Upload
truongdang
View
224
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
56
Bab IV
Pengujian dan Analisis
Setelah proses perancangan, dilakukan pengujian dan analisis untuk
mengukur tingkat keberhasilan perancangan yang telah dilakukan. Pengujian
dilakukan permodul, setelah modul-modul diuji, kemudian diintegrasikan dan
dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan.
III.1 Pengujian pulsa encoder
Pengujian pulsa encoder digunakan untuk mengamati pulsa yang dihasilkan
oleh encoder yang kemudian dihitung jumlahnya. Amplitudo pulsa encoder
sebesar 2 volt. Semakin cepat putaran motor, maka frekuensi pulsa akan semakin
tinggi. Pada saat pulsa encoder rising edge akan mengakibatkan register di
TCNT0 bertambah, kemudian setelah selang 20 ms kecepatan dihitung dengan
melihat jumlah pulsa yang nilainya sama dengan nilai yang ada di register
TCNT0.
Gambar IV.1 Pengujian pulsa encoder
Nilai TCNT0 inilah yang diambil sebagai kecepatan motor dan diambil sebagai
nilai umpan balik ke sistem kendali. Encoder yang digunakan penulis sudah
menyatu dengan motor sehingga penggunaanya lebih mudah dan praktis. Encoder
akan memberikan 116 pulsa jika motor diputar 3600.
57
III.2 Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller
Pulsa PWM yang keluar dari mikrokontroller mendekati ideal, yakni berupa
sinyal kotak yang prosentase sinyal high dengan keseluruhan sinyal merupakan
besar duty cycle yang dihasilkan.
Gambar IV.2. Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller
Gambar di atas merupakan bentuk sinyal PWM dengan duty cycle 75%, dari
gambar terlihat perbandingan antara sinyal high dan sinyal low adalah 3:1
III.3 Pengujian pulsa PWM dari driver motor
Bentuk pulsa PWM yang keluar dari driver motor tidak semulus yang
keluar dari mikrokontroller, hal ini karena pengaruh driver motor dan motor
ketika kondisi high ke low tidak ideal. Tegangan rata-rata yang dihasilkan sebesar:
(Duty cycle x Vreferensi ) – Drop tegangan.
Gambar IV.3. Pengujian pulsa PWM dari driver
58
Gambar di atas merupakan bentuk sinyal PWM dengan duty cycle 75%, dari
gambar terlihat perbandingan antara sinyal high dan sinyal low adalah 3:1.
Adanya sinyal negatif merupakah efek ketika kondisi on ke off.
III.4 Pengujian masukan set point
Set point diberikan melalui potensiometer sebagai pembagi tegangan dalam
rentang VCC (5 volt) dan GND (0 volt). Hasil pembacaan tegangan analog
tersebut kemudian diubah kedalam format digital 8 bit sehingga range nilainya 0-
255. Hasil konversi tersebut dibagi 2 untuk meningkatkan ketelitian. Hasil
pengujian menunjukkan bahwa pemutaran potensiometer telah mampu
memberikan masukan set point dengan ketelitian nilai 1.
Selain melalui potensiometer, masukan set point juga dapat dilakukan
melalui generator fungsi sehingga dapat diberikan berbagai bentuk sinyal referensi
seperti sinyal segitiga dan sinyal kotak. Pengujian masukan sinyal referensi
menunjukkan bahwa pembacaan sinyal analog telah berhasil dengan cara melihat
nilai set point yang besarnya (Vreferensi/5 volt) x 127.
III.5 Pengujian tegangan keluaran driver terhadap masukan PWM
Pengukuran tegangan keluaran driver sebagai catu daya motor dengan
masukan berupa nilai PWM 8 bit dengan pre skalar 64 yang dikendalikan oleh
mikrokontroller. Hasil pengukuran menghasilkan data sebagai berikut:
Gambar IV.4. Hubungan PWM dengan tegangan keluaran driver
0
2
4
6
8
10
12
0 50 100 150 200 250
Tega
ngan
(vol
t) .
