KONTROL POSISI AKTUATOR PNEUMATIK DENGAN KATUP ON/OFF SECARA PWM

Roche AliminJurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri

Universitas Kristen PetraJl. Siwalankerto 142-144, 60236

ralimin@peter.petra.ac.id

Abstrak

Gerakan pada aktuator pneumatik pada umumnya hanya dapat berhenti pada kedua ujung terminalnya. Dengan tujuan melebarkan aplikasi dari sistem pneumatik maka pada penelitian ini dikembangkan sistem kontrol yang memampukan sebuah aktuator pneumatik untuk dapat berhenti pada setiap posisi sepanjang langkahnya.

Katup solenoid on-off 3/2 dengan sinyal PWM diuji coba untuk digunakan menggantikan katup servo proporsional dengan pertimbangan lebih ekonomis. Sedangkan algoritma kontrol yang diujicoba adalah Kontrol Konvensional dan Kontrol Fuzzy.

Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa periode PWM yang terjadi masih cukup besar dan efek pegas udara bertekanan pada sistem pneumatik menghalangi penerapan Kontrol Konvensional (PID) untuk dapat bekerja dengan baik. Sedangkan penggunaan Kontrol Fuzzy menghasilkan nilai steady state error yang cukup baik (dengan angka maksimal 1 quanta level pembacaan encoder).

Keywords: Kontrol pneumatik, kontrol posisi, PWM

1. PENDAHULUAN

Aktuator pneumatik menawarkan beberapa keuntungan untuk aplikasi-aplikasi di industri manufaktur, antara lain karena gerakannya yang cepat dan murah jika dibandingkan dengan jenis lainnya, seperti hidraulik atau motor listrik. Secara umum, untuk gerak linier, aktuator dapat dikelompokkan menjadi tiga kelompok, yaitu: aktuator linier pneumatik, aktuator linier hidraulik dan motor listrik linier. Masing-masing jenis aktuator linier tersebut mempunyai kekurangan dan kelebihan. Sayangnya kelebihan aktuator linier pneumatik yang cukup menonjol, yaitu kemampuan gerak liniernya yang cepat, tidak diimbangi dengan kemampuan untuk berhenti pada setiap posisi geraknya. Aktuator linier pneumatik hanya dapat berhenti pada kedua ujung (endpoint)-nya. Sehingga sistem kontrol yang umum digunakan adalah Bang-bang. Sedangkan untuk dapat berhenti pada setiap posisi gerakannya dibutuhkan sistem kontrol yang lebih ekstra, yaitu sistem kontrol umpan balik dengan menggunakan katup proporsional (Maeda, 1999; Situm, 2001; Shu Ning, 2002; Khayati, 2004, Parnichkun, 2001). Tetapi karena desain dari katup ini sendiri sangat komplek maka harganya sangat mahal, dan sebagai alternatif lain yang lebih murah adalah dengan mengfungsikan dua buah katup on/off sebagai ganti katup servo proporsional. Harga satu buah katup tersebut hanya sekitar 15% dari katup proporsional. [sumber: Festo]

Penggunaan dua buah katup on/off 3/2 dimungkinkan apabila sinyal input untuk katup tersebut berupa sinyal PWM (Pulse Width

Modulation), serta kedua katup tersebut diatur dengan fase saling berlawanan.

Akibat sulitnya memodelkan sistem pneumatik maka untuk algoritma kontrolnya, penggunaan kontrol fuzzy logic masih merupakan solusi yang diunggulkan dalam penelitian ini. Hal ini disebabkan kontrol fuzzy logic tidak bergantung pada model matematika sistem tetapi lebih didasarkan pada logika pengalaman, seperti penentuan jumlah input membership function, bentuk membership function dan rule base yang akan dipakai.

2. METODOLOGI PENELITIAN

2.1 Gambaran Sistem Percobaan

Kontrol posisi aktuator pneumatik sedikitnya membutuhkan beberapa komponen inti, seperti unit sensor, unit penguat dan unit kontroler. Pada gambar berikut ini adalah skema rangkaian dari komponen-komponen inti tersebut.

