6 Bab 2 Landasan Teori 2.1 Sistem Kontrol Kata kontrol atau pengendalian mempunyai arti mengatur, mengarahkan dan memerintah. Dengan kata lain bahwa sistem pengendalian adalah susunan komponen - komponen fisik yang dihubungkan sedemikian rupa sehingga memerintah, mengarahkan, atau mengatur diri sendiri atau sistem lain. Arti sistem pengendalian dalam bidang ilmu pengetahuan dibatasi untuk diterapkan ke sistem- sistem yang fungsi utamanya adalah memerintahkan, mengarahkan dan mengatur secara dinamis(distefano III, Stubberud, Williams, p1, 1992). Dalam suatu sistem kontrol, yang dimaksudkan dengan masukan (input) adalah rangsangan yang diterapkan ke sebuah sistem pengendalian dari sumber energi luar, agar menghasilkan tanggapan tertentu dari sebuah sistem pengendali(distefano III, Stubberud, Williams, p1, 1992). Sedangkan yang dimaksud dengan keluaran (Output) adalah tanggapan sebenarnya yang diperoleh dari sebuah sistem pengendalian(distefano III, Stubberud, Williams, p1, 1992). Tanggapan ini bisa sama atau juga tidak bisa sama dengan tanggapan yang ada pada masukan.
2.1.1 Sistem Loop Terbuka dan Sistem Loop Tertutup 2.1.2.1 Sistem Loop Terbuka Diagram kerja sistem kontrol lup terbuka (Open Loop System) dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 2.1 Sistem Loop Terbuka Sistem dimana output tidak memiliki efek dari proses kontrol disebut open loop control systems (sistem kontrol lup terbuka). Dengan kata lain, pada sebuah sistem loop terbuka output tidak diukur atau diumpan balikkan untuk dibandingkan dengan input. Satu contoh dari sistem loop terbuka adalah mesin cuci. Pada sebuah sistem kontrol loop terbuka, output tidak dibandingkan terlebih dahulu dengan referensi input. Oleh karena itu, masing- masing referensi input menghasilkan kondisi operasi yang tetap; sebagai hasilnya, ketepatan dari sistem ditentukan oleh kalibrasi yang dilakukan. Dengan adanya gangguan, sebuah sistem kontrol lup terbuka tidak akan membuat hasil yang diinginkan. Sebuah sistem kontrol
lup terbuka dapat digunakan dengan baik bila input dan output sudah diketahui dan tidak ada gangguan internal, maupun eksternal. Setiap data yang diterima akan diproses untuk menghasilkan output. Sesuai dengan namanya, sistem ini tidak akan mengetahui apa yang terjadi dengan keluaran disebabkan tidak adanya umpan balik (feedback) pembanding dan keluaran. 2.1.1.2 Sistem Loop Tertutup Diagram kerja sistem kontrol lup tertutup (closed loop systems) dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 2.2 Sistem Loop Tertutup Sistem Loop Tertutup adalah sistem yang menjaga agar hubungan antara output dan referensi input seimbang dengan menggunakan perbedaan keduanya (sinyal error) sebagai media untuk kontrol. Sinyal error yang merupakan perbedaan dari input dan sinyal umpan balik yang bisa merupakan sinyal output atau fungsi dari sinyal output dan derivatif atau integralnya, diumpanbalikkan ke kontroler untuk mengurangi terjadinya error pada system kami feedback dan input didapatkan dari hasil pembacaan sensor sedangkan output adalah besarnya pergerakan motor serta relay.
9 2.2 Kapasitas panas Kapasitas panas adalah jumlah energi yang diperlukan untuk mengubah suhu setiap satuan massa atau mol. Satuan internasional dari kapasitas panas adalah Joule. Semakin besar penampung, semakin besar juga kapasitas panasnya. Contohnya sebuah bak air yang diisi penuh akan mempunyai kapasitas panas yang lebih besar daripada segelas air yang diisi penuh. (http://klasiber.informatika.web.id/file.php/63/bahan_kuliah/kuliah_4_-_pap.pdf) Kapasitansi panas C di tunjukkan dengan : Dengan definisi : Q = c. m. T...(2.1) Q = perubahan energi panas, Joule -1 c = kapasitas panas dari medium, J Kg -1 C m = massa dari medium, Kg T = perubahan suhu, C 2.3 Logika Fuzzy Logika fuzzy merupakan alternatif cara berpikir yang dapat memodelkan kompleks sistem menggunakan pengetahuan dan pengalaman yang dimiliki. Jadi Logika Fuzzy adalah suatu sistim untuk memecahkan masalah kontrol. Masalah kontrolnya dapat bervariasi mulai dari sebuah sistim microcontroler yang kecil dan sederhana sampai dengan sebuah sistim komputer yang mempunyai jaringan yang sangat luas.
10 Logika Fuzzy dapat membuat sistim untuk menarik kesimpulan dari sebuah informasi yang ambigu, tidak tepat atau kurang lengkap. Logika Fuzzy meniru bagaimana seseorang akan mengambil keputusan. 2.3.1 Cara Melakukan Metode Logika Fuzzy Cara melakukan logika fuzzy terbagai dalam 3 tahap, yaitu Fuzzifikasi, inferens, dan defuzzifikasi. 2.3.1.1. Fuzzifikasi Langkah pertama dalam logika fuzzy adalah mengubah sinyal dari input menjadi sebuah set variabel fuzzy. Hal ini disebut klasifikasi fuzzy atau fuzzifikasi. Fuzzifikasi dilakukan dengan memberikan nilai (yang akan menjadi variabel fuzzy) kepada setiap set dari fungsi keanggotaan. Fuzzy classifier yang umum membagi sinyal x menjadi lima buah tingkatan fuzzy: a) LP: x adalah Large Positive (Positif Besar) b) MP: x adalah Medium Positive (Positif Sedang) c) S: x adalah Small (Kecil) d) MN: x adalah Medium Negative (Negatif Sedang) e) LN: x Large Negative (Negatif Besar) Fungsi keanggotaan dari lima tingkatan fuzzy ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
11 Gambar 2.3 Fungsi Keanggotaan 2.3.1.2. Inferens Kontrol fuzzy menggunakan persamaan IF.. THEN. Maka jika dilihat dari hasil fuzzifikasi, tipe input yang didapat oleh sistem ada 5 buah. Yaitu LN, MN, S, MP,dan LP. Maka output yang akan dikeluarkan oleh sistem juga 5 buah. Yaitu LN, MN, S, MP dan LP. Dari 5 tipe input dan output dapat dibuat rule sebagai berikut: IF input = LN THEN output = LN IF input = MN THEN output = MN IF input = S THEN output = S IF input = MP THEN output = MP IF input = LP THEN output = LP
12 2.3.1.3. Defuzzifikasi (Mengubah set variabel fuzzy menjadi sebuah sinyal) Langkah terakhir dalam membangun sebuah sistem logika fuzzy adalah mengubah variabel fuzzy yang dihasilkan oleh aturan logika fuzzy menjadi sinyal kembali. Proses logika fuzzy yang melakukan hal ini disebut defuzzifikasi. Metode yang paling sering digunakan untuk melakukan defuzzifikasi adalah metode centre of gravity. Cara melakukan centre of gravity adalah dengan mengalikan fungsi keanggotaan dari masing masing tingkatan dengan output. Dan dibagi dengan total fungsi keanggotaan. mu(1)*output(1) + mu(2)*output(2) + mu(3)*output(3) + mu(n)*output(n) mu(1) + mu(2) + mu(3) + mu(n)..(2.3) Dengan definisi: Mu (x) = derajat keanggotaan dari x Output (x) = besarnya aksi yang harus dilakukan pada keadaan x Misalkan: A mempunyai fungsi keanggotaan 0.2 LP, 0.8 MN, 0 S, 0 MP dan 0 LP. Dengan output(1) = 1, output(2) = 0.5, output(3) = 0, output 4 = -0.5 dan output4 = -1 Maka perhitungan fuzzy secara centre of gravitynya adalah: 0.2*1 + 0.8*0.5 + 0*0 + 0*-0.5+ 0*-1 0.2 + 0.8 + 0 + 0 + 0 Maka hasilnya output kontrolnya adalah 0.6
