PENGENDALI TEKANAN ALIRAN UDARA DALAM PIPA VERTIKAL DENGAN METODE PID

Muhammad Luky Harianto1)

1) Program Studi S-1 Sistem Komputer, STIKOM Surabaya, email : lukyharianto@yahoo.co.id

Abstract : Control of equilibrium position of objects in a fluid requires a good control algorithm. In this research, the ball was flown by air pressure generated DC fan motor rotation. Several methods are currently widely used methods such as proportional integral derivative (PID) and fuzzy methods. Method of PID are subdivided into several types, including PID tuning, Ziegler-Nichols and cohen-coon.

This final project aims to implement one of the methods that are currently being used. The problem faced by the authors is the response time towards a good set point and adjust the stability ball on set point. Of the problems facing the above, as a way the author uses PID tuning methods. PID tuning method is to find the value of the constants KP, KI and KD manually. While the reference of the PID control is the data input from the user and ultrasound sensors. Data input is entered by the user using a computer, then sent to microcontroller via serial communication. The results of PID control is used as a reference pulse width modulation (PWM), which is then sent to a DC motor driver L298 to adjust the fan rotation speed. Results of the research performed by the authors, the ball may fly on command from the user with a fairly good accuracy, with a tolerance of less than 10 centimeters distance from the set point.

Key words: The ball, the DC motor, PID method, computer, Ultrasound Sensor.

Perkembagan teknologi saat ini sangat pesat. Banyak terobosan-terobosan baru dalam bidang teknologi yang dilakukan oleh perseorangan atau suatu organisasi. Sayangnya sebagian besar pengembang tersebut berasal dari luar Indonesia. Sebenarnya banyak peneliti Indonesia yang mampu dan berpotensi,namun tidak ada atau sedikit tempat atau kelompok yang cocok untuk mengeksplorasikannya. Salah satu diantaranya adalah pengendali tekanan aliran udara dalam pipa vertikal dengan metode PID (Proportional-Integral-Derivative).

Secara umum, mengendalikan tekanan aliran udara dalam pipa vertikal tidaklah mudah. Namun dalam tugas akhir kali ini dilakukan pengendalian tekanan aliran udara dalam pipa vertikal dengan metode PID. Melalui metode ini kita tidak akan lagi menghadapi aksi kontrol yang kurang sesuai terhadap adanya gangguan yang tidak diketahui serta ketidaktepatan dalam pemodelan sistem. Melalui metode ini pula

kita dapat memenuhi kondisi guna mendapatkan performansi yang baik.

Selanjutnya dilakukan pengembangan penelitian untuk merancang sebuah alat yang pengoperasiannya berguna untuk mengendalikan tekanan aliran udara dalam pipa vertikal.

RUMUSAN MASALAHBerdasarkan latar belakang masalah yang

telah disebutkan, maka perumusan masalah yang dapat diangkat dalam tugas akhir ini, antara lain:1. Bagaimana mengendalikan tekanan

aliran udara dalam pipa vertikal.2. Bagaimana merancang sistem untuk

menentukan tekanan aliran udara menggunakan metode PID.

METODEPerancangan perangkat keras dan

lunak dilakukan dengan metode penelitian yang didasarkan pada studi kepustakaan berupa data-data literatur dari masing-masing komponen, informasi dari internet,

1

dan konsep-konsep teoretis dari buku-buku penunjang.

Dari data-data yang diperoleh maka dilakukan perencanaan rangkaian perangkat keras. Dalam perangkat keras ini, penulis akan melakukan pengujian perangkat keras dengan program-program yang telah dibuat, Pembuatan perangkat lunak adalah tahap selanjutnya. Terakhir adalah penggabungan perangkar keras dengan kerja perangkat lunak yang telah selesai dibuat.

Perancangan Perangkat KerasPerancangan perangkat keras pada

sistem secara keseluruhan dilakukan berdasarkan blok diagram yang terdapat pada Gambar 1.

