ROBOT PENGANTAR BARANG BERBASIS KONTROL PD (PROPOSIONAL, DEFERENSIAL) DIGITAL Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada
TUGAS AKHIR
ROBOT BOT PENGANTAR BARANG BERBAS BASIS
KONTROL PD D (PROPOSIONAL, DEFERENSIAL) L) DIGITAL
Diaju jukan untuk Memenuhi Salah Satu Syara arat
Me emperoleh Gelar Sarjana Teknik pada
Program Studi Teknik Elektro
Disusun oleh:
Marselinus Rony Pujiyanto
NIM : 035114036
PROG OGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO TRO
FAK KULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI GI
UN UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2010
TUGAS AKHIR
ROBOT OBOT PENGANTAR BARANG BERBASI SIS
KONTROL PD (P (PROPOSIONAL, DEFERENSIAL) L) DIGITAL
Diajukan ukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat arat
Mem Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada
Program Studi Teknik Elektro
Disusun oleh:
Marselinus Rony Pujiyanto
NIM : 035114036
PROGR OGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO O
FAKU KULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNI NIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2010
FINAL PROJECT DELIVERY ROBOT OBOT BASED ON DIGITAL PD (PROPOR OPORTIONAL, DEFFERENTIAL) CONTROL D Presented a ed as Partial Fulfillment of the Requiremen ements To o Obtain the Sarjana Teknik Degree
In El Electrical Engineering Study Program Marselinus Rony Pujiyanto NIM : 035114036
ELECTRICA CAL ENGINEERING STUDY PROGR OGRAM SCIENC ENCE AND TECHNOLOGY FACULTY LTY SANATA DHARMA UNIVERSITY SAN YOGYAKARTA 2010
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
Kegagalan bukanlah sesuatu yang perlu ditakuti, melainkan suatu yang harus dijadikan guru demi kemajuan di masa depan “DO THE BEST FOR THE FUTURE”
Skripsi ini ku persembahkan kepada :
Tuhan Yang Maha Esa Bapak dan Mama tercinta Saudara-saudaraku yang terbaik Dosen-dosen yang membimbingku Dan teman-teman yang selalu mendukungku
INTISARI
Dalam era globalisasi, banyak industri menggunakan robot untuk meningkatkan kinerja proses produksi, karena robot dapat menjawab tantangan mengenai efisiensi kerja. Salah satunya yaitu robot line follower yang digunakan sebagai sarana transportasi pengantar barang.
Pada penelitian ini, robot mengantarkan barang kelima tempat tujuan pengantaran sesuai dengan denah yang telah ditentukan. Tempat tujuan pengantaran ditentukan melalui lima buah tombol. Sistem kontrol yang digunakan robot mengikuti jalur adalah kontrol kendali PD (Proporsional, Deferensial) digital.
Robot mengantarkan barang dengan baik pada beban kurang dari 200 gram, dengan tingkat keberhasilan pengantaran barang sebesar 88,3%. Kata kunci: aplikasi line follower, kontrol PD, robot pengantar.
ABSTRACT
In this era of globalization, many industries using robots to improve the performance of production process, because robots can answer challenge of working efficiency. One of the robots are the line follower robot which is used as a transportation tool for the load delivery.
In this research, robot deliver the load to five delivery destination in accordance with a predetermined plan. This delivery destination determined by five buttons. The control system that used by the robot to follow the track is digital PD (Proportional, Differential) control.
The line follower robot works well with less then 200 gram load, with load delivery succes rate of 88.3%. Keyword: line follower application, PD control, delivery robot.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan karya tulis yang berjudul “Robot ”.
Pengantar Barang Berbasis Kontrol PD (Proposional Deferensial) Digital
Karya tulis ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma. Penulisan skripsi ini didasarkan pada hasil-hasil yang penulis dapatkan selama tahap perancangan, pembuatan dan pengujian alat.
Penulisan skripsi ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Orang tua penulis, Yohanes F.X Kardi dan W. Veronika A. yang telah memberi dukungan kepada penulis dalam penyusunan skripsi ini dalam bentuk apapun.
2. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
3. Ibu Wuri Harini, S.T., M.T. selaku kepala program studi teknik elektro dan selaku dosen pembimbing karya tulis yang telah meluangkan waktu, tenaga, dan pikirannya untuk membimbing penulis.
4. Ibu Ir. Th. Prima Ari Setiyani, M.T. dan bapak Pius Yozy Merucahyo, S.T.,M.T. selaku dosen penguji saat pendadaran yang telah memberikan kritik dan saran dalam mengerjakan karya tulis ini.
5. Bapak Damar Widjaja, S.T., M.T. selaku dosen penguji saat kolokium yang telah memberikan masukan dalam penulisan karya tulis ini.
