Mengendalikan Motor encoder dengan menggunakan PID

1. LAPORAN AKHIR
TEKNIK KENDALI
IMAM BUDIYANTO / 16525099
MUHAMMAD TSAGIF NURRAHMAN / 16525104
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA
YOGYAKARTA
2018

2. Page | 2
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI......................................................................................................................................1
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................................................3
A. LATAR BELAKANG.............................................................................................................3
B. TUJUAN ................................................................................................................................3
C. LUARAN YANG DIHARAPKAN...........................................................................................3
BAB II METODE PELAKSANAAN ..................................................................................................4
A. ALAT DAN BAHAN..............................................................................................................4
B. PEMBAHASAN ALAT DAN BAHAN....................................................................................6
C. PEMBAHASAN PADA XCOS SCILAB................................................................................13
BAB III PENUTUP..........................................................................................................................24
A. KESIMPULAN.....................................................................................................................24

3. Page | 3
BAB I PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Teknik Kendali (Control System Enginering) adalah bagian dari rekayasa yang
mengaplikasikan teori kendali untuk dapat mendesain system dengan perilaku sesuai apa
yang kita inginkan/diimpikan. Pada pembelajaran ini dituntut untuk mendesain sebuah
system kendali untuk system linier time-invariant dengan satu input dan satu output.
Ada pun sistem sendiri adalah komponen yang saling terhubung/berhubungan
dengan batasan tertentu. Time Varian sendiri memiliki karakteristik yang dapat berubah
terhadap waktu (m.t) contohnya : Roket dengan Peluncurnya. Sedangkan Time Invariant
karakternya tidak berubah terhadap waktu, contohnya : Komponen Mobil (kemudi mobil
dengan ban)
Melihat perkembangan jaman yang semakin maju dengan banyaknya teknologi
dan tuntutan untuk dapat bergerak cepat dan juga tepat sasaran maka perlunya
pembelajaran untuk dasar teknik kendali baik untuk bidang industry sendiri karena untuk
mengetahui dan mampu mengontrol kendali dari sebuah system perlu dilakukan
perancangan system kendali agar desain system dapat bekerja sesuai apa yang kita
inginkan
B. TUJUAN
1. Untuk mendapatkan optimasi proses dimana hal ini dapat diperoleh berdasarkan
fungsi daripada sistem kontrol itu sendiri yaitu pengukuran, pembandingan,
pencatatan dan perhitungan, serta perbaikan.
2. Mahasiswa dituntut untuk mampu mendesain sebuah system kendali untuk system
linier time-invariant dengan satu input dan satu output
3. Mahasiswa mampu merancang system kendali sesuai apa yang didinginkan
dengan menggunakan control PI, PD atau pun PID sesuai dengan kebutuhannya.
C. LUARAN YANG DIHARAPKAN
Adapun Luaran yang diharapkan pada pembelajaran ini, mahasiswa mengerti dan
mampu untuk membuat rancang system kendali dengan mengetahui spesifikasi kinerja
system kendali yang akan dikendalikan, contoh pengendalian Motor DC agar mampu
bekerja sesuai dengan apa yang kita inginkan dengan mencari model objek kendali
(fungsi transfer objek kendali) dan selanjutnya memilih jenis control yang sesuai dengan
kebutuhan kita. Bandingkan persamaan karakteristik system dengan persamaan
karakteristik yang kita inginkan untuk mendapatkan gain kontroler dengan syarat : orde
kedua persamaan karakteristik tersebut haruslah sama.

4. Page | 4
BAB II METODE PELAKSANAAN
A. ALAT DAN BAHAN
1. Kabel Jumper (Male-Male)
Gambar 1 Kabel Jumper
Sumber : https://www.tokopedia.com/palapaelectron/kabel-jumper-male-male-arduino-
compatible-20-pcs-pin
2. IC L293D
Gambar 2 IC L293D
Sumber : http://www.embeddedmarket.com/products/IC-L293D/

5. Page | 5
3. White Board
Gambar 3 White Board
Sumber : Penulis
4. Motor DC + Encoder
Gambar 4. Motor DC + Encoder
Sumber : Penulis
5. Arduino UNO
Gambar 5. Arduino UNO
Sumber:https://www.element14.com/community/community/arduino/blog/2014/12/19/20
14-year-in-review-creative-arduino-projects

