## Kendali PID Training Kit ELABO TS 3400 Menggunakan Sensor Posisi
Ana Ningsih 1 , Catherina Puspita 2
Program Studi Teknik Mekatronika, Politeknik ATMI Surakarta 1 ana_n@atmi.ac.id, 2 apriliacatarina@yahoo.com

## Ringkasan
Kendali  posisi  digunakan  untuk  menentukan  posisi  sebuah  benda  sesuai  setpoint,  salah satu contoh aplikasinya pada robot canggih dan mesin dengan banyak aksis, hal ini untuk mempermudah  operator  dalam  melakukan  pekerjaan.  Dalam  dunia  pendidikan  proses pembelajaran  untuk  menentukan  kendali  PID  sangat  dibutuhkan,  oleh  sebab  itu penggunaan  modul Elabo  Training  Sytem tipe  34000  sangat  membantu  dalam mensimulasikan  kendali  posisi.  Modul  Elabo  ini  adalah  perangkat  pembelajaran  kendali PID  dengan  berbagai  macam  aplikasi,  salah  satunya  kendali  posisi,  dimana  sensor  posisi menggunakan kombinasi rangkaian potensiometer dan motor DC , modul pembelajaran ini bisa disambungkan dengan PC, untuk melihat sinyal yang dihasilkan dari kendali PID dan melihat  respon  terbaik.  Hasil  percobaan  ketika  kalang  terbuka  menunjukan  adanya ketidaksesuaian  antara set  value dengan actual  value ,  untuk  percobaan  dengan  kalang tertutup hasil dari actual value sudah mendekati set value meskipun belum tepat. Percobaan dengan kendali PID sudah menunjukan hasil yang sesuai dengan set value .
Kata Kunci: Kendali, PID, Sensor posisi, Elabo Training sistem

## 1. Pendahuluan
Sensor  posisi  adalah  alat  ukur  dengan  cara  mengubah  besaran  posisi  menjadi tegangan  dan  arus  listrik.  Salah  satu  contoh  apilikasi  sensor  posisi  yaitu  pada  robot canggih  dan  mesin  dengan  banyak  aksis  yang  dapat  dikendalikan  dengan  mudah  oleh operator,  dengan  sedikit  pergerakan  dari  kontrol,  kita  dapat  memindahkan  berbagai macam barang yang berat dan besar dengan mudah.
Pembelajaran  menggunakan  kendali  sensor  posisi  salah  satunya  bisa  menggunakan modul training kit Elabo Training Sytem type 34000, seperti terlihat di Gambar 1. Dimana modul  tersebut  memudahkan  pengguna  untuk  membuat  pengendalian  PID  dengan sensor posisi.
Modul  pembelajaran process  control  board Elabo    ini  adalah  perangkat  pembelajaran kendali  PID  dengan  berbagai  macam  aplikasinya,  salah  satunya  kendali  posisi  dimana modul  pembelajaran  ini  bisa  disambungkan  dengan  PC,  untuk  melihat  sinyal  yang dihasilkan  dari  kendali  PID  dan  melihat  respon  terbaik.  Kendali  posisi  menggunakan kombinasi dari potensio dan motor yang disesuaikan secara otomatis.

## 2. Dasar Teori

## 2.1.   Sensor Posisi Training kit Elabo
Perangkat  pengatur  posisi  ini  memanfaatkan  kombinasi  dari  motor  dan potensiometer  yang  dapat  diatur  secara  otomatis.    Pada  perangkat  pengontrol  ataupun perangkat pengatur berfungsi untuk mengatur alat yang dikontrol untuk mengikuti data yang dimasukan dan membaca secara detail  arah tujuan yang diinginkan operator yang berupa  masukan  data.  Spesifikasi  posisi  yang  diterima  berupa  keluaran  analog  sebesar (+10V sampai -10V) dari transmitter [1].
Kombinasi  motor  potensiometer  terdiri  dari  motor  DC  kecil  berupa  sebuah  magnet permanen.  Potensiometer  menghasilkan  sinyal  umpan  balik  dari  -10V  sampai  +10V. Tidak ada roda gigi pasangan yang digunakan  pada perangkat  ini, sehingga  alat hanya dapat berputar  maksimum 300 0 , kurang dari  satu putaran penuh. sudut rotasi dari dial menunjukkan dari -150 ° sampai + 150 °.
Penggunaan  potensiometer  untuk  kendali  posisi  cukup  praktis  karena  hanya membutuhkan satu tegangan eksitasi dan biasanya tidak membutuhkan pengolah sinyal yang rumit. Kelemahan penggunaan potensiometer terutama adalah [1]:
1.   Cepat aus akibat gesekan
2.   Sering timbul noise terutama saat pergantian posisi dan saat terjadi lepas kontak 3.   Mudah terserang korosi
4.   Peka terhadap pengotor

## 2.2.   Kalang Terbuka
Rangkaian  kalang  terbuka  adalah  rangkaian  yang  langsung  diproses  dan menghasilkan keluaran, sistem ini tanpa adanya umpan balik/ pengukur ( feedback ). Oleh karena  itu  keluaran  yang  dihasilkan  oleh  rangkaian  ini  tidak  presisi  atau  juga  bisa disebut jauh dari kata akurat.

## 2.3. Kalang Tertutup
Rangkaian  kalang  tertutup  adalah  rangkaian  input  yang  diproses  selanjutnya menghasilkan keluaran namun, rangkaian ini dilengkapi dengan umpan balik/ pengukur ( feedback ).  Fungsi  umpan  balik  untuk  memberikan  pengukuran  apakah  keluaran  yang dihasilkan  sesuai dengan  masukkan set  point , sehingga melalui rangkaian ini  kita  dapat mencapai  hasil  yang  lebih  presisi  dan  lebih  akurat  daripada  menggunakan  rangkaian kalang  terbuka.  Meskipun  begitu  keluaran  yang  dihasilkan  belum  sepresisi  dengan bantuan kontrol PID.

## 2.4. Kendali PID
Rangkaian  kendali  PID  adalah  rangkaian  yang  paling  banyak  digunakan,  umpan balik  berfungsi  untuk  membaca  sinyal  masukan set  point dengan  keadaan  sebenarnya yang  kemudian  diterjemahkan  ke  sinyal error .  Komponen  PID  terdiri  dari  3  yaitu propotional,  derivative,  dan  integral.  Di  Gambar  3  menunjukan  pemakaian  kombinasi ketiganya  tergantung  sistem  yang  akan  dikendalikan  untuk  membantu  memperoleh keluaran yang presisi.
Kontroler  PID  terdiri  dari  kontroler  -  P,  kontroler  -  I,  dan  kontroler  -  D.  Ketiganya mempunyai fungsi masing-masing dalam membantu suatu sistem.
Gambar 1. Modul pembelajaran process control board Elabo
Gambar 2. Tampilan mekanis keluaran kendali posisi
Gambar 3. Diagram Blok Kendali PID [3]
(1)

## 2.4.1.  Kendali - P
Kendali  proporsional  berfungsi  untuk  memperkuat  sinyal  kesalahan  penggerak (sinyal error ),  sehingga  akan  mempercepat  keluaran  sistem  mencapai  titik  referensi. Dampak dari kendali propotional adalah menambah atau mengurangi kestabilan, dapat memperbaiki  respon  transien  khususnya rise  time dan settling  time .  Mengurangi  (bukan menghilangkan) error steady state [3].
( ) = e (t) (2)
Dimana
e ( t ) = Sinyal kesalahan
u ( t ) = Sinyal keluaran
K p = Konstanta penguatan Propotional

## 2.4.2.  Kendali - I
Kendali  integral  mempunyai  fungsi  menghilangkan error  steady  state dan  membuat respon  lebih  lambat  (dibanding  dengan  P),  dapat  menambah  ketidakstabilan  karena menambah orde pada sistem.
( ) = (     ∫ ( ). ) (3)
Dimana :
U i ( t ) = Keluaran kendali Integral
K p = Konstata penguatan Integral
e ( t ) = Sinyal kesalahan

## 2.4.3.  Kendali - D
Pengendalian  derivatif  berfungsi  memberikan  efek  redam  pada  sistem  yang berosilasi  sehingga  bisa  memperbesar  nilai  Kp  dan  memperbaiki  respon  transien. Kendali derivatif berubah saat ada error statis, sehingga kendali D tidak boleh digunakan sendiri.
(4)
dimana :
U d ( t ) = Keluaran kendali Derivatif
K p = Konstata penguatan Derivatif e ( t ) = sinyal kesalahan

## 3. Metode Penelitian

## 3.1. Rangkaian Kalang Terbuka
Pada percobaan ini menggunakan metode kalang terbuka yang dihubungkan dengan sensor posisi, seperti terlihat di Gambar 4. Adapun langkah kerjanya :
1. Cabut semua koneksi dari papan kendali.
2. Nyalakan papan kendali.
3. Pilih tampilan unit integrasi sistem pengukuran %.
4. Hubungkan output dari  nilai adjuster  Setpoint ke  masukan  Voltmeter Set  Value menggunakan plug.
5. Atur saklar dari nilai adjuster Setpoin ke Constant .
6. Sesuaikan adjuster Setpoint sampai set value menunjukkan 25%
7. Atur saklar adjuster Setpoint kembali ke off
8. Gunakan  kabel  2  mm  untuk  koneksi  masukan position  control  path dengan actuating variabel y dan keluaran dengan jumlah umpan balik r
9. Hubungkan keluaran dari adjuster Setpoint dengan Control Value dan hubungkan masukan dari Voltmeter Control Value dengan plug.
10. Atur “ Position Control ” ke 10V. ( posisi kiri ekstrim )
11. Hubungkan  actuating  variabel  y  dan  actual  value  (umpan  balik  variabel  r)  ke digital memori osciloscope.
12. Mulai dengan software osiloskop “ Multi Channel ”.
13. Hubungkan actuating variabel ke CH4 (+Al4) dan actual value ke CH2 (+Al2) 14. Mulai rekaman pada osiloskop
15. Atur saklar dari adjuster Setpoint ke Constan .
Gambar 4. Rangkaian pengukuran kalang terbuka

## 3.2. Rangkaian dengan kendali kalang tertutup
Percobaan  selanjutnya  menggunakan  kendali  kalang  tertutup,  seperti  terlihat  di Gambar 5. Langkah kerjanya yaitu :
1. Atur adjuster Setpoint ke 0V dan ubah saklar dari adjuster Setpoint ke off.
2. Lepaskan koneksi keluaran dari adjuster Setpoint dan soket Control Value.
3. Tutup jalur kendali di sebelah kanan “ actual value ” dengan plug.
4. Masukkan elemen kontrol P.
5. Hubungkan keluaran jumlah regulator dan penggerak variabel y dengan plug.
6. Atur Kp ke 2 x 1 pada P – elemen.
7. Atur saklar dari adjuster  Setpoint untuk constant.
Gambar 5. Rangkaian dengan kendali Propotional

## 3.3. Rangkaian dengan kontrol PID
Percobaan  yang  terahkir  adalah  menggunakan  kendali  PID,  seperti  terlihat  di Gambar 6. Langkah kerjanya sebagai beriku:
1. Cabut  semua  koneksi  output  set  value  adjuster  “Setpoint”  dan  soket  “Control Value” pd papan kontrol proses
2. Tutup  umpan  balik  dari  jalur  kontrol  di  sebelah  kanan  sebelah  tampilan  actual value dengan plug.
3. Input unsur  kontrol  P,I  dan  D  di  sirkuit  kontrol  antara  deviasi  kontrol  e  dan actuating variabel y.
4. Hubungkan jumlah output regulator dan actuating variabel y dengan plug
5. Atur fungsi generator dengan parameter berikut :
6. Sinyal sinus, Frekuensi 0.5 Hz, Amplitudo 8V, Offset 0V
7. Atur koefisien proporsional Kp yang telah ditentukan pada unsur-P
8. Atur waktu integral dari unsur-I yang telah ditentukan
9. Atur koefisien proporsional unsur D yang sesuai
10. Hubungkan output dari function generator untuk input dari set value 11. Hubungkan set value (variabel w), actual value ( feedback var r), dan different control (e) ke memori digital osiloskop
12. Hubungkan set variabel ke CH1(Al+1) , actual value ke CH2 (+Al2) dan different control ke CH3 (+Al3)

## 4. Hasil Penelitian

## 4.1. Kalang Terbuka
Pada hasil pengukuran menggunakan kalang terbuka diperoleh hasil seperti terlihat di Gambar 7. Adapun hasil gambar sinyal yang terlihat menunjukan bahwa actual value / nilai  aktual  akan  terus  naik  sampai  batas  tegangan  referensinya,  ini  disebabkan  karena tidak  ada  pengukur/ feedback  pada sistem  ini.  Garis  merah  pada  gambar  sinyal  yaitu set value, sedangkan garis biru adalah actual value.
Dengan  pergeseran  sedikit  saja  pada set  point ,  maka  kendali  posisi  akan  bergeser maksimal, apabila bergeser kekiri maka menuju nilai minus (-10V) dan apabila bergeser kekanan maka menuju nilai plus (+10V).
Pada  percobaan  kalang  terbuka  tampilan  digital set  value di  posisikan    pada  nilai  4, maka  keluaran  pengukuran  pada  tampilan actual  value akan    menunjukan  angka  yang terus  naik  sampai  batas  10  sesuai  dengan  tegangan  referensi.  Pada  percobaan  ini menunjukan bahwa kendali open loop tidak bisa meghasilkan nilai sesuai dengan set point.

## 4.2. Kalang Tertutup
Hasil  percobaan  menggunakan  kendali  kalang  tertutup  didapatkan  hasil  terlihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengukuran kendali kalang tertutup Set Point Set Value Actual Value 5 V 40 35
Dengan percobaan kalang tertutup hasil dari Actual value akan mendekati Set Value, percobaan ini dapat mencapai perbaikan proses positioning atau kesalahan posisi menjadi lebih kecil, meskipun hasil yang didapat belum sesuai dengan set value tetapi sudah ada perbaikan yang bagus.

## 4.3. Kendali - PID
Hasil percobaan  untuk  kendali PID dengan  nilai Kp  =   1,4 ,KI=   0,25 dan  Kd =  0,01, terlihat di gambar 8.
Gambar 6. Rangkaian dengan kendali PID
Gambar 7. Hasil pengukuran kalang terbuka

## Gambar 8. Hasil pengukuran kendali PID
Dari  gambar  sinyal  tersebut  terlihat  bahwa  nilai actual  val ue  menikuti  nilai  dari set value . Dimana garis merah adalah sinyal set value , garis biru adalah actual value dan garis hitam adalah sinyal tegangan yang masuk ke kendali.
Dengan pergeseran sedikit saja pada setpoint maka tidak terjadi pergeseran maksimal pada position control .
1. Adanya P = mempercepat perubahan actual value
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 15 No. 1 April 2016 Hal 9 - 16
2. Adanya I = menstabilkan posisi actual value
3. Adanya D = mempertahankan posisi actual valu e dari gangguan
Hasil  tampilan  display  saat set  value 40  maka hasil  actul  value nya  pun  40,  dengan kendali PID dihasilkan nilai sesuai dengan setpoint.

## 5. Kesimpulan
Keluaran  dari  rangkaian  kalang  terbuka  menghasilkan  nilai  aktual  yang  tidak terukur, ini dikarenakan rangkaian kalang terbuka tidak ada feedback / umpan balik
Keluaran  dari  rangkaian  kendali  kalang  tertutup  menghasilkan  nilai  yang  tidak sesuai dengan set point , tetapi sudah mulai mendekati set point .
Keluaran dari rangkaian dengan bantuan kontroler-PID mencapai hasil yang presisi/ sesuai nilai yang dikehendaki.
Fungsi  kontroler  –P  mempercepat  perubahan actual  value. Fungsi  kontroler  -  I menstabilkan posisi actual value. Fungsi kontroler–D mempertahankan posisi actual value dari gangguan.

## Daftar Pustaka
[1]  Elabo  Training  System,  Control  Technology,  Version  4.1  –  Order  No  E34  020, Germany
[2]  S. Pakpahan, Kontrol Otomatik Teori dan Penerapan, Erlangga, Jakarta 1994
[3]  Ana  N.,  Kendali  PID  sebagai  Penstabil  Frekuensi  dan  Tegangan  pembangkit  Listrik Mikrohidro  Menggunkan  Beban  Komplemen,  Tesis  Universitas  Gadjah  Mada Yogyakarta, 2014
[4]  M.  Iskandar  R.,  Bambang,  Eko  HB.  Rancang  Bangun  Robot  Gripper  Menggunakan Penggerak  Motor  DC  Secara  Direct  Coupling,  Politeknik  Elektronika  Negeri Surabaya