perancangan dan implementasi fuzzy lookup table untuk … · sistem mulai dari cara kerja mesin...
TRANSCRIPT
Proceding Tugas Akhir – Juli 2011
Rifqi Firmansyah - 2207100099 Halaman 1dari 6 halaman
Perancangan dan Implementasi Fuzzy Lookup Table
untuk Pengaturan Injeksi Bahan Bakar saat Kecepatan Stasioner
pada Mesin Spark Ignition
Rifqi Firmansyah, 2207 100 099 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Surabaya 60111
Abstract – Sistem pengaturan kecepatan mesin spark
ignition pada kondisi stasioner sulit diatur dan
cenderung boros. Hal tersebut, dapat berpengaruh
pada putaran mesin yang naik turun terlalu besar.
Dalam konsep automotive, kondisi tersebut dapat
diminimalkan dengan cara mengatur mapping injeksi
bahan bakar, mapping sudut pengapian, dan udara
yang masuk kedalam ruang bakar melalui bukaan
motor stepper. Dalam Tugas Akhir ini, telah
dirancang sebuah mapping injeksi bahan bakar
menggunakan fuzzy lookup table untuk mengatur
jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk proses
pembakaran. Proses mendapatkan jumlah bahan
bakar adalah dengan mengatahui kondisi dari
kecepatan aktual dari putaran mesin dan juga
besarnya tekanan udara yang masuk kedalam ruang
bakar. Kedua kondisi tersebut kemudian diolah
sedemikian rupa oleh logika fuzzy. Logika fuzzy yang
digunakan menggunakan 5 variabel linguistik.
Mapping injeksi bahan bakar pada Tugas Akhir ini
diimplementasikan terhadap mesin mitsubishi jenis
4G63 pada kondisi stasioner. Hasil pengujian
menunjukkan untuk penerapan mapping injeksi bahan
bakar pada kecepatan 1500 rpm, terdapat mean
absolute error sebesar 46.322 rpm. Sedangkan tanpa
penggunaan mapping injeksi bahan bakar, terdapat
mean absolute error sebesar 91.836 rpm.
Kata Kunci: Mesin Spark Ignition, Fuzzy Lookup
Table, Mapping Injeksi, Stasioner
1. PENDAHULUAN
Pengembangan teknologi pada performa mesin
spark ignition secara umum mengarah pada beberapa
tujuan diantaranya menghemat bahan bakar,
meningkatkan kinerja mesin, dan mengurangi emisi
gas buang. Agar dapat mencapai tujuan tersebut, maka
tiga variabel mesin berupa sudut pengapian,bukaan
motor stepper dan waktu injeksi bahan bakar harus
diatur.
Kinerja mesin yang berupa kecepatan putaran
mesin pada kondisi stasioner, sangat sulit diatur dan
cenderung putaranya naik turun terlalu besar. Hal
tersebut dikarekan pada kondisi stasioner dibutuhkan
komposisi campuran bahan bakar dan udara yang
sesuai. Banyaknya udara yang masuk ke dalam ruang
bakar diatur oleh bukaan motor stepper. Sedangkan
banyaknya bahan bakar ditentukan oleh lebar pulsa
injeksi. Selain itu, pengaturan sudut pengapian juga
harus diperhatikan.
Fuzzy lookup table merupakan suatu metode
yang bisa memperbaiki kecepatan putar mesin pada
kondisi stasioner. Oleh karena itu, pada Tugas Akhir
ini metode tersebut diterapkan untuk pengaturan lebar
pulsa injeksi bahan bakar. Fuzzy lookup table perlu
dirancangan dengan menggunakan sistem elektronik
yang mampu diprogram dan algoritma tersebut dapat
ditanamkan didalam sistem, sehingga mampu
meningkatkan performa dari mesin spark ignition.
Gambaran umum mengenai mesin spark ignition
dijabarkan pada bagian kedua. Bagian ketiga
menjelaskan mengenai perancangan kontroler PID
modifikasi dan fuzzy lookup table. Pengujian dan
analisis disajikan pada bagian keempat. Bagian kelima
berisi kesimpulan dan saran untuk penelitian
selanjutnya.
2. DESKRIPSI SISTEM
Pada bagian ini dijelaskan mengenai deskripsi
sistem mulai dari cara kerja mesin spark ignition
hingga identifikasi mesin spark ignition.
2.1 Cara Kerja Mesin Spark Ignition
Spark ignition engine memiliki 4 langkah kerja:
langkah hisap, langkah kompresi & pengapian,
langkah kerja dan langkah pembuangan. 4 langkah
kerja piston pada proses pembakaran dapat dilihat
pada Gambar 1.
