DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL ADAPTIF LINGKUNGAN-BIOLOGIK DALAM RUMAH TANAMAN
TAMRIN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2005
PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Desain dan Pemodelan Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik dalam Rumah Tanaman adalah karya saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir disertasi ini.
Bogor, Oktober 2005
Tamrin NIM 995173
ABSTRAK TAMRIN. Desain dan Pemodelan Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik dalam Rumah Tanaman. Dibimbing oleh KUDANG BORO SEMINAR, HERRY SUHARDIYANTO, dan SOEDODO HARDJOAMIDJOJO. Ada kecenderungan pengusaha di bidang agro bisnis, terutama di bidang hortikultura, lebih memilih memproduksi komoditas yang spesifik, yaitu yang membutuhkan teknologi dan perlakuan khusus dimana tidak semua orang bisa memproduksinya. Untuk memenuhi kebutuhan itu, perlu teknologi yang dapat melakukan identifikasi antara masukan yang dibutuhkan dengan keluaran yang diinginkan dan mewujudkan hasil identifikasi tersebut, dengan kata lain teknologi yang dapat digunakan untuk kegiatan praktis dan sekaligus riset (fleksibel). Sehubungan hal di atas, dirancang sistem kontrol adaptif lingkunganbiologik untuk rumah tanaman dalam bentuk perangkat lunak yang juga memadukannya dengan fasilitas pilihan modus kontrol. Identifikasi lingkunganbiologik disini didasarkan pada pemahaman model yang menggambarkan hubungan antara faktor lingkungan optimal dengan produk maksimum tanaman yang dipane n, baik didasarkan pada kualitas, atau kuantitas, atau selera, atau kombinasi diantaranya, tergantung kondisi produk yang diinginkan. Produk tanaman yang dipanen dapat berupa hasil generatif maupun vegetatif. Penelitian, mencakup desain sistem kontrol adaptif lingkungan-biologik, membangun perangkat lunak dan model lingkungan-biologik (pindah panas), eksperimen dan pengamatan di lapangan (data volume nutrisi yang diberikan, out flow, citra kanopi, diameter batang, suhu udara, kelembaban relatif udara, dan iradiasi matahari), pengolahan data mencakup model tanaman dengan jaringan syaraf tiruan, optimasi lingkungan-biologik dengan algoritma genetika, model lingkungan-biologik dengan pindah panas, optimasi parameter kontrol fazi dan PID dengan algoritma genetika, dan simulasi sistem kontrol adaptif lingkunganbiologik berdasarkan acuan lingkungan optimal dengan menggunakan parameter optimal untuk modus kontrol fazi dan PID. Prototipe perangkat lunak sistem kontrol adaptif lingkungan-biologik yang dibangun telah dilengkapi dengan fasilitas real time sehingga memungkinkan digunakan untuk kebutuha n akuisisidata dan kontrol dengan fasilitas pilihan modus kontrol fa zi, PID, P, PI, dan PD. Selain hal itu, juga telah dilengkapi dengan fasilitas sistem pengolah citra, sistem penentuan acuan optimal, dan sistem penentuan parameter kontrol optimal. Model tanaman untuