BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Salah satu sistem yang ditanamkan pada setiap mobil adalah sistem suspensi pada masing-masing roda. Sistem suspensi digunakan untuk menahan gangguan-gangguan vertikal yang sering terjadi pada saat mobil melaju di jalan raya. Sistem suspensi tersebut dirancang sedemikian rupa demi kenyamanan dan keamanan penumpang pada saat berkendara. Beberapa
karakteristik
performansi
perlu
diperhatikan
untuk
mendapatkan sistem suspensi mobil yang baik. Karakteristik-karakteristik tersebut terkait dengan pengaturan gerak badan mobil, pengaturan gerak suspensi, dan distribusi gaya. Idealnya, sistem suspensi harus mampu melindungi badan mobil dari gangguan jalan dan gangguan inersia terkait dengan gerak berbelok, akselerasi, maupun pengereman. Lebih jauh, sistem suspensi harus mampu meminimumkan gaya vertikal yang ditransmisikan penumpang demi kenyamanan penumpang mobil. Tujuan-tujuan tersebut dapat dicapai dengan meminimumkan percepatan vertikal badan mobil. Apabila roda mobil mengalami gerak vertikal dengan simpangan yang berlebihan, maka pengendalian gerak mobil oleh pengemudi akan terganggu. Contohnya ketika mobil melintasi polisi tidur atau lubang yang cukup dalam. Dalam beberapa kasus, salah satu atau beberapa roda mobil dapat kehilangan sentuhan dengan permukaan jalan. Tentu saja hal tersebut berbahaya, karena dapat menyebabkan gerak kendaraan menjadi tidak seimbang dan bahkan dapat menyebabkan kecelakaan lalu lintas. Karena beban vertikal merupakan tanggung jawab dari sistem suspensi, maka sistem suspensi harus dirancang sedemikian rupa agar mampu meminimumkan simpangan vertikal roda demi keamanan ketika berkendara.
1
Generasi awal perancangan sistem suspensi mobil difokuskan pada optimisasi sistem suspensi pasif dengan indikator yang diinginkan di antaranya kekakuan pegas yang rendah, mengurangi massa bagian yang tanpa pegas, dan rasio redaman optimal untuk performa osilasi terbaik.
Demikianlah sistem
suspensi pasif yang memiliki karakteristik optimal, pada masanya telah memberikan pilihan yang cukup menarik sebagai sistem suspensi kendaraan dan telah digunakan secara luas di seluruh dunia. Sistem suspensi pasif memiliki dua komponen utama yaitu pegas dan redaman. Meskipun pegas dan redaman tersebut mampu memberikan kestabilan pada gerak vertikal mobil dalam batas tertentu, namun komponen-komponen tersebut tidak menyediakan energi pada sistem suspensi. Pegas dan redaman mengendalikan gerak mobil hanya dengan membatasi kecepatan gerak suspensi dengan suatu nilai batas laju yang ditentukan oleh perancangnya. Karena tidak menyediakan energi suspensi, maka sistem ini secara dinamik kurang responsif terhadap perubahan-perubahan profil jalan. Untuk menyelesaikan masalah tersebut, dalam tesis ini diajukan suatu model sistem suspensi aktif. Sistem suspensi aktif terdiri dari tiga komponen utama yaitu pegas, redaman, dan aktuator gaya. Aktuator gaya itulah yang dapat menyuplai energi pada sistem suspensi untuk menghasilkan suatu gerak relatif antara badan mobil dengan roda. Dengan demikian ketika terjadi perubahan profil jalan, sistem suspensi dapat memiliki respon dinamik yang baik sedemikian hingga seolah-olah penumpang tidak merasakan perubahan profil jalan tersebut. Selain itu, dengan respon dinamik yang baik maka gerak roda akan lebih mudah dikuasai oleh pengemudi yang pada akhirnya dapat meningkatkan keamanan berkendara. Pada umumnya, sistem suspensi aktif dilengkapi dengan alat sensor untuk mengukur variabel-variabel suspensi antara lain kecepatan getar badan mobil, simpangan suspensi, kecepatan getar roda mobil, dan percepatan getar badan
maupun
roda.
Variabel-variabel
suspensi
tersebut
akan
diolah
menggunakan komputer untuk menghasilkan suatu gaya kendali optimal. Komponen aktuator akan mengerjakan gaya kendali tersebut sehingga akan
2
tercapai dinamika suspensi yang lebih baik dibandingkan dengan dinamika suspensi pasif. Tesis ini merupakan penguraian paper bertahun 2003 yang ditulis oleh Yahaya Md dkk. dan juga paper bertahun 2007 yang ditulis oleh Xiang Ji dkk. Dalam tesis ini akan dibentuk model matematika untuk kedua sistem suspensi, yaitu pasif dan aktif. Selanjutnya akan ditentukan skema kendali, baik untuk regulator linear kuadratik (linear quadratic regulator – LQR – ) maupun kendali mode luncur (sliding mode control – SMC – ). Untuk menunjukkan sistem suspensi mana yang paling efektif dan kokoh, akan dilakukan simulasi numerik menggunakan program komputer Matlab 2014a.
