## PERANCANGAN KENDALI KESEIMBANGAN POSISI BOLA MENGGUNAKAN METODE KENDALI PID
1 Joko Slamet Saputro, 2 Ulinnuha Latifa
1,2 Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
1 js.saputro@ft.unsika.ac.id, 2 ulinnuha.latifa@ft.unsika.ac.id

## I. P ENDAHULUAN
Keseimbangan  menurut  Kamus  Besar  Bahasa  Indonesia (KBBI)  merupakan  keadaan  setimbang,  sedangkan  dalam konteks fisis merupakan keadaan yang terjadi apabila semua gaya dan  kecenderungan  yang  ada  tepat  diimbangi  atau  dinetralkan oleh gaya dan kecenderungan yang sama, tetapi berlawanan [1]. Bola adalah benda bulat yang mudah menggelinding jika berada pada  permukaan  yang  tidak  rata  atau  sedikit  miring. Menyeimbangkan  sebuah  bola  pada  papan  datar  merupakan sebuah tantangan, apalagi  bola  yang digunakan  memiliki  massa yang relatif ringan.
Untuk  dapat  menyeimbangkan  bola,  maka  papan  datar yang  akan  dijadikan  sebagai  dudukan  bola  tersebut  harus  dapat digerakkan  untuk  mengatur  tingkat  kemiringan  papan. Pemecahan masalah ini menggunakan pendekatan yang ada pada sistem  Pendulum  Terbalik  ( inverted pendulum).  Adopsi  dari sistem  tersebut  yakni  sebuah  bola  yang  diasumsikan  layaknya tongkat  yang  harus  dijaga  posisinya  agar  selalu  berdiri  tegak, sehingga bola tersebut harus selalu berada di tengah-tengah dari papan  datar.  Adapun  papan  datar  akan  diatur  gerakannya  agar dapat  membuat  posisi  bola  berada  di  tengah  papan.  Pengaturan pergerakan  papan  akan  mengacu  pada  jarak  bola  terhadap  titik tengah  papan.  Papan  akan  digerakkan  oleh  motor  servo  yang diatur menggunakan metode kendali PID.
Pada  penelitian  ini  akan  dibahas  mengenai  perancangan Kendali  Keseimbangan  Posisi  Bola  dengan  sistematika Pendahuluan,  Metode  Penelitian  yang  terdiri  dari  perancangan hardware dan software ,  Hasil  dan  Pembahasan,  serta  yang terakhir Kesimpulan.

## II. METODE PENELITIAN
Pada  penelitian  ini  perancangan  dilakukan  dengan menggunakan tahapan pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1 Alur perancangan alat

## A. Perancangan Hardware
Sistem  yang dibuat  merupakan sebuah kendali posisi  bola pingpong dengan motor servo. Ketika set point ditetapkan maka motor servo akan membuat bola bergerak ke nilai set point yang diinginkan  dengan feedback yang  diperoleh  melalui  sensor ultrasonik.  Motor  servo  digunakan  sebagai  aktuator  yang  akan mempertahankan keadaan bola sehingga dapat mencapai nilai set point yang  diinginkan.  Diharapkan  ketika plant mendapatkan gangguan,  bola  akan  mempertahankan  posisi set  point. Berikut merupakan blok diagram dari sistem ditunjukkan Gambar 2.

## Gambar 2 Diagram blok sistem
1. Arduino UNO R3 Arduino  UNO  R3  adalah  papan  pengembangan
( development  board )  mikrokontroler  yang  berbasis  chip ATmega328P.  Disebut  sebagai  papan  pengembangan  karena board ini  memang  berfungsi  sebagai  arena prototyping sirkuit mikrokontroller.  Arduino  UNO  memiliki  14  digital  pin  input  / output  (atau  biasa  ditulis  I/O,  dimana  6  pin  diantaranya  dapat

## I N F O  A R T I K E L
Diterima : 07 Agustus 2018 Direvisi : 07 Agustus 2018 Disetujui : 08 Agustus 2018
Kata Kunci : PID, Mikrokontroler, Ultrasonik, Keseimbangan bola