6. Page | 6
6. Laptop
Gambar 6. Laptop
Sumber : https://rog.asus.com/articles/news/asus-introduces-the-republic-of-gamers-
g750-laptop/
B. PEMBAHASAN ALAT DAN BAHAN
1. IC L293D adlah IC yang didesain khusus sebagai driver motor DC dan dapat
dikendalikan dengan rangkaian TTL maupun mikrokontroler. Motor DC yang
dikontrol dengan driver IC L293D dapat dihubungkan ke ground maupun ke sumber
tegangan positif karena di dalam driver L293D sistem driver yang digunakan adalah
totem pool. Dalam 1 unit chip IC L293D terdiri dari 4 buah driver motor DC yang
berdiri sendiri sendiri dengan kemampuan mengalirkan arus 1 Ampere tiap
drivernya. Sehingga dapat digunakan untuk membuat driver H-bridge untuk 2 buah
motor DC. Konstruksi pin driver motor DC IC l293D adalah sebagai berikut.
Fungsi Pin Driver Motor DC IC L293D
 Pin EN (Enable, EN1.2, EN3.4) berfungsi untuk mengijinkan driver menerima
perintah untuk menggerakan motor DC.
 Pin In (Input, 1A, 2A, 3A, 4A) adalah pin input sinyal kendali motor DC
 Pin Out (Output, 1Y, 2Y, 3Y, 4Y) adalah jalur output masing-masing driver yang
dihubungkan ke motor DC
 Pin VCC (VCC1, VCC2) adalah jalur input tegangan sumber driver motor DC, dimana
VCC1 adalah jalur input sumber tegangan rangkaian kontrol dirver dan VCC2 adalah
jalur input sumber tegangan untuk motor DC yang dikendalikan.
 Pin GND (Ground) adalah jalu yang harus dihubungkan ke ground, pin GND ini ada
4 buah yang berdekatan dan dapat dihubungkan ke sebuah pendingin kecil.

7. Page | 7
2. Kabel Jumper (Male-Male)
Kabel Jumper digunakan untuk menghubungkan tiap arus mulai dari Input hingga
ground.
3. Arduino Uno
Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328. Arduino
memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM,
6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan
tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller; dapat dikoneksikan
dengan komputer menggunakan kabel USB..(FeriDjuandi, 2011)
Apakah arduino?, Menurut (FeriDjuandi, 2011) Arduino adalah merupakan sebuah
board minimum system mikrokontroler yang bersifat open source. Didalam
rangkaian board arduino terdapat mikrokontroler AVR seri ATMega 328 yang
merupakan produk dari Atmel.
Arduino memiliki kelebihan tersendiri disbanding board mikrokontroler yang lain
selain bersifat open source, arduino juga mempunyai bahasa pemrogramanya sendiri
yang berupa bahasa C. Selain itu dalam board arduino sendiri sudah
terdapat loader yang berupa USB sehingga memudahkan kita ketika kita
memprogram mikrokontroler didalam arduino. Sedangkan pada
kebanyakan board mikrokontroler yang lain yang masih membutuhkan
rangkaian loader terpisah untuk memasukkan program ketika kita memprogram
mikrokontroler. Port USB tersebut selain untuk loader ketika memprogram, bisa juga
difungsikan sebagai port komunikasi serial.
Arduino menyediakan 20 pin I/O, yang terdiri dari 6 pin input analog dan 14 pin
digital input/output. Untuk 6 pin analog sendiri bisa juga difungsikan sebagai output
digital jika diperlukan output digital tambahan selain 14 pin yang sudah tersedia.

