Aktuator PWM

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).
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 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.





BAB II
Teori Penunjang

2.1 Metodologi Penelitian
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 pada katup pneumatik untuk mengatur gerakan aktuator pneumatik.
Sistem umpan balik dari sensor yang sampai pada katup pneumatic akan secara otomatis mengatur gerakan actuator pneumatic. Tujuannya agar pengontrolan dapat berlangsung secara teratur.
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,

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,
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 2. Tipe Silinder Pneuamtik Aksi Ganda yang Digunakan, Rodless
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 3. Potensiometer Linier


Gambar 4. 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 5. 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.