6. Saudara-saudaraku, Robert dan Rosa yang tersayang yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
7. Segenap dosen dan laboran Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.
8. Segenap karyawan sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi.
9. Pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, kalian adalah sahabat terbaikku.
Penulis menyadari bahwa karya tulis yang penulis buat ini masih belum sempurna, banyak kekurangan dan kelemahannya. Oleh karena itu, kritik dan saran dari para pembaca yang bersifat membangun sangat penulis harapkan.
DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL (BAHASA INDONESIA) ..............................................
8
1
2
2
2
4
4
5
5
5
6
9
2.3.6 ADC (Analog to Digital Converter) ......................................... i ii iii iv v vi vii viii ix x xii xv xvii
10
11
12
12
12
12
13
14
15
15
16
1
2.3.5 Timer/Counter 1 ........................................................................
HALAMAN SAMPUL (BAHASA INGGRIS) .................................................... HALAMAN PERSETUJUAN .............................................................................. HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .............................................. MOTTO DAN PERSEMBAHAN LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ..
2.2.2 Kontrol Proporsional (P) ...........................................................
INTISARI .............................................................................................................. ABSTRACT .......................................................................................................... KATA PENGANTAR ........................................................................................... DAFTAR ISI ......................................................................................................... DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. DAFTAR TABEL .................................................................................................
BAB I PENDAHULUAN .....................................................................................
1.1 Latar Belakang Masalah .....................................................................
1.2 Tujuan dan Manfaat Penelitian ...........................................................
1.3 Batasan Masalah ..................................................................................
1.4 Metodologi Penulisan .........................................................................
BAB II DASAR TEORI .......................................................................................
2.1 Sistem Kontrol Robotik (close loop) ................................................
2.2 Kontrol Proporsional, Integral, dan Diferensial (PID) .......................
2.2.1 Pengertian ..................................................................................
2.2.3 Kontrol Integral (I) ....................................................................
2.3.4 Timer/Counter 0 ........................................................................
2.2.4 Kontrol Diferensial (D) .............................................................
2.2.5 Kontrol PID ...............................................................................
2.2.6 Diskretisasi Pengendali PID ......................................................
2.2.7 Pedoman Umum Mendesain Kontrol PID ................................
2.2.8 Keterbatasan Kinerja Pengendali PID Diskrit ...........................
2.2.8.1 Tunda Waktu .................................................................
2.2.8.2 Variasi Parameter Takdiketahui ....................................
2.3 Mikrokontroler AVR ATmega8535 ...................................................
2.3.1 Konfigurasi Pin ATmega8535 ..................................................
2.3.2 Interupsi ....................................................................................
2.3.3 I/O Port ......................................................................................
16
2.4 Motor DC Magnet Permanen .............................................................
19 2.5 Sensor Pemantul Cahaya (reflective sensor) ......................................
20 2.5.1 Infra Red Emitting Diode (IRED) .............................................
20 2.5.2 Fototransistor .............................................................................
21 2.5.3 Opto Coupler ............................................................................
22 2.5.3.1 Opto Coupler Terhalang ON .......................................
22 2.5.3.2 Opto Coupler Terhalang OFF ......................................
22 2.6. Pembanding .......................................................................................
23 BAB III RANCANGAN PENELITIAN .............................................................
24 3.1 Blok Diagram Sistem .........................................................................
24 3.2 Perancangan Perangkat Keras ..........................................................
26 3.2.1 Denah Pengantaran Barang ......................................................
26 3.2.2 Mekanik Robot Pengikut Garis ................................................
26 3.2.3 Rangkaian Elektronis ................................................................
27 3.2.3.1 Rangkaian Mikrokontroler ...........................................
27 3.2.3.2 Rangkaian Tombol .......................................................
30 3.2.3.3 Rangkaian Sensor Pemantulan Cahaya ........................
31 3.2.3.4 Rangkaian Driver Motor DC ........................................
34 3.2.3.5 Rangkaian LED ............................................................
36 3.2.3.6 Rangkaian Komunikasi Serial RS232 ..........................
37 3.3 Perancangan Perangkat Lunak ..........................................................
38 3.3.1 Program Utama ......................................................................
38 3.3.2 Subroutine Pengujian Sensor ...................................................
42 3.3.3 Subroutine Scan Sensor Posisi Jalur .......................................
42 3.3.4 Subroutine Pembacaan Sensor Posisi Jalur ..............................
43 3.3.5 Subroutine Pengecekan Tombol ..............................................
48 3.3.6 Subroutine Pergerakan Robot Mengantar Barang ....................
49 3.3.7 Subroutine Kontrol PD .............................................................
52 3.4 Menentukan Nilai Konstanta PID ......................................................
55 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .............................................................
