Media Pembelajaran Sistem Pengendalian Ketinggian Air

BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai
acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan
skripsi ini terdiri dari sensor ultrasonic HCSR04, mikrokontroler Arduino Uno, Pompa
Air 12V dengan drivernya, on - off controller, PID controller, dan Fuzzy Logic
controller.
2.1. Sensor Ultrasonic HCSR04
Sensor Ultrasonik ini digunakan untuk mendeteksi obyek(air) melalui pantulan
suara . Sensor ini menghasilkan gelombang suara pada frekuensi tinggi yang kemudian
dipancarkan oleh pin trigger. Pantulan gelombang suara (echo) yang mengenai benda di
depannya akan ditangkap oleh pin echo. Jarak benda yang ada di depan modul sensor
tersebut didapatkan dengan cara mengetahui lama waktu antara dipancarkannya
gelombang suara oleh transmitter sampai ditangkap kembali oleh receiver.
Gambar 2.1 Sensor Ultrasonik HCSR04
Gambar 2.2 Cara Kerja Sensor Ultrasonik.
4
Spesifikasi sensor HC-SR04 adalah sebagai berikut:
1. Power Supply :5V DC
2. Quiescent Current : <2mA
3. Effectual Angle: <15°
4. Ranging Distance : 2cm – 500 cm/1" - 16ft
5. Resolution : 0.3 cm
2.2. Arduino Uno
Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada
ATmega328, Arduino UNO mempunyai 14 pin digital input/output (6 di antaranya
dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz,
sebuah koneksi USB, sebuah power jack, dan sebuah tombol reset. Secara lengkap
spesifikasi dari Arduino Uno adalah sebagai berikut.
1.
Microcontroller : ATmega328
2.
Operating Voltage : 5V
3.
Input Voltage (recommended) : 7-12V
4.
Input Voltage (limits) : 6-20V
5.
Digital I/O Pins : 14 (of which 6 provide PWM output)
6.
Analog Input Pins : 6
7.
DC Current per I/O Pin : 40 mA
8.
DC Current for 3.3V Pin : 50 mA
9.
Flash Memory : 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader
10. SRAM
: 2 KB
11. EEPROM : 1 KB
12. Clock Speed : 16 MHz
Gambar 2.3 Arduino Uno
5
2.3. Pompa Air 12 V DC
Pompa ini digunakan untuk mengambil air dari sumber air dan memasukkannya
ke tempat penampungan air. Karena tinggi air yang akan dipompa tidak lebih dari 60
cm, maka pompa air ini sudah cukup untuk pembuatan alat ini. Pompa ini memiliki
spesifikasi sebagai berikut.
1. 12v operating rate
2. Arus Kerja 2.1A
3. Dapat mengangkat air maksimal 3 Liter per menit
Gambar 2.4 Pompa Air.
Untuk memaksimalkan kinerja pompa maka dibutuhkan driver untuk
memaksimalkan kerjanya. Driver ini saya buat menggunnakan transistor TIP120 dengan
rangkaian seperti pada Gambar 2.5 di bawah.
Gambar 2.5. Driver Pompa Air
Resistor yang dipakai dihitung berdasarkan perhitungan dibawah.
6
5−�
�
Dimana:
=
, �
�
�
Vbe = 1,4V karena transistor TIP120 terdiri dari 2 transistor dimana emitter transistor
pertama terhubung ke basis transistor kedua sehingga Vbe = 2 x 0,7= 1,4 V
R= nilai resistor yang dipakai
2,1A=arus yang pada Ic yang dibutuhkan
Hfe=1000
Maka akan diperoleh nilai R adalah 1714Ω
2.4. Sistem Kendali On – Off
Pada sistem kontrol dua posisi, elemen penggerak hanya mempunyai dua posisi
yang tetap. Kontroler on-off ini banyak digunakan di industri karena murah dan
sederhana. Sinyal kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan
lainnya bergantung pada nilai error positif atau negative. Pada metode control ini jika
output lebih besar dari setpoint, aktuator akan off. Output akan turun dengan sendirinya
sehingga menyentuh setpoint lagi. Pada saat itu, sinyal kontrol akan kembali on
(aktuator on) dan mengembalikan output kepada setpoint-nya. Demikian seterusnya
sinyal kontrol dan aktuator akan on-off terus menerus
2.5. Sistem Kendali Proportional Integral Derivative(PID)
Controller proportional-integral-derivative (PID controller) adalah mekanisme
kontrol umpan balik yang biasa digunakan dalam sistem industri. Kontroler PID
menghitung terus nilai error sebagai perbedaan antara proses yang terukur dengan hasil
yg diinginkan. Kontroller ini meminimalkan kesalahan setiap waktunya dengan
penyesuaian variable control. Dengan u(t) sebagai output maka bentuk dari PID adalah:
di mana:
= �� .
