ALAT PERAGA SISTEM KENDALI PENDULUM TERBALIK
oleh
Face Roza Marchiano
NIM: 612008047
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
i
INTISARI
Sistem pendulum terbalik adalah suatu sistem yang memiliki cara kerja untuk
mengatur posisi kesetimbangan sebuah pendulum terbalik pada posisi tegak lurus ke
atas terhadap sumbu mendatar. Sistem ini adalah salah satu jenis sistem yang tidak
stabil. Oleh karena itu sistem ini membutuhkan suatu sistem kendali yang dapat
menjaga kestabilan sistem ini.
Dalam skripsi ini sistem kendali PID akan diterapkan pada sistem pendulum
terbalik agar dapat mencapai titik set point yang diinginkan. Hal ini dilakukan dengan
menghitung selisih antara sudut aktual dan set point, dan kemudian nilai selisih tersebut
akan dikalkulasi sistem kendali PID bersama konstanta Kp, Ki, dan Kd yang diinginkan. Pada sistem ini sudut aktual merupakan masukan yang dihasilkan oleh batang pendulum
dengan menggunakan sensor absolute rotary encoder. Sensor ini menghasilkan
keluaran berupa BCD code yang kemudian dikonversi ke dalam bilangan desimal.
Selanjutnya bilangan decimal tadi dikonversi kedalam besaran sudut dari -179 sampai
180 .Sistem kendali PID ini dipasangkan pada pengendali utama Arduino Mega 2560,
dilengkapi dengan suatu program user interface. Program ini dapat digunakan untuk
mengatur konfigurasi nilai konstanta Kp, Ki, dan Kd, mengamati tanggapan sistem pendulum terbalik berupa grafik sudut aktual pendulum terhadap waktu, mengamati
besarnya rise time, maximum overshoot, peak time dan settling time dari sistem.
Dari pengujian yang telah dilakukan alat ini dapat menjaga kondisi stabil
pendulum dalam selang waktu waktu antara 3000 hingga 5000 ms dengan konfigurasi
ii
ABSTRACT
Inverted pendulum system is a system which has a way of working to adjust the
pendulum’s equilibrium position in upright position to the top of horizontal axis. This
system is one type of system that is not stable. Therefore, these systems require a
control system that can maintain its stability.
In this thesis PID control system will be applied to the inverted pendulum system
to achieve the desired set point. This is done by calculating the difference between the
actual angle and the set point angle, then the value of the excess is calculated by PID
control system along with the desired constants Kp, Ki, and Kd. In this system, the actual angle is an input generated by the pendulum using absolute rotary encoder sensor.
These sensors produce BCD code as the output which is then converted to a decimal
numbers. Furthermore, those decimal numbers are converted into the angle of -179 to
180 . The PID control system is attached to the main controller Arduino Mega 2560
which is equipped with a user interface program. This program can be used to configure
the value of the constants Kp, Ki, and Kd, observe the inverted pendulum system
responses in the form of pemdulum’s actual angle graph with respect to time, observe
the magnitude of rise time, maximum overshoot, peak time and settling time of the
system.
From the testing that has been done this tool can keep the pendulum stable
condition in the interval of time between 3000 to 5000 ms with PID constants
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Bapa yang Maha Mulia,
karena melalui Anak-Nya Yesus Kristus, penulis dapat menyelesaikan perancangan dan
penulisan skripsi ini dengan baik sebagai syarat untuk menyelesaikan studi di Fakultas
Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana.
Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih kepada
semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini baik itu
secara langsung, maupun secara tidak langsung.
1. Tuhan Yesus Kristus, atas berkat, rahmat, serta kasih setia-Nya dalam membimbing
dan membantu penulis menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak dan mama yang selalu membantu baik secara materi maupun dukungan
berupa doa, kasih sayang dan kesabaran. Dukungan bapak dan mama selalu
membuatku bersemangat dalam mengerjakan skripsi ini.
3. Pembimbing I, bapak Deddy Susilo, dan pembimbing II, bapak Gunawan
Dewantoro, trimakasih atas bimbingan, saran, nasihat, kesabaran, serta waktu yang
telah bapak sempatkan untuk membimbing dalam menyelesaikan skripsi ini.
4. Adik Stivan “Nganga”, Claudio “Joko”, Irma, Tika, Indri, om dan tante, dan semua
keluarga atas dukungan dan ejekan kalian yang selalu membuat penulis tertawa dan
semakin terpacu dalam menyelesaikan skripsi ini.
5. Triloka Mahesti, terimakasih atas bantuan, doa, dukungan dan kasih sayang yang
telah diberikan selama pengerjaan skripsi ini.
6. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Dita, Mbak
Vera, Pak Bambang.
