i
SISTEM KENDALI PID PADA TOWERCOPTER MENGGUNAKAN PENGATURAN SECARA MANUAL DENGAN LABVIEW SEBAGAI MEDIA PEMBELAJARAAN PID CONTROL SYSTEM IN TOWERCOPTER USING MANUAL
TUNING WITH LABVIEW AS LEARNING MEDIA SKRIPSI
Disusun oleh :
AGUNG WIBISONO 181042018
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND
YOGYAKARTA
2020
ii
SISTEM KENDALI PID PADA TOWERCOPTER MENGGUNAKAN PENGATURAN SECARA MANUAL DENGAN LABVIEW SEBAGAI MEDIA PEMBELAJARAAN PID CONTROL SYSTEM IN TOWERCOPTER USING MANUAL
TUNING WITH LABVIEW AS LEARNING MEDIA SKRIPSI
Disusun oleh :
AGUNG WIBISONO
NIM : 181042018
Program Studi : Teknik Elektro Jenjang Studi : Strata Satu (S-1) Konsentrasi : Elektronika Jurusan : Teknik Elektro Fakultas : Teknologi Industri
INSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRIND YOGYAKARTA
2020
iii
iv
v
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan barokah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “ SISTEM KENDALI PID PADA TOWERCOPTER MENGGUNAKAN PENGATURAN
SECARA MANUAL DENGAN LABVIEW SEBAGAI MEDIA
PEMBELAJARAAN ”.
Laporan skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T.) pada Program Studi S1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta.
Dalam melakukan penelitian dan penyusunan laporan skripsi ini penulis telah mendapatkan banyak dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada:
1. Rektor IST AKPRIND Yogyakarta Dr. Ir. Amir Hamzah, MT.
2. Dekan Fakultas Teknologi Industri Dr. Ir. Toto Rusianto, MT.
3. Bapak Sigit Priyambodo, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro sekaligus selaku Dosen pembimbing 2 yang membimbing penulis dari awal penyususnan penelitian.
4. Bapak Muhammad Andang Novianta, S.T., M.T. selaku Dosen pembimbing 1 yang memberikan bimbingan Skripsi dari awal sampai akhir dan banyak masukan yang membangun kepada penulis.
5. Para Dosen Program Studi S1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis.
6. Para Karyawan/wati Program Studi S1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Industri Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta yang telah membantu penulis dalam proses belajar.
7. Ibu dan Bapak beserta keluarga yang selalu memberi dukungan dan doa.
8. Dewi Wulandari C yang selalu memberikan dukungan dan telah banyak menemani dan membantu dalam berbagai hal kepada penulis.
vii
9. Hendiyansah Dian P dan Eureka Exceldia I, rekan bimbingan yang telah memberikan bantuan, semangat dan motivasi selama mengerjakan Skripsi.
10. Teman-teman IST Akprind, khususnya ekstensi tahun 2018 yang telah memberikan semangay dan motivasi selama menempuh bangku kuliah dan mengerjakan Skripsi.
11. Semua pihak yang telah membantu dalam penulisan laporan Skripsi yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa laporan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, untuk itu semua jenis saran, kritik dan masukan yang bersifat membangun sangat penulis harapkan. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat dan memberikan wawasan tambahan bagi para pembaca dan khususnya bagi penulis sendiri.
Penulis
viii
MOTO
“Jangan pernah puas apa yang kamu dapat sekarang, karena kepuasan hanya akan memperhambat kamu yang akan datang”
(Hendiyansah)
“Apa yang sedang kamu doakan, sedang Tuhan kerjakan. Percayalah semua akan indah menurut rencanya-Nya dan waktu-Nya”
(Merry Riana)
ix
INTISARI
Salah satu mata kuliah di program studi Teknik Elektro adalah sistem kendali. Mata kuliah ini mempelajari tentang perancangan sistem kendali, dalam melakukan perancangan diperlukan perhitungan model matematika yang kompleks untuk mendapatkan gambaran tanggapan sistem terhadap aksi pengendalian yang sempurna. Sistem kendali sendiri di dunia industri sangat dibutuhkan terutama pada bidang otomasi industri dalam menentukan presisi khususnya pada sistem umpan balik. Kendala yang dihadapi mahasiswa dalam mempelajari sistem kendali adalah perancangan sistem kendali yang menggunakan model matematika yang kompleks yang membuat pembelajaran mata kuliah ini terlihat rumit.
Guna mengatasi masalah tersebut dibuatlah modul praktikum sistem kendali ketinggian towercopter. Modul ini menggunakan metode tuning trial and error, metode ini tidak membutuhkan perancangan matematika yang kompleks. Plant yang digunakan adalah towercopter, karena towercopter dapat dilihat perubahan respon terhadap sistem pengendaliannya dengan mudah yang dapat membuat mahasiswa lebih memahami cara kerja dari sistem kendali PID tersebut. Modul ini menggunakan aplikasi Labview untuk HMI yang terdiri dari grafik perubahan sistem, parameter kendali, dan untuk kendali penuh pada modul ini.
Modul praktikum sistem kendali ketinggian towercopter ini bertujuan untuk membantu mahasiswa dalam memahami sistem kendali PID dan karakteristik masing-masing pengendaliannya. Pada penelitian ini didapatkan error pembacaan sensor ultrasonic sebesar 0,09 % terhadap jarak sesungguhnya. Tuning PID yang didapat pada penelitian ini dengan parameter Kp=2, Ki=0.008, dan Kd=5.
Kata kunci: Sistem kendali, PID, Towercopter, Labview
x
ABSTRACT
Control system is one of the courses in the Electrical Engineering study program. This course studies the design of the control system as in designing it requires the calculation of complex mathematical models to get a picture of the system’s response to perfect control actions. Control system in the industrial world is needed in the field of industrial automation in determining precision, especially in the feedback system. The obstacle faced by students in learning control system is the use of complex mathematical models in the design of the control system which make learning this course look complicated.
To overcome these problems, a module for practicing towercopter altitude control was made. This module uses the tuning method of trial and error, this method does not require complex mathematical designs. The plant used is a towercopter since it can be seen changing the response to its control system easily which can make students more understand the working of the PID control system.
This module uses the Labview application for HMI consisting of a system changes graph, control parameters, and full control.
The towercopter altitude control system practice module aims to assist students in understanding the PID control system and the characteristics of each control. In this study, the ultrasonic sensor reading error was 0.09% of the actual distance. The PID tuning obtained in this study with parameters is Kp=2, Ki=0.008, and Kd=5.