## A B S T R A K
Penelitian ini membahas perancangan metode kendali PID ( Proporsional Integral Derivative ) pada suatu sistem sederhana yang bertujuan untuk menyeimbangkan posisi sebuah bola. Metode kendali PID  ditanamkan  pada  Arduino  UNO  R3  yang  digunakan  sebagai  pengendali  motor  servo  untuk menggerakkan papan dudukan bola. Sementara, untuk  mengetahui jarak posisi bola  menggunakan sensor ultrasonik.
Perancangan Hardware Perancangan Software Implementasi Sistem Embedded Pengujian dan Pengambilan Data

## PERANCANGAN KENDALI KESEIMBANGAN POSISI BOLA MENGGUNAKAN METODE KENDALI PID
digunakan  sebagai  output  PWM),  6  pin  input  analog, menggunakan crystal 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP  dan  tombol  reset.  Hal  tersebut  adalah  semua  yang diperlukan  untuk  mendukung  sebuah  rangkaian  mikrokontroler. Cukup  dengan  menghubungkannya  ke  komputer  dengan  kabel USB atau diberi power dengan adaptor AC-DC atau baterai maka Arduino sudah dapat beroperasi dengan baik [2].

## Gambar 3 Arduino UNO R3
Adapun  data  teknis  yang  terdapat  board  Arduino  UNO  adalah sebagai berikut [2].
1) Mikrokontroler: ATmega328
2) Tegangan operasi : 5V
3) Tegangan input ( recommended ) : 7 - 12V
4) Tegangan input (limit) : 6-20 V
5) Pin digital I/O : 14 (6 diantaranya pin PWM)
6) Pin analog input : 6 input pin
7) Arus DC per pin I/O : 40 mA
8) Arus DC untuk pin 3.3 V : 150 mA
9) Flash  memory :  32  KB  dengan  0,5  KB  digunakan  sebagai bootloader
10) SRAM : 2 KB
11) EEPROM : 1 KB
12) Kecepatan besaran waktu sebesar 16 Mhz
2. Motor Servo
Motor  servo  adalah  sebuah  motor  DC  yang  dilengkapi rangkaian  kendali  dengan  sistem closed  feedback yang terintegrasi dalam motor tersebut. Pada motor servo posisi putaran sumbu  (axis)  dari  motor  akan  diinformasikan  kembali  ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo [3].
Motor  servo  disusun  dari  sebuah  motor  DC, gearbox , variabel resistor (VR) atau potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer  berfungsi  untuk  menentukan  batas  maksimum putaran sumbu (axis) motor servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang pada pin kontrol motor servo [3].
Motor  servo  adalah  motor  yang  mampu  bekerja  dua  arah (CW  dan  CCW)  dimana  arah  dan  sudut  pergerakan  rotornya dapat dikendalikan dengan memberikan variasi lebar pulsa ( duty cycle ) sinyal PWM pada bagian pin kontrolnya [3].
3. Sensor Ultrasonik HC-SR04
Sensor  HC-SR04  adalah  sensor  pengukur  jarak  berbasis gelombang ultrasonik. Prinsip kerja  sensor ini menyerupai radar ultrasonik. Gelombang ultrasonik dipancarkan dan diterima balik oleh receiver ultrasonik.  Jarak  antara  waktu  pancar  dan  waktu terima adalah representasi dari jarak objek [4]. Sensor ini cocok untuk  aplikasi  elektronik  yang  memerlukan  deteksi  jarak termasuk untuk sensor posisi bola pingpong yang diangkat kipas.

## Gambar 5 Sensor ultrasonic HC SR04
Spesifikasi sensor ultrasonik [4] :
1) Jangkauan deteksi : 2 cm sampai kisaran 400 / 500 cm
2) Sudut deteksi terbaik adalah 15 derajat
3) Tegangan kerja 5V DC
4) Resolusi 1cm
5) Frekuensi ultrasonik 40 kHz
6) Dapat dihubungkan langsung ke kaki mikrokontroler
(a)
(b) Gambar 6 (a) Konfigurasi hardware dengan Arduino, (b) desain hardware keseimbangan posisi bola

## PERANCANGAN KENDALI KESEIMBANGAN POSISI BOLA MENGGUNAKAN METODE KENDALI PID
START INPUT SET POINT PENGATURAN LETAK BOLA FEEDBACK JARAK BOLA SET POINT TERPENUHI? STOP
Perancangan alat keseimbangan posisi bola berupa integrasi beberapa hardware yang  telah  dijabarkan  di  atas.  Sensor ultrasonik, motor servo dan Arduino dirangkai sedemikian rupa, dimana  koneksi  ketiganya  menggunakan  papan protoboard Gambar 6 (a) sehingga menjadi sebuah sistem utuh yang terlihat pada  Gambar  6(b).  Adapun,  penggaris  berfungsi  sebagai verifikator  terhadap  jarak  baca  oleh  sensor  ultrasonik.  Dimana pada  alat  ini  bola  akan  berada  dititik  seimbang  atau  berada ditengah dengan jarak 15 cm dari sensor.

