PENGENDALIAN SISTEM PENDULUM TERBALIK BERDASARKAN ALGORITMA BACKPROPAGATION

Transkripsi

1 PENGENDALIAN SISTEM PENDULUM TERBALIK BERDASARKAN ALGORITMA BACKPROPAGATION " I" -: IJ'< -I I c;; 5.~.G. ~.. 03 ~I' I ib I".?~ _.... I I Oleh: NAMA : ANTONIUS WIBOWO NRP : NIRM : JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK WIDYA MANDALA SURABAYA 2001

2 PENGENDALIAN SISTEM PENDULUM TERBALIK BERDASARKAN ALGORITMA BACKPROPAGATION SKRIPSI DIAJUKAN KEPADA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK WIDYA MANDALA UNTUK MEMENUHI SEBAGIAN PERSYARA T AN MEMPEROLEH GELAR SARJANA TEKNIK BIDANG TEKNIK ELEKTRO OLEH: NAMA : ANTONIUS WIBOWO NRP : NIRM :

3 LEMBAR PENGESAHAN Ujian Skripsi bagi mahasiswa tersebut di bawah ini : NAMA NRP NIRM ANTONIUS WIBOWO J)o Telah diselenggarakan pada : Tanggal 4 OK'fOBER 2001.'. Karenanya yang bersangkutan dengan Skripsi ini dinyatakan telah memenuhi sebagian persyaratan ~urlkulum gunamemperoleh gel~~~arjana TEKNIK di bidang TEKNIK ELEKTRO. SUrabaya, 8 Oktober 2001 Drs. Peter R ~a, MXomp. Pembimbing I } ~. Widya ~rdia W, ST, MT. Pembimbing II f) I I Albert 0 -==--~ _ ~ Kenm If. Rasional Sitepu, M.Eng. Anggota If. L Satyoadi Anggota JURUSANTEKNIKELEKTRO K;,L~?e~'~' Albert Gunadhi, ST, MT, NIK ,0209 FAKULTASTEKN Dekan Ir. Nani Indraswati NIK,521.86,0121

4 ABSTRAK Sistem pendulum terhalik memiliki banyak aplikasi praktis dan seringkali digunakan untuk menguji desain sistem kontrol yang haru. Sistem pendulum terhalik terdiri dari sebuah pendulum yang terhuhung dengan sehuah cart yang digerakkan oleh motor, dimafla yang diinginkan yaitu menjaga pendulum tetap pada posisi kesetimbangannya. Selain menjaga pendulum tetap tegak, pengendali mengusahakan posisi cart pada tengah Jalur. Pengendali yang dirancang harus dapat mengatasi adanya peruhahan parameter maupun gangguan yang mungkin timbul, termasuk gaya dari luar. Kemampuan jaringan syaraf tiruan (.fs1) untuk mempelajari sifat-sifat non tinier sangat berguna dalam pengidentifikasian dan pengontrolan sistem pendulum terbalik. Dengan menggunakan.1st sehagai pengendali yang disusun dengan konfigurasi kontrol adaptif langsung (Direct Adaptive Control). Algoritma belalar yang diterapkan adalah Algoritma propagasi halik (Hackpropagation, HP) yang relatifmudah dipahami dan memiliki konsep helajar yang relatifsederhana. Sistem mekanik pendulum terhalik terdiri dari pendulum terkopel dengan potensiometer. Pendulum terse but dapat berputar bebas pada sumbu potensiometer yang melekat pada cart. Selanjutnya cart dihuhungkan dengan kahel ditempatkan pada lintasan yang dikendalikan oleh motor lx' sehingga dapal bergerak secara horisontal pada linlasan Un/uk mengonlrol pendulum terbalik memanf(jatkan umpan balik dari hasi! pengukuran empat slate variabel. Pengendali terbuat dari multilayer percepton yang memiliki 12 input, sehuah hidden layer dan 1 unit output layer. Sinyal output dari pengendali dikirim melalu; penguat yang menggerakkan motor DC untuk menghasilkan torsi motor Tm' Simulasi pada program Matlab dilakukan dengan melatih pengendali dengan sistem pendulum terhalik yang dimodelkan secara matematis untuk memperoleh per!ormansi dari sistem secara keseluruhan. Pengendali mampu mengendalikan sistem yang disimulasikan dengan performa yang baik. fmplementasi langsung pengendali secara aktual pada sistem mekanik pendulum dilakukan dengan menggunakan hahasa pemrograman Pascal. Walaupun mengalami kendala sensor dan ketidaklinier plan yang tidak diperhitungkan, pengendali mampu menyeimhangkan pendulum dengan kondisi awal sudut ::t 10 derajat serta menjaga pendulum tetap tegak walaupun ada gangguan gaya dari luar sistem. iii

5 KA TA PENGANTAR Penulis mengucapkan puji syukur kepada Tuban Yang Maha Esa, yang telah mencurahkan rahmat, berkat dan hikmahnya sehingga Skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Banyak tantangan, hambatan dan rintangan yang dialami penulis dalam pembuatan alat ini, baik secara fisik maupun mental. Namun berkat pertolongannyalah semuanya dapat berakhir dengan baik. Skripsi denganjudul: PENGENDALIAN SISTEM PENDULUM TERBALIK BERDASARKAN ALGORITMA BACKPROPAGATION dimaksudkan guna melengkapi sebagian dari persyaratan kurikulum Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Elektro. Akhirnya, semoga skripsi ini berguna bagi pembaca dan semua pihak yang berkepentingan. Surabaya, Oktober 2001 Penulis IV

6 Ucapan Terima Kasih Dalam usaha mencapai kesempumaan, penulis mendapat bantuan dari para pembimbing maupun pihak lain yang secara langsung atau tidak langsung sangat besar peranannya. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besamya kepada: 1. Bapak Peter R. Angka, M.Komp. selaku Dosen Pembimbing I yang telah menyediakan waktu untuk memberikan nasehat, bimbingan dan pengarahan sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik. 2. Bapak Widya Andyardja w., S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing Il yang telah membantu, mengarahkan dan memberikan banyak masukan dalam proses pembuatan alat dalam skripsi ini. 3. Bapak If. 1. Satyoadi selaku Kepala Laboratorium Kontrol Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya yang telah menyediakan laboratorium dan fasilitas penunjang lainnya serta membantu mengarahkan dan memberikan banyak masukan dalam proses pembuatan alat dalam skripsi ini. 4. Ibu If. Melani Satyoadi selaku Dosen Wali di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya yang tel all memberikan dorongan dan semangat dalam pembuatan skripsi ini. 5. Bapak Hartono Pranjoto, Ph.D. selaku Dosen di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya yang telah memberikan dorongan dan seman gat dalam pembuatan skripsi ini.

7 6. Para dosen penguji yang telah meluangkan waktu untuk memberikan penilaian serta masukan-masukan yang berguna bagi penulis. 7. Semua Bapak dan Ibu Dosen yang turnt membantu, baik selama kuliah maupun yang telah memberikan bimbingan informal kepada penulis selama penulisan skripsi ini. 8. Segenap staf karyawan Perpustakaan Unika Widya Mandala yang telah membantu dan memberikan fasilitas dalam penyediaan buku Iiteratur. 9. Kedua orang tua dan selumh keluarga yang telah memberikan dukungan sepenuhnya dalam penyusunan dan penyelesaian skripsi ini. 10. Ternan-ternan yang telah banyak membantu dan mendukung penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. \"I

8 DAFTAR lsi HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATAPENGANTAR UCAP AN TERIMA KASIH DAFTARISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL IV v Vll Vlll xv BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang 1.2. Permasalahan 1.3. Tujuan. 14. Pembatasan Masalah Pendekatan Konsep Dalam Mewujudkan Skripsi Sistematika Pembahasan BAB II. TEORI PENUNJANG 2.1. Pendahuluan 2.2. Jaringan Syaraftiruan. 6 7 V11

9 3.5. Penggerak Motor DC dan PWM Penggerak Motor DC PWM Desain Pengendali dengan Jaringan SyarafTiruan Arsitektur Jaringan SyarafTiruan l.Jaringan Syaraf Timan untuk Model Plan Jaringan SyarafTiman untuk Pengendali Proses Pelatihan Proses Pelatihan Model Plan Proses Pelatihan Pengendali Cost Function Algoritma Pembelajaran BTl" Implementasi pada Sistem Mekanik Algoritma Program Utama Algoritmainterrupt Service Routine Proses Pelatihan 61 BAB IV. PENGUKURAN DAN PENGUJlAN ALAI 4.1. Pendahuluan 4.2. Pengukuran Sensor, RPS, dan ADC 4.3. Pengujian Awal Motor Servo DC 4.4. Pengukuran Pembangkit PWM 4.5. Proses Pembelajaran Identifikasi Sistem IX

10 2.3. Proses Pembelajaran Terawasi (Supervised [,earning) Sistem Pengendalian Digital Konfigurasi Sistem Kontrol Digital Sistem Waktu Diskrit Sampling Kuantisasi Transformasi Z Karakteristik Sistem Kontrol Kestabilan Prinsip Motor Servo DC Konstruksi dan Rangkaian Ekivalen Karakteristik Motor Servo DC Karakteristik Mekanik PWM ( Pulse Width Modilation ) 34 BAB III. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1. Blok Diab'Tam 3.2. Sistem Mekanik Pendulum Terbalik Model Analitik Sistem Pendulum Terbalik Motor DC Penentuan Parameter 3.3. Sensor dan Rangkaian Pengkondisi Sinyal 3.4. Digital Signal Processing Card YIll

11 Pembelajaran Pengendali 4.6. Implementasi pada Sistem Mekanik Sesungguhnya BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. KESIMPULAN 5.2. SARAN DAFT AR PUST AKA LAMPIRAN x

12 DAFTAR GAMBAR GAM BAR HAL 2.1. Blok Diagram Pengendalian Sistem Pendulum Terbalik Fungsi Ambang Batas Fungsi Piecewise - Unier Beberapa Model Neuron Yang Umum Digunakan Fungsi Sigmoid (A) Fungsi Sigmoid Simetri (B) Fungsi Sigmoid Nonsimetri Jaringan Umpan Maju Dengan Neuron Lapis Tunggal Lapisan Umpan Maju Yang Terkoneksi Seluruhnya Dengan 1 Lapisan Tersembunyi Lapisan Umpan Maju Yang Terkoneksi Sebagian Dengan 1 Lapisan Tersembunyi Jaringan Berulang Tanpa Self- Feedback Loop Dan Tanpa Neuron Tersembunyi Jaringan Berulang Dengan Menggunakan Neuron Tersembunyi Kisi - Kisi Satu Dimensi Dengan 3 Neuron xi

13 Kisi - Kisi 2 Dimensi Dengan Menggunakan 3 Neuron 3x Taksonomi Proses Pembelajaran Ilustrasi 2 Sinyal Dasar Pada Back - Propagation Blok Diagram Sistem Konfigurasi Kontrol Digital Konverter Sinyal Analog ke Digital Konstruksi Dasar Motor Servo Dc Rangkaian Pengganti Motor Servo Dc Grafik Korelasi Torsi Dengan Kecepatan Pulse Width Modulation Blok Digram Pengendalian Sistem Pendulum Terbalik Sistem Mekanik Pendulum Terbalik B10k Digram Gaya - Gaya Pada Cart Dan Pendulum (A) Test Untuk Menentukan Konstanta K) 42 (B) Test Untuk Menentukan Konstanta K2 Dan Ra Rangkaian Pengkondisi Sinyal Blok Digram DSP Card Rangkaian Penggerak Motor Dc Rangkaian Pwm Bentuk Input Dan Output Dari D Flip - Flop Blok Digram Pengendali Untuk Plant Nonlinier 51 xii

14 Arsitektur Model Plant Arsitektur Jaringan Pengendali Blok Digram Pelatihan Model Gambaran Umum Sekuen Kontrol Dan Subsekuen BTT Aliran Data Pendulum Ideal Dengan Pegasnya Grafik Hubungan Sudut Dengan Tegangan Sensor Grafik Hubungan Tegangan Sersor Dengan Tegangan RPS Grafik Hubungan Posisi Dengan Tegangan Sensor Grafik Hubungan Tegangan Sensor Posisi Dengan Tegangan RPS Grafik Hubungan Kecepatan Motor Dengan Tengangan Jangkar Grafik Hubungan Arus Jangkar Motor Dengan T egangan J angkar Grafik Hubungan Vcontroller Dengan Nilai PWM Prosedure Identifikasi Sistem (A) Respon Sistem (B) Respon Model Neural SinyaI Kontrol Kesalahan Prediksi 73 Xlll

15 Kurva Awal Belajar Hasil Pembelajaran Awal Hasil Simulasi Akhir Respon Posisi Respon Sudut Analisa Respon Sudut 78 XIV

16 DAFTAR TABEL TABEL HAL Alamat Komponen - komponen DSP card Fonnat Control Word Pengukuran Sensor Sudut sebelum RPS Pengukuran Tegangan Sensor Sudut sesudah RPS Pengukuran Sensor Posisi sebelum RPS Pengukuran Sensor Posisi sesudah RPS Pengukuran Awal Karakteristik Motor Servo DC Rata - rata Pengukuran Awal Karakteritik Motor Servo DC Tabel Hubungan PWM dengan Veontroller dan Dutycyle 70 X\