Proportional Integral Derivative

BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1
PID
PID (Proportional Integral Derivative) Controller merupakan kontroler
untuk menentukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik
adanya umpan balik / feed back pada sistem tersebut. Komponen PID terdiri dari
3 jenis, yaitu Proportional, Integratif, dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai
bersamaan maupun sendiri-sendiri, tergantung dari respon yang kita inginkan
terhadap suatu plant.
Gambar 2.1 Blok Diagram PID Controller
Ada 3 macam control PID yaitu control PI, PD, dan PID. PI adalah
kontrol yang menggunakan komponen proportional dan integratif. PD adalah
kontrol yang menggunakan komponen proportional dan derivatif. Dan PID
adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional, integratif, dan
derivatif.
6
7
2.1.1
Kontrol PI
2.1.1.1 Kontrol Proportional
Kontroller merupakan sebuah penguat input sehingga hasil pada output
tidak semakin menjadi kecil pada sebuah sistem. Output proportional adalah
hasil pekalian antara konstata proposional dengan nilai error nya. Perubahan
yang terjadi pada sinyal input akan menyebabkan sistem secara langsung
mengubah output sebesar konstata pengalinya.
U(t) = Kp e(t)
Gambar 2.2 Blok diagram Kp
Jika nilai Kp kecil, controller proporsional hanya mampu melakukan
koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang
lambat.
Gambar 2.3 Nilai Kp kecil
8
Jika nilai Kp besar, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai
keadaan yang stabil, tetapi juga memungkinkan motor berputar diatas set point.
Gambar 2.4 Nilai Kp besar
2.1.1.2 Kontrol Integratif
Kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin output dari sistem
akan menuju ke keadaan yang diinginkan kalau sebuah plant tidak memiliki
unsur integrator. Pada controller integral, respon kepada sistem akan meningkat
secara kontinu terus-menerus kecuali nilai error yang diintegralkan dengan
batasan atas t dan batasan bawah 0 (nol).
U(t) = Ki ∫
e(t) dt
Pada diagram blok controller integral, menunjukan hubungan antara nilai
error dengan output. Kontorller integral membantu menaikan respon sehingga
menghasilkan output yang diinginkan.
Gambar 2.5 Blok diagram control Integral
9
Gambar 2.6 Penggunaan Kp dan Ki
2.1.2
Parameter Kontrol PI
Ada beberapa parameter dalam menentukan suatu sistem close loop, yaitu
rise time, overshoot, settling time, dan steady state error. Rise time adalah waktu
yang dibutuhkan
oleh output plant yang melebihi 90% dari tingkat yang
diinginkan saat pertama kali sisem dijalankan. Overshoot adalah seberapa besar
peak level lebih tinggi dari steady state, untuk membuat normal lagi steady state.
Settling time adalah waktu yang dibutuhkan sistem untuk meng-konvergenkan
steady state. Steady state error adalah perbedaan antara steady state ouput
dengan output yang diinginkan.
Respon
Rise Time
Overshoot
Settling Time
S-S Error
Kp
Turun
Naik
-
Turun
Ki
Turun
Naik
Naik
Hilang
Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp dan Ki
10
Kp berguna untuk mengurangi rise time. Sedangkan Ki berguna untuk
menghapuskan steady state error.
Gambar 2.7 Respon sistem
2.2
Motor DC
Motor DC (direct current) merupakan salah satu jenis motor yang paling
banyak digunakan dalam dunia eketronika maupun robotika. Umumnya motor
banyak digunakan untuk aplikasi peralatan yang memerlukan gerak memutar
secara konstan, misalnya kipas angin, bor listrik, mesin gerinda, pompa air,
mixer, dan lain sebagainya. Untuk memutar motor DC cukup diberi tegangan DC
saja, sedangkan untuk mengatur arah perputaran, tinggal membalik polaritas
tegangan nya saja. Ada beberapa jenis motor DC yang terdapat saat ini, yaitu
motor stepper, motor servo., dan motor DC biasa.
11
2.2.1
Motor Stepper
Motor stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step)
dan memiliki tingkat akurasi yang tinggi tergnatung pada spesifikasinya. Motor
stepper mampu berputar untuk setiap step nya dalam satuan sudut. Makin kecil
sudut step nya, maka pergeakan motor tersebut semakin presisi. Motor stepper
biasa digunakan untuk aplikasi alat yang cukup menggunakan torsi kecil, seperti
motor untuk penggerak piringan CD, motor untuk printer karena alat-alattersebut
membutuhkan tingkat kepresisian yang tinggi. Secara umum, ada 2 jenis motor
stepper, yaitu bipolar dan unipolar. Motor stepper unipolar terdiri dari dua buah
motor yang masing-masing mempunyai du abuah kumparan sedangkan motor
stepper bipolar terdiri dari sebuah motor dengan dua buah kumparan.
Motor stepper memiliki beberapa keuntungan, antara lain :

Stabil. Dapat menjalankan beban gesekan dan inersia.

