I. PENDAHULUAN
Sektor Sektor industri industri memegang memegang peranan peranan yang sangat penting penting dalam roda kehidupan. kehidupan. Industri-industri ini meliputi manufaktur, proses, fabrikasi dan sebagainya. Di dalam Industri proses, secara umum ada empat macam pengendalian variabel var iabel proses dasar yaitu: kecepatan aliran, ketinggian cairan, tekanan dan temperatur. Seluruh variabel proses ini dapat ditemukan di hampir semua industri proses. Untuk itu sangat dibutuhkan metode kendali yang baik untuk dapat menunjang proses berjalannya industri tersebut dan untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi dalam proses produksi. arena itu dalam makalah ini dipaparkan suatu eksperimen teknik kendali yang diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam dunia industri. Dalam makalah ini akan dipaparkan tentang eksperimen pengendalian ketinggian air dengan metode kendali logika fu!!y. "ogika fu!!y merupakan salah satu bentuk soft computing yaitu sistem komputasi yang lebih mendasarkan pada kemampuan melakukan pemetaan vektor #tidak #tidak linear$ linear$,, optima optimasi, si, identi identifika fikasi si dan kemamp kemampuan uan lainny lainnya. a. %erbag %erbagai ai penerap penerapan an telah telah menunjukkan bah&a pengendali berbasis logika fu!!y dapat mengatasi sifat ketidakpastian yang selalu muncul pada sistem kendali. etidakpastian etidakpastian utama yang ditemukan ditemukan dalam sistem ini adalah ketidaklinea ketidaklinearan ran eleme elemenn-el elem emen en siste sistem m kend kendal ali. i. eti etida dakl klin inea earan ran ini ini beru berupa pa gese geseka kan n pada pada komp kompon onen en-kompon komponen en sistem, sistem, dead dead !one !one dan saturasi saturasi yang yang terdapa terdapatt pada pada aktuat aktuator or yang yang diguna digunakan kan,, mekanisme gerak sistem, proses pemasangan alat dan lain-lain. Dalam penerapannya pengendali logika fu!!y memanfaatkan pengalaman seorang pakar yang oleh perancang pengendali diekstrak ke dalam bentuk aturan-aturan jika-maka #if-then$. 'leh karena itu, proses pengendalian akan mengikuti pendekatan secara linguistik. (endekatan secara linguistik berupa interpretasi manusia #operator atau ahli$ tentang tingkat keadaan
suatu sistem, yang merupakan informasi penting dalam menggambarkan perilaku sistem dan jauh lebih mudah untuk diperoleh. (engendali logika fu!!y tidak memiliki ketergantungan pada variabel-variabel proses kendali sehingga pengendali ini banyak digunakan pada sistem yang memiliki sifat tidak linear dan perilaku dinamik yang berubah terhadap &aktu. )amun dasar-dasar pengetahuan tentang sistem yang akan dikendalikan akan sangat membantu dalam memperoleh prestasi pengendalian yang memadai. Sistem tangki air yang digunakan dalam penelitian ini dibuat untuk menguji kemampuan pengendali logika fu!!y sebagai kendali cerdas dalam penelitian ini untuk membuat ketinggian air mengikuti tinggi air referensi secepat mungkin dan menstabilkannya pada ketinggian tertentu di ba&ah variasi lingkungan. Sebagai pembanding unjuk kerjanya, digunakan pengendali konvensional (roporsional dan IntegraI #(I$.
II. PERANGKAT PENGUJIAN SISTEM
*odel pengendalian tinggi air tangki terdiri dari sistem tangki air, sensor strain gage, penguat sensor, rangkaian penggerak motor pompa dan komputer (+ yang berisi program akusisi data dan program kendali. Skema perangkat pengujian ini bisa dilihat pada ambar . Sistem tangki air terdiri dari satu reservoar dan satu tangki air. Sistem atur dalam penelitian ini adalah tangki air. *odel tangki air berupa gelas ukur yang dilengkapi dengan sebuah katup dan slang. atup yang digunakan adalah katup bola #ball valve$ yang berfungsi sebagai pengatur keluarnya air dari tangki. Sebagai pendeteksi ketinggian air pada pengujian ini digunakan sensor strain gage jenis foil
dengan sensitivitas ./ 01dan tahanan 2 0 2.31. Sensor ini dipasang pada sebuah balok kantilever dengan material pelat aluminium dan diletakkan pada bagian ba&ah tangki agar memudahkan sensor mendeteksi perubahan tinggi air. Sinyal analog dari strain gage dikondisikan dengan menggunakan sebuah rangkaian jembatan &heatstone dan dikuatkan dengan menggunakan strainmeter amplifier jenis 4*" Strainmeter model D+-5D. (engolahan data dalam format analog dan digital dilakukan oleh sebuah kartu akusisi. artu akusisi ini memiliki 6 channel masukan 7D+ #7nalog to Digital +onverter$ dan channel keluaran D7+ #Digital to 7nalog +onverter$, masingmasing memiliki resolusi bit. artu akusisi data ini dipasang pada slot IS7 komputer (+ pentium I 22 *h!.
