SISTEM KENDALI PADA RANCANG BANGUN MODEL SIMULATOR SISTEM AUTOPILOT SUMBU LATERAL
Control System on Design and Manufacturing of Simulator Model of Autopilot System for Lateral Axis
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Aeronautika Di Jurusan Teknik Mesin
Oleh: Satria Laksana Anugrah
NIM: 091221027
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
BIODATA PENULIS
Nama Tempat, tanggal lahir Umur Alamat Agama Email Riwayat Pendidikan: 1996 – 1997 1997 – 2003 2003 – 2006 2006 – 2009 2009 – 2012
: Satria Laksana Anugrah : Sukabumi, 30 September 1991 : 21 Tahun : Jl. RH. Didi Sukardi No. 336 RT 01/04 Kelurahan Gedong Panjang Kecamatan Citamiang Kota Sukabumi : Islam :
[email protected] :TK PGRI Kota Sukabumi : SDN Pakujajar CBM Kota Sukabumi : SMPN 2 Kota Sukabumi : SMAN 3 Kota Sukabumi : Program Studi Teknik Aeronautika Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bandung
HALAMAN PERSEMBAHAN
The results of this final project and all of achievement that I’ve ever got are
dedicated to my parents who had raised me up.
May Allah give you the best places in heaven one day.
Thanks for loving and caring.
Dream what you want to dream. Go to the place what you want to go. Be what you want to be. Because you only have one life and one chance to do the things you want to do. (Satria Laksana Anugrah, 2012)
i
KATA PENGANTAR
Assalamualaikum Wr, Wb.
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan kesehatan dan kekuatan sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan judul “SISTEM KENDALI PADA RANCANG BANGUN MODEL SIMULATOR SISTEM AUTOPILOT SUMBU LATERAL”.
Pada laporan ini, penulis bermaksud melaporkan kegiatan-kegiatan yang
dilakukan penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Selain itu, penulis juga bermaksud untuk menjelaskan mengenai sistem kendali pada simulator sistem autopilot yang menerapkan konsep dasar dari sistem autopilot pada pesawat sesungguhnya. Sehingga diharapkan mahasiswa Teknik Aeronautika dapat lebih memahami konsep dasar dari sistem tersebut. Dalam pelaksanaan tugas akhir ini, berbagai kesulitan dan hambatan dihadapi penulis. Namun adanya bimbingan, pengarahan, bantuan dan dorongan dari dosen pembimbing dan pihak lainnya, akhirnya laporan tugas akhir ini dapat diselesaikan. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan laporan tugas akhir ini masih terdapat kekurangan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak. Semoga dengan adanya laporan tugas akhir ini, bisa memberikan banyak manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya.
Bandung, Juli 2012
Penulis
ii
UCAPAN TERIMA KASIH
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua
orang tua dan keluarga besar penulis yang telah memberikan do’a, dukungan, motivasi, dan nasihat sehinggga penulis dapat melaksanakan tugas akhir ini dengan baik. Selain itu, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak berikut. 1. Bapak Teguh Wibowo, Dipl.Ing., MT selaku pembimbing I.