## B. Perancangan Software
Perangkat  lunak  ( software )  yang  digunakan  dalam perancangan  sistem  ini  adalah  Arduino  IDE  dengan menggunakan  Bahasa  Pemrograman  C.  Sementara  metode kendali  yang  digunakan  adalah  metode  kendali  PID  dengan aturan Ziegler Nichols.
Gambar 7 Diagram alir sistem kerja software
1. PID ( Proportional Integral Derivative )
Algoritma  PID  adalah  kontroler  umpan  baik  yang  paling populer  digunakan  dalam  proses  industri  yang  telah  berhasil digunakan selama lebih dari 50 tahun. Seperti namanya, algoritma PID  terdiri  dari  tiga  parameter  yaitu  parameter  proposional, integral  dan  derivatif  yang  dapat  dipakai  bersamaaan  maupun masing-masing  [5].  Kontroler  ini  dapat  diperoleh  dengan persamaaan sebagai berikut.
(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑝𝑇𝑖∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡𝑡0 + 𝐾𝑝. 𝑇𝑑 𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡

## (1)
Dimana Kp adalah konstanta proposional, Ti menyatakan waktu integral  dan  menyatakan  waktu  derivatif.  Persamaan  (1)  adalah persamaaan dalam domain waktu. Untuk memudahkan penulisan dalam  program,  maka  persamaan  (1)  dikonversikan  ke  dalam bentuk  diskrit,  dengan  menggunakan finite diferential  orde pertama yang direpresentasikan dalam persamaan berikut [7].
𝑑𝑓 𝑑𝑥 = (𝑓𝑘 − 𝑓𝑘 − 1)𝛥𝑡
∫ (𝑡)𝑑𝑡 = 𝛴𝑒𝑘𝑛𝑘 = 0. 𝛥𝑡
(2)

## Sehingga persamaan (1) menjadi,
𝑢𝑛 = 𝐾[𝑇𝑑(𝑒𝑛 − 𝑒𝑛 − 1)𝛥𝑡 + 𝑒𝑛 + 1𝑇𝑖𝛴𝑒𝑘𝑛𝑘 = 0. 𝛥𝑡]

## Dimana,
𝐾𝑖 = 𝐾𝑝𝑇𝑠𝑇𝑖 𝑑𝑎𝑛 𝐾𝑑 = 𝐾𝑝𝑇𝑑𝑇𝑠 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝛥𝑡 =  𝑇𝑠 𝑎𝑝𝑎𝑏𝑖𝑙𝑎, 𝑆𝑛 = 𝑆𝑛 − 1 + 𝑒𝑛
Maka  persamaan  kontroller  PID  dalam  bentuk  diskrit  adalah sebagai berikut,
𝑢𝑛 = 𝐾𝑝. 𝑒𝑛 + 𝐾𝑖. 𝑆𝑛 + 𝐾𝑑. (𝑒𝑛 − 𝑒𝑛 − 1)
Dimana : 𝑆𝑛 = jumlah error,
𝑆𝑛 −1 = jumlah error sebelumnya, 𝑒𝑛 = error sekarang, 𝑒𝑛 −1 = error sebelumnya, 𝑢𝑛 = output sekarang.
2. Aturan Ziegler Nichols
Kontrol PID memiliki konstanta Kp, Ki dan Kd yang dapat dicari dengan  menggunakan aturan  Ziegler-Nichols. Pada tahun 1942, Ziegler-Nichols  mendeskripsikan dua  metode matematika sederhana  yang  masing-masing  digunakan  untuk tuning kontrol PID.  Kedua  metode  tersebut  pada  saat  ini  diterima  sebagai standar  dalam  praktek  sistem  kontrol.  Metode  ini  dilakukan dengan dengan metode eksperimen dengan asumsi bahwa model dari plant belum  diketahui  [6],  [7].  Berikut  adalah  konfigurasi kontrol PID pada suatu model plant , seperti yang ditunjukan pada Gambar 8.