Gambar 1. Perangkat pengujan.
Untuk menaikkan air dari reservoar ke tangki, digunakan sebuah aktuator berupa pompa. (ompa ini digerakkan oleh sebuah motor D+ yang dikendalikan oleh algoritma pengendali. (ompa motor D+ ini memiliki masukan tegangan listrik maksimum volt. 4egangan listrik di atas volt tidak boleh diberikan ke motor karena dapat menyebabkan kerusakan #terbakar$. )amun tegangan yang diterima motor berada dalam batasan 8.3 volt yang disesuaikan dengan tegangan maksimum yang mampu diterima kartu akusisi. Debit yang berubah-ubah akan dikeluarkan oleh pompa sesuai dengan variasi tegangan masukan ke motor pompa sebagai akibat dari aksi kendali melalui komputer. (ompa dan motor #tidak dapat dipisahkan$ dilengkapi dengan sebuah rangkaian penggerak motor #driver motor$. 9angkaian ini berfungsi memperkuat arus keluaran D7+ sebelum masuk ke motor pompa. omputer (+ berisi program akusisi data dan algoritma pengendali. %ahasa pemrograman yang digunakan adalah 4urbo %asic .. 4egangan analog dari sensor akan dibaca oleh program kendali, kemudian dikonversikan ke dalam format digital, selanjutnya dilakukan analisis fu!!y berdasarkan tegangan yang terbaca dari sensor. ;asil analisis adalah berupa perintah pada sistem aktuator untuk menurunkan dan menaikkan tegangan listrik agar mencapai kenaikan air yang diinginkan dalam tangki. (engendalian sistem tangki air merupakan sistem pengendalian lup tertutup <=. %lok diagram pengendalian s istem tangki air dapat dilihat pada ambar .
Gambar !. "#$k %agram &&tem ken%a# tangk ar.
III. PERAN'ANGAN PENGENDALI L(GIKA )U**+
Secara umum, proses perancangan pengendali logika fu!!y dinyatakan dalam bentuk skema seperti yang diperlihatkan pada ambar >.
Gambar ,. Ta-apan peranangan pengen%a# #$gka /u00.
)u00/ka&
?u!!ifikasi dapat didefinisikan sebagai pemetaan dari &a&asan #domain$ masukan terukur #masukan pengendali$ menjadi himpunan fu!!y pada &a&asan tertentu. (roses ini terdiri atas pengambilan harga masukan dan perhitungan tingkat fu!!ynya, sesuai dengan fungsi keanggotaan #membership function$ yang digunakan <=. (ada proses ini dilakukan perubahan informasi dari himpunan tegas manjadi himpunan fu!!y. %esaran masukan harus berada dalam jangkauan semesta dari kurva derajat keanggotaan yang akan menghasilkan nilai antara 2 dan . Dari diagram blok pengendalian sistem yang terdapat pada ambar , terlihat variabel masukan bagi pengendali fu!!y adalah error #e$ dan beda error #de$ yang terbaca oleh sensor beban, sedangkan variabel keluaran adalah tegangan ke pompa tangki.
Ma&ukan err$r 2e3
*asukan error #e$ didefinisikan sebagai selisih antara tinggi air yang diinginkan dalam bentuk sinyal referensi dengan tinggi air aktual yang terbaca oleh sensor dituliskan dalam persamaan <>= : e#n$ @ y#n$ A B#n A$ #$ dimana : B#n$ adalah tinggi air referensi dan y#n-$ adalah tinggi air aktual. ;arga error positif menunjukkan tinggi air aktual di ba&ah tinggi muka air referensi dan harga error negatif menunjukkan tinggi air aktual di atas tinggi air referensi. ariabel numerik error ini dipetakan dengan menggunakan gabungan fungsi keangotaan trapesium dan segitiga
Gambar 4. Hmpunan /u00 untuk err$r 2e3.
