MAKALAHSistem Kendali

Implementasi Sistim Navigasi Wall Following

Mengguakan Kontrol PID

Dengan Metode Tuning Pada Robot Beroda

oleh :ALFON PRIMA

1101024005

PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIKJURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI PADANG2013

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 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

tanggapan sinyal 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

I.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, Kp.

Hubungan antara pita proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (Kp)

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 Kp 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 sendiri-

sendiri 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_siswoyo/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-dengan-

kendali-pid/

http://id.wikipedia.org/wiki/

dan dirangkum dari berbagai makalah