PWM) melalui kabel kontrol.
Lebarpulsa sinyal kontrol yang diberikan akan menentukan posisi
sudutputaran dari poros motor servo. Sebagai contoh, lebar pulsa
dengan
waktu 1,5 ms (mili detik) akan memutar poros motor servo ke
posisisudut 90. Bila pulsa lebih pendek dari 1,5 ms maka akan
berputar kearah posisi 0 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 atau ke kanan
(searahjarum jam).
Gambar 2.11 Motor Servo standar Hitec HS-311
-
16
Ketika lebar pulsa kendali telah diberikan, maka poros
motorservo 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
menahanatau melawan dengan besarnya kekuatan torsi yang dimilikinya
(ratingtorsi servo). Namun motor servo tidak akan mempertahankan
posisinyauntuk selamanya, sinyal lebar pulsa kendali harus diulang
setiap 20 ms(mili detik) untuk menginstruksikan agar posisi poros
motor servo tetapbertahan pada posisinya.
2.4 LCD 16x2LCD (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
Gambar 2.12 Diagram pulsa Motor Servo
-
17
memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah
perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian
belakangsusunan kristal cair tadi.
Titik cahaya yang jumlahnya puluhan ribu bahkan jutaan inilah
yangmembentuk tampilan citra. Kutub kristal cair yang dilewati arus
listrik
akan berubah karena pengaruh polarisasi medan magnetik yang
timbuldan oleh karenanya akan hanya membiarkan beberapa warna
diteruskan
sedangkan warna lainnya tersaring.
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.
Gambar 2.13 LCD 16x2
Table 2.2 Konfigurasi PIN LCD 16x2
-
18
BAB IIIPERANCANGAN 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
alatperaga yang disebut Ball and Beam yang terdiri dari sebuah bola
(ball)yang terletak pada sebuah batang (beam) yang mempunyai poros
pada salahsatu ujung sisinya dan dapat diatur sudutnya untuk
mengendalikan letak /posisi dari bola. Dalam melakukan pengendalian
dari posisi bola tersebutdigunakan 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
hinggaperealisasian perangkat keras. Perancangan perangkat keras
yang akan
dijelaskan meliputi modul mekanik dan modul elektronik yang
meliputimodul elektronik pada mekanik dan controller.
3.2.1 Perangkat Keras Modul Mekanik
Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perancangan
perangkatkeras dan mekanik dari alat peraga Ball and Beam beserta
bagian-
-
19
bagiannya juga. Gambar dibawah ini menunjukkan rancangan
desaindari mekanik alat peraga Ball and Beam.
Mekanik yang dirancang mempunyai dimensi total panjang 80
cm,lebar 20 cm, dan tinggi 30 cm. Sedangkan base yang digunakan
sebagaialas tempat holder, servo adapter, serta box controller
mempunyai
ukuran panjang 80 cm dan lebar 20 cm.Ball (bola) adalah obyek
yangakan dikendalikan letak / posisinya. Bola akan digunakan adalah
bola
pimpong yang mempunyai diameter 4 cm dengan berat sekitar 0.1
gramBeam (batang) adalah bagian mekanik dimana bola diletakkan.
Bagian ini terbuat dari 2 akrilik dengan masing-masing panjang
65 cmdan lebar 3 cm yang dihubungkan dengan baut dan juga mur
padamasing-masing ujung dari beamnya. Pada sisi ujung dari beam
terdapatsensor ultrasonic yang digunakan untuk mendeteksi jarak
bola dari titikseimbang. Lever arm yang digunakan mempunyai panjang
25 cm.Dimana lever arm ini berfungsi sebagai penggerak batang
(beam) keatasdan atau kebawah sesuai pergerakan servo.
Gambar 3.1 Rancangan Ball and Beam
-
20
3.2.2 Perangkat Keras Modul Elektronik
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan
perangkatkeras 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, melakukanproses
kalkulasi PID, dan memberi pulsa motor servo. Bagian ini
dirancang berbasis mikrokontoller sebagai pusat pengolahan data
dan
sebagai pengontrol bagian-bagian lainnya, microcontroller
yang
Gambar 3.2 Alat Peraga Ball and Beam
-
21
termasuk dalam keluarga AVR yaitu ATmega16 buatan
AtmelCorporation. Atmega16 dipilih karena fasilitas-fasilitas
pendukungmikrokonroller 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
iniadalah transmitter mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik,
laludiukur waktu yang dibutuhkan hingga datangnya pantulan dari
obyek.
Lamanya waktu ini sebanding dengan dua kali jarak sensor
denganobyek, sehingga jarak sensor dengan obyek. SRF04 dapat
mengukurjarak dalam rentang antara 3cm 6m dengan output panjang
pulsa yangsebanding dengan jarak obyek. Sensor ini memerlukan 4 pin
I/O untukberkomunikasi dengan mikrokontroller, yaitu VCC, TRIG,
ECHO dan
GND.
3.2.2.2 Aktuator
Aktuator yang digunakan pada mekanik Ball and Beam adalahsebuah
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.