## Gambar 8 Kontrol PID model plant
Pada  pemodelan  dalam  mendapatkan  parameter  kendali, terdapat  beberapa  metoda  yang  dapat  digunakan  contohnya seperti Ziegler-Nichols Tipe 1, Ziegler-Nichols Tipe 2, dan yang lainnya. Biasanya kendali posisi menggunakan metoda ini. Pada metode  Ziegler-Nichols  Tipe  2,  untuk  mendapatkan  parameter kendali,  sistem  dibuat close-loop dan  respon  dibuat  menjadi berosilasi  yang  berpola.  Nilai  Kp  diatur  agar  respon  dapat berosilasi dan nilai Ti dan Td dinolkan. Respon dibuat berosilasi untuk mendapatkan nilai Kcr dan Pcr [6].

## 3. Tipe Kedua Ziegler Nichols
Pada metode kedua, dengan mengatur nilai Ti = ~ dan Td = 0  serta  hanya  menggunakan  kontrol  P  seperti  yang  ditunjukan pada Gambar 9 [7]. Metode kedua  ini dapat diterapkan dengan cara meningkatkan nilai Kp dari 0 sampai mendapatkan nilai Kcr dengan sistem  yang berosilasi  secara  berkesinambungan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 [7].

## PERANCANGAN KENDALI KESEIMBANGAN POSISI BOLA MENGGUNAKAN METODE KENDALI PID
Gambar 9 Close loop system dengan kontrol P Gambar 10 Respon osilasi sistem berkesinambungan
Adapun urutan dari metode kedua ini [6], [8] yaitu :
1) Menambahkan  nilai  Kp  sehingga  mendapatkan  keluaran respon sistem yang berosilasi secara teratur.
2) Nilai Kp tersebut disebut critical value (Kcr) dan periodenya disebut corresponding period (Pcr).
3) Nilai parameter Kp, Ti dan Td sesuai dengan metode Ziegler- Nichols II didapatkan berdasarkan Tabel I.
T ABEL I A TURAN ZIEGLER - NICHOLS II
Tipe Kontroler Kp Ti Td P 0,5 Kcr ~ 0 PI 0,45 Kcr 0,5 Pcr 0 PID 0,6 Kcr 0,5 Pcr 0,125 Pcr
Prinsip kerja  alat keseimbangan posisi  bola seperti terlihat pada diagram alir pada Gambar 8. Berawal dari menghubungkan alat dengan  catu  daya,  setelah  aktif  maka  sensor  ultrasonik  akan membaca jarak bola pingpong kemudian akan membandingkannya  dengan set  point .  Perbedaan  jarak  inilah yang akan dijadikan dasar untuk menggerakkan motor servo agar papan  dudukan  bola  dapat  bergerak  naik  atau  turun  untuk mengatur bola agar berjalan mendekati titik tengah.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
T ABEL II H ASIL DARI RESPON SISTEM No Waktu (detik) Jarak (cm) 1 730 30 2 830 6 3 930 13 4 1030 14 5 1130 14 6 1230 15
Data  perubahan  jarak  setiap  tiga  puluh  detik  yang ditampilkan berdasarkan grafik yang diperoleh dari software IDE Arduino.  Di  bawah  ini  merupakan  respon  yang  telah  dibuat berosilasi dengan nilai gain / Kp / Kcr = 0.8. Perlu diingat bahwa waktu yang ada di- plotter harus dikonversi ke dalam waktu asli terlebih dahulu. Konversi waktu plotter Arduino ke waktu asli:
𝑇𝑎𝑠𝑙𝑖 𝑡𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟 = 1230 730 =  1,68 𝑇𝑎𝑠𝑙𝑖 𝑡𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟 = 𝑡 𝐿(𝑎𝑠𝑙𝑖)
𝑡 𝐿(𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟) → 1,68 𝑡 𝐿(𝑎𝑠𝑙𝑖)
25 = 𝑡 𝑃𝐶𝑅 (𝑎𝑠𝑙𝑖) = 4,2
Sehingga  didapat  Kcr  =  0,8  dan  Pcr  =  4,2.  Selanjutnya perhitungan Kp, Ti, dan Td.
𝐾𝑝  =  0,8 𝑥 𝐾𝑐𝑟  =  0,8 𝑥 0,8  =  0,64 𝑇𝑖  =  0,8 𝑥 𝑃𝑐𝑟  =  0,8 𝑥 4,2  =  3,36 𝑇𝑑  =  0,8 𝑥 𝑃𝑐𝑟  =  0,8 𝑥 4,2  =  3,36
Setelah  itu  karena  terdapat  beberapa noise ,  dibuat  filter  digital untuk meredamnya agar tidak terlalu melonjak.
𝑇𝑎𝑠𝑙𝑖 𝑡𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟 = 1230 730 =  1,68
𝑇𝑎𝑠𝑙𝑖 𝑡𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟 = 𝑡 𝐿(𝑎𝑠𝑙𝑖) 𝑡 𝐿(𝑝𝑙𝑜𝑡𝑡𝑒𝑟) → 1,68 𝑡 𝐿(𝑎𝑠𝑙𝑖)
25 =  𝑡 𝑃𝐶𝑅(𝑎𝑠𝑙𝑖)   =  4,2
𝑓 = 1 𝑇 → 1 4,2 = 0,238 𝐻𝑧
𝑓 dalam rad = 2 𝑥 3,14 𝑥 0,238 = 1,495 rad 𝑓 cut-off 1 dek = 1,495→ dibulatkan menjadi 2