Gambar 1. Skema Rangkaian Dasar Sistem Kontrol Umpan Balik Aktuator Pneumatik

Sistem kontrol umpan balik mutlak diperlukan untuk keperluan ini. Sinyal umpan balik dari unit sensor akan dibandingkan dengan sinyal target oleh unit kontroler. Seterusnya sinyal tersebut akan dikondisikan dan dikuatkan sebelum akhirnya sampai

Unit Kontroler Unit PenguatAktuator

PneumatikPosisi Aktual

Posisi Target

Unit Sensor

227

pada katup pneumatik untuk mengatur gerakan aktuator pneumatik.

Berdasarkan rangkaian pneumatik umpan balik seperti pada gambar di atas, maka untuk tujuan pengontrolan posisi aktuator pneumatik linier dengan penggunaan katup solenoid on/off 3/2, dapat dirangkai sistem pneumatik seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 2. Skema Rangkaian Sistem Pneumatik Umpan Balik

Keterangan nomor:1. Silinder pneumatik aksi ganda rodless2. Katup kontrol aliran satu arah3. Katup on/off solenoid 3/24. Sumber dan pengatur udara bertekanan5. Potensiometer linier6. Unit sensor7. Unit kontroler dan unit penguat8. Alat ukur tekanan

Beberapa kondisi dan kerja yang harus dilakukan agar sistem pneumatik umpan balik seperti pada gambar di atas dapat berjalan adalah sebagai berikut:

Terdapat sensor posisi yang dilengkapi dengan unit antar muka (interface) yang berguna untuk mendapatkan informasi posisi dari piston dan mengubahnya menjadi sinyal yang dimengerti oleh unit kontroler.

Perancangan sebuah algoritma kontrol buka-tutup katup yang mengatur pergerakan posisi dan kecepatan dari piston seperti yang diinginkan.

Implementasi dari algoritma kontrol dengan pemrograman mikrokontroler (unit kontrol) untuk sistim pneumatik yang telah dibuat.

Disain sebuah unit penggerak untuk menguatkan sinyal output yang berasal dari mikrokontroler, untuk menggerakkan piston.

Untuk mengontrol pergerakan piston pneumatik, mikrokontroler membutuhkan input eksternal informasi posisi yang diinginkan operator, yaitu interface dari setting point posisi dan kecepatan,

serta interface konstanta-konstanta kontrol konvensional.

2.2 Cara Kerja dan Spesifikasi Sistem Percobaan

Secara ringkas cara kerja dan spesifikasi sistem pneumatik yang dirancang (seperti pada gambar di atas) adalah sebagai berikut: Sebuah silinder aksi ganda jenis rodless (1), dengan panjang 500 mm, digunakan sebagai aktuator pneumatik yang akan diatur pergerakaannya (posisi). Gambar dari silinder tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Tipe Silinder Pneuamtik Aksi Ganda yang Digunakan, Rodless

Sumber : http://www.festo.com/INetDomino/31171c.htm

Silinder pneumatik tersebut dikopel secara langsung dengan sebuah potensiometer linier (5) yang difungsikan sebagai unit sensor (displacement encoder) dari pergerakan silinder tersebut. Panjang potensiometer tersebut disamakan dengan panjang silinder pneumatik, yaitu 500 mm dan mempunyai tingkat resolusi 10 µm dan nilai tahanan maksimum 5KΏ. Nilai resistansi dari potensiometer tersebut akan berubah-ubah sesuai dengan gerakan silinder pneumatik. Dengan memberikan catu daya pada potensiometer tersebut maka nilai-nilai resistansi tadi akan dikonversi menjadi nilai-nilai tegangan. Sinyal berupa tegangan ini adalah sinyal analog dan harus diubah terlebih dahulu menjadi sinyal digital, dengan cara mengumpankannya ke sebuah Analag to Digital Converter (ADC) (6), sebelum akhirnya masuk ke unit kontroler (7) (mikrokontroler Basic Stamp 2P). Integrated Circuit (IC) ADC yang dipakai adalah IC 0831, yang merupakan 8 bit ADC. Sehingga pergerakan full range silinder pneumatik akan menghasilkan kesensitifan pembacaan sebesar 500/256, yaitu kurang lebih 1,96 mm per pembacaan sinyal data (quanta level). Dua gambar di bawah ini adalah gambar potensimeter linier tersebut beserta dengan gambar rangkaian ADC-nya.