13 2.4 Motor Langkah Motor langkah adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor langkah bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Penggunaan motor langkah memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor langkah dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor langkah unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (VM) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan. Gambar 2.4 Motor Langkah dengan Lilitan Unipolar
14 Untuk motor langkah dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya. Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor langkah bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor langkah unipolar dalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama. Gambar 2.5 Motor Langkah dengan Lilitan Bipolar 2.4.1 Jenis Motor Langkah Pada umumnya motor langkah terdiri dari 3 macam yaitu :
15 1. Motor langkah tipe Variable Reluctance (VR) Gambar 2.6 Penampang Melintang Tipe Variable Reluctance (VR) Motor langkah jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi tegangan dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator. 2. Motor langkah tipe Permanent Magnet (PM) Gambar 2.7 Permanent Magnet (PM) Motor langkah jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti bundaran yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang berlawanan. Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks
16 magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. 3. Motor langkah tipe Hybrid (HB) Gambar 2.8 Penampang Melintang Tipe Hybrid Motor langkah tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor langkah sebelumnya. Motor langkah tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. 2.4.2 Pergerakkan Motor Langkah Ada beberapa cara menggerakan motor langkah, diantaranya : 1. Full Step Full step adalah salah satu cara menggerakan motor langkah dengan cara mengaktifkan salah satu coil yang terdapat motor langkah. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 2.8.
17 Gambar 2.9 Pergerakan Full Step Motor Langkah 2. Half Step Half step adalah salah satu cara menggerakan motor langkah sedemikian rupa sehingga pergerakan putaran motor lebih halus. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.9.
18 Gambar 2.10 Pergerakkan Half Step Motor Langkah 2.6 Analog to Digital Converter (ADC) ADC singkatan dari Analog to Digital Converter. Sesuai dengan namanya, alat ini mengubah masukan analog menjadi digital. Ini berguna bila kita ingin memasukkan suatu data ke dalam komputer. Komputer hanya bisa menerima data secara digital.
19 Salah satu contoh ADC yaitu ADC 0809. ADC ini memiliki 8 buah pin input sehingga bisa menerima 8 input. ADC ini juga memliki 8 buah pin output. Gambar 2.11 ADC 0809 2.6.1 Successive Approximation Register (SAR) Salah satu cara konversi yang dipakai adalah Successive Approximation Register. Cara ini bekerja dengan membandingkan voltase input dengan voltase referensi tertentu untuk menentukan perkiraan hasil yang terbaik. Pada setiap langkah pada proses ini, nilai biner dari perkiraan yang dilakukan disimpan
20 dalam Register SAR. SAR akan menggunakan sebuah voltase referensi sebagai perbandingan. Jika nilai voltase analog yang diterima lebih besar dari voltase referensi, maka nilai outputnya adalah H, sedangkan jika voltase analog yang diterima lebih kecil dari voltase referensi, maka nilai outputnya adalah L. Langkah ini dilakukan berulang- ulang dari MSB hingga LSB. Sebagai contoh, jika kita tegangan analog yang akan diukur sebesar 200 V dengan resolusi 8 bit, maka proses yang dilakukan adalah : Akan diberikan bit data dari MSB : 1 0 0 0 0 0 0 0 = 128 Input analog adalah sebesar 200V, karena voltase input > voltase referensi maka berlogic High yang berarti data benar. Kemudian akan diberikan data bit : 1 1 0 0 0 0 0 0 = 192 Kemudian kembali dibandingkan dengan voltase input sebesar 200, karena voltase input > voltase referensi maka masih berlogic High yang berarti data benar. Langkah diatas akan dilakukan berkali- kali hingga didapat: 1 1 0 0 1 0 0 0 = 200