56 4.1 Hasil Implementasi Robot Pengantar Barang ...................................
56 2.5.1 Hasil Konstruksi Robot Pengantar Barang ..............................
56 2.5.2 Denah Pengantaran Barang ......................................................
57 4.2 Pengujian Keberhasilan Pengantaran Barang ...................................
58 4.2.1 Pengujian Tanpa Beban ..........................................................
58 4.2.2 Pengujian dengan Beban 200 gram ........................................
60 4.2.3 Pengujian dengan Bebas 400 gram .........................................
60 4.2.4 Pengujian dengan Beban 600 gram ........................................
61 4.2.5 Pengujian dengan Beban 800 gram ........................................
62 4.2.6 Pengujian dengan Beban 1kg .................................................
62
4.3 Pengujian Sensor Posisi Garis ...........................................................
65 4.3.1 Pengamatan Karakteristik Sensor Pemantul Cahaya ..............
65 4.3.2 Pengamatan Pembacaan ADC Sensor Posisi Jalur .................
66 4.4 Pembahasan Software .......................................................................
70 4.4.1 Program Utama .......................................................................
70 4.4.2 Subroutine Pengujian Sensor ..................................................
71 4.4.3 Subroutine Scan Sensor Posisi Jalur .......................................
71 4.4.4 Subroutine Pembacaan Sensor Pembacaan Sensor ................
72 4.4.5 Subroutine Pengecekan Tombol .............................................
73 4.4.6 Subroutine Kontrol PD ...........................................................
73 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...............................................................
75 5.1 Kesimpulan .......................................................................................
75 5.2 Saran ..................................................................................................
75 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Kontrol robot close loop .............................................................
13
22
22
21
20
20
19
18
10
24
9
9
8
7
7
6
5
23
26
4
36
45
44
43
42
39
38
37
35
27
35
34
33
32
31
30
29
29
5
Gambar 3.21. Flowchart subroutine pembacaan sensor ..................................Gambar 2.2. Sistem kontrol robot close loop ..................................................Gambar 2.12. USART Baud Rate Register .....................................................Gambar 2.19. Rangkaian Pembanding .............................................................Gambar 2.18. Rangkaian Opto Coupler terhalang OFF ...................................Gambar 2.17. Rangkaian Opto Coupler terhalang ON ......................................Gambar 2.16. Rangkaian Fototransistor ..........................................................Gambar 2.15. Rangkaian IRED .......................................................................Gambar 2.14. Prinsip kerja PWM ...................................................................Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen motor DC magnet permanen ...................Gambar 2.11. Pin ATmega8535 ........................................................................Gambar 3.2. Denah (rute) penghantaran barang .............................................Gambar 2.10. Fungsi transfer kontrol PID ........................................................Gambar 2.9. Blok diagram kontroler PID analog ............................................Gambar 2.8. Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial ........Gambar 2.7. Kontrol Diferensial (D) .............................................................Gambar 2.6. Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan ..Gambar 2.5. Kontrol Integral (I) ...................................................................Gambar 2.4. Proporsional band dari kontroler proporsional ...........................Gambar 2.3. Kontrol Proporsional (P) ..........................................................Gambar 3.1. Diagram blok perancangan .......................................................Gambar 3.3. Skema kontruksi robot pengantar barang ..................................Gambar 3.20. Grafik keluaran sensor terhadap posisi garis .............................Gambar 3.14. Blok diagram antar muka PC dengan robot ..............................Gambar 3.19. Ilustrasi posisi sensor terhadap lebar garis sebesar 1,5cm ..........Flowchart Subroutine scan sensor posisi jalur ..........................
Gambar 3.18.
Flowchart Subroutine pengujian sensor ....................................
Gambar 3.17.
Gambar 3.16. Flowchart program utama ..........................................................Gambar 3.15. Rangkaian antar muka serial .......................................................Gambar 3.13. Rangkaian LED ..........................................................................Gambar 3.4. Rangkaian osilator .....................................................................Gambar 3.12. Rangkaian driver motor DC .......................................................Gambar 3.11. Bentuk motor DC .......................................................................Gambar 3.10. Rangkaian sensor posisi jalur .....................................................Gambar 3.9. Rangkaian sensor percabangan ..................................................Gambar 3.8. Rangkaian fototransistor .............................................................Gambar 3.7. Rangkaian LED infra merah (IRED) ..........................................Gambar 3.6. Rangkaian tombol .......................................................................Gambar 3.5. Rangkaian reset .........................................................................47
Gambar 3.23. Flowchart subroutine pengecekan tombol ................................64
51
52
53
53
56
57
59
59
63
66
Gambar 4.17. Subroutine kontrol PD ................................................................67
67
68
70
71
71
72
72
73
49
Gambar 4.16. Subroutine pengecekan tombol ..................................................Gambar 3.24.
Gambar 4.5. Ilustrasi kegagalan robot dalam melakukan proses perputaran 180 .............................................................................................Flowchart subroutine pergerakan robot menghantarkan barang.
Gambar 3.25.
Flowchart subroutine kontrol PD ..............................................
Gambar 3.26. Blok diagram antar muka PC dengan robot ...............................Gambar 3.27. Arah gerak robot dan control kecepatan antar kedua motor DCGambar 4.1. Robot pengantar barang berbasis control PD (Proposional, Diferensial) digital ......................................................................Gambar 4.2. Denah pengantaran barang .........................................................Gambar 4.3. Ilustrasi kesalahan robot mendeteksi percabangan .....................Gambar 4.4. Posisi awal robot dan ilustrasi posisi sensor ...............................Gambar 4.6. Ilustrasi pergerakan robot berbelok ke kanan .............................Gambar 4.15. Subroutine pembacaan sensor pembacaan sensor ......................Gambar 4.7. Peletakan sensor robot ................................................................Gambar 4.8. Penampilan hyper-terminal hasil pembacaan sensor ..................Gambar 4.9. Pengujian sensor robot terhadap garis ........................................Gambar 4.10. Hasil pembacaan robot terhadap garis ........................................Gambar 4.11. Program utama ............................................................................Gambar 4.12. Penampilan LED A .....................................................................Gambar 4.13.
Subroutine pengujian sensor .......................................................
Gambar 4.14.
Subroutine scan sensor posisi jalur ...........................................
74
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Macam-macam sumber interupsi pada AVR ATmega 8535 ............
58
30
34
35
36
37
40
40
46
50
54
54
54
55
58
18
60
60
60
61
61
61
62
62
62
63
65
66
66
69
28
15
Tabel 2.2. Konfigurasi setting untuk Port I/O ...................................................Tabel 3.13. Tabel nilai duty cycle untuk pergerakan robot ke kanan ...................Tabel 2.3. Pengaturan Baud Rate ......................................................................Tabel 3.1. Pengunaan port pada mikrokontroler ..............................................Tabel 3.2. Konfigurasi nilai biner pilihan tombol ............................................Tabel 3.3. Konfigurasi bit selector sensor posisi jalur .....................................Tabel 3.4. Konfigurasi arah putar motor kanan ...............................................Tabel 3.5. Konfigurasi arah putar motor kiri ....................................................Tabel 3.6. Konfigurasi bit selector LED ............................................................Tabel 3.7. Inisialiasi dan nilai awal port I/O ......................................................Tabel 3.8. Tabel mode operasi tiap fitur ...........................................................Tabel 3.9. Hasil pengolahan pembacaan sensor posisi jalur .............................Tabel 3.10. Tindakan robot pada titik percabangan .............................................Tabel 3.11. Tabel arah gerak robot dan nilai duty cycle .....................................Tabel 3.12. Tabel nilai duty cycle untuk pergerakan robot maju ........................Tabel 3.14. Tabel nilai duty cycle untuk pergerakan robot ke kiri ......................14
Tabel 4.1. Hasil pengujian tanpa beban .............................................................Tabel 4.2. Persentase keberhasilan dan kegagalan pengantaran barang (tanpa beban) ...............................................................................................Tabel 4.3. Hasil pengujian dengan beban 200 gram ..........................................Tabel 4.4. Persentase keberhasilan dan kegagalan mengantar beban 200 gram Tabel 4.5. Hasil pengujian dengan beban 400 gram ..........................................Tabel 4.6. Persentase keberhasilan dan kegagalan mengantar beban 400 gram Tabel 4.7. Hasil pengujian dengan beban 600 gram ..........................................Tabel 4.8. Persentase keberhasilan dan kegagalan mengantar beban 600 gram Tabel 4.9. Hasil pengujian dengan beban 800 gram ...........................................Tabel 4.10. Persentase keberhasilan dan kegagalan mengantar beban 800 gram .Tabel 4.11. Hasil pengujian dengan beban 1 kg ..................................................Tabel 4.12. Persentase keberhasilan dan kegagalan mengantar beban 1 kg .......Tabel 4.13. Persentase keberhasilan untuk tiap beban yang diuji ........................Tabel 4.14. Karakteristik sensor pemantul cahaya ...............................................Tabel 4.15. Jarak sensor posisi jalur ....................................................................Tabel 4.16. Hasil pembacaan robot terhadap garis ..............................................Tabel 4.17. Tegangan yang terukur pada PIND0 .................................................70
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah
Dalam era globalisasi, banyak industri-industri yang telah berkembang dengan pesat. Industri banyak menggunakan robot sebagai kinerja proses produksi, karena robot dapat menjawab tantangan mengenai efisiensi kerja.