PWM 8 bit (desimal)
Hubungan PWM - tegangan
59
Tampak dari grafik bahwa hubungan nilai PWM dengan tegangan keluaran:
• Tidak linier, hal ini karena karakteristik bahan IC L298N
• Terjadi drop tegangan dimana tegangan referensi yang diberikan sebesar 12 V,
akan tetapi dengan nilai PWM maksimal sebesar 255 hanya menghasilkan
tegangan 10 V, hal ini karena karakteristik IC L298N sebagaimana disebutkan
dalam datasheet bahwa akan terjadi drop tegangan sebesar 1,8 - 3,2 Volt
III.6 Pengujian kecepatan motor terhadap masukan PWM
Pengukuran kecepatan motor dengan masukan PWM 8 bit dengan pre
skalar 64 pada sistem loop terbuka dengan waktu pencuplikan 20 ms
menghasilkan data sebagai berikut
Gambar IV.5. Hubungan PWM dengan kecepatan motor
Motor mulai berputar pada pemberian nilai PWM disekitar 100. Ketidaklinieran
bahkan adanya dead zone ini akan berpengaruh terhadap sistem kendali yang akan
dibangun sehingga perancangan fungsi keanggotaan keluaran berupa perubahan
selisih PWM berada pada rentang 0-155 bukan 0-255. Data di atas dan data
pengukuran-pengukuran selanjutnya dinyatakan dalam pencuplikan 20 ms dengan
116 pulsa/rotasi sehingga kecepatan dalam rpm adalah jumlah pulsa x 25.86 rpm.
Untuk selanjutnya, pre skalar PWM yang digunakan dalam perancangan
penelitian sebesar 64.
0102030405060708090
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Kec
epat
an (r
pm)
PWM 8 bit (desimal)
Hubungan PWM - kecepatan
60
III.7 Pengujian respon step sisem loop terbuka
Pengujian sistem loop terbuka dengan memberikan nilai PWM yang setara
dengan kecepatan yang diinginkan: kecepatan 50 pulsa/20 ms setara dengan 123,
60 pulsa/20ms setara dengan 146, 70 pulsa/20ms setara dengan 187 dan 80
pulsa/20 ms setara dengan 250. Pengamatan kecepatan dalam satuan pulsa/20 ms
sehingga jika dikonversi ke dalam rpm maka perlu dikalikan dengan 25,86. Hasil
pengukuran kecepatan motor pada transien dengan masukan step memberikan
hasil sebagai berikut
Gambar IV.6. Respon step pada kendali loop terbuka
Dari grafik di atas, respon menunjukkan
• Nilai rise time berbeda-beda tergantung set pointnya, semakin besar set point
semakin cepat rise timenya
• Nilai settling time cenderung sama, yakni sekitar 200 ms.
• Pada kecepatan rendah cenderung terjadi osilasi. Kecepatan motor pada
kecepatan rendah cenderung tidak stabil, hal ini dikarenakan pada kecepatan
rendah, gesekan konstruksi mekanik sistem motor DC lebih besar.
Sebagai perbandingan pengamatan bentuk respon transient, dilakukan
pengamatan tegangan DC analog yang dihasilkan dari generator. Pengamatan
tegangan generator yang dihasilkan melalui osiloskop jika diberi masukan step
sebagai berikut
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 200 400 600 800 1000
Kece
pata
n (rp
m)
Waktu (ms)
Respon step kendali open loop
61
Gambar IV.7. Respon step tegangan generator sistem loop terbuka Dari gambar di atas terlihat respon sistem sebelum mencapai steadty state. Bentuk
respon tegangan mirip dengan respon pengamatan kecepatan melaui encoder.
IV.8 Pengujian set point sinyal kotak pada loop terbuka
Pengujian sistem loop terbuka dengan set point berupa sinyal kotak yang
dihasilkan oleh generator sinyal, masukan set point sebagai berikut
Gambar IV.8. Masukan set point berupa sinyal kotak pada loop terbuka
Adapun keluaran berupa kecepatan motor yang diukur melalui encoder
menghasilkan data sebagai berikut
0255075
100125150175200
0 5000 10000 15000 20000
PW
M 8
bit
Waktu (ms)
Input sinyal kotak kendali loop terbuka
62
Gambar IV.9. Respon kecepatan dengan set point sinyal kotak pada loop terbuka
Adapun pengamatan dengan osiloskop pada masukan set point dan tegangan
generator yang dihasilkan sebagai berikut
Gambar IV.10. Respon tegangan generator set point sinyal kotak loop terbuka Dari grafik dan pengamatan osiloskop terlihat sisi transient sebelum sistem
mencapai kondisi steady state.