Gambar 4. Potensiometer Linier

228

Sumber: http://www.festo.com/INetDomino/31171c.htm

Gambar 5. Skema Unit Sensor (Potensimeter Linier dan ADC)

Sinyal digital dari unit sensor ini adalah sinyal umpan balik yang akan diterima oleh unit kontroler untuk dibandingkan dengan sinyal setting dari operator. Nilai error dari kedua sinyal inilah yang akan dipakai sebagai dasar bagi unit kontroler untuk memberikan sinyal keluaran berupa Pulse Witdh Modulation (PWM) bagi katup pneumatik solenoid on/off 3/2 (2). Ada 2 buah katup pneumatik solenoid on/off 3/2 yang dipasang pada masing-masing port silinder pneumatik. Keduanya diberi sinyal PWM yang mempunyai fase berlawanan. Sehingga dengan mengatur duty cycle dari kedua katup tersebut maka pergerakan dari silinder pneumatik dapat dikendalikan. Berikut ini adalah gambar katup solenoid on/off 3/2 beserta dengan gambar simbolnya.

Gambar 6. Kiri: Katup Solenoid 3/2. Kanan: Simbolnya

Oleh karena sinyal digital PWM dari unit kontroler masih lemah, maka sinyal ini hanya difungsikan sebagai sinyal masukan dari rangkaian transistor yang berfungsi sebagai penguat dan relay.

Sebagai unit kontroler, yang mana tempat diimplementasikannya algoritma kontrol yang diusulkan, digunakan DT-Basic Mini System dengan Basic Stamp 2P sebagai prosesornya. Sebagai kontroler, DT-Basic Mini System mempunyai tugas sebagai berikut:

penentu besaran error pengeksekusi algoritma kontrol generator sinyal PWM bagi katup solenoid

3/2.

Gambar mikrokontroler DT-Basic Mini System diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 7. Mikrokontroler DT-Basic Mini SystemSumber : http://www.innovativecreative.com

Berikut ini adalah gambar fisik sistem kontrol posisi aktuator linier pneumatik yang berhasil dirancang untuk tujuan percobaan ini.

Gambar 8. Perangkat Keras Sistem Percobaan

Keterangan nomor:1. Silinder pneumatik rodless 500 mm2. Potensiometer linier 5 KΏ 500 mm3. Katup solenoid on/off 3/24. Relay board5. Mikrokontroler Basic Stamp 2P6. Rangkaian ADC 08317. Power supply/adaptor ± 12 volt8. Adaptor 5 volt dan 24 volt 9. T divider

Pada sistem percobaan di atas tidak digunakan sistem pengakusisian data untuk posisi maupun kecepatan gerak dari piston silinder. Dengan demikian untuk pengamatan hanya dilakukan secara kasat mata saja.

2.3 Aliran Data/Sinyal Sistem Percobaan

Aliran data/sinyal dari sistem percobaan dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 9. Aliran Data/Sinyal Dari Sistem Percobaan

Posisi set Kontrol er PWM

generator

Actuator

Valve

ADC

DT-Basic Mini System

Sensor Posisi Linier

Posisi Aktual

+

-

229

Keberadaan posisi aktual dibaca oleh potensiometer linier (sebagai sensor) untuk dibandingkan dengan posisi setting baru yang diinginkan. Oleh sebab proses pembandingannya dilakukan di mikrokontroler maka sinyal dari sensor yang berupa sinyal analog diubah terlebih dahulu oleh unit ADC. Hasil dari proses pembandingan tersebut adalah error antara posisi setting dan posisi aktual yang terjadi. Sinyal error ini akan menjadi inputan baik bagi kontroler. Sinyal error ini juga diturunkan menjadi sinyal error kecepatan (melalui algoritma program) untuk diumpankan sebagai inputan kedua bagi kontroler. Kontroler sekaligus menerjemahkan outputnya menjadi sinyal PWM.