Robot banyak jenisnya sesuai dengan peranan kinerja yang dibutuhkan, misalnya seperti robot pengikut garis atau line follower yaitu robot yang dapat mengikuti garis. Garis sebagai jalur yang diikuti oleh robot dapat berwarna hitam di atas permukaan putih atau sebaliknya garis bewarna putih di atas permukaan hitam. Robot ini dapat digunakan sebagai sarana transportasi pangantar barang yang memiliki jalur khusus, misalnya grobak surat pada kantor pos, grobak barang di pelabuhan, grobak pengantar pesanan makanan di rumah makan, dan sebagainya.
Meskipun jenis robot beragam, robot mempunyai kesamaan tujuan yaitu dapat cepat dan tepat dalam bekerja, sehingga sistem kontrol yang baik diperlukan untuk dapat menunjang efisiensi kerja robot tersebut. Salah satu kontrol yang populer didunia industri yaitu kontrol PID (Proporsional, Integral, Deferensial), karena PID memiliki algoritma yang sederhana dan dapat memberikan performa kontrol yang baik [1]. Salah satu kombinasi kontrol dari PID yaitu kontrol PD (Proporsional, Deferensial).
Berdasarkan isyarat yang dikendalikan, kontrol PD dapat dikatagorikan dalam dua macam, yaitu PD sistem kendali kontinyu dan PD sistem kendali diskret atau yang dikenal dengan PD digital. Pada umumnya sumber isyarat adalah kontinyu, sehingga pada mulanya sistem kendali yang banyak digunakan adalah kontinyu mengingat harganya yang relatif lebih murah. Tetapi sesuai dengan perkembangan jaman, pengendali kontinyu mulai ditinggalkan karena memiliki sifat-sifat tidak praktis yaitu mengubah jenis pengendali harus memodifikasi secara fisis, sehingga di dunia industri sekarang banyak menggunakan sistem kendali diskret[2]. Walaupun terdapat perbedaan antara PD sistem kendali kontinyu dan PD sistem kendali diskret, tapi dalam mendesain keduanya memiliki kesamaan hal yang kruasial yaitu tuning atau pemberian parameter P dan D.
2
1.2. Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan yang akan dicapai dalam perancangan ini adalah menghasilkan suatu alat sebagai sarana pengantar barang. Manfaat yang diharapkan adalah dapat membantu user dalam mengantarkan barang untuk menciptakan efisiensi kerja.
1.3. Batasan Masalah
Perangkat yang akan dirancang mempunyai batasan-batasan sebagai berikut: a. Garis lintasan berwarna hitam dan background lintasan berwarna putih.
b. Lebar garis/jalur sebesar 1,5 cm.
c. Tidak terdapat halangan pada lintasan robot.
d. Barang yang diantar mempunyai berat maksimal sebesar 1kg.
e. Denah/rute pengantaran barang telah ditentukan.
f. Peletakan dan pengambilan barang secara manual oleh user.
g. Menggunakan lima tombol sebagai penentu tujuan pengantaran barang.
h. Kontrol robot terhadap garis mengunakan kontrol PD (Proporsional, Deferensial). i. Pendeteksi lintasan robot menggunakan sebelas pasang sensor pemantul cahaya (infra merah dan fototransistor). j. Menggunakan dua buah motor DC sebagai pengerak robot. k. Menggunakan enam LED sebagai indikator tujuan pengantaran barang dan error. l. Mikrokontroler yang digunakan adalah Mikrokontroler ATmega8535. m. Pengaturan kecepatan motor menggunakan metode PWM (Pulse Width Modulation ).
1.4. Metodologi Penelitian
Metodologi penelitian yang dilakukan terdiri dari :
a. Mencari informasi dan mempelajari literatur tentang permasalahan yang ada, cara kerja dan sekaligus cara-cara merencanakan dalam membuat peralatan tersebut.
b. Perancangan perangkat keras meliputi kontruksi robot, rangkaian elektronis peletakan posisi sensor, dan pemasangan motor.
c. Perancang perangkat lunak yang meliputi pergerakan robot sesuai dengan rute pengantaran, pembacaan sensor, sistem kendali PD, pegendali gerakan dan kecepatan motor.
3 d. Pengujian dan pengambilan data percobaan dari kinerja sistem secara keseluruhan.
Teknik pengambilan data dilakukan dengan menguji kemampuan robot dalam mengantarkan barang sesuai dengan parameter PD yang di pilih, barang yang diantarkan mempunyai berat bervariasi.
e. Menganalisa hasil pengujian dan membuat kesimpulan. Analisa dilakukan dengan mengamati pergerakan robot dalam mengantarkan barang dan waktu yang diperlukan dalam proses pengantaran.