Ma&ukan be%a err$r 2%e3
*asukan beda error merupakan perubahan error terhadap &aktu <>=: e#n$ @ e#n$ A e#n A$ #$ dimana : e#n$ adalah error saat ke n dan e#n-$ error saat ke n-. "aju perubahan error menggambarkan kecenderungan gerakan muka air. Eika beda error positif berarti error cenderung turun dan jika beda error negatif maka error menaik. ;impunan-himpunan fu!!y untuk beda error terdiri atas tiga tingkat, yaitu )egatif #)$, Cero #C$, (ositif #($ seperti pada ambar 3.
Gambar 5. Hmpunan /u00 untuk be%a err$r 2%e3.
Ke#uaran pengen%a# 2u3
;impunan fu!!y untuk keluaran pengendali u mempunyai lima buah himpunan yaitu Cero #C$, (ositif ecil #($, (ositif *enengah #(*$, (ositif %esar #(%$, (ositif %esar #(S%$. Seluruh himpunan fu!!y keluaran pengendali bernilai positif disebabkan motor pompa D+ yang digunakan hanya mempunyai satu arah putaran, yaitu +F #searah jarum jam$. ;impunan-himpunan fu!!y untuk keluaran ini diperlihatkan pada ambar 6.
Gambar 6. Hmpunan /u00 untuk ke#uaran pengen%a# 2u3.
9entang harga keluaran adalah sebesar >.3 sGd 8.3 volt. 4egangan >.3 volt merupakan kondisi motor pompa mulai mengeluarkan debit air dan 8.3 volt adalah tegangan maksimum yang dikirim ke motor pompa.
Me&n In/eren& )u00
(ada tahap ini, pengambilan keputusan dilakukan berdasarkan harga-harga masukan error dan beda error yang telah difu!!ifikasi untuk diolah berdasarkan logika-logika yang telah dibangun sehingga menghasilkan suatu keputusan berupa perintah atau tindakan pada aktuator agar melaksanakan pengendalian yang diinginkan. (enentuan aturan-aturan ini
dibangun melalui suatupenalaran sederhana yang diekstrak dari pengetahuan perancang dalam usaha mencapai ketinggian air yang diinginkan. Untuk memudahkan penyusunan aturan-aturan, maka digunakan matriks keputusan seperti yang terlihat pada 4abel . Dengan menggunakan tabel ini, keluaran pengendali dihasilkan berdasarkan aturan Hjika-maka. 4abel konsekuensi adalah matriks dengan tujuh kolom #jumlah tingkat keanggotaan error$ dan tiga baris #jumlah tingkat keanggotaan beda error$. *atriks keputusan diperlihatkan pada 4abel . 7turan jika-maka diterapkan berdasarkan cara berikut, misalkan error adalah )% dan beda error adalah (, maka untuk kasus ini aturannya menjadi : EI7 error adalah )J74I? %JS79 dan beda error adalah ('SI4I?, *77 u adalah CJ9'. %erdasarkan harga error dan beda error pada tabel di atas telihat bah&a pada setiap saat diperoleh satu atau lebih aturan jika-maka. (erhitungan tegangan pengendali u dilakukan berdasarkan perpotongan #intersection$ dan gabungan #union$ dari himpunan-himpunan fu!!y. Tabe# 1. Matrk& keputu&an peranangan pengen%a# #$gka /u00
Antar Muka De/u00/ka&
(ada penelitian ini defu!!ifikasi dilakukan dengan menggunakan metode titik pusat massa dari himpunan fu!!y. *etode ini merupakan metode yang padat komputasi #computationally
intensive$, yang dapat menghasilkan suatu nilai keluaran tertentu berdasarkan pada keanggotaan relatif dari semua aturan yang berlaku. eluaran aksi kendali logika fu!!y dapat disimulasikan dengan menggunakan 4oolboB "ogika ?u!!y <3= yang terdapat pada perangkat lunak *atlab. ;asil simulasi ini diperlihatkan pada ambar K. (ada ambar K#a$ dapat dilihat bah&a keluaran pengendali merupakan fungsi dari harga error #e$ dan beda error #de$ dan pemetaannya merupakan fungsi tidak linear. Sebagai bahan perbandingan, pada ambar K#b$ diperlihatkan variasi keluaran pengendali terhadap perubahan harga error. (ada gambar ini, harga beda error dipertahankan konstan sebesar 2.