2.4 Langkah Percobaan

Untuk mengetahui unjuk kerja dari sistem kontrol maka pertama-tama akan dilakukan percobaan untuk mengetahui range daripada duty cycle PWM yang dapat diterima oleh sistem pneumatik yang dibangun. Idealnya range duty cycle berkisar antara 0–100%, tetapi oleh karena keterbatasan dari katup solenoid on/off 3/2 yang dipergunakan (mungkin juga komponen sistem yang lain) maka besar duty cycle yang akan digunakan dibatasi sampai dengan range tertentu (akan diketahui dari percobaan). Langkah selanjutnya adalah menentukan periode minimal PWM yang dapat dilakukan oleh sistem pneumatik tersebut. Setelah itu baru dilakukan pencarian metode-metode pengontrolan yang lebih baik untuk tujuan pengontrolan posisi silinder pneumatik tersebut dan pengambilan datanya.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Akusisi data dilakukan oleh PC lewat program editor Basic Stamp 2P, dimana monitor PC juga difungsikan sebagai HMI (Human Machine Interface)-nya. Dengan demikian pembacaan steady state error dapat dilakukan dengan cara membandingkan data setting dan data aktualnya.

3.1 Periode PWM yang Didapatkan

Pada pengujian pertama kali didapatkan bahwa range dari duty-cycle PWM berkisar antara 30% s/d 65% dengan periode 100 ms. Hal ini berkaitan dengan kemampuan kecepatan relay dan katup solenoid on/off 3/2 yang digunakan, khususnya kecepatan relay yang hanya mampu minimal 100 ms. Dengan mengganti relay dengan transistor untuk proses switching-nya maka periode PWM-nya dapat dikecilkan lagi sampai menjadi 80 ms. Ada 2 hal yang membatasi nilai minimal periode PWM ini. Yang pertama adalah batasan dari kecepatan gerak dari katup solenoid on/off 3/2 yang digunakan. Katup tersebut mempunyai kecepatan 8,5 ms untuk bergerak dari keadaan off ke on dan 4,5 ms untuk bergerak dari keadaan on ke off. Dari batasan ini

mengharuskan periode minimal untuk bergerak on-off adalah 13 ms (8,5 + 4,5 ms). Dengan mempertimbangkan faktor keamanan maka diambil angka 14 ms. Batasan yang kedua adalah beda besar duty-cycle minimal dimana masih mampu untuk menggerakkan piston. Dari percobaan didapatkan bahwa beda duty-cycle minimal yang diperlukan di antara kedua katup yang digunakan adalah sekitar 11 s/d 12 ms (data didapatkan dari beberapa kali percobaan). Untuk itu diambil angka yang paling tinggi, yaitu 12 ms. Dengan kata lain, bila piston dalam keadaan diam, idealnya besar duty-cycle di antara kedua katupnya adalah 50%-50%, dengan fase yang berlawanan di antara kedua katup tersebut. Dengan angka 12 ms (15% dari 80 ms) tersebut berarti untuk dapat mulai bergerak maka beda duty-cycle di antara kedua katup minimal harus 65%-35% (gerak ke kanan) atau 35%-65% (gerak ke kiri) untuk besar periode PWM 80 ms. Berdasarkan dengan nilai beda minimal ini dan juga pertimbangan besar periode PWM maka dapat dirancang besar variasi duty-cycle yang ingin digunakan untuk menggerakkan piston, dipilih range 14 ms. Besar variasi ini akan menentukan variasi kecepatan daripada piston. Dengan demikian besar periode minimal PWM yang dapat digunakan agar piston dapat bergerak adalah: Setengah periode PWM = Gerak minimal katup(14 ms) + Beda minimal duty-cycle untuk piston mulai bergerak(12 ms) + Besar variasi duty-cycle(14 ms). Sehingga didapatkan besar periode PWM sebesar 80 ms.