7. Teman-teman FTEK 2008, terkhusus Daniel “Jemblink”, Hendro, Hendika “Dung”,
Reno “Gndut”, Christo, Bayu “Bams”, Cesar “Cespuk”, Ditya “Bagong”, Ryo, Yahya, Catur, Meyhart, Demas, Dhani “Bgenk”. Kalian pro imba cute!!
8. Para penghuni “Neraka Jahanam jilid 2” yang banyak membantu dalam
menyelesaikan skripsi ini, mas Miz, bang DK, Ivan, Januar Nur “Arduino”, Bintang “The Comment”, Agung, Ardit, Daniel, Gigih, “Pakde”, Wikan, Yuli, Vinlux,
iv
9. Semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini namun tidak
dapat disebutkan satu per satu, terima kasih banyak.
Sekali lagi terima kasih banyak atas semua bantuan yang telah diberikan semua
pihak dalam membantu penulis menyelesaikan skripsi ini, semoga Tuhan dapat
membalas semua kebaikan anda semua.
Penulis sadar bahwa, tidak ada yang sempurna dalam kehidupan ini termasuk
penulisan skripsi ini. Oleh karena ini, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari
para pembaca sehingga skripsi ini dapat berguna bagi setiap orang yang membacanya.
Semoga skripsi ini dapat menjadi berkat bagi setiap pembaca, terima kasih. Tuhan
Memberkati.
Salatiga, Oktober 2015
v
2.1. Pemodelan Sistem Pendulum Terbalik ... 4
2.1.1. Pemodelan Secara Fisik dan Penurunan Persamaan Matematis ... 4
2.1.2. Kestabilan Sistem ... 7
2.1.2.1. Metode Letak Pole ... 7
2.2. Step Response ... 9
2.3. Sistem Kendali ProportionalIntegralDerivative (PID) ... 10
2.4. Sensor ... 14
2.4.1. RotaryEncoder ... 14
2.4.1.1. AbsoluteRotaryEncoder ... 15
2.4.2. PhotoInterrupter ... 16
2.5. Aktuator ... 17
2.6. Mikrokontroler ... 21
2.6.1. AVR ... 22
vi
BAB III PERANCANGAN ALAT ... 26
3.1. Gambaran Alat ... 26
3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras ... 27
3.2.1. Perangkat Keras Modul Mekanik ... 28
3.2.2. Perangkat Keras Modul Elektronik ... 30
3.2.2.1. Pengendali Utama ... 30
3.2.2.2. Sensor ... 33
3.2.2.2.1. AbsoluteRotaryEncoder ... 33
3.2.2.2.1. PhotoInterrupter ... 37
3.2.2.3. Aktuator ... 38
3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak ... 38
3.3.1. Perangkat Lunak Mikrokontroler ... 38
3.3.2. Perangkat Lunak User Interface ... 41
3.3.2.1. Cara Kerja Program User Interface ... 41
3.3.2.2. Penjelasan Tampilan Program User Interface ... 43
3.3.2.2.1. PID Configuration... 44
3.3.2.2.2. DisplayInformation ... 44
3.3.2.2.3. Data ... 45
3.3.2.2.4. Grafik ... 45
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ... 46
4.1. Pengujian Dimensi Mekanik ... 46
4.2. Pengujian Dimensi dan Massa Batang Pendulum ... 47
4.3. Pengujian Sensor ... 48
4.3.1. Pengujian Sensor Absolute Rotary Encoder ... 48
4.3.1.1. Pengujian Tegangan Keluaran Absolute Rotary Encoder ... 48
4.3.1.2. Pengujian Kode Biner Keluaran Absolute Rotary Encoder ... 50
4.3.1.3. Pengujian Sudut Absolute Rotary Encoder ... 54
4.3.2. Pengujian Sensor Photo Interrupter. ... 55
4.4. Pengujian Driver Motor ... 56
4.5. Pengujian Sistem Kendali ... 58
vii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 69
5.1. Kesimpulan ... 69
5.2. Saran Pengembangan ... 69
DAFTAR PUSTAKA ... 71
viii
Gambar 2.12. Beberapa contoh piringan optik absolute rotary encoder ... 16
Gambar 2.13. Sensor photo interrupter dan rangkaiannya ... 17
Gambar 3.1. Blok diagram keseluruhan sistem kendali pendulum terbalik ... 27
Gambar 3.2. Rancangan desain mekanik tampak depan ... 28
Gambar 3.3. Rancangan desain mekanik tampak belakang ... 28
Gambar 3.4. Bidang penyangga dan batang pendulum ... 29
Gambar 3.5. Realisasi mekanik bidang penyangga dan batang pendulum ... 29
Gambar 3.6. Realisasi keseluruhan mekanik alat ... 30
