LAPORANPROYEK PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROLSISTEM CRUISE CONTROL

OLEH:GRUP 3

SURYA ROGANDA ( 110402065 )LONGSER TAMPUBOLON ( 110402077 )AFRISANTO PAKPAHAN ( 110402078 )HENRI CP SITUMORANG ( 110402076 )

LABORATORIUM SISTEM PENGATURAN DAN KOMPUTERDEPARTEMEN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SUMATERA UTARAMEDAN2014DAFTAR ISIABSTRAKBAB I PENDAHULUANii1.1 Latar Belakangii1.2 Rumusan MasalahiiI.3 TujuaniiBAB II DASAR TEORIiiBAB III PERANCANGAN SISTEMii 3.1 Gambaran Umum Sistem dan Penetapan Definisi Kebutuhan................................. 3.2 Algoritma Sistem 3.1 Flowchart Keseluruhan SistemBAB IV ANALISA SISTEMii4.1 Pengujian sistemii4.2 Analisa sistemiiBAB V PENUTUPii 5.1 Kesimpulan 5.2 Saran

ABSTRAKPesatnya pertumbuhan kendaraan pada beberapa tahun belakangan ternyata sejalan lurus dengan kecanggihan fitur yang disematkan untuk memudahkan konsumen pengguna sekaligus andal dari sisi keamanan . Salah satu fitur canggih yang sudah disematkan pada beberapa produk otomotif adalah Cruise Control. Teknologi ini juga disebut sebagai speed control, autocruise dan berbagai nama lain tergantung dari pabrikan mobil. Dengan penggunaan teknologi pengendali sistem menggunaan program simulasi berbantuan komputer untuk memahami dan mempermudah kerja untuk merealisasikan suatu sistem kontrol . Kita dapat menentukan parameter kontrol yang sesuai sebelum merealisasi sistem tersebut. Tulisan ini akan membahas penggunaan simulink pada Matlab dalam merancang sistem kontrol PID pada sistem Cruise Control pada sebuah mobil .

BAB I PENDAHULUAN1.1 Latar BelakangPesatnya pertumbuhan kendaraan pada beberapa tahun belakangan ternyata sejalan lurus dengan kecanggihan fitur yang disematkan untuk memudahkan konsumen pengguna sekaligus andal dari sisi keamanan . Salah satu fitur canggih yang sudah disematkan pada beberapa produk otomotif untuk keamanan adalah Cruise Control. Teknologi ini juga disebut sebagai speed control, autocruise dan berbagai nama lain tergantung dari pabrikan mobil . Teknologi ini kembali tidak terlepas dari adanya sistem kontrol dalam mewujudkan kenyamanan konsumen dari sebuah industri kendaraan mobil yang saat ini berkembang pesat . Fitur Cruise Control ialah teknologi sistem elektronik yang bertugas menjaga kecepatan kendaraan secara konstan saat melaju pada jalan bebas hambatan . Umumnya sistem ini diterapkan pada mobil . Selain itu sistem ini dapat menghemat pemakaian bahan bakar, dan membantu para pengemudi supaya tidak cepat lelah yakni pengemudi berkesempatan mengemudikan mobilnya pada kecepatan stabil tanpa kaki harus terus menerus menekan pedal gas . Untuk itu, sistem kontrol yang diperlukan dalam perancangan ini ialah yang selama ini dianggap cukup baik yaitu PID (Proportional Integral Differensial), memang sudah diketahui kinerjanya baik oleh kalangan ilmuwan maupun dunia industri. Tetapi pengendali konvensional PID ini tidak dapat digunakan untuk variabel yang tidak linear dan tidak dapat digunakan untuk pada pengendali multi variabel. Pada bidang kendali yang mempunyai multi variabel dan non linear malah lebih mudah dikendalikan oleh operator (manusia), tanpa harus mengetahui persamaan atau model matematik dari sistem yang dikendalikan . Operator (manusia) menginginkan suatu pengendali yang mampu melakukan proses pengendali dengan cara pola pikir atau kerja dari otak manusia. Dengan kemampuan sistem-sistem non linear, dengan variabel-variabel yang tidak jelas batasannya serta mutlak memerlukan model matematik dari sistem yang akan dikendalikan. Pemecahan dari persoalan ini adalah dengan ditemukannya sistem pengendali dari PID. Pengendali ini adalah pengendali cerdas dan dapat digunakan pada bidang pengendali secara luas. Untuk dapat merancang sistem kontrol yang baik diperlukan analisis untuk mendapatkan gambaran tanggapan sistem terhadap aksi pengontrolan. Sebelum merancang sistem kontrol, kita harus memodelkan sistem dinamika terlebih dahulu. Permasalahan yang dihadapi dalam merancang sistem kontrol adalah mendapatkan fungsi alih dari sistem tersebut dengan pendekatan matematika kemudian menganalisisnya apakah sistem tersebut sudah baik atau belum. Dengan bantuan matlab proses analisa fungsi alih akan menjadi jauh lebih mudah dan cepat sehingga akan lebih memudahkan dalam merancang suatu sistem kontrol. Hal lebih lanjut adalah melihat respon keluaran sistem tersebut dalam mempertahankan kecepatan mesin mobil konstan sesuai yang diinginkan .Permasalahan yang akan dibahas pada laporan ini adalah bagaimana menganalisa proses simulink matlab.1.2 Rumusan MasalahRumusan masalah dalam laporan yang kami susun ini adalah sebagai berikut:1.Bagaimana Cruise Control dapat dikontrol putarannya dengan PI, PD,PID yang di simulasikan melalui matlab M.file dan simulink?2.Bagaimana pengaruh PID pengaturan kecepatan Cruise Control yang disimulasikan menggunakan Matlab?3.Hal-hal apa saja yang mempegaruhi kestabilan kecepatan Cruise Control sebuah mobil jika dilihat dari simulasi Matlab ?

I.3 TujuanTujuan dari kegiatan ini adalah membuat simulasi dengan program matlab dengan M.file dan simulink pengendali Proporsional, pengendali Proporsional dan Derivative (PD), pengendali Proporsional dan Integral (PI), pengendali Proporsional, Integral dan Derivative (PID) pada sistem kendali kestabilan kecepatan mobil yang mengaplikasikan Cruise Control untuk melihat besar respon jika pengendalian PID diterapkan sehingga kecepatan dapat berjalan stabil tanpa loncatan maupun penurunan kecepatan pada jalan panjang bebas hambatan .

BAB II DASAR TEORI Pada sistem pengaturan kecepatan, permasalahannya adalah menentukan berapa besar energi elektrik yang harus diberikan pada motor supaya berputar pada kecepatan yang diinginkan, bagaimanapun kondisi beban yang digerakan. Pada sistem pengaturan posisi, masalahnya terutama pada berapa lama energi elektrik harus diberikan agar motor menggerakkan beban yang dipasangkan padanya sampai posisi yang diinginkan, tidak lebih dan tidak kurang. Konfigurasi yang sederhana untuk mencapai tujuan tersebut adalah sistem pengaturan posisi lingkar tertutup seperti diagram blok berikut ini :

Gambar 2.1 Sistem Kendali Posisi

Pemikiran yang mendasari konfigurasi ini adalah memberikan sinyal error (tentunya yang sudah diperkuat) sebagai masukan energi bagi motor. Selama error ada, yang berarti posisi beban belum sesuai dengan yang diinginkan, motor akan bergerak karena mendapat masukan energi. Jika posisi yang telah diinginkan tercapai, motor tidak lagi mendapat masukan energi sehingga beban akan diam di posisi tersebut. Untuk harga penguatan sistem yang besar, sistem di atas memiliki kestabilan relatif yang buruk : respon terhadap masukan step memiliki maximum overshoot yang besar serta osilasi. Hal ini dapat dibuktikan secara matematis. Penjelasan secara fisis diperoleh dengan menghubungkan prinsip kerja di atas dengan konsep kelembaman ataupun dengan mengingat adanya keterlambatan respon sistem (yang dimodelkan dengan sebuah pole atau konstanta waktu). Motor listrik tidak akan dengan seketika berputar pada kecepatan nominal begitu diberikan tegangan nominal. Demikian pula, motor tidak akan langsung berhenti berputar begitu catu dayanya diputus. Salah satu cara perbaikan kinerja sistem pengaturan posisi di atas adalah dengan memberikan umpan balik kecepatan. Pada sistem ini, masukan motor bukanlah sinyal error tetapi sinyal error dikurangi kecepatan. Sistem ini terbukti memiliki kestabilan relatif yang lebih baik. Pada kebanyakan sistem pengaturan kecepatan, yang diinginkan adalah menjaga konstan kecepatan putar untuk segala kondisi beban, bukan mengatur agar kecepatan putarnya berubah-ubah setiap waktu mengikuti masukan acuan yang berubah. Tidak demikian halnya dengan sistem pengaturan posisi. Pada sistem ini, akurasi sistem biasanya diukur tidak hanya dengan steady-state error untuk masukan step, tetapi juga dengan steady-state error untuk masukan yang berubah dengan waktu. Hal ini biasanya diistilahkan sebagai foollowing error. Penambahan kontroler PD ternyata dapat memperbaiki kinerja sistem pengaturan posisi dalam hal besarnya following error ini. Untuk persiapan praktikum, salah satu bahan acuan yang baik untuk dipelajari adalah buku Ogata, "Modern Control Engineering", Prentice-Hall,2ndedition, 1986 (bagian 6-4 hal 225-247, bagian 8-5 hal 341-344)

2.1 Motor DCMotor DC bekerja berdasarkan prinsip gaya elektromagnetik sehingga apabila motor tersebut diberi catu daya, arus akan mengalir ke dalam motor kemudian menghasilkan torsi putar yang sebanding dengan arus tersebut. Pemodelan Rangkaian internal Motor DC secara sederhana dan analisisnya adalah sebagai berikut :

Gambar 2.2 Model Motor DCPersamaan torsi yang dibangkitkan oleh Motor DC dapat didekati secara linear menurut persamaan berikut ini :

dimana K adalah konstanta jangkar motor yang bergantung pada banyaknya lilitan pada jangkar, jumlah kutub medan, tipe belitan dan penampang jangkarnya. Adapun besarnya tegangan ggl induksi lawan yang dibangkitkan motor ketika berputar adalah sebanding dengan konstanta motor Kb dan kecepatan sudut putaran motor & atau turunan pertama dari posisi sudut motor ( ) :

Dengan menggunakan hukum newton, bahwa persamaan torsi yang terkait dengan momen inersia dan rasio redaman dari motor adalah:

dari persamaan (1) dan (3) diperoleh:

Sedangkan besarnya tegangan V menurut hukum kirchoff adalah:

Dengan me-laplace-kan persamaan (4) dan (6) dan mensubstitusikannya, maka diperoleh fungsi transfer antara posisi sudut motor q terhadap tegangan armature V dimana Ka =Kb

Maka persamaan (7) diatas dapat digunakan sebagai Indentifikasi plant dimana nilai nya belum diketahui dan akan dibahas selanjutnya pada bab selanjutnya. 2.2 Pengendali PID Pengendali PID banyak dipergunakan karena sederhana dalam penggunaannya dan mudah dipelajari. Lebih dari 95% proses di industri menggunakan pengendali ini. Pengendali ini merupakan gabungan dari pengedali proportional (P), integral (I), dan derivative (D). Berikut ini merupakan blok diagram dari sistem pengendali dengan untai tertutup (close Loop):

Gambar 2.3 Diagram Blok Closed LoopPlant : sistem yang akan dikendalikan Controller : Pengendali yang memberikan respon untuk memperbaiki respon e : error= R - pengukuran dari sensor: MV(t) = Pout + Iout + DoutVariabel yang nilai parameternya dapat diatur disebut Manipulated variable (MV) biasanya sama dengan keluaran dari pengendali ( u(t) ). Keluaran pengendali PID akan mengubah respon mengikuti perubahan yang ada pada hasil pengukuran sensor dan set point yang ditentukan. Pembuat dan pengembang pengendali PID menggunakan nama yang berbeda untuk mengidentifikasi ketiga mode pada pengendali ini diataranya yaitu :P Proportional Band = 100/gain I Integral = 1/reset (units of time) D Derivative = rate = pre-act (units of time)Atau P Kp= Konstanta Proportional

Ikonstanta integral

D konstanta derivativeAtau secara umum persamaannya adalah sebagai berikut :

atau dapat pula dinyatakan dengan :

2.3 Karakteristik Pengendali PID Sebelum membahas tentang karakteristik Pengendali PID maka perlu diketahui bentuk respon keluaran yang akan menjadi target perubahan yaitu :

Gambar 2.4 Jenis Respon KeluaranTiga jenis sistem kendali dan karakteristiknya: 1. Kendali Proporsional (P) Pengaruh pada sistem : Menambah atau mengurangi kestabilan Dapat memperbaiki respon transien khususnya : rise time, settling time. Mengurangi waktu naik, tidak menghilangkan Error steady stateUntuk menghilangkan Ess, dibutuhkan KP besar, yang akan membuat sistem lebih tidak stabil.

2. Kendali Integral (I) Pengaruh pada sistem : Menghilangkan Error Steady State Respon lebih lambat (dibanding P) Dapat menimbulkan ketidakstabilan (karena menambah orde sistem)

3. Kendali Derivatif (D) Pengaruh pada sistem : Memberikan efek redaman pada sistem yang berosilasi sehingga bisa memperbesar pemberian nilai Kp. Memperbaiki respon transien, karena memberikan aksi saat ada perubahan error. D hanya berubah saat ada perubahan error, sehingga saat ada error statis D tidak beraksi Sehingga D tidak boleh digunakan sendiri.Secara sistematis, Respon PID controller terhadap perubahan waktu dapat di buat dalam tabel 2.1 berikut:Close-loopResponseRise TimeOvershootSettling-times-s error

KpDecreaseIncreaseSmall changeDecrease

KiDecreaseIncreaseIncreaseEliminate

KdSmall changeDecreaseDecreaseSmall change

Tabel 2.1 Respon PID Controller Terhadap Perubahan Konstanta

BAB III PERANCANGAN SISTEM3.1 Gambaran umum sistem dan Penetapan Definisi KebutuhanPenulis menggunakan model Cruise Control yang sederhana, dimana inersia roda diabaikan, dan juga diasumsikan gesekan (yang proporsional terhadap kecepatan kendaraan) berlawanan dengan gerakan kendaraan . Konstanta redam (damping) dari sistem kendali Cruise Control yang akan dirancang kami dapat dari contoh kasus dari situs internet sebuah Universitas Michigan. Konstanta tersebut sebagai berikut : Massa Mobil (m) = 1000 kg Koefisien damping (b)= 50 Nsec/m (kg/sec) Kecepatan Referensi (r)= 10 m/s Gaya dari mesin ; U(s) = 500 NDalam hal parameter kecepatan referensi dan Gaya dari mesin, kami mengganggap sesuai literatur tentang teknologi ini bahwa nilai kecepatan refernsi 10 m/s memiliki nilai gaya pada mesin 500 N .Fungsi alihnya, sesuai dari sumber yang kami terima untuk dianalisis yaitu :

Dengan rumus tersebut dimasukkan nilai masing-masing parameter, sehingga didapatlah :

BAB IV ANALISA SISTEM

4.1 Pengujian tiap blok parameter Kontrol PID secara loop terbuka

Untuk pengujian pertama dilakukan pada plant Cruise Control yang diberi sinyal input berupa sinyal step, kemudian kita lihat hasil responnya yang meliputi besar nilai Rise Time, Overshoot dan Steady State Error . Berikut merupakan grafik loop terbuka Cruise Control tanpa menggunakan kontrol . Tujuan dari pengujian tiap-tiap komponen sistem ialah agar kita dapat mengetahui bagaimana hasil respon sistem yang direncanakan .

Gambar 4.1.1 Respon sistem Tanpa pengendaliDari gambar 4.1 di atas dapat dilihat hasil dari kinerja respon dari motor DC tanpa pengendalian yang diberikan input sinyal step. Bahwa respon sistem memiliki rise time yakni sampai dengan 43.9 sec, overshoot 0 % dan steady state error 0% .4.2 Pengujian dan Analisa Performansi Penalaan Parameter Kontrol PID untuk pengendalian Kecepatan Cruise Control secara close loopPengujian simulasi dilakukan dengan memberikan masukan set point secara step . Tujuan pemberian masukan supaya kita dapat mengetahui respon sistem terhadap perubahan masukan set point. Tahap-tahap yang dilakukan disesuaikan dengan metode penalaan coba-coba (Heuristic Methode), yakni penalaan parameter pengendali dimulai dengan hanya menggunakan pengendali P, kemudian baru ditambahkan pengendali I dan terakhir ditambahkan dengan pengendali D. Pemberian nilai parameter disesuaikan dengan karakteristik respon sistem yang diperoleh. Uji performansi yang pertama kali dilakukan adalah dengan memasukkan input berupa besaran step yang dalam hal ini berupa tegangan referensi. Untuk melakukan simulasi ini maka digunakan model simulink untuk pengendalian Cruise Control mobil . Pengujian dan analisa dilakukan terhadap sistem yang menggunakan pengendalian PID yang diterapkan pada close loop pengendalian kecepatan Cruise Control. Untuk itu kita mencoba memasukkan nilai Kp, Ki dan Kd sesuai dengan keinginan sampai didapatkan hasil respon PID yang terbaik untuk sistem pengendalian kecepatan pada sistem Cruise Control dari sebuah mobil.Dalam bentuk program M.file Tanpa Pengendali

Gambar 4.2.1 Respon keluaran Cruise Control tanpa pengendali

Menggunakan Pengendali Proporsional

Gambar 4.2.2 Respon keluaran sistem Cruise Control Proporsional Menggunakan Pengendali Proporsiional Integral (PI)

Gambar 4.2.3 Respon keluaran sistem Cruise Control Proporsional - Integral Pengendali Proporsional Derivative

Gambar 4.2.4 Respon keluaran sistem Cruise Control Proporsional-Derivative Pengendali Proporsional Integral Derivative

Gambar 4.2.5 Respon keluaran sistem Cruise Control Proporsional Integral - Derivative

Simulink : 1.Tanpa Pengendali PID

2.Dengan Pengendali Proporsional

3.Dengan Pengendali Proposional Integral

4.Dengan Pengendali Proporsional dan Derivative

5.Dengan Pengendali Proporsional, Integral dan Derivative

Blok Simulink

BAB V PENUTUP5.1 Kesimpulan Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa perancangan suatu sistem kontrol akan menjadi lebih mudah dan menarik dengan menggunakan bantuan program aplikasi komputer matlab dengan fasilitas simulink-nya. Merancang suatu PID Controller memang tidak mudah, sebab penentuan konstantanya dilakukan secara trial and error. Selain itu perubahan salah satu konstanta akan berpengaruh terhadap parameter yang lain. Namun demikian, kesulitan tersebut sudah sedikit teratasi dengan bantuan komputer. Sebab respon dapat langsung dilihat tanpa melakukan perhitungan yang rumit dan memakan waktu panjang.5.2 SaranSetelah melihat dan menganalisis masalah yang dihadapi mahasiswa jurusan Teknik Elektro dalam mempelajari teori perkuliahannya, perlu disarankan penyediaan komputer khusus untuk simulasi dan analisis agar mereka lebih termotivasi mempelajari prinsip kerja suatu sistem yang cenderung membosankan karena tidak dapat mengetahui secara pasti keluaran yang semestinya dan melihat pengaruh input terhadap outputnya.

Daftar PustakaOgata, Katsuhiko ,Teknik Kontrol Automatik Jilid 1, Edisi kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2002

Modul praktikum dasar sistem kendali laboratorium sistem pengaturan & komputer Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utarahttp://henry-toruan.blogspot.com/2012/08/simulasi-sistem-kontrol-pid-untuk-motor.html

LAMPIRAN

1.Pengujian tanpa menggunakan pengendali%PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL_GBU%Sistem Tanpa Kontrol pada CRUISE CONTROL %massa(m)=1000kg; koef damping(b)=50Ns/m; gaya pd mesin(u)=500Nm = 1000;b = 50;r=10;u=500;Ys=[m b];Us=1;step(r*Us,Ys)title('Step Response Cruise Tanpa Kontrol')xlabel('Waktu (s)')ylabel('Kecepatan (m/s)')figure(1);

2.Pengujian menggunakan Kp = 1000%PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL_GBU%Kontrol Proporsional pada CRUISE CONTROL %massa(m)=1000kg;koef damping(b)=50Ns/m;gaya pd mesin(u)=500Nkp=1000;r=10;m = 1000;b = 50;u = 500;Ys=[m b+kp];Us=kp;t=0:0.1:40;step(r*Us,Ys,t)axis([0 40 0 12])title('Step Response Cruise Control Kp=1000')xlabel('Waktu (s)')ylabel('Kecepatan (m/s)')figure(1);

3.Pengujian menggunakan Kp = 1000; Ki = 50 %PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL_GBU%Kontrol Proporsional Integral pada CRUISE CONTROL %massa(m)=1000kg;koef damping(b)=50Ns/m;gaya pd mesin(u)=500Nkp=1000;ki=50;r=10;m = 1000;b = 50;u = 500;Ys=[m b+kp ki];Us=[kp ki];t=0:0.1:40;step(r*Us,Ys,t)axis([0 40 0 12])title('Step Response Cruise Control Kp=1000;Ki=50')xlabel('Waktu (s)')ylabel('Kecepatan (m/s)')figure(1);

4.Pengujian menggunakan Kp = 1000; Ki = 50; Kd = 20%PRAKTIKUM DASAR SISTEM KONTROL_GBU%Kontrol Proporsional Integral pada CRUISE CONTROL %massa(m)=1000kg;koef damping(b)=50Ns/m;gaya pd mesin(u)=500Nkp=1000;ki=50;r=10;m = 1000;b = 50;u = 500;Ys=[m b+kp ki];Us=[kp ki];t=0:0.1:40;step(r*Us,Ys,t)axis([0 40 0 12])title('Step Response Cruise Control Kp=1000;Ki=50')xlabel('Waktu (s)')ylabel('Kecepatan (m/s)')figure(1);

xxiv