BAB II DASAR TEORI
2.1. Sistem Kontrol Robotik (close loop)
Kontrol robot close loop dapat dinyatakan seperti pada Gambar 2.1, jika hasil gerak aktual telah sama dengan referensi maka input kontroler akan nol. Artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal aktuasi kepada robot karena target akhir perintah gerak telah diperoleh. Makin kecil error terhitung maka makin kecil pula sinyal pengemudi kontroler terhadap robot, sampai akhirnya mencapai kondisi tenang (steady state) [3].
Gambar 2.1. Kontrol robot close loop [3]Referensi gerak dan gerak aktual dapat berupa posisi (biasanya didefinisikan melalui kedudukan ujung lengan terakhir/end of effector), kecepatan, akselerasi atau gabungan diantaranya. Kontrol bersifat konvergen jika dalam rentang waktu pengontrolan nilai error menuju nol, dan keadaan dikatakan stabil jika setelah konvergen kontroler mampu menjaga agar error selalu nol. Dua pengertian dasar yaitu konvergen dan stabil, sangat penting dalam kontrol close loop. Stabil dan konvergen diukur dari sifat referensinya. Posisi akhir dianggap konvergen bila makin lama gerakan makin perlahan dan akhirnya diam pada posisi yang dikehendaki referensi, dan dikatakan stabil jika posisi diam ini dapat dipertahankan dalam masa-masa berikutnya. Jika referensinya adalah kecepatan maka disebut stabil jika pada keadaan tenang kecepatan akhirnya adalah sama dengan referansi (atau mendekati) dan kontroler mampu menjaga kesamaan ini pada masa-masa berikutnya. Dalam hal kecepatan, keadaan tenang yang dimaksud adalah bukan berarti output kontroler bernilai nol (tegangan 0 volt) seperti keadaan sesungguhnya pada kontrol posisi, namun kontroler tidak lagi memberikan penguatan (amplify) atau
5
2.2. Kontrol Proporsional, Integral, dan Diferensial (PID)
2.2.1. Pengertian
Kontrol robot close loop pada Gambar 2.1, jika digambar ulang dalam bentuk pernyataan standar sistem kontrol seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 [3]. Dalam gambar, r adalah input, e adalah error, u adalah sinyal output kontroler, G(s) adalah kontroler PID, H(s) adalah dinamik robot, y adalah output sistem.
Gambar 2.2. Sistem Kontrol robot close loop [3]2.2.2. Kontrol Proporsional (P)
Kontroler proporsional memiliki keluaran yang sebanding/proporsional dengan besarnya sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang diinginkan dengan harga aktualnya) [4]. Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran kontroler proporsional merupakan perkalian antara konstanta proporsional dengan masukannya.
Secara matematis, kontroler adalah kontrol P (proporsional) jika G(s) = k, dengan k adalah konstanta. Jika u hasil dari perkalian antara G(s) dengan e, maka (2.1)
= × dengan Kp adalah konstanta proporsional. Kp berlaku sebagai gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Dengan demikian Gambar 2.2 dapat dinyatakan ulang seperti yang di perlihatkan Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Kontrol Proporsional (P) [4]Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik. Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana cukup mampu untuk mencapai konvergensi meskipun error keadaan tenangnya (steady state
6
Gambar 2.4 menunjukkan grafik hubungan antara PB (proporsional band), keluaran kontroler dan kesalahan yang merupakan masukan kontroler. Ketika Kpbertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit.
Gambar 2.4. Proporsional band dari kontroler proporsional [4]Ciri-ciri kontroler proporsional harus diperhatikan ketika kontroler tersebut diterapkan pada suatu sistem. Secara eksperimen, pengguna kontroler proporsional harus memperhatikan ketentuan-ketentuan berikut ini [4]:
a. Apabila nilai Kp kecil, kontroler proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.
b. Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan mantapnya.
c. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan, akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi.
2.2.3. Kontrol Intergral (I)
Jika G(s) adalah kontrol I (Integral) maka u dapat dinyatakan sebagai berikut, ( ) =
∫ ( ) ×
(2.2) = ×
(2.3) dengan K
i
adalah konstanta integral dan T
I adalah konstanta waktu integral.