IV.9 Pengujian set point sinyal segitiga pada loop terbuka
Pengujian berikutnya berupa pemberian nilai set point berupa sinyal segitiga
pada loop terbuka. Dari sini dapat diketahui kemampuan sistem untuk mengikuti
(track) set point yang berubah-ubah pada sistem loop terbuka. Hasil pengukuran
kecepatan menghasilkan data sebagai berikut
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 5000 10000 15000 20000
PWM
8bi
t
Waktu (ms)
Respon kecepatan input sinyal kotak loop terbuka
63
Gambar IV.11. Masukan set point berupa sinyal segitiga pada loop terbuka
Gambar IV.12 Pengamatan respon kecepatan dengan set point sinyal segitiga pada
loop terbuka
Pengamatan tegangan generator dengan osiloskop sebagai berikut
Gambar IV.13. Pengamatan respon tegangan generator dengan set point sinyal
kotak pada sistem loop terbuka
0
25
50
75
100
125
150
175
0 5000 10000 15000 20000
PW
M 8
bit
Waktu (ms)
Seting point sinyal segitiga kendali open loop
010203040506070
0 5000 10000 15000 20000
Kec
epat
an (r
pm)
Waktu (ms)
Respon kecepatan seting point sinyal kotak kendali loop terbuka
64
IV.10 Pengujian respon step pada kendali fuzzy
Untuk membuktikan apakah sistem fuzzy telah berhasil
diimplementasikan pada sistem maka perlu dilakukan percobaan dengan
menentukan set point, kemudian dianalisis apakah sistem secara otomatis dapat
mengejar set point tersebut. Selain pengujian apakah sistem mampu mengejar set
point pada respon step, sistem kendalian juga harus mampu menstabilkan
kecepatan ketika sistem terjadi perubahan beban. Pengujian dengan
menghubungkan generator dengan beban berupa LED.
Untuk mengukur kinerja motor dilakukan pengujian dengan masukan step
sehingga dapat diamati kemampuan sistem dalam mengejar set point. Pada sistem
loop tertutup yang telah diimplementasikan kendali logika fuzzy menghasilkan
data sebagai berikut
Gambar IV.14. Respon step pada kendali fuzzy
Dari hasil pengukuran di atas, hasil pengendali logika fuzzy lebih cepat mencapai
rise time akan tetapi kemudian terjadi overshoot. Pengendali fuzzy seolah-olah
terlalu berlebihan memberikan respon ketika mengkompensai error kecepatan, hal
ini merupakan konsekuensi ketika respon ingin cepat mencapai set point akan
tetapi waktu pencuplikan yang relativ lama (20 ms) sehingga memberikan efek
respon yang berlebih. Akan tetapi jika waktu pencuplikan diperkecil
menyebabkan sensor kecepatan menjadi kurang akurat, oleh karena itu jika
diinginkan respon yang lebih baik perlu menggunakan sensor kecepatan yang
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 200 400 600 800 1000
Kece
pata
n (rp
m)
Waktu (ms)
Respon step kendali fuzzy
65
lebih tinggi resolusinya, tidak seperti yang digunakan dalam eksperimen ini yang
hanya 116 pulsa/rotasi. Kemampuan sistem mengejar settling time pada kecepatan
tinggi (80 pulsa/20ms) mengalami perbaikan, dimana pada loop terbuka
dibutuhkan waktu 200 ms, akan tetapi setelah diimplementasikan kendali fuzzy
hanya membutuhkan waktu sekitar 140 ms. Adapun pada kecepatan 70 atau
dibawahnya, settling time menjadi lebih lama.
Adapun pengamatan pada tegangan generator yang dihasilkan melalui
osiloskop sebagai berikut.
