MAKALAH Sistem Kendali
Implementasi Sistim Navigasi Wall Following Mengguakan Kontrol PID Dengan Metode Tuning Pada Robot Beroda
oleh : ALFON PRIMA 1101024005
PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK NEGERI PADANG
2013
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, Pemelihara seluruh alam raya, yang atas limpahan rahmat, taufik dan hidayah-Nya, penulis mampu menyelesaikan makalah sistem kendali ini. Makalah ini dikerjakan untuk melengkapi tugas mata kuliah sistem kendali II di jurusan elektro ,program studi teknik teknik listrik listrik
Politeknik Negeri
Padang. Terselesaikannya makalah ini tentunya tak lepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, ucapan terima kasih yang tak terhingga penulis sampaikan kepada semua pihak. Semoga karya penelitian makalah ini dapat memberikan manfaat dan kebaikan bagi banyak pihak demi kemaslahatan bersama serta bernilai ibadah di hadapan Allah SWT. Amien. Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan untuk perbaikan di masa yang akan datang. Walaupun demikian penulis mengharapkan makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Padang, 12 Juli 2013
Penulis
BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan teknologi elektronika yang semakin maju, maka teknologi kontrol juga mengalami banyak kemajuan dari kontrol konvensional ke kontrol otomatik sampai ke kontrol cerdas. Perkembangan teknik kontrol sudah merambah dari peralatan industri yang kompleks, perlengakapan militer sampai ke peralatan rumah tangga. Beberapa sistem kontrol yang mudah dijumpai di antaranya adalah pengaturan suhu, pengaturan kelembaban ruangan, pengaturan pencucian pakaian, pengaturan gerak robot, pengaturan mobil remote dan lain sebagainya. Dalam mata kuliah sistem kendali, salah satu materi yang diberikan adalah perancangan sistem kontrol. Sistem kontrol yang baik mempunyai tanggapan yang baik terhadap sinyal masukan yang beragam. Dalam perancangan sistem kontrol ini diperlukan gambaran tanggapan sistem dengan sinyal masukan dan aksi pengontrolan yang meliputi, tanggapan sistem terhadap masukan, kestabilan sistem yang dirancang, tanggapan sistem terhadap berbagai jenis aksi pengontrolan Salah satu bahasan dalam mata kuliah sistem kontrol adalah kontrol P, PI, PD dan PID yang sering digunakan dan banyak diberikan dalam materi sistem kontrol di perguruan tinggi. Hal ini disebabkan karena sistem ini merupakan sistem kontrol loop tertutup yang cukup sederhana dan kompatibel dengan sistem kontrol lainnya sehingga dapat dikombinasikan. dengan sistem kontrol lain seperti Fuzzy control, Adaptif control dan Robust control.
Berdasarkan latar belakang tersebut maka penulis mengangkat judul makalahtugas akhir yaitu, ” Implementasi Sistim Navigasi Wall Following Mengguakan Kontrol PID Dengan Metode Tuning Pada Robot Beroda” I.2 Tujuan
- Mengetahui prinsip kerja kontroler PID - Mengetahui pengontrolan motor dengan kontroler PID
I.3 Rumusan masalah
- Bagaimana prinsip kerja pengontrolan PID - Bagaimana pengontrolan motor robot dengan kontroler PID - Apa keuntungan kontroler PID Permasalahan utama pada control robot beroda wall follower beroda adalah bagaimana merancang dan menentukan metode pergerakan mobile robot agar robot dapat bergerak dan menyelesaikan tugasnya Salah satu solusi metode yang digunakan untuk menyusuri arena tersebut adalah dengan mengikuti sisi dinding (metode wall following) pada arena menggunakan sensor ultrasonik PING. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu sistem untuk menunjang metode tersebut yang dapat mengatasi kelemahan-kelemahan dalam pergerakan.
BAB II TEORI DASAR
PID berasal dari singkatan bahasa Proportional –Integral –Derivative controller merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.