7 Jika e(t) mendekati ati konstanta (bukan nol) maka u(t) akan me menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat pat memperbaiki error, dan sebaliknya jika ka e(t) mendekati nol maka efek kontrol I ini sem emakin kecil. Dari persamaan 1.2, G(s) dapat di pat dinyatakan sebagai berikut,
G(s) = K / S (2.4)
i
Kontrol I dapat mem emperbaiki respon steady state, namun pemil ilihan K
I yang tidak
tepat dapat menyebabkan re respon transien (transient response) yang tinggi tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabi bilan sistem. Pemilihan K yang sangat ti tinggi justru dapat
I
menyebabkan output berosi osilasi. Diagram kontrol I dapat diilustrasikan se sebagai berikut
Gambar 2.5. Kontrol Integral (I) [4]Secara lengkap, pen engaruh perubahan konstanta integral terhadap dap keluaran integral ditunjukkan oleh Gambar bar 2.6. Ketika sinyal kesalahan berlipat gand nda, maka nilai laju perubahan keluaran kontrol kontroler berubah menjadi dua kali dari semula. J . Jika nilai konstanta integrator berubah menjadi njadi lebih besar, sinyal kesalahan yang r relatif kecil dapat mengakibatkan laju keluara ran menjadi besar.
Gambar 2.6. Perubaha ubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan ke kesalahan [4]8 Kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini [4]:
a. Keluaran kontroler membutuhkan selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenderung memperlambat respon.
b. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada nilai sebelumnya.
c. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai K .
i d. Konstanta integral K yang berharga besar akan mempercepat hilangnya offset. i
Tetapi semakin besar nilai konstanta K akan mengakibatkan peningkatan osilasi
i dari sinyal keluaran kontroler.
2.2.4. Kontrol Diferensial (D)
Sinyal kontrol u yang dihasilkan oleh kontrol D (diferensial) dapat dinyatakan sebagai berikut,
∆
(2.5) ( ) = ×
∆
= × (2.6) dengan K d adalah konstanta diferensial dan T D adalah konstanta waktu diferensial, sehingga G(s) untuk kontrol diferensial dapat dinyatakan,
( )
= × (2.7)
( ) =
( )
Dari persamaan (2.5), nampak bahwa sifat dari kontrol D ini bermain dalam konteks “kecepatan” atau rate dari error. Dengan sifat ini, maka dapat digunakan untuk memprediksi error yang akan terjadi. Umpan balik yang diberikan adalah sebanding dengan kecepatan perubahan e(t) sehingga kontroler dapat mengantisipasi error yang akan terjadi. Dalam blok diagram dapat dinyatakan sebagai berikut.
Gambar 2.7. Kontrol Diferensial (D) [4]Gambar 2.8 menyatakan hubungan antara sinyal masukan dengan sinyal keluaran9 mengalami perubahan. Jika sinyal masukan mengalami perubahan mendadak, keluaran menghasilkan sinyal berbentuk impuls. Jika sinyal masukan berubah secara perlahan (fungsi ramp), keluarannya justru merupakan fungsi step yang besar magnitudenya sangat dipengaruhi oleh kecepatan naik dari fungsi ramp dan faktor konstanta.
Gambar 2.8. Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial [4]2.2.5. Kontrol PID
Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing kontroler P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi kontroler proporsional , integral dan diferensial (kontroler PID). Elemen-elemen kontroler P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar [4]. Gambar 2.9 menunjukkan blok diagram kontroler PID analog.
Gambar 2.9. Blok diagram kontroler PID analog [4]Dari Gambar 2.9 maka persamaan matematis kontrol PID adalah
( )
(2.8) ( ) = ( × ) + × × × ×
∫ ( )
10 dengan memasukan persamaan 2.3 dan 2.6 ke persamaan 2.8, maka diperoleh
( )
- × ) + × × (2.9) ( ) = (
∫ ( ) sehingga fungsi transfer dari kontrol PID akan tampak sebagai berikut
( )
) (2.10)
- = + ( ×
( )
Gambar 2.10. Fungsi transfer kontrol PID [3]2.2.6. Diskretisasi Pengendali PID
Pengendali pada sistem digital harus didiskretkan agar dapat diemplementasikan dengan komputer. Dengan diberikan interval pencuplikan yang cukup pendek, derivatif waktu dapat didekati dengan perbedaan antara interval tersebut, dan integral didekati dengan penjumlahan antar interval.
Periode pencuplikan (n) diasumsikan konstan dan variasi isyarat selama interval pencuplikan diabaikan. Kesalahan (error) dihitung pada masing-masing interval sebagai berikut
(2.11) ( ) =
− ( ) dengan e(n) adalah nilai error sekarang, r adalah nilai set point (SP) dan y(n) merupakan sistem sekarang.