.
Gambar IV.15. Pengamatan respon step tegangan generator pada kendali fuzzy
Dari sinyal tegangan generator terlihat overshooti pada awal-awal transient
sebelum mencapai steady state. Pengamatan tegangan generator dan kecepatan
motor melalui encoder secara umum memberikan respon yang hampir sama, akan
tetapi dengan encoder lebih teliti.
IV.11 Pengujian efek ketidaklinieran plant pada respon step
Seperti terlihat pada gambar IV.2 bahwa motor mulai bergerak pada
pemberian nilai 100. Keadaan tidaklinier ini menyebabkan kalkulasi fuzzy tidak
dapat memberikan respon yang baik karena menganggap bahwa rentang antar 0
sampai dengan 255 adalah linier. Pengaruh ketidaklinieran plant terlihat dari
pengukuran kecepatan dalam gambar berikut ini.
66
Gambar IV.16. Pengaruh ketidaklinieran plant terhadap respon step
Untuk mengkompensasi plant yang tidak linier, didekati dengan pembatasan
range pemberian PWM yakni bahwa rentang perubahan PWM adalah 0-155
bukan 0-255 dengan menganggap bahwa nilai PWM(n=0) sebesar 100.
Efek ketidaklinieran plant dan rentang keluaran kalkulasi seperti terlihat
dalam gambar di atas, secara umum kendali fuzzy tidak terlalu terpengaruh oleh
kondisi ketidaklinieran.
IV.12 Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal kotak
Pengujian kendali fuzzy dengan set point berupa sinyal kotak menghasilkan
data sebagai berikut.
Gambar IV.17. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak
0102030405060708090
0 200 400 600 800 1000
Kec
epat
an (r
pm)
Waktu (ms)
Respon step sebelum dan sesudah kompensasi ketidaklinieran
SP=80 (Open)
SP=80 (Fuzzy L)
SP=80 (Fuzzy NL)
0102030405060708090
100
0 5000 10000 15000 20000
Kece
pata
n (r
pm)
Waktu (ms)
Respon kecepatan input sinyal kotak pada kendali Fuzzy
67
Gambar IV.18. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak
IV.13 Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal segitiga
Pengujian berikutnya dengan memberikan nilai set point yang berubah
mengikuti pola segitiga. Hasil pengukuran mendapatkan data sebagai berikut:
Gambar IV.19. Respon kendali fuzzy terhadap set point segitiga
Dari hasil pengukuran tersebut, sistem kendali yang dibangun telah mampu
mendekati nilai seting poin. Kecepatan yang naik secara tidak mulus pada awal-
awal motor bergerak atau pada set point kecil dikarenakan putaran motor tidak
tentu ketika diberi tegangan kecil, hal ini karena ketelitian sensor kecepatan yang
kurang teliti serta perakitan mekanik motor dan beban yang kurang bagus. Pada
set point menengah ke atas, sistem mampu mengikuti set point dengan error yang
relatif kecil seperti pada pengamatan ketika sistem diberi respon step pada
0102030405060708090
0 5000 10000 15000 20000
Kece
pata
n (rp
m)
Waktu (ms)
Respon kecepatan seting point sinyal segitiga pada kendali fuzzy
68
kecepatan 70 pulsa/20 ms. Adapun pengamatan tegangan analog pada generator
dilakukan melalui osilokop menghasilkan data sebagai berikut
Gambar IV.20. Pengamatan tegangan generator pada kendali fuzzy terhadap set
point sinyal segitiga
IV.14 Pengujian percobaan perubahan beban pada sistem kendali fuzzy
Untuk melihat efek kendali fuzzy ketika terjadi perubahan beban, terlebih
dahulu diujicoba perubahan beban pada sistem loop terbuka. Perubahan beban
diberikan dengan menghubungkan generator ke LED. Hasil pengujian pada sistem
kendali loop terbuka menghasilkan data sebagai berikut.