2. Bapak Ir. Sentot Purbadi selaku pembimbing II. 3. Bapak Budi Hartono, ST., MT dan Ibu Dr. Maria F.S, Dipl.Ing., MT selaku wali kelas. 4. Bapak Tria Ma’riz Arief, SST., MT selaku Ketua Program Studi Teknik Aeronautika. 5. Bapak Sugianto, ST., M. Eng selaku koordinator tugas akhir. 6. Bapak Ir. Ali Mahmudi, M. Eng, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin. 7. Staf Pengajar Program Studi T. Aeronautika: Bapak Y. Sinung Nugroho, Dipl.Ing., MT, Bapak Nur Rachmat, Dipl.Ing., M.sc, Bapak Syarif Hidayat, Dipl, Ing., MT, Bapak Dr. Carolus Bintoro, Dipl.Ing., MT, Bapak Moh. Luthfi, Dipl.Ing., MT., M.Sc, Bapak Radi Suradi, Dipl.Ing., M.Eng, Bapak Singgih Satrio Wibowo, ST., MT, Bapak Vicky Wuwung, ST., MT dan Ibu Leny Iryani, ST., MT. 8. Staf Teknisi Program Studi T. Aeronautika: Bapak Suramta, Bapak Ade Warman, Bapak Moh. Ilyas, serta Staf Administrasi: Ibu Amalia Saraswati. 9. Bapak Rudi dan Bapak Adang, serta seluruh dosen dan staf Akademi Teknik Aeronautika Siliwangi (ATAS). 10. Rekan-rekan seangkatan: Aditya, Adrian, Bhima, Damayanti, David, Deni, Dicko, Drajad, Fadlih, Harvi, Huzaima, Indra, Indragus, Irwan, Johan, Linda, M. Beny, Mardhiana, Nelwan, Nofial, Reza, Rio, Rubby, Sambas, Satria Pesona, Steven, Syarif, dan Yahdi.
iii
11. Kakak-kakak angkatan 2008 dan adik-adik angkatan 2010 dan 2011 serta Keluarga Besar Ikatan Mahasiswa T. Aeronautika (IMT-Aero).
12. Serta semua pihak yang telah membantu terselesaikannya tugas akhir ini.
Dengan segala kerendahan hati penulis berdoa, semoga Allah SWT
membalas segala budi baik semua pihak yang telah membantu penulis selama pengerjaan tugas akhir hingga terselesaikannya laporan ini.
Bandung, Juli 2012
Penulis
iv
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...................................................................................................i
UCAPAN TERIMA KASIH ....................................................................................... ii DAFTAR ISI................................................................................................................iv DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR................................................................................................ viii
DAFTAR TABEL .......................................................................................................xi
ABSTRAKSI ............................................................................................................. xii ABSTRACT .............................................................................................................. xiii BAB I PENDAHULUAN ......................................................................................... I-1 1.1
Latar Belakang Masalah......................................................................... I-1
1.2
Perumusan Masalah ............................................................................... I-2
1.3
Tujuan ..................................................................................................... I-2
1.4
Batasan Masalah ..................................................................................... I-2
1.5
Sistematika Penulisan............................................................................. I-2
BAB II LANDASAN TEORI ..................................................................................II-4 2.1
Sistem Kendali ......................................................................................II-4
2.2
Sistem Autopilot ....................................................................................II-5
2.3
Komponen Elektronika .........................................................................II-7
2.4
2.3.1
Resistor ......................................................................................II-7
2.3.2
Kapasitor .................................................................................II-13
2.3.3
Dioda .......................................................................................II-16
2.3.4
Transistor.................................................................................II-16
2.3.5
Transformator..........................................................................II-20
2.3.6
Motor DC ................................................................................II-21
Rangkaian Terpadu (IC)......................................................................II-21 2.4.1
Voltage regulator ....................................................................II-23
2.4.2
Operational Amplifier .............................................................II-23
2.4.3
Timer 555 ................................................................................II-24
v
BAB III METODOLOGI DAN PROSES PENYELESAIAN ................................II-30 3.1
Metoda dan Langkah-Langkah Penyelesaian Masalah ......................II-30
3.2
Langkah-Langkah Kegiatan ................................................................II-30