Dalam blok diagram pada gambar 1, mikrokontroler yang bertugas sebagai pemroses akan mendapatkan data input dari satu modul ultrasound. Modul ultrasound akan memberikan data berupa jarak antara sensor dengan benda didepannya, mikrokontrol kemudian mengolah data tersebut, dalam hal ini mikrokontrol menggunakan algoritma PID. Hasil dari kontroler PID adalah untuk mengatur pwm driver motor sehingga ketinggian bola menjadi sesuai dengan input user. Berikut adalah gambar blok diagram secara keseluruhan :

Gambar 1. blok diagram secara keseluruhan

MicrocontrollerPada proyek tugas akhir ini dibuat

piranti pengendali menggunakan microcontroller keluaran AVR, yaitu ATMega8. Untuk mengaktifkan atau

menjalankan microcontroller ini diperlukan rangkaian minimum sistem. Rangkaian minimum sistem tersebut terdiri rangkaian reset dan rangkaian osilator. Dalam perancangannya ini memerlukan beberapa komponen pendukung seperti kristal, resistor dan kapasitor.

Rangkaian Minimum SistemRangkaian minimum sistem dibuat

untuk mendukung kerja dari microcontroller ATmega dimana microcontroller tidak bisa berdiri sendiri alias harus ada rangakaian dan komponen pendukung seperti halnya rangakaian catu daya, kristal dan lain sebagaianya yang biasanya disebut minimum sistem .

Microcontroller berfungsi sebagai otak dalam mengolah semua instruksi baik input maupun output seperti halnya pemroses data inputan dari modul ultrasound, kemudian digunakakn sebagai referensi untuk menjalankan kipas motor DC.

Minimum sistem ini dirancang untuk Mikrokontroller ATMega8, dalam perancangannya ini memerlukan beberapa komponen pendukung seperti kristal, resistor dan kapasitor. Rangkaian ini dalam istilah lainnya disebut Minimum sistem ATMega8. Microcontroller berfungsi untuk memproses data inputan dari modul ultrasound dan PC, kemudian diteruskan ke driver motor dan dikirimkan ke PC untuk ditampilkan.

Pada rangkaian minimum sistem ATMega 8 penulis memberikan Pin VCC masukan tegangan operasi berkisar antara 4,5 Volt sampai dengan 5 Volt. Pin RESET berfungsi untuk masukan reset program secara otomatis atau manual, sehingga disaat program dalam

2

keadaan error maka mikrokontrol dapat dipaksa reset oleh user dengan memberi tegangan low pada pin RESET. Sedangkan pin MOSI, MISO, dan SCK digunakan untuk keperluan download pemrograman ke dalam mikrokontroller. Berikut adalah gambar rangkaian minimum sistem dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Rangkaian Minimum systemBerdasarkan Gambar 2 pin Vcc

diberi tegangan operasi yang besarnya maksimal 5 volt. Port B, digunakan sebagai port yang terhubung pada motor DC 24V. Port C digunakan sebagai inputan dari sensor ultrasound. Port D digunakan sebagai tempat berlangsungnya komunikasi serial. Pin XTAL1 dan XTAL2 dihubungkan dengan komponen kristal sebesar 12 MHz dengan kapasitor 30 pF. Pemilihan frekuensi osilasi dari XTAL tersebut berdasarkan penggunaan microcontroller agar setiap siklus mesin microcontroller berlangsung setiap 1 μs. Berikut adalah perhitungan waktu setiap satu siklus mesin yang dipakai:

1 siklus mesin = 12 clock

T(s) = 1F

= 1112

x frekuensi kristal

= 1 x 10-6

= 1 µs

Untuk melakukan proses downloading program dari komputer ke dalam memori program internal mikrokontroler, digunakan kabel downloader dengan interface DB25 yang dihubungkan pada port LPT1 pada komputer dengan konfigurasi seperti pada Gambar 3 Pin 5 dihubungkan dengan resistor sebesar 4,7 k dan tegangan sebesar 5 volt secara seri. Pin 25 dihubungkan dengan ground. Pin 6, 7, 9, dan 10 berturut-turut dihubungkan dengan pin SCK, MOSI, RESET, dan MISO pada mikrokontroler. Sedangkan pin 2 dan 12 saling terhubung untuk lebih jelas dapat dilihat pada Gambar 3 (Khan, 2004).