Keywords: Control System, PID, Towercopter, Labview
xi
DAFTAR ISI
JUDUL ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN ... v
KATA PENGANTAR ... vi
MOTO ... viii
INTISARI ... ix
ABSTRACT ... x
DAFTAR ISI ... xi
DAFTAR TABEL ... xv
DAFTAR GAMBAR ... xvi
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian... 2
1.4.1 Tujuan Penelitian ... 2
1.4.2 Manfaat penelitian... 3
1.5 Keaslian Penelitian ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 5
xii
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI ... 7
2.1 Tinjauan Pustaka ... 7
2.2 Landasan Teori ... 8
2.2.1 Otomasi ... 8
2.2.2 Sistem Kendali PID ... 10
2.2.3 Tunning PID ... 15
2.2.4 Arduino ... 17
2.2.5 Motor Brushless ... 18
2.2.6 Sensor Ultrasonic HY-SRF05 ... 20
2.2.7 ESC ... 21
2.2.8 PWM ... 23
2.2.9 Towercopter ... 23
2.2.10 Labview ... 24
2.3 Hipotesis ... 25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 26
3.1 Alat dan Bahan ... 26
3.1.1 Alat Penelitian ... 26
3.1.2 Bahan ... 26
3.2 Tahapan Penelitian ... 27
3.3 Perancangan Sistem ... 28
3.4 Perancangan Hardware ... 28
xiii
3.4.1 Perancangan Cara Kerja Alat ... 29
3.4.2 Perancangan Wiring Komponen ... 30
3.4.3 Perancangan Desain Box Komponen ... 30
3.4.4 Perancangan Desain Box Power ... 31
3.5 Perancangan Software ... 31
3.6 Implementasi Hardware ... 34
3.6.1 Implementasi Cara Kerja Alat... 34
3.6.2 Implementasi Wiring Komponen ... 36
3.6.3 Implementasi Box Komponen ... 36
3.6.4 Implementasi Box Power ... 37
3.7 Implementasi Software ... 37
3.7.1 Implementasi Pembacaan Sensor ... 37
3.7.2 Implementasi Sistem Kendali ... 38
3.7.3 Implementasi Pembuatan Grafik………39
3.7.4 Implementasi Pembuatan Switch………....40
3.7.5 Implementasi PWM Motor……….42
3.7.6 Implementasi Program Limiter………..42
3.8 Cara Analisa ... 43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 44
4.1 Pengujian Sensor Ultrasonik HY-SRF05... 44
4.2 Pengujian Sensor Ultrasonik Terhadap PWM ... 45
xiv
4.3 Pengujian Kendali P ... 46
4.4 Pengujian Kendali I ... 49
4.5 Pengujian Kendali D ... 53
4.6 Pengujian Gangguan Sistem………56
4.7 Pengujian Perubahan Setpoint……….57
4.8 Pembuatan Hangout Praktikum………..58
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 60
5.1 Kesimpulan ... 60
5.2 Saran ... 60
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Keaslian Penelitian ... 3
Tabel 2.1 Pengaruh Penambahan Parameter ... 16
Tabel 2.2 Metode Ziegler-Nicholas………16
Tabel 2.3 Jenis-jenis Perangkat Keras Arduino……….17
Tabel 2.4 Spesifikasi Arduino UNO………..18
Tabel 2.5 Spesifikasi Motor Brushless Turnigy 2200 KV……….19
Tabel 2.6 Fitur Sensor Ultrasonik………..20
Tabel 2.7 Data Pin Ultrasonik………21
Tabel 2.8 Spesifikasi ESC Turnigy 30 A………22
Tabel 3.1 Daftar Peralatan Digunakan dalam Peneletian... 26
Tabel 3.2 Daftar Bahan dalam Penelitian ... 26
Tabel 3.3 Fungsi Switch Ready dan Go ... 41
Tabel 4.1 Uji Sensor Ultrasonik ... 44
Tabel 4.2 Pengujian Sensor Ultrasonik Terhadap PWM ... 45
Tabel 4.3 Pengujian Kendali P………46
Tabel 4.4 Pengujian Kendali I……….50
Tabel 4.5 Pengujian Kendali D………...………53
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Sistem Kendali Open Loop ... 9
Gambar 2.2 Sistem Kendali Close Loop ... 10
Gambar 2.3 Hubungan Antar Elemen dalam Sistem ... 10
Gambar 2.4 Close Loop Motor DC ... 11
Gambar 2.5 Diagram Blok Kendali Propotional ... 12
Gambar 2.6 Diagram Blok Kendali Intergral ... 12
Gambar 2.7 Diagram Blok Kendali Derivative... 13
Gambar 2.8 Diagram Blok Kendali PID ... 13
Gambar 2.9 Board ArduinoUNO ... 18
Gambar 2.10 Motor Brushless 2200 KV... 20
Gambar 2.11 Sensor Ultrasonik HY-SRF05 ... 20
Gambar 2.12 Arah Gelombang Sensor Ultrasonik ... 21
Gambar 2.13 ESC Turnigy 30 A……….22
Gambar 2.14 Sinyal PWM………..23
Gambar 2.15 Tampilan Awal Labview………..…25
Gambar 3.1 Flow Chart Jalannya Penelitian ... 27
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Sistem ... 28
Gambar 3.3 Perancangan Implementasi Alat ... 29
Gambar 3.4 Perancangan Wiring Komponen... 30
Gambar 3.5 Desain Box Komponen ... 30
Gambar 3.6 Desain Box Power ... 31
Gambar 3.7 Diagram Alir Perancangan Software ... 32
Gambar 3.8 Diagram Alir Kendali PID ... 33
Gambar 3.9 Implementasi Alat pada Modul ... 35
Gambar 3.10 Implementasi Alat pada HMI ... 35
Gambar 3.11 Implementasi Wiring Komponen ... 36
Gambar 3.12 Implementasi Box Komponen ... 36
Gambar 3.13 Implementasi Box Power ... 37
Gambar 3.14 Program Pembacaan Sensor ... 38
xvii
Gambar 3.15 Tampilan HMI Pembacaan Sensor ... 38
Gambar 3.16 Program Sistem Kendali PID ... 39
Gambar 3.17 Tampilan HMI Sistem Kendali PID ... 39
Gambar 3.18 Program Pembuatan Grafik ... 40
Gambar 3.19 Tampilan Grafik Pada HMI... 40
Gambar 3.20 Program Fungsi Switch ... 40
Gambar 3.21 Tampilan Switch Ready dan Go ... 41
Gambar 3.22 Program Switch Reset ... 41
Gambar 3.23 Tampilan HMI Switch Reset ... 41
Gambar 3.24 Program PWM Motor ... 42
Gambar 3.25 Tampilan HMI PWM Motor ... 42
Gambar 3.26 Program Limiter ... 43
Gambar 4.1 Pengujian Sensor Ultrasonik ... 45
Gambar 4.2 Pengujian Sensor Ultrasonik Terhadap PWM ... 46
Gambar 4.3 Data 1 Pengujian Kendali P ... 47
Gambar 4.4 Data 2 Pengujian Kendali P ... 47
Gambar 4.5 Data 3 Pengujian Kendali P ... 48
Gambar 4.6 Data 4 Pengujian Kendali P ... 48
Gambar 4.7 Data Gabungan Pengujian P ... 49
Gambar 4.8 Data 1 Pengujian Kendali I……….50
Gambar 4.9 Data 2 Pengujian Kendali I……….51
Gambar 4.10 Data 3 Pengujian Kendali I………...51
Gambar 4.11 Data 4 Pengujian Kendali I………52
Gambar 4.12 Data Gabungan Pengujian I………..52
Gambar 4.13 Data 1 Pengujian Kendali D……….54
Gambar 4.14 Data 2 Pengujian Kendali D……….54
Gambar 4.15 Data 3 Pengujian Kendali D……….55
Gambar 4.16 Data 4 Pengujian Kendali D……….55
Gambar 4.17 Data Gabungan Pengujian Kendali D………56
Gambar 4.18 Data Pengujian Gangguan……….57
Gambar 4.19 Pengujian Perubahan Setpoint………..57
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Program studi Teknik Elektro merupakan salah satu program studi yang banyak diminati, terbukti dari salah satu berita yang menyebutkan jurusan Teknik Elektro menjadi jurusan kedua yang paling banyak diminati setelah jurusan Teknik Mesin dalam bidang teknik.
Meskipun banyak diminati namun ada beberapa mata kuliah yang menjadi ketakutan mahasiswa Teknik Elektro, contohnya mata kuliah sistem kendali. Di dalam mata kuliah sistem kendali, salah satu materi yang diberikan adalah perancangan sistem kendali. Dalam melakukan perancangan diperlukan perhitungan model mtematika yang kompleks karena untuk mendapatkan gambaran tangggapan sistem terhadap aksi pengendalian yang sempurna maka dibutuhkan analisa yang baik (Asa, 2016).
Pada kenyataanya di dunia industri sistem kendali sangat dibutuhkan terutama pada bidang otomasi industri. Salah satu sistem kendali yang dibutuhkan adalah sistem kendali PID, sistem kendali ini digunakan untuk menentukan presisi khususnya pada sistem umpan balik (close loop) (Riza, 2016). Hal ini menjadikan pemikiran bahwa sistem kendali PID menjadi suatu kompetensi yang harus dimiliki oleh mahasiswa Teknik Elektro untuk memenuhi kebutuhan industri.
Maka dari itu perlu dibuat terobosan yang mampu menjadikan pembelajaran sistem kendali PID tanpa pemodelan matematika yang kompleks, sehingga dapat membantu proses pemahaman tentang sistem kendaki PID. Pada penelitian ini peneliti mencoba membuat terobosan untuk pembelajaran sistem kendali PID yang diaplikasikan pada towercopter, karena peneliti beramsumsi bahwa penggunaan towercopter dapat dilihat pada perubahan respon terhadap sistem pengendaliannya dengan mudah yang membuat mahasiswa lebih dapat memahami cara kerja dari sistem kendali PID tersebut.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas maka didapat rumusan masalah sebagai berikut:
a. Bagaimana pemahaman konsep sistem kendali PID pada pergerakan towercopter.
b. Bagaimana pengaruh parameter Propotional, Intergral, dan Derivative pada pergerakan towercopter.
c. Bagaimana kestabilan sistem dari pengaturan PID menggunakan tunning manual.