3.3
Sistem Kendali pada Model Simulator Sistem Autopilot ..................II-33
3.4
Rangkaian Subsistem yang Diperlukan ..............................................II-33
3.5
Power Supply.......................................................................................II-34
3.5.1
Penentuan Spesifikasi .............................................................II-34
3.5.2
Perancangan Rangkaian ..........................................................II-35
3.5.3
Percobaan ................................................................................II-35
3.5.4
Pengetesan ...............................................................................II-35
3.5.5
Hasil Pengetesan .....................................................................II-36
3.6
3.7
3.8
Driver Motor .......................................................................................II-36 3.6.1
Penentuan Spesifikasi .............................................................II-36
3.6.2
Perancangan Rangkaian ..........................................................II-37
3.6.3
Percobaan Rangkaian..............................................................II-40
3.6.4
Pengetesan Rangkaian ............................................................II-40
3.6.5
Hasil Pengetesan .....................................................................II-41
3.6.6
Revisi .......................................................................................II-41
3.6.7
Hasil Pengetesan Revisi ..........................................................II-43
Speed Control ......................................................................................II-43 3.7.1
Penentuan Spesifikasi .............................................................II-43
3.7.2
Perancangan Rangkaian ..........................................................II-43
3.7.3
Hasil Pengetesan Rangkaian...................................................II-46
Command Device dan Comparator ....................................................II-46 3.8.1
Penentuan Spesifikasi .............................................................II-46
3.8.2
Perancangan Rangkaian ..........................................................II-47
3.8.3
Percobaan Rangkaian..............................................................II-48
3.8.4
Pengetesan Rangkaian ............................................................II-49
3.8.5 Hasil Pengetesan........................................................................II-50 3.9
Pengetesan Gabungan antara Driver Motor dengan Command Device dan Comparator ......................................................................II-50
vi
3.9.1
Prosedur Pengetesan Gabungan antara Driver Motor DC dengan Comparator .............................................................. III-50
3.9.2
Simulasi Percobaan Sistem Autopilot .................................. III-51
3.10 Pembuatan PCB ................................................................................ III-51
3.10.1 Perancangan PCB ................................................................. III-51
3.10.2 Pembuatan PCB .................................................................... III-52
3.11 Perakitan ............................................................................................ III-52
3.12 Weight and Balance .......................................................................... III-55
IV PENGETESAN DI ELECTRONIC SHOP DAN PENGUJIAN DI BAB
TEROWONGAN ANGIN ................................................................................... III-57 4.1
Pengetesan di Electronic Shop .......................................................... III-57
4.2
Pengujian di Terowongan Angin ...................................................... III-58 4.2.1
Operational Check .................................................................. III-58
4.2.2
Functional Check .................................................................... III-59
4.2.3
Pengujian Akhir ....................................................................... III-60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... V-64 5.1
Kesimpulan ......................................................................................... V-64
5.2
Saran ................................................................................................... V-64
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... xiv LAMPIRAN
vii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A
: INTEGRATED CIRCUIT DATASHEET
LAMPIRAN B
: GAMBAR KERJA
LAMPIRAN C
: REGULASI SISTEM AUTOPILOT
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II. 1 Open Loop Control System [2] .........................................................II-4
Gambar II. 2 Close Loop Control System [2] ........................................................II-4 Gambar II. 3 Sumbu Kendali Pesawat Terbang [3] ...............................................II-5 Gambar II. 4 Prinsip Dasar Sistem Autopilot