Gambar 3.7. Skema perancangan mikrokontroler board arduino mega 2560 sebagai pengendali utama ... 31
Gambar 3.8. Realisasi bagian pengendali utama dan kotak kontroler ... 32
ix
Gambar 3.10. Absolute rotary encoder EP50S8-360-1F-N-24 ... 33
Gambar 3.11. BCD code output absolute rotary encoder EP50S8-360-1F-N-24 ... 34
Gambar 3.12. Diagram pengendali keluaran absolute rotary encoder EP50S8-360-1F-N-24 ... 35
Gambar 3.13. Skema perancangan pengendali keluaran absolute rotary encoder EP50S8-360-1F-N-24 ... 36
Gambar 3.18. Diagram alir mikrokontroler ... 39
Gambar 3.19. Diagram alir program user interface ... 42
Gambar 4.7. Pengujian tegangan keluaran rotaryencoder setelah diberi resistor ... 49
Gambar 4.8. Pengujian akhir pengendali keluaran rotaryencoder ... 50
Gambar 4.9. Pengujian tegangan masukan photointerrupter ... 55
Gambar 4.10. Pengujian tegangan keluaran photointerrupter saat dihalangi ... 55
Gambar 4.11. Pengujian tegangan keluaran photointerrupter saat tidak dihalangi ... 56
x
Gambar 4.20. Tuning dengan Kp=22, Ki=0.2, Kd=24 ... 60
Gambar 4.21. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.2, Kd=20 ... 61
Gambar 4.22. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.4, Kd=14 ... 61
Gambar 4.23. Tuning dengan Kp=10, Ki=0, Kd=10 ... 61
Gambar 4.24. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.2, Kd=30 ... 62
Gambar 4.25. Tuning dengan Kp=12, Ki=0.2, Kd=24 ... 62
Gambar 4.26. Tuning dengan Kp=14, Ki=1, Kd=10 ... 62
Gambar 4.26. Tuning dengan Kp=20, Ki=0.2, Kd=25 ... 62
Gambar 4.27. Tuning dengan Kp=24, Ki=0.2, Kd=27 ... 63
Gambar 4.28. Tuning dengan Kp =0, Ki =0, Kd =5 ... 64
Gambar 4.29. Tuning dengan Kp=0, Ki=0, Kd=10 ... 64
Gambar 4.30. Tuning dengan Kp=0, Ki=5, Kd=0 ... 65
Gambar 4.31. Tuning dengan Kp=5, Ki=0, Kd=0 ... 65
Gambar 4.32. Tuning dengan Kp=22, Ki=0.2, Kd=24 ... 65
Gambar 4.33. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.2, Kd=20 ... 65
Gambar 4.34. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.4, Kd=14 ... 66
Gambar 4.35. Tuning dengan Kp=10, Ki=0, Kd=10 ... 66
Gambar 4.36. Tuning dengan Kp=10, Ki=0.2, Kd=30 ... 66
Gambar 4.37. Tuning dengan Kp=12, Ki=0.2, Kd=24 ... 66
Gambar 4.38. Tuning dengan Kp=14, Ki=1, Kd=10 ... 67
Gambar 4.39. Tuning dengan Kp=20, Ki=0.2, Kd=25 ... 67
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Efek kenaikan nilai konstanta PID. ... 12
Tabel 2.2. Deskripsi dan fungsi pin konektor power & motor header (J1) [12] ... 19
Tabel 2.3. Deskripsi dan fungsi pin interface header (J2) [12] ... 20
Tabel 2.4. Tabel kebenaran EMS 5A H-Bridge [12] ... 21
Tabel 3.1. Konfigurasi pin yang digunakan pada pengendali utama ... 32
Tabel 3.2. Warna kabel keluaran BCD code absolute rotary encoder EP50S8-360-1F-N-24 ... 35
Tabel 4.1. Hasil pengujian kode biner keluaran rotary encoder ... 51
Tabel 4.2. Hasil pengujian sudut rotary encoder dan busur derajat ... 54
Tabel 4.3. Hubungan antara PWM dan tegangan motor DC ... 57
xii
DAFTAR ISTILAH
Kp Konstanta proportional
Ki Konstanta integral
Kd Konstanta derivative
LTI Linear Time Invariant
BIBO Bounded Input Bounded Output
PID Proportional Integral Derivative
Tr Rise Time
Tp Peak Time
Ts Settling Time
LED Light Emitting Diode
AVR Alf and Vegard’s Risc
RISC Reduced Instruction Set Computer
DC Direct Current
CPU Central Processing Unit
I/O Input / Output
PWM Pulse Width Modulation
UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter
RAM Random Access Memory
USB Universal Serial Bus
ICSP In Circuit Serial Programming
xiii BCD Binary Code Decimal
CCW Counterclockwise
CW Clockwise