Gambar 10. Variasi Duty-Cycle PWM yang Dapat Digunakan

Dari hasil percobaan untuk mendapatkan periode PWM ini dapat dianalisa sebagai berikut. Ada 2 hal yang saling kontradiksi yang terjadi yaitu besar variasi duty-cycle dan besar periode PWM. Di satu pihak, periode PWM ingin dibuat sekecil mungkin untuk mencegah gerakan piston yang tersendat-sendat. Tetapi hal ini dibatasi oleh beda duty-cycle minimum dan kecepatan maksimum dari gerak katup on/off, yang memang mempunyai harga pasti untuk rangkaian percobaan yang dibuat. Satu faktor yang masih bisa diatur adalah besar variasi duty-cycle PWM. Memperkecil besar periode PWM menyebabkan besar variasi duty-cycle yang kecil pula. Padahal besar variasi duty-cycle ini akan menentukan variasi kecepatan dari gerakan piston. Dengan variasi kecepatan yang kecil maka pengimplementasian berbagai algoritma kontrol akan tidak berpengaruh terhadap hasil akhir. Di lain pihak, bila besar periode PWM yang terlalu besar maka

Minimal 12 ms Minimal 14 ms

Periode PWM

1

0

OffOn On

Variasi Duty-CycleBeda Duty-Cycle Kec.On/off Katup

230

akan mengakibatkan steady state error karena adanya efek pegas dari udara bertekanan terhadap piston yang digerakkannya.

Variasi duty-cycle yang digunakan di dalam percobaan mempunyai range hanya 14 ms, dengan periode PWM 80 ms. Dengan pertimbangan ini maka algoritma kontrol yang masih cukup relevan untuk diujicobakan adalah kontrol P, PI dan single input fuzzy logic.

Berikut ini adalah hasil pengujian kontrol posisi dengan kontroler P. Peningkatan dan penurunan set point dilakukan secara inkremental sebesar 50 ql dan 25 ql.

Tabel 1. Kontrol posisi dengan kontroler P

NoPosisi

Set (ql)

Posisi Aktual

(ql)

Error (ql)

Inkremental 50 ql1 100 101 12 150 153 33 200 201 14 250 250 05 200 197 36 150 150 07 100 97 38 50 44 69 5 5 010 50 53 311 100 103 312 150 152 213 200 202 214 250 250 015 200 197 316 150 149 117 100 96 418 50 46 419 10 8 2

Inkremental 25 ql1 50 55 52 75 81 63 100 103 34 125 126 15 150 151 16 175 176 17 200 202 28 225 227 29 250 250 010 225 222 311 200 198 212 175 175 013 150 148 214 125 124 115 100 97 3

16 75 74 117 50 46 4

Pada tabel di atas terlihat bahwa steady state error dari kontroler P cukup besar dan mempunyai keberulangan yang jelek. Hal ini ditenggarai akibat variasi kecepatan yang terlalu kecil (kecepatan terlalu konstan), sehingga efeknya kurang mewakili perilaku kontroler P dan cenderung berperilaku sebagai kontroler umpan balik biasa. Dengan hasil seperti ini, tidaklah memungkinkan pula menerapkan kontroler jenis lain seperti kontroler PI atau PD atau bahkan PID. Sebagai solusi lain yang masih memungkinkan untuk diterapkan adalah kontroler fuzzy-logic dengan single input. Inputnya hanya berupa error posisi saja, tidak seperti pada kontroler yang diusulkan pada penelitian ini yang mana juga mempertimbangkan input error kecepatan.

Berikut ini adalah hasil dari pengimplementasian kontroler fuzzy-logic dengan single-input-single-output ke dalam sistem kontrol pneumatik yang diuji. Prosesnya dilakukan dengan posisi awal 50 quanta level ke arah 250 quanta level, dan digerakkan dalam dua arah. Hasilnya dapat dilihat pada tabel berikut ini.