[3]
..................................................II-7
Gambar II. 5 Autopilot Controller yang Umum [3] ...............................................II-7
Gambar II. 6 Komponen Dasar Sistem Autopilot [3] ............................................II-8
Gambar II. 7 Simbol Resistor [8] ............................................................................II-9 Gambar II. 8 Bentuk Resistor [9] ............................................................................II-9 Gambar II. 9 Kode-Kode Warna Resistor Empat Cincin [1] ...............................II-10 Gambar II. 10 Kode-Kode Warna Resistor Lima Cincin [1] .................................II-10 Gambar II. 11 Resistor Seri: (a) Dua Resistor Seri (b) Tiga Resistor Seri [1] ......II-11 Gambar II. 12 Resistor Paralel: (a) Dua Resistor Paralel (b) Tiga Resistor Paralel [1].........................................................................................II-11 Gambar II. 13 Konstruksi Sebuah Potensiometer [1].............................................II-12 Gambar II. 14 Simbol Resistor Variabel [9] ...........................................................II-13 Gambar II. 15 Trimpot yang Umum [10] ................................................................II-13 Gambar II. 16 Potensiometer yang Umum [9] .......................................................II-13 Gambar II. 17 Simbol Kapasitor [11] ......................................................................II-14 Gambar II. 18 Kapasitor yang Umum [12] .............................................................II-14 Gambar II. 19 Kapasitor Seri: (a) Dua Kapasitor Seri; (b) Tiga Kapasitor Seri [1].............................................................................II-15 Gambar II. 20 Kapasitor Paralel: (a) Dua Kapasitor Paralel; (b) Tiga Kapasitor Paralel [1] ........................................................................II-15 Gambar II. 21 Bentuk Dioda yang Umum Digunakan [1] .....................................II-17 Gambar II. 22 Simbol Dioda .................................................................................II-17 Gambar II. 23 Simbol Transistor [23] .....................................................................II-17 Gambar II. 24 Konstruksi Resistor NPN [1] ..........................................................II-18 Gambar II. 25 Konstruksi Transistor PNP [1]…………………………………..II-18
ix
Gambar II. 26 Tegangan dan Arus Bias Mengalir dalam Transistor NPN [1] ......II-19 Gambar II. 27 Tegangan dan Arus Bias Mengalir dalam Transistor PNP [1].......II-19
Gambar II. 28 Beberapa Kemasan Transistor yang Umum Digunakan [1] ..........II-19 Gambar II. 29 Bagian-Bagian Trafo [4] ..................................................................II-20
Gambar II. 30 Simbol Trafo [4] ..............................................................................II-20 Gambar II. 31 Kaidah Tangan Kiri [5] ...................................................................II-22 Gambar II. 32 Contoh Motor DC yang Umum [5].................................................II-22
Gambar II. 33 Beberapa Kemasan Rangkaian Terpadu yang Umum
Dipasaran [1] ....................................................................................II-22
Gambar II. 34 Susunan Kaki IC Voltage Regulator [14]........................................II-23 Gambar II. 35 Rangkaian Op-amp (Aplikasi: Penguat Diferensial) [6] ................II-24 Gambar II. 36 Gambar Pin IC Timer 555 [15]........................................................II-25 Gambar II. 37 Blok Diagram Timer 555 [16] .........................................................II-26 Gambar II. 38 Rangkaian Monostable Multivibrator [7]........................................II-27 Gambar II. 39 Rangkaian Astable Multivibrator [7] ..............................................II-29 Gambar III. 1 Diagram Alir Kegiatan (a) ........................................................... III-31 Gambar III. 2 Diagram Alir Kegiatan (b) ........................................................... III-32 Gambar III. 3 Blok Diagram Simulator Sistem Autopilot ................................. III-33 Gambar III. 4 Perancangan Power Supply ±12 V .............................................. III-35 Gambar III. 5 Percobaan Power Supply ± 12 V pada PCB titik………...........III-36 Gambar III. 6 Perancangan Driver Motor dengan Switch ................................. III-37 Gambar III. 7 Perancangan Driver Motor dengan Transistor ............................ III-38 Gambar III. 8 Rangkaian Transistor NPN .......................................................... III-39 Gambar III. 9 Percobaan Rangkaian Driver Motor ............................................ III-40 Gambar III. 10 Rangkaian Driver Motor dengan Penggantian RB1 dan RC1 ..... III-42 Gambar III. 11 Perancangan Speed Control ........................................................ III-44 Gambar III. 12 t Output Rangkaian Monostable Multivibrator (t=1,1)............... III-45 Gambar III. 13 t Output Rangkaian Monostable Multivibrator (t=6,6)............... III-46 Gambar III. 14Rancangan Rangkaian Command Device dan Comparator ........ III-48 Gambar III. 15Foto Rangkaian Command and Comparator yang Telah Dicoba pada PCB Bergaris .......................................................... III-48