Fungsi alih H(s) pada sistem kontrol PID merupakan besaran yang nilainya tergantung pada nilai konstanta dari sistem P, I dan D
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang
perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D
agar
sinyal
tanggapan
keluaran
sistem
terhadap
masukan tertentu
sebagaimana yang diiginkan. Tabel 1 Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter
Untuk merancang sistem kontrol PID, kebanyakan dilakukan dengan metoda coba- coba atau (trial & error). Hal ini disebabkan karena parameter Kp, Ki dan Kd tidak independent. Untuk mendapatkan aksi kontrol yang baik diperlukan langkah coba-coba dengan kombinasi antara P, I dan D sampai ditemukan nilai Kp, Ki dan Kd seperti yang diiginkan. 1. Kontrol Proporsional Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u = G(s) • e maka u = Kp • e dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain
(penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan settling time. 2. Kontrol Integratif Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u(t ) = integrale(t )dT ]Ki dengan Ki adalah konstanta Integral, dan dari persamaan diatas,
G(s) dapat dinyatakan sebagai u =Kd .[deltae / deltat ] Jika e(T) mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error. Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan output berosilasi karena menambah orde sistem 3. Kontrol Derivatif
Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan sebagai G(s) = s.Kd Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat dari kontrol D ini dalam konteks “kecepatan” atau rate dari error. Dengan sifat ini ia dapat
digunakan untuk memperbaiki respon transien dengan memprediksi error yang akan terjadi. Kontrol Derivative hanya berubah saat ada perubahan error sehingga saat error statis kontrol ini tidak akan bereaksi, hal ini pula yang menyebabkan kontroler Derivative tidak dapat dipakai sendiri
1.1 Kontrol Proporsional
Kontrolerproporsionalialahkontrolertersederhana yang digunakanuntukmengontrolindustri proses selainkontroler on-off. Moduliniakanmenjelaskanprinsipkerjakontroler P, terminology yang berhubungandengankontrolerjugabatasandankelebihan.Unitiniakanmemfokuska nkontrolerpneumatikkarenakontrolerjenisinilebihmudahuntukdimengerti. Kontrol Proporsional memiliki Karakteristik bahwa outputnya berupa variable yang dikontrol berubah sebanding (proporsional) dengan inputnya yang berupa variable selisih (error) antara masukan acuan (reference) dengan variable termanipulasi atau output nyata dari plant. Karakteristik dan diagram blok controller ini diperlihatkan pada gambar. Aplikasi controller proporsional misalnya pada pengaturan tinggi permukaan air seperti pada gambar. Buka tutup katup akan sebanding dengan posisi pelampung yang mengukur selisih antara tinggi permukaan air yang diinginkan (referensi) dengan tinggi air sesungguhnya (x). Apabila tinggi air sesungguhnya sangat rendah maka katup akan membuka lebar-lebar, sebaliknya apabila tinggi air sesungguhnya melebihi tinggi air acuan maka katup akan menutup sekecil mungkin.Respon system control dengan control proporsional diperlihatkan pada gambar. Hubungan antara variable yang dikontrol y dengan error e dinyatakan dengan bentuk persamaan linier dengan konstanta kesebandingan (proporsional). Kontroler proposional memiliki keluaran yang sebanding/proposional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya) [Sharon, 1992, 19]. Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran kontroller proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya. Perubahan pada sinyal masukan akan segera menyebabkan sistem secara langsung mengubah keluarannya sebesar konstanta pengalinya.
Gambar 1 Diagram blok kontroler proporsional
Gambar diatas menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran kontroller proporsional. Sinyal keasalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting dengan besaran aktualmya. Selisih ini akan mempengaruhi kontroller, untuk mengeluarkan sinyal positip (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan). Kontroler proporsional memiliki 2 parameter, pita proporsional ( proportional band ) dan konstanta proporsional. Daerah kerja kontroller efektif dicerminkan
oleh Pita proporsional (Gunterus, 1994, 6-24), sedangkan konstanta proporsional menunjukkan nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan, K p. Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (K p) ditunjukkan secara prosentasi oleh persamaan berikut:
Proportional band dari kontroler proporsional tergantung pada penguatan.
Gambar 2 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran kontroler dan kesalahan yang merupakan masukan kontroller. Ketika konstanta proporsional bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit[Johnson, 1988, 372]. Ciri-ciri kontroler proporsional harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroller proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini: 1. Kalau nilai Kp kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat. 2. Kalau nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantabnya. 3. Namun jika nilai K p diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi [Pakpahan, 1988, 193].
KONTROL PID
PID (dari singkatan bahasa Proportional –Integral –Derivative controller) merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut.
Gambar Blok Diagram PID controller
Diagram Blok system berumpan balik:
Kontrol PID berfungsi mengolah sinyal error dan sinyal control dimana hubungan sinyal control dapat Proporsional, Integral, Derivative dan gabungan diantaranya.
Fungsi alih H(s) pada sistem kontrol PID merupakan besaran yang nilainya tergantung pada nilai konstanta dari sistem P, I dan D.
Keterangan: (Kp) : Konstanta Proporsional (Ki) : Konstanta Integral (Kd) : Konstanta Derivative
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional ), D (Derivative) dan I (Integral ), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diiginkan. Untuk merancang sistem kontrol PID, kebanyakan dilakukan dengan metoda coba-coba atau ( trial & error ). Hal ini disebabkan karena parameter Kp, Ki dan Kd tidak independent . Untuk mendapatkan aksi kontrol yang baik
diperlukan langkah coba-coba dengan kombinasi antara P, I dan D sampai ditemukan nilai Kp, Ki dan Kd seperti yang diiginkan.