1.3 Batasan Masalah
Agar masalah yang dibahas dalam pembuatan penelitian tidak menyimpang dari maksud dan tujuan maka dilakukan pembatasan masalah pada penelitian ini yaitu:
a. Menitik beratkan pada aplikasi pengendalian manual sistem kendali PID pada pergerakan towercopter.
b. Pembelajaran sistem ini difokuskan pada kemudahan pembacaan tanggap transien dan pengatur tuning secara manual ketiga parameter PID tersebut.
c. Sensor yang digunakan untuk pengukuran ketinggian towercopter adalah sensor ultrasonik HY-SRF05.
1.4 Tujuan dan Manfaat Penelitian 1.4.1 Tujuan Penelitian
Berdasarkan batasan masalah diatas, peneliti mempunyai tujuan penelitian yang akan dicapai pada penelitian ini adalah:
a. Merancang aplikasi pengendalian manual sistem kendali PID pada towercopter.
b. Membuat materi pembelajaran sistem kendali PID secara manual berupa handout praktikum, guna mempermudah proses belajar pada laboraturium.
c. Penggunaan sensor HY-SRF05 untuk mengukur pergerakan towercopter.
d. Melakukan pengaturan tuning secara manual pada sistem kendali PID dan menganalisa pembacaan tanggap transient dengan mudah dan dapat diterapkan sebagai sarana pembelajaraan.
3
1.4.2 Manfaat Penelitian
Manfaat dan kontribusi dari hasil penelitian adalah:
a. Dapat memberikan kemudahan dalam pemahaman konsep sistem kendali PID pada pergerakan towercopter.
b. Dapat mengetahui pengaruh parameter-parameter PID pada pergerakan towercopter berdasarkan tanggapan transien.
c. Dapat mengetahui kestabilan sistem dari pengaturan manual sistem kendali PID.
1.5 Keaslian Penelitian
Untuk mendapatkan hasil yang optimal dari alat yang dibuat serta analisisnya, maka digunakan berbagai pendekatan. Keaslian penelitian ditunjukkan dengan menampilkan beberapa metode dari penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan sistem yang dibuat, kemudian dibandingkan dengan yang dilakukan oleh peneliti. Tabel 1.1 menunjukan beberapa penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya.
Tabel 1.1 Keaslian Penelitian
Nama Tahun Judul Penelitian Yang Dilakukan Gembong
Edhi, dan Eko Setiawan
2015 Sistem Kendali Ketinggian
Quardcopter menggunakan PID
Melakukan pemodelan cara mengatur ketinggian UAV quadcopter menggunakan sistem kendali PID dengan penalaan parameter PID menggunakan metode osilasi ziger Nichols.
Panji Saka Gilap Asa
2016 Sistem Pembelajaran Kontrol PID (Proporsional Integral
Derivative) Pada Pengatur
Kecepatan Motor DC
Melakukan pengujian PID pada motor DC dengan metode trial and error dengan menampilkan grafik secara real time.
Eureka Exceldia Imar
2018 Rancang Bangun Sistem Buck Converter Dengan Kendali PI Pada Panel Surya
Mengendalikan tegangan keluaran dari panel surya dengan menggunakan buck converter yang dikendalikan dengan kendali PI
Rajib Rindang Wahdini
2018 Purwarupa Sistem Pemantauan dan Kendali Pintu Air Bendungan
Berbasis Labview
Pengendalian ketinggian air pada bedungan dengan mengunakan sensor jarak, kendali yang dilakukan mengguanakan metode PI dengan mengatur bukaan pintu air secara vertikal
Riza
Nurfaisal Al Ikhsan
2018 Rancang Bangun SCADA pada Sistem Pengisian Tangki Berbasis Kendali PI Menggunakan LabView
Menerapkan algoritma PID pada prototype sistem pengisian tangki menggunaakan SCADA
M.Imam Muttaqin
2018 Perbandingan Tuning PID dengan Metode Kecerdasan Buatan dan Dengan Metode Ziegler-Nichols dalam Kendali Tower Copter
Pembuatan kecerdasan buatan dapat menjadi solusi dalam proses penyetelan kendali PID agar lebih cepat, akurat namun dengan cost yang rendah
Rifqi Nabila Zufar dan Puput
Wanarti Rusimamto
2019 Rancang Bangun Sistem Kendali Posisi Ketinggian pada Towercopter Berbasis
Propotional Intergral Menggunakan Tuning Artificial Neural Network
Mengenai Sistem Kendali Propotional Intergral dengan tuning Artificial Neural Network (PI-ANN).
Chintia Putri Unarya dan Puput
Wanarti Rusimamto
2020 Perancangan Sistem Pengaturan
Gerakan Vertikal Pada Towercopter Menggunakan Kontrol Propotional Intergral
Derivatif (PID) Berbasis Labview
Mengenai menghasilkan kendali posisi towercopter menggunakan PID serta mengetahui respon sistem dengan HMI Software Matlab
5
Agung Wibisono
2020 Sistem Kendali
PID Pada
Towercopter Menggunakan Pengaturan Secara Manual Sebagai Media
Pembelajaran
Membuat model cara mengatur ketinggian towercopter menggunakan sistem kendali PID
Berdasarkan ringkasan keaslian penelitian Tabel 1.1 dapat ditemukan perbedaan sistem yang dirancang pada skripsi ini dengan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Perbedaan yang mendasar pada alat sistem kendali ketinggian Towercopter ini adalah penggunaan mikrokontroller Arduino dengan menggunakan sensor ultrasonik HY-SRF05 yang memiliki keakuransi atau kesensitifitas pembacaan yang lebih akurat dari seri sensor HC-SR04. Pemasangan sensor terletak pada bagian frame penghubung antara 2 tiang penyangga metode tunning PID yang digunakan menggunakan metode trial and error dan menampilkan hasil kendali pada grafik secara realtime.
1.6 Sistematika Penulisan
Laporan penelitian sekripsi ini disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Berisi latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metode penelitian dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
Menjelaskan tentang tinjauan pustaka, dasar-dasar teori tentang komponen- komponen yang digunakan, dan hipotesis penulis.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Menjelaskan metodologi dan perancangan alat berupa memaparkan ide dasar pembuatan meliputi perangkat keras, perangkat lunak, dan penyusunan penyelesaian masalah.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian dan analisis memberikan penjelasan mengenai langkah-langkah pengujian dan memberikan data hasil yang diperoleh dari pengujian, kemudian diberikan analisis dan pembahasan secara ilmiah mengenai sistem elektronis dan perangkat lunak serta pembuktian hipotesis dengan hasil sebenarnya.
BAB V PENUTUP
Bagian penutup akan memaparkan kesimpulan dari hipotesis yang telah dibuktikan dengan analisis yang telah dilakukan, sehingga akan memberikan kecenderungan arah keberhasilan dari penelitian, serta mencakup saran yang diberikan untuk peneliti selanjutnya.
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Penelitian yang berhubungan dengan sistem kendali ketinggian dan kendali PID sudah banyak dilakukan yaitu.
Penelitian yang telah dilakukan oleh Edhi Gembong yaitu Sistem Kendali Ketinggian quadcopter menggunakan PID. Penelitian ini membahas mengenai cara mengatur ketinggian UAV quadcopter menggunakan sistem kendali PID dengan penalaan parameter PID menggunakan metode osilasi Ziger Nichols. Hasil pemodelan digunakan untuk parameter PID secara simulasi menggunakan software MATLAB
Pada penelitain yang dilakukan oleh Paji Saka dengan judul “Sistem Pembelajaran Kontrol PID (Proporsional Integral Derivative) Pada Pengatur Kecepatan Motor DC” menyatakan bahwa untuk mempermudah pemahaman konsep PID perlu dibuat sistem yang bisa menggambarkan set-point dan membaca nilai keadaan sesungguhnya dalam hal ini kecepatan motor secara real time, yaitu dengan memanfaatkan user-interface sebagai pengolah data.
Penelitian yang dilakukan oleh Eureka Exceldia dengan judul “Rancang Bangun Sistem Buck Converter Dengan Kendali PI Pada Panel Surya “ membahas mengenai usaha dalam mengendalikan tegangan keluaran dari panel surya.
