![H Teknik Mekatronika - Perekayasaan Kontrol System Berbasis Mikrokontroller [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/h-teknik-mekatronika-perekayasaan-kontrol-system-berbasis-mikrokontroller.jpg)
12 0 9 MB
Penulis : Agus Putranto, S.Pd., M.Sc;08123306024; [email protected]
Penelaah
Copyright
:
2016
Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengcopy sebagian atau keseluruhan isi buku ini untuk kepentingan komersial tanpa izin tertulis dari Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan.
KATA SAMBUTAN Peran guru profesional dalam proses pembelajaran sangat penting sebagai kunci keberhasilan belajar siswa. Guru profesional adalah guru yang kompeten membangun proses pembelajaran yang baik sehingga dapat menghasilkan pendidikan yang berkualitas. Hal tersebut menjadikan guru sebagai komponen yang menjadi fokus perhatian pemerintah pusat maupun pemerintah daerah dalam peningkatan mutu pendidikan terutama menyangkut kompetensi guru. Pengembangan profesionalitas guru melalui program Guru Pembelajar (GP) merupakan upaya peningkatan kompetensi untuk semua guru. Sejalan dengan hal tersebut, pemetaan kompetensi guru telah dilakukan melalui uji kompetensi guru (UKG) nuntuk kompetensi pedagogik dan profesional pada akhir tahun 2015. Hasil UKG menunjukkan peta kekuatan dan kelemahan kompetensi guru dalam penguasaan pengetahuan. Peta kompetensi guru tersebut dikelompokkan menjadi 10 (sepuluh) kelompok kompetensi. Tindak lanjut pelaksanaan UKG diwujudkan dalam bentuk pelatihan guru pasca UKG melalui program Guru Pembelajar. Tujuannya untuk meningkatkan kompetensi guru sebagai agen perubahan dan sumber belajar utama bagi peserta didik. Program Guru Pembelajar dilaksanakan melalui pola tatap muka, daring (online), dan campuran (blended) tatap muka dengan online. Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan (PPPPTK), Lembaga Pengembngan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Kelautan Perikanan Teknologi Informasi dan Komunikasi (LP3TK KPTK), dan Lembaga Pengembangan dan Pemberdayaan Kepala Sekolah (LP2KS) merupakan Unit Pelaksana Teknis di lingkungan Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan yang bertanggungjawab dalam mengembangkan perangkat dan melaksanakan peningkatan kompetensi guru sesuai bidangnya. Adapun perangkat pembelajaran yang dikembangkan tersebut adalah modul untuk program Guru Pembelajar (GP) tatap muka dan GP online untuk semua mata pelajaran dan kelompok kompetensi. Dengan modul ini diharapkan program GP memberikan sumbangan yang sangat besar dalam peningkatan kualitas kompetensi guru. Mari kita sukseskan program GP ini untuk mewujudkan Guru Mulia Karena Karya. Jakarta,
Februari 2016
Direktur Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan
Sumarna Surapranata, Ph.D. NIP 195908011985031002
i
ii
DAFTAR ISI Halaman KATA SAMBUTAN ………………………………………………………………
i
DAFTAR ISI………………………………………………………………………..
ii
DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………………
vi
DAFTAR TABEL………………………………………………………………….
xiii
DAFTAR LAMPIRAN……………………………………………………………..
xiv
PENDAHULUAN………………………………………………………………….
1
A.
Latar belakang……………………………………………………………….
1
B.
Tujuan Pembelajaran……………………………………………………….
2
C.
Peta Kompetensi…………………………………………………………….
3
D.
Ruang Lingkup……………………………………………………………….
4
E.
Saran Cara Penggunaan Modul…………………………………………...
4
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 : KONTROL CLOSED LOOP DENGAN PENGATURAN PID PADA SISTEM MEKATRONIK…………………………
7
A.
Tujuan…………………………………………………………………………
7
B.
Indikator Pencapaian Kompetensi…………………………………………
7
C.
Uraian Materi…………………………………………………………………
7
1.
Motor DC………………………………………………………………..
7
2.
Dasar Sistem Kontrol………………………………………………….
10
3.
Pengaturan PID………………………………………………………..
13
D.
Aktifitas Pembelajaran………………………………………………………
14
E.
Latihan/Tugas………………………………………………………………..
24
F.
Rangkuman…………………………………………………………………..
25
G.
Umpan Balik dan Tindak Lanjut……………………………………………
25
H.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
26
KEGIATAN
PEMBELAJARAN
2
:
KARAKTERISTIK
KONTROL
PENGATURAN PID.......................................................................................
27
A.
Tujuan…………………………………………………………………………
27
B.
Indikator Pencapaian Kompetensi…………………………………………
27
C.
Uraian Materi…………………………………………………………………
27
1.
27
iii
Karakteristik pengaturan PID…………………………………………
1.1
Karakteristik pengaturan P…………………………………….
27
1.2
Karakteristik pengaturan I……………………………………...
30
1.3
Karakteristik pengaturan D…………………………………….
36
1.4
Karakteristik pengaturan PID………………………………….
41
2.
Pemodelan plant……………………………………………………….
44
3.
Penyetelan parameter control………………………………………..
53
D.
Aktifitas Pembelajaran………………………………………………………
57
E.
Latihan/Tugas………………………………………………………………..
61
F.
Rangkuman…………………………………………………………………..
61
G.
Umpan Balik dan Tindak Lanjut……………………………………………
62
H.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
62
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 : ALGORITMA PEMROGRAMAN DAN FLOWCHART ...............................................................................................
65
A.
Tujuan…………………………………………………………………………
65
B.
Indikator Pencapaian Kompetensi…………………………………………
65
C.
Uraian Materi…………………………………………………………………
65
1.
Mikrokontroller ATmega8535.........................................................
65
2.
Instruksi dan bahasa pemrograman Atmega8535.........................
73
3.
Algoritma pemrograman………………………………………………
78
4.
Flowchart………………………………………………………………..
82
D.
Aktifitas Pembelajaran………………………………………………………
88
E.
Latihan/Tugas………………………………………………………………..
109
F.
Rangkuman…………………………………………………………………..
110
G.
Umpan Balik dan Tindak Lanjut……………………………………………
110
H.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
112
KEGIATAN PEMBELAJARAN 4 : SISTEM KONTROL BERBASIS MIKROKONTROLLER DAN KOMPUTER....................................................
113
A.
Tujuan…………………………………………………………………………
113
B.
Indikator Pencapaian Kompetensi…………………………………………
113
C.
Uraian Materi…………………………………………………………………
113
1.
2.
iv
Desain
sistem
kontrol
berbasis
mikrokontroller
dan
komputer........................................................................................
113
Sistem kontrol berbasis mikrokontroller…………………………….
116
2.1
Digital to Analog Converter (DAC)……………………………
118
2.2
Penguat daya…………………………………………………...
122
2.3
Analog to Digital Converter (ADC)……………………………
125
Sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer...................
125
Aktifitas Pembelajaran………………………………………………………
135
1.
Membuat program sistem kontrol PID berbasis mikrokontroller....
135
2.
Membuat program perangkat input output analog menggunakan
3. D.
mikrokontroller…………………………………………………………
145
Menginstal program ke dalam IC mikrokontroller………………….
152
E.
Latihan/Tugas………………………………………………………………..
156
F.
Rangkuman…………………………………………………………………..
157
G.
Umpan Balik dan Tindak Lanjut……………………………………………
157
H.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
158
3.
KEGIATAN
PEMBELAJARAN
5
:
PENGOPERASIAN
SISTEM
KONTROL BERBASIS MIKROKONTROLER DAN KOMPUTER ...............
159
A.
Tujuan…………………………………………………………………………
159
B.
Indikator Pencapaian Kompetensi…………………………………………
159
C.
Uraian Materi…………………………………………………………………
159
1.
Perangkat input output………………………………………………...
159
2.
Program aplikasi PID Controller……………………………………...
166
Aktifitas Pembelajaran………………………………………………………
180
D.
1.
Mengoperasikan sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer.........................................................................................
2.
Menganalisis data hasil pengujian sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer.......................................................
3.
180
Mendokumentasi
hasil
pengujian
sistem
kontrol
190
berbasis
mikrokontroller dan komputer.......................................................
191
E.
Latihan/Tugas………………………………………………………………..
191
F.
Rangkuman…………………………………………………………………..
192
G.
Umpan Balik dan Tindak Lanjut……………………………………………
193
H.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
193
PENUTUP………………………………………………………………………….
195
A.
195
v
Kesimpulan…………………………………………………………………...
B.
Tindak Lanjut…………………………………………………………………
196
C.
Evaluasi………………………………………………………………………
196
D.
Kunci Jawaban……………………………………………………………….
205
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………….
207
GLOSARIUM………………………………………………………………………
209
LAMPIRAN ………………………………………………………………………...
211
vi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 0.1
Bagan mekatronika……………………………………………
1
Gambar 0.2
Struktur SKG Elektronika……………………………………..
3
Gambar 0.3
Peta kompetensi Teknik Mekatronika……………………….
3
Gambar 1.1
Rangkaian ekvivalen motor DC……………………………...
7
Gambar 1.2
Simulasi step response motor DC…………………………..
9
Gambar 1.3
Simulasi step response motor DC…………………………..
10
Gambar 1.4
Sistem motor DC………………………………………………
11
Gambar 1.5
Masukan dan keluaran Plant…………………………………
11
Gambar 1.6
Belt conveyor…………………………………………………..
12
Gambar 1.7
Sistem kontrol closed loop……………………………………
12
Gambar 1.8
Sistem kontrol closed loop deengan pengaturan PID ……
13
Gambar 1.9
Sistem pengaturan PID ………………………………………
14
Gambar 1.10
Jendela utama Matlab ………………………………………..
16
Gambar 1.11
Jendela model Matlab ………………………………………..
16
Gambar 1.12
Jendela Library Browser……………………………………...
17
Gambar 1.13
Memasang blok Step………………………………………….
17
Gambar 1.14
Memasang blok Sum………………………………………….
18
Gambar 1.15
Mengubah operasi penjumlahan…………………………….
18
Gambar 1.16
Menambah blok PID Controller………………………………
19
Gambar 1.17
Menambah blok Transfer Function………………………….
19
Gambar 1.18
Menambah blok Mux………………………………………….
19
Gambar 1.19
Menambah blok Scope……………………………………….
20
Gambar 1.20
Rancangan kontrol closed loop……………………………...
20
Gambar 1.21
Mengubah numerator dan denumerator……………………
21
Gambar 1.22
Transfer function plant motor DC……………………………
22
Gambar 1.23
Mengubah parameter pengaturan PID……………………..
22
Gambar 1.24
Grafik scope……………………………………………………
23
Gambar 1.25
Grafik scope dengan skala penuh......................................
26
Gambar 1.26
Rancangan pengaturan PID………………………………….
26
vii
Gambar 1.27
Hasil simulasi pengaturan PID……………………………….
26
Gambar 2.1
Sistem pengaturan P………………………………………….
27
Gambar 2.2
Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan P............
28
Gambar 2.3
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan P…………
29
Gambar 2.4
Karakteristik pengaturan P dengan nilai kp =1...................
29
Gambar 2.5
Karakteristik pengaturan P dengan nilai kp bervariasi........
30
Gambar 2.6
Sistem pengaturan I ………………………………………….
31
Gambar 2.7
Mengubah sistem continue menjadi diskrit…………………
31
Gambar 2.8
Pengaturan I dalam sistem diskrit …………………………..
32
Gambar 2.9
Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan I ............
33
Gambar 2.10
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan I………….
34
Gambar 2.11
Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki =1......................
35
Gambar 2.12
Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki bervariasi..........
36
Gambar 2.13
Sistem pengaturan D………………………………………….
37
Gambar 2.14
Karakteristik pengaturan D dengan nilai kd =1...................
39
Gambar 2.15
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D…………
39
Gambar 2.16
Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki =1......................
40
Gambar 2.17
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D…………
41
Gambar 2.18
Sistem pengaturan PID……………………………………….
42
Gambar 2.19
Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan PID .......
42
Gambar 2.20
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID………
43
Gambar 2.21
Karakteristik pengaturan PID dengan nilai kp =1, ki=7 dan kd =1...................................................................................
44
Gambar 2.22
Motor DC……………………………………………………….
45
Gambar 2.23
Rangkaian pengukuran identifikasi motor DC……………..
47
Gambar 2.24
Data hasil pengukuran plant…………………………………
48
Gambar 2.25
Grafik step response plant……………………………………
48
Gambar 2.26
Grafik Tu/Tg terhadap
................................................
49
Gambar 2.27
Grafik Tg/T1 terhadap
................................................
50
Gambar 2.28
Simulasi model matematika plant……………………………
51
Gambar 2.29
Perbandingan data pengukuran dan pemodelan plant……
51
Gambar 2.30
Kurva step response………………………………………….
52
viii
Gambar 2.31
Overshoot 25%...................................................................
53
Gambar 2.32
Kurva S…………………………………………………………
54
Gambar 2.33
Penentuan parameter L dan T............................................
54
Gambar 2.34
Sistem teredam………………………………………………..
55
Gambar 2.35
Sistem tidak teredam………………………………………….
56
Gambar 2.36
Osilasi konsisten………………………………………………
56
Gambar 2.37
Penentuan parameter L dan T motor DC…………………..
58
Gambar 2.38
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID………
59
Gambar 2.39
Hasil respon simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID dengan kp = 21.6, ki = 108 dan kd = 1.08
Gambar 2.40
59
Hasil respon simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID dengan kp = 10, ki = 6.7 dan kd = 1……..
60
Gambar 2.41
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID………
63
Gambar 2.42
Hasil respon simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PI dengan kp = 16.2 dan ki 49…………………
64
Gambar 3.1
IC mikrokontroler ATmega8535……………………………..
67
Gambar 3.2
Pinout Atmega8535…………………………………………...
68
Gambar 3.3
Blok diagram arsitektur mikrokontroler ATmega8535.........
72
Gambar 3.4
Komponen Utama Komputer…………………………………
80
Gambar 3.5
Flowchart program tukar isi register…………………………
84
Gambar 3.6
Flowchart program pembagian integer……………………..
86
Gambar 3.7
Flowchart
penggunaan
program
bagian
pembagian
integer…………………………………………………………..
87
Gambar 3.8
Rangkaian masukan dan keluaran mikrokontroler.............
89
Gambar 3.9
Jendela utama Flowcode V4 for AVRs……………………..
89
Gambar 3.10
Membuat file baru……………………………………………..
90
Gambar 3.11
Jendela utama Flowcode dengan simbol awal dan akhir flowchart………………………………………………………..
90
Gambar 3.12
Menyisipkan Lloop…………………………………………….
91
Gambar 3.13
Menyisipkan baca port………………………………………..
91
Gambar 3.14
Menambah variable A………………………………………...
92
Gambar 3.15
Mengganti variable A………………………………………….
92
Gambar 3.16
Perubahan teks pada simbol flowchart Input………………
93
ix
Gambar 3.17
Menyisipkan Decision…………………………………………
93
Gambar 3.18
Menulis statemen If…………………………………………...
94
Gambar 3.19
Perubahan teks pada Decision………………………………
94
Gambar 3.20
Menyisipkan simbol flowchart Calculation…………………
95
Gambar 3.21
Penambahan variable baru…………………………………..
95
Gambar 3.22
Jendela properties Calculation………………………………
96
Gambar 3.23
Simbol Calculation menjadi C=C+1…………………………
96
Gambar 3.24
Penambahan satu Decision dan satu Calculation…………
97
Gambar 3.25
Penambahan satu Output…………………………………….
98
Gambar 3.26
Jendela properties Output……………………………………
98
Gambar 3.27
Flowchart setelah mengubah keluaran PORTA menjadi PORTB ...............................................................................
99
Gambar 3.28
Menambahkan Delay ………………………………………...
99
Gambar 3.29
Jendela properties Delay……………………………………..
100
Gambar 3.30
Delay 100 ms…………………………………………………..
100
Gambar 3.31
Rancangan flowchart utuh……………………………………
101
Gambar 3.32
Jendela panel baru……………………………………………
102
Gambar 3.33
Menu pada toolbar Inputs…………………………………….
102
Gambar 3.34
Panel dengan delapan saklar………………………………..
103
Gambar 3.35
Panel dengan delapan saklar yang telah disusun berjajar.
103
Gambar 3.36
Menu pada toolbar Outputs…………………………………..
104
Gambar 3.37
Panel dengan saklar dan LED yang telah disusun berjajar
104
Gambar 3.38
Menu pada toolbar Objects…………………………………..
104
Gambar 3.39
Object teks pada panel……………………………………….
105
Gambar 3.40
Jendela properties object teks……………………………….
105
Gambar 3.41
Tampilan panel setelah teks diubah menjadi PB7………...
106
Gambar 3.42
Rancangan panel simulasi flowchart………………………..
106
Gambar 3.43
Menu Connection……………………………………………...
107
Gambar 3.44
Menyambungkan koneksi saklar ke PORTA......................
107
Gambar 3.45
Menyambungkan koneksi LED ke PORTB…………………
108
Gambar 3.46
Tampilan panel pada saat simulasi hitung naik……………
108
Gambar 3.47
Tampilan panel pada saat simulasi hitung turun…………..
109
Gambar 3.48
Rangkaian
x
mikrokontroler
dengan
deretan
saklar
tersambung ke PORTA dan PORC serta deretan LED pada PORB……………………………………………………. Gambar 3.49
109
Flowchart penjumlahan data PORTA dan PORC serta panel simulasi menggunakan Flowcode V4 For AVRs……
112
Gambar 4.1
Sistem kontrol menggunakan mikroprosesor………………
114
Gambar 4.2
Diagram blok sistem kontrol menggunakan komputer........
115
Gambar 4.3
Sistem kontrol berbasis mikrokontroller…………………….
116
Gambar 4.4
Rangkaian
sistem
kontrol
berbasis
mikrokontroller
Atmega8535........................................................................
117
Gambar 4.5
PCB mikrokontroller Atmega8535.......................................
117
Gambar 4.6
Rangkaian DAC R2R..........................................................
118
Gambar 4.7
Pinout ATmega8535 dengan 4 PWM.................................
119
Gambar 4.8
Pulsa keluaran PWM..........................................................
119
Gambar 4.9
Pulsa keluaran PWM dengan duty cycle 25 %...................
120
Gambar 4.10
Pulsa keluaran PWM dengan duty cycle 50 %...................
121
Gambar 4.11
Pulsa keluaran PWM dengan duty cycle 75 %...................
121
Gambar 4.12
Pulsa keluaran PWM dengan duty cycle 100 %.................
121
Gambar 4.13
Rangkaian penguat daya....................................................
122
Gambar 4.14
Sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer.......
126
Gambar 4.15
Berbagai komputer yang dapat dipergunakan untuk implementasi sistem kontrol................................................
126
Gambar 4.16
Mesin solder SMD…………………………………………….
127
Gambar 4.17
Motherboard computer………………………………………..
128
Gambar 4.18
I/O Card untuk ISA Bus……………………………………….
128
Gambar 4.19
I/O Card untuk PCI Bus………………………………………
129
Gambar 4.20
Slot ekspansi computer………………………………………
130
Gambar 4.21
Motherboard computer tanpa slot ISA bus…………………
131
Gambar 4.22
Saluran I/O yang tersedia pada motherboard computer….
132
Gambar 4.23
Saluran I/O pada laptop lama………………………………..
132
Gambar 4.24
Port USB pada laptop…………………………………………
133
Gambar 4.25
Port input output pada industrial panel PC………………….
133
Gambar 4.26
Peralatan input output eksternal melalui saluran USB…….
134
Gambar 4.27
Diagram sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan
xi
komputer.............................................................................
134
Gambar 4.28
Rangkaian mikrokontroller dan penguat daya……………..
136
Gambar 4.29
Jendela BASCOM-AVR………………………………………
137
Gambar 4.30
Diagram blok algoritma kontrol PID ...................................
137
Gambar 4.31
Jendela AVR simulator ………………………………………
140
Gambar 4.32
Jendela hardware simulation ………………………………..
141
Gambar 4.33
Jendela hardware simulation ………………………………..
141
Gambar 4.34
Simulator data ADC kanal 0 pada posisi data 0 …………..
142
Gambar 4.35
Simulasi algoritma PID ketika data ADC 0 ………………...
142
Gambar 4.36
Simulator data ADC kanal 0 pada posisi data 409 ……….
143
Gambar 4.37
Simulasi algoritma PID ketika data ADC 409 ……………...
143
Gambar 4.38
Simulator data ADC kanal 0 pada posisi data 1023 ……...
144
Gambar 4.39
Simulasi algoritma PID ketika data ADC 1023 …………….
144
Gambar 4.40
Hubungan komputer dan mikrokontroller …………………..
146
Gambar 4.41
Jendela AVR simulator ………………………………………
148
Gambar 4.42
Jendela hardware simulation ………………………………..
149
Gambar 4.43
Jendela hardware simulation ………………………………..
149
Gambar 4.44
Simulator data ADC kanal 0 pada posisi data 0 …………..
150
Gambar 4.45
Simulasi input output P255 dan ADC A0000 ……………...
150
Gambar 4.46
Simulator data ADC kanal 0 pada posisi data 1023 ……...
151
Gambar 4.47
Simulasi input output P000 dan ADC A1023 ……………...
152
Gambar 4.48
Pemrograman melalui ISP …………………………………..
153
Gambar 4.49
Rangkaian AVR ISP STK500 .............................................
153
Gambar 4.50
AVR ISP STK500 ...............................................................
154
Gambar 4.51
Jendela AVR Studio 4 ………………………………………..
154
Gambar 4.52
Jendela Programmer AVR Studio 4 ...................................
155
Gambar 4.53
Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID ..........
156
Gambar 4.54
Hasil simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID menggunakan Matlab Simulink ...............
158
Gambar 5.1
Perangkat input output ……………………………………….
159
Gambar 5.2
Visualisasi program aplikasi sistem kontrol dengan
Gambar 5.3
xii
pengaturan PID berbasis mikrokontroller dan komputer....
166
Modul motor DC yang dilengkapi dengan sensor
179
kecepatan……………………………………………………… Gambar 5.4
Penyambungan hardware uji coba………………………….
180
Gambar 5.5
Pesan Found New Hardware ………………………………..
181
Gambar 5.6
Welcome to the Found New hardware Wizard ……………
182
Gambar 5.7
Please choose your search and installation options ……...
182
Gambar 5.8
Please wait while the wizard searches……………………...
183
Gambar 5.9
Pesan peringatan ……………………………………………..
183
Gambar 5.10
Please wait while the wizard installs the software ………...
184
Gambar 5.11
Completing the Found New Hardware Wizard……………..
184
Gambar 5.12
Pesan
new
hardware
telah
terinstall
dan
siap
dipergunakan ………………………………………………….
185
Gambar 5.13
Informasi hardware …………………………………………...
186
Gambar 5.14
Jendela mengubah COM Port Number …………………….
187
Gambar 5.15
Jendela utama PID Controller ……………………………….
187
Gambar 5.16
Panel koneksi CommPort ……………………………………
188
Gambar 5.17
Panel Setting parameter ……………………………………..
188
Gambar 5.18
Tombol Start. ………………………………………………….
189
Gambar 5.19
PID Controller berjalan dengan DV = 4.5, Kp = 1.5, Ki =2 dan Kd = 0. ……………………………………………………
189
Gambar 5.20
Hasil uji coba pengaturan kecepatan motor DC …………..
190
Gambar 5.21
Hasil uji coba pengaturan kecepatan motor DC …………..
192
xiii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1
Penentuan
parameter
PID
menurut
Ziegler-Nichols
dengan metode step response ……………………………... Tabel 2.2
Penentuan
parameter
PID
menurut
54
Ziegler-Nichols
dengan metode osilasi konsisten .......................................
57
Tabel 3.1
Fungsi alternatif pin Port A …………………………………..
69
Tabel 3.2
Fungsi alternatif pin Port B .................................................
69
Tabel 3.3
Fungsi alternatif pin Port C ................................................
70
Tabel 3.4
Fungsi alternatif pin Port D ................................................
70
Tabel 3.5
Instruksi Mikrokontroller ATmega8535 …………………….
74
Tabel 3.6
Instruksi percabangan bersyarat ……………………………
78
Tabel 4.1
Hubungan nilai Prescaller terhadap frekuensi ...................
121
Tabel 5.1
Kelengkapan perangkat ……………………………………...
160
Tabel 5.2
Spesifikasi perangkat ………………………………………...
161
Tabel 5.3
Format komunikasi data ……………………………………..
162
xiv
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
Lampiran 1
xv
Grafik untuk mencari transfer function model plant ……….
211
xvi
PENDAHULUAN A. Latar belakang Mekatronika adalah sinergis ilmu pengetahuan teknik mesin, teknik elektronika, teknik informatika dan teknik pengaturan untuk merancang, membuat atau memproduksi, mengoperasikan dan memelihara sebuah sistem untuk mencapai tujuan yang diinginkan.
Gambar 1 Bagan Mekatronika
Ada tiga dasar ilmu utama, yaitu elektronika, informatika dan mekanika. Perpaduan antara ilmu elektronika dan informatika adalah sistem kontrol, perpaduan antara ilmu elekronika dan mekanika adalah sensorik aktorik dan perpaduan antara ilmu mekanika dan informatika adalah pemodelan. Sistem kontrol yang akan dibahas pada modul ini adalah sistem kontrol closed loop dengan pengaturan Proportional-Integral-Derivative (PID) yang akan diimplementasikan dalam bentuk PID diskrit menggunakan software yang diinstal pada komputer dan mikrokontroller. Aktorik yang dibahas pada modul ini adalah motor DC dan sensorik yang dibahas adalah sensor kecepatan putaran motor DC. Pada bagian pemodelan akan dibahas tentang pemodelan motor DC yang nantinya hasil pemodelan motor DC akan disimulasikan bersama-sama dengan sistem kontrol pengaturan PID menggunakan software Matlab Simulink.
1
Pada bagian elektronika, akan dibahas tentang hardware yang diperlukan untuk membangun sistem kontrol diskrit ini yaitu rangkaian mikrokontroller sebagai perangkat input output yang menghubungkan antara komputer dengan plant (sesuatu yang dikontrol) berupa motor DC. Rangkaian elektronik meliputi rangkaian mikrokontroller, Digital to Analog Converter dan Penguat daya. Pada bagian informatika, selain Matlab masih banyak software lagi yang diperlukan untuk membangun sistem kontrol diskrit ini yaitu; Flowcode V4 FOR AVR untuk merancang flowchart dan mensimulasikan rancangan flowchart. BASCOM-AVR untuk membuat program mikrokontroller dan mensimulasikan program. AVR STUDIO 4 untuk menginstal software ke dalam IC mikrokontroller dan Visual basic 6 untuk membuat program aplikasi pengaturan PID yang nantinya akan diinstal pada komputer. Judul modul pembelajaran ini adalah tentang perekayasaan atau dengan kata lain adalah merancang bangun mencakup dua kegiatan merancang dan membangun. Rancangan sistem kontrol disimulasikan menggunakan software Matlab dan implentasi membangun sistem kontrol menggunakan hardware dan software seperti dijelaskan di atas.
B. Tujuan Pembelajaran Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diharapkan dapat : Mengintalasi, mengonfigurasi, memprogram dan menguji sistem hardware dan software untuk kontrol dan pengaturan fasilitas dan sistem mekatronika
2
C. Peta Kompetensi
Gambar 2 Struktur SKG Teknik Elektronika
Gambar 3 Peta kompetensi Teknik Mekatronika
3
D. Ruang Lingkup Kontrol closed loop dengan pengaturan PID pada sistem mekatronik a. Motor DC b. Dasar sistem kontrol c. Pengaturan PID Karakteristik kontrol pengaturan PID d. Karakteristik pengaturan PID e. Pemodelan plant f. Penyetelan parameter kontrol Algoritma pemrograman dan flowchart g. Mikrokontroller ATmega8535 h. Instruksi dan bahasa pemrograman ATmega8538 i. Algorithma pemrograman j. Flowchart Sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer k. Desain sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer l. Sistem kontrol berbasis mikrokontroller m. Sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer Pengoperasian, pengujian dan dokumentasi sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer n. Pengoperasian sistem kontrol o. Pengujian sistem kontrol p. Dokumentasi sistem kontrol
E. Saran Cara Penggunaan Modul Untuk memperoleh hasil belajar secara maksimal, dalam menggunakan modul ini maka langkah-langkah yang perlu dilaksanakan antara lain : 1.
Bacalah dan pahami dengan seksama uraian-uraian materi yang ada pada masing-masing kegiatan belajar. Bila ada materi yang kurang jelas, peserta diklat dapat bertanya pada instruktur pengampu kegiatan belajar.
2.
Kerjakan setiap tugas formatif (soal latihan) untuk mengetahui seberapa besar pemahaman yang telah dimiliki terhadap materi-materi yang dibahas dalam setiap kegiatan belajar.
4
3.
Untuk kegiatan belajar yang terdiri dari teori dan praktik, perhatikanlah halhal berikut: a. Perhatikan petunjuk-petunjuk keselamatan kerja yang berlaku. b. Pahami setiap langkah kerja (prosedur praktikum) dengan baik. c. Sebelum melaksanakan praktikum, identifikasi (tentukan) peralatan dan bahan yang diperlukan dengan cermat. d. Gunakan alat sesuai prosedur pemakaian yang benar. e. Untuk melakukan kegiatan praktikum yang belum jelas, harus meminta ijin guru atau instruktur terlebih dahulu. f. Setelah selesai, kembalikan alat dan bahan ke tempat semula g. Jika belum menguasai level materi yang diharapkan, ulangi lagi pada kegiatan belajar sebelumnya atau bertanyalah kepada instruktur yang mengampu kegiatan pembelajaran yang bersangkutan.
5
6
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 : KONTROL CLOSED LOOP DENGAN PENGATURAN PID PADA SISTEM MEKATRONIK A. Tujuan Setelah mengikuti menyelesaikan materi ini, peserta diharapkan dapat 1.
Memahami motor DC
2.
Memahami rancangan sistem kontrol closed loop
3.
Memahami konsep pengaturan PID
B. Indikator Pencapaian Kompetensi Merancang sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID pada sistem mekatronik
C. Uraian Materi 1. Motor DC Motor Direct Current (DC) adalah aktuator yang banyak digunakan dalam sistem mekatronik. Motor menyediakan gerakan putar secara langsung yang selanjutnya dapat dikopel dengan roda gigi atau belt untuk menghasilkan gerakan translasional. Gambar rangkaian ekvivalen armatur motor DC dan gerakan bebas rotor diperlihatkan sebagai berikut
Gambar 1.1 Rangkaian ekvivalen motor DC
7
Parameter fisik motor meliputi: (J) = momen inersia rotor (kg.m2/s2) (b) = damping rasio gesekan sistim mekanik motor (N.m.s) (Ke) = konstanta gaya electromotive (V/rad/sec) (Kt) = konstanta torsi motor (N.m/Amp) (R) = resistansi elektrik (Ohm) (L) = induktansi elektrik (H) (V) = tegangan masukan (V) (theta dot) = keluaran kecepatan putar shaft (rad/sec)
Pada umumnya, torsi yang dibangkitkan oleh motor DC adalah proporsional terhadap arus armatur dan kuat medan magnet. Pada contoh ini kita asumsikan bahwa medan magnet adalah konstan sehingga torsi motor (T) adalah proporsional terhadap arus armatur (i) saja dengan faktor konstanta (Kt) seperti ditunjukkan pada persamaan di bawah ini.
1.1 1.2
Tegangan balik emf (e) adalah proporsional terhadap kecepatan putar shaft dengan faktor konstanta Ke Dalam unit SI yang kita gunakan, nilai Kt (konstanta armatur) dan Ke (konstanta motor) adalah sama dan biasanya cukup ditulis dengan (K). Dari gambar rangkaian di atas kita dapat menulis persamaan berdasarkan hukum Newton yang dikombinasikan dengan hukum Kirchoff yaitu
1.3 1.4
8
Menggunakan transformasi Laplace, model persamaan motor DC dapat ditulis dalam bentuk transfer function menjadi 1.5 1.6
Dengan menghilangkan I(s) kita mendapatkan persamaan open-loop transfer function suatu motor DC yang mana masukan adalah tegangan dan keluaran adalah kecepatan putar shaft sebagai berikut
1.7
Persamaan model matematika fungsi alih (transfer function) dari motor DC di atas nantinya akan dipergunakan untuk mensimulasikan tanggapan (step response) terhadap tegangan masukan dan untuk perancangan sistem kontrol kecepatan putaran dengan menggunakan perangkat lunak (software), misalnya dengan Matlab. Gambar di bawah adalah simulasi menggunakan Matlab Simulink untuk mengetahui step respose suatu motor DC dengan nilai parameter yang diketahui sebagai berikut J = 0.01 B = 0.1 K = 0.01 R=1 L = 0.5
Gambar 1.2 Simulasi step response motor DC
9
Persamaan
transfer
function
model
matematika
motor
DC
=
K
/
(Js+b)(LS+R)+K2 tidak dapat langsung ditulis begitu saja melainkan harus dijabarkan dahulu menjadi K
/ (J*L)
((J*R)+(L*b))
((b*R)+K^2)
seperti tampak pada diagram blok transfer function. Hasil simulasi step response dapat dilihat pada scope seperti ditujukkan pada gambar berikut.
Gambar 1.3 Simulasi step response motor DC
Step adalah pemberian masukan diawali dengan nilai 0 dan pada detik ke 1 dan seterusnya nilai masukan diubah menjadi 1. Tampak pada grafik scope bahwa saat detik ke 0 sampai detik ke 1 motor pada kondisi diam, kemudian setelah detik ke 1 motor diberi tegangan masukan dengan nilai 1, maka motor mulai bergerak perlahan sampai pada kecepatan konstan saturasi pada kecepatan putar 0.1
2. Dasar Sistem Kontrol Pada umumnya suatu sistem diartikan sebagai sekumpulan bagian atau komponen apa saja yang memiliki fungsi masing masing untuk menjalankan tugas tertentu. Suatu sistem memiliki masukan dan keluaran. Contoh suatu sistem motor DC dapat terdiri dari banyak komponen mulai dari penguat daya, motor DC, gear box sampai sensor.
10
Masukan
Sistim
Tegangan
Motor DC
Keluaran Kecepatan putaran
Gambar 1.4 Sistem motor DC
Masukan sistem motor DC adalah tegangan dan keluaran sistem dapat berupa kecepatan putar atau posisi sudut sesuai dengan variable yang dikontrol. Masukan dan keluaran sistem dapat lebih banyak lagi misalnya beban motor termasuk sebagai masukan yang dapat mempengaruhi keluaran yang dikontrol. Suatu sistem yang dikontrol biasanya termasuk didalamnya komponenkomponennya disebut dengan plant dan diwakili dengan sebuah simbol diagram blok berbentuk kotak yang memiliki masukan kontrol dan keluaran variable yang dikontrol. Secara umum hubungan semua masukan dan keluaran dapat digambarkan sebagai berikut
Gambar 1.5 Masukan dan keluaran Plant
Gambar di atas memperlihatkan sistem kontrol open loop yang digunakan pada aplikasi sederhana. Masalah utama pada sistem kontrol open loop adalah variable yang dikontrol sangat sensitif terhadap pengaruh perubahan disturbance input (gangguan). Sebagai contoh : suatu belt conveyor digerakkan oleh satu motor. Ketika tanpa beban, motor dihidupkan maka motor akan berputar dan belt berjalan sampai pada kecepatan konstan (steady state) tanpa gangguan. Ketika suatu beban diletakkan pada belt maka kecepatan motor akan terpengaruh menjadi lebih lambat. Semakin berat beban semakin lambat. Dengan demikian
11
kecepatan motor akan sangat dipengaruhi oleh besarnya gangguan dalam hal ini berat beban.
Gambar 1.6 Belt conveyor
Untuk mengatasi masalah pada sistem kontrol open loop dibuatlah suatu sistem kontrol closed loop. Dari contoh masalah di atas, langkah pertama adalah mendeteksi atau merasakan perubahan kecepatan putaran motor. Langkah berikutnya adalah mengatur keluaran energi listrik ke motor apabila terjadi perubahan kecepatan, demikian langkah-langkah ini diulang terus menerus selama proses berjalan Suatu rancangan sistem kontrol closed loop untuk mengatur keluaran dari suatu plant, harus memiliki sensor dan controller dengan diagram blok seperti diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar 1.7 Sistem kontrol closed loop
12
Blok controller diletakkan lurus sebelum plant pada jalur maju (forward path) dan blok sensor diletakkan pada jalur umpan balik (feedback path). Nilai yang dikehendaki dikurangi dengan nilai hasil pengukuran oleh blok penjumlah (summing point) hasilnya adalah sinyal kesalahan (error signal). Error signal berikutnya dimasukkan ke blok controlller. Oleh blok controller melakukan proses komputasi dan menghasilkan sinyal kontrol (control signal) untuk mengendalikan plant sampai keluaran plant (output value) sama dengan nilai yang dikehendaki.
3. Pengaturan PID Pada diagram blok sistem kontrol closed loop, pengaturan PID posisinya menempati blok controller.
Gambar 1.8 Sistem kontrol closed loop deengan pengaturan PID
Pada gambar di atas, DV (desired value) adalah nilai kecepatan motor yang dikehendaki atau dengan kata lain setting point atau referensi, MV (measured value) adalah nilai kecepatan hasil pengukuran, e (error) adalah perbedaan antara kecepatan yang dikehendaki dengan kecepatan aktual hasil pengukuran. Nilai e inilah yang akan diproses oleh pengaturan PID untuk mendapatkan sinyal kontrol CS (control signal) yang harus dikeluarkan ke plant untuk mengatur tegangan masukan plant (motor DC).
Pengaturan PID terdiri dari tiga macam pengaturan yaitu Proportional (P), Integral (I) dan Derivative (D). Setiap
pengaturan memiliki perbedaan
karakteristik masing-masing dan dari ketiga macam karakteristik pengaturan ini dapat dikombinasikan menjadi pengaturan PI, PD dan PID.
Pengaturan PID
memiliki persamaan transfer function sebagai berikut
13
1.8
Yang mana kp adalah nilai konstata parameter pengaturan Proporsional, ki adalah nilai konstanta parameter pengaturan Integral dan kd adalah nilai konstata parameter pengaturan Derivative. Transfer function pengaturan PID biasanya juga ditulis dalam persamaan lain seperti tampak pada bagian sisi kanan, yang mana Ti adalah nilai konstanta waktu Integral dsn Td adalah nilai konstanta waktu Derivative. Nilai parameter kp, ki, kd, Ti dan Td dapat ditemukan dengan cara mencoca-coba (trial and error) atau dengan menggunakan metode lain yaitu menggunakan aturan Ziegler and Nicholas yang akan dijelaskan pada materi berikutnya. Persamaan transfer function pengaturan PID dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok menjadi seperti berikut
Gambar 1.9 Sistem pengaturan PID
D. Aktifitas Pembelajaran Setelah membaca dan mempelajari materi pada bahan bacaan di atas, persiapkanlah perangkat lunak program aplikasi Matlab pada komputer. Terdapat beberapa versi Matlab dan pilihlah yand sesuai dengan sistem operasi komputer anda. Installah Matlab sampai berhasil. Pada modul ini Matlab yang
14
dipergunakan adalah versi 7.11.0 (R2010b). Selanjutnya ikuti latihan di bawah ini. Pada pembelajaran ini, kita akan membuat rancangan pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PID controller dalam bentuk diagram blok yang dibuat dan disimulasikan menggunakan software Matlab Simulink. Parameter motor DC diketahui sebagai berikut : Momen inersia rotor, J = 0.01 Damping rasio gesekan sistim mekanik motor, B = 0.1 Konstanta motor, K = 0.01 Resistansi elektrik, R = 1 Induktansi elektrik, L = 0.1 Parameter pengaturan PID, P = 2, I = 5 dan D = 0 Masukan nilai kecepatan yang dikehendaki adalah step dengan nilai akhir = 1 Selanjutnya ikuti langkah-langkah berikut ini : 1.
Jalankan program aplikasi Matlab dan tunggu sampai muncul jendela utama.
15
Gambar 1.10 Jendela utama Matlab
2.
Membuat file baru model dengan cara mengklik pada menu File-NewModel, tunggu sampai muncul jendela baru sebagai berikut
Gambar 1.11 Jendela model Matlab
16
3.
Munculkan jendela Library Browser dengan cara mengklik pada menu ViewLibrary Browser, tunggu sampai muncul jendela sebagai berikut
Gambar 1.12 Jendela Library Browser
4. Pada jendela Library Browser, klik Simulink-Sources, pada bagian kanan turunkan scrollbar ke bawah dan klik dan drug symbol Step ke jendela model sehingga muncul blok Step pada jendela model sebagai berikut
Gambar 1.13 Memasang blok Step
5.
Dengan cara yang sama seperti langkah di atas, tambahkan penjumlah Sum dari library Simulink-Math Operations
17
Gambar 1.14 Memasang blok Sum
6.
Ubah operasi penjumlahan pada blok Sum menjadi pengurangan dengan cara klik-klik pada blok Sum, kemudian ubah tanda + pada bagian List of sign menjadi - seperti berikut
Gambar 1.15 Mengubah operasi penjumlahan
7.
18
Tambahkan blok PID Controller dari library Simulink-Continuous
Gambar 1.16 Menambah blok PID Controller
8.
Tambahkan blok Transfer Function dari library Simulink-Continuous
Gambar 1.17 Menambah blok Transfer Function
9.
Tambahkan blok Mux dari library Simulink-Signal Routing
Gambar 1.18 Menambah blok Mux
19
10. Tambahkan blok Scope dari library Simulink-Sink
Gambar 1.19 Menambah blok Scope
11. Sambungkan masukan dan keluaran blok diagram dan atur sesuai rancangan digram blok kontrol closed loop.
Gambar 1.20 Rancangan kontrol closed loop
12. Ubah numerator dan denumerator pada blok transfer function sesuai persamaan transfer function motor DC dan nilai-nilainya seperti yang ditentukan di atas dengan cara klik-klik pada Transfer Fcn sebagai berikut
20
Gambar 1.21 Mengubah numerator dan denumerator
Numerator
= K
Denumretaror = (Js+b)(Ls+R)+K2 = (J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2) Jika nilai parameter motor dimasukkan pada persamaan Numerator = 0.01 Denumretaror = (0.01*0.5) ((0.01*1)+(0.5*0.1)) ((0.1*1)+ 0.01^2) Sehingga transfer function untuk plant meenjadi
21
Gambar 1.22 Transfer function plant motor DC
13. Atur kembali blok diagram agar rapi menjadi seperti gambar di atas 14. Ubah nilai parameter pengaturan PID dengan nilai P = 2, I = 5 dan D = 0 dengan cara klik-klik pada blok PID Controller, kemudian gantilah menjadi seperti berikut
Gambar 1.23 Mengubah parameter pengaturan PID
15. Berikutnya simulasikan rancangan sistem control pengaturan kecepatan motor DC dengan cara mengklik toolbar
22
smart simulation.
16. Untuk melihat hasil simulasi, klik blok Scope, kemudian akan muncul grafik sebagai berikut
Gambar 1.24 Grafik scope
17. Untuk membesarkan gambar sesuai nilai maksimal, tekan toolbar dengan simbol
sehingga skala grafik scope akan berubah otomatis
menjadi
seperti berikut
Gambar 1.25 Grafik scope dengan skala penuh
23
Tampak dari hasil simulasi, bahwa pengaturan PID telah berjalan dengan baik. Variabel yang dikontrol yaitu kecepatan putar motor DC dapat mencapai nilai kecepatan yang dikehendaki dan kemudian dipertahankan pada kondisi yang stabil (steady state). 18. Simpanlah file rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID untuk sistem mekatronika ini pada komputer dengan cara klik menu FileSave As… pada folder data anda.
E. Latihan/Tugas Rancang dan simulasikan pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PID controller dalam bentuk digram blok menggunakan software Matlab Simulink dengan ketentuan sebagai berikut: Transfer function plant motor DC diketahui sebagai berikut:
Desired value, kecepatan motor yang dikehendaki berupa Step dengan parameter : Step time = 1 Initial value = 0 Final value = 1.5 Sample time = 0 Parameter pengaturan PID, P = 1.5, I = 0.67 dan D = 0 Buatlah gambar rancangan dalam bentuk diagram blok Matlab Simulink, simulasikan dan hasil simulasi ditampilkan dalam satu gambar grafik Sope yang memuat grafik kecepatan yang dikehendaki (desired value) dan kecepatan hasil pengukuran (measured value).
24
F. Rangkuman 1.
Motor DC adalah aktuator yang banyak digunakan dalam sistem mekatronik. Motor menyediakan gerakan putar secara langsung yang selanjutnya dapat dikopel
dengan
roda
gigi
atau
belt
untuk
menghasilkan
gerakan
translasional. 2.
Suatu sistem yang dikontrol biasanya termasuk didalamnya komponenkomponennya disebut dengan plant dan diwakili dengan sebuah simbol diagram blok berbentuk kotak yang memiliki masukan kontrol dan keluaran variable yang dikontrol.
3.
Suatu rancangan sistem kontrol closed loop terdiri dari beberapa blok yang disusun pada posisi yang pasti. Blok controller diletakkan lurus sebelum plant pada jalur maju (forward path) dan blok sensor diletakkan pada jalur umpan balik (feedback path). Nilai yang dikehendaki dikurangi dengan nilai hasil pengukuran oleh blok penjumlah (summing point) hasilnya adalah sinyal kesalahan (error signal). Error signal berikutnya dimasukkan ke blok controlller.
Oleh
blok
controller
melakukan
proses
komputasi
dan
menghasilkan sinyal kontrol (control signal) untuk mengendalikan plant sampai keluaran plant (output value) sama dengan nilai yang dikehendaki. 4.
Pengaturan PID terdiri dari tiga macam pengaturan yaitu Proportional (P), Integral (I) dan Derivative (D). Setiap
pengaturan memiliki perbedaan
karakteristik masing-masing dan dari ketiga macam karakteristik pengaturan ini dapat dikombinasikan menjadi pengaturan PID. Pengaturan PID memiliki persamaan transfer function adalah kp + ki/s + kds
G. Umpan Balik dan Tindak Lanjut Guru setelah menyelesaikan kegiatan pembelajaran dalam modul ini diharapkan mempelajari kembali bagian-bagian yang belum dikuasai dari modul ini untuk dipahami secara mendalam sebagai bekal dalam melaksanakan tugas keprofesian guru dan untuk bekal dalam mencapai hasil pelaksanaan uji kompetensi guru dengan ketuntasan minimal materi 80%.
25
Setelah menuntaskan modul ini maka selanjutnya guru berkewajiban mengikuti uji kompetensi. Dalam hal uji kompetensi, jika hasil tidak dapat mencapai batas nilai minimal ketuntasan yang ditetapkan, maka peserta uji kompetensi wajib mengikuti diklat sesuai dengan grade perolehan nilai yang dicapai.
H. Kunci Jawaban
Gambar 1.26 Rancangan pengaturan PID
Gambar 1.27 Hasil simulasi pengaturan PID
26
KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 : KARAKTERISTIK KONTROL PENGATURAN PID A. Tujuan Setelah mengikuti menyelesaikan materi ini, peserta diharapkan dapat 1.
Menganalisis karakteristik kontrol pengaturan PID
2.
Menentukan parameter kontrol pengaturan PID
B. Indikator Pencapaian Kompetensi Menggambarkan karakteristik kontrol pengaturan PID dengan melakukan penyetelan parameter-parameter kontrolnya.
C. Uraian Materi 1. Karakteristik pengaturan PID 1.1 Karakteristik pengaturan P Pengaturan Proportional (P) memiliki keluaran yang sebanding atau proporsional dengan besarnya sinyal masukan (sinyal kesalahan, selisih antara besaran yang dikehendaki dengan besaran akatual hasil pengukuran). Keluaran pengaturan P merupakan perkalian antara konstanta proportional dengan masukannya. Perubahan sinyal masukan akan segera mengubah sinyal keluaran secara langsung sebesar konstanta pengalinya. Dalam bentuk diagram blok, pengaturan P digambarkan sebagai berikut
Gambar 2.1 Sistem pengaturan P
Nilai keluaran outP dapat dihitung dengan persamaan
27
outP = kp x e
2.1
Apabila masukan pengaturan P diberi input step dengan nilai seperti tampak pada
gambar
berikut,
maka
tegangan
keluaran
outP
dapat
dihitung
menggunakan rumus diatas.
Gambar 2.2 Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan P
Jika nilai parameter kp = 2 dan e pada detik ke 0 = 0, maka nilai keluaran pengaturan P pada detik ke 0 adalah outP = kp x e = 2 x 0 = 0. Pada detik ke 1 nilai e = 1, dengan persamaan yang sama keluaran outP dapat dihitung outP = kp x e = 2 x 1 = 2. Dengan cara yang sama nilai keluaran pengaturan P dapat dihitung untuk waktu berikutnya pada detik ke 2 outP = 2, pada detik ke 3 outP = 2, pada detik ke 4 outP = 2 dan pada detik ke 5 keluran outP = 2. Apabila semua masukan dan keluaran digambar dalam scope, maka diperoleh grafik karakteristik pengaturan P seperti pada gambar di atas.
28
Rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan P dan plant berupa motor DC dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok sebagai berikut.
Gambar 2.3 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan P
Desired value adalah kecepatan yang dikehendaki berupa unit step dengan final value 1, parameter pengaturan kp =1 dan parameter motor DC diketahui sebagai berikut : Momen inersia rotor, J = 0.01 Damping rasio gesekan sistem mekanik motor, B = 0.1 Konstanta motor, K = 0.01 Resistansi elektrik, R = 1 Induktansi elektrik, L = 0.1 Nilai parameter plant dimasukkan pada persamaan transfer function plant motor DC. Diperoleh grafik karakteristik pengaturan P yang ditampilkan oleh blok scope sebagai berikut.
Gambar 2.4 Karakteristi pengaturan P dengan nilai kp =1
29
Apabila parameter kp diubah nilainya mulai dengan 1, 10, 100 dan 1000 diperoleh hasil grafik parameter sebagai berikut.
Gambar 2.5 Karakteristik pengaturan P dengan nilai kp bervariasi
Tampak pada gambar di atas, bahwa semakin kecil nilai parameter kp maka error steady state semakin besar. Error steady state adalah kesalahan atau perbedaan antara nilai yang dikehendaki dengan nilai aktual hasil pengukuran. Semakin besar nilai parameter kp, maka error steady state semakin kecil tetapi semakin besar nilai kp akan membuat terjadinya osilasi. Pada gambar di atas ketika nilai kp =100 dan 1000 menghasilkan osilasi.
1.2 Karakteristik pengaturan I Pengaturan Integral (I) mendapat masukan dari sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang dikehendaki dengan besaran akatual hasil pengukuran). Keluaran pengaturan I memiliki perhitungan yang rumit karena terdapat dua blok komponen yaitu gain (ki) dan integrator (1/s). Dalam bentuk diagram blok, pengaturan I digambarkan sebagai berikut
30
Gambar 2.6 Sistem pengaturan I
Untuk menganalisa perhitungan keluaran pengaturan I, kita harus mengubah persamaan transfer function pengaturan I dalam bentuk continue menjadi diskrit dalam bentuk persamaan differensial sebagai berikut
outI = ( ki x 1/s ) x e
2.2
Dengan sampling rate 1 detik, integrator 1/s diubah ke sistem diskrit dengan bantuan Matlab sebagai berikut
Gambar 2.7 Mengubah sistem continue menjadi diskrit
31
Gambar 2.8 Pengaturan I dalam sistem diskrit
Dengan memperhatikan gambar diatas, selanjutnya persamaan diubah lagi menjadi persamaan differensial menjadi sebagai berikut
2.3
karena
adalah delay satu sample time sebelumnya, maka dapat dikatakan
bahwa keluaran blok integrator (outI) adalah penjumlahan dari keluaran outI(z-1) dan masukan eki(z-1) blok integrator satu sample time sebelumnya . Yang mana besarnya eki dapat dihitung dengan rumus:
2.4
Dengan demikian, apabila masukan pengaturan pada gambar diatas I berupa unit step adalah seperti gambar dibawah, maka keluarannya dapat dihitung sebagai berikut
32
Gambar 2.9 Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan I
Pada detik t0 : eki(t0) = 0 outI(t0) = 0
Pada detik t1 : eki(t1)
= e(t1) x ki = 1 x 1 = 1
outI(t1) = outI(z-1) + eki(z-1) = outI(t0) + eki(t0) = 0 + 0 = 0
Pada detik t2 : eki(t2)
= e(t2) x ki = 1 x 1 = 1
outI(t2) = outI(z-1) + eki(z-1) = outI(t1) + eki(t1) = 0 + 1 = 1
33
Pada detik t3 : eki(t3)
= e(t3) x ki = 1 x 1 = 1
outI(t3) = outI(z-1) + eki(z-1) = outI(t2) + eki(t2) = 1 + 1 = 2
Pada detik t4 : eki(t4)
= e(t4) x ki = 1 x 1 = 1
outI(t4) = outI(z-1) + eki(z-1) = outI(t3) + eki(t3) = 2 + 1 = 3
Sehingga kalau hasil perhitungan keluaran outI digambar dalam bentuk grafik akan menghasilkan garis miring seperti tampak pada scope di atas. Rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan I dan plant berupa motor DC dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok sebagai berikut.
Gambar 2.10 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan I
Desired value adalah kecepatan yang dikehendaki berupa unit step dengan final value 1, parameter pengaturan ki =1 dan parameter motor DC diketahui sebagai berikut :
Momen inersia rotor, J = 0.01 Damping rasio gesekan sistim mekanik motor, B = 0.1 Konstanta motor, K = 0.01
34
Resistansi elektrik, R = 1 Induktansi elektrik, L = 0.1 Nilai parameter plant dimasukkan pada persamaan transfer function plant motor DC. Diperoleh grafik karakteristik pengaturan I yang ditampilkan oleh blok scope sebagai berikut.
Gambar 2.11 Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki =1
Apabila parameter ki diubah nilanya mulai dengan 1, 5, 15 dan 40 diperoleh hasil grafik parameter sebagai berikut.
35
Gambar 2.12 Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki bervariasi
Tampak pada gambar di atas, dengan bahwa pengaturan I error steady state dapat diperbaiki. Nilai aktual dari
hasil pengukuran dapat mengikuti dan
mencapai nilai yang dikehendaki. Semakin besar nilai parameter ki, semakin cepat mencapai nilai yang dikehendaki. Semakin kecil nilai ki semakin lama mencapai kondisi steady state. Akan tetapi semakin besar nilai ki akan menyebabkan terjadinya overshoot, yaitu nilai aktual melebihi batas nilai yang dikehendaki. Semakin tinggi nilai ki semakin tinggi overshoot yang terjadi. Pada gambar di atas ketika nilai ki =15 dan 40 menghasilkan overshoot.
1.3 Karakteristik pengaturan D Pengaturan Derivative (D) mendapat masukan dari sinyal kesalahan (selisih antara besaran yang dikehendaki dengan besaran akatual hasil pengukuran).
36
Persamaan transfer function pengaturan D dalam bentuk countinue ditulis dengan rumus outD = ( kd s ) x e
2.5
Keluaran pengaturan D memiliki perhitungan yang rumit karena terdapat dua blok komponen yaitu gain (kd) dan derivative (s). Pada Matlab, blok derivative (s) berupa du/dt sehingga memudahkan dalam menganalisa menghitung besarnya keluaran pengaturan D. du adalah selisih perbedaan masukan pada waktu sekarang dan masukan pada waktu satu sample time sebelumnya (dtt1 = ut1 - ut0) sedangkan dt adalah besarnya perbedaan waktu sekarang dan waktu satu sample time sebelumnya, sehingga nilai dt adalah sama dengan nilai waktu sampling time itu sendiri. Dalam bentuk diagram blok, pengaturan D digambarkan sebagai berikut
Gambar 2.13 Sistem pengaturan D
Apabila nilai parameter pengaturan D ; kd = 1, sampling time (dt)= 1 detik, dan masukan e berupa unit step dengan final value 1, maka keluaran outD dapat dihitung sebagai berikut Pada detik t0 : ekd(t0) = 0 outD(t0) = 0
Pada detik t1 : ekd(t1)
= e(t1) x kd = 1 x 1 = 1
outD(t1) = (ekd(t1) -
ekd(t0)) / dt
= (1 – 0)/ 1 = 1/1 = 1
37
Pada detik t2 : ekd(t2)
= e(t1) x kd = 1 x 1 = 1
outD(t2) = (ekd(t2) -
ekd(t1)) / dt
= (1 – 1)/ 1 = 0/1 = 0 Apabila nilai parameter pengaturan D ; kd = 1, sampling time (dt)= 0.1 detik, dan masukan e berupa unit step dengan final value 1, maka keluaran outD dapat dihitung sebagai berikut
Pada detik t0 : ekd(t0) = 0 outD(t0) = 0
Pada detik t0.1 : ekd(t0.1)
= e(t1) x kd = 1 x 1 = 1
outD(t0.1)
= (ekd(t0.1) -
ekd(t0)) / dt
= (1 – 0)/ 0.1 = 1/0.1 = 10
Pada detik t0.2 : ekd(t0.2)
= e(t1) x kd = 1 x 1 = 1
outD(t0.2)
= (ekd(t0.2) -
ekd(t0.1)) / dt
= (1 – 1)/ 0.1 = 0/0.1 = 0
Dari perhitungan di atas, tampak bahwa apabila masukan pengaturan D terjadi tiba-tiba (unit step) maka keluaran akan berupa pulsa yang lebar pulsanya adalah selama waktu sampling time. Semakin kecil nilai waktu sampling time,
38
maka keluaran pengaturan D akan semakin besar dan lebar pulsa akan semakin sempit.
Gambar 2.14 Karakteristik pengaturan D dengan nilai kd =1
Rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D dan plant berupa motor DC dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok sebagai berikut.
Gambar 2.15 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D
Desired value adalah kecepatan yang dikehendaki berupa unit step dengan final value 1, parameter pengaturan kd =1 dan parameter motor DC diketahui sebagai berikut : Momen inersia rotor, J = 0.01
39
Damping rasio gesekan sistem mekanik motor, B = 0.1 Konstanta motor, K = 0.01 Resistansi elektrik, R = 1 Induktansi elektrik, L = 0.1 Nilai parameter plant dimasukkan pada persamaan transfer function plant motor DC. Diperoleh grafik karakteristik pengaturan i yang ditampilkan oleh blok scope sebagai berikut.
Gambar 2.16 Karakteristik pengaturan I dengan nilai ki =1
Apabila parameter kd diubah nilanya mulai dengan 1 dan 100 diperoleh hasil grafik parameter sebagai berikut.
40
Gambar 2.17 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D
Tampak pada gambar di atas, variable yang dikontrol tidak dapat mencapai nilai setting point yang dikendaki baik pada nilai parameter kd = 1 maupun kd = 100. Error steady state, perbedaan antara setting point dengan nilai aktual sngat besar. Pada kondisi ini motor tidak bergerak. Karena pengaturan D hanya akan bereaksi mengeluaran sinyal kontrol yang tinggi ketika hanya terjadi perubahan masukan yang mendadak, maka pengaturan D tidak dapat berdiri sendiri. Pengaturan D biasanya dikombinasikan dengan pengaturan proporsional menjadi pengaturan PD atau dengan proporsional dan intergral menjadi pengaturan PID.
1.4 Karakteristik pengaturan PID Pengaturan PID merupakan gabungan dari tiga macam pengaturan yaitu proporsional, integral dan derivative dengan persamaan transfer function sebagai berikut
outPID = ( kp + ki/s + kd s ) x e
2.6
41
Dalam bentuk diagram blok, pengaturan D digambarkan sebagai berikut
Gambar 2.18 Sistem pengaturan PID
Dengan masukan unit step, parameter pengaturan PID kp = 1, ki = 1dan kd = 1 diperoleh grafik karaktistik pengaturan PID seperti pada gambar di bawah
Gambar 2.19 Karakteristik masukan dan keluaran pengaturan PID
Rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan D dan plant berupa motor DC dapat digambarkan dalam bentuk diagram blok sebagai berikut.
42
Gambar 2.20 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID
Desired value adalah kecepatan yang dikehendaki berupa unit step dengan final value 1, parameter pengaturan kp = 1, ki = 7 dan kd =1 serta parameter motor DC diketahui sebagai berikut : Momen inersia rotor, J = 0.01 Damping rasio gesekan sistem mekanik motor, B = 0.1 Konstanta motor, K = 0.01 Resistansi elektrik, R = 1 Induktansi elektrik, L = 0.1 Nilai parameter plant dimasukkan pada persamaan transfer function plant motor DC. Diperoleh grafik karakteristik pengaturan PID yang ditampilkan oleh blok scope sebagai berikut.
43
Gambar 2.21 Karakteristik pengaturan PID dengan nilai kp =1, ki=7 dan kd =1
Tampak pada gambar di atas, bahwa variabel yang dikontrol dapat mencapai nilai setting point dalam waktu 4 detik dan keadaan ini tetap dipertahankan (steady state).
2. Pemodelan plant Langkah pertama dalam merancang suatu pengaturan harus diawali dengan mendapatkan model matematika dari plant dalam bentuk persamaan transfer function. Lalu dengan menggunakan model matematika yang diperoleh tersebut kita merancang kontroler sedemikian rupa singga sistem loop tertutup tersebut memenuhi
spesifikasi
yang
diberikan.
Setelah
rancangan
matematika
diselesaikan, selanjutnya disimulasikan model tersebut di komputer untuk mengetes perilaku sistem yang dihasilkan dalam hal tanggapan terhadap berbagai sinyal dan gangguan. Biasanya sistem konfigurasi sistem awal tidak memuaskan. Sistem harus dirancang kembali dan analisis yang berkaitan diselesaikan. Proses perancangan dan analisis ini diulang-ulang sampai sistem yang memuaskan diperoleh. Lalu sistem prototip secara fisik dapat dibangun.
44
Suatu motor DC di bawah ini akan dikontrol kecepatannya menggunakan suatu kontroler.
Gambar 2.22 Motor DC
Untuk dapat merancang dan mensimulasikan pengaturan kecepatan motor DC di atas, pada diagram blok model matematika motor DC yang berupa transfer function harus diketahui besarnya nilai parameter motor yang akan dipergunakan yaitu konstanta motor (K), momen inersia motor (J), induktansi elektrik (L), damping rasio gesekan sistem mekanik motor (b) dan resistansi elektrok (R). Dari informasi nameplate yang terpasang pada motor (lihat gambar 2.19) tidak terdapat informasi tentang nilai parameter yang kita butuhkan di atas. Dengan demikian pada prakteknya akan timbul masalah dalam perancangan dan simulasi sistem kontrol kecepatan motor DC karena tidak tersedianya informasi parameter motor sesuai dengan persamaan transfer function model matematika motor DC yang akan dipergunakan. Dari kesulitan di atas, suatu metode untuk memodelkan suatu motor DC dapat dilakukan dengan menggunakan metode Identifikasi. Suatu plant merupakan suatu sistem yang mungkin disusun dari bermacammacam komponen/elemen yang saling berhubungan dalam menjalankan suatu aksi. Tergantung dari komponen/elemen yang dipergunakan, suatu sistem dapat berupa mekanik, pneumatic, elektrik atau jenis elektro-mekanik. Motor DC adalah termasuk dalam sistem komponen elektro-mekanik. Operasi motor DC dengan
45
kontrol armature menghasilkan rasio steady state kecepatan yang hampir linier terhadap tegangan masukannya dan arah putaran motor DC tergantung pada polaritas tegangan masukan. Suatu prasyarat dasar pada kebanyakan strategi yang dipergunakan dalam membangun suatu sistem kontrol adalah kemampuan dalam memodelkan secara matematika dari plant yaitu sistem yang akan dikontrol. Model matematika dari suatu plant dapat berupa persamaan differensial, transfer function atau state space. Persamaan differensial menjelaskan suatu performa dinamik dari suatu sistem. Model ini dapat termasuk turunan (derivative) sekian orde dari masukan dan keluaran. Parameter sistem muncul dalam persamaan model matematika sebagai koefisien. Pada prinsipnya terdapat dua macam pemodelan matematika yang dapat dipilih, yaitu berdasarkan pada teori pengetahuan dengan menggunakan hukum fisika atau dengan proses eksperimen yaitu melakukan pengukuran. Pada kebanyakan kasus adalah tidak mungkin untuk membuat model yang sempurna hanya dengan menggunakan pengetahuan fisika saja. Beberapa parameter harus ditentukan dari suatu eksperimen. Pendekatan ini disebut dengan Identifikasi sistem. Ada banyak metode untuk menganalisa data yang didapatkan dari eksperimen. Berikut ini adalah implementasi identifikasi motor DC dengan menggunakan oscilloscope digital. Plant berupa motor DC yang dikopel dengan generator DC sebagai sensor kecepatan. Masukan u berupa tegangan DC dan keluaran y berupa tegangan DC yang merepresentasikan kecepatan putar.
46
Gambar 2.23. Rangkaian pengukuran identifikasi motor DC
Oscilloscope channel 1 mengukur tegangan masukan plant (u) dan channel 2 mengukur tegangan keluaran plant (y). Tegangan power supply diatur sesuai dengan tegangan optimal motor atau disesuaikan dengan tegangan maksimal sistem. Time per division pada oscilloscope diatur sesuai dengan sampling time pada sistem (eksperimen pada tulisan ini diatur 100 mili detik). Proses identifikasi diawali dengan memberikan masukan step, yaitu memberikan tegangan sebesar 5 Volt DC selama 10 detik kemudian power supply dimatikan selama 10 detik. Selama proses identifikasi data hasil pengukuran tegangan masukan dan keluran ini disimpan pada Flashdisk. Hasil rekaman berupa file dalam ektensi *.XLS dapat dilihat menggunakan software Excel pada komputer. Data pengukuran ini selanjutnya ditampilkan menjadi grafik untuk dianalisa dan dihitung konstanta waktunya.
47
Gambar 2.24 Data hasil pengukuran plant
Gambar 2.25 Grafik step response plant
48
Proses Identifikasi dilakukan dengan langkah sebagai berikut: 1. Dari gambar di atas, nilai Tu adalah 1 x 0.1 detik dan nilai Tg = 18 x 0.1 detik. 2. Nilai keluaran plant xa saat t tak terhingga = 1.33 Volt 3. Nilai masukan plant xe saat t tak terhingga = 5 Volt 4. Maka nilai Kp dapat dihitung dengan rumus dibahah ini
2.7
5. Menghitung perbandingan nilai Tu dan Tg
2.8
6. Jika Tu/Tg < 0.10364 maka plant adalah orde dua (PT2) maka ada dua buah konstanta T1 dan T2 harus di cari. Jika tidak maka plant adalah orde satu (PT1) maka satu buah konstanta T1 saja yang harus di cari. 7. Mencari nilai α dengan menggunakan grafik di bawah ini
Gambar 2.26 Grafik Tu/Tg terhadap
49
Berdasarkan grafik di atas dengan pada sumbu Tu/Tg=0.0556 ditarik lurus ke kanan dan pada perpotongan dengan kurva ditarik garis lurus ke bawah, maka diperoleh nilai α sebesar 0.12 8. Mencari nilai perbandingan Tg/T1 menggunakan grafik di bawah ini.
Gambar 2.27 Grafik Tg/T1 terhadap
Berdasarkan grafik di atas dengan pada sumbu α = 0.12 ditarik lurus ke atas dan pada perpotongan dengan kurva ditarik garis lurus ke kiri, maka diperoleh nilai Tg/T1 sebesar 1.3 9. Mengitung nilai T1 dan T2
T2 = T1 x α = 1.38 x 0.12 = 0.1656
10. Setelah T1 dan T2 diketahui, maka nilai parameter plant orde dua PT2 dapat dimasukkan kedalam persamaan transfer function sebagai berikut
50
2.9
11. Mensimulasikan model matematika plant yang sudah ditemukan pada Matlab Simulink dengan masukan step dengan nilai yang sama
Gambar 2.28 Simulasi model matematika plant
Data identifikasi plant dari hasil pengukuran dan pemodelan dibandingkan dalam satu grafik tampak sebagai berikut
Gambar 2.29 Perbandingan data pengukuran dan pemodelan plant
Dari gambar di atas tampak bahwa kurva step response hasil pemodelan plant dapat mendekati kurva hasil pengukuran. Dengan demikian transfer function
51
model matematika plant dapat digunakan untuk perancangan sistem kontrol selanjutnya. Apabila plant adalah orde satu (PT1) maka transfer function plant adalah sebagai berikut
2.10
Yang mana nilai Kp dan T1 dapat dicari dari kurva step response seperti dibawah ini
Gambar 2.30 Kurva step response
2.11
xa adalah nilai tegangan keluaran pada t tak terhingga dan xe adalah nilai tegangan masukan pada t tak terhingga. Pada posisi 0.63 % dari nilai tegangan Kp ditarik garis lurus ke kanan sampai memotong kurva, kemudian pada titik perpotongan itu ditarik garis lurus ke ba bawah, maka pada perpotongan dengan sumbu x ini diperoleh nilai T1.
52
3. Penyetelan parameter kontrol Setelah model matematika plant ditemukan, langkah berikutnya adalah mencari nilai parameter kontroler yang tepat sesuai dengan karakteristk plant yang akan dikontrol. Parameter kontroler dapat ditemukan dengan cara trial and error atau dengan metode lain yaitu Ziegler-Nichols. Parameter ini diperlukan untuk penyetel parameter control pengaturan PID. Metoda Ziegler-Nichols merupakan metoda tuning PID controller untuk menentukan nilai proportional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td berdasarkan karakteristik respon transient dari sebuah plant atau sistem. Metoda ini akan memberikan nilai overshoot sebesar 25% pada step response, seperti gambar di bawah.
Gambar 2.31 Overshoot 25%
Metoda ini terdiri dari 2 macam : a. Nilai PID diperoleh dari hasil percobaan dengan masukan unit-step, hasilnya nanti akan terbentuk kurva berbentuk huruf S, lihat gambar 2.32. Jika kurva ini tidak terbentuk maka metoda ini tidak bisa diterapkan. Kurva bentuk S memiliki karakteristik dengan 2 buah konstanta, yaitu waktu tunda L dan time constant T. Kedua parameter tersebut diperoleh dengan menggambar garis tangensial pada titik infleksi kurva S, lihat gambar 2.33. Garis tangensial tersebut akan berpotongan dengan garis time axis dan garis c(t) = K. Dari kurva tersebut kita bisa melakukan pendekatan fungsi transfer dalam first order sebagai berikut :
53
2.12
Gambar 2.32 Kurva S
Gambar 2.33 Penentuan paameter L dan T
Tabel 2.1
Penentuan parameter PID menurut Ziegler-
Nichols dengan metode step response
Jenis kontroler P
Kp
Ti
Td
0
0
PI
PID
0
2L
0.5L
Formula PID yang telah disebutkan sebelumnya, kemudian dijabarkan sebagai berikut :
54
Dengan menggunakan formula PID di atas dan nilai parameter L dan T, maka dapat diperoleh nilai kp, ki, dan kd sesuai dengan jenis pengaturan yang diinginkan b. Pada metoda kedua ini, percobaan dilakukan dengan menggunakan pengaturan proportional saja. Nilai Kp dinaikkan dari 0 hingga tercapai nilai Kp yang menghasilkan osilasi yang konsisten. Nilai controller gain ini disebut sebagai critical gain (Kcr). Jika Kp ini terlalu kecil, sinyal output akan teredam mencapai nilai titik keseimbangan setelah ada gangguan, seperti terlihat di gambar 2.34.
Gambar 2.34 Sistem teredam
55
Sebaliknya, jika Kp-nya terlalu besar, osilasinya akan tidak stabil dan membesar, seperti gambar di bawah.
Gambar 2.35 Sistem Tidak teredam
Jika dengan metoda ini tidak diperoleh osilasi yang konsisten, maka metoda ini tidak dapat dilakukan. Dari metode ini akan diperoleh nilai critical gain Kcr dan periode kritis Pcr. Berdasarkan nilai ini, kita dapat menentukan nilai parameter kp, ki, dan kd menggunakan tabel 2.2
Gambar 2.36 Osilasi konsisten
56
Tabel 2.2 Penentuan parameter PID menurut ZieglerNichols dengan metode osilasi konsisten Jenis kontroler
Kp
Ti
Td
P
0.5 Kcr
0
0
PI
0.45 Kcr
PID
0.6 Kcr
0 0.5 Pcr
0.125 Pcr
Metoda Ziegler–Nichols ini dapat diterapkan secara luas untuk men-tuning PID controller pada sistem kontrol proses
D. Aktifitas Pembelajaran Pada pembelajaran ini diberikan data hasil pengukuran plant berupa grafik step response. Dari gambar tersebut kita akan mencari nilai parameter pengaturan PID yaitu kp dan ki yang sesuai dengan plant menggunakan metode ZieglerNichols. Setelah nilai parameter ditemukan, kita akan merancang sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID untuk kontrol kecepatan motor DC. Model matematika berupa transfer function motor DC menggunakan hasil identifikasi yang sudah dilakukan sebelumnya yaitu
Hasil penemuan parameter yaitu kp, kid dan kd dipergunakan untuk men-tuning atau menyetel parameter kontroler PID. Rancangan pengaturan PID dengan penyetelannya parameternya disimulasikan menggunakan Matlab Simulink.
57
Gambar 2.37 Penentuan parameter L dan T motor DC
Gambar grafik di atas diperoleh dengan sampling time sebesar 0.1 detik, sehingga
L = 1 x 0.1 = 0.1 dettik T = 18 x 0.1 = 1.8 detik
Berdasarkan pada Tabel 2.1 bahwa penentuan parameter PID menurut ZieglerNichols dengan metode step response
Jenis kontroler PID
58
Kp
Ti
Td
2L
0.5L
Maka
=21.6 x 0.05 = 1.08
Digaram blok sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID adalah sebagai berikut
Gambar 2.38 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID
Hasil simulasi dengan menggunakan parameter di atas adalah tampak pada gambar scope berikut ini.
Gambar 2.39 Hasil respon simulasi sistim kontrol closed loop dengan pengaturan PID dengan kp = 21.6, ki = 108 dan kd = 1.08
59
Melihat hasil simulasi di atas, terdapat overshoot yang tinggi dan osilasi. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, maka perlu dilakukan penyetalan kembali parameter PID sehingga hasil respon sesuai yang diharapkan yaitu dapat mencapai steady state secepat-cepatnya dan tidak terjadi overshoot. Oleh karena itu perlu dilakukan metode trial and error agar mendapatkan hasil respon yang diinginkan karena parameter tersebut tidak bersifat independent sehingga kita harus mencoba kombinasi nilai-nilai parameter tersebut untuk mendapatkan hasil respon yang terbaik. Setelah hal tersebut dilakukan, maka diperoleh gambar respon yang lebih baik dengan nilai parameter sebagai berikut; kp = 10, ki = 6.7 dan kd = 1.
Gambar 2.40 Hasil respon simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID dengan kp = 10, ki = 6.7 dan kd = 1
Tampak dari gambar di atas bahwa penyetelan parameter PID dengan nilai kp =10, ki =6.7 dan kd = 1 diperoleh respon hasil simulasi yang lebih baik. Overshoot dan osilasi tidak terjadi serta waktu pencapaian steady state kurang dari tiga detik.
60
E. Latihan/Tugas Dengan plant yang sama dengan di atas, yaitu motor DC dengan transfer function
Rancanglah sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PI. Tentukan nilai parameter kp dan ki berdasarkan metode Ziegler-Nichols dengan metode step response. Tampilkan hasil simulasi pada scope
F. Rangkuman 1.
Pengaturan Proportional (P) memiliki keluaran yang sebanding atau proporsional dengan besarnya sinyal masukan. Semakin besar nilai parameter kp, maka error steady state semakin kecil tetapi semakin besar nilai kp akan membuat terjadinya osilasi.
2.
Dengan pengaturan I, error steady state dapat diperbaiki. Nilai aktual dari hasil pengukuran dapat mengikuti dan mencapai nilai yang dikehendaki. Semakin besar nilai parameter ki, semakin cepat mencapai nilai yang dikehendaki. Semakin kecil nilai ki semakin lama mencapai kondisi steady state. Akan tetapi semakin besar nilai ki akan menyebabkan terjadinya overshoot.
3.
Pengaturan D hanya akan bereaksi mengeluarkan sinyal kontrol yang tinggi ketika hanya terjadi perubahan masukan yang mendadak, maka pengaturan D tidak dapat berdiri sendiri. Pengaturan D biasanya dikombinasikan dengan pengaturan proporsional menjadi pengaturan PD atau dengan proporsional dan integral menjadi pengaturan PID.
61
4.
Untuk merancang dan mensimulasikan
sistem pengaturan diperlukan
adanya model matematika dari plant yang akan dikontrol berupa transfer function. Model matematika dari suatu plant dapat ditemukan dengan cara diidentifikasi dengan melakukan pengukuran dan analisa data grafik step response. 5.
Untuk menemukan parameter pengaturan PID digunakan metode ZieglerNichols. Terdapat dua metode Ziegler-Nichols yaitu berdasarkan step response dan osilasi konsisten.
G. Umpan Balik dan Tindak Lanjut Guru setelah menyelesaikan kegiatan pembelajaran dalam modul ini diharapkan mempelajari kembali bagian-bagian yang belum dikuasai dari modul ini untuk dipahami secara mendalam sebagai bekal dalam melaksanakan tugas keprofesian guru dan untuk bekal dalam mencapai hasil pelaksanaan uji kompetensi guru dengan ketuntasan minimal materi 80%. Setelah menuntaskan modul ini maka selanjutnya guru berkewajiban mengikuti uji kompetensi. Dalam hal uji kompetensi, jika hasil tidak dapat mencapai batas nilai minimal ketuntasan yang ditetapkan, maka peserta uji kompetensi wajib mengikuti diklat sesuai dengan grade perolehan nilai yang dicapai.
H. Kunci Jawaban Dari grafik step response diperoleh nilai L dan T sebagai berikut
L = 1 x 0.1 = 0.1 dettik T = 18 x 0.1 = 1.8 detik
62
Berdasarkan pada Tabel 2.1 bahwa penentuan parameter PID menurut ZieglerNichols dengan metode step response Jenis kontroler
Kp
Ti
PI
Td 0
Maka
Digaram blok sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID adalah sebagai berikut
Gambar 2.41 Sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID
Hasil simulasi dengan menggunakan parameter di atas adalah tampak pada gambar scope berikut ini.
63
Gambar 2.42 Hasil respon simulasi sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PI dengan kp = 16.2 dan ki 49
64
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 : ALGORITMA PEMROGRAMAN DAN FLOWCHART A. Tujuan Setelah mengikuti menyelesaikan materi ini, peserta diharapkan dapat 1.
Memahami mikrokontroler ATmega8535
2.
Memahami instruksi bahasa pemrograman mikrokontroler ATmega8535
3.
Memahami pengertian algoritma pemrograman
4.
Merancang flowchart
B. Indikator Pencapaian Kompetensi Merancang algoritma pemrograman dalam bentuk flowchart
C. Uraian Materi 1. Mikrokontroller ATmega8535 Mikrokontroler Atmega8535 adalah mikrokontroler keluarga AVR 8 bit buatan ATMEL. AVR merupakan kependekan dari Alf (Egil Bogen) and Vegard (Wollan) 's Risc processor. AVR memiliki arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computing). Instruksi dikemas dalam kode 16 bit dan dijalankan hanya dengan satu siklus clock. Keunggulan AVR adalah pengkombinasian banyak instruksi dengan 32 general purpose working registers. Semua register tersambung langsung ke Arithmetic Logic Unit (ALU), Mengijinkan dua register bebas dapat diakses dengan intruksi yang dieksekusi hanya dengan satu siklus clock. Hasilnya adalah suatu arsitektur dengan kode yang lebih efisien dan 10 kali lebih cepat dibandingkan dengan mikrokontroler konvensional CISC (Complex Instruction set Computing). Mikrokontroller ini dibuat dengan menggunakan Atmel’s high density nonvolatile memory technology. Program memori ISP Flash pada chip tunggal ini dapat diprogram dalam mode In-System melalui saluran interface serial SPI.
65
Struktur I/O yang baik
dengan sedikit komponen tambahan diluar. Fasilitas
internal yang terdapat pada mikrokontroler ini adalah oscillators, timers, UART, SPI, pull-up resistors, pulse width modulation (PWM), ADC, analog comparator dan watch-dog timers. Beberapa fitur Atmega8535 adalah sebagai berikut:
High-performance, Low-power AVR® 8-bit Microcontroller
Advanced RISC Architecture
-
130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution
-
32 x 8 General Purpose Working Registers
-
Fully Static Operation
-
Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
-
On-chip 2-cycle Multiplier
Nonvolatile Program and Data Memories -
8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash Endurance: 10,000 Write/Erase Cycles
-
Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits. In-System Programming by On-chip Boot Program True Read-While-Write Operation
-
512 Bytes EEPROM, Endurance: 100,000 Write/Erase Cycles
-
512 Bytes Internal SRAM
-
Programming Lock for Software Security
Peripheral Features -
Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes
-
One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode
66
-
Real Time Counter with Separate Oscillator
-
Four PWM Channels
-
8-channel, 10-bit ADC
-
Byte-oriented Two-wire Serial Interface
-
Master/Slave SPI Serial Interface
-
Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator
-
On-chip Analog Comparator
Special Microcontroller Features
-
Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
-
Internal Calibrated RC Oscillator
-
External and Internal Interrupt Sources
-
Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby
I/O and Packages -
32 Programmable I/O Lines
-
40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad QFN/MLF
Operating Voltages -
2.7 - 5.5V for ATmega8535L
-
4.5 - 5.5V for ATmega8535
Speed Grades -
0 - 8 MHz for ATmega8535L
-
0 - 16 MHz for ATmega8535
IC mikrokontroler Atmega8535 dikemas dalam bentuk Dual Inline Package (DIP) dengan pin sebanyak 40.
IC mikrokontroler Atmega8535 dikemas dalam bentuk Dual Inline Package (DIP) dengan jumlah pin sebanyak 40.
Gambar 3.1 IC mikrokontroler ATmega8535
Ke-empatpuluh pin tersebut memiliki fungsi yang berbeda dan kebanyakan memiliki fungsi alternative lain seperti tampak pada gambar berikut ini.
67
Gambar 3.2 Pinout Atmega8535
Penjelasan fungsi pin :
Vcc
Power Supply Berfungsi sebagai saluran masukan dari kutup positif power supply dengan tegangan + 5 Volt DC.
GND
Ground Berfungsi sebagai saluran masukan dari kutup negatif atau ground power supply
Port A (PA7..PA0) Port A Berfungsi sebagai masukan analog ke A/D Converter Selain itu Port A juga berfungsi sebagai port I/O dua arah 8 bit apabila ADC tidak digunakan. Pin pada port dilengkapi pula dengan resistor pull-up internal yang dapat diaktifkan untuk setiap bit yang dipilih.
68
Tabel 3.1 Fungsi alternatif pin Port A
Port Pin
Fungsi Alternatif
PA0
ADC0 (ADC input channel 0)
PA1
ADC1 (ADC input channel 1)
PA2
ADC2 (ADC input channel 2)
PA3
ADC3 (ADC input channel 3)
PA4
ADC4 (ADC input channel 4)
PA5
ADC5 (ADC input channel 5)
PA6
ADC6 (ADC input channel 6)
PA7
ADC7 (ADC input channel 7)
Port B (PB7..PB0) Port B Berfungsi sebagai port I/O dua arah 8 bit dengan resistor pull-up internal yang dapat diaktifkan untuk setiap bit yang dipilih. Tabel 3.2 Fungsi alternatif pin Port B
Port Pin
Fungsi Alternatif
PB0
T0 (Timer/Counter0 External Counter Input) XCK (USART External Clock Input/Output)
PB1
T1 (Timer/Counter1 External Counter Input)
PB2
AIN0 (Analog Comparator Positive Input) INT2 (External Interrupt 2 Input)
PB3
AIN1 (Analog Comparator Negative Input) OC0 (Timer/Counter0 Output Compare Match Output)
PB4
SS (SPI Slave Select Input)
PB5
MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)
PB6
MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)
PB7
SCK (SPI Bus Serial Clock)
69
Port C (PC7.PC0)
Port C Berfungsi sebagai port I/O dua arah 8 bit dengan resistor pull-up internal yang dapat diaktifkan untuk setiap bit yang dipilih.
Tabel 3.3 Fungsi alternatif pin Port C
Port Pin
Fungsi Alternatif
PC0
SCL (Two-wire Serial Bus Clock Line)
PC1
SDA (Two-wire Serial Bus Data Input/Output Line)
PC6
TOSC1 (Timer Oscillator Pin 1)
PC7
TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2)
Port D (PD7..PD0) Port D Berfungsi sebagai port I/O dua arah 8 bit dengan resistor pull-up internal yang dapat diaktifkan untuk setiap bit yang dipilih. Tabel 3.4 Fungsi alternatif pin Port D
Port Pin
Fungsi Alternatif
PD0
RXD (USART Input Pin)
PD1
TXD (USART Output Pin)
PD2
INT0 (External Interrupt 0 Input)
PD3
INT1 (External Interrupt 1 Input)
PD4
OC1B (Timer/Counter1 Output Compare B Match Output)
PD5
OC1A (Timer/Counter1 Output Compare A Match Output)
PD6
ICP1 (Timer/Counter1 Input Capture Pin)
PD7
OC2 (Timer/Counter2 Output Compare Match Output)
70
RESET
Pin ini berfungsi untuk mereset mikrokontroller. Aktif low. Artinya jika pin ini diberi input logika 0, maka mikrokontroller akan ter-reset.
XTAL1
Pin ini tersambung ke kristal eksternal. Dilihat dari rangkaian internal, pin ini sebagai input ke inverting Oscillator amplifier dan input ke rangkaian operasinal clock internal.
XTAL2
Pin ini tersambung ke kristal eksternal. Merupakan keluaran dari inverting Oscillator amplifier
AVCC
Berfungsi sebagai input power supply untuk Port A dan A/D Converter. Pin ini harus disambung pada Vcc dan sebaiknya dipasangi low pass filter. Jika tidak tersambung ke Vcc maka A/D Converter tidak berfungsi.
AREF
Adalah pin tegangan reference analog untuk A/D Converter.
Blok diagram bagian dalam arsitektur mikrokontroller ATmega8535 ditunjukkan pada gambar 3.3 berikut ini.
71
Gambar 3.3 Blok diagram arsitektur mikrokontroller ATmega8535
72
2. Instruksi dan bahasa pemrograman Atmega8535 Suatu program komputer merupakan susunan instruksi (perintah). CPU komputer akan melaksanakan instruksi-instruksi itu langkah demi langkah. Sebelum suatu program dilaksanakan oleh CPU, program tersebut harus disimpan di memory dalam bentuk biner. Program jenis ini disebut program dalam bahasa mesin (machine language). Hanya bahasa inilah yang yang dapat dimengerti oleh oleh sebuah komputer. Program dalam bahasa mesin ini biasanya dinyatakan dalam digit heksadesimal dan program ini dapat pula disimpan dalam suatu file ASCII. Bagi pemakai, menginterpretasikan suatu program dalam bahasa mesin sangatlah sulit dan membutuhkan banyak waktu. Para pembuat mikroprosessor dan mikrokontroller telah membagi instruksi-instruksi menjadi beberapa katagori menurut fungsinya. Instruksi-instruksi CPU dan register-register biasanya dinyatakan dalam simbol-simbol yang disebut “mnenonics”. Misalnya instruksi “MOV” adalah perintah untuk meng-copy isi register satu ke register lainnya. Suatu program yang ditulis dalam kode mnemonic disebut program dalam bahasa
assembly.
Sebelum
suatu
program
dalam
bahasa
assembly
dilaksanakan oleh CPU, program tersebut harus diterjemahkan dalam bahasa mesin oleh suatu program khusus yang disebut “Assembler”. Kebanyakan instruksi pada bahasa assembly merupakan kependekan dari instruksi dalam bahasa manusia, contoh di atas MOV merupakan kependekan dari MOVE, contoh lain misalnya LD kependekan dari LOAD, ST kependekan dari STORE. Selain dengan menggunakan bahasa mesin yang berupa kode heksadesimal dan bahasa assembly, terdapat pilihan bahasa pemrograman lain yang lebih manusiawi dan berorientasi ke bahasa manusia yang biasa disebut dengan bahasa tingkat tinggi. Program dalam bahasa tingkat tinggi tidak dapat langsung dilaksanakan oleh komputer tetapi harus diterjemahkan dahulu oleh sebuah translator bahasa yang disebut kompilator (compiler) ke dalam bahasa mesin.
73
Yang tergolong dalam bahasa ini adalah Pascal, Basic, C, Delphi, Visual Basic, Visual C++ dan lain-lain. Walaupun bahasa tingkat tinggi terus berkembang dengan segala fasilitas dan kemudahannya, peranan bahasa pemrograman tingkat rendah tetap tidak dapat digantikan. Bahasa assembly mempunyai keunggulan yang tidak mungkin diikuti oleh bahasa tingkat apapun dalam hal kecepatan, ukuran file yang kecil serta kemudahan dalam manipulasi sistem komputer. Pada pembahasan ini bahasa pemrograman yang akan dipergunakan adalah bahasa assembly yang secara keseluruhan instruksinya tercantum dalam tabel berikut ini Tabel 3.5 Instruksi Mikrokontroller ATmega8535 Mnemonics
Operands
Description
Operation
ARITHMETIC AND LOGIC INSTRUCTIONS ADD
Rd, Rr
Add two Registers
Rd Rd + Rr
ADC
Rd, Rr
Add with Carry two Registers
Rd Rd + Rr + C
ADIW
Rdl,K
Add Immediate to Word
Rdh:Rdl Rdh:Rdl + K
SUB
Rd, Rr
Subtract two Registers
Rd Rd - Rr
SUBI
Rd, K
Subtract Constant from Register
Rd Rd - K
SBC
Rd, Rr
Subtract with Carry two Registers
Rd Rd - Rr - C
SBCI
Rd, K
Subtract with Carry Constant from
Rd Rd - K - C
Reg. SBIW
Rdl,K
Subtract Immediate from Word
Rdh:Rdl Rdh:Rdl - K
AND
Rd, Rr
Logical AND Registers
Rd Rd • Rr
ANDI
Rd, K
Logical AND Register and Constant
Rd Rd • K
OR
Rd, Rr
Logical OR Registers
Rd Rd v Rr
ORI
Rd, K
Logical OR Register and Constant
Rd Rd v K
EOR
Rd, Rr
Exclusive OR Registers
Rd Rd . Rr
COM
Rd
One’s Complement
Rd 0xFF - Rd
NEG
Rd
Two’s Complement
Rd 0x00 - Rd
SBR
Rd,K
Set Bit(s) in Register
Rd Rd v K
CBR
Rd,K
Clear Bit(s) in Register
Rd Rd • (0xFF - K)
INC
Rd
Increment
Rd Rd + 1
DEC
Rd
Decrement
Rd Rd - 1
TST
Rd
Test for Zero or Minus
Rd Rd • Rd
CLR
Rd
Clear Register
Rd Rd . Rd
SER
Rd
Set Register
Rd 0xFF
MUL
Rd, Rr
Multiply Unsigned
R1:R0 Rd x Rr
74
MULS
Rd, Rr
Multiply Signed
R1:R0 Rd x Rr
MULSU
Rd, Rr
Multiply Signed with Unsigned
R1:R0 Rd x Rr
FMUL
Rd, Rr
Fractional Multiply Unsigned
R1:R0 (Rd x Rr) = 0 Then dac1s = Format(dac1i, "000") If dac1i < 0 Then dac1s = Format(dac1i, "000") If dac2i >= 0 Then dac2s = Format(dac2i, "000") If dac2i < 0 Then dac2s = Format(dac2i, "000") dacout = "D+" & dac1s & "+" & dac1s MSComm1.Output = dacout + vbCr
'mengirimkan data
DAC Label10.Caption = "Desired Value = " + Format(DV, "#0.00 Volt") Label11.Caption = "Avtual Value
= " + Format(AV, "#0.00
Volt") Label15.Caption = "DV = " + Format(DV, "#0.00 Volt") Label16.Caption = "Kp = " + Format(Kp, "#0.00") Label17.Caption = "Ki = " + Format(Ki, "#0.00") Label18.Caption = "Kd = " + Format(Kd, "#0.00") Label12(0).Caption = "DV = " + Format(DV, "0.00 Volt") Label12(1).Caption = "AV = " + Format(AV, "0.00 Volt") Label12(2).Caption = "e = " + Format(e, "0.00") Label12(3).Caption = "POut = " + Format(POut, "0.00") Label12(4).Caption = "IOut = " + Format(IOut, "0.00") Label12(5).Caption = "DOut = " + Format(DOut, "0.00") Label12(6).Caption
=
"PIDOut
=
"
+
Format(PIDOut,
"0.00") Label12(7).Caption = "DACout = " + dacout Label12(8).Caption = "ADCinp = " + d1
177
'Menampilkan hasil keluaran 'Menampilkan Grafik U v = (Shape1.Height / 10) h = ((Shape1.Width / 160)) UX2 = Shape1.Left + (i * h) UY2 = Shape1.Top + Shape1.Height - (v * DV) If UY2 < Shape1.Top Then UY2 = Shape1.Top If
UY2
>
Shape1.Top
+
Shape1.Height
Then
UY2
=
Then
YY2
=
Shape1.Top + Shape1.Height Line (UX1, UY1)-(UX2, UY2), vbRed 'Menampilkan Grafik Y YX2 = Shape1.Left + (i * h) YY2 = Shape1.Top + Shape1.Height - (v * AV) If YY2 < Shape1.Top Then YY2 = Shape1.Top If
YY2
>
Shape1.Top
+
Shape1.Height
Shape1.Top + Shape1.Height Line23.X1 = YX2 + 60 Line23.X2 = YX2 + 60 Line23.Y1 = Shape1.Top Line23.Y2 = Shape1.Top + Shape1.Height Line (YX1, YY1)-(YX2, YY2), vbBlue 'Mengirimkan data berikutnya UX1 = UX2 UY1 = UY2 YX1 = YX2 YY1 = YY2 eiold = eio IOutold = IOut edoold = edo 'Pembacaan data masukan i = i + 1 If i >= 160 Then Form1.Cls
178
i = 0 UX1 = Shape1.Left YX1 = Shape1.Left End If Else Timer1.Enabled = False Command1.Caption = "Start" MSComm1.Output = "D+000+000" + vbCr MsgBox
"Koneksi
ke
Interface
Analog
Digital
I/O
terputus" End If End Sub
Sistem kontrol dengan pengaturan PID pada materi pembelajaran ini akan dipergunakan untuk mengatur kecepatan motor DC yang pada keluarannya dikopel disambungkan ke sensor kecepatan. Terdapat dua macam jenis sensor kecepatan pada modul ini, yaitu menggunakan generator DC berupa motor yang sama atau menggunakan encoder dengan rangkaian frequency to voltage converter.
Gambar 5.3 Modul motor DC yang dilengkapi dengan sensor kecepatan
Motor DC yang dipergunakan pada pengujian ini memiliki tegangan masukan sampai dengan 20 Volt, arus 0.47 Ampere dan daya 3.8 Watt.
179
D. Aktifitas Pembelajaran 1. Mengoperasikan sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer Ikuti langkah pengoperasian sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer berikut ini. 1.
Siapkan software program aplikasi sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer yang sudah dibuat dan terpasang pada komputer.
2.
Siapkan hardware yang dibutuhkan, yaitu: Laptop Perangkat input output Modul DC Kabel USB to RS232 Converter Kabel input output analog dengan BNC – Stecker banana 8 mm Kabel power ke line input AC 220V
3.
Sambungkan semua perangkat seperti pada gambar di bawah.
Gambar 5.4 Penyambungan hardware uji coba
Hubungkan perangkat input output ke komputer melalui kabel USB to RS232 Converter Hubungkan output analog ch1 ke motor (M) dengan kabel BNC, ujung stecker banana 8 mm warna merah sambung motor (bagian atas) dan warna hitam ke GND (bagian bawah). Kabel power ke line input AC 220V
180
Hubungkan input analog ch1 ke generator (G) dengan kabel BNC, ujung stecker banana 8 mm warna merah sambung generator (bagian atas) dan warna hitam ke GND (bagian bawah). Hubungkan kabel power ke line input AC 220V 4.
Setelah kabel USB to RS232 disambungkan ke port USB komputer, apabila komputer belum pernah diinstal driver USB to RS232, maka akan muncul pesan ditemukan hardware baru dan minta untuk diinstal driver. Oleh karena itu installah driver tersebut dengan mengikuti langkah-langkah berikut ini, tetapi apabila sudah pernah diinstal driver tersebut maka lewati langkah di bawah ini langsung menuju langkah 5. 4.1
Menginstal software driver pada Windows XP Pasang kabel USB to RS232 Converter pada salah satu USB port yang tersedia pada komputer atau laptop. Tunggu sampai pesan seperti pada Gambar 2.7 muncul.
Gambar 5.5 Pesan Found New Hardware
4.2. Double-click pada pesan tersebut dan ikuti petunjuk berikut ini sampai finish
181
Gambar 5.6 Welcome to the Found New hardware Wizard
4.3
Pilihlah Install from a list or specific location (Advanced), kemudian tekan tombol Next >
Gambar 5.7 Please choose your search and installation options
182
4.4 Pilih seperti pada gambar di atas lalu tekan tombol Next >
Gambar 5.8 Please wait while the wizard searches….
4.5
Tunggu sampai tombol Next > enable dan berikutnya tekan tombol Next >
Gambar 5.9 Pesan peringatan
183
4.6
Apabila muncul pesan seperti diatas, lanjutkan saja proses instalasi dengan menekan tombol Continue Anyway
Gambar 5.10 Please wait while the wizard installs the software
4.7
Tunggu sampai tombol Next > enable dan berikutnya tekan tombol Next > Setelah proses instalasi software selesai akan muncul pesan seperti gambar di bawah, senjutnya tekan tombol Finish
Gambar 5.11 Completing the Found New Hardware Wizard
184
4.8
Berikutnya akan muncul pesan bahwa hardware baru telah terinstall dan siap dipergunakan sebagai berikut
Gambar 5.12 Pesan new hardware telah terinstall dan siap dipergunakan
4.9
Berikutnya kita harus melihat pada COM berapa kabel USB to RS232 Converter kita tersambung. Ini penting untuk diketahui karena pada saat pembuatan software aplikasi untuk mengakses COM port harus diketahui berapa Port number-nya. Lakukan langkah-langkah berikut ini untuk melihat Port number atau juga dapat dilakukan perubahan nomot port sesuai pilihan yang tersedia sepanjang nomor port tersebut tidak dipakai oleh aplikasi lain. Click tombol Start pada Task bar Windows XP, pilih Control Panel, pilih System, pilih Hardware, pilih Device Manager, kemudian akan muncul informasi seperti pada gambar berikut.
Gambar 5.13 Informasi hardware
185
4.10 Lihat pada bagian Port(COM & LPT), tampak informasi bahwa USB to RS232
telah
tersambung
pada
COM4,
Prolific
USB-toSerial
Bridge(COM4) Untuk menubah Port number dapat dilakukan dengan cara double-click pada Prolific USB-toSerial Bridge(COM4) atau dengan cara lain click-right buttons mouse dan plih Properties dan akan muncul jendela baru Prolific USB-toSerial Bridge(COM4) Properties, selanjutnya pilih Port Settings, pilih Advanced maka akan muncul jendela baru Advanced Settings for COM4 dan pilihlah COM Port Number dengan cara mengklik ComboBox maka akan muncul Port number yang tersedia dan mana saja yang udah terpakai. Pilihlah Port Number yang belum terpakai selanjutnya tekan tombol OK dan tutup semua jendela yang muncul.
Gambar 5.14 Jendela mengubah COM Port Number
5.
Karena program aplikasi sistem kontrol dengan pengaturan PID hanya menyediakan pilihan koneksi port komunikasi antara 1 sampai 4 saja, maka ubahlah Comport number antara nomor 1 sampai dengan nomor 4
6.
Jalankan program aplikasi PID Controller sehingga muncul jendela utama sebagai berikut
186
Gambar 5.15 Jendela utama PID Controller
7.
Hidupkan perangkat input output dengan cara menekan saklar On pada panel depan.
8.
Sambungkan koneksi komputer dengan perangkat input output dengan cara meng-klik radio button CommPort yang sesuai, kemudian klik tombol Connect
Gambar 5.16 Panel koneksi CommPort
9.
Berikutnya atur nilai setting point dan parameter control dengan cara menggeser horizontal scrollbar dengan nilai sebagai berikut DV = 4.50, Kp = 1.50, Ki = 2.00 dan Kd = 0.00
187
Gambar 5.17 Panel Setting parameter
10. Jalankan PID Controller dengan cara menekan tombol Start
Gambar 5.18 Tombol Start.
11. Perhatikan tampilan scope, PID Controller akan berjalan. Motor berputar dan kecepatan aktual akan mendekati nilai yang dikehendaki.
188
Gambar 5.19 PID Controllor berjalan dengan DV = 4.5, Kp = 1.5, Ki =2 dan Kd = 0.
12. Uji cobalah setting point dan parameter control dengan nilai yang lain, amati dan perhatikan apakah kecepatan aktual dapat mencapai nilai yang dikehendaki serta selanjutnya akan tetap mempertahankan kecepatan pada nilai setting point tersebut. 13. Untuk menghentikan jalannya kontrol, tekan toolbar Stop. Untuk memutuskan sambungan ke perangkat input output, tekan tombol Disconnect. Untuk keluar dari program aplikasi PID Controller, tekan tombol Exit
2. Menganalisis data hasil pengujian sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer Dari hasil uji coba sistem kontrol pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PID Controller, diperoleh informasi seperti tampak pada gambar berikut.
189
Gambar 5.20 Hasil uji coba pengaturan kecepatan motor DC
1.
Dari gambar di atas dapat diperoleh informasi bahwa mulai detik ke 0 sampai detik ke 6.8, nilai setting point DV = 0 sedangkan nilai parameter PID Kp = 1.43, Ki = 1.90 dan Kd = 0. Motor tidak bergerak dan nilai kecepatan aktual = 0 mengikuti setting point.
2.
Setelah detik ke 6.8, nilai setting point diubah menjadi DV = 3.57 dan parameter PID tetap dengan nilai Kp = 1.43, Ki = 1.90 dan Kd = 0. Motor bergerak menuju ke kecepatan yang dikehendaki dan mencapai kecepatan setting point dalam waktu kurang dari 2 detik.
3. Mendokumentasi
hasil
pengujian
sistem
kontrol
berbasis
mikrokontroller dan komputer Dokumentasi meliputi informasi perangkat keras (hardware) dan perngkat lunak (software) yang dipergunakan. a.
Nama project
b.
Deskripsi fungsi jalannya sistem
190
c.
Informasi tentang perangkat yang dipergunakan
d.
Gambar rangkaian
e.
Flowchart program
f.
Listing program
g.
Lampiran data hasil uji coba.
h.
Lampiran data sheet komponen yang dipakai
Dokumentasi berupa dokumen kertas yang dikumpulkan dalam satu order dan dilengkapi dengan dokumen dalam bentuk file beserta dengan seluruh software yang dipegunakan, disimpan dalam disket atau flashdisk. Setiap terjadi perubahan, dicatat perubahan apa yang dilakukan dan kapan perubahan itu dilakukan serta oleh siapa yang melalukan perubahan tersebut.
E. Latihan/Tugas Berikut ini adalah hasil ujicoba sistem kontrol pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PID Controller dan diperoleh informasi seperti tampak pada gambar 5.21 Analisalah gambar scope dan temukan nilai setting point dan parameter PID
191
Gambar 5.21 Hasil uji coba pengaturan kecepatan motor DC
F. Rangkuman 1.
Mengoperasikan sistem kontrol pengaturan PID berbasis mikrokontroller dan komputer harus mengikuti langkah-langkah prosedural mulai penyiapan perangkat dan sambungan kabel yang benar sampai dengan pengoperasian software program aplikasi PID Controller yang diawali dengan koneksi komunikasi data serial RS232 sampai, penentuan setting point dan parameter kontrol.
2.
Data dan seluruh informasi dari hasil uji coba dianalisis
apakah
menghasilkan data yang benar. Dengan nilai parameter yang kecil maka pencapaian kecepatan yang dikehendaki menjadi lebih lambat. Semakin besar nilai parameter kontrol, maka waktu pencapaian kecepatan yang dikehendaki menjadi lebih cepat.
192
3.
Dokumentasi sistem kontrol pengaturan PID berbasis mikrokontroller dan komputer meliputi segala informasi yang berkaitan dalam bentuk berkas dan file dan semua file
G. Umpan Balik dan Tindak Lanjut Guru setelah menyelesaikan kegiatan pembelajaran dalam modul ini diharapkan mempelajari kembali bagian-bagian yang belum dikuasai dari modul ini untuk dipahami secara mendalam sebagai bekal dalam melaksanakan tugas keprofesian guru dan untuk bekal dalam mencapai hasil pelaksanaan uji kompetensi guru dengan ketuntasan minimal materi 80%. Setelah mentuntaskan modul ini maka selanjutnya guru berkewajiban mengikuti uji kompetensi. Dalam hal uji kompetensi, jika hasil tidak dapat mencapai batas nilai minimal ketuntasan yang ditetapkan, maka peserta uji kompetensi wajib mengikuti diklat sesuai dengan grade perolehan nilai yang dicapai.
H. Kunci Jawaban Hasil analisa : Awalnya setting point kecepatan yang dikehendaki adalah 4.5 dan parameter pengaturan PID adalah Kp = 0.70, Ki = 0.40 dan Kd = 0. Dengan nilai setting tersebut kecepatan motor dapat mengikuti nilai setting point 4.5. Selanjutnya nilai setting point kecepatan yang dikehendakidiubah menjadi 0.79 dan parameter pengaturan PID tetap tidak berubah. Dengan nilai setting tersebut kecepatan motor dapat turun mengikuti nilai setting point 0.79.
193
194
PENUTUP A. Kesimpulan 1.
Rancangan sistem kontrol closed loop dengan pengaturan PID dalam bentuk diagram blok terdiri dari komponen blok control input, summing point, PID controller, plant dan sensor yang tersusun dalam suatu lingkaran tertutup forward path dan feedback path. Untuk melihat performance jalannya kontrol digunakan komponen scope yang menampilkan grafik response antara nilai variable yang dikontrol terhadap nilai variable yang dikehendaki pada bagian control input.
2.
Gambar karakteristik kontrol pengaturan PID dihasilkan dari perhitungan algoritma yang dilakukan berulang pada setaiap perioda sampling time dengan interval waktu yang disebut sampling time. Bentuk karakteristik ditentukan oleh nilai masukan dan nilai penyetelan parameter-parameter kontrolnya.
3.
Algoritma adalah langkah-langkah yang disusun secara sistematis dan logis untuk memecahkan masalah. Algoritma dapat disusun dengan bahasa sendiri atau dalam bentuk digram alir yang menggunakan simbol-simbol standar yang disebut dengan flowchart. Flowchart selanjutnya diterjemahkan menjadi suatu bentuk urutan program dalam suatu bahasa pemrograman yang dimengerti oleh komputer.
4.
Pada
sistem
kontrol
berbasis
mikrokontroller,
algoritma
kontrol
diimplementasikan dalam bentuk software yang diinstal pada memory mikrokontroller. Perangkat input output ADC dan DAC menggunakan fasilitas internal yang terdapat dalam IC mikrokontroller. Pada sistem kontrol berbasis komputer, algoritma kontrol diimplementasikan dalam bentuk software yang diinstal pada memori komputer. Perangkat input output ADC dan DAC menggunakan fasilitas eksternal yang dapat dibangun dari IC mikrokontroller. 5.
Perangkat keras (hardware) dan segala instalasi sambungan kabel dipersiapkan terlebih dahulu sebelum mengoperasikan perangkat lunak
195
(software) sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer. Langkalangkah pengujian dilakukan dengan menentukan setting point dan nilai parameter kontrol terlebih dahulu. Data hasil pengujian dianalisis apakah sudah sesuai dengan algoritma kontrol yang diterapkan. Semua informasi hardware dan software serta data hasil pengujian didokumentasi dalam bentuk kertas dan file.
B. Tindak Lanjut Setelah mengikuti lima materi kegiatan pembelajaran dan latihan/tugas dalam modul ini maka pembelajaran modul 8 Perekayasaan kontrol sistem berbasis mikrokontroller dianggap telah tuntas, selanjutnya guru dapat mempersiapkan diri mengikuti tahapan berikutnya sesuai peta kompetensi Teknik Mekatronika
C. Evaluasi 1.
Suatu rancangan sistem kontrol closed loop ditunjukkan pada gambar diagram blok berikut ini.
Blok diagram PID controller (pengaturan PID) seharusnya dipasang pada posisi nomor … .
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
196
2. Perhatikan digram blok pengaturan PID di baawah ini
Persamaan transfer function yang sesuai dengan diagram blok tersebut adalah … .
3.
A.
C.
B.
D.
PID controller dengan fungsi transfer P+I/s+Ds dengan masukan unit step ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Jika nilai parameter P=1, I=1 dan D=0, maka grafik keluaran yang sesuai dengan nilai masukan dan parameter di atas adalah … .
197
4.
A.
C.
B.
D.
Perhatikan gambar pengaturan Integral dengan berbagai macam variasi nilai parameter ki dibawah ini
198
Setting parameter pengaturan I yang paling tepat adalah pada saat nilai ki = …. A.
1
B.
5
C.
15
D.
40
Perhatikan potongan diagram blok bawah ini.
Keterangan variable diagram blok controller : DV = (Desired value, nilai yang dikehendaki) AV = (Actual Value, nilai aktual keluaran sensor) I = (nilai parameter Integral) dt = (sampling time = 1 detik ) 199
enow = error sekarang eold = error sebelumnya oInow = enow * I outInow = oIold + outIold
Periksalah gambar flowchart yang sesuai dengan diagram blok di atas adalah … . A.
Mulai
C.
enow = AV-DV
enow = AV-DV oInow =
B.
oInow =
enow * I
enow - I
outInow = oIold + outIold
outInow = oIold + outIold
Akhir
Akhir
Mulai enow = DV+AV oInow =
200
Mulai
enow * I
D.
Mulai enow = DV-AV oInow =
enow * I
outInow = oIold outIold
outInow = oIold + outIold
Akhir
Akhir
5.
Perhatikan potongan diagram blok bawah ini.
Keterangan variable diagram blok controller : DV = (Desired value, nilai yang dikehendaki) AV = (Actual Value, nilai aktual keluaran sensor) D = (nilai parameter Derivative) dt = (sampling time = 1 detik ) enow = error sekarang eold = error sebelumnya oDnow = enow * D outDnow = (oDnow – oDold) / dt
Periksalah gambar flowchart yang sesuai dengan diagram blok di atas adalah A.
Mulai enow = AV-DV oDnow =
enow * D
C.
Mulai enow = AV-DV enow =
oDnow * D
outDnow = (oDnow + oDold)/dt
outDnow = (oDnow + oDold)/dt
Akhir
Akhir
201
B.
Mulai enow = DV-AV oDnow =
6.
enow * D
D.
Mulai enow = AV-DV enow =
oDnow * D
outDnow = (oDnow - oDold)/dt
outDnow = (oDnow = oDold)+dt
Akhir
Akhir
Suatu sistem kontrol diskrit dengan PID controller yang diimplentasikan menggunakan komputer untuk mengatur kecepatan motor DC seperti ditunjukkan pada gambar berikut
Tentukan perangkat apakah yang harus diipasang pada bagian kotak nomor 1 di atas.
A. Digital to Analog Converter B. Analog to Digital Converter C. Penguat daya D. USB to RS232 Converter
202
7.
Suatu mikrokontroller dipergunakan sebagai perangkat antara muka (interface) antara komputer dengan plant (sistem yang dikontrol) tersambung melalui saluran serial RS232. Pada mikrokontroller diinstal program sebagai berikut :
Perhatikan dan periksalah program di atas. Pada nomor baris berapa terdapat statement yang menyatakan konfigurasi parameter kecepatan komununikasi data serial RS232. A. Baris ke 1 B. Baris ke 2 C. Baris ke 3 D. Baris ke 4 8.
Berikut ini adalah suatu program yang diinstal pada komputer yang berfungsi untuk membaca data yang diterima dari mikrokontroller melalui RS232.
203
Perhatikan dan periksalah program di atas. Pada nomor baris berapa terdapat statement yang menyatakan konfigurasi parameter kecepatan komununikasi data serial RS232. A. Baris ke 4 B. Baris ke 5 C. Baris ke 6 D. Baris ke 10 9.
Dari pengoperasian dan pengujian sistem kontrol berbasis mikrokontroller dan komputer diperoleh informasi sebagai berikut
204
Perhatikan gambar di atas, Berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai nilai setting point (steady state) ? A. 0.1 detik B. 2.5 detik C. 4.3 detik D. 6.5 detik
D. Kunci Jawaban
1
C
2
B
3
A
4
B
5
D
6
B
7
A
8
C
9
A
10
D
205
206
DAFTAR PUSTAKA
____, 2006, BASCOM-AVR Help Reference Version 1.11.8.3 document build 8, MCS Electronics Aidan O'Dwyer, 2006, Handbook of Pi and PID Controller Tuning Rules, London, Imperial College Press Chi-Tsong-Chen, ____, Analog and Digital Control System Design, New York: Sounders College Publishing Datasheet, 2005, 8-bit AVR Instruction Set, San Jose USA, Atmel Corporation Datasheet, 2006, 8-bit AVR Microcon-troller with 8K Bytes In-System Programmable Flash Atmega 8535 Atmega 8535L, San Jose USA, Atmel Corporation Gurter Schmitt, 2007, Mikrocomputer-technik mit Controllern der Atmel AVRRISC-Familie, Munchen, Olden-bourg Wissen-schafs-verlag GmbH Habil.
Ch.
Ament,
2012,
Grundlagenpraktikum
Inbetriebnahme
eines
Regelkreises, Ilmenau: Institut fuer Automatisierungs- ud Systemtechnik Heimann/Gerth/Popp, 2001, Mechatronik Komponenten – Methoden - Beispiele, Muenchen: Carl Hanser Verlag http://www2.ensc.sfu.ca/people/faculty/saif/ctm/examples/motor/motor.html Katsuhiko Ogata, 1997, Teknik Kontrol Automatik, Jakarta: Penerbit Erlangga Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 208, Modern Control System, Singapore: Pearson Prentice Hall Rinaldi Munir, 2000, Algoritma dan Pemrograman, Bandung, Penerbit Informatika Roland S. Burns, 2001, Advanced Control Engineering, Woburn: ButterworthHeinemann
207
208
GLOSARIUM actuator
sengerak misalnya motor, silinder hidrolik, silinder pneumatik
closed loop
rangkaian tertutup
control signa
keluaran kontrol
controller
kontroler, pengatur, pengendali
derivative
turunan, selsisih antara masukan sekarang dengan masukan satu sampling time sebelumnya di bagi besarnya interval waktu sampling time
desired value
setting point, reference, nilai yang dikehendaki
disturbance input
masukan gangguan
error signal
sinyal kesalahan, seslisih antara nilai yang dikehendaki dengan nilai aktual hasil pengukuran sensor
feedback path
lintasan balik
forward path
lintasan maju
Integral
fungsi interal, penjumlahan keluaran sebelumnya dengan masukan sebelum dikali kontanta berdasarkan nilai time sampling
measured value
nilai variable yang dikontrol hasil pengukuran sensor atau tranduser
open loop
rangkaian terbuka
output value
nilai keluaran hasil kontrol
overshoot
keadaan yang mana nilai variable yang dikontrol melebih dari
nilai
referensi
setting
point
atau
nilai
yang
dikehendaki plant
sesuatu yang dikontrol, biasanya meliputi seluruh sistim mulai driver, actuator sampai sensor yang diwakili dengan persamaan matematika berupa transfer funtion
proportional
proporsional, besarnya keluaran sebading dengan nilai masukan dikalikan dengan konstanta
respon transient
kemiringan kurva tanggapan
209
scope
oscilloscope,
penampil
dalam
bentu
grafik
hasil
pengukuran steady state
kondisi tunak, suatu keadaan dengan nilai yang tetap sampai batas waktu tak terhingga
step
masukan dengan nilai perubahan yang drastic tidak ada slop
step response
suatu tanggapan dari pemberian masukan dalam bentuk step
summing point
penjumlahan, dapat juga diubah operasinya menjadi pengurangan
time sampling
waktu pengambilan data dengan interval waktu tertentu yang dilakukan pada sistim kontrol diskrit
transfer function
fungsi
alih,
suatu
persamaan
matematika
yang
mengekspresikan hubungan masukan dan keluaran transformasi Laplace
bentuk persamaan matematika dalam sistim kontinu atau sistim analog
Ziegler-Nicholas,
merupakan
metoda
tuning
PID
controller
untuk
menentukan nilai proportional gain Kp, integral time Ti, dan derivative time Td
210
LAMPIRAN Lampiran 1 : Grafik untuk mencari transfer function model plant
Grafik Tu/Tg terhadap
Grafik Tg/T1 terhadap
211
212
Penulis : Drs. Djandji Purwanto, M.Pd
Penelaah : Drs. H. Zainal Abidin, M.Pd
Copyright 2016 Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Bidang Otomotif dan Elektronika, Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengcopy sebagian atau keseluruhan isi buku ini untuk kepentingan komersial tanpa izin tertulis dari Kementerian Pendidikandan Kebudayaan
KATA SAMBUTAN Peran guru profesional dalam proses pembelajaran sangat penting sebagai kunci keberhasilan belajar siswa. Guru profesional adalah guru yang kompeten membangun proses pembelajaran yang baik sehingga dapat menghasilkan pendidikan yang berkualitas. Hal tersebut menjadikan guru sebagai komponen yang menjadi fokus perhatian pemerintah pusat maupun pemerintah daerah dalam peningkatan mutu pendidikan terutama menyangkut kompetensi guru. Pengembangan profesionalitas guru melalui program Guru Pembelajar (GP) merupakan upaya peningkatan kompetensi untuk semua guru. Sejalan dengan hal tersebut, pemetaan kompetensi guru telah dilakukan melalui uji kompetensi guru (UKG) untuk kompetensi pedagogik dan profesional pada akhir tahun 2015. Hasil UKG menunjukkan peta kekuatan dan kelemahan kompetensi guru dalam penguasaan pengetahuan. Peta kompetensi guru tersebut dikelompokkan menjadi 10 (sepuluh) kelompok kompetensi. Tindak lanjut pelaksanaan UKG diwujudkan dalam bentuk pelatihan guru pasca UKG melalui program Guru Pembelajar. Tujuannya untuk meningkatkan kompetensi guru sebagai agen perubahan dan sumber belajar utama bagi peserta didik. Program Guru Pembelajar dilaksanakan melalui pola tatap muka, daring (online), dan campuran (blended) tatap muka dengan online. Pusat Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidikdan Tenaga Kependidikan (PPPPTK), Lembaga Pengembangan dan Pemberdayaan Pendidik dan Tenaga Kependidikan Kelautan Perikanan Teknologi Informasi dan Komunikasi (LP3TK KPTK), dan Lembaga Pengembangan dan Pemberdayaan Kepala Sekolah (LP2KS) merupakan Unit Pelaksana Teknis di lingkungan Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan yang bertanggung jawab dalam mengembangkan perangkat dan melaksanakan peningkatan kompetensi guru sesuai bidangnya. Adapun perangkat pembelajaran yang dikembangkan tersebut adalah modul untuk program Guru Pembelajar (GP) tatap muka dan GP online untuk semua mata pelajaran dan kelompok kompetensi. Dengan modul ini diharapkan program GP memberikan sumbangan yang sangat besar dalam peningkatan kualitas kompetensi guru. Mari kita sukseskan program GP ini untuk mewujudkan Guru Mulia Karena Karya. Jakarta, Februari 2016 Direktur Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan
Sumarna Surapranata, Ph.D NIP 195908011985031002
i
ii
DAFTAR ISI KATA SAMBUTAN ........................................................................................... i DAFTAR ISI..................................................................................................... iii DAFTAR TABEL .............................................................................................. v PETUNJUK PENGGUNAAN MODUL .............................................................. 1 A. Petunjuk Bagi Peserta Diklat ..................................................................... 1 B. Petunjuk Bagi Widyaiswara/Instruktur ....................................................... 1 PETA KOMPETENSI ........................................................................................ 2 PENDAHULUAN .............................................................................................. 3 A. Latar belakang .......................................................................................... 3 B. Deskripsi singkat ....................................................................................... 3 C. Tujuan Pembelajaran ................................................................................ 4 D. Materi Pokok ............................................................................................. 5 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 PRINSIP. ASPEK PENILAIAN DAN EVALUASI PEMBELAJARAN ......................................................................... 7 A. Indikator Keberhasilan............................................................................... 7 B. Uraian Materi ............................................................................................ 7 C. Rangkuman............................................................................................. 20 D. Tugas ...................................................................................................... 20 E. Evaluasi / Latihan .................................................................................... 20 F. Balikan dan Tindak Lanjut ....................................................................... 23 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2. MENENTUKAN PROSEDUR, INSTRUMEN PENILAIAN DAN EVALUASI PEMBELAJARAN .......................................... 25 A. Indikator keberhasilan ............................................................................. 25 B. Uraian Materi .......................................................................................... 25 C. Rangkuman............................................................................................. 38 D. Tugas ...................................................................................................... 39 E. Evaluasi / Latihan .................................................................................... 39 F. Balikan dan Tindak Lanjut ....................................................................... 39 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3. MENGADMINISTRASIKAN PENILAIAN PROSES DAN HASIL BELAJAR ................................................................... 41 A. Indikator Keberhasilan............................................................................. 41 B. Uraian Materi .......................................................................................... 41 C. Rangkuman............................................................................................. 44 D. Tugas ...................................................................................................... 44 E. Evaluasi / Latihan .................................................................................... 45 F. Balikan dan tindak Lanjut ........................................................................ 45 KEGIATAN PEMBELAJARAN 4. ANALISIS DAN EVALUASI PENILAIAN HASIL BELAJAR ........................................................................................... 47 A. Indikator Keberhasilan............................................................................. 47 B. Uraian Materi .......................................................................................... 47 C. Rangkuman............................................................................................. 49 D. Tugas ...................................................................................................... 49 E. Evaluasi / Latihan .................................................................................... 50
iii
F.
Balikan dan tindak Lanjut ........................................................................ 51
PENUTUP....................................................................................................... 53 A. Kesimpulan ............................................................................................. 53 B. Balikan dan Tindak Lanjut ....................................................................... 54 KUNCI JAWABAN ......................................................................................... 55 1. KUNCI JAWABAN MATERI POKOK 1 : Prinsip Pengembangan ............ 55 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 56
iv
DAFTAR TABEL Tabel 1. 1 Skala Penilaian ................................................................................. 12 Tabel 1. 2 Teknik dan Instrumen Penilaian Sikap .............................................. 14 Tabel 1. 3 Teknik dan Instrumen Penilaian Pengetahuan .................................. 15 Tabel 1. 4 Teknik dan Instrumen Penilaian Keterampilan .................................. 15 Tabel 1. 5 Nilai Ketuntasan Pengetahuan dan Keterampilan ............................. 18
v
vi
PETUNJUK PENGGUNAAN MODUL A. Petunjuk Bagi Peserta Diklat Untuk memperoleh hasil belajar secara maksimal, langkah-langkah yang perlu dilaksanakan dalam menggunakan modul ini adalah : 1. Baca petunjuk penggunaan – penggunaan materi sesuai yang ditetapkan. Bila ada materi yang kurang jelas, peserta diklat bertanya pada instruktur/fasilitator pengampu materi. 2. Pekerjaan
tugas
lengkap,
melengkapi
pertanyaan,
dan
pertanyaan
kedudukan konten. 3. Untuk kegiatan belajar yang terdiri dari teori dan praktik, perhatikanlah halhal berikut: a. Perhatikan petunjuk-petunjuk keselamatan kerja yang berlaku. b. Pahami setiap langkah kerja (prosedur praktikum) dengan baik. c. Sebelum melaksanakan praktikum, lakukan identifikasi peralatan dan bahan yang diperlukan. d. Gunakan alat sesuai prosedur pemakaian yang benar. e. Bila kegiatan praktikum belum jelas, silahkan bertanya pada instruktur pengampu materi. f. Setelah selesai, kembalikan alat dan bahan ke tempat semula. g. Jika belum menguasai materi yang diharapkan, lakukan pengulangan pada materi pokok sebelumnya atau bertanya kepada instruktur yang mengampu materi.
B. Petunjuk Bagi Widyaiswara/Instruktur Dalam setiap kegiatan belajar, instruktur/fasilitator berperan untuk : 1. Membantu peserta diklat dalam merencanakan proses belajar. 2. Membimbing peserta diklat melalui tugas-tugas yang diberikan. 3. Membantu peserta diklat dalam memahami; konsep, praktik baru, dan menjawab pertanyaan yang diajukan oleh peserta diklat. 4. Membantu peserta diklat untuk menentukan dan mengakses sumber tambahan lain yang diperlukan. 5. Mengorganisasikan kegiatan belajar kelompok.
1
PETA KOMPETENSI KODE UNIT KOMPETENSI
NAMA UNIT KOMPETENSI
WAKTU
PED0100000-00
Karakteristik Peserta Didik
4 JP
PED0200000-00
Teori Belajar dan Prinsip Pembelajaran yang mendidik
8 JP
PED0300000-00
Pengembangan Kurikulum
8 JP
PED0400000-00
Pembelajaran Yang Mendidik
10 JP
PED0500000-00
Pemanfaatan Teknologi Informasi dan Komunikasi dalam Pembelajaran
2 JP
PED0600000-00
Pengembangan potensi Peserta didik
4 JP
PED0700000-00
Komunikasi Efektif
2 JP
PED0800000-00
Penilaian dan Evaluasi Pembelajaran
5 JP
PED0900000-00
Pemanfaataan hasil penilaian dan evaluasi pembelajaran
4 JP
PED1000000-00
Pemanfaataan hasil penilaian dan evaluasi pembelajaran
8 JP
2
PENDAHULUAN A. Latar belakang Penilaian dan Evaluasi hasil belajar dikembangkan untuk dijadikan sebagai acuan dalam memberikan gambaran hasil belajar yang dicapai oleh peserta didik. Hal ini dimaksudkan agar hasil belajar yang diperoleh peserta didik dapat ditingkatkan secara sistematis sesuai dengan tujuan yang telah ditetapkan oleh sekolah.
Ada beberapa komponen pengembangan penilaian dan Evaluasi hasil belajar, yaitu prinsip-prinsip dan asfek-asfek penilaian dan evaluasi hasil belajar, prosedur
dan
instrumen
penilaian
dan
evaluasi
hasil
belajar,
mengadministrasikan penilaian dan dan proses pembelajaran, dan analisis dan evalusi penilaian hasil belajar.
Proses pengembangan Penilaian dan evaluasi pembelajaran pada pembelajaran merupakan tanggung jawab setiap guru mata pelajaran. Proses pengembangan penilaian dan evaluasi pembelajarani mengacu pada kurikulum yang diacu, yaitu tuntutan pada kompetensi inti, kompetensi dasar, indicator pencapaian kompetensi (IPK), materi pembelajaran, kisi-kisi soal, dan instrumen penilaian. Karena itulah pemahaman tentang penilaian dan evaluasi pembelajaran pada tingkat
institusional
dan
mata
pelajaran,
serta
kemampuan
untuk
mengembangkan penilaian dan evaluasi pembelajaran pada tingkat instruksional, merupakan kemampuan yang mutlak harus dikuasai oleh setiap guru.
B. Deskripsi singkat Modul Penilaian dan evaluasi pembelajaran
ini berisi tentang materi yang
berhubungan dengan pengetahuan, keterampilan, dan sikap kerja yang terkait dengan prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi pembelajaran, Asfek-asfek penilaian dan Evaluasi pembelajaran, Prosedur penilaian dan evaluasi pembelajaran, Instrumen Penilaian dan Evaluasi pembelajaran, Administrasi penilaian dan Eveluasi pembelajaran, dan Analisis dan Evaluasi penilaian hasil
3
belajar secara benar sesuai dengan pendekatan yang dipilih dan karakteristik peserta didik.
C. Tujuan Pembelajaran 1.
Kompetensi Dasar
Setelah mengikuti pembelajaran ini peserta diharapkan dapat mencapai kompetensi dasar : a.
Memahami prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar sesuai dengan karakteristik mata pelajaran yang diampu.
b.
Menentukan aspek-aspek proses dan hasil belajar yang penting untuk dinilai dan dievaluasi sesuai dengan karakteristik mata pelajaran yang diampu.
c.
Menentukan prosedur penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar.
d.
Mengembangkan instrumen penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar.
e.
Mengadministrasikan penilaian
proses dan hasil
belajar
secara
berkesinambungan dengan mengunakan berbagai instrument. f.
Menganalisis hasil penilaian proses dan hasil belajar untuk berbagai tujuan.
g. 2.
Melakukan evaluasi proses dan hasil belajar.
Indikator Keberhasilan
Indikator keberhasilan dari modul Penilaian dan Evaluasi Pembelajaran adalah : a. Menjelaskan prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar sesuai dengan karakteristik materi mata pelajaran yang diampu. b. Memanfaatkan prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar dalam pembelajaran sesuai dengan karakteristik mata pelajaran yang diampu. c. Mengidentifikasi aspek – aspek proses dan hasil belajar yang penting untuk dinilai dan dievaluasi( sikap, pengetahuan dan ketrampilan) sesuai dengan karakteristik kompetensi dasar pada setiap paket keahlian.
4
d. Menentukan aspek-aspek proses dan hasil belajar yang penting untuk dinilai dan dievaluasi( sikap, pengetahuan dan ketrampilan) sesuai dengan karakteristik kompetensi dasar pada setiap paket keahlian. e. Menjelaskan prosedur penilaian dan evaluasi sesuai dengan aspek-aspek penilaian proses. f.
Mengimplementasikan prosedur penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar dalam perancangan penilaian dan evaluasi sesuai dengan aspekaspek penilaian dan proses hasil belajar.
g. Menjelaskan kaidah pengembangan instrumen penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar sesuai dengan urutan. h. Mengembangkan kisi – kisi sesuai dengan tujuan penilaian. i.
Mengembangkan instrument penilaian sesuai dengan kisi-kisi.
j.
Menvalidasi instrumen penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar sesuai dengan kaidah keilmuan.
k. Mengklasifikasi penilaian proses dan hasil belajar sesuai dengan hasil yang diperoleh. l.
Melakukan pengadministrasian nilai proses dan hasil belajar secara berkesinambungan baik dalam bentuk soft copy maupun hard copy.
m. Menganalisis hasil penilaian proses belajar untuk berbagai tujuan. n. Menganalisis penilaian hasil belajar untuk berbagai tujuan. o. Melakukan evaluasi proses
belajar dengan menggunakan instrumen
yang telah ditetapkan. p. Melaksanakan evaluasi hasil belajar dengan menggunakan instrumen yang telah ditetapkan.
D. Materi Pokok Modul Pengembangan Kurikulum ini terdiri dari materi pokok dan sub materi pokok yang ada dibawa ini. Penilaian dan Evaluasi Pembelajaran : 1.
Prinsip-prinsip Penilaian dan Evaluasi Pembelajaran.
2.
Asfek-asfek penilaian dan Evaluasi Pembelajaran.
3.
Prosedur penilaian dan evaluasi pembelajaran.
4.
Instrumen penilaian dan evaluasi pembelajaran.
5.
Administrasi penilaian dan proses pembelajaran.
5
6.
6
Analisis dan evaluasi penilaian hasil belajar.
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 PRINSIP. ASPEK PENILAIAN DAN EVALUASI PEMBELAJARAN A. Indikator Keberhasilan Indikator keberhasilan dalam materi pokok ini adalah : 1. Menjelaskan prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar sesuai dengan karakteristik materi mata pelajaran yang diampu. 2. Memanfaatkan prinsip-prinsip penilaian dan evaluasi proses dan hasil belajar dalam pembelajaran sesuai dengan karakteristik mata pelajaran yang diampu. 3. Mengidentifikasi aspek-aspek proses dan hasil belajar yang penting untuk dinilai dan dievaluasi( sikap, pengetahuan dan ketrampilan) sesuai dengan karakteristik kompetensi dasar pada setiap paket keahlian. 4. Menentukan aspek-aspek proses dan hasil belajar yang penting untuk dinilai dan dievaluasi( sikap, pengetahuan dan ketrampilan) sesuai dengan karakteristik kompetensi dasar pada setiap paket keahlian.
B. Uraian Materi Materi
yang
berkaitan
dengan
prinsip
prinsip
penilaian
dan
evaluasi
pembelajaran terurai dalam dua sub materi, yaitu: (1) Konsep penilaian dan Evaluasi pembelajaran, (2). Teknik penilaian dan evaluasi pembelajaran.
Sub materi 1 : KONSEP PENILAIAN DAN EVALUASI PEMBELAJARAN a. Pengertian Penilaian Penilaian adalah proses sistematis meliputi pengumpulan informasi (angka atau deskripsi verbal), analisis, dan interpretasi untuk mengambil keputusan.
Sedangkan
penilaian
pendidikan
adalah
proses
pengumpulan dan pengolahan informasi untuk menentukan pencapaian hasil belajar peserta didik. Untuk itu, diperlukan data sebagai informasi yang diandalkan sebagai dasar pengambilan keputusan. Dalam hal ini, keputusan berhubungan dengan sudah atau belum berhasilnya peserta didik dalam mencapai
7
suatu kompetensi. Jadi, penilaian merupakan salah satu pilar dalam pelaksanaan
Kurikulum
2013
yang
bebasis
karakter
relevan
diimplementasikan di Tingkat Satuan Pendidikan (KTSP) yang berbasis kompetensi. Penilaian merupakan suatu proses yang dilakukan melalui langkahlangkah
perencanaan,
penyusunan
alat
penilaian,
pengumpulan
informasi melalui sejumlah bukti yang menunjukkan pencapaian hasil belajar peserta didik, pengolahan, dan penggunaan informasi tentang hasil belajar peserta didik. Penilaian dilaksanakan melalui berbagai bentuk antara lain: penilaian unjuk kerja (performance), penilaian sikap, penilaian tertulis (paper and pencil test), penilaian proyek, penilaian melalui kumpulan hasil kerja/karya peserta didik (portfolio), dan penilaian diri. Penilaian hasil belajar baik formal maupun informal diadakan dalam suasana yang menyenangkan, sehingga memungkinkan peserta didik menunjukkan apa yang dipahami dan mampu dikerjakannya. Hasil belajar seorang peserta didik tidak dianjurkan untuk dibandingkan dengan peserta didik lainnya, tetapi dengan hasil yang dimiliki peserta didik tersebut sebelumnya. Dengan demikian peserta didik tidak merasa dihakimi oleh guru tetapi dibantu untuk mencapai apa yang diharapkan. b. Prinsip-prinsip Penilaian Dalam
melaksanakan
penilaian
mempertimbangkan
prinsip-prinsip
sebagai berikut: 1) Memandang penilaian dan kegiatan pembelajaran secara terpadu. 2) Mengembangkan
strategi
yang
mendorong
dan
memperkuat
penilaian sebagai cermin diri. 3) Melakukan
berbagai
strategi
penilaian
di
dalam
program
pembelajaran untuk menyediakan berbagai jenis informasi tentang hasil belajar peserta didik. 4) Mempertimbangkan berbagai kebutuhan khusus peserta didik. 5) Mengembangkan
dan
menyediakan
sistem
pencatatan
bervariasi dalam pengamatan kegiatan belajar peserta didik.
8
yang
6) Menggunakan cara dan alat penilaian yang bervariasi. Penilaian dapat dilakukan dengan cara tertulis, lisan, produk portofolio, unjuk kerja, proyek, dan pengamatan tingkah laku. 7) Melakukan penilaian secara berkesinambungan untuk memantau proses, kemajuan, dan perbaikan hasil, dalam bentuk: ulangan harian, ulangan tengah semester, ulangan akhir semester, dan ulangan kenaikan kelas. Ulangan harian dapat dilakukan bila sudah menyelesaikan satu atau beberapa indikator atau satu kompetensi dasar
(KD),
ulangan
tengah
semester
dilakukan
bila
telah
menyelesaikan beberapa KD atau satu stándar kompetensi (SK), ulangan akhir semester dilakukan setelah menyelesaikan semua KD atau SK semester bersangkutan, sedangkan ulangan kenaikan kelas dilakukan pada akhir semester genap dengan menilai semua SK semester ganjil dan genap, dengan penekanan pada semester genap. 8) Penilaian kompetensi pada uji kompetensi melibatkan pihak sekolah dan Institusi Pasangan/Asosiasi Profesi, dan pihak lain terutama DU/DI. Idealnya, lembaga yang menyelenggarakan uji kompetensi ini independen; yakni lembaga yang tidak dapat diintervensi oleh unsur atau lembaga lain. 9) Agar penilaian objektif, pendidik harus berupaya secara optimal untuk (1) memanfaatkan berbagai bukti hasil kerja peserta didik dari sejumlah penilaian, (2) membuat keputusan yang adil tentang penguasaan kompetensi peserta didik dengan mempertimbangkan hasil kerja (karya). c. Kegunaan Penilaian Kegunaan penilaian antara lain sebagai berikut: 1) Memberikan umpan balik bagi peserta didik agar mengetahui kekuatan
dan
kelemahan
dirinya
dalam
proses
pencapaian
kompetensi. 2) Memantau kemajuan dan mendiagnosis kesulitan belajar yang dialami peserta didik sehingga dapat dilakukan pengayaan dan remedial.
9
3) Untuk umpan balik bagi pendidik/guru dalam memperbaiki metode, pendekatan, kegiatan, dan sumber belajar yang digunakan. 4) Memberikan informasi kepada orang tua dan komite sekolah tentang efektivitas pendidikan. 5) Memberi umpan balik bagi pengambil kebijakan (Dinas Pendidikan Daerah) dalam meningkatkan kualitas penilaian yang digunakan. d. Fungsi Penilaian Penilaian memiliki fungsi untuk: 1) Menggambarkan sejauhmana peserta didik telah menguasai suatu kompetensi. 2) Mengevaluasi hasil belajar peserta didik dalam rangka membantu memahami dirinya, membuat keputusan tentang langkah berikutnya, baik
untuk
perencanaan
program
belajar,
pengembangan
kepribadian, maupun untuk penjurusan (sebagai bimbingan). 3) Menemukan kesulitan belajar, kemungkinan prestasi yang bisa dikembangkan peserta didik, dan sebagai alat diagnosis yang membantu pendidik/guru menentukan apakah seseorang perlu mengikuti remedial atau pengayaan. 4) Menemukan kelemahan dan kekurangan proses pembelajaran yang sedang berlangsung guna perbaikan proses pembelajaran berikutnya. 5) Pengendali bagi pendidik/guru dan sekolah tentang kemajuan perkembangan peserta didik.
e. Jenis-jenis penilaian 1) Penilaian hasil belajar oleh pendidik memiliki tujuan untuk mengetahui tingkat penguasaan kompetensi, menetapkan ketuntasan penguasaan kompetensi,
menetapkan
program
perbaikan
atau
pengayaan
berdasarkan tingkat penguasaan kompetensi, dan memperbaiki proses pembelajaran. 2) Penilaian hasil belajar oleh pendidik dilaksanakan dalam bentuk penilaian otentik. Penilaian otentik merupakan pendekatan utama dalam penilaian hasil belajar oleh pendidik. Penilaian otentikadalah
10
bentuk penilaian yang menghendaki peserta didik menampilkan sikap, menggunakan pengetahuan dan keterampilan yang diperoleh dari pembelajaran
dalam
melakukan
tugas
pada
situasi
yang
sesungguhnya, meliputi: a)
Sikap bisa dengan teknik obeservasi, jurnal, penilaian diri, penilaian teman sejawat.
b)
Pengetahuan bisa dengan teknik tes tulis maupun lisan, tanya jawab
c)
Keterampilan bisa dengan teknik tes tulis maupun praktik, porto folio dan kerja proyek.
3) Penilaian hasil belajar oleh pendidik menggunakan acuan kriteria. Acuan
kriteria
merupakan
penilaian
kemajuan
peserta
didik
dibandingkan dengan kriteria capaian kompetensi yang ditetapkan. Bagi yang belum berhasil mencapai kriteria, diberi kesempatan mengikuti pembelajaran remedial yang dilakukan setelah suatu kegiatan penilaian baik secara individual, kelompok, maupun kelas. Bagi peserta didik yang berhasil dapat diberikan program pengayaan sesuai dengan waktu yang tersedia baik secara individual maupun kelompok.
Program
perluasan
dari
pengayaan
kompetensi
merupakan
yang
pendalaman
dipelajari.
Acuan
atau
Kriteria
menggunakan modus untuk sikap, rerata untuk pengetahuan, dan capaian optimum untuk keterampilan. 4) Penilaian hasil belajar oleh pendidik untuk ranah sikap, ranah pengetahuan,
dan
ranah
keterampilan
menggunakan
skala
penilaian. Skala penilaian untuk ranah sikap menggunakan rentang predikat Sangat Baik (SB), Baik (B), Cukup (C), dan Kurang (K). Sedangkan skala penilaian untuk ranah pengetahuan dan ranah keterampilan menggunakan rentang angka dan huruf 100 (A) -