Gambar 7. Smu#a& Mat#ab. 2a3 Kur8a tga %men& ak& ken%a# pengen%a# #$gka /u00 2b3 "%ang ke#uaran pengen%a# untuk be%a err$r k$n&tan.
(ada ambar 8 terlihat bah&a untuk harga error yang sangat kecil akan diperoleh tegangan keluaran minimum dan sebaliknya untuk harga error yang sangat besar akan diperoleh tegangan keluaran maksimum.
Gambar 9. Re&p$n pengen%a# /u00. 2a3 Re&p$n ken%a# %engan re/eren& , 8$#t : 2b3 Ak& ken%a#.
I;. PENGUJIAN PRESTASI PENGENDALI
(engujian dilakukan terhadap kedua pengendali dengan kondisi satu harga referensi dan variasi harga referensi dalam kondisi katup bukaan setengah. Sebagai sinyal referensi ketinggian air digunakan fungsi step dengan rentang tegangan dari volt sampai >.3 volt.
Pengen%a# L$gka )u00
9espon dan aksi kendali sistem dengan kondisi tinggi air pada tegangan referensi > volt, setara dengan 822 ml diperlihatkan pada ambar 8. (ada ambar 8#a$ terlihat bah&a pada saat kondisi a&al, harga error bernilai positif sangat besar. ;al ini terjadi karena pada kondisi a&al, tinggi air aktual jauh diba&ah tinggi referensi. %eberapa saat kemudian sistem kendali
dapat berjalan dengan baik, yang ditandai oleh respon kendali yang bergerak menuju tinggi referensi. Faktu yang dibutuhkan untuk mencapai tinggi referensi oleh pengendali logika fu!!y tercapai pada detik ke 3, dengan mengalami overshoot terlebih dahulu sebesar 2.3 volt. Setelah mencapai tinggi referensi, tinggi air dalam tangki tidak banyak berubah karena debit yang dikeluarkan pompa konstan, seperti yang ditunjukkan oleh grafik aksi kendali pada ambar 8#a$. rafik respon yang cenderung lurus mendekati tegangan referensi selama proses pengendalian menunjukkan bah&a pengendali logika fu!!y dapat mempertahankan tinggi air pada tinggi referensi. ;al ini berarti bah&a matriks keputusan pada 4abel telah mampu menghasilkan prestasi kendali yang memadai. Untuk melihat lebih jauh prestasi pengendali logika fu!!y, maka dilakukan variasi harga tinggi air referensi secara dinamis dari volt menjadi volt. ambar 5 menunjukkan respon dan aksi kendali sistem terhadap variasi tinggi referensi. (ada ambar 5#a$ ditunjukkan tinggi referensi berubah dari volt kemudian dinaikkan menjadi volt. Dari grafik tersebut dapat dilihat bah&a dibutuhkan &aktu 0 22 detik untuk mencapai perubahan tinggi referensi dengan kesalahan tunak sekitar 2.23 volt. 7ksi kendali yang ditunjukkan oleh ambar 5#b$ terlihat lebih halus ditandai dengan tidak adanya variasi tegangan yang dikirimkan ke pompa.
Gambar <. Re&p$n &&tem pengen%a# /u00= 2a3 Re&p$n ken%a# %engan 8ara& re/eren& %an 2b3 Ak& ken%a#.
Pengen%a# Pr$p$r&$na# %an Integra# 2PI3
(ada pengujian ini konstanta p dan i pada pengendali (I diperoleh melalui metode cobacoba. ;arga konstanta proporsional #p$ optimal yang diperoleh sama dengan / dan konstanta integral #i$ sebesar 2.3 2A> . ⋅
(ada tinggi referensi sebesar > volt yang ditunjukkan pada ambar 2#a$, pengendali (I mempunyai &aktu respon yang cepat lebih kurang 22 detik kemudian berosilasi disekitar tinggi referensi. ondisi kesalahan tunak yang terjadi yaitu sebesar 2.28 volt.
Gambar 1>. Re&p$n &&tem pengen%a# PI. 2a3 Re&p$n ken%a# %engan re/eren& , 8$#t : 2b3 Ak& ken%a#.
ariasi tinggi referensi seperti yang ditunjukkan pada ambar #a$ dengan cukup cepat direspon oleh pengendali (I dengan &aktu yang dibutuhkan 0 22 detik. esalahan tunak yang terjadi sebesar 2.2 volt. 'silasi yang terlihat pada respon kendali menyebabkan aksi kendali berfluktuatif selama proses pengendalian seperti yang ditunjukkan oleh #b$.