output
Persamaan 2.9 adalah persamaan dalam domain waktu. Untuk memudahkan penulisan dalam program, maka persamaan 2.9 dikonversikan ke dalam bentuk diskret, dengan menggunakan finite differential orde pertama yang direpresentasikan dalam persamaan berikut [5]
( ) ( ) ( )
= ; = × (2.12) × ( ) (2.13)
∑ ∫ ( ) =
11 dengan memasukan persamaan 2.12 dan 2.13 ke persamaan 2.9, maka diperoleh u dalam bentuk diskret yaitu
( ) = ( × ( )) + ( × ( )) + ( × ( ( ) ∑ − ( − 1))) (2.14) dengan
= × ×
= =
× = apabila
( ) = ( (2.15)
− 1) + ( ) Maka persamaan kontroler PID dalam bentuk diskrit adalah sebagai berikut
( ) = × ( ) + × × ( ( ) (2.16) ( ) + (
− ( − 1))) dengan u(n) adalah output sekarang, K adalah konstanta proporsional, K adalah konstanta
P
I
integral (bentuk diskrit), K D adalah konstanta diferensial (bentuk diskrit), S(n) adalah jumlah error sekarang, S(n-1) adalah jumlah error sebelumnya, e(n) adalah error sekarang,
e(n-1) adalah error sebelumnya, dan T adalah waktu pencuplikan (time sampling).
S
2.2.7. Pendoman Umum Mendesain Kontrol PID
Ketika mendesain kontrol PID, jika metode-metode penalaan parameter kontrol PID disebelumnya tidak bisa diterapkan pada sistem, dapat dilakukan beberapa langkah untuk mendapatkan respon yang diinginkan, sebagai berikut:
1. Lakukan aksi proporsional saja, dengan cara: a. Hilangkan pengaruh I dan D.
b. Mulailah dengan Kp kecil, kemudian diperbesar, sehingga diperoleh grafik yang stabil.
2. Jika langkah 1 di atas terdapat offset, hilangkan offsetnya dengan menambah T .
I a. Hilangkan pengaruh D.
b. Mulailah dengan T yang besar, kemudian dikurangi sehingga diperoleh
I grafik yang stabil dan tidak ada offset.
3. Jika hasil keluaran langkah 2 lambat, percepat responnya dengan menambah D dengan cara:
12 a. Aktifkan D.
b. Mulailah dengan T rendah, kemudian diperbesar sampai diperoleh respon
D yang diinginkan.
2.2.8. Keterbatasan Kinerja Pengendali PID Diskrit
2.2.8.1. Tunda Waktu
Tunda waktu sering terjadi dalam industri proses karena adanya keterlambatan jarak, recycle loop, atau dead time karena analisis komposisi. Tunda waktu menyebabkan informasi dari perubahan perubah proses sesungguhnya datang lebih lambat dari yang diperlukan oleh pengendali. Hal ini menyebabkan keterbatasan kinerja sistem kendali dan dapat menuju ketakstabilan sistem [2].
2.2.8.2. Variasi Parameter Takdiketahui
Sistem kontrol PID hanya dapat bekerja baik untuk sistem H(s) yang cenderung linier dalam fungsi waktu. Artinya, persamaan dinamik dari model H(s) relatif tidak berubah selama rentang waktu pengontrolan. Padahal kenyataannya, tidak ada sistem rill yang benar-benar linier. Bahkan hampir semua fenomena kontrol mulai dari skala kecil, misalnya kontrol motor DC, hingga skala besar, misalnya kontrol pesawat terbang tanpa awak, jika dilakukan pemodelan secara rinci dan lengkap adalah sangat tidak linier (nonlinear). Motor selalu bermasalah dengan friksi pada poros, gearbox, perubahan karakteristik karena temperature,dll. Pesawat di udara selalu berhadapan dengan tekanan udara yang berubah-rubah, angin, hujan, dan sebagainya.
Untuk kontrol klasik ini, yang dapat dilakukan oleh engineer hanyalah melakukan pendekatan atau asumsi model sistem secara linier dengan mengabaikan faktor-faktor tidak linier yang dianggap terlalu sulit untuk dimodelkan secara matematik. Sehingga Kp,
K
I dan K D yang dipilih (tuned) adalah yang dianggap paling tepat (optimum) untuk kondisi
ideal model yang dirancang [2].2.3. Mikrokontroler AVR ATmega8535
Mikrokontroler yang digunakan untuk penelitian ini adalah AVR ATmega8535. Seri ATmega8535 dipilih karena mikrokontroler ini memiliki beberapa fasilitas yang mampu menangani kontrol robot pengantar barang dan cukup cepat dalam melaksanakan instruksi
13 program flash sebesar 8Kbyte (ISP), memori SRAM 512 byte, serial I/O dengan mode USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver an Transmiter), ADC internal dengan fidelitas 10 bit sebanyak 8 channel (package PDIP), 3 buah Timer/Counter, 2 buah
Timer/Counter
dengan kemampuan pembandingan (PWM mode), dan tegangan kerja yang kecil (4,5 – 5,5 Volt) [6].
2.3.1. Konfigurasi Pin ATmega8535 Konfigurasi pin ATmega8535 (package PDIP) dapat dilihat pada Gambar 2.11.