1.2 Tujuan Penelitian Penelitian dalam tesis ini memiliki tujuan: 1.
Mendapatkan model matematika untuk sistem suspensi pasif dan sistem suspensi aktif.
2.
Menganalisis performa sistem suspensi bila mengalami gangguan profil jalan berbentuk lonjakan (polisi tidur).
3.
Membandingkan performa sistem antara skema pasif, pengaturan linear kuadratik murni, dan kendali mode luncur yang dikombinasikan dengan pengaturan linear kuadratik secara komputasi.
1.3 Pembatasan Masalah Dalam penelitian ini model kendaraan yang digunakan adalah seperempat kendaraan yaitu sistem suspensi pada satu roda. Untuk sistem suspensi aktif diasumsikan bahwa sensor-sensor dan aktuator dapat bekerja dengan ideal. Untuk kedua sistem suspensi diasumsikan pula bahwa osilasi pegas memenuhi hukum Hooke yaitu adanya relasi linear antara gaya pemulih dengan simpangan pegas.
3
1.4 Tinjauan Pustaka Penelitian mengenai sistem supensi aktif telah banyak dilakukan di antaranya oleh Alleyne dan Hedrick (1997), Esmailzadeh dan Taghirad (1996), serta Lin dan Kanellakopoulos (1997).
Skema kendali yang disajikan dalam
penelitian-penelitian tersebut bersifat tidak linear. Dalam tesis ini akan disajikan dua skema kendali yaitu pengaturan linear kuadratik dengan sinyal kendali linear, dan metode mode luncur dengan sinyal kendali tidak linear. Kedua skema kendali tersebut akan disimulasikan menggunakan program komputer. Gaya kendali yang dihasilkan oleh program komputer sistem suspensi aktif memiliki nilai yang terkait dengan suatu vektor kendali umpan balik berdasarkan data-data sensor yang ditanamkan pada kendaraan. Selama bertahuntahun berbagai strategi kendali telah digunakan untuk mendapatkan kendali umpan balik tersebut, antara lain srategi umpan balik optimal (Alleyne dan Hedrick, 1997), metode ‘backsteeping’ (Lin dan Kannekopoulos, 1996) , kendali fuzzy (Yoshimura dkk., 1991), dan kendali mode luncur (Yoshimura dkk., 2001). Di antara strategi-strategi tersebut, kendali mode luncur memiliki struktur yang lebih sederhana dan memberikan jaminan kestabilan pada sistem. Tesis ini merupakan penguraian paper bertahun 2003 yang ditulis oleh Yahaya Md dkk. dan juga paper bertahun 2007 yang ditulis oleh Xiang Ji dkk. Prinsip-prinsip kestabilan sistem dinamik yang disajikan dalam tesis ini bersumber dari buku Nonlinear Systems yang ditulis oleh Hasan K. Khalil (2002). Demikian pula prinsip-prinsip yang terkait dengan fungsi Lyapunov disarikan dari sumber yang sama. Sedangkan skema kendali Linear Quadratic Regulator (LQR) yang disajikan bersumber dari buku Modern Control Engineering edisi keempat yang ditulis oleh Katsuhiko Ogata (2002). Metode Sliding Mode Control (SMC) yang merupakan skema inti dari tesis ini bersumber dari dua buku yang ditulis oleh Vadim I. Utkin (1992), salah satu pencetus metode kendali mode luncur (SMC).
4
1.5 Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dalam 4 bab yaitu Pendahuluan, Landasan Teori, Pembahasan, dan Penutup. Di dalam Bab Landasan Teori disajikan berbagai definisi dan teorema yang akan digunakan dalam pembentukan model matematika sistem suspensi dan skema kendalinya. Karena model matematika sistem suspensi berbentuk ruang keadaan maka diperlukan landasan teori terkait matriks, ruang keadaan sistem linear, dan hal-hal yang menentukan kestabilan sistem linear tersebut. Dalam Bab ini juga disajikan landasan teori terkait skema kendali linear kuadratik dan mode luncur. Hukum-hukum mekanika yang berhubungan dengan sistem suspensi juga disajikan dalam Bab tersebut. Bab Pembahasan diawali dengan pembentukan model matematika untuk sistem suspensi pasif dilanjutkan dengan pembentukan model matematika untuk sistem suspensi aktif. Selanjutnya dirancang skema kendali linear kuadratik murni dan
diakhiri
dengan
perancangan
skema
kendali
mode
luncur
yang
dikombinasikan dengan kendali linear kuadratik. Di dalam Bab Penutup dituliskan beberapa kesimpulan yang diambil berdasarkan hasil-hasil yang didapatkan dari Bab Pembahasan. Dalam Bab tersebut juga disajikan beberapa saran untuk penelitian berikutnya yang terkait dengan pengendalian sistem suspensi aktif menggunakan metode mode luncur.
5