Tabel Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter:
Dengan aksi kontrol P, I dan D, terlihat bahwa kriteria sistem yang diinginkan hampir mendekati, terlihat dari grafik tanggapan sistem tidak memiliki overshoot , waktu naik yang cepat, dan kesalahan keadaan tunaknya sangat kecil
mendekati nol. Grafik tanggapan sistem terhadap sinyal masukan fungsi langkah, tergantung pada nilai parameter Kp, Kd dan Ki. Berikut grafik tanggapan sistem terhadap aksi kontrol PID:
Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendirisendiri tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant. Berikut penjelasan dari ketiga kontrol tersebut: 1. Kontroler Proporsional (P)
Pengaruh pada sistem : 1. Menambah atau mengurangi kestabilan. 2. Dapat memperbaiki respon transien khususnya : rise time, settling time 3. Mengurangi (bukan menghilangkan) Error steady state Nb: Untuk menghilangkan Ess, dibutuhkan KP besar, yang akan membuat sistem lebih tidak stabil.
Kontroler Proporsional memberi pengaruh langsung (sebanding) pada error.Semakin besar error, semakin besar sinyal kendali yang dihasilkan kontroler. Untuk lebih jelasnya maka lihat gambar berikut:
2. Kontroler Integral (I)
Pengaruh pada sistem : 1. Menghilangkan Error Steady State 2. Respon lebih lambat (dibandingkan dengan P) 3. Dapat Menambah Ketidakstabilan (karena menambah orde pada sistem) Perubahan sinyal kontrol sebanding dengan perubahan error. Semakin besar error, semakin cepat sinyal kontrol bertambah/berubah. Lebih jelasnya maka lihat gambar berikut:
3. Kontroler Derivatif (D)
Pengaruh pada sistem : 1. Memberikan efek redaman pada sistem yang berosilasi sehingga bisa memperbesar pemberian nilai Kp 2. Memperbaiki respon transien, karena memberikan aksi saat ada perubahan error 3. D hanya berubah saat ada perubahan error, sehingga saat ada error statis D tidak beraksi.Sehingga D tidak boleh digunakan sendiri Besarnya sinyal kontrol sebanding dengan perubahan error (e), semakin cepat error berubah, semakin besar aksi kontrol yang ditimbulkan. Lebih jelasnya maka lihat gambar berikut:
BAB III ISI Perancangan kontroler PID ini menggunakan metode Tuning parameter ke dua Ziegler-Nichols, yaitu metode osilasi, karena dalam memodelkan perilaku metode navigasi Wall Following, sensor PING))) akan terus berosilasi karena jarak yang selalu berubah-ubah. Dengan menggunakan metode ini dapat dengan cepat menentukan parameter kontroler PID supaya sistem close loop memenuhi kriteria performansi yang diinginkan. Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dirancang dan diterapkan suatu sistem menggunakan
kontroler PID sebagai pengontrol kestabilan robot otomatis dalam navigasi wall following serta membuat software untuk mengimplementasikan metode osilasi Ziegler-Nichols pada tuning parameter kontrol PID. Sensor ultrasonik yang dipakai adalah sensor ultrasonik tipe PING))) untuk mengukur jarak. Mobile robot yang dibuat menggunakan penggerak tipe differential drive[3] sehingga digunakan dalam model
lintasan/lorong sesuai aturan dalam KRCI Divisi Senior Beroda tanpa objek atau halangan apa pun. Sistem robot bersifat close loop, sebatas bernavigasi dan memantau posisi robot dalam arena. Modul Transceiver YS-1020 hanya digunakan untuk pengambilan data dalam proses tuning parameter dengan metode Tuning osilasi Ziegler-Nichols dalam desain kontroler PID. bagaimana penerapan kendali PID untuk robot Wall Follower agar saat berjalah mengikuti Wall (dinding) dapat bergerak dengan halus, cepat dan responsive Teori Wall Follower:
Wall Follower adalah suatu algoritma untuk menyediakan orientasi navigasi kepada robot dengan menyusuri dinding. Salah satu keuntungannya adalah tidak perlu adanya garis penuntun ataupun suatu tanda khusus sebagai arahan bagi robot. Cara kerjanya adalah dengan mengatur jarak dinding dengan robot tetap konstan. Bila terjadi perubahan, maka robot akan bergerak untuk kemudian menyesuaikan jarak lagi. Proses ini akan dilakukan secara berulang-ulang. Ada empat metode dari Wall Follower:
Contact. Robot menggunakan saklar mekanik yang merasakan sentuhan dengan dinding. Ini adalah metode yang paling mudah namun saklar akan cenderung mengalami kerusakan mekanis setelah beberapa waktu.