8. Page | 8
Untuk mengubah pin analog menjadi digital cukup mengubah konfigurasi pin pada
program. Dalam board kita bisa lihat pin digital diberi keterangan 0-13, jadi untuk
menggunakan pin analog menjadi output digital, pin analog yang pada keterangan
board 0-5 kita ubah menjadi pin 14-19. dengan kata lain pin analog 0-5 berfungsi
juga sebagi pin output digital 14-16.
Sifat open source arduino juga banyak memberikan keuntungan tersendiri untuk kita
dalam menggunakan board ini, karena dengan sifat open source komponen yang kita
pakai tidak hanya tergantung pada satu merek, namun memungkinkan kita bisa
memakai semua komponen yang ada dipasaran.
Bahasa pemrograman arduino merupakan bahasa C yang sudah disederhanakan
syntax bahasa pemrogramannya sehingga mempermudah kita dalam mempelajari dan
mendalami mikrokontroller.
Power
Arduino dapat diberikan power melalui koneksi USB atau power supply. Powernya
diselek secara otomatis. Power supply dapat menggunakan adaptor DC atau baterai.
Adaptor dapat dikoneksikan dengan mencolok jack adaptor pada koneksi port
input supply. Board arduino dapat dioperasikan menggunakan supply dari luar
sebesar 6 – 20 volt. Jika supply kurang dari 7V, kadangkala pin 5V akan menyuplai
kurang dari 5 volt dan board bisa menjadi tidak stabil. Jika menggunakan lebih dari
12 V, tegangan di regulator bisa menjadi sangat panas dan menyebabkan kerusakan
pada board. Rekomendasi tegangan ada pada 7 sampai 12 volt.
Penjelasan pada pin power adalah sebagai berikut :
Vin
Tegangan input ke board arduino ketika menggunakan tegangan dari luar (seperti
yang disebutkan 5 volt dari koneksi USB atau tegangan yang diregulasikan).
Pengguna dapat memberikan tegangan melalui pin ini, atau jika tegangan suplai
menggunakan power jack, aksesnya menggunakan pin ini.
5V
Regulasi power supply digunakan untuk power mikrokontroller dan komponen
lainnya pada board. 5V dapat melalui Vin menggunakan regulator pada board, atau
supply oleh USB atau supply regulasi 5V lainnya.
3V3
Suplai 3.3 volt didapat oleh FTDI chip yang ada di board. Arus maximumnya adalah
50mA
Pin Ground
berfungsi sebagai jalur ground pada arduino

9. Page | 9
Memori
ATmega328 memiliki 32 KB flash memori untuk menyimpan kode, juga 2 KB yang
digunakan untuk bootloader. ATmega328 memiliki 2 KB untuk SRAM dan 1 KB
untuk EEPROM.
Input & Output
Setiap 14 pin digital pada arduino dapat digunakan sebagai input atau output,
menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Input/output
dioperasikan pada 5 volt. Setiap pin dapat menghasilkan atau menerima maximum 40
mA dan memiliki internal pull-up resistor (disconnected oleh default) 20-50K Ohm.
Beberapa pin memiliki fungsi sebagai berikut :
Serial : 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX)
TTL data serial. Pin ini terhubung pada pin yang koresponding dari USB ke TTL
chip serial.
Interupt eksternal : 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasikan untuk trigger sebuah
interap pada low value, rising atau falling edge, atau perubahan nilai.
PWM : 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Mendukung 8-bit output PWM dengan fungsi
analogWrite().
SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mensuport komunikasi SPI,
yang mana masih mendukung hardware, yang tidak termasuk pada bahasa arduino.
LED : 13. Ini adalah dibuat untuk koneksi LED ke digital pin 13. Ketika pin bernilai
HIGH, LED hidup, ketika pin LOW, LED mati.
Komunikasi
Uno Arduino memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan komputer,
Arduino lain, atau mikrokontroler lain. ATmega328 ini menyediakan UART TTL
(5V) komunikasi serial, yang tersedia pada pin digital 0 (RX) dan 1
(TX). Firmware Arduino menggunakan USB driver standar COM, dan tidak
ada driver eksternal yang dibutuhkan. Namun, pada Windows, file. Ini diperlukan.
Perangkat lunak Arduino termasuk monitor serial yang memungkinkan data
sederhana yang akan dikirim ke board Arduino. RX dan TX LED di board akan
berkedip ketika data sedang dikirim melalui chip USB-to-serial dan koneksi USB ke
komputer.
Software Arduino
Arduino Uno dapat diprogram dengan perangkat lunak Arduino . Pada ATMega328
di Arduino terdapat bootloader yang memungkinkan Anda untuk meng-upload kode
baru untuk itu tanpa menggunakan programmer hardware eksternal.

