BAB II DASAR TEORI Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan skripsi ini terdiri dari sensor ultrasonic HCSR04, mikrokontroler Arduino Uno, Pompa Air 12V dengan drivernya, on - off controller, PID controller, dan Fuzzy Logic controller. 2.1. Sensor Ultrasonic HCSR04 Sensor Ultrasonik ini digunakan untuk mendeteksi obyek(air) melalui pantulan suara. Sensor ini menghasilkan gelombang suara pada frekuensi tinggi yang kemudian dipancarkan oleh pin trigger. Pantulan gelombang suara (echo) yang mengenai benda di depannya akan ditangkap oleh pin echo. Jarak benda yang ada di depan modul sensor tersebut didapatkan dengan cara mengetahui lama waktu antara dipancarkannya gelombang suara oleh transmitter sampai ditangkap kembali oleh receiver. Gambar 2.1 Sensor Ultrasonik HCSR04 Gambar 2.2 Cara Kerja Sensor Ultrasonik. 4
Spesifikasi sensor HC-SR04 adalah sebagai berikut: 1. Power Supply :5V DC 2. Quiescent Current : <2mA 3. Effectual Angle: <15 4. Ranging Distance : 2cm 500 cm/1" - 16ft 5. Resolution : 0.3 cm 2.2. Arduino Uno Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328, Arduino UNO mempunyai 14 pin digital input/output (6 di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, dan sebuah tombol reset. Secara lengkap spesifikasi dari Arduino Uno adalah sebagai berikut. 1. Microcontroller : ATmega328 2. Operating Voltage : 5V 3. Input Voltage (recommended) : 7-12V 4. Input Voltage (limits) : 6-20V 5. Digital I/O Pins : 14 (of which 6 provide PWM output) 6. Analog Input Pins : 6 7. DC Current per I/O Pin : 40 ma 8. DC Current for 3.3V Pin : 50 ma 9. Flash Memory : 32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader 10. SRAM : 2 KB 11. EEPROM : 1 KB 12. Clock Speed : 16 MHz Gambar 2.3 Arduino Uno 5
2.3. Pompa Air 12 V DC Pompa ini digunakan untuk mengambil air dari sumber air dan memasukkannya ke tempat penampungan air. Karena tinggi air yang akan dipompa tidak lebih dari 60 cm, maka pompa air ini sudah cukup untuk pembuatan alat ini. Pompa ini memiliki spesifikasi sebagai berikut. 1. 12v operating rate 2. Arus Kerja 2.1A 3. Dapat mengangkat air maksimal 3 Liter per menit Gambar 2.4 Pompa Air. Untuk memaksimalkan kinerja pompa maka dibutuhkan driver untuk memaksimalkan kerjanya. Driver ini saya buat menggunnakan transistor TIP120 dengan rangkaian seperti pada Gambar 2.5 di bawah. Gambar 2.5. Driver Pompa Air Resistor yang dipakai dihitung berdasarkan perhitungan dibawah. 6
Dimana: 5 =, Vbe = 1,4V karena transistor TIP120 terdiri dari 2 transistor dimana emitter transistor pertama terhubung ke basis transistor kedua sehingga Vbe = 2 x 0,7= 1,4 V R= nilai resistor yang dipakai 2,1A=arus yang pada Ic yang dibutuhkan Hfe=1000 Maka akan diperoleh nilai R adalah 1714Ω 2.4. Sistem Kendali On Off Pada sistem kontrol dua posisi, elemen penggerak hanya mempunyai dua posisi yang tetap. Kontroler on-off ini banyak digunakan di industri karena murah dan sederhana. Sinyal kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error positif atau negative. Pada metode control ini jika output lebih besar dari setpoint, aktuator akan off. Output akan turun dengan sendirinya sehingga menyentuh setpoint lagi. Pada saat itu, sinyal kontrol akan kembali on (aktuator on) dan mengembalikan output kepada setpoint-nya. Demikian seterusnya sinyal kontrol dan aktuator akan on-off terus menerus 2.5. Sistem Kendali Proportional Integral Derivative(PID) Controller proportional-integral-derivative (PID controller) adalah mekanisme kontrol umpan balik yang biasa digunakan dalam sistem industri. Kontroler PID menghitung terus nilai error sebagai perbedaan antara proses yang terukur dengan hasil yg diinginkan. Kontroller ini meminimalkan kesalahan setiap waktunya dengan penyesuaian variable control. Dengan u(t) sebagai output maka bentuk dari PID adalah: di mana: =. +. +. 0 u(t) = output dari pengontrol PID Kp = Konstanta Proportional. Ki = Konstanta Integral. Kd = Kontanta Derivative. e(t) = error (selisih antara set point dengan nilai sekarang). 7
