Implementasi Sistem Kendali Cascade PID untuk Stabilisasi pada Cart Inverted Pendulum

Ilham Fauzi, Dr. Ir. Fahmizal, S.T., M.Sc., IPM.

2025 | Tugas Akhir | D4 Teknologi Rekayasa Instrumentasi dan Kontrol

Kestabilan merupakan tantangan fundamental dalam pengembangan sistem robotika modern. Cart Inverted Pendulum (CIP) menjadi platform studi klasik untuk sistem kendali karena sifatnya yang tidak stabil dan underactuated. Penelitian ini bertujuan untuk merancang, merealisasikan, dan mengimplementasikan sistem kendali yang mampu menstabilkan pendulum pada sudut nol derajat terhadap vertikal. Fokus penelitian mencakup pemodelan matematis, integrasi sistem mekanik dan elektronik, serta implementasi algoritma kendali Proportional-Integral-Derivative (PID). Tahapan penelitian ini meliputi proses perancangan dan realisasi system secara menyeluruh. Sistem mekanik didesain menggunakan Autodesk Inventor, sementara sistem elektronik didesain menggunakan KiCad. Akurasidijaga dengan menurunkan model matematis sistem dan memvalidasikannya terhadap model hasil estimasi dari data eksperimental. Algoritma kendali PID dibangun dengan arsitektur cascade yaitu outer loop bertugas menstabilkan sudut dengan output target kecepatan motor dan inner loop bertugas mengontrol kecepatan motor. Hasil pengujian menunjukkan bahwa perangkat keras yang dirancang berfungsi dengan baik dan model matematis yang divalidasi memiliki tingkat kecocokan 80%. Implementasi kontroler PID cascade pada perangkat keras berhasil menstabilkan pendulum pada posisi nol derajat terhadap vertikal. Kombinasi parameter kendali PID terbaik yang memberikan respons paling optimal yaitu Kp = 84,4, Ki = 16,4, dan Kd = 3,1. Penelitian ini berhasil mendemonstrasikan proses perancangan, pemodelan, hingga implementasi kendali yang efektif untuk sebuah sistem dinamis yang kompleks.

Stability is a fundamental challenge in the development of modern robotic systems. The Cart Inverted Pendulum (CIP) serves as a classic study platform for control systems due to its inherently unstable and underactuated nature. This research aims to design, realize, and implement a control system capable of stabilizing the pendulum at a zero-degree angle with respect to the vertical. The study focuses on mathematical modeling, mechanical and electronic system integration, and the implementation of a Proportional-Integral-Derivative (PID) control algorithm. The research stages involved a comprehensive design and realization process. The mechanical system was designed using Autodesk Inventor, while the electronic system was designed using KiCad. Accuracy was ensured by deriving the system’s mathematical model and validating it against an estimated model obtained from experimental data. The PID control algorithm was implemented using a cascade architecture, where an outer loop stabilizes the angle to generate a target motor speed, and an inner loop controls the motor speed to reach that target. Test results indicate that the designed hardware functions correctly and the validated mathematical model achieved an 80% fit with the real data. The implementation of the cascade PID controller on the hardware successfully stabilized the pendulum at its vertical position. The optimal combination of PID control parameters was determined to be Kp = 84,4, Ki = 16,4, and Kd = 3,1. This research successfully demonstrates a complete workflow of design, modeling, and effective control implementation for a complex dynamic system.

Kata Kunci : Cart Inverted Pendulum, Fungsi Alih, Kendali Cascade PID, Sistem Underactuated, Teensy 4.0