Pengaturan tegangan keluaran panel surya dengan menggunakan buck converter DC-DC yang mengatur sinyal PWM dengan mempertimbangkan intensitas sinar yang diterima oleh panel surya. Pada penelitian ini menggunakan cara kendali PI untuk mengatur PWM pada converter tersebut .
Penelitian yang dilakukan oleh Rajib Rindang dengan judul “Puwarupa Sistem Pemantauan dan Kendali Pintu Air Bendungan Berbasis Labview“. Pada penelitian ini mengguanakan sensor ultrasonik untuk mendeteksi ketinggian air.
Selisih antara setpoint dengan ketinggian dijadikan masukan error pada kendali PI dan kendali on-off pada software Labview. Keluaran dari program Labview akan
diteruskan ke motor servo untuk menggerakan pintu air secara vertikal. Hasil data dan pemantauan dan pengendalian dapat disimpan pada Ms.Excel.
Pada penelitian yang dilakukan oleh Riza Nurfaisal dengan judul “Racang Bangun SCADA pada Sistem Pengisian Tangki Berbasis Kendali PI menggunakan Labview”. Pada penelitian ini membahas mengenai kendali 2 valve control menggunakan kendali PI untuk mengendalikan level air dengan menggunakan software Labview sebagai rancang bangun SCADA.
Penelitian yang dilakukan oleh Imam Muttaqin dengan judul “Perbandingan Tuning PID dengan Metode Kecerdasan Buatan dan Dengan Metode Ziegler- Nichols dalam Kendali Tower Copter”. Pada penelitian ini membahas mengenai pembuatan kecerdasan buatan dapat menjadi solusi dalam proses penyetelan kendali PID agar lebih cepat, akurat namun dengan biaya yang rendah.
Karakteristik kercedasan buatan yang self-learning dapat mempermudah proses tuning secara otomatis.
Penilitian yang telah dilakukan oleh Rifqi Nabila dengan judul “Rancang Bangun Sistem Kendali Posisi Ketinggian pada Towercopter Berbasis Propotional Integral Menggunakan Tuning Artificial Neural Network”. Pada penelitian ini membahas mengenai Sistem Kendali Propotional Intergral dengan tuning Artificial Neural Network (PI-ANN).
Penelitian yang dilakukan oleh Chintia Putri dengan judul “Rancang Sistem Pengaturan Gerakan Vertikal Pada Towercopter Menggunakan Kontrol PID Berbasis Labview”. Penelitian ini membahas bagaimana cara untuk menghasilkan sistem pengendali posisi ketinggian pada towercopter menggunakan PID serta mengetahui respon yang dihasilkan oleh parameter-parameter PID tersebut ke dalam bentuk grafik secara real time.
2.2 Landasan Teori 2.2.1 Otomasi
Otomasi adalah suatu teknologi dimana proses dilakukan tanpa atau dengan sedikit bantuan tangan manusia. Otomasi merupakan teknologi yang
9
mengaplikasikan mekanika, elektronika, dan sistem komputer untuk menjalankan operasi sistem (Groover,2001).
Terdapat 4 elemen utama dalam otomasi,yaitu:
1. Sumber Tenaga untuk Menjalankan Otomasi
Sumber tenaga digunakan untuk menggerakan atau menjalankan suatu proses.
Sumber tenaga yang digunakan proses otomasi adalah listrik. Energi listrik selain tersedia secara luas, juga listrik dapat dengan mudah diubah menjadi bentuk energi yang lain.
2. Program Instruksi
Program intruksi merupakan perintah-perintah yang digunakan untuk menjalankan suatu sistem terotomasi agar berkerja sesuai dengan tujuan dan memberikan hasil yang maksimal.
3. Sistem Kendali
Sistem kendali merupakan sistem yang akan mengenali status dari sistem, membandingkan status sistem tersebut dengan prosedur otomasi, mengatur prosedur tujuan serta menjalankannya.
Sistem kendali dalam otomasi dibagi dua yaitu : a. Sistem Kendali Open Loop
Menurut Ogata (2010:8) sistem kendali open loop adalah dimana nilai output tidak mempengaruhi tindakan kontrol, dengan kata lain keluaran sistem tidak diukur atau diumpankan kembali untuk dibandingkan dengan masukan sistem. Salah satu contoh sisitem kendali open loop adalah mesin cuci.
Merendam, mencuci, dan membilas di mesin cuci beroperasi berdasarkan waktu, mesin tidak mengukur sinyal output nya yaitu berupa kebersihan pakaian yang dicuci. Dengan demikian untuk setiap input referensi sesuai dengan kondisi operasi tetap maka hasil dari keakuratan sistem bergantung pada kalibrasi.
Gambar 2.1 Sistem Kendali Open Loop (Groover, 2001)
b. Sistem Kendali Close Loop
Sistem kendali close loop atau sistem kendali umpan balik adalah dimana nilai output nya mempengaruhi tindakan kontol sistem. Dalam sistem kendali close loop kesalahan atau error yang terjadi merupakan perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik. Sinyal keluaran akan diumpankan ke bagian controller untuk mengurai kesalahan dan membawa output sistem ke nilai yang diinginkan. (Ogata, 2010:8).
Gambar 2.2 Sistem Kendali Close Loop (Groover, 2001) 4. Proses yang dikendalikan
Fungsi utama dari sistem otomasi adalah untuk mengendalikan proses yang tidak atau sedikit menggunakan bantuan manusia. Maka proses dari sistem tersebut harus dijelaskan satu persatu untuk mendapatkan sistem otomasi yang baik dan lancar sehingga mampu mengerjakan tujuan sesuai dengan yang diinginkan.
Hubungan antar elemen dalam sistem otomasi dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Hubungan Antar Elemen dalam Sistem (Groover, 2001) 2.2.2 Sistem Kendali PID
Sistem kendali PID adalah sistem kendali dengan metode Propotional, Intergral, Derivative yang merupakan salah satu metode kendali yang banyak digunakan dalam dunia industri (Ulil, 2014). Pada saat ini banyak sistem kendali
11
yang menggunakan kontroller digital sebagai pengganti kontroller analog, hal ini disebabkan kontroller digital lebih cepat dan lebih mudah dalam perbaikan perfoma sistem kendali dengan cara merubah software dibandingkan kontroller analog dengan merubah hardware (Ulil, 2014). Berikut sistem kendali tertutup (close loop) motor DC tanpa penguatan kendali PID.
Gambar 2.4 Close Loop Motor DC (Pitowarno, 2006)
Gambar 2.4 menunjukan kendali motor DC dengan loop tertutup, dimana r merupakan masukan (setpoint). Setpoint adalah nilai yang ingin dicapai oleh pengguna atau sistem. G(s) adalah controller yang berfungsi sebagai pengendali dari sistem. U adalah sinyal keluaran dari G(s) untuk mengendalikan H(s), H(s) sendiri adalah motor dc yang diatur, keluaran motor dc adalah Y. e merupakan error, error sendiri merupakan e=r-Y. Sinyal error diproses oleh G(s) menghasilkan sinyal controller (u) yang dilimpahkan ke H(s) motor DC, dengan tujuan akhir agar keluaran (Y) sama dengan nilai setpoint (r) atau dimana sinyal error mendekati nol. Bagaimana G(s) didesain dalam metode kendali PID, yaitu sinyal kontrol yang dihasilkan dengan cara memperkuat sinyal error (propotional), mengintergralkan sinyal error (intergral) dan membuatnya sebanding dengan laju perubahan sinyal error itu sendiri (derivative) (Ulill, 2014).
1. Kendali Propotional (P)
Kendali propotional berfungsi untuk memperkuat sinyal error pada sistem, sehingga akan mempercepat keluaran sistem mencapai titik refensi. Hubungan antara input controller u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada persamaan berikut (2-1) (Pitowarno, 2006).
u(t) = Kp * e(t) (2-1)
Nilai Kp adalah konstanta propotional. Diagram blok kendali propotional ditunjukan paga Gambar 2.5
Gambar 2.5 Diagram Blok Kendali Propotional (Pitowarno, 2006)
Penggunaan kendali propotional memiliki beberapa keterbatasan karena sifat kontrolnya yang tidak dinamik, namun dalam beberapa aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol propotional ini cukup mampu untuk mencapai konvergensi meskipun error keadaan tenangnya (stady-state error) yang relatif besar.