Tidak membutuhkan umpan balik.

Harga nya murah dan mudah untuk mengontrol nya.

Mudah untuk mensetting dan menggunakannya.

Cukup aman apabila ada beban yang menahannya, maka motor
akan berhenti.

Tahan lama.

Memiliki torsi yang baik saat kecepatan rendah, dapat
mengerakan apa saja tanpa perlu gear.

Sangat akurat pergerakannya.
Tetapi motor stepper juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain :
12

Efisiensi yang rendah. Motor akan tetap bergerak dengan torsi
yang besar walaupun beban yang dibawa nya tidak kecil.

Torsi berbanding lurus dengan kecepatannya. Semain pelan motor
berputar, maka torsi nya akan semakin kecil juga.

Tidak ada report apabila ada error pada pergerakan motor.

Motor akan cepat panas apabila diputar secara cepat.

Motor akan menimbulkan suara yang berisik saat dipaksa berputar
dengan cepat.
Gambar 2.8 Motor Stepper
Sumber : http://roohmadi.wordpress.com/2011/03/19/interfacing-motor-stepperdengan-vb-6-0/
2.2.2
Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem closed feedback dimana
posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian control yang ada di
dalam motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor, serangkian gear,
13
potensiometer, dan rangkaian kontrol. Motor servo biasa bergerak mencapai
sudut tertentu saja dan tidak kontinu seperti motor DC. Motor servo mempunyai
torsi yang cukup besar, biasa digunakan untuk aplikasi pada pergerakan lengan
robot, pada mainan mobil remote kontrol, dan lain sebagainya.
Motor servo memilik beberapa keunggulan, antara lain :

Output yang besar walaupun bentuk nya kecil.

Memiliki encoder untuk member tahu apabila ada error.

Efisiensi yang tinggi.

Memiliki torsi yang besar.
Selain itu motor servo juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain :

Membutuhkan proses tuning untuk menstabilkan feedback nya.

Motor akan terus bergerak walaupun ada sesuatu yang
menahannya.

Lebih kompleks dalam menggunakannya karena membutuhkan
encoder.

Brush nya mempunya umur pakai 2000jam, sehingga dibutuhkan
service.