x
Gambar III. 16 Desain PCB Awal ........................................................................ III-52 Gambar III. 17 Desain PCB yang Dibuat............................................................. III-53
Gambar III. 18 PCB yang Telah Dibuat............................................................... III-53 Gambar III. 19 Perancangan PCB Speed Control................................................ III-54
Gambar III. 20 PCB Speed Control yang Telah Dibuat ...................................... III-54 Gambar III. 21 Hasil Perakitan PCB .................................................................... III-55 Gambar III. 22 Hasil Perakitan PCB (Speed Control) ......................................... III-55
Gambar III. 23 FBD Model Pesawat pada Saat Weight and Balance ................. III-56 Gambar IV. 1 Pengetesan di Electronic Shop ..................................................... III-58
Gambar IV. 2 Gerakan Pitch Up Stabilator pada Operational Check ............... III-58 Gambar IV. 3 Gerakan Pitch Down Stabilator pada Operational Check ......... III-59 Gambar IV. 4 Gerakan Pitch Down Stabilator pada Functional Check ............ III-60 Gambar IV. 5 Gerakan Pitch Up Stabilator pada Functional Check ................. III-60 Gambar IV. 6 Gerakan Pitch Up Pesawat Model pada Pengujian Akhir .......... IV-61 Gambar IV. 7 Gerakan Pitch Down Pesawat ..................................................... IV-61
xi
DAFTAR TABEL
Tabel III. 1
Perbedaan Elemen Dasar Sistem Autopilot pada Pesawat Sesungguhnya dan Pesawat Model ............................................. III-34
Tabel III. 2
Hasil Pengetesan Power Supply ± 12 V ...................................... III-36
Tabel III. 3
Hasil Pengetesan Driver Motor ................................................... III-41
III. 4 Tabel
Hasil Pengetesan Driver Motor (revisi) ...................................... III-43
Tabel III. 5
Data Hasil Percobaan Komparator .............................................. III-49
xii
ABSTRAKSI
Salah satu sistem yang penting dalam pesawat adalah sistem autopilot, dimana sistem ini bertujuan untuk meringankan pekerjaan pilot dalam mengendalikan pesawat terbang terutama untuk penerbangan jarak jauh. Dengan ringannya pekerjaan pilot tersebut, diharapkan keselamatan dapat ditingkatkan. Mengingat akan pentingnya sistem ini, oleh karena itu penulis memilih topik simulator sistem autopilot ini sebagai topik dalam tugas akhir, dengan tujuan dapat menjadi alat pembelajaran sistem autopilot sehingga mahasiswa dapat lebih mudah bantu dalam memahami sistem ini.
Dalam tugas akhir ini, dibuat sebuah pesawat model yang diujikan pada sebuah terowongan angin. Pesawat model dibuat agar dapat melakukan pitch up, dan pitch down sesuai perintah dengan bidang kendali stabilator. Konstruksi model pesawat terbuat dari bahan triplek, sedangkan stabilator terbuat dari bahan kayu balsa. Model pesawat tersebut dikendalikan oleh sebuah sistem kendali lup tertutup. Dimana sistem kendali yang dibuat merupakan seperangkat rangkaian elektronika analog tanpa driver mikrokontroler dan software apapun. Hasil pengujian menunjukkan pesawat model dapat mulai bergerak pada kecepatan angin 3,11 m/s. Sistem kendali pada simulator sistem autopilot sudah dapat bekerja dengan baik. Pergerakan pitch up dan pitch down pesawat model dapat bekerja pada suatu perintah, namun belum bisa bekerja pada perintah-perintah yang spesifik. Pesawat model tidak dapat bergerak pada putaran knob command device yang kecil, melainkan hanya dapat diperintahkan pada putaran knob command device yang besar, karena comparator yang digunakan hanya membandingkan tegangan dari command element dan sensor. Sedangkan tegangan yang dihasilkan dari command element harus besar (karena pengaruh faktor mekanik), yang artinya tegangan yang dihasilkan feedback dari sensorpun harus besar pula. Hal inilah yang menyebabkan sudut pitch pesawat model yang dihasilkan besar.
xiii
ABSTRACT
One of the important system in aircraft is autopilot system, where the purpose of this system is to reduce pilot’s job in controlling an aircraft exactly in long duration flight. In reducing of this pilot’s job, it is expected that safety will be improved. Considering of this system importance, therefore writer chooses this topic as a topic of final project in order to be assist device in learning process of autopilot system so that students can be easier to learn this system.