Gambar IV.21. Pengujian beban sistem loop terbuka pada set point 70
0102030405060708090
100
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Kec
epat
an (r
pm)
Waktu (ms)
Pengujian perubahan beban pada open loop
69
Dalam sistem loop terbuka, ketika terjadi penambahan beban maka kecepatan
menurun seperti terlihat dalam grafik di atas. Ketika beban dikembalikan ke
kondisi semula maka kecepatan kembali seperti pada saat sebelum terjadi
penambahan beban. Pengamatan ini dilakukan sebelum sistem kendali fuzzy
diimplementasikan.
Adapun setelah sistem fuzzy diimplementasikan, maka hasil pengamatan
terhadap penambahan beban dengan catu daya 12 volt ditunjukkan dalam grafik
berikut.
Gambar IV.22. Pengujian perubahan kendali fuzzy pada set point 60
Ketika terjadi perubahan beban, maka sistem memberikan kompensasi untuk
menjaga kecepatan agar tetap pada nilai set point, perubahan duty cycle
ditunjukkan dalam gambar berikut ini.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Kec
epat
an (r
pm)
Waktu (ms)
Pengujian perubahan beban pada SP 60
70
Gambar IV.23. Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 60
Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa sistem yang telah dibangun mampu
menjaga agar kecepatan berada pada nilai set point walaupun terjadi perubahan
beban. Pengujian juga dilakukan dengan variasi nilai set point, pengujian
perubahan beban pada set point 70 dengan catu daya 12 volt menghasilkan data
sebagai berikut
Gambar IV.24. Pengujian perubahan beban pada SP 70
Berikut sinyal kompensasi ketika terjadi perubahan beban, nilai duty cycle
bertambah ketika terjadi perubahan beban.
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
PWM
8 b
it
Waktu (ms)
Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 60
0102030405060708090
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Kece
pata
n (rp
m)
Waktu (ms)
Pengujian perubahan beban pada SP 70
71
Gambar IV.25. Perubahan duty cycle ketika terjadi perubahan beban SP 70
Pada set point 70 terlihat bahwa sistem sudah tidak mampu menjaga kecepatan
sesuai set point, hal ini terjadi karena catu daya sudah tidak mampu
mengkompensasi perubahan beban, walaupun sudah diberikan catu daya
maksimal berupa duty cycle 100% tetapi karena bebannya terlalu berat, maka
sistem tidak mampu menjaga nilai sesuai set point. Jadi, sistem mampu menjaga
nilai sesuai set point ketika terjadi perubahan beban selama kompensasi mampu
mengimbangi perubahan beban. Hal ini berkaitan erat dengan kemampuan catu
daya yang diberikan pada tegangan referensi driver motor.
IV.15 Pengujian perubahan catu daya
Pengujian berikutnya berupa perubahan catu daya, fenomena pengujian
pada set point 70 dimana sistem tidak mampu mengembalikan kecepatan ke set
point karena keterbatasan catu daya dapat diatasi dengan penyediaan catu daya
yang lebih besar. Berikut pengujian dengan variasi catu daya: 12 volt, 20 volt dan
30 volt
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
PWM
8 b
it
Waktu (ms)
Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 70
72
Gambar IV.26. Respon step pada set point 70 dengan variasi catu daya
Dari pengujian diatas dapat disimpulkan bahwa sistem mampu mengejar set point
walaupun dengan catu daya berbeda-beda, hal ini dikarenakan sistem mampu
menyesuaikan duty cycle yang diberikan ke motor. Berikut pengamatan duty cycle
pada variasi catu daya.
Gambar IV.27. Perubahan duty cycle pada variasi catu daya
IV.16 Pengukuran waktu komputasi kendali fuzzy
Waktu yang dibutuhkan pada perhitungan fuzzy cukup cepat yakni hanya
sebesar 3,2 ms, waktu ini diukur dengan mencetak nilai counter pada TCNT2
(timer) di awal dan di akhir perhitungan kendali fuzzy ke PC melalui port serial.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 200 400 600 800 1000
Kec
epat
an (r
pm)
Waktu (ms)
Pengujian perubahan catu daya
SP
12V
20V
30V
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
PWM
8 b
it
Waktu (ms)
Perubahan duty cycle pada variasi catu daya
12V
20V
30V
Gammbar IV.28. D
73
Diagram pewwaktuan sistem