Apabila membawa beban berlebihan, motor akan rusak.
14
Gambar 2.9 Motor Servo
Sumber : https://electrocontrol.wordpress.com/tag/motor-servo/
2.2.3
Motor DC Biasa
Motor DC biasa adalah motor DC yang paling banyak digunakan pada
mainan-mainan anak, karena mudah untuk menjalankannya. Motor DC memiliki
daya putar yang tinggi dan torsi yang besar, sehingga biasa digunakan juga untuk
pengerak robot. Untuk memutar motor DC hanya tinggal menghubungkan kedua
kutub nya ke catu daya. Kecepatan putar motor DC dihitung dengan satuan rpm
(rotation per minute).
Gambar 2.10 Motor DC
Sumber : http://www.tokomini4wd.com/index.php?do=detail&id=tm15256hyperdash2motor&mtd=
15
2.3
Mesin CNC
CNC (Computer Numerical Controlled) adalah sebuah komputer yang
deprogram untuk mengerjakan tugas tertentu sesuai dengan yang diperintahkan
atau di desain oleh komputer. Mesin CNC sangat berhubungan dengan CAD
(Computer Aided Design), dimana biasanya program CAD digunakan untuk
mendesain dan mesin CNC digunakan untuk mengimplementasikan hasilnya
menjadi bentuk nyata. Mesin CNC dibangun untuk menjawab tantangan di dunia
manufaktur modern dimana dunia membutuhkan mesin untuk proses manufaktur
yang mampu menghasilkan produk secara teliti, akurat dan presisi sertac epat.
Mesin CNC memiliki 3 buah motor untuk mengatur pergerakan dari
outputnya. Motor ini bergerak untuk 3 arah yaitu sumbu X, sumbu Y, dan sumbu
Z. Motor ini dikendalikan oleh sebuah driver untuk mengatur pergerakan motor
agar presisi. Output dari mesin CNC ini dapat berupa spidol, mesin bor, mesin
las, mesin grafir, dan lain sebagainya.
Gambar 2.11 Mesin CNC
16
2.4
Mikrokontroller AVR
Mikrokontroller adalah sebuah prosesor yang berfungsi untuk mengontrol
suatu benda supaya bisa bekerja sebagaimana mestinya. Mikrokontroller
memiliki memory yang berguna untuk menyimpan program yang telah dibuat
sebelumnya sesuai dengan keinginan programmer. Mikrokontroller menjadi otak
dari alat-alat lainya.
Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set
Computing) 8 bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits
word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock.
AVR dikelompokan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90sxx, keluarga
ATMega, dan keluarga AT86RFxx. Dari semua kelas yang membeakan hanya
ukuran on-board memori, on-board peripheral dan fungsinya. Dari segi
arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hamper sama.
Gambar 2.12 Blok Diagram AVR
17
2.4.1
ATMega 8
ATMega8 merupakan microcontroller low-power CMOS 8-bit yang
berarsitektur AVR RISC. Dengan mengeksekusi instruksi dalam single-clock
cycle, ATMega 8 mencapai kecepatan yang mendekati 1 MIPS per Mhz, yang
memungkinkan desainer mendesain sistem yang bisa mengoptimalkan power
consumtion dengan kecepatan pemrosesan data.
Mikrokontroler ATMega 8 mempunyai beberapa fitur antara lain yaitu
130 instruksi, 32 register umum, High Endurance Non-Volatile Memory
segments yang dimana data dan program akan tersimpan di memori walaupun
mikrokontroler tidak diberi tegangan listrik dalam jangka waktu yang lama, 8 KBytes Flash memory yang dapat ditulis dan dihapus sebanyak 10.000 kali, 512Byte EEPROM (Electronic Eraseable Programable Read Only Memory) yang
dapat ditulis dan dihapus sebanyak 100.000 kali, 1 K-Byte Internal SRAM,
Penyimpanan data tahansampai 20 tahun dengan kondisi pada suhu 85oC atau
100 tahun pada suhu 25oC, Boot Code opsional dengan mode penguncian bits InSystem Programming mandiri oleh On-Chip Boot Program untuk operasi True
read-While-Write, Program dapat dikunci dengan software security, memiliki
two 8-Bit timer/counter, one 16-Bit Timer/Counter, Real time counter dengan
oscillator terpisah, 3 jalur PWM, 8 kanal ADC dalampaket TQFP dan
GFN/MLF, 6 kanal ADC dalam paket PDIP, byte oriented dengan 2 kabel serial
interface, USART yang dapat di program, mode master/slave SPI Serial
Interface, Watchdog Timer yang dapat di program dengan On-Chip Oscillator,
On-Chip Analog komparator. ATMega8 juga memiliki special microcontroller
features seperti Power-on Reset dan Programmable Brown-out Detection,
18
Internal calibrated RC Oscillator, Sumber interrupt external dan internal, dan 5
mode sleep yaitu Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, dan
Standby.
Gambar 2.13 ATMega8
19
Gambar 2.14 Blok Diagram ATMega8
20
Gambar 2.15 Konfigurasi Pin ATMega8
Keterangan pin ATMega8 :

VCC Merupakan pin input yang berfungsi untuk mengaktifkan
mikrokontroller.

GND Merupakan pin Ground.

Reset
merupakan
pin
yang
digunakan
untuk
me-reset
mikrokontroller.

Port B (PB7..PB0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2
Merupakan 8-bit-directional I/O port. Setiap pinnya dapat
menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output
buffers dari Port B memiliki symmetrical drive characteristics
dengan high sink dan source capability. Sebagai input, pin dari
port B adalah tri-stated dimana saat kondisi reset diaktifkan
maupun saat clock tidak berjalan.
21
Tergantung saat seting clock selection fuse, PB6 dapat
digunakan sebagai input untuk inverting oscillator amplifier dan
input untuk internal clock operating circuit dan PB7 dapat
digunakan sebagai output dari inverting oscillator amplifier.
Apabila Internal calibrated RC Oscillator digunakan
sebagai sumber chip clock, PB7..6 digunakan sebagai input dari
TOSC2..1 untuk asynchronous timer/counter2 apabila AS2 bit
didalam ASSR telah di seting.

Port C (PC5..PC0)
Port C adalah sebuah 7-bit bi-directional I/O port dengan
internal pull-up resistor (di pilih untuk setiap bit). Output buffers
dari port C memiliki symmetrical drive characteristics dengan
high sink maupun source capability. Sebagai input, pin dari port C
adalah externally pulled low yang membuat sumber arus apabila
resistor pull-up aktif. Pin dari port C adalah tri-stated saat kondisi
reset aktif maupun clock sedang tidak berjalan.