Gambar 3. Rangkaian kabel downloader pada port LPT1

Sensor Ultrasound PING)))™Paralax Inc (2005) menjelaskan bahwa

PING))) ™ dapat mengukur jarak dari 3 cm sampai 300 cm. Pada dasanya, PING))) ™ terdiri dari sebuah chip pembangkit sinyal 40KHz, sebuah speaker ultrasonik dan sebuah mikropon ultrasonik. Speaker ultrasonik mengubah sinyal 40 KHz menjadi suara sementara mikropon ultrasonik berfungsi untuk mendeteksi pantulan suaranya. Pada modul PING))) ™ terdapat 3 pin yang

3

digunakan untuk jalur power supply (+5V), ground dan signal. Pin signal dapat langsung dihubungkan dengan mikrokontroler tanpa tambahan komponen apapun. PING)))™ mendeteksi objek dengan cara mengirimkan suara ultrasonik dan kemudian “mendengarkan” pantulan suara tersebut. PING)))™ hanya akan mengirimkan suara ultrasonik ketika ada pulsa trigger dari mikrokontroler (Pulsa high selama 5µS). Suara ultrasonik dengan frekuensi sebesar 40KHz akan dipancarkan selama 200µS. Suara ini akan merambat di udara dengan kecepatan 344.424m/detik (atau 1cm setiap 29.034µS), mengenai objek untuk kemudian terpantul kembali ke PING)))™. Selama menunggu pantulan, PING)))™ akan menghasilkan sebuah pulsa. Pulsa ini akan berhenti (low) ketika suara pantulan terdeteksi oleh PING)))™. Oleh karena itulah lebar pulsa tersebut dapat merepresentasikan jarak antara PING)))™ dengan objek. Selanjutnya mikrokontroler cukup mengukur lebar pulsa tersebut dan mengkonversinya dalam bentuk jarak.

Gambar 4. Sensor Ultrasound PING)))™Satu hal yang perlu diperhatikan adalah

bahwa PING)))™ tidak dapat mengukur objek yang permukaannya dapat menyerap suara, seperti busa atau sound damper lainnya. Pengukuran jarak juga akan kacau jika permukaan objek bergerigi dengan sudut tajam (meruncing).

Gambar 5. Penempatan sensor ultrasound.

Driver Motor DC 24VMotor DC memiliki dua kabel

terhubung, kabel pertama untuk ground, kabel kedua untuk power supply dengan besar tegangan sampai 24 volt. Kecepatan putar motor dapat dikendalikan dengan mengatur besar – kecilnya tegangan yang di masukkan, atau dapat juga dengan menggunakan teknik PWM (Pulse Width Modulation).

Dengan menggunakan PWM kita dapat mengatur kecepatan yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan motor adalah dengan cara merubah-rubah besarnya duty cycle pulsa. Pulsa yang yang berubah ubah duty cycle-nya inilah yang menentukan kecepatan motor. Penulis menggunakan mode fast PWM. Dalam mode fast PWM sifat cacahan register pencacah TCNT1 mencacah dari bottom (0x0000) terus mencacah naik (counting-up) hingga mencapai top (nilai maksimal yang ditentukan sesuai resolusi, misal resolusinya 10 bit maka nilai top = 0x01ff), kemudian mulai dari bottom lagi dan begitu seterusnya atau yang dinamakan single slope (satu arah cacahan) (Ardi Winoto, 2008). Berikut adalah gambar untuk pulsa dengan duty cycle 50% :

Gambar 6. Pulsa dengan duty cycle 50%Besarnya amplitudo dan frekuensi

pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, semakin besar duty cylce maka semakin cepat pula kecepatan motor. Sebagai contoh bentuk

4

pulsa yang dikirimkan adalah seperti pada gambar 3.6, pulsa kotak dengan duty cycle pulsa 50%.

semakin besar duty cycle pulsa kotak, maka semakin lama pula posisi logika high. Jika motor diatur agar berjalan ketika diberi logika high, maka jika memberi pulsa seperti pada gambar 3.6, maka motor akan berada pada kondisi “nyala-mati-nyala-mati” sesuai dengan bentuk pulsa tersebut. Semakin lama motor berada pada kondisi “nyala” maka semakin cepat pula kecepatan motor tersebut. Motor akan berputar dengan kecepatan maksimum jika mendapat pulsa dengan duty cycle 100%.