Gambar 11. Re&p$n &&tem pengen%a# PI. 2a3 Re&p$n ken%a# %engan 8ara& re/eren&: 2b3 Ak& ken%a#.
Dari pengujian prestasi kedua pengendali pada sistem tangki air menunjukkan bah&a &aktu respon pengendali (I relatif lebih cepat dibandingkan pengendali logika fu!!y. ;al ini disebabkan oleh pada suatu kondisi dimana harga error dan beda error yang sama, pengendali (I akan menghasilkan pengendali logika fu!!y. 4egangan keluaran yang lebih besar ini memperbesar debit air yang masuk ke dalam tangki dan mempercepat tercapainya tinggi air referensi. onsekuensinya adalah aksi kendali keluaran pengendali (I terlihat sangat tidak stabil. (ada kondisi setelah mencapai tinggi referensi pengendali (I mengirim tegangan yang bervariasi ke pompa untuk mempertahankan kondisi kestabilan. )amun akibat variasi tegangan keluaran ini menyebabkan timbulnya osilasi pada sistem. emampuan pengendali logika fu!!y dalam meredam osilasi yang terjadi lebih bagus dibandingkan pengendali (I. ;al ini ditandai dengan lebar pita #band&idth$ respon kendali dan kesalahan tunak yang terjadi kecil. 7ksi kendali keluaran pengendali logika fu!!y lebih halus #smooth$ dibanding pengendali (I. Sinyal aksi kendali pengendali logika fu!!y yang lebih halus tentunya akan
lebih LmenyehatkanM pompa dibandingkan aksi kendali pengendali (I. ondisi menyehatkan disini bisa diartikan sebagai kondisi dimana pompa beroperasi pada kondisi yang baik. 9espon kendali yang ditunjukkan oleh kedua pengendali dipengaruhi oleh derau yang diba&a oleh sinyal hasil pengukuran sensor.
KESIMPULAN
%erdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh, maka dapat ditarik kesimpulan yaitu pengendali logika fu!!y merupakan pengendali yang relatif mudah dalam perancangannya, karena tidak dibutuhkan model matematik eksak dari sistem. Dengan pendekatan berbasis aturan-aturan dan logika sederhana, pengendali dirancang dan dibangun. (enalaan logika fu!!y dilakukan secara trial and error untuk mendapatkan respon yang diinginkan. (engendali logika fu!!y mampu mengendalikan tinggi air dalam tangki dan merespon perubahan variasi tinggi air yang berubah secara dinamik. (engendali ini mampu mengurangi derau yang terba&a oleh sinyal hasil pengukuran sensor, mengakibatkan aksi kendali yang dihasilkan tidak bervariasi seperti pengendali (I. ;asilnya, aktuator bekerja pada kondisi yang baik.
DA)TAR PUSTAKA
. 9aven, ?., H Automatic Control Engineering”. Singapore, *cra&-;ill International Inc., 553 . Eang, E.-S. 9, Sun, +.-4., *i!utani, J., H Neuro-Fuzzy and Soft Computing”. )e& Eersey, (rentice- ;all International Inc., 55K >. Son, "ovely, H(engendalian *ekanisme erakan "urus (resisi dengan *enggunakan 4eknik endali ompensasi esekan dan "ogika ?u!!y. 4esis *agister, Eurusan 4eknik *esin, I4%, 22. /. "in, "ih-+hang N +hen,+hiang-+huan., H Rigid Model-based Fuzzy Control of Flexible oint Manipulators. Eournal of Intelligent and 9obotic Systems, 553. 3. Eang, E.-S. 9 N ulley, )ed., H MA!"A# Fuzzy "ogic !oolbox $ser%s &uide”., 4he *ath&ork Inc.,55K.
LAP(RAN JURNAL PENERAPAN KENDALI 'ERDAS PADA SISTEM TANGKI AIR MENGGUNAKAN L(GIKA )U**+
Disusun 'leh : )ama
: 9ebekka Sihombing
)(*
: /.2>.2.26
(9'97* S4UDI 4J)I J"J49' ?7U"47S 4J)I U)J9SI47S 9I7U J(U"7U7) %747* 2K