-
22
3.2.2.3 DebuggerBagian 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
penampilinformasi yang ada pada system. LCD akan menampilkan
informasi
tentang status koneksi serial dengan program user interface dan
jugapenampil status beam. Pada perancangan pin LCD dihubungkan
dengan
PORT C pada mikrokontoller.Kemudian pada LCD ini terdapat
sebuahmenu untuk melakukan setting pada Ball and Beam. Saat
mengaturnya
digunakan push button dan switch.
Gambar dibawah ini adalah pengaturan nilai dari Kp, Kd, Ki
dan
juga set point. Set point adalah titik yang ditentukan agar bola
dapatberhenti tepat pada titik tersebut.
Gambar 3.3 User Interface
Gambar 3.4 Pengaturan PID
-
23
Untuk selanjutnya adalah gambar yang menjunkkan pengaturan
darinilai ocr untuk menentukan sudut atau posisi awal dari Alat
peraga Balland Beam. Dan pada pengaturan ini sebenarnya yang di
atur adalah
posisi sudut dari motor servo.
Gambar 3.5 Servo dan Sensor
-
24
BAB IVPENGUJIAN DAN ANALISIS
Pada project kali ini adalah penerapan teori system ball and
beamdengan menggunakan control PID. Cara kerja dari system ini
adalahbergerak 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
titikdengan bola. Sehingga data dari sensor ini akan dijadikan
referensiuntuk menggerakkan motor servo. Secara umum prinsip kerja
darisystem ini adalah sensor ultrasonic membaca jarak bola. Data
yandibaca 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
dikurangkandengan 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.
-
25
- Deklarasi header, define, dan global variabel
Pada gambar diatas ditunjukkan deklarasi pada awal program,
dimanaterdapat deklarasi variable serta konstanta. Digunakan
library delay.h
untuk konfigurasi delay, lalu alcd digunakan untuk konfigurasi
LCD.
Untuk conter digunakan untuk pembacaan sensor, sedangkan
setPointadalah 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
variablebuffer 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,
-
26
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
projectkali ini diunakan Mode Phase Correct. Dengan nilai TOP
berdasatkan
nilai pada ICR. Nilai ICR diset dengan nilai 752F nilai ini
didapatkanberdasarkan.
Nilai 50 Hz merupakan nilai frekwensi PWM. Nilai TOP
digunakanuntuk melakukan settingan pada ICR.
-
27
- Kontrol PID
Selanjutnya adalah program PID. Dimana pada fungsi ini
dilakiukaninisilaisasi nilai LastError yang digunakan untuk
mengetahui nilai error
sebelumnya, dan Integral, Rate yang digunakan untuk
controlProporsional 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
controlmotor servo. Sedangkan untuk PID dipengaruhi oleh data
hasil
pembacaan sensor.
-
28
- Main Program
-
29
Pada fungsi main diisi dengan program untuk inisialisasi data
dan jugauntuk melakukan control pada ATmega 16. Diantaranya
untukmelakukan demo dan juga untuk melakukan control pada konstanta
PIDdan juga kalibrasi nilai servo. Selain itu digunakan untuk
pembacaandata.
-
30
BAB V
KESIMPULAN
Pada bab ini akan dipaparkan kesimpulan yang telah
didapatkanselama perancangan, pembuatan dan pengujian alat. Pada
bab ini jugaakan dipaparkan beberapa saran yang dapat
dipertimbangkan untuk
kedepannya.
2.5 KesimpulanBerdasarkan perancangan, perealisasian dan
pengujian dapat ditarikkesimpulan bahwa:
1. Sistem ini dapat digunakan untuk menunjukkan efek
kesimbanganbenda.
2. Dalam merealisasikan system dibutuhkan suatu control
yangdigunakan untuk mengatur kestabilan bola, dalam hal ini
menggunakan control PID.
2.6 SaranBeberapa saran yang dapat diberikan penulis untuk
penegmbangan
system ball and beam adalah sebagai berikut :
1. Menggunakan sensor jarak yang mempunyai respon lebih cepat
agarrespon system lebih cepat.
2. Melakukan pemodelan system yang lebih mendetail agar
hasil
pemodelan yang didapatkan lebih baik lagi.
-
31
-
32
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 DasarDasar
(Feedback
Control System 3e), Diterjemahkan oleh Prof. R. J. Widodo,
Prentice Hall(Asia), 1998.
Wellstead, Peter, Ball And Beam System, Makalah Internet.
-
33
LAMPIRAN
Bagian Mekanik Ball And Beam
Gambar 6.1. Beam
Gambar 6.2. Level Arm
Gambar 6.3. Tempat Servo
-
34
Gambar 6.4. Penumpu Dari Ball dan Beam
Gambar 6.4. Sensor Ultrasonik SRF04
Gambar 6.5 Hardware Minimum Atmega 16
-
35
Gambar 6.6 Skematik
-
36
DAFTAR GAMBAR(1).pdfLaporan Ball and Beam.pdf