Microcontroller akan mengirimkan gelombang pulsa ke driver motor untuk mengatur kecepatan motor.

Gambar 7. Penempatan kipas.

Perancangan Perangkat LunakPerancangan perangkat lunak

bertujuan untuk mengirimkan data dari user ke minimum sistem melalui komunikasi serial dan juga menerima data dari minimum sistem. Minimum sistem memperoleh data dari komputer dan sensor ultrasound yang berupa data jarak halangan antar sensor dengan bola yang kemudian dikirim ke komputer, serta mengatur kecepatan putar kipas melalui PWM yang dikirimkan ke driver motor. Perancangan perangkat lunak terbagi dalam beberapa program antara lain : program motor DC, program membaca sensor, program penerimaan dan pengiriman data melalui

serial dan algoritma PID. Diagram alir perangkat lunak secara umum dapat dilihat pada Gambar 8.

Gambar 8. Diagram alir program secara umum pada mikrokontrol.

Pada gambar 8. Dapat dilihat bahwa langkah pertama yang dilakukan adalah menunggu perintah dari komputer, kemudian sensor membaca jarak halangan. Setelah itu jarak halangan yang sudah terdeteksi akan jadi masukkan bagi algoritma PID yang dimana keluaran dari proses algoritma PID berupa nilai untuk mengatur kecepatan putar kipas melalui driver motor.

Program pada Visual Basic 6Digunakan untuk mengirim

request ketinggian bola dari user ke mikrokontrol dan menampilkan hasil PID serta ketinggian sebenarnya pada komputer. Data diterima per karakter, lalu diproses dan ditampilkan dalam bentuk

5

grafik. Untuk lebih mudahnya dapat dilihat pada gambar diagram berikut :

Gambar 9. Diagram alir secara umum pada visual basic 6.

Program PIDKendali PID artinya bertujuan

mengolah suatu sinyal kesalahan atau error, nilai error tersebut diolah dengan formula PID untuk dijadikan suatu sinyal kendali atau sinyal kontrol yang akan diteruskan ke aktuator. PID pada mikrokontroler ATMega 8 sebagai pemroses algoritma PID.

Gampangnya perhatikan saja blok diagram umpan balik loop tertutup pada perancangan kendali PID berikut ini:

Gambar 10. Diagram blok PIDDari blok diagram pada gambar 10

dapat penulis jelaskan sebagai berikut :1. SP = Set point, secara sederhana

maksudnya ialah suatu prameter nilai acuan atau nilai yang di inginkan oleh user.

2. PV = Present value ialah nilai pembacaan sensor ultrasound.

3. Error = nilai kesalahan ialah Deviasi atau simpangan antar PV dengan nilai acuan SP.Secara umum fungsi dari masing-

masing kontroler dalam kontroler PID adalah sebagai berikut :

A. Proporsional Kondisi ideal ketinggian bola

adalah sesuai dengan permintaan user, dengan kata lain error = selisih antar sensor sebenarnya dengan SP dari user. Dari sini dapat diasumsikan bahwa error atau kondisi ideal adalah saat error = 0. Menyimpangnya ketinggian bola dari input user disebut sebagai error (e), yang didapat dari e = SP – PV. Dengan mengetahui besar error, mikrokontroler dapat memberikan nilai PWM motor yang sesuai agar dapat menuju ke posisi ideal (error = 0). Besarnya nilai PWM ini dapat diperoleh dengan menggunakan kontrol Proporsional (P), dimana P = e  * Kp (Kp adalah konstanta proporsional yang nilainya di set sendiri dari hasil tuning).