Gambar 1. Langkah Kerja Piston pada Proses
Pembakaran [9]
Langkah hisap adalah fase campuran bahan
bakar dengan udara dihisap masuk melalui katup
intake ke dalam ruang bakar. Pada ruang bakar terjadi
pemampatan campuran ketika piston bergerak ke atas.
Pengapian dipicu oleh percikan api yang dihasilkan
Proceding Tugas Akhir – Juli 2011
Rifqi Firmansyah - 2207100099 Halaman 2dari 6 halaman
busi, sehingga timbul ledakan pada ruang bakar
(langkah kompresi & pengapian). Pada fase
berikutnya adalah langkah kerja dimana panas yang
dihasilkan pada proses pembakaran menaikan tekanan
silinder, sehingga piston tertekan dan bergerak
kebawah (langkah kerja). Langkah terakhir adalah
pembuangan, gas sisa pembakaran dikeluarkan dari
ruang bakar melalui katup pembuangan dan kembali
ke langkah pertama. Pada umumnya pergantian gas
hasil pembakaran pada ruang bakar mesin mobil
terjadi dalam empat langkah, dengan dua kali putaran
crankshaft dalam tiap satu siklus.[2] [6] [7]
2.2 Injeksi Bahan Bakar Secara Simultan
Sistem injeksi secara simultan merupakan model
injeksi yang injektor menyamprotkan bahan bakar
secara bersamaan seperti yang ditunjukkan oleh
Gambar 2.
Gambar 2 Simultaneous Injection [1]
Injektor tersebut akan menyemprotkan bahan
bakar kesemua silinder berdasarkan informasi dari
beberapa sensor diantaranya adalah sensor top dead
center, crank angle sensor, manifold absolute
pressure, dan RPM sensor. Langkah pertama adalah
dengan memperhatikan sinyal dari sensor crankshaft
yaitu sebesar 5º BTDC.apabila informasi dari sensor
tersebut telah muncul maka injektor akan
menyemprotkan bahan bakar secara bersamaan ke
tiap-tiap silinder. Langkah selanjutnya apabila mesin
telah berputar dalam keaadaan normal maka sistem
injeksi akan berganti menjadi model sequential. Jika
mesin masih dalam keadaan dingin maka sistem
injeksi yang dibutuhkan adalah simultan.
2.3 Identifikasi Sistem
Proses permodelan identifikasi sistem terdiri atas
3 tahap. Tahap pertama adalah perhitungan parameter
pemodelan. Tahap kedua melakukan Transformasi-Z
terhadapa permodelan ARX, dengan waktu sampling
0.1 dan zero order hold. Tahap ketiga melakukan
transformasi terhadap tahap yang kedua kedalam
domain-S hingga diperoleh fungsi alih sistem.[3] [4]
Identifikasi sistem yang dilakukan untuk mencari
parameter-parameter plant engine dilakukan sebanyak
sepuluh kali pengambilan data. Hasil identifikasi
sistem dengan RMSE terkecil disajikan pada
persamaan 1.
847.674.142
5037193
)(
)(
ss
s
SR
SC (1)
3. PERANCANGAN KONTROLER
Pada bagian ini, dirancang sebuah kontroler PID
modifikasi untuk pengaturan kecepatan dan juga
metode fuzzy lookup table untuk memperbaiki
performansi sistem berupa kecepatan.
3.1 Kontroler PID Modifikasi
Perancangan kontroler PID modifikasi pada
Tugas Akhir ini digunakan untuk mengatur kecepatan
putar mesin saat kondisi stasioner. Kecepatan tersebut
ditentukan oleh bukaan motor stepper. Semakin besar
bukaan motor stepper, maka semakin besar udara yang
masuk ke dalam ruang bakar. Akibatnya, kecepatan
putar mesin akan semakin tinggi.
Kontroler PID modifikasi dirancang untuk
memenuhi spesifikasi sistem sebagai berikut:
Respon sistem mendekati orde pertama
( 0pM )
Tidak memiliki offset ( 0sse )
sts3** 10.23%)5(
Proses perancangan kontroler PID modifikasi
dijelaskan sebagai berikut:
1. Penentuan fungsi alih sistem hasil pemodelan
identifikasi dinamis plant, yang didapatkan
pada persamaan (1).
2. Penentuan nilai 1,, dipK
dan 2d melalui
persamaan sebagai berikut.
np
KK
21*
(2)
ni
2 (3)
1d (4)
22
2
1
nn
d (5)
3. Penentuan fungsi alih hasil pemodelan
kontroler PID modifikasi dinotasikan dengan
)(sH .
1
11
)(
)()(
2
1
s
s
sK
SE
SUsH
d
d
ip
(6)
Berdasarkan hasil dari persamaan (2), (3), (4)
dan (5), persamaan (6) menjadi:
1304.0
0383.0
465.0
11868.0
)(
)()(
s
s
sSE
SUsH
Proceding Tugas Akhir – Juli 2011
Rifqi Firmansyah - 2207100099 Halaman 3dari 6 halaman
3.2 Fuzzy Lookup Table
Prinsip perancangan fuzzy Look Up Table
sebenarnya hampir sama dengan fuzzy biasa (statik).
