1

IMPLEMENTASI KESEIMBANGAN PADA SISTEM BALL AND BEAM

MENGGUNAKAN KENDALI FUZZY LOGIC

(Skripsi)

Oleh

ABIYYU MUHAMMAD AFIF

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDARLAMPUNG

2018

1

ABSTRACT

IMPLEMENTATION OF BALANCE BALL AND BEAM SYSTEM USING

FUZZY LOGIC CONTROL

By

ABIYYU MUHAMMAD AFIF

An object depends on another object when a balanced position can be used as a

point in implementing and resolving control system problems. Unstable control

systems can be researched to obtain the conclusions in the form of system

responses. The balance in the ball and beam system can be used as a simple

application to study the control system. The research was conducted with fuzzy

logic controls to improve the system response from the ball and beam and to make

the balance system for ball and beam become better. Fuzzy logic control was

implemented by using Arduino Atmega 2560. Control parameters are carried out

using two inputs, namely position and set point. Mapping the rule “if then else”

applied to the Min-Max strategy from Mamdani to control. Centroid Of Area

(COA) method was applied in the process of defuzification and the output was

used to drive the servo motor. Testing was done by comparing the control

systems, namely ON/OFF control, PD control, and fuzzy logic control. Data

retrieval was done by looking at the response system to the ball position. From the

overall test results, it could be seen that the fuzzy logic control can control the ball

and beam balance system well from minimizing steady state for 2 seconds,

accelerating rise time for 1 seconds and maintaining the steady state error, which

was better than PD control and ON/OFF control.

Keywords : Ball and Beam System, Mamdani, Centroid Of Area (COA), Fuzzy

Logic Control, Arduino Atmega 2560

1

ABSTRAK

IMPLEMENTASI KESEIMBANGAN PADA SISTEM BALL AND BEAM

MENGGUNAKAN KENDALI FUZZY LOGIC

Oleh

ABIYYU MUHAMMAD AFIF

Suatu objek bergantung terhadap objek lain ketika posisi setimbang dapat

dijadikan suatu acuan dalam menerapkan dan menyelesaikan permasalahan sistem

kendali. Permasalahan keseimbangan yang tidak stabil dapat dijadikan penelitian

agar memperoleh kesimpulan berupa respon sistem. Keseimbangan pada sistem

ball and beam dapat dijadikan pengaplikasian sederhana untuk mempelajari

sistem kendali. Penelitian dilakukan dengan kendali fuzzy logic agar memperbaiki

respon sistem dari sistem keseimbangan ball and beam menjadi lebih baik.

Kendali fuzzy logic diimplementasikan menggunakan Arduino Atmega 2560.

Parameter pengendalian dilakukan dengan menggunakan dua masukan yaitu

position dan set point. Pemetaan rule if then else yang diterapkan pada strategi

Min-Max dari Mamdani untuk pengendalian. Proses defuzzifikasi yang diterapkan

adalah metode Centroid Of Area (COA) serta keluarannya digunakan untuk

menggerakan motor servo. Pengujian dilakukan dengan membandingkan antar

sistem kendali yaitu kendali ON/OFF, kendali PD, dan kendali fuzzy logic.

Pengambilan data dilakukan dengan cara melihat respon sistem terhadap posisi

bola yang diinginkan. Dari keseluruhan hasil pengujian, terlihat bahwa kendali

fuzzy logic dapat mengendalikan sistem keseimbangan ball and beam dengan baik

dari memperkecil waktu tunak selama 2 sec, mempercepat rise time selama 1 sec

dan menjaga tidak terjadi error steady state dibandingkan terhadap kendali PD

dan kendali ON/OFF.

Kata kunci : Sistem Ball and Beam, Mamdani, Centroid Of Area (COA), Kendali

Fuzzy Logic, Arduino Atmega 2560

1

IMPLEMENTASI KESEIMBANGAN PADA SISTEM BALL AND BEAM

MENGGUNAKAN KENDALI FUZZY LOGIC

Oleh

ABIYYU MUHAMMAD AFIF

Skripsi

Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar

SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS LAMPUNG

BANDAR LAMPUNG

2018

1

Judul Skripsi : IMPLEMENTASI KESEIMBANGAN

PADA SISTEM BALL AND BEAM

MENGGUNAKAN KENDALI FUZZY

LOGIC

Nama Mahasiswa : Abiyyu Muhammad Afif

Nomor Pokok Mahasiswa : 1415031003

Jurusan : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik

MENYETUJUI

1. Komisi Pembimbing

Emir Nasrullah, S.T., M.Eng. Sumadi, S.T., M.T.

NIP 196006141994021001 NIP 197311042000031001

2. Ketua Jurusan Teknik Elektro

Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc.

NIP 197311281999031005

1

MENGESAHKAN

1. Tim Penguji

Ketua : Emir Nasrullah, S.T., M.Eng .…………….

Sekretaris : Sumadi, S.T., M.T. .…………….

Penguji : Agus Trisanto, Ph. D …………….

2. Dekan Fakultas Teknik

Prof. Dr. Suharno, M.Sc., Ph.D.

NIP 196207171987031002

Tanggal Lulus Ujian Skripsi : 13 November 2018

1

SURAT PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang

pernah dilakukan orang lain dan sepanjang sepengetahuan saya tidak terdapat

karya atau pendapat yang ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali secara tertulis

diacu dalam naskah sebagaimana telah disebutkan dalam daftar pustaka. Selain

dari itu saya menyatakan bahwa skripsi ini saya buat sendiri. Apabila pernyataan

saya tidak benar maka, saya bersedia terkena sanksi sesuai dengan hukum yang

berlaku.

Bandar Lampung, 18 November 2018

Abiyyu Muhammad Afif

NPM. 1415031003

1

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Bandarlampung pada tanggal 10 Juni 1996,

anak dari Bapak Drs. Helpi dan Ibu Susriyetti, anak pertama dari

2 bersaudara. Penulis pertama kali memulai jenjang pendidikan

di TK Aisyah Kelapa Tiga, Tanjung Karang Pusat,

Bandarlampung pada tahun 2000−2002. Pendidikan kedua dilanjutkan di SD

Kartika II−5 Bandarlampung pada tahun 2002−2008. Pendidikan ketiga

dilanjutkan di SMP Negeri 25 Bandarlampung pada tahun 2008−2011. Pada tahap

ini penulis memiliki riwayat prestasi akademik yaitu pernah mengikuti olimpiade

Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) tingkat SMP se−Bandarlampung dan prestasi non

akademik yaitu menjuarai kejuaraan olahraga basket di berbagai kompetisi.

Pendidikan keempat dilanjutkan di SMA YP UNILA Bandarlampung pada tahun

2011−2014. Dijenjang pendidikan ini penulis mulai aktif berorganisasi seperti

PASKIBRA dan juga kegiatan ekstrakulikuler lainnya seperti basket. Pada tahun

2014 penulis memulai jenjang pendidikan yang kelima di Universitas Lampung

melalui jalur berprestasi yang disebut jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan

Negeri (SNMPTN). Penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung. Penulis pernah melakukan kerja praktik (magang) selama

bulan Agustus 2017 di Instansi Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI).

1

DENGAN KERENDAHAN HATI YANG TULUS

KUPERSEMBAHAKAN KARYA SEDERHANA INI

KEPADA

Ayah dan Ibu tercinta Drs. Helpi dan Susriyetti

yang telah membesarkan saya dengan penuh cinta

kebahagiaan dan penuh doa disetiap langkah

kesuksesan anak-anaknya.

Taklupa kepada saudaraku tersayang Zakki Dwi

Naufal yang selalu memberi keceriaan disetiap

saat.

Terima kasih atas semua doa dan dukungannya

serta semangat dari berbagai pihak yang diberikan

untukku sampai bisa mencapai tahap ini.

1

MOTTO HIDUP

Maka sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan.

Sesungguhnya bersama kesulitan ada kemudahan. Maka

apabila engkau telah selesai (dari sesuatu urusan), tetaplah

bekerja keras (untuk urusan yang lain). Dan hanya kepada

Tuhanmulah engkau berharap.

(QS. Al-Insyirah,6-8)

Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang

tidak menyadari betapa dekatnya mereka dengan

keberhasilan saat mereka menyerah.

(Thomas Alva Edison)

Salah satu cara menyelamatkan diri dari kegagalan hanyalah

diri kita. Kita tak harus tinggal di dalam kegagalan, kita

bangkit, kita melangkah menuju cahaya kesuksesan.

(Abiyyu Muhmmad Afif)

1

SANWACANA

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarokatuh.

Alhamdulillah puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas segala limpah

rahmat dan nikmat yang dikaruniakan−Nya telah memberikan kekuatan dan

kemampuan berfikir kepada penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini tepat pada

waktunya. Sholawat serta salam penulis junjung agungkan kepada Rasulullah

Muhammad SAW.

Skripsi yang berjudul “IMPLEMENTASI KESEIMBANGAN PADA SISTEM

BALL AND BEAM MENGGUNAKAN KENDALI FUZZY LOGIC” sebagai salah

satu syarat untuk menggapai gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung.

Selama proses pengerjaan skripsi ini penulis ingin menyampaikan terima kasih

kepada semua pihak yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan Skripsi

dengan baik dan tepat pada waktunya khususnya kepada:

1. Bapak Prof. Dr. Suharno. M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik

2. Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc selaku Ketua Jurusan Teknik

Elektro Universitas Lampung.

3. Bapak Emir Nasrullah, S.T., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing Utama

Skripsi.

2

4. Bapak Sumadi, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Pendamping Skripsi.

5. Bapak Agus Trisanto, Ph. D. selaku Penguji Skripsi.

6. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Teknik Elektro yang telah mendidik,

membimbing dan memberikan ilmu pengetahuannya kepada penulis.

7. Mba Ning dan seluruh jajaran staff administrasi Jurusan Teknik Elektro

Universitas Lampung.

8. Orang tua dan adik yang selalu memberikan doa, nasihat dan dukungan agar

pelaksanaan Skripsi dan penyusunan laporan Skripsi dapat diselesaikan oleh

penulis dengan tepat waktu.

9. Siti Farhana, S. Pd. selaku teman dekat yang telah meluangkan waktu

memberikan perhatian dan kasih sayangnya serta mendengarkan keluhan

penulis selama mengerjakan Skripsi.

10. Ahmad Asmara Kandi, Brian Akbar, Arga Yulianto, Desi Deria Safitri, Selvy

Sari Wn, Desti Anggistia, Muhammad Sidiq, Yogi Aliyekti, Safira Basyaib,

dan Ivonne Nisrina Kusuma selaku teman seperjuangan, teman

se−permainan, teman saling berbagai ilmu dan sharing dikala penulis

mengalami kesulitan dalam megerjakan Skripsi.

11. Teman-teman seperjuangan Teknik Elektro angkatan 2014 yang telah

memberikan semangat agar penulis dapat termotivasi menyelesaikan Skripsi

tepat pada waktunya.

12. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu yang telah membantu

penulis selama pengerjaan Skripsi berlangsung.

Penulis menyadari banyak kekurangan dalam melaksanakan Skripsi dan

meyelesaikan laporan Skripsi sehingga penulis mengharapkan kritik dan saran

3

untuk kemajuan diri penulis. Insyaallah Allah SWT membalas semua kebaikan

semua pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Skripsi ini agar laporan

Skripsi dapat bermanfaat bagi pemuda penerus bangsa.

Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarokatuh.

Bandarlampung, 18 November 2018

Penulis

1

DAFTAR ISI

Halaman

DAFTAR ISI ................................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ....................................................................................... xvi

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang dan Masalah .......................................................... 1

1.2. Tujuan Penelitian ............................................................................ 3

1.3. Rumusan Masalah .......................................................................... 3

1.4. Batasan Masalah ............................................................................. 4

1.5. Hipotesis ......................................................................................... 4

1.6. Sistematika Penulisan ..................................................................... 5

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Deskripsi Sistem Ball and Beam .................................................... 6

2.2. Model Matematis Sistem Ball and Beam ....................................... 7

2.3. Dasar Sistem Kendali ..................................................................... 8

2.4. Kendali Fuzzy Logic ............................................................................ 9 2.4.1. Himpunan Fuzzy ................................................................ 10

2.4.2. Fungsi Keanggotan ............................................................ 11

2.5. Kendali PID (Metode Ziegler-Nichols) ............................................. 14

2.5.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 (Open Loop) ....................... 14

2.5.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 (Close Loop) ...................... 15

2.6. Arduino Mega 2560 ....................................................................... 16

2.7. Motor Servo ................................................................................... 20

2.8. Sensor Ultrasonik .......................................................................... 20

III.METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................... 22

3.2. Alat dan Bahan .............................................................................. 23

3.3. Spesifikasi Alat .............................................................................. 23

3.4. Metode Kerja ................................................................................. 24

3.4.1. Diagram Alir Penelitian ..................................................... 24

3.4.2. Perancangan Model Sistem ................................................ 25

3.4.3. Perancangan Hardware Sistem .......................................... 26

2

3.4.4. Perancangan Fuzzy Logic Control (FLC) .......................... 27

3.4.5. Perancangan Kendali PD ...................................................... 31

3.4.6. Diagram Alir Sistem .......................................................... 32

3.5. Pengujian Sistem ........................................................................... 33

3.5.1. Pengujian Setiap Komponen .............................................. 33

3.5.2. Pengujian Program ............................................................. 33

3.5.3. Pengujian Alat ................................................................... 33

3.6. Pengambilan Data dan Analisis ..................................................... 34

3.6.1. Data Posisi Bola ................................................................. 34

3.6.2. Data Sensor Ultrasonik ...................................................... 34

3.6.3. Data Tanggapan Sistem ..................................................... 34

3.7. Penulisan Laporan ......................................................................... 35

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Prinsip Dasar Kerja Sistem................................................................ 36

4.2. Hasil Pengujian Komponen ............................................................... 36

4.2.1. Pengujian Sensor Ultrasonik ................................................. 37

4.2.2. Pengujian Motor Servo .......................................................... 38

4.3. Hasil Pengujian Program Kendali Fuzzy logic .................................. 39 4.3.1. Pembacaan Masukan Sensor Ultrasonik ............................ 39

4.3.2. Proses Fuzzifikasi Masukan Kendali Fuzzy Logic ............ 40

4.3.3. Perancangan Rule Fuzzy .................................................... 42

4.3.4. Defuzzifikasi ...................................................................... 44

4.3.5. Pengaturan Putaran Motor Servo Berdasarkan Keluaran

Fuzzy Logic ....................................................................... 45

4.4. Program Pengujian Kendali PD ..................................................... 46

4.4.1. Persamaan Transfer Function ............................................... 46

4.4.2. Metode Ziegler-Nichols dengan Closed Loop ...................... 47

4.5. Program Pengujian Kendali ON/OFF ............................................... 48 4.6. Pengujian dan Pengambilan Data .................................................. 49

4.7. Analisa dan Pembahasan Hasil Pengujian ..................................... 50

4.7.1. Respon Sistem Posisi Bola di Kiri ..................................... 50

4.7.2. Respon Sistem Posisi Bola di Tengah ............................... 53

4.7.3. Respon Sistem Posisi Bola di Kanan ................................. 54

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan .................................................................................... 57

5.2. Saran .............................................................................................. 58

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

1

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1. Mekanika Sistem Ball and Beam .................................................... 7

2.2. Sistem Kendali dengan Open Loop ................................................. 8

2.3. Sistem Kendali dengan Closed Loop ............................................... 9

2.4. Representasi Linear Naik................................................................ 12

2.5. Representasi Linear Turun.............................................................. 12

2.6. Representasi Kurva Segitiga ........................................................... 13

2.7. Representasi Kurva Trapesium ....................................................... 13

2.8. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 .......................................... 14

2.9. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 .......................................... 15

2.10. Arduino Atmega 2560 .................................................................... 17

2.11. Motor Servo SG996R ..................................................................... 20

2.12. Sensor Ultrasonik HC-SR04 ........................................................... 21

3.1. Diagram Alir Penelitian .................................................................. 24

3.2. Blok Diagram Sistem ..................................................................... 25

3.3. Perancangan Hardware Sistem ...................................................... 26

3.4. Blok Diagram Kendali Sistem ........................................................ 27

3.5. Fungsi Keanggotaan Masukan Position ......................................... 30

3.6. Fungsi Keanggotaan Masukan Set point ........................................ 30

3.7. Fungsi Keanggotaan Keluaran Theta ............................................. 30

3.8. Diagram Alir Sistem ....................................................................... 32

4.1. Pengujian Sensor Ultrasonik HC-SR04 .......................................... 37

4.2. Hasil Pengujian Sensor Ultrasonik HC-SR04 ................................ 37

4.3. Hasil Pengujian Pergerakan Motor Servo SG996R ........................ 38

4.4. Program Pembacaan Sensor Ultrasonik ......................................... 40

4.5. Fuzzifikasi dari Masing-Masing Fungsi Keanggotaan ................... 41

4.6. Syntax Rule Fuzzy Logic ................................................................ 43

4.7. Metode Fuzzy Logic Mamdani ....................................................... 44

4.8. Pengkondisian Gerak Motor Servo ................................................. 45

4.9. Kalkulasi Transfer Function di Matlab .......................................... 46

4.10. Simulasi Metode Ziegler-Nichols dengan Closed Loop ................. 47

4.11. Syntax Kendali PD .......................................................................... 48

4.12. Syntax Kendali ON/OFF ................................................................. 48

4.13. Skenario Pengujian dan Pengambilan Data .................................... 49

4.14. Posisi Bola di Kiri Menggunakan Kendali ON/OFF ...................... 50

4.15. Posisi Bola di Kiri Menggunakan Kendali PD ............................... 50

4.16. Posisi Bola di Kiri Menggunakan Kendali Fuzzy Logic................. 51

4.17. Analisa Respon Sistem Saat Posisi Bola di Kiri............................. 52

2

4.18. Posisi Bola di Tengah Menggunakan Kendali ON/OFF ................ 53

4.19. Posisi Bola di Tengah Menggunakan Kendali PD ......................... 53

4.20. Posisi Bola di Tengah Menggunakan Kendali Fuzzy Logic ........... 53

4.21. Posisi Bola di Kanan Menggunakan Kendali ON/OFF .................. 54

4.22. Posisi Bola di Kanan Menggunakan Kendali PD ........................... 54

4.23. Posisi Bola di Kanan Menggunakan Kendali Fuzzy Logic............. 55

4.24. Analisa Respon Sistem Saat Posisi Bola di Kanan......................... 55

1

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1.1. Review Penelitian Sebelumnya.......................................................... 2

2.1. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 ............................................. 15

2.2. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 ............................................. 16

2.3. Datasheet Arduino Atmega 2560 ..................................................... 18

3.1. Jadwal dan Aktifitas Penelitian ......................................................... 22

3.2. Fuzzy Rule Base ................................................................................ 29

3.3. Parameter Sistem Ball and Beam ...................................................... 31

4.1. Ziegler-Nichols Tuning ..................................................................... 47

4.2. Karakteristik Respon Waktu Posisi Bola di Kiri .............................. 52

4.3. Karakteristik Respon Waktu Posisi Bola di Kanan .......................... 56

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang dan Masalah

Suatu objek bergantung terhadap objek lain ketika posisi setimbang dapat

dijadikan suatu acuan dalam menerapkan dan menyelesaikan permasalahan

sistem kendali. Permasalahan keseimbangan ini merupakan salah satu hal

yang berkaitan dengan gerakan dan sering berkaitan pada pengaplikasian

robotik. Sistem kendali yang tidak stabil dapat dijadikan penelitian agar

memperoleh kesimpulan berupa respon sistem. Keseimbangan pada sistem

ball and beam dapat dijadikan pengaplikasian sederhana untuk mempelajari

sistem kendali [9].

Sistem ball and beam ini mencakup bola, balok, motor, dan beberapa sensor.

Ide dasarnya adalah menggunakan torsi yang dihasilkan dari motor ke

kendali posisi bola pada balok. Bola akan bergerak pada balok dengan

bebas. Dengan menggunakan teknik penginderaan linier, informasi dari

sensor dapat diambil dan dibandingkan dengan nilai posisi yang diinginkan.

Selisih nilai bisa diumpankan kembali ke kontroler, lalu masuk ke motor

untuk mendapatkan posisi yang diinginkan. Dengan mempertimbangkan

masalah plant diatas seperti noise sensor, saturasi actuator, pengendali

2

sistem menjadi lebih efisien, dan kuat [12]. Beberapa penelitian sebelumnya

mengenai ball and beam dengan sistem kendali yang pernah diuji coba

sebagai berikut:

Tabel 1.1. Review Penelitian Sebelumnya

Nama Peneliti Judul Penelitian Hasil Penelitian Saran

Thiang, Jaury

Adi Wijaya,

Anies

Hannawati,

Resmana

Lim. 2000

Kendali Logika

Fuzzy Pada Sistem

Batang

Penyeimbang Bola

Sistem kendali menggunakan logika

fuzzy cukup mampu mengendalikan

sistem batang penyeimbang bola

namun respon sistem masih dapat

diperbaiki dalam hal sensor posisi

bola [11].

Pengujian selanjutnya dapat

dilanjutkan dengan penambahan

membership function agar respon

lebih membaik [11].

M. Muslim

W. 2011

Perancangan dan

Pembuatan Plant Ball and Beam

Penambahan kendali PD pada sistem

ball and beam dapat membuat root locus tertarik ke sebelah kiri sumbu

imajiner yaitu menuju daerah yang

lebih stabil. Untuk dapat mencapai

posisi yang diinginkan bola tidak

akan langsung berhenti tetapi bola

akan berosilasi terlebih dahulu

kemudian baru dapat berhenti [6].

Untuk menstabilkan plant ball and

beam dapat digunakan kontroller

lain seperti kontroller Fuzzy.

Sebagai pengembangan dari tugas

akhir ini dapat dilakukan

penambahan jumlah posisi yang

diinginkan yaitu lebih dari dua

posisi [6].

Hindami

Muhammad.

2017

Desain dan

Impelementasi

Kendali PID Pada

Beam and Ball System

Penggunaan parameter P hanya

menyebabkan osilasi pada respon

sistem dan semakin cepat rise time.

Kemudian penambahan parameter I

akan menaikan orde pada sistem dan

menyebabkan ketidakstabilan sistem.

Untuk penambahan parameter D

dapat meremdam osilasi.

Penambahan kendali PID masih

memiliki eror steady state dan

overshoot cukup besar [5].

-

Else Orlanda

Merti Wijaya

dan Bambang

Suprianto.

2018

Perancangan

Sistem

Keseimbangan

Ball And Beam Dengan

Menggunakan

Pengendali PID

Berbasis Arduino

UNO

Sistem keseimbangan ball and beam

dengan pengendali PID berbasis

Arduino UNO menggunakan metode

Ziegler-Nichols dapat berada dalam

psosi atau jarak seimbang yang

diinginkan dengan memiliki nilai

error yang dihasilkan kecil. Untuk

time response menuju steady state

juga baik, jadi dapat dikatakan

metode ini dapat dikatakan berhasil

[13].

Dapat dikembangkan dengan

mengubah jenis metode

pengontrolan yang lain, seperti

adaptif, fuzzy logic, jaringan saraf

tiruan (JST), dll agar dapat

menggurangi nilai error steady state. Penambahan sensor atau

dengan penggantian sensor jenis

lain yang lebih akurat agar

pembacaan posisi bola lebih

presisi [13].

Abiyyu

Muhammad

Afif. 2018

Implementasi

Keseimbangan

Pada Sistem Ball

And BeamMengggunak

an Kendali Fuzzy Logic

Penggunaan kendali fuzzy logic pada

sistem ball and beam dapat

menstabilkan sistem agar tidak

terdapat nilai overshoot dan dapat

memperbaiki respon sistem menjadi

lebih baik

-

3

Berdasarkan penjelasan tersebut, penelitian yang akan dilakukan untuk

memperbaiki sistem kerja dengan menggunakan metode pengendalian fuzzy

logic yang disarankan oleh peneliti sebelumnya dikarenakan dapat

meningkatkan respon sistem yang lebih baik. Oleh karena itu penulis dalam

penelitiannya mempunyai ide atau gagasan untuk melakukan implementasi

kendali pada sistem ball and beam menggunakan kendali fuzzy logic agar

dapat diuji seberapa pengaruh memperbaiki sistem kendali setimbang.

Penelitian diterapkan secara sederhana dari sistem ball and beam agar

mengetahui hasil keluaran keseimbangan respon sistemnya. Penelitian

tersebut membutuhkan masukan sinyal dari parameter position dan nilai set

point yang terjadi pada sistem keseimbangan ball and beam.

1.2. Tujuan Penelitian

Penelitian implementasi ini akan dilaksanakan dengan tujuan memperbaiki

sistem kendali ball and beam menggunakan kendali fuzzy logic untuk

mengetahui seberapa baik respon sistem yang dihasilkan agar menuju sistem

dalam keadaan steady state atau keadaan setimbang.

1.3. Rumusan Masalah

Rumusan masalah penilitian ini difokuskan pada beberapa aspek yaitu:

1. Mempelajari dan mendesain kendali fuzzy logic untuk mengendalikan

sistem ball and beam.

4

2. Membuat implementasi secara sederhana dari sistem keseimbangan ball

and beam yang akan dijadikan sebagai uji coba sistem pengendaliannya.

3. Mengetahui seberapa besar pengaruh keseimbangan pada sistem ball

and beam setelah menggunakan kendali fuzzy logic.

4. Mengetahui respon dari sistem setelah dilakukan uji coba menggunakan

kendali fuzzy logic.

1.4. Batasan Masalah

Batasan masalah melakukan implementasi penelitian ini yaitu:

1. Mengimplementasikan sistem ball and beam sederhana dengan

menampilkan keseimbangan dari sistem tersebut.

2. Memperbaiki sistem keseimbangan ball and beam dengan pengendalian

fuzzy logic untuk melihat hasil respon sistemnya.

1.5. Hipotesis

Pemilihan sistem kendali PID pada penelitian sebelumnya memiliki

kelemahan pada kestabilan sistem sehingga terdapat nilai overshoot dan

respon sistem masih dalam kondisi berosilasi. Hal tersebut yang

menyebabkan keseimbangan pada sistem ball and beam perlu diperhatikan.

Oleh karena itu, perlu dilakukan perancangan sistem pengendalian fuzzy

logic yang memiliki tingkat kestabilan yang lebih baik.

5

1.6. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan laporan penelitian ini adalah sebagai berikut:

BAB I – PENDAHULUAN

Berisikan tentang latar belakang penulis melakukan penelitian tugas akhir,

tujuan penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, hipotesis penelitian

yang dilakukan oleh penulis dan sistematika penulisan laporan tugas akhir.

BAB II – TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan tentang tinjauan pustaka berupa teori-teori pendukung dalam

melakukan pengerjaan tugas akhir yang dapat diterapkan dengan mencari

sumber-sumber ilmiah seperti buku atau jurnal penelitian untuk panduan.

BAB III – METODE PENELITIAN

Berisikan tentang penjelasan tentang waktu dan tempat pengerjaan

penelitian tugas akhir, alat dan bahas yang dipergunakan, diagram alir dari

sistem serta metode yang digunakan penulis untuk mengerjakan tugas agar

dapat mengamati hasil akhirnya.

BAB IV – HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisikan tentang hasil yang diperoleh oleh penulis ketika melakukan

penelitian tugas akhir dan dibahas dalam bab ini berupa pemaparan data

hasil yang diperoleh.

BAB V – PENUTUP

Berisikan tentang kesimpulan dan saran dari data dan pembahasan yang

diperoleh ketika penulis melakukan pengamatan penelitian tugas akhir ini.

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Deskripsi Sistem Ball and Beam

Sistem ball and beam adalah salah satu model peraga laboratorium yang

paling populer untuk pengajaran teknik sistem kendali. Ball and beam

banyak digunakan karena sangat sederhana untuk dipahami sebagai sebuah

sistem. Ball and beam memiliki model demo yang paling penting,

dikarenakan saat sistem pengendalian open loop menjadi tidak stabil.

Sistemnya sangat sederhana yaitu bola yang menggelinding di atas balok

panjang. Balok dipasang pada poros keluaran motor listrik sehingga

baloknya dapat dibuat miring pada poros tengahnya dengan menerapkan

sinyal kendali listrik ke penguat motor. Tugas sistem kendali adalah

mengatur secara otomatis posisi bola pada balok dengan mengubah sudut

balok. Tugas tersebut yang sulit dikarenakan bola tidak tetap di satu tempat

pada balok namun bergerak dengan akselerasi yang kira-kira sebanding

dengan kemiringan balok. Oleh karena itu, sistem kendali open loop tidak

stabil karena output sistem (posisi bola) meningkat tanpa batas untuk input

tetap (sudut balok). Pengendalian umpan balik harus digunakan untuk

menstabilkan sistem dan menahan bola pada posisi yang diinginkan pada

balok [12].

7

2.2. Model Matematis Sistem Ball and Beam

Dalam sistem keseimbangan ball and beam, sebuah bola yang ditempatkan di

atas batang dapat bergerak bebas sepanjang batang tersebut. Batang

disambungkan dengan sebuah motor yang terdapat gearbox di dalamnya

sehingga jika gearbox motor bergerak dengan sudut , maka sudut batang akan

berubah sebesar . Ketika posisi batang tidak lagi vertikal, gaya gravitasi akan

menyebabkan bola bergerak sepanjang batang [11].

Gambar 2.1. Mekanika Sistem Ball and Beam [3]

Kemudian bola bergerak pada penyeimbang batang dengan asumsi tanpa ada

gesekan, maka dari gambar 2.1. menggunakan metode Lagrangian didapatkan

persamaan sebagai berikut:

(2.1)

Persamaan (2.1) dilinearisasikan dengan maka didapat:

(2.2)

Persamaan hubungan antara sudut batang dan sudut motor servo:

(2.3)

8

Subtitusi antara persamaan (2.3) dengan (2.2) yaitu

(2.4)

Dari persamaan (2.4), transformasi Laplace tersebut adalah

(2.5)

Fungsi transfer dari persamaan (2.5) yaitu

(2.6)

2.3. Dasar Sistem Kendali

Sistem kendali merupakan suatu sistem yang keluaran sistemnya

dikendalikan agar memperoleh suatu nilai yang telah ditargetkan atau

merubah beberapa tuntunan yang telah ditetapkan oleh masukan ke sistem.

Pada sistem kendali ini terdapat suatu model yang diartikan sebagai sesuatu

yang berfungsi untuk proses mengubah hubungan dari setting aktual menjadi

bentuk lain[10]. Bentuk dasar sistem kendali ini dapat dibedakan menjadi

dua bentuk yaitu sebagai berikut:

1. Sistem Kendali dengan Open Loop

Sistem kendali open loop merupakan suatu sistem pengendalian dengan

kongfigurasi mengukur kondisi yang dihendaki, tetapi dalam hal ini hasil

dari keluaran sistem tidak dimodifikasi untuk merubah kondisi [10].

Gambar 2.2. Sistem Kendali dengan Open Loop

Controller Input Signal Output

Process

9

2. Sistem Kendali dengan Closed Loop

Sistem kendali dengan closed loop merupakan suatu sistem

pengendalian dengan menggunakan sebagian nilai keluaran sistem

sebagai feedback ke dalam masukan yang berguna untuk merubah

masukan sehingga keluaran dapat mempertahankan kondisi tertentu dan

akan mengabaikan beberapa perubahan kondisi [10].

Gambar 2.3. Sistem Kendali dengan Closed Loop

2.4. Kendali Fuzzy logic

Fuzzy logic adalah suatu proses pengambilan kesimpulan berdasarkan

ketentuan yang bertujuan untuk memecahkan permasalahan, dimana sistem

tersebut sulit untuk disimulasikan atau terdapat kesamaran dan

ketidakpastian yang berlimpah. Fuzzy logic ditetapkan oleh persamaan

logika bukan dari persamaan differensial komplek dan berasal dari

pemikiran yang mengidentifikasi serta mengambil keuntungan dari

kekaburan. Pada fuzzy logic, suatu nilai dapat berupa “true” dan “false”

secara beriringan. Tingkat “true” atau “false” nilai dalam fuzzy logic terpaku

pada variable keanggotaan yang dimilikinya. Fuzzy logic memiliki tingkat

keanggotaan rentang antara 0 hingga 1, dibandingkan logika digital yang

Controller Input Signal Output

Process

Measuring

Element

10

hanya memiliki dua keanggotaan 0 atau 1 saja pada satu waktu. Fuzzy logic

dipergunakan untuk menyatakan besaran nilai yang diibaratkan dalam

bahasa. Kelebihan fuzzy logic pada penguasaan kelogisan dari segi bahasa,

sehingga dalam perancangannya tidak memerlukan persamaan matematis

yang rumit dari objek yang akan dikendalikan [8].

2.4.1.Himpunan Fuzzy

Prinsip dasar dari teori himpunan fuzzy logic merupakan suatu teori

berupa pengelompokkan objek dengan batas-batas tertentu yang samar.

Suatu fungsi yang menyatakan tingkat kesamaan bagian-bagian dalam

semesta dengan konsep disebut ketentuan keanggotaan himpunan.

Fungsi keanggotan dan tingkat keanggotaan merupakan faktor yang

harus dimiliki oleh himpunan yang kemudian menjadi fuzzy set. Dalam

tingkat keanggotan dapat dinyatakan dengan tegas atau bilangan real

yaitu kondisi ON atau OFF dengan nilai 1 atau 0. Dengan peristilahan,

fungsi keanggotaan dari suatu himpunan kabur A dalam semesta X

adalah pemetaan μA dari X antara [0,1] yaitu μA : X [0,1]. Nilai fungsi

μA(x) mengungkapkan tingkat keanggotaan unsur x X dalam

himpunan kabur A. Apabila nilai fungsi bernilai “1” maka dinyatakan

dalam keanggotan penuh, dan sebaliknya apabila nilai fungsi bernilai

“0” maka dinyatakan bukan anggota himpunan tersebut[8]. Adapun

beberapa hal yang harus diketahui dari sistem fuzzy logic sebagai

berikut:

11

1. Variable fuzzy merupakan suatu isyarat atau variable yang akan

dilakukan pengkajian dalam suatu sistem fuzzy logic.

2. Himpunan fuzzy merupakan suatu pengelompokkan dari perwakilan

kondisi-kondisi dalam variable fuzzy

3. Semesta wacana merupakan keseluruhan nilai yang dapat

diaplikasikan dalam variable fuzzy dengan memiliki himpunan

bilangan real yang memiliki grafik naik bertambah secara perlahan

dari kiri ke kanan. Nilai semesta wacana dapat di daerah bilangan

positif atau negatif.

4. Domain himpunan fuzzy merupakan keseluruhan nilai yang

dipersetujui yang ada di semesta wacana dan diaplikasikan ke

himpunan fuzzy [8].

2.4.2. Fungsi Keanggotan

Fungsi keanggotaan (membersip function) adalah suatu grafik yang

menampilkan pemetaan koordinat masukan data ke dalam nilai

keanggotaannya yang mempunyai rentang antara nol sampai satu.

Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk menentukkan nilai

keanggotaan adalah melalui pendekatan fungsi. Representasi dari

fungsi keanggotaan ini dapat digambarkan dengan dua bentuk yaitu

linear atau garis lurus dan kurva [8]. Ada beberapa fungsi yang bisa

digunakan, yaitu:

a. Representasi Linear Naik

12

Titik awal himpunan dari domian yang memiliki nilai

keanggotaaan nol bergerak naik ke kanan mencapai ke domain

yang memiliki nilai keanggotaan lebih tinggi.

Gambar 2.4. Representasi Linear Naik

Fungsi dari keanggotaan representasi linear naik sebagai berikut

(2.7)

b. Representasi Linear Turun

Repersentasi linear turun merupakan titik awal himpunan dari

domian dengan nilai keanggotaaan tertinggi pada bagian kiri,

kemudian menurun mencapai ke domain yang memiliki nilai

keanggotaaan lebih rendah.

Gambar 2.5. Representasi Linear Turun

Fungsi dari keanggotan representasi linear turun sebagai berikut:

(2.8)

13

c. Representasi Kurva Segitiga

Kurva segitiga adalah pengimplementasian dari dua garis linear

yatu representasi dari naik dan turun menjadi satu.

Gambar 2.6. Representasi Kurva Segitiga

Fungsi dari keanggotan representasi kurva segitiga sebagai

berikut:

(2.9)

d. Representasi Kurva Trapesium

Kurva trapesium adalah pengimplementasian dari kurva segitiga

tetapi terdapat suatu titik dimana ada keadaaan konstan dengan

keanggotaan satu.

Gambar 2.7. Representasi Kurva Trapesium

Fungsi dari keanggotan representasi kurva trapesium sebagai

berikut:

(2.10)

14

2.5. Kendali PID (Metode Ziegler-Nichols)

Metode Ziegler-Nichols adalah metode trial and error yang telah

dikembangkan. Metode ini digunakan untuk mendapatkan nilai awal untuk

melakukan manual tunning. Ziegler Nichols akan menetapkan nilai

parameter pada PID agar respon sistem yang dihasilkan membaik. Metode

tersebut akan menemukan nilai konstanta dari PID yaitu nilai propotional

gain (Kp), nilai waktu integral(Ti) dan nilai waktu derivative(Td)

berdasarkan karakteristik respon peralihan dari sistem [7]. Metode Ziegler-

Nichols terbagi atas dua metode yaitu:

2.5.1. Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 (Open Loop)

Metode Ziegler-Nichols tipe 1 dilakukan ketika sistem pada saat

pengendalian open loop atau tidak menggunakan umpan balik

(feedback). Suatu plant yang dikendalikan akan diberi masukan step

agar respon dapat dianalisa. Nilai PID didapat dari hasil percobaan

saat diberi masukan step, kemudian hasilnya berbentuk grafik huruf

S. Grafik tersebut akan memiliki nilai konstanta yaitu waktu tunda

(L) dan waktu konstan (T) [7].

Gambar 2.8. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 [7]

15

Aturan penentu kedua parameter tersebut didapat dengan menggambar

garis singgung pada titik kurva S. Garis singgung tersebut

memperoleh perpotongan garis waktu axis dan garis dari c(t) = K [7].

Berdasarkan parametr tersebu, didapatkan cara untuk menentukan

parameter Kp, Ti, dan Td sebagai berikut:

Tabel 2.1. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 1 [7]

Tipe

Pengendalian Kp Ti Td

P

∞ 0

PI

0

PID

2.5.2. Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 (Close Loop)

Pada metode Ziegler-Nichols tipe 2 ini dilakukan dengan membuat

sistem berosilasi agar respon sistem dapat menentuan paramater PID

ketika dihitung. Metode ini diasumsikan untuk nilai parameter Ti dan

Td bernilai nol atau OFF [7].

Gambar 2.9. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 [7]

Pada metode kedua ini, percobaan yang dilakukan menggunakan

penguatan propotional. Nilai Kp lebih besar dari nol maka tercapai

nilai Kp yang menghasilkan respon menjadi berosilasi. Nilai Kp

16

tersebut dinamakan critical gain (Kcr). Jika nilai Kp lebih kecil maka

sinyal keluaran akan teredam hingga mencapai titik keseimbangan

setelah ada gangguan. Sebaliknya, jika nilai Kp terlalu besar maka

osilasi akan tidak stabil dan membesar [7]. Sehingga dari aturan ini

didapatkan perhitungan untuk mencari nilai paramater PID yaitu:

Tabel 2.2. Tabel 2.1. Aturan Metode Ziegler-Nichols Tipe 2 [7]

Tipe

Pengendalian Kp Ti Td

P 0,5Kcr ∞ 0

PI 0,45Kcr 0,83Pcr 0

PID 0,6 Kcr 0,5 Pcr 0,125 Pcr

2.6. Arduino Atmega 2560

Arduino merupakan suatu sistem operasiional yang memiliki fungsional

seperti sistem komputer yang berbentuk sebuah chip. Di dalam Arduino,

terkandung komponen penting pendukung seperti inti processor, memori dan

perlengkapan masukan dan keluaran. Sistem kendali yang program pada

Arduino ini dapat mengendalikan masukan dan keluaran secara khusus.

Perangkat lunak yang dapat mengendalikan Arduino disebabkan karena

terdapat processor Atmel (Advance Virtual RISC) AVR dan bahasa program

yang digunakan berbasis bahasa C [2].

Arduino Atmega 2560 merupakan jenis Arduino yang memerlukan

mikrokontroler Atmega 2560 berdasarkan datasheet memiliki 54 digital pin

masukan atau keluaran (dimana 15 pin dapat digunakan sebagai masukan

17

PWM atau Pulse Width Modulation), 16 analog masukan, 4 UART

(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), osilator cristal 16 MHz,

koneksi USB, jack listrik, headr ICSP (In-Circuit Serial Programing), dan

tombol reset. Penghubung antara mikrontroler ke komputer memerlukan

kabel USB yang berperan sebagai adaptor AC (Alternating Current) – DC

(Direct Current) atau baterai [2].

Gambar 2.10. Arduino Atmega 2560

Arduino Mega 2560 berbeda dari semua jenis Arduino sebelumnya karena

tidak menggunakan FTDI chip drver USB-to-serial. Sebaliknya, fitur

Atmega 16U2 (Atmega 8U2 dalam board revision 1 dan revision 2)

diprogram sebagai konvertr USB-to-serial. Arduino Atmega 2560 memiliki

resistor yang terhubung ke 8U2 HWB dan ground, sehingga lebih mudah

untuk dimasukkan ke dalam mode DFU (Device Firmware Update).

Arduino Atmega 2560 memiliki fitur-fitur baru sebagai berikut:

a. Pin out 1 dan 0 adalah SDA (Serial Data) dan SCL (Serial Clock) pin

yang bersebelah dengan pin AREF (ADC Reference) dan dua pin baru

lainnya diletakkan bersebelah dengan pin reset.

b. Sirkuit reset lebih kuat.

c. Atmega 16U2 menggantikan 8U2.

18

Adapun data-data yang mengenai Arduino Atmega 2560 untuk mengetahui

spesifikasinya adalah sebagai berikut:

Tabel 2.3. Datasheet Arduino Atmega 2560 [2]

Masing-masing dari 54 pin digital pada Arduino Atmega 2560 dapat

digunakan sebagai masukan atau keluaran, menggunakan fungsi pinMode (),

digitalWrite (), dan digitalRead (). Semua pin beroperasi pada tegangan 5

volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimal 40 mA dan

memiliki resistor pul-up intrnal yang (terputus secara default) dari kisaran

resistor 20-50 KΩ. Arduino Atmega 2560 mempunyai 16 masukan analog,

yang masing-masing menyiapkan 10 bit resolution (yaitu 1024 nilai yang

berbeda). Secara default nilai tersebut dari 0 − 5 volt, meskipun adalah

untuk mengubah nilai jangkauan atas (5V) dengan menggunakan pin AREF

dan fungsi analogReference (). Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi

tertentu sebagai berikut:

Microcontroller ATmega2560

Operating Voltage 5V

Masukan Voltage (recommended) 7-12V

Masukan Voltage (limits) 6-20V

Digital I/O Pins 54 (of which 14 provide PWM

keluaran)

Analog Masukan Pins 16

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by

bootloader

SRAM 8 KB

EEPROM 4 KB

Clock Speed 16 MHz

19

1. Serial: pin 0 (RX.) dan pin 1 (TX); Serial 1: pin 19 (RX) dan pin 18

(TX); Serial 2: pin 17 (RX) dan pin 16 (TX); Serial 3: pin 15 (RX) dan

pin 14 (TX). Dipergunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan

(TX.) TTL serial data. Pin 0 dan 1 juga terkoneksi ke pin yang sesuai

dari Atmega 16U2 USB-to-Serial TTL.

2. Perintah keluaran: pin 2 (perintah 0), pin 3 (perintah 1), pin 18 (perintah

5), pin 19 (perintah 4), pin 20 (perintah 3), dan pin 21 (perintah 2). Pin

ini dapat diatur untuk memicu perintah pada nilai yang rendah, yang

naik atau turun tepi, atau perubahan nilai. Lihat fungsi attachPerintah ()

untuk lebih rinci.

3. PWM: pin 2-13 dan pin 44-46 Memberikan 8-bit PWM keluaran dengan

fungsi analogWrite ().

4. SPI: pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin ini

mendukung komunikasi SPI. (Serial Peripheral Interface) menggunakan

library SPI. Pin SPI juga terpisah dari header ICSP, yang secara fisik

sesuai dengan Uno, Duemilanove dan Diecimila.

5. LED: pin 13 Ada built-in LED (Light Emiting Diode) terhubung ke pin

digital 13. Ketika logika pin bernilai nilai tinggi atau high, LED akan

hidup atau on, ketika logika pin rendah atau low, maka LED akan mati

atau off.

6. TWI: pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Dukungan komunikasi TWI (Two

Wire Interface) menggunakan wire library. Pin ini tidak berada di

tempat yang sama dengan pin TWI di Duemilanove atau Diecimila [2].

20

2.7. Motor Servo

Motor servo adalah suatu aktuator yang beroperasi melalui dua pergerakan

yaitu (CW dan CCW) dimana reaksi rotor yang didukung kendali dengan

beragam lebar pulsa (duty cycle) sinyal PWM pada bagian pengendaliannya.

Aksi dari putaran motor yang didesain untuk dikendalikan dengan umpan

balik (feedback) akan memperoleh kondisi sudut dari poros motor tersebut.

Motor servo yang memiliki perangkat yaitu motor DC, gabungan gear,

rangkaian kendali dan potensiometer. Dari gabungan gear yang dipasang

pada motor DC akan mempernangguh gerak dari poros dan dapat

meningkatkan torsi, sedangkan potensiometer berguna untuk mengganti

nilai resistansi ketika motor berputar berfungsi untuk penentu besar sudut

putaran poros motor servo.

Gambar 2.11. Motor Servo SG996R

2.8. Sensor Ultrasonik

Sensor ultrasonik adalah sebuah sensor yang memanfaatkan gelombang

ultrasonik yang disebarkan kemudian diserap lagi oleh sensor. Gelombang

ultrasonik itu mempunyai frekuensi rentang 20kHz hingga sekitar 20MHz.

21

Frekuensi yang bekerja akan bervariasi ketika gelombang ultrasonik melalui

berbagai media seperti kerapatan fasa gas, cair hingga padat. Pada saat

gelombang ultrasonik membentur suatu media maka gelombang tersebut

akan dipantulkan dan sebagian gelombang akan diserap oleh media.

Pembangkit gelombang ultrasonik pada sensor disebut piezoelektrik.

Piezoelektrik bekerja menciptakan gelombang ultrasonik dengan frekuensi

40kHz ketika osilator diterapkan pada benda tersebut. Sensor ultrasonik

secara umum dapat digunakan untuk pengaplikasian pengukuran jarak. Alat

ini akan menyiarkan gelombang ultrasonik kemudian akan memantul jika

menumbuk media dan kembali ke arah sensor. Sistem mengukur jarak

berdasarkan seberapa lama gelombang ultrasonik akan memantul kembali

ke arah sensor. Rangkaian penyusun pada sensor ultrasonik ini terdiri dari

transmitter, receiver dan komparator.

Gambar 2.12. Sensor Ultrasonik HC-SR04

22

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Penelitian

Adapun waktu dan tempat mengimplementasikan penelitian ini pada:

Tempat :Laboratorium Teknik Kendali, Laboratorium Terpadu

Teknik Elektro, Universitas Lampung

Waktu : April - September 2018

Tabel 3.1. Jadwal dan Aktifitas Penelitian

No. Aktifitas April Mei Juni Juli Agustus September

1

Konsep

Perancangan

Sistem

2 Studi Literatur

3 Penentuan

Spesifikasi Sistem

4 Pembuatan

Proposal

5 Seminar Usul

6 Penyediaan Alat

dan Bahan

7 Perancangan

Sistem

8 Pengujian Sistem

9 Pengambilan data

10 Analisa dan

Kesimpulan

11 Pembuatan

Laporan Hasil

12 Seminar Hasil

23

3.2. Alat dan Bahan

Adapun alat dan bahan yang diperlukan dalam menerapkan penelitian ini

sebagai berikut:

1. Arduino Atmega 2560

2. Sensor Ultrasonik HC-SR04

3. Motor Servo MG996R

4. Acrylic Beam (40 cm)

5. Bola Tenis Meja

6. Kabel Penghubung

7. Software Arduino IDE

3.3. Spesifikasi Alat

Spesifikasi alat yang perlu diperhatikan dari penggunaan pada penelitian

implementasi ini yaitu:

1. Menggunakan Arduino Atmega 2560 sebagai pemograman dan

pemerosesan data sistem kendali.

2. Menggunakan Sensor Ultrasonik HC-SR04 sebagai sensor pengukur

jarak pergerakan bola diatas balok.

3. Menggunakan Motor Servo MG996R sebagai aktuator yang

menggerakan balok keseimbangan yang terhubung dengan tuas

pengungkit.

24

3.4. Metode Kerja

Metode kerja yang akan dilaksanakan agar implementasi penelitian ini

berjalan dengan baik sebagai berikut:

3.4.1. Diagram Alir Penelitian

Adapun diagram alir penelitian yang akan dilakukan pada penelitian

ini adalah sebagai berikut:

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian

Mulai

Tidak

Apakah

tersedia?

A

Penentuan

Spesifikasi

Sistem

Study

Literatur

Konsep

Perancangan

sistem

Penyediaan

Alat dan

Bahan

A

Tidak

Apakah

berhasil?

Selesai

Analisa dan

Kesimpulan

Pengambilan

Data

Pengujian

Sistem

Perancangan

Sistem

25

3.4.2. Perancangan Model Sistem

Perancangan model sistem pada implementasi penelitian ini adalah

sebagai berikut:

Gambar 3.2. Blok Diagram Sistem

Pada gambar 3.2 merupakan blok diagram sistem kendali

keseimbangan sistem ball and beam yang menunjukkan alur proses

kerjanya. Pada bagian masukan terdiri dari masukan referensi (set

point) dan masukan aktual (sensor). Pada proses deteksi jarak

didapat masukan aktual, kemudian masukan aktual akan dikurangi

masukan referensi (set point) menghasilkan nilai error. Kemudian

untuk nilai error tersebut akan masuk ke sistem pengendaliannya

menggunakan kendali fuzzy logic yang nantinya akan terprogram

pada mikrokontroler Arduino Mega 2560. Hasil sistem

pengendalian tersebut akan dikirim ke Arduino Mega 2560 melalui

koneksi serial, lalu akan dieksekusi oleh Arduino Mega 2560 untuk

menjalankan motor servo. Bagian keluaran yang terdiri dari motor

servo yang terintegrasi dengan plant ball and beam. Bagian umpan

balik akan dilakukan oleh sensor ultrasonik untuk mendeteksi

koordinat posisi bola yang sebenarnya [5].

Arduino Mega 2560

+

Fuzzy Logic

Motor Servo

MG996R

Ball and

Beam

Sensor Ultrasonik

Input (Set point)

Output

Pengendali Aktuator Plant

26

3.4.3. Perancangan Hardware Sistem

Adapun perancangan hardware sistem dari implementasi penelitian

ini adalah sebagai berikut:

Gambar 3.3. Perancangan Hardware Sistem

Gambar 3.3. menjelaskan tentang perancangan hardware sistem

keseimbangan ball and beam yang akan dibuat. Perancangan

sistem tersebut menggunakan motor servo, sensor ultrasonik dan

Arduino Mega 2560. Motor servo digunakan sebagai penggerak

tuas pengungkit yang akan membantu menyeimbangkan beam

(balok). Kemudian sensor ultrasonik digunakan sebagai pendeteksi

ada atau tidaknya bola pada beam (balok) agar bola bergerak diatas

balok dalam kondisi seimbang. Semua sistem akan saling

berkomunikasi dan terhubung ke mikrokontroler Arduino Mega

2560 sebagai pusat sistem. Komponen yang digunakan pada sistem

tersebut membutuhkan catu daya untuk menjalakan sistem [1].

27

3.4.4. Perancangan Kendali Fuzzy Logic

Adapun blok diagram perancangan kendali fuzzy logic yang

diimplentasikan adalah:

Gambar 3.4. Blok Diagram Kendali Sistem

Perancangan sistem pengendalian pada penelitian ini menggunakan

jenis kendali fuzzy logic dengan sistem umpan balik. Masukan

pada sistem berupa besar nilai position dan nilai set point yang

akan mengirimkan instruksi terhadap motor servo. Instruksi yang

dikirim ke motor servo sebelumnya akan diubah ke himpunan fuzzy

dengan fungsi keanggotaan pada masing-masing masukan.

Kemudian variable masukan tersbut akan diproses dengan

membuat inference engine pada rules fuzzy selanjutnya akan

didefuzifikasi. Kendali fuzzy logic salah satu kendali yang dapat

memudahkan monitoring pengendalian karena pengaplikasiannya

menggunakan logika dasar NOT, AND dan OR. Keluaran dari

kendali fuzzy logic akan memberi instruksi terhadap motor servo

agar menggerakan tuas pengungkit pada plant ball and beam [3].

Position

Set point

Fuzzifer

Inference

Rule

Defuzzifer

Arduino Mega 2560

Crip

Inputs

Crip

Outputs

28

Adapun penentuan variable masukan pada kendali fuzzy logic

untuk mempengaruhi beban masukan sebagai berikut:

1. Nilai position merupakan hasil dari masukan ketika pembacaan

bola terdeteksi.

2. Nilai set point merupakan hasil dari masukan referensi awal

yang akan dikendalikan.

Domain dari masing-masing variabel masukan dan keluaran adalah

sebagai berikut:

a. Variable masukan position ( nilai range jangkuan 0 hingga 30)

Negative Medium (NM) = (0, 0, 3, 6)

Negative Small (NS) = (3, 6, 9, 12)

Zero (Z) = (9, 12, 15, 18)

Positive Small (PS) = (15, 18, 21, 24)

Positive Medium (PM) = (21, 24, 26, 30)

b. Variable masukan set point ( nilai range jangkuan 0 hingga 30)

Negative Medium (NM) = (0, 0, 3, 6)

Negative Small (NS) = (3, 6, 9, 12)

Zero (Z) = (9, 12, 15, 18)

Positive Small (PS) = (15, 18, 21, 24)

Positive Medium (PM) = (21, 24, 26, 30)

c. Variable keluaran theta ( nilai range jangkuan 10 hingga 175)

Negative Medium (NM) = (10, 50, 60, 80)

Negative Small (NS) = (60, 80, 90, 100)

Zero (Z) = (90, 100, 110, 120)

29

Positive Small (PS) = (110, 120, 120, 130)

Positive Medium (PM) = (130, 140, 160,175)

Aturan fuzzy didesain agar dapat beroperasi mencapai pada

kesalahan yaitu 0 % dari keadaan. Rule base fuzzy yang dibuat

dapat beroperasi ketika kondisi menaikkan atau menurunkan rasio

kesalahan. Adapun fuzzy rule base yang didesain untuk menjadikan

kendali pada sistem ini sebagai berikut:

Tabel 3.2. Fuzzy Rule Base

Rule

Input Output

(Theta) Position Set Point

1 NM NM ZO

2 NM NS NS

3 NM ZO NS

4 NM PS NS

5 NM PM NM

6 NS NM ZO

7 NS NS ZO

8 NS ZO NS

9 NS PS NS

10 NS NM NM

11 ZO NM PS

12 ZO NS PS

13 ZO ZO ZO

14 ZO PS ZO

15 ZO PM NS

16 PS NM PM

17 PS NS PS

18 PS ZO ZO

19 PS PS ZO

20 PS PM ZO

21 PM NM PM

22 PM NS PM

23 PM ZO PS

24 PM PS ZO

25 PM PM ZO

30

Perancangan kendali fuzzy logic yang menggunakan kombinasi

jenis kurva segitiga dan kurva trapesium dengan fuzzy inference

siste (FIS) metode Mamdani [3]. Adapun grafik fungsi

keanggotaan tiap variabel dalam sistem fuzzy logic yang digunakan

pada penelitian ini sebagai berikut:

Gambar 3.5. Fungsi Keanggotaan Masukan Position

Gambar 3.6. Fungsi Keanggotaan Masukan Set point

Gambar 3.7. Fungsi Keanggotaan Keluaran Theta

31

3.4.5. Perancangan Kendali PD

Adapun perancangan kendali PD untuk memperoleh nilai dari

parameter Kp, Ti,, dan Td adalah:

Tabel 3.3. Parameter Sistem Ball and Beam

Parameter Nilai

Massa dari ball (M)

Momen inersia dari ball (J)

Momen inersia dari beam (Jb)

Jari-jari dari ball (r)

Gaya gravitasi (g)

Panjang dari beam (L)

Panjang tuas (m)

Dari tabel diatas merupakan parameter dari sistem ball and beam

yang akan dirubah menjadi nilai transfer function. Kendali PD

memiliki tiga konstanta yaitu Kp, Ti, dan Td . Konstanta tersebut

digunakan untuk memperbaiki respon sistem dari ball and beam.

Metode yang digunakan pada penelitian adalah kendali PD dengan

metode Ziegler-Nichols. Metode ini memiliki dua cara yaitu

dengan mencari nilai parameter Kp, Ti, dan Td saat kondisi open

loop dan closed loop. Untuk melakukan pencarian konstanta

tersebut, pengendalian PD terhadap sistem ball and beam

dilakukan secara simulasi pada Matlab. Konstanta PD yang

diperoleh akan dimasukan pada program Arduino IDE.

32

3.4.6. Diagram Alir Sistem

Diagram alir sistem implementasi akan berjalan sesuai rancangan

pada penelitian ini adalah:

Gambar 3.8. Diagram alir sistem

Membaca posisi bola dengan

sensor ultrasonik

Ada

bola?

Mengolah perubahan posisi

aktual dan membaca masukan

referensi

Membaca nilai position dan set

point, Menjalakan kendali fuzzy

logic

Arduino membaca data dan

menggerakan motor servo sebagai

aktuator

Tidak

Ya

START

Bola, Sensor Ultrasonik

dan Motor Servo

Menentukan nilai set point

sebagai masukan referensi

33

3.5. Pengujian Sistem

Pengujian sistem dilakukan bertujuan untuk mendapatkan hasil kinerja dari

sebuah sistem dan melakukan penganalisaan dari data yang diperoleh.

Pengujian ini dilakukan setelah pembuatan alat berhasil. Adapun pengujian

yang harus dilakukan pada penelitian ini sebagai berikut:

3.5.1. Pengujian Setiap Komponen

Pengujian pada tahap ini harus dilakukan dikarenakan harus

mengetahui spesifikasi komponen yang tepat agar kualitas

komponen dapat bekerja sesuai dengan sistem. Pada pengujian ini

juga melakukan pengambilan data untuk masing-masing nilai yang

digunakan pada setiap komponen untuk proses kalibrasi program.

3.5.2. Pengujian Program

Pengujian program dilakukan untuk mengetahui program yang

dirancang telah berjalan sesuai dengan sistem atau tidak. Pengujian

ini terdiri dari pengujian antara interface sistem pengendalian fuzzy

logic, sensor-sensor yang digunakan dan Arduino Mega 2560.

3.5.3. Pengujian Alat

Pada tahap ini dilakukan pengujian secara keseluruhan sistem

keseimbangan ball and beam. Pengujian ini bertujuan untuk

mengetahui dan menguji seberapa efektif dari pengendalian fuzzy

logic terhadap keseimbangan bola yang bergerak bebas pada balok

dalam waktu tertentu.

34

3.6. Pengambilan Data dan Analisis

Adapun pengambilan data yang harus diambil dan dilakukan penganalisaan

dari implemaentasi penelitian ini adalah:

3.6.1. Data Posisi Bola

Data menggunakan posisi bola akan diatur sebagai sinyal masukan

berupa set point. Sinyal masukan tersebut merupakan data masukan

dari data tegas menjadi fuzzy. Data tersebut akan ditampilkan dalam

bentuk himpunan fuzzy dengan fungsi keanggotan. Data ini akan

diolah dan nantinya akan digunakan untuk menggerakkan motor

servo.

3.6.2. Data Sensor Ultrasonik

Data tersebut digunakan untuk menentukan jarak posisi bola saat

kondisi seimbang pada balok yang akan dibandingkan dengan

variable waktu agar dapat menganalisa respon sistemnya.

3.6.3. Data Respon Sistem

Data respon sistem adalah perubahan sinyal keluaran terhadap

perubahan sinyal masukan. Respon sistem ini akan dianalisa

karakteristik sistemnya yang menggunakan persamaan/model

matematika. Bentuk kurva respon sistem dapat terlihat setelah

diberikan sinyal masukan. Sinyal awal masukan tersebut berguna

untuk melihat karakteristik sistem.

Data-data diatas diambil untuk menguji hasil perancangan sistem dapat

berjalan dengan efisien. Pengambilan data tersebut akan memperoleh

35

respon sistem yang akan dianalisa agar sistem dikatakan dalam kondisi

stabil atau tidak.

3.7. Penulisan Laporan

Tahapan ini merupakan tahapan semua kegiatan penelitian ini dilakukan

yang meliputi prinsip kerja, tahapan penelitian, metode yang digunakan,

pengambilan data, dan pemaparan hasil penelitian yang diperoleh sehingga

dapat dibukukan menjadi sebuah laporan. Dari semua data yang didapat

dari hasil penelitian tersebut akan dianalisa dan diambil kesimpulan.

57

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

Penelitian yang telah dilakukan menghasilkan kesimpulan dan saran setelah

melakukan pembahasan dan analisa data. Kesimpulan dan saran ini diharapkan

dapat menjadi referensi untuk mengembangan penelitian ini lebih lanjut.

5.1. Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang dihasilkan dari penelitian ini adalah sebagai

berikut:

1. Penggunaan kendali fuzzy logic mampu untuk melakukan pengendalian

pada sistem ball and beam yang merupakan sistem non linier.

2. Kendali fuzzy logic mimiliki waktu risetime lebih cepat dibandingkan

kendali PD, namun masih memiliki nilai overshoot.

3. Pengujian sistem kendali fuzzy logic pada sistem keseimbangan ball and

beam memiliki respon yang baik dengan waktu lebih cepat dibandingkan

kendali PD.

4. Penggunaan sensor ultrasonik memiliki kekurangan dalam pembacaan

data yang kurang halus.

5. Pengujian kendali fuzzy logic menggunakan aturan-aturan yang lebih

banyak cukup mampu memperbaiki respon sistem dari sisi menjaga

koreksi error steady state.

58

5.2. Saran

Setelah melakukan penelitian dan menghasilkan kesimpulan, maka untuk

pengembangan sistem untuk lebih lanjut disarankan:

1. Pengujian dapat dikembangan dengan mengubah jenis metode kendali

fuzzy logic seperti metode Sugeno atau metode Tsukamoto agar dapat

membandingkan dengan sistem kendali sebelumnya.

2. Penambahan atau penggantian sensor dengan jenis lain seperti sensor

sudut dan modul kamera agar pembacaan bola lebih presisi.

58

DAFTAR PUSTAKA

[1] Ali, A. Taifour dkk,. 2017. Design and Implementation of Ball and Beam

System Using PID Controller. Sudan: Sudan University of Science and

Technology.

[2] Arduino. 2017. Sekilas mengenai datasheet Arduino Atmega 2560.

https://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560/, 17 Maret 2018.

[3] Houshyar Asadi, Arash Mohammadi and Maysam Oladazimi. 2015.

“Stabilization Ball and Beam by Fuzzy Logic Control Strategy”. Malaysia:

Electrical and Biomedical Engineering Students, University of Malaya.

[4] J. Hauser, S. Sastry and P. Kokotovic, “Nonlinear control via approximate

input-output linearization: ball and beam example”, IEEE Transaction on

Automatic Control, Vol.37, 1992.

[5] Muhammad, Hindami. 2017. Desain dan Impelementasi Kendali PID Pada

Beam And Ball System. Bandung: Prodi S1 Teknik Elektro, Fakultas

Teknik Elektro, Universitas Telkom.

[6] Muslimin, M. W. . 2011. Perancangan dan Pembuatan Plant Ball and

Beam. Semarang: Prodi S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektro,

Universitas Diponogoro.

[7] Ogata, Katsuhiko. 2010. Modern Control Engineering fifth edition. New

York: PrenticeHall,Inc.

[8] Sarwono, Cristian. 2007. Perancangan Program Pengambilan Keputusan

Dengan Menggunakan Fuzzy Query Database. Undergraduate Thesis,

BINUS.

[9] Subrata, Rosalia H dan Richard R. Ligianto. 2015. Pengendalian

Keseimbangan Ball and Plate Menggunakan Pengendali PID Dan

Pengolahan Citra Digital. Jakarta: Universitas Kristen Maranatha.

[10] Sulistiyanti, Sri Ratna dan FX. Arinto Setyawan. 2006. Dasar Sistem

Kendali (ELT 307). Bandarlampung: Universitas Lampung.

59

[11] Thiang, Jaury Adi Wijaya, Anies Hannawati , Resmana Lim. 2000. Kendali

Logika Fuzzy Pada Sistem Batang Penyeimbang Bola. Surabaya: Jurusan

Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra.

[12] Virseda, Marta. 2004. Modeling and Control of the Ball and Beam Process.

Master Thesis, Sweden: Department of Automatic Control Lund Institute

of Technology.

[13] Wijaya, Else Orlanda Merti dan Bambang Suprianto. 2018. Perancangan

Sistem Keseimbangan Ball and Beam Dengan Menggunakan Pengendali

PID Berbasis Arduino Uno. Surabaya: Prodi S1 Teknik Elektro, Fakultas

Teknik Elektro, Universitas Negeri Surabaya.