B. Integral Digunakan untuk mengakumulasi

error dan mengetahui durasi error. Dengan menjumlahkan error disetiap pembacaan PV akan memberikan

6

akumulasi offset yang harus diperbaiki sebelumnya. Saat bola bergerak menjauhi input user, maka nilai error akan bertambah. Semakin lama tidak mendapatkan SP, maka semakin besar nilai I. Dengan mendapatkan nilai Ki yang tepat, imbas dari Integratif dapat dikurangi. Nilai akumulasi error didapat dari: error + last_error.

C. Derivatif Jika pergerakan bola masih terlihat

bergelombang naik dan turun, bisa ditambahkan kontrol Derivatif (D). Kontrol D digunakan untuk mengukur seberapa cepat robot bergerak dari atas ke bawah atau dari bawah ke atas. Semakin cepat gerak perubahannya, maka semakin besar nilai D. Konstanta D (Kd) digunakan untuk menambah atau mengurangi imbas dari derivatif. Dengan mendapatkan nilai Kd yang tepat, pergerakan perubahan yang bergelombang akibat dari kontrol proporsional bisa diminimalisasi. Nilai D didapat dari D = Kd/Ts * rate, dimana Ts ialah waktu sampling atau waktu cuplik dan rate = e(n) – e(n-1). Dalam program nilai error (SP – PV) saat itu menjadi nilai last_error, sehingga rate didapat dari error – last_error. Berikut ini adalah formula matematis PID yang penulis pergunakan :

Dari formula tersebut dapat dirumuskan menjadi pen-digitalization PID dengan berbagai metode. Misalkan dengan cara transformasi Z, ZOH, bilinier transformartion, Eulers method atau pun yang lainnya. Sehingga diperoleh bentuk digital diskritnya menjadi persamaan sebagai berikut :

Untuk mempermudah ke dalam

bahasa pemrograman dan juga untuk

penerapannya, maka persamaan dirubah lagi menjadi seperti berikut :

Berikut ini adalah potongan program yang menggunakan metode PID :

sensor = ultrasonic();set_point = data_komp;error = set_point - sensor;if(error > 10) {error = 10;}else if(error < (-10)) {error = -10;}kontrol_p = kp * (float)error;kontrol_i = ((ki / 10) * ((float)error + (float)error_lama) * (float)waktu_sample);kontrol_d = (((kd * 10) / (float)waktu_sample) * ((float)error - (float)error_lama));pwm = pwm_lama + kontrol_p + kontrol_i + kontrol_d;kipas = pwm;error_lama = error;pwm_lama = pwm;delay_ms(waktu_sample);

PENGUJIAN SISTEMPengujian sistem yang dilakukan

terhadap perangkat keras dan perangkat lunak adalah untuk mengetahui apakah sistem berjalan dengan baik.

Pengujian Minimum SystemHasil dari pengujian minimum sistem

bahwa mikrokontrol dapat di-chip signature dan dapat di-download program adalah sebagai berikut :

Gambar 11. Tampilan Chip Signature

Gambar 12. Tampilan Download Program7

Pengujian sensor ultrasoundHasil dari pengujian sensor ultrasound

yang telah dikirim ke komputer adalah sebagai berikut :

Gambar 13. Hasil pembacaan sensor ultrasound

Pengujian Kontroller PIDBerikut adalah potongan program

metode PID yang telah di-download ke dalam mikrokontrol :

//--->>> proses pembacaan sensor ultrasoundsensor = ultrasonic();if(sensor >= 186) {sensor = 185;}sensor = 185 - sensor;//--->>> program PIDpresent_value = sensor - data_komp;if(present_value > 10) {present_value = 10;}else if(present_value < (-10)) {present_value = -10;}error = set_point - present_value;kontrol_p = kp * (float)error;kontrol_i=((ki/10)*((float)error+(float)error_lama)*(float) waktu_sample);kontrol_d=(((kd*10)/(float)waktu_sample)*((float)error-(float)error_lama)); (float)pwm = (float)pwm_lama + kontrol_p + kontrol_i + kontrol_d;if(error==0){min_speed=555;max_speed = 700;} //--->>> //bola di daerah stabilelse if(error == 10) {max_speed = 750;} //--->>> bola jauh di //bawahelse if(error == (-10)) {min_speed = 450;} //--->>> bola jauh //di atasif(pwm > max_speed) {pwm = max_speed;}else if(pwm < min_speed) {pwm = min_speed;}kipas = pwm;error_lama = error;pwm_lama = pwm;

Hasil dari pengujian metode PID yang telah di-download ke dalam mikrokontrol adalah sebagai berikut :

Gambar 14. Hasil pengujian PID.