10. Page | 10
IDE Arduino adalah software yang sangat canggih ditulis dengan menggunakan Java.
IDE Arduino terdiri dari:
Editor program, sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis dan
mengeditprogram dalam bahasa Processing.
Compiler, sebuah modul yang mengubah kode program (bahasa Processing) menjadi
kode biner. Bagaimanapun sebuah mikrokontroler tidak akan bisa memahami
bahasa Processing. Yang bisa dipahami oleh mikrokontroler adalah kode biner. Itulah
sebabnya compiler diperlukan dalam hal ini.
Uploader, sebuah modul yang memuat kode biner dari komputer ke dalam memory
didalam papan Arduino.
Sebuah kode program Arduino umumnya disebut dengan istilah sketch. Kata“sketch”
digunakan secara bergantian dengan “kode program” dimana keduanya memiliki arti
yang sama. (http://www.arduino.cc)
Bahasa Pemograman Arduino Berbasis Bahasa C
Seperti yang telah dijelaskan diatas program Arduino sendiri menggunakan bahasa
C. walaupun banyak sekali terdapat bahasa pemrograman tingkat tinggi (high level
language) seperti pascal, basic, cobol, dan lainnya. Walaupun demikian, sebagian
besar dari paraprogramer profesional masih tetap memilih bahasa C sebagai bahasa
yang lebih unggul, berikut alasan-alasannya:
Bahasa C merupakan bahasa yang powerful dan fleksibel yang telah terbukti dapat
menyelesaikan program-program besar seperti pembuatan sistem operasi, pengolah
gambar (seperti pembuatan game) dan juga pembuatan kompilator bahasa
pemrograman baru.
Bahasa C merupakan bahasa yang portabel sehingga dapat dijalankan di beberapa
sistem operasi yang berbeda. Sebagai contoh program yang kita tulis dalam sistem
operasi windows dapat kita kompilasi didalam sistem operasi linux dengan sedikit
ataupun tanpa perubahan sama sekali.

11. Page | 11
Berikut ini adalah blok diagram dari Xcos Scilab yang akan digunakan untuk, mencari nilai
pulse pada encoder dalam 1 kali putaran sebagai berikut :

12. Page | 12
Dari blok diagram di atas yang merupakan program untuk mengoperasikan motor DC
encoder maka akan didapat grafik di bawah ini :

13. Page | 13
C. PEMBAHASAN PADA XCOS SCILAB
Blok diagram dari Xcos Scilab yang akan digunakan untuk, mencari nilai kecepatan dari
Motor DC encoder sebagai berikut :

14. Page | 14
Dari blok diagram di atas yang merupakan program untuk mengoperasikan motor DC
encoder maka akan didapat grafik di bawah ini

15. Page | 15
Dari grafik di atas dapat diperoleh data-data sebagai berikut :
W(∞)(final speed) = 166,31 rad/s
a(voltage) = 6 volt
Km (Gain constant) =
166 ,31
6
= 27,718
Ʈm(Time constant) = 0,33 s
Maka dari data yang telah diperoleh maka akan didapatkan mode objek kendali, yang
berupa :
ω(s)
𝑢(𝑠)
=
Km
ƮmS + 1
Kemudian data yang telah didapat dimasukkan ke persamaan di atas sehingga akan
diperoleh fungsi transfer sebagai berikut :
ω(s)
𝑢(𝑠)
=
27,718
0,33S + 1
Untuk menghilangkan nilai S pada persamaan 0,33S+1 maka dibagi dengan (
1
0,33
) dan
hasilnya :
ω(s)
𝑢(𝑠)
=
83,99
S + 3,03
Persamaan tersebut merupakan persamaan dalam bentuk kecepatan yang kemudian akan
diintegralkan menjadi bentuk posisi, dan akan mendapatkan hasil sebagai berikut :
ω(s)
𝑢(𝑠)
= (
83,99
S + 3,03
) (
1
𝑠
) =
83,99
𝑆(𝑆 + 3,03)
Metode PI (Proporsional Integral)
𝜃( 𝑠)
𝑢( 𝑠)
=
(
83,99
𝑆(𝑆 + 3,03
)(𝐾𝑝 +
𝐾𝐼
𝑆
)
1 +
10
𝑆( 𝑆 + 4)
𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼
𝑆