## PERANCANGAN KENDALI KESEIMBANGAN POSISI BOLA MENGGUNAKAN METODE KENDALI PID
T ABEL III H ASIL DATA LOGING PADA MATLAB No Waktu (detik) Jarak (cm) 1 68 30 2 70 15 3 72 13 4 74 10 5 76 15 6 78 16 7 80 15 8 82 15 9 84 15 10 86
15
Pada  Gambar  13  terlihat  bahwa  masih  terdapat noise (gangguan) meskipun tidak terlalu banyak, namun masih terdapat overshoot. Alat penyeimbang posisi bola dapat mengarahkan bola langsung  menuju set  point meski  terdapat  bebarapa  waktu  bola bergerak  menjauhi  titik  tengah.  Adanya  pengendali  PID  dapat dengan  segera  akan  menggembalikan  posisi  bola  menuju  titik tengah kembali. Hal ini terjadi kemungkinan dikarenakan bentuk permukaan bola yang bundar atau tidak rata, sehingga berdampak pada ketidakakuratan pembacaan sensor ultrasonik.
Gambar 13 Respon hasil desain dengan filter

## IV. KESIMPULAN
Pada  penelitian  ini  konstanta-konstanta  tersebut  dihitung dengan menggunakan metode Ziegler Nichols 2 yang dilakukan dengan cara memberikan nilai Kcp terlebih dahulu. Nilai Kp, Ki, Kd  yang  optimal  pada  penelitian  ini  menggunakan  nilai  Kp  = 0,64, Ki = 3,36, dan Kd = 3,36. Nilai-nilai tersebut terbukti dapat menyeimbangkan  posisi  bola  berada  di  tengah  papan  datar dengan nilai error yang masih dalam batas toleransi.

## DAFTAR RUJUKAN
[1] https://kbbi.kemdikbud.go.id/ diakses pada 17 Juli 2018
[2] https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 diakses
pada 10 Mei 2018
[3] http://www.towerpro.com.tw/product/mg995/ diakses pada 10 Mei 2018
[4] http://www.digi- bytes.com/index.php?route=product/product&product_i d=96 diakses pada 10 Mei 2018
[5] Azis  Rizki,  “Sistem  Kendali  Posisi  Bola  dengan  PID Berbasis  Arduino,  Mosfet,  dan  Ultrasonik”,  Politeknik Negri Bandung, 2017.
[6] A.  Johnson,  Michael,  Mohammad  H.  Moradi, “PIDControl: New Identification and Design Methods”,Springer, 2005.
[7] Katsuhiko  Ogata,  Modern  Control  Engineering  Third Edition, Prentice Hall, 1997.
[8] Meinanto Tri Sutrisno, Dr. Ir. Dian Retno Sawitri, MT, Dr.-Ing.  Vincent  Suhartono,  “APLIKASI  KONTROL PID  UNTUK  MENGENDALIKAN  GERAK  ROBOT PEMANJAT  TIANG  PADA  KONTES  ROBOT  ABU
INDONESIA”,Universitas Dian Nuswantoro, Semarang, 2015.