PC6/RESET
Apabila RSTDIBL fuse telah diprogram, PC6 dapat
digunakan sebagai pin I/O. Apabila RSTDIBL fuse tidak
terprogram, PC6 digunakan sebagai pin reset.

Port D (PD7..PD0)
Port D adalah 8-bit bi-directional I/O Port dengan resistor
pull-up (dipilih untuk setiap bit). Output buffer dari port D
22
memiliki symmetrical drive characteristics dengan high sink
maupun source capability. Sebagai input, pin port D adalah
externally pulled low yang membuat sumber arus apabila resistor
pull-up aktif. Pin dari port D adalah tri-stated dimana saat kondisi
reset aktif maupun saat clock tidak berjalan.
2.5

AVCC merupakan pin untuk input tegangan ADC.

AREF merupakan pin input untuk tegangan referensi untuk ADC.
Transistor
Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat,
sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan,
modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam
kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya
(FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber
listriknya. Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus
yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2
terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia
elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam
amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik
stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor
digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat
dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan
komponen-komponen lainnya. Ada 2 tipe transistor yang ada saat ini, yaitu
Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Field Effect Transistor (FET).
23
Gambar 2.16 Simbol Transistor
2.5.1
FET
FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis
pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET,
arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion
zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah
Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan
ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah
ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk
penjelasan yang lebih lanjut.
FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated
Gate
FET (IGFET)
atau
juga
dikenal
sebagai Metal
Oxide
Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal
gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor
antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET
menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk
sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung
24
vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi,
dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.
FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion
mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan
source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai
contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source,
sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode,
jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan
meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian
besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah
tipe depletion mode.
2.6
Regulator tegangan DC
Regulator adalah IC (Integrated Circuit) yang berfungsi untuk meregulasi
besarnya tegangan DC sesuai dengan karakteristik regulator tersebut. IC
Regulator terdiri dari 3 pin, yaitu input, output, dan ground. Regulator digunakan
untuk menurunkan tegangan DC. Bentuk fisik dari regulator adalah seperti
gambar berikut.
25
Gambar 2.17 Regulator
2.6.1
Regulator 7805
Gambar 2.18 Regulator 7805
7805 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC
menjadi +5 Volt.
2.6.2
Regulator 7812
Gambar 2.19 Regulator 7812
26
7812 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC
menjadi +12 Volt.
2.7
H-Bridge
Gambar 2.20 H-Bridge
IC IR2184 merupakan sebuah half-bridge driver. Half-bridge driver merupakan
sebuah H-bridge yang hanya menggunakan dua buah transistor.
2.8
PWM ( Pulse Width Modulation )
Pulse Width Modulation adalah sebuah perangkat
yang dapat
mengendalikan cepat lambatnya perputaran motor atau mengontrol sebuah
lampu. Sebagai contoh sebuah motor DC diberi tegangan sebesar 20 volt, maka
motor tersebut akan berputar sebesar 200 RPM. Namun saat kita menginginkan
berputar sebesar 100 RPM kita tidak bisa memberikan tegangan sebesar 10 volt,
karena cepat lambatnya perputaran motor tidak berbanding lurus dengan
tegangan input. Maka dari itu diperlukan PWM untuk mengatur perputaran
motor.
27
2.9
Schmitt Trigger
Schmitt trigger merupakan suatu rangkaian yang dapat mendeteksi
tegangan input yang melintasi suatu peringkat tertentu. Selain itu schmitt
trigger sangat berguna untuk pengkondisi sinyal segitiga ataupun bentuk
gelombang lainnya, maka output schmitt trigger akan menghasilkan suatu
keluaran gelombang segi empat dengan pinggiran naik dan pinggiran turun yang
tajam. IC 74LS14 merupakan salah satu jenis IC yang memiliki 6 buah inverter
dengan schmitt trigger. Fungsi dari IC ini adalah sebagai pembalik dan pemantap
atau untuk mendeteksi taraf dan membentuk kembali pulsa-pulsa yang buruk
pada bagian tepinya (membentuk sinyal kotak). Adapun konfigurasi pena IC
74LS14 ditunjukkan pada gambar berikut :
Gambar 2.21 Schmitt Trigger
Sumber :
http://2.bp.blogspot.com/_8TwySHINLow/SateaSGPm7I/AAAAAAAAANM/yQCvu6eIFZ
8/s1600-h/7414.bmp