16. Page | 16
𝜃(𝑠)
𝑢(𝑠)
=
83,99(𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼)
𝑠2( 𝑆 + 3,03)
1+ (
83,99(𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼
𝑠2(𝑆 + 3,03)
)
𝜃(𝑠)
𝑢(𝑠)
=
83,99(𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼)
𝑠2( 𝑆 + 3,03)
𝑠2( 𝑆 + 3,03) + 83,99(𝐾𝑃𝑆 + 𝐾𝐼)
𝑠2(𝑆 + 3,03)
𝜃(𝑠)
𝑢(𝑠)
=
83,99(𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼 )
𝑠2( 𝑆 + 3,03) + 83,99(𝐾𝑝 𝑠 + 𝐾𝐼)
Dari perhitungan di atas akan diperoleh persamaan sebagai berikut:
𝜃(𝑠)
𝑢(𝑠)
=
83,99𝐾𝑝 𝑠 + 83,99𝐾𝐼
𝑠3 + 3,03𝑠2 + 83,99𝐾𝑝 𝑠 + 83,99𝐾𝐼)
Maka akan didapat fungsi transfer yang akan dibuat menjadi persamaan sebagai berikut :
𝑠3
+ 3,03𝑠2
+ 83,99𝐾𝑝 𝑠 + 83,99𝐾𝐼
Karena persamaan di atas merupakan persamaan orde 3, maka kemudian akan
dibandingkan dengan orde 3, dengan Kinerja Sistem Kendali yang diinginkan :
Diketahui : P.O (Persen Over Shoot) ≤ 5%
T.S (Setting Time) ≤ 1,2 Detik
P.O = e
−𝜁 3,14
√1−𝜁22 1 − 𝜁2
= 3,8416 𝜁2
T.s =
4
𝜁 𝜔𝑛
5 = e
−𝜁 3,14
√1−𝜁22 1 = 3,8416 𝜁2
+𝜁2
1,2 =
4
0,45𝑥𝜔𝑛
In5 =
−𝜁 3,14
√1−𝜁22 1 = 4,8416 𝜁2
𝜔𝑛 =
4
0,45
1,609 =
−𝜁 3,14
√1−𝜁22
1
4,8416
= 𝜁2
𝜔𝑛 = 7,407 ≈ 7,5
√1 − 𝜁22
=
−𝜁 3,14
1,609
√0,2065
2
= 𝜁
√1 − 𝜁22
= -1,96 𝜁 0,45 = 𝜁

17. Page | 17
S1.2 = - 𝜁 𝜔𝑛 ± j 𝜔𝑛√1− 𝜁22
= - 0,45 x 7,5 ± j 7,5 √1 − 0,45
2
= -3,3 ± j 6,5
= (s + 3,3 + j 6,5) ( s + 3,3 – j 6,5)
a(s) = 𝑠2
+ 6,6s + 53 (s+10)
a(s) = 𝑠3
+ 16,6𝑠2
+ 119s + 530
Setelah didapatkan persamaan orde 3, maka kemudian akan dibandingkan dengan orde 3
sesuai yang kita inginkan,
𝑠3
+ 3,03𝑠2
+ 83,99𝐾𝑝 𝑠 + 83,99𝐾𝐼 𝑠3
+ 16,6𝑠2
+ 119s + 530
Maka didapatkan nilai Kp, Ki
119 S = 83,99 KpS 530 = 83,99 Ki
Kp = 1,416 Ki = 6,310

18. Page | 18
Mind Map Rangkaian Motor-Arduino-White Board-IC L293D-Laptop

19. Page | 19
Rangkaian Diagram Scilab
Nilai Untuk Tiap Parameter yang digunakan :
Nilai Proportional yang telah di tunning Nilai Gain yang telah ditunning

20. Page | 20
Nilai untuk Type of Shield dan Arduino Card Number
Nilai Pin (L293D Drive Parameters) yang digunakan
Nilai Time Sample Parameter

21. Page | 21
Nilai Arduino Encoder Parameter
Nilai Pins Encoder
Nilai Arduino Setup Parameter

22. Page | 22
Nilai Step Function
Nilai Set Sum Block Parameter

23. Page | 23
Dari blok diagram di atas yang merupakan program untuk mengoperasikan motor DC
encoder maka akan didapat grafik di bawah ini :

24. Page | 24
BAB III PENUTUP
A. KESIMPULAN
1. Teknik Kendali (Control System Enginering) adalah bagian dari rekayasa yang
mengaplikasikan teori kendali untuk dapat mendesain system dengan perilaku
sesuai apa yang kita inginkan/diimpikan.
2. Untuk membuat kerja dari motor/alat agar dapat bekerja sesuai dengan apa yang
kita inginkan diperlukan adanya controller yang dapat memaksa kerja dari system
kendali agar mencapai kerja motor/alat sesuai dengan apa yang kita inginkan.
3. Dalam menentukan control pada motor/alat yang akan digunakan haruslah
memperhatikan kebutuhan dari motor/alat.
4. Dari perhitungan yang telah dilakukan maka didapatkan hasil perhitungan sebagai
berikut :
Didapatkan persamaan orde 3, maka kemudian akan dibandingkan dengan orde 3
sesuai yang kita inginkan,
𝑠3
+ 3,03𝑠2
+ 83,99𝐾𝑝 𝑠 + 83,99𝐾𝐼 𝑠3
+ 16,6𝑠2
+ 119s + 530
Maka didapatkan nilai Kp, Ki
119 S = 83,99 KpS 530 = 83,99 Ki
Kp = 1,416 Ki = 6,310
Jika grafik yang didapatkan belum sesuai dengan apa yang diinginkan bisa
dilakukan Tunning.