KESIMPULAN & SARANKesimpulan

Setelah melakukan penelitian ini, penulis mengambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Kipas motor DC dapat berputar sesuai dengan nilai pwm yang telah ditentukan dan mampu mengendalikan tekanan aliran udara dalam pipa vertikal, sehingga bola dapat melayang bergerak secara vertikal.

2. Program PID yang dibuat mampu mengendalikan pergerakan bola menuju set point dengan akurasi 94.4 %.

3. Metode PID yang dibuat mampu mengambil keputusan terhadap ketinggian dengan baik, jika set point yang di-inputkan oleh user adalah 50 cm sedangkan ketinggian yang terdeteksi oleh sensor ultrasound adalah 20 cm, maka metode PID akan memaksa bola untuk menuju ke-set point. Bola akan dipaksa turun jika ketinggian bola melibihi dari set point yang di-inputkan oleh user.

SaranSebagai pengembangan dari

penelitian yang telah dilakukan, penulis memberikan saran sebagai berikut:

8

1. Bola tidak dapat selalu diam pada posisi set point, untuk mengatasi hal tersebut dapat menggunakan sensor tekanan angin didalam pipa, sehingga dapat diketahui seberapa kuat tekanan yang harus dihasilkan untuk memaksa bola tetap diam tanpa bergerak naik - turun pada posisi set point.

2. Penambahan sensor putar pada kipas misalkan menggunakan sensor optocoupler, sehingga referensi input mikrokontrol semakin banyak dan data keluaran PID menjadi semakin akurat untuk menuju ke set point dan tetap stabil.

3. Jika bola melayang tepat ditengah pipa tanpa menyentuh dinding pipa, maka bola akan dengan mudah melayang sampai ke ketinggian maksimum. Untuk mengatasi hal tersebut dapat menggunakan pipa yang berdiameter hampir sama dengan diameter bola atau mungkin yang lebih besar dari diameter pipa yang penulis gunakan saat ini.

4. Pembuatan rumah kipas yang benar – benar rapat tanpa celah mungkin juga dapat memberikan hasil tekanan angin yang lebih baik untuk mendorong bola.

DAFTAR PUSTAKAATMEL Corporation. 2005, ATmega8535,

(Online). (http://www.atmel.com , diakses 20 Juli 2011 )

Mengukur Jarak Dengan Sensor Ultrasound , diakses pada 5 Januari 2012

URL:(http://blog.indorobotika.com/arduino/mengukur-jarak-dengan-sensor-ultrasonik-dan-arduino.html)

PARALLAX INC. 2006, PING)))TM Ultrasonic Distance Sensor, (Online ).

( www.parallax.com, diakses 17 Oktober 2011 )

Pardosi, Mico, 2005. Microsoft Visula Basic 6.0, edisi revisiPengaturan Kecepatan Motor Dc Dengan Mikrokontroler « fahmizal_note, diakses 10 Juli 2012

URL:(http://fahmizaleeits.wordpress.com/2010/07/27/pengaturan-kecepatan-motor-dc-dengan-mikrokontroler.html)

ROBOT LINE FOLLOWER dengan Kendali PID « fahmizal_note, diakses 10 Juli 2012

URL:(http://fahmizaleeits.wordpress.com/2010/05/08/robot-line-follower-dengan-kendali-pid.html)

TUNING KONTROL PID Pada Robot Line Follower « fahmizal_note, diakses 10 Juli 2012

URL:(http://fahmizaleeits.wordpress.com/2010/08/24/tuning-kontrol-pid-pada-robot-line-follower.html)

Winoto, Ardi, 2008. ” Mikrokontroler AVR ATMEGA8/16/32/8535 dan Pemprogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR”. Informatika. Bandung.

9