Pengendali Proportional (P) Penggunaan mode kontrol proportional harus memperhatikan hal hal berikut : 1. Jika nilai Kp kecil, mode kendali proportional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga menghasilkan respon sistem yang lambat. 2. Jika nilai Kp dinaikkan, respon sistem menunjukkan semakin cepat mencapai keadaan stabilnya. 3. Namun jika nilai Kp diperbesar sehingga mencapai harga yang berlebihan akan mengakibatkan sistem bekerja tidak stabil, atau respon sistem akan berosilasi. Kontrol P (Proportional) selalu sebanding dengan besarnya input. Pengendali Integral (I) Kontroller integral memiliki karakteristik seperti halnya sebuah integral. Keluaran kontroller sangat dipengaruhi oleh perubahan yang sebanding dengan nilai sinyal kesalahan. Keluaran kontroller ini merupakan jumlahan yang terus menerus dari perubahan masukannya. Kalau sinyal kesalahan tidak mengalami perubahan, keluaran akan menjaga keadaan seperti sebelum terjadinya perubahan masukan. Kontroler integral mempunyai beberapa karakteristik berikut ini: 1. Keluaran kontroler butuh selang waktu tertentu, sehingga kontroler integral cenderung memperlambat respon. 2. Ketika sinyal kesalahan berharga nol, keluaran kontroler akan bertahan pada nilai sebelumnya. 3. Jika sinyal kesalahan tidak berharga nol, keluaran akan menunjukkan kenaikan atau penurunan yang dipengaruhi oleh besarnya sinyal kesalahan dan nilai Ki. 4. Konstanta integral Ki berharga besar, offset akan cepat hilang. Saat nilai Ki besar akan berakibat peningkatan osilasi dari sinyal keluaran kontroller. 8
Pegendali Derivative (D) Keluaran kontroller derivative memiliki sifat seperti halnya suatu operasi derivatif. Perubahan yang mendadak pada masukan kontroller, akan mengakibatkan perubahan yang sangat besar dan cepat. Karakteristik dari kontroller derivative adalah sebagai berikut: 1. Kontroler ini tidak dapat menghasilkan keluaran bila tidak ada perubahan atau error sebagai sinyal kesalahan untuk masukannya. 2. Jika sinyal error berubah terhadap waktu, maka keluaran yang dihasilkan kontroller tergantung pada nilai Td dan laju perubahan sinyal kesalahan. 3. Kontroller derivative mempunyai karakter untuk mendahului, sehingga kontroller ini dapat menghasilkan koreksi yang signifikan sebelum pembangkit error menjadi sangat besar. Jadi controller derivative dapat mengantisipasi pembangkit error, memberikan aksi yang bersifat korektif, dan cenderung meningkatkan stabilitas sistem. 2.6. Sistem Kendali Fuzzy Logic Controller(FLC) Logika fuzzy adalah obyek-obyek dari himpunan fuzzy yang memiliki batasan yang tidak presisi dan keanggotaan dalam himpunan fuzzy, dan bukan dalam bentuk logika benar (true) atau salah (false), tapi dinyatakan dalam derajat (degree). Konsep seperti ini disebut dengan Fuzziness dan teorinya dinamakan Fuzzy Set Theory. Fuzziness dapat didefinisikan sebagai logika kabur berkenaan dengan semantik dari suatu kejadian, fenomena atau pernyataan itu sendiri. Perbedaan logika ini dengan logika on-off adalah logika fuzzy tidak hanya memiliki 2 nilai benar dan salah, sebagai contoh untuk pengendalian ketinggian air ini, pada logika on-off hanya ada 2 kondisi yaitu sudah sesuai dan belum tetapi pada logika fuzzy aka nada kondisi misalnya agak rendah, rendah, agak tinggi, tinggi. Fuzzy Logic Controller terbagi menjadi tiga bagian proses yaitu meliputi: Fuzzifikasi Fuzzifikasi diperlukan untuk mengubah masukan tegas/nyata (crisp inputs) yang bersifat bukan Fuzzy ke dalam himpunan Fuzzy. Data yang berbentuk tegas/nyata 9
(crisp), dipetakan menjadi nilai linguistik pada semesta pembicaraan tertentu yang selanjutnya dinamakan masukan Fuzzy. Penalaran Penalaran adalah proses untuk mendapatkan aksi keluaran dari suatu kondisi input dengan mengikuti aturan-aturan yang telah ditetapkan yang disebut sebagai inference/reasoning. Deffuzifikasi Merupakan proses pemetaan himpunan fuzzy ke himpunan tegas. Proses ini merupakan kebalikan dari proses fuzzifikasi. Keluaran pada proses defuzzifikasi merupakan hasil dari proses kendali fuzzy secara keseluruhan. Keluaran ini berupa himpunan crisp yang akan mengendalikan sistem yang dikontrol. Blok Diagram pengontrolan sistem dengan sistem pengendali menggunakan logika fuzzy. Gambar 2.6 Blok diagram Pengendalian dengan FLC 10