+ �� . ∫
�
0
�
� + �� .
u(t) = output dari pengontrol PID
Kp = Konstanta Proportional.
Ki = Konstanta Integral.
Kd = Kontanta Derivative.
e(t) = error (selisih antara set point dengan nilai sekarang)
7
.
Pengendali Proportional (P)
Penggunaan mode kontrol proportional harus memperhatikan hal – hal berikut :
1. Jika nilai Kp kecil, mode kendali proportional hanya mampu melakukan
koreksi kesalahan yang kecil, sehingga menghasilkan respon sistem yang
lambat.
2. Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat
mencapai
keadaan stabilnya.
3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan
akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan
berosilasi. Kontrol P (Proportional) selalu sebanding dengan besarnya input.
Pengendali Integral (I)
Kontroller integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran
kontroller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal
kesalahan. Keluaran kontroller ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari
perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran
akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan.
Kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini:
1. Keluaran kontroler butuh selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral
cenderung memperlambat respon.
2. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada
nilai sebelumnya.
3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan
kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan
dan nilai Ki.
4. Konstanta integral Ki berharga besar, offset akan cepat hilang. Saat nilai Ki
besar akan berakibat peningkatan osilasi dari sinyal keluaran kontroller .
8
Pegendali Derivative (D)
Keluaran kontroller derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi
derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan kontroller, akan mengakibatkan
perubahan yang sangat besar dan cepat.
Karakteristik dari kontroller derivative adalah sebagai berikut:
1. Kontroler ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan
atau error sebagai sinyal kesalahan untuk masukannya.
2. Jika sinyal error berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan
kontroller tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan.
3. Kontroller derivative mempunyai karakter untuk mendahului, sehingga
kontroller ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum
pembangkit error menjadi sangat besar. Jadi controller derivative dapat
mengantisipasi pembangkit error, memberikan aksi yang bersifat korektif,
dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem.
2.6. Sistem Kendali Fuzzy Logic Controller(FLC)
Logika fuzzy adalah obyek-obyek dari himpunan fuzzy yang memiliki batasan
yang tidak presisi dan keanggotaan dalam himpunan fuzzy, dan bukan dalam bentuk
logika benar (true) atau salah (false), tapi dinyatakan dalam derajat (degree). Konsep
seperti ini disebut dengan Fuzziness dan teorinya dinamakan Fuzzy Set Theory.
Fuzziness dapat didefinisikan sebagai logika kabur berkenaan dengan semantik dari
suatu kejadian, fenomena atau pernyataan itu sendiri. Perbedaan logika ini dengan
logika on-off adalah logika fuzzy tidak hanya memiliki 2 nilai benar dan salah, sebagai
contoh untuk pengendalian ketinggian air ini, pada logika on-off hanya ada 2 kondisi
yaitu sudah sesuai dan belum tetapi pada logika fuzzy aka nada kondisi misalnya agak
rendah, rendah, agak tinggi, tinggi.
Fuzzy Logic Controller terbagi menjadi tiga bagian proses yaitu meliputi:
Fuzzifikasi
Fuzzifikasi diperlukan untuk mengubah masukan tegas/nyata (crisp inputs) yang
bersifat bukan Fuzzy ke dalam himpunan Fuzzy. Data yang berbentuk tegas/nyata
9
(crisp), dipetakan menjadi nilai linguistik pada semesta pembicaraan tertentu yang
selanjutnya dinamakan masukan Fuzzy.
Penalaran
Penalaran adalah proses untuk mendapatkan aksi keluaran dari suatu kondisi input
dengan mengikuti aturan-aturan yang telah ditetapkan yang disebut sebagai
inference/reasoning.
Deffuzifikasi
Merupakan proses pemetaan himpunan fuzzy ke himpunan tegas. Proses ini
merupakan kebalikan dari proses fuzzifikasi. Keluaran pada proses defuzzifikasi
merupakan hasil dari proses kendali fuzzy secara keseluruhan. Keluaran ini berupa
himpunan crisp yang akan mengendalikan sistem yang dikontrol.
Blok Diagram pengontrolan sistem dengan sistem pengendali menggunakan logika
fuzzy.
Gambar 2.6 Blok diagram Pengendalian dengan FLC
10