Noncontact, active sensor. Robot menggunakan sensor aktif yang beroperasi dalam jarak dekat seperti infra merah atau ultrasonik untuk mengukur jarak antara dinding dengan robot.
Noncontact, passive sensor. Robot memakai sensor pasif seperti saklar Hall effect untuk mengukur jarak antara robot dengan dinding. Pada kasus ini, dinding harus berbahan logam atau dipasangai kabel elektrik agar sensor dapat menangkap medan magnetik saat robot mendekati dinding.
Soft-contact. Robot menggunakan bahan mekanik untuk mendeteksi sentuhan dengan dinding, namun sentuhan ini diperhalus dengan memasang material lunak atau lentur contohnya roda dari busa atau karet. Kelebihan dari metode ini adalah berkurangnya kerusakan mekanis.
Metode-metodeWall Follower :
Desain mekanik robot Wall Follower :
Desain elektronik robot Wall Followerku :
Tampilan hasil desain dan rancangan robot Wall Follower :
Pemrograman Kontroler PID pada Robot Wall Follower :
Pembuatan program kontroler PID ini dilakukan berdasarkan persamaan kontroler PID digital. Pertama-tama akan dibuat dua buah variabel berupa error, last_error. Gunanya adalah untuk menyimpan data error dan last_error yang akan digunakan pada perhitungan aksi kontroler PID. Setiap satu kali looping program, error akan diperbaharui dengan data yang diambil dari sensor dan sebelumnya akan disimpan di last_error. Keluaran dari perhitungan program kontroler PID ini adalah nilai PWM. Nilai PWM ini dapat bernilai positif ataupun negatif. Positif dan negatif pada nilai PWM ini menandakan arah putaran motor. Keluaran kontroler berupa nilai PWM ini akan memanggil fungsi pengendali driver motor, pada fungsi ini apabila PWM bernilai positif, maka motor akan berputar maju, sebaliknya bila PWM bernilai negatif, maka motor akan berputar mundur. Nilai PWM keluaran dari kontroler PID ini akan ditambahkan dan dikurangkan terlebih dahulu dengan base PWM untuk masing-masing motor dan
dijumlahkan dengan offset PWM pada masing-masing motor tersebut. Ilustrasi aplikasi kontroler PID dapat dijelaskan pada diagram blok berikut. Diagram blok kontroler PID pada robot Wall Follower :
Deviasi/simpangan antar variabel terukur (PV) dengan nilai acuan (SP) disebut error (galat). Setpoint (SP) adalah suatu prameter nilai acuan atau nilai yang diinginkan. Present Value (PV) adalah nilai pembacaan sensor saat itu atau variabel terukur yang di umpan balikan oleh sensor (sinyal feedback). Berikut Gambar ilustrasi kontroler PID pada robot Wall Follower dan arsitektur kontroler PID pada robot Wall Follower. Ilustrasi kontroler PID pada robot Wall Follower :
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan pada pengerjaan tugas akhir ini, maka dapat diperoleh beberapa simpulan diantaranya: 1. Sensor ultrasonik PING))) memiliki tingkat keakuratan tinggi dalam pembacaan jarak terhadap objek berupa dinding dengan kesalahan rata-rata sebesar 0,13 cm. 2. Pada driver motor L298N dapat berfungsi seperti yang diharapkan dan terdapat pergeseran sebesar 2,3% antara keluaran driver dengan masukan PWM mikrokontoler. 3. Perancangan algoritma kendali untuk membuat robot wall follower dapat bernavigasi di dalam arena KRCI dengan proses tuning metode osilasi Ziegler-Nichols telah berhasil dilakukan Sehingga proses tuning parameter PID bisa dilakukan lebih singkat tanpa perlu trial and error parameter Ki dan Kd.. 4. Penerapan kontroler PID pada robot wall follower telah mampu membuat pergerakan robot menjadi sangat stabil dan mampu membuat robot wall follower bermanuver dengan aman, halus, responsif
dan cepat, parameter kontroler PID tersebut diperoleh dari hasil tuning dengan metode osilasi Ziegler-Nichols dengan Kp=4,2, Ki=0,5 dan Kd=7,5.
II.
PID merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut.
III.
Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif.
IV.
Keuntungan dari kontroler PID ini yaitu dapat menggabungkan kelebihan kontroler P, I, dan D
DAFTAR PUSTAKA
http://crayonpedia.org/bse/split/kelas12_smk_teknik_listrik_industri_sis woyo/Bab_12.pdf
http://elektro.studentjournal.ub.ac.id/index.php/teub/article/view/25 http://id.scribd.com/doc/44206872/PID-Wall-Follower http://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/robot-wall-follower-dengankendali-pid/ http://id.wikipedia.org/wiki/
dan dirangkum dari berbagai makalah