Bahkan penurunan aturan kontrol dari fuzzy Look Up
Table berdasakan atas tahap-tahap penurunan fuzzy.[5]
Keunggulan kontroler fuzzy Look Up Table dari
kontroler fuzzy adalah sinyal kontrol yang dihasilkan
lebih cepat, karena sinyal kontrol telah tersedia dalam
bentuk tabel, tanpa harus menjalankan proses fuzzy
dalam beroperasi [5]. Adanya alasan tersebut maka
kontroler fuzzy Look Up Table lebih sederhana dan
lebih mudah diimplementasikan pada sebuah
minimum sistem (mikrokontroler). Ada beberapa
langkah dalam merancang suatu kontroler fuzzy Look
Up Table, yaitu sebagai berikut:
Langkah pertama dalam merancang kontroler
fuzzy berbasis lookup table adalah menentukan
variabel masukan dan variabel keluaran. Variabel
masukan yang digunakan dalam perancangan ini
berupa kecepatan (RPM) dan tegangan MAP,
sedangkan untuk variabel keluaran berupa lebar pulsa
injeksi bahan bakar.
Langkah kedua adalah Menentukan fungsi
keangotaan bagi masukan dan keluaran, pada
perancangan ini digunakan fungsi keanggotan segitiga
dengan 5 variabel linguistik yaitu : PK (Positif Kecil),
PAK (Positif Agak Kecil) ,PS (Positif Sedang),
PAB(Positif Agak Besar), PB (Positif Besar).
Langkah ketiga adalah menentukan level
berdasarkan range variasi masukan, semakin banyak
level maka semakin peka kontroler terhadap
perubahan masukan. Tabel 1. Merupakan level
kecepatan dan MAP dalam diskrit menggunakan 9
level.
Tabel 1 Level Kecepatan dan MAP dalam Diskrit
Level
(L)
Variasi Input kec.
(Xn)
Variasi Input MAP
(Xn)
1 Xn≤500 Xn≤1.5
2 500<Xn≤700 1.5<Xn≤2
3 700<Xn≤900 2<Xn≤2.5
4 900<Xn≤1100 2.5<Xn≤3
5 1100<Xn≤1300 3<Xn≤3.5
6 1300<Xn≤1500 3.5<Xn≤4
7 1500<Xn≤1700 4<Xn≤4.5
8 1700<Xn≤1900 4.5<Xn≤5
9 1900<Xn 5<Xn
Langkah keempat adalah memperbaruhi kurva
fungsi keanggotaan terhadap masukan kecepatan dan
MAP berdasarkan level pada tabel 1. Gambar 3
merupakan fungsi keanggotaan kecepatan dan MAP
dengan 5 variabel linguistik terhadap level yang
ditentukan.
1
0
0.5
5 6 7 8 94321
PS PAB PBPAKPK
Kec./MAP
µ
Gambar 3 Fungsi Keanggotaan Kecepatan dan MAP
dengan 5 Variabel Linguistik
Langkah kelima adalah menentukan derajat
keanggotaan dari variabel linguistik berdasarkan level
pada Tabel 1. Berdasarkan fungsi keanggotaan tipe
segitiga dan trapezium pada Gambar 3, dapat
ditentukan derajat keanggotaan dari masing-masing
variabel masukan. Tabel 2 merupakan derajat
keanggotaan dari variabel masukan kecepatan dan
MAP setelah dikuantisasi.
Tabel 2 Derajat Keanggotaan Variabel Masukan
Kecepatan/MAP Setelah dilevelkan
L PK PAK PS PAB PB
1 1 0 0 0 0
2 0.5 0.5 0 0 0
3 0 1 0 0 0
4 0 0.5 0.5 0 0
5 0 0 1 0 0
6 0 0 0.5 0.5 0
7 0 0 0 1 0
8 0 0 0 0.5 0.5
9 0 0 0 0 1
Langkah keenam adalah menentukan fungsi
keanggotaan untuk variabel keluaran. Variabel
keluaran pada tugas akhir ini adalah lebar pulsa injeksi
bahan bakar dalam ms. Gambar 4 merupakan fungsi
keanggotaan lebar pulsa injeksi bahan bakar.
1
0
0.5
10 12 14 16 188642
PS PAB PBPAKPK
Lebar pulsa injeksi
(ms)
µ
Gambar 4 Fungsi Keanggotaan Variabel Keluaran
Berupa Lebar Pulsa Injeksi
Langkah ketujuh adalah membuat aturan dasar
fuzzy yang digunakan untuk menentukan sinyal