In this final project, writer made a model of aircraft which was tested in wind tunnel. Model of aircraft was made in order to move pitch up and pitch down in command with stabilator as control surface. It was made of plywood, while stabilator was made of balsa wood. It was controlled by a close loop control system. Where this control system was a set of analog electronic circuit without microcontroller driver and others software. The result of the test showed model of aircraft could move in 3,11 m/s airspeed. Control system on simulator of autopilot had worked in a command well, but had not worked in a specific command. Model of aircraft couldn’t move in a small command device knob round, however it just could move in a large command device knob round, because comparator that is used just compare voltage on command element and sensor. While voltage on command element must be large (because of mechanical factor), it means feedback voltage on sensor also must be large. It made pitch angle of aircraft is high.
xiv
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Tooley, Michael. Rangkaian Elektronik Prinsip dan Aplikasi (penerjemah,
Irzam Harmein).2002: Jakarta [2]. Efendi, Sofyan. Pengantar Singkat Sistem Kendali. 2000 [cited 2012 11 June]; Available from: http:// trendmuslim.com/opihomepage/ kendali.htm. [3]. Federal Aviation Administration. Airframe & Powerplant Mechanics Airframe Handbook. 1972: Oklahoma City.
[4]. Widada, Sri. Transformator. No date [cited 2012 5 June]; Available from: http://genius.smpn1-mgl.sch.id/file.php/1/ANIMASI/fisika/
Transformator/
index.html. [5]. Wardana, Meri. Prinsip Kerja Motor Arus Searah (DC). No date. [cited 2012 6 June]; Available from: http://meriwardana .blogspot.com/2011/11/prinsipkerja-motor-arus-searah-dc.html [6]. [Noname]. Penguat Operasional. No date [cited 2012 16 Mei]; Available from: http://id.wikipedia.org/wiki /Penguat_operasional. [7]. [Noname]. The 555 Timer. No date [cited 2012 14 June]; Available from: http://www.electronics-tutorials.ws/ waveforms/555_timer.html [8]. [Noname]. Resistor dan Nilai-Nilai referensi. No date [cited 2012 16 June]; Available from : http://www.elektronikabersama.web.id/2011/05/ resistordan-nilai-nilai-referensi.html [9]. [Noname]. Mengenal Komponen Elektronika. No date [cited 2012 17 June]; Available
from:
http://syuhada05.blogspot.com/2011/03/mengenal-
komponan- elektronika.html [10]. [Noname]. Resistor. No date [cited 2012 17 June]; Available from: http://www.ulikelectronic.blogspot.com/ [11]. [Noname].
Kapasitor. No date [cited 2012 16 June]; Available from:
http://eldas-smkn7.blogspot.com/2011/10/kapasitor.html [12]. [Noname]. Pengertian dan Macam Kapasitor. No date [cited 2012 16 June]; Available from: http://buatberbagisaja.wordpress.com/page/12/
xv
[13]. [Noname]. Transistor. No date [cited 2012 17 June]; Available from: http://www.vintage-radio.com/repair-restoreinformation/transistor
biasing.html
[14]. [Noname]. Komponen Utama dan Pendukung Catu Daya. No date [cited 2012 17 June]; Available from: http://66fadli.wordpress.com
[15]. Fairchild Semiconductor Corporation. LM 555 Single Timer. 2011. [cited 2012 15 March]; Available from: http://www.fairchildsemi.com/
[16]. [Noname]. 555 Timer – A Complete Basic Guide. No date [cited 2012 17
June]; Available from: http://www.circuitstoday.com/555-timer