Tabel 2. Hasil Percobaan Kontroler Fuzzy-logic (1 input)

NoPosisi

Set (ql)

Posisi Aktual

(ql)

Error (ql)

1 250 250 02 50 49 13 250 250 04 50 51 15 250 250 06 50 51 17 250 250 08 50 51 19 250 250 010 50 50 011 250 250 012 50 51 113 250 250 014 50 51 115 250 250 016 50 50 017 250 251 118 50 50 019 250 250 020 50 50 0

231

Dari hasil percobaan di atas, meskipun hasilnya sudah lebih baik dari percobaan yang pertama kali (kontroler P), tetapi masih seringkali terjadi error (steady state error) pada arah kembalinya (dari 250 ql ke 50 ql). Sedangkan dari arah 50 ql ke 250 ql tidak terjadi error. Karena error hanya terjadi pada satu arah saja maka dapat dianalisa bahwa error lebih disebabkan oleh konstruksi dari peralatan pneumatiknya. Ada dua hal yang ditenggarai menjadi penyebabnya, yaitu kekurang-balance-nya penyetelan flow control valve yang digunakan pada kedua ujung silinder, atau konstruksi panjang saluran udara di dalam silinder yang berbeda cukup siknifikan panjangnya. Penyebab yang terakhir ini lebih cenderung untuk dicurigai mengingat sifat fisik udara yang mampu mampat itu. Kebetulan meskipun silinder yang digunakan adalah jenis aksi ganda tetapi terminalnya hanya terdapat pada salah satu ujungnya. Dengan demikian untuk dapat mencapai piston terdapat ketidak-samaan jarak tempuh di antara kedua ujungnya.

Besar steady state error yang terjadi lebih dipandang sebagai error 1 ql ketimbang sebagai error sebesar 1,96 mm. Sebab dengan memakai ADC yang lebih tinggi bit-nya, maka besar error akan berkurang. Semisal apabila digunakan ADC 16 bit maka besar error 1 ql ekuivalen dengan besar error sekitar 8 μm. Tetapi pencapaian error yang kecil tersebut sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor lain, seperti faktor pegas udara, jenis kontroler yang digunakan dan sebagainya.

4. KESIMPULAN DAN SARAN

Pada penelitian ini, yang mengusulkan penggunaan katup solenoid on/off 3/2 untuk menggantikan fungsi katup servo proporsional untuk mengontrol posisi piston silinder pneumatik, masih belum menunjukkan unjuk kerja yang diharapkan. Penerapan kontroler P mengalami kegagalan akibat variasi duty-cycle dari PWM yang terbatas, yaitu dalam range 14 ms. Hanya kontroler tunggal fuzzy logic saja yang terlihat menghasilkan angka steady state error yang cukup baik (maksimal 1 quanta level) meskipun tidak mencapai nol (dalam skala 0,01 mm-8 bit).

Periode PWM yang cukup besar (80 ms) telah menyebabkan piston silinder kurang dapat bergerak mulus dan menyebabkan adanya steady state error pada saat piston akan berhenti. Penggunaan kontroler PI belum dapat membantu mengatasi keadaan ini selama periode PWM tidak dapat diperkecil.

Untuk tujuan pencapaian steady state error nol (dengan tingkat ketelitian 0,01 µm) penelitian ini dapat dilanjutkan dengan memakai algoritma hibrida fuzzy logic-PID untuk katup proporsional. Penggunaan katup on/off 3/2 tidak dimungkinkan untuk pencapaian tujuan tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

1. S. Maeda, Y. Kawakami, K. Nakano. Position Control of Pneumatic Lifters. Trans. of Japan Hydraulic and Pneumatic Society, Japan, 1999.

2. Z. Situm. Pneumatic Servosystem Control Using Fuzzy Logic Controller. Ph.D. Thesis, University of Zagreb, Croatia, 2001.

3. Shu Ning and G. M. Bone. Method for Higher Accuracy Pneumatic Servo Position Control. Research report of McMaster Manufacturing Research Institute, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada. 2002.

4. K. Khayati, P. Bigras, L. A. Dessaint. A Robust Feedback Linearization Force Control of a Pneumatic Actuator Systems. Man and Cybernetics, 2004 IEEE International Conference on Volume 7, 10-13 Oct. 2004 Page(s): 6113 - 6119 vol.7.

5. M. Parnichkun, C. Ngaecharoenkul. Kinematics Control of A Pneumatic System by Hybrid Fuzzy-PID. Mechatronics. Elsevier Science Ltd. 2001.

232