2. Kendali Integral (I)
Kendali integral digunakan untuk menghilangkan kesalahan keadaan tunak (offset error) yang biasanya dihasilkan oleh kontrol propotional. Hubungan antara output kendali integral u(t) dengan sinyal error e(t) dapat dilihat pada persamaan (2-2).
u(t) = Ki *∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡0𝑡 (2-2)
Nilai Ki adalah konstanta kendali integral. Berikut diagram blok kendali integral ditunjukan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Diagram Blok Kendali Integral (Pitowarno, 2006) 3. Kendali Derivative (D)
Kendali derivative dapat disebut pengendalian laju, karena output controller sebanding dengan laju perubahan sinyal error. Hubungan antara output kendali derivative u(t) dengan sinyal error e(t) terlihat pada persamaan (2-3).
u(t) = Kd𝑒(𝑡)(𝑑𝑒)
𝑑𝑡 (2-3)
Kendali derivative tidak pernah digunakan sendirian atau berdiri sendiri, karena controller ini hanya aktif pada periode peralihan. Pada periode peralihan, kendali derivative menyebabkan adanya redaman pada sistem, sehingga lebih
13
memperkecil lonjakan. Blok diagram kendali derivative ditunjukan pada Gambar 2.7
Gambar 2.7 Diagram Blok Kendali Derivative (Pitowarno, 2006) 4. Kombinasi Kendali P, I, dan D
Penggabungan kendali P, I, dan D dengan kelebihan masing-masing dapat disatukan untuk mendapatkan kendali yang ideal. Gabungan dari ketiga kendali tersebut menjadi kendali PID. Namun demikian, suatu sistem kombinasi hanya dapat bekerja dengan baik untuk sistem H(s) yang cenderung linier dalam fungsi waktu. Artinya, persamaan model H(s) relatif tidak berubah selama waktu pengontrolan. Padahal pada kenyataanya, tidak ada sistem linier yang benar benar nyata, bahkan hampir semua fenomena sistem kendali contohnya kendali motor dc, jika dilakukan pemodelan secara rinci dan lengkap adalah sangat tidak linier (non-linier). Setiap sistem nyata selalu berhadapan dengan gangguan (disturbance). Motor dc memiliki gangguan dengan friksi pada poros, gearbox, perubahan karakteristik karena temperatur dan lain-lain (Ulil, 2014).
Gambar 2.8 Diagram Blok Kendali PID (Pitowarno, 2006) Sehingga persamaan untuk kendali PID adalah:
u(t) =Kp.e(t)+Ki.∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡0𝑡 +Kd.𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡 (2-4)
Keterangan:
u(t) = Sinyal output pengendali PID Kp = Konstanta Propotional
Ki = Konstanta Intergral Kd = Konstanta Derivative
e(t) = Sinyal error (setpoint - nilai terukur)
Dari persamaan (2-1) hingga (2-4) adalah persamaan dalam kawasan waktu kontinyu (analog), sedangkan agar persamaan-persamaan tersebut dapat direalisasikan kedalam bentuk program, maka persamaan dalam kawasan waktu kontinyu harus diubah dalam bentuk diskret dahulu (Ulil, 2014).
a. Kendali Propotional
Persamaan (2-1) jika diubah menjadi diskret akan menjadi:
(u)k = Kp.e(k) (2-5)
b. Kendali Intergral
Persamaan (2-2) jika diubah menjadi diskret maka akan menjadi:
u(k) = Ki∫ 𝑒(𝑘). 𝑇𝑐𝑖𝑘
u(k) = Ki Tc∫ 𝑒(𝑘)𝑘𝑖 (2-6)
Tc = waktu sampling atau waktu cuplik
Intergral (∫) adalah suatu operator matematika dalam kawasan kontinyu, jika didiskretisasi maka akan menjadi sigma ( ∑ ) dalam kawasan diskret. Sigma sendiri merupakan penjumlahan suatu nilai yang dimulai menjumlahkan nilai ke i sampai dengan nilai ke k. Berdasarkan persamaan (2-6) variabel error (e) yang diintegralkan akan menjadi e(0)+e(1)+e(2)……+e(k) atau dengan kata lain penjumlahan nilai error sebelumnya dengan nilai error yang sekarang.
c. Kendali Derivative
Persamaan (2-3) jika diubah kebentuk diskret, maka akan menjadi:
u(k) = Kd e(k)
𝑑𝑒 𝑑𝑡
𝑇𝑐 (2-7)
15
Penjelasaan persamaan (2-7) adalah:
Derivative (𝑑𝑒
𝑑𝑡) adalah suatu operator matematis dalam kawasan kontinyu, jika dalam kawasan diskret maka akan menjadi operator limit, yang dimana operator limit adalah mengurangkan nilai k dengan nilai k-1. Berdasarkan perhitungan persamaan (2-7) , variable error (e) yang di derivative kan maka sama dengan error saat ini dikurangi error sebelumnya.
Tc (waktu sampling) adalah lamanya waktu yang digunakan untuk mencuplik nilai dari pembacaan sensor. Data pencuplikan akan digunakan untuk mendapatkan error (error (e) = setpoint - nilai terbaca ). Waktu sampling ini berpengaruh pada kesensitifan sistem yang dikendalikan.
Persamaan-persamaan (2-5), (2-6), dan (2-7) merupakan persamaan digital yang telah didiskretisasi, sehingga dapat langsung direalisasikan ke dalam bahasa pemprograman.
2.2.3 Tuning PID
Tuning adalah penyesuaian parameter-parameter pengendali PID. Nilai optimum reaksi kendali yang diinginkan pada suatu proses atau setpoint tergantung pada pengaplikasiannya. Ada beberapa metode untuk melakukan penyetelan PID.
Pemilihan metode tergantung pada pengambilan setting PID dan tanggapan sistem.
Metode terbaik yaitu melibatkan pokok sistem dalam masukan, mengukur keluaran sebagai fungsi waktu dan menggunakan tanggapan ini untuk menentukan parameter-parameter kendali.
1. Tunning Manual
Tuning manual dapat dikatakan menentukan nilai parameter-parameter kendali dengan cara menebak-menebak yang kemungkinan mendekati nilai terbaik.
Pengaturan PID dilakukan dengan memberikan nilai nol (0) pada konstanta I dan D, meningkatkan konstanta P hingga plant bergerak, selanjutnya menambahkan konstanta I hingga plant bergerak mendekati atau melewati setpoint (overshoot).
Terakhir menambahkan konstanta D sampai menjangkau nilai setpoint tanpa mengalami overshoot. Dengan menggunakan nilai awal parameter kendali yang
ditentukan, kita dapat mengamati keluaran dari sistem kemudian merubah nilai parameter awal tersebut hingga memperoleh keluaran sistem yang diinginkan.
Tabel 2.1 Pengaruh Penambahan Parameter (Ulil, 2014)
Konstanta Rise Overtime Overshoot Settling Time Stedy State
Kp Turun Naik Berubah Turun
Ki Turun Naik Naik Hilang
Kd Berubah Turun Turun Berubah
2. Metode Ziegler-Nicholas
Metode Ziegler-nicholas diperkenalkan oleh Yohanes G Zeigler dan Nathaniel B Nicholas. Seperti pada metode tunning manual, konstanta I dan D pertama adalah nol. Konstanta P ditingkatkan hingga menjangkau Kc, dimana keluaran bergerak-gerak. Kc (besarnya nilai kp saat respon sistem berosilasi) dan Pc (waktu gerak) digunakan untuk menghimpun seperti ditunjukan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Metode Ziegler-Nicholas (Ulil,2014)
Tipe Kontrol Kp Ki Kd
P 0,5 Kc - -
PI 0,45 Kc 1,2 Kp/Pc -
PID 0,6 Kc 2 Kp/Pc 8 Kp/Pc
3. Tunning Software
Pada industri modern saat ini tidak lagi menggunakan metode kalkulasi manual.
Sebagai gantinya mengunakan software PID untuk mendapatkan hasil-hasil yang konsisten. Software ini akan mengumpulkan data, mengembangkan proses dan melakukan pengaturan secara optimal. Pengaturan PID secara matematis mempengaruhi gerak dalam sistem dan kemudian menggunakan tanggapan frekuensi sistem terkendali untuk mendesain nilai PID.
Pada penelitian ini metode yang digunakan adalah tunning parameter PID dengan secara kalkulasi manual. Metode matematis tidak digunakan karena sistem yang digunakan tidak linier. Pengaturan dilakukan dengan pendekatan atau asumsi model sistem secara linier dengan mengabaikan faktor-faktor non-linier yang dianggap terlalu sulit untuk dimodelkan secara sistematis.
17
2.2.4 Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open source, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang.
Arduino Uno berbasis mikrokontroler pada ATmega328P. Board ini memiliki 14 digital input/output (dimana 6 pin dapat berfungsi sebagai output PWM), 6 pin analog dengan kecepatan clock 16 Mhz (Arduino.cc, 2016).
Tabel 2.3 Jenis-jenis Perangkat Keras Arduino (Riza, 2016)
No Jenis Arduino Processor Frekuensi (MHz)
Digital IO pins
Analog input pins
PWM Pin
1 ADK ATmega 2560 16 54 16 14
2 BT (Bluetooth) ATmega 328 16 14 6 4
3 Diecimila ATmega 168 16 14 6 6
4 Due AT91SAM 84 54 12 12
5 Duemilanova ATmega168/328P 16 14 6 6
6 Ethernet ATmega 328 16 14 6 3
7 Fio ATmega 328P 8 14 8 6
8 Leonardo ATmega 32u4 16 14 12 6
9 LilyPad ATmega 168/328 8 14 6 6
10 Mega ATmega 1280 16 54 16 14
11 Mega 2560 ATmega 2560 16 54 16 14
12 Nano ATmega 168/328 16 14 8 6
13 Uno ATmega 328P 16 14 6 6
14 Micro ATmega 32u4 16 20 12 7
Arduino Uno adalah salah satu contoh papan pengembangan mikrokontroler yang berukuran kecil, lengkap dan mendukung penggunaan breadboard. Pada Gambar 2.9 ditunjukkan bentuk perangkat keras dari Arduino versi Uno.
Gambar 2.9 Board Arduino Uno (Arduino, 2015)
Board Arduino Uno memiliki pin input dan output sejumlah 14 buah pin digital, 6 pin pwm dan 6 pin analog. Arduino Uno juga dilengkapi dengan resistor keramik 16MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol reset. Tabel 2.4 menunjukan spesifikasi dari Arduino UNO.
Tabel 2.4 Spesifikasi Arduino UNO
Chip mikrokontroller ATmega 328
Tegangan operasi 5 volt
Tegangan input (Recommend) 7 volt – 12 volt Tegangan input (limit) 6 volt – 20 volt Digital input/output pin 20 buah
Analog input pin 6 buah
Arus DC per pin input/output 20 Ma Arus DC pin 3.3 volt 50 Ma
Flash memory 32 KB (0,5 KB bootloader)
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Clock speed 16 Mhz
Dimensi 2,7 inch x 2,1
Berat 27 gram
2.2.5 Motor Brushless
Motor Brushless (BLDC motor) yang juga dikenal sebagai electronically commutated motors (ECM) adalah tipe motor sinkron yang memakai sumber listrik arus searah sebagai sumber tenaganya. Motor Brushless memiliki 6 bagian utama yaitu Rotor, Brushes, Commutator, Axle (sumbu), Field Magnet (Medan Magnet) dan DC power. Motor Brushless memiliki 3 buah koil yang masing-masing
19
mempunyai 1 kabel, kabel tersebut akan disambungkan dengan sumber listrik searah (DC) dan electronic speed control (ESC). Electronic controller ini mengubah fasa arus listrik yang menuju gulungan kawat untuk mendistribusikan daya listrik sehingga dapat menjaga perputaran motor agar tetap konstan. Dengan cara ini didapatkan beberapa keuntungan yaitu meminimalkan energy losses dan menghilangkan mechanical wear antara bagian stator dan rotor. Secara performa, BLDC motor dapat menghasilkan torsi maksimal pada RPM rendah dan secara bertahap akan menurun seiring meningkatnya RPM motor.
Kelebihan motor brushless adalah:
Dapat beroperasi pada kecepatan diatas 10.000 rpm dalam kondisi loading dan unloading.
Responsif terhadap respon yang diberikan.
Memiliki torsi berjalan tertinggi per inchi kubik dari motor DC lainnya.
Memiliki keandalan yang tinggi.
Memiliki usia pakai (lifetime) yang tinggi.
Kekurangan motor brushless adalah :
Harga yang relatif mahal.
Kontruksi lebih rumit.
Memerlukan sistem control drive untuk mengoperasikanya.
Pada penelitian ini motor Brushless yang digunakan adalah motor Brushless Turnigy 2200KV, pada Tabel 2.5 menunjukan spesifikasi motor Brushless Turnigy 2200 KV
Tabel 2.5 Spesifikasi Motor Brushless Turnigy 2200 KV
Rpm/ V 2200 KV
Shaft 3,17 mm
Tegangan 2S~3S (7,4-11,1 V)
Berat 50 g
Daya 342 Watt
ESC 40 A
Arus Maksimal 34 A
Gambar 2.10 Motor Brushless 2200KV (Muttaqin, 2018) 2.2.6 Sensor Ultrasonic HY-SRF05
Sensor ultrasonik adalah sebuah sensor yang berfungsi merubah besaran bunyi menjadi besaran listrik. Gelombang ultrasonik adalah gelombang bunyi yang mempunyai frekuensi 20.000 Hz. Bunyi ini tidak dapat didengar oleh telinga manusia. Jarak yang dapat dibaca oleh sensor ini 2 cm sampai 4 m, sudut pancaran sensor ultrasonik ini adalah 15 derajat.
Sensor ini beroperasi tidak terpengaruh cahaya matahari atau alat pendeteksi jarak lainnya. Sensor ini sudah tersedia modul transmitter dan receiver gelombang ultrasonik. HY-SRF05 menggunakan 5 pin.
Gambar 2.11 Sensor Ultrasonik HY-SRF05 (Elektor.com, 2019)
Tabel 2.6 menujukan mengenai ukuran, fitur dan spesifikasi yang ada pada sensor jarak ultrasonik HY-SRF05.
Tabel 2.6 Fitur Sensor Ultrasonik
Power Supply +5V DC
Arus daya <2 mA
Sudut efektif <15°
Pembacaan jarak 2 cm – 400 cm Pengukuran sudut 30°
21
Cara kerja sensor ultrasonik untuk mengukur jarak adalah sinyal dipancarkan oleh pemancar ultrasonik (trigger). Sinyal yang dipancarkan oleh ultrasonik akan merambat sebagai gelombang bunyi dengan kecepatan 340m/s, ketika gelombang bunyi menabrak suatu benda, maka sinyal tersebut akan dipantulkan oleh benda tersebut. Setelah gelombang pantulan sampai di alat penerima sinyal (echo) akan diproses. Jarak benda dihitung berdasarkan rumus S=340*t/2 dimana s merupakan jarak antara sensor dengan benda dan t adalah selisih waktu pancar dengan waktu penerimaan sinyal, untuk 340 adalah kecepatan rambat bunyi diudara. Data pin terdapat pada Tabel 2.7 dan Gambar 2.12.
Tabel 2.7 Data Pin Ultrasonik
No Nama Pin Keterangan 1 Vcc Pin Power Positif 2 Trig Pin Output Triger
3 Echo Pin Input Echo
4 Out Pin Mode
5 Gnd Pin Power Negatif
Gambar 2.12 Arah Gelombang Sensor Ultrasonik (Elang, 2015) 2.2.7 ESC
ESC adalah sebuah modul rangkaian elektronik yg fungsinya mengatur putaran pada motor sesuai arus yg dibutuhkan oleh motor. ESC yang dimaksud disini bekerja dan hanya bisa digunakan untuk motor jenis AC (3 fasa konektor) sedang untuk dinamo DC bisa tanpa menggunakan ESC dan bisa juga dengan ESC 2 fasa dan cukup 2 kutub catu daya + dan - (2 fasa konektor).
Jika dilihat dari fungsinya, kerja ESC untuk copter ini bekerja dipengaruhi oleh 2 faktor:
1. Kuat arus (ampere) untuk diberikan motor untuk mengontrol speed ampere ESC harus lebih besar dari pada motor atau minimal harus sama dengan motor.
Contoh motor mampu menyedot arus maksimal 30A, ESC harus mampu mensupply arus minimal 30A atau lebih besar. ESC yang memiliki spesifikasi ampere lebih kecil dari motor, maka ESC akan bekerja lebih extra untuk mensupply arus yang diberikan ke motor, dan bisa mengakibatkan ESC cepat panas dan terbakar, terlebih motor itu tidak bergerak bebas/dalam keadaan memutar beban.
2. Dipengaruhi oleh bobot beban, semakin besar beban yang diberikan maka ampere ESC diberikan akan semakin besar, ini sangat mempengaruhi dalam pemilihan spesifikasi ESC yang akan digunakan.
Gambar 2.13 ESC Turnigy 30A (Muttaqqin,2018) Tabel 2.8 menunjukan spesifikasi ESC Turnigy 30A,
Tabel 2.8 Spesifikasi ESC Turnigy 30 A
Arus Brust 40 A Arus Kontinyu 30 A Mode BEC Linier
BEC 5 V / 2 A
Baterai Cell 2-4 Cells
Berat 25 gr
Dimensi 45 x 24 x 11 mm
23
2.2.8 PWM (Pulse Width Modultion)
PWM merupakan sebuah mekanisme untuk membangkitkan sinyal keluaran yang periodenya berulang antara high dan low dimana kita dapat mengontrol durasi sinyal high dan low sesuai dengan yang kita inginkan. Duty cycle merupakan prosentase periode sinyal high dan periode sinyal, prosentase duty cycle akan bebanding lurus dengan tegangan rata-rata yang dihasilkan. Berikut ilustrasi sinyal PWM, misalkan kondisi high 5V dan kondisi low 0V. Pengaturan lebar pulsa modulasi atau PWM merupakan salah satu teknik yang baik yang digunakan dalam sistem kendali (control system) saat ini. Pengaturan lebar modulasi dipergunakan di berbagai bidang yang sangat luas, salah satu diantaranya adalah: speed control (kendali kecepatan), power control (kendali sistem tenaga), measurement and communication (pengukuran atau instrumentasi dan telekomunikasi).
Gambar 2.14 Sinyal PWM (Excel, 2018) 2.2.9 Towercopter
Towercopter merupakan suatu prototype alat digunakan dalam mengembangkan sistem kendali pada quadcopter. Towercopter terdiri atas 1 buah BLDC beserta propelernya yang dipasang diantara 2 tiang. Prinsip kerja dari alat ini adalah motor akan bekerja meluncur sejauh sumbu Y. Gaya dorong yang dihasilkankan berasal dari kecepatan putar propelernya. Semakin cepat putaran propeller, semakin besar pula daya dorong yang dihasilkan. Untuk
mempertahankan tinggi motor maka perlu adanya sebuah metode kontrol yang baik (Rifqi,2019).
2.2.10 LabView
LabVIEW adalah sebuah software pemrograman yang diproduksi oleh National Instruments dengan konsep yang berbeda. Seperti pemrograman lainnya yaitu C++, matlab atau Visual basic, LabVIEW juga mempunyai fungsi dan peranan yang sama, perbedaannya bahwa LabVIEW menggunakan pemrograman berbasis grafis atau blok diagram sementara pemrograman lainnya menggunakan basis text. Program LabVIEW dikenal dengan sebutan Vi atau virtual instruments karena penampilan dan operasinya dapat meniru sebuah instrument. Pada LabVIEW, pengguna pertama-tama membuat user interface atau front panel dengan menggunakan control dan indicator, yang dimaksud dengan control adalah knobs, push buttons, dials dan peralatan input lainnya sedangkan yang dimaksud dengan indikator adalah graphs, LEDs dan peralatan display lainnya. Setelah menyusun user interface, lalu pengguna menyusun blok diagram yang berisi kode- kode Vis untuk mengontrol front panel (Rajib, 2018). Software LabVIEW terdiri dari tiga komponen utama, yaitu:
1. Front panel
Front panel adalah bagian window yang berlatar belakang abu-abu serta mengandung control dan indicator. Front panel digunakan untuk membangun sebuah Visual Instrument, menjalankan program dan mendebug program.
2. Blok diagram Visual Instrument
Blok diagram adalah bagian window yang berlatar belakang putih berisi source code yang dibuat dan berfungsi sebagai instruksi untuk front panel.
3. Control dan Fuctions Pallete
Control dan Functions Pallete digunakan untuk membangun sebuah Visual Instrument.
25
Gambar 2.15 Tampilan Awal Labview 2.3 Hipotesis
Pada penelitian ini memiliki hipotesis yaitu terbentuknya suatu purwarupa sistem kendali ketinggian towercopter dengan menggunakan kendali PID. Setpoint dari sistem ini adalah nilai ketinggian yang dimasukkan lalu sistem akan menyesuaikan dengan keadaan sehingga ketinggian dari motor Brushless tetap terjaga. Komponen yang dikendalikan adalah motor Brushless yang akan dikendalikan oleh arduino. Sensor ultrasonik atau jarak digunakan untuk memantau atau sebagai masukan ke sistem. Perubahaan keadaan atau ketinggian dari towercopter akan ditampilkan pada aplikasi Labview untuk mengetahui perubahan yang diberikan pada sistem tersebut. Selain itu rancangan bangun ini dapat digunakan sebagai media pembelajaran tentang sistem kendali PID dengan kendali secara manual.
26
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini meliputi porses perancangan baik hardware maupun software yang membutuhkan beberapa hal, baik berupa alat dan bahan serta referensi yang berkaitan dengan penelitian ini.
3.1 Alat dan Bahan
Berdasarkan pada identifikasi kebutuhan pada penelitian ini, maka diperlukan beberapa analisa kebutuhan penelitian yang dibuat dengan spesifikasi alat dan bahan yang tertera pada sub-sub-bab 3.1.1 untuk kebutuhan alat dan 3.1.2 untuk kebutuhan bahan atau komponen yang digunakan.
3.1.1 Alat
Terdapat beberapa peralatan yang digunakan dalam penelitian ini, peralatan tersebut tercantum pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Daftar Peralatan yang Digunakan dalam Peneletian
No Nama Alat Spesifikasi
1 Laptop Asus A456U
2 Software Arduino Ver 1.8.5
3 Software Corel Draw Ver X7
4 Software Eagle Ver 6.5.0
5 Software Labview Ver 2013
6 Software Sketchup 2019
3.1.2 Bahan
Beberapa bahan dan komponen yang digunakan pada peneletian ini, bahan dan komponen tersebut secara umum tertera pada Tabel 3.2 berikut ini.
Tabel 3.2 Daftar Bahan dalam Penelitian
No Nama Bahan Spesifikasi Jumlah
1 Arduino Uno AT Mega 328P 1
2 Sensor Ultrasonik HY-SRF05 1
3 Modul Stepdown 12 V to 5 V 1
4 Powersupply 12V,5A 1
27
5 Motor Brushless Turnigy 2200 KV 1
6 ECS Turnigy 30A 1
7 LED 5mm 2
8 Akrelik 5 mm Secukupnya
9 Papan 50 x 50 cm 1
10 Besi Holo Kecil Bahan Alumunium 90 cm
11 Switch On-Off 20 mm 1
3.2 Tahapan Penelitian
Dalam pelaksanaan/rancangan ini penulis menggunakan metode diagram alir agar mempermudah dalam penelitian, dengan urutan sebagai berikut:
Gambar 3.1 Flowchat Jalannya Penelitian
MULAI LANDASAN TEORI IDENTIFIKASI MASALAH
BATASAN MASALAH TUJUAN PENELITIAN PERANCANGAN ALAT
PERLU PENGUJIAN
ALAT?
Tidak
PENGUJIAN ALAT
Tidak
AKURASI
PENGOLAHAN DATA
PENGOLAHAN MANUAL PENGOLAHAN SOFTWARE ANALISIS
KESIMPULAN DAN SARAN SELESAI
3.3 Perancangan Sistem
Pada tahap perancangan sistem ini meliputi cara kerja alat sistem kendali ketinggian towercopter dengan menggunakan kendali PID. Untuk mengetahui perancangan sistem tersebut secara keseluruhan maka dapat dilihat dari diagram blok pada Gambar 3.2 dibawah ini .
Gambar 3.2 Diagram Alir Perencanaa Sistem
Berdasarkan diagram alir diatas, sensor ultrasonik akan membaca jarak antara dasar (papan) dengan ketinggian penghubung antar 2 tiang penyangga (posisi motor). Data sensor ultrasonik tersebut akan dikirim ke arduino untuk diproses.
Pada proses yang terdapat di arduino akan memodifikasi lebar pulsa (PWM) yang dikeluarkan dengan metode PID. Keluaran dari mikrokontroller arduino tersebut berupa data PWM yang akan dikirimkan ke ESC. Selanjutnya ESC akan mengendalikan kecepatan putaran motor sesuai input yang dikirim oleh arduino.
Seluruh proses dapat dikendalikan dan dimonitoring dengan labview yang berfungsi sebagai HMI. Pada bagian HMI akan menampilkan grafik perubahan ketinggian dengan setpoint dalam waktu bersamaan, pada HMI terdapat tombol perintah untuk menjalankan program dan indikator error, gain PID, on-off proses dan sebagainya.
3.4 Perancangan Hardware
Tahapan perancangan hardware atau perangkat keras merupakan tahap pengaplikasian ide dari perencanaan suatu alat yang dibuat pada penelitian ini dengan cara membuat suatu rancangan rangkaian elektronis dan mekanis.
Perancangan ini meliputi bagian perancangan implementasi alat, perancangan wiring komponen, perancangan desain box komponen dan perancangan desain box power.
INPUT Sensor Ultrasonik
HY-SRF05
PROSES Arduino UNO
Kendali PID
OUTPUT Motor, ESC, HMI
Labview
29
3.4.1 Perancangan Cara Kerja Alat
Pada perancangan cara kerja alat ini untuk menjelaskan tentang penerapan dan pemasangan alat. Berikut perancangan implementasi alat yang ditunjukan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Perancangan Implementasi Alat
Pada Gambar 3.3 di atas penempatan beberapa komponen yang nantinya diimplementaikan pada sistem, dimana ada papan sebagai dasar atau alas dari pembuatan modul praktikum ini. Teradapat 2 tiang yang ditempelkan dan dibaut pada alas modul dengan jarak sebesar 20 cm. Antara tiang penyangga terdapat papan akrelik penghubung yang dimana pada papan penghubung tersebut terdapat dudukan motor Brushless dan akan diletakan motor Brushless diatas dudukan tersebut. ESC akan ditempel pada bagian alas dekat dengan tiang penyangga bagian kiri. Pada modul ini terdapat power supply yang diletakan pada alas (box nomor 1).
Box kecil (box 2) adalah fitting kabel power dan saklar power antara powersupply dengan box kontrol (box 3). Box kontrol terdiri dari led yang didalamnya terdapat rangkaian stepdown dan Arduino Uno. Pada box kontrol terdapat jalan kabel dari sensor , kabel ke ESC, dan kabel USB yang akan dikoneksikan ke laptop atau Pc.
3.4.2 Perancangan Wiring Komponen
Gambar 3.4 Perancangan Wiring Komponen
Gambar 3.4 diatas adalah rancangan rangkaian komponen-komponen yang digunakan. Rangkaian ini terdiri dari rangkaian input dan rangkaian output dari mikrokontroller Arduino Uno. Rangkaian input berupa sensor ultrasonik HY- SRF05 dengan menggunakan 4 pin, 4 pin tersebut terdiri dari 2 pin daya dan 2 pin data. Sensor ultrasonik ini memiliki 2 pin data yaitu triger dan echo. Pin triger menggunakan pin input arduino nomor 7, sedangkan pin echo menggunakan pin input arduino nomor 6. Rangkaian output terdiri dari ESC yang mendapatkan masukan perintah dari arduino, pin yang digunakan adalah pin pwm nomor 9.
Seluruh rangkaian input, output, dan mikrokontroller mendapatkan sumber energi listrik yang berasal dari power supply 12 volt 10 Ampere.
3.4.3 Perancangan Desain Box Komponen
Gambar 3.5 Desain Box Komponen
31
Pada gambar diatas merupakan desain box komponen yang akan ditempatkan diatas papan alas. Box komponen tersebut digunakan sebagai tempat untuk meletakan modul step down, mikrokontroller arduino, jalur masukan dari sensor jarak, jalur keluaran ESC untuk kendali motor, jalur kabel USB untuk komunikasi antara laptop dengan arduino dan 3 buah indikator led 5 mm sebagai indikator jalannya proses. Box ini berukuran 14 x 10 x 7 cm, tujuan penggunaan box komponen ini untuk melindungi komponen elektronik dari benturan benda lain dan membuat ringkas dalam penataan komponen tersebut.
3.4.4 Perancangan Desain Box Power
Pada box ini terdiri dari jalur masukan power dari power supply, jalur keluaran yang akan meuju ke box komponen dan satu buah saklar on-off untuk pemutus atau penghubung sumber. Box ini digunakan untuk meringkas kabel power atau ekstetika kerapian kabel dan sebagai saklar utama kendali power. Perancangan box power ini bertujuan juga untuk mempermudah dalam pengoperasian modul praktikum ini dan untuk mempermudah dalam proses perbaikan jika terjadi kendala pada modul praktikum ini. Box power ini memiliki dimensi 7 x 5 x 4.5 cm. Desain box power ditunjukan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Desain Box Power 3.5 Perancangan Software
Pada tahapan perancangan software atau perangkat lunak merupakan tahap yang dilakukan setelah melakukan perancangan hardware atau perangkat keras.
Software berfungsi untuk menjalankan fungsi dari perangkat keras yang dibuat karena hardware yang dirancang tidak bisa digunakan apabila tidak diintegrasikan
dengan perancangan software. Pada modul praktikum ini menggunakan mikrokontroller Arduino Uno. Mikrokontroller arduino ini diprogram dan dikendalikan oleh software labview. Labview selain berfungsi untuk mengendalikan mikrokontroller arduino juga berfungsi untuk menampilan grafik hasil kendali PID dan parameter-parameter yang berkerja pada sistem. Berikut flowchart yang akan ditunjukan pada Gambar3.7 dibawah ini.
Gambar 3.7 Diagram Alir Perancangan Software
Pada Gambar 3.7 diatas adalah diagram alir percancangan software. Alur proses perancangan dimulai dari melakukan inisialisasi pin arduino oleh labview
33
umtuk mengakses sensor jarak, memberikan keluaran PWM, serta menampilkan indikator-indikator yang ada. Selanjutnya labview akan membaca sensor ultrasonik untuk mendapatkan data ketinggian. Sensor ultrasonik akan memberikan data ketinggian selama program berjalan. Selain mengakses sensor jarak labview akan memberikan keluaran berupa PWM sebesar 1300. Pada PWM ini kondisi motor belum bergerak. Tujuan diberikan PWM ini untuk mempercepat respon motor.
Selanjutnya saat switch ready diaktifkan dan switch go kondisi mati maka sistem akan mengeluarkan PWM sebesar 1410. Pada kondisi PWM ini motor telah berputar namun belum memiliki daya angkat, tujuan dilakukan hal ini agar motor dalam keadaan standby dan sebagai pemanasan motor Brushless agar masa pakai motor lebih lama. Jika switch ready belum diaktifkan maka sistem akan kembali mengluarkan PWM sebesar 1300. Setelah mengaktifkan switch ready, selanjutnya kita memasukan parameter kp, ki, dan kd. Sistem akan membaca nilai masukan parameter kp, ki, dan kd. Jika kita mengaktifkan switch ready dan switch go maka selanjutnya kita dapat memasukan nilai setpoint dan sistem akan mengelurkan PWM sebesar 1410 ditambah nilai kendali dari PID. Jika switch ready aktif dan switch go mati maka sistem akan mngeluarkan PWM sebsesar 1410. Selanjutnya labview akan menampilkan grafik antara setpoint dengan jarak yang terukur, selain itu labview akan menampilkan bebapa indikator kondisi dan nilai penguatan dari kendali PID. Jika nilai dari setpoint belum sama dengan nilai jarak yang terukur maka nilai PWM yang dikeluarkan bergantung pada kendali PID, namun jika nilai setpoint setara dengan jarak yang terukur maka nilai PWM yang dikeluarkan bernilai konstan. Untuk lebih memahami cara kerja sistem kendali PID maka akan ditunjukan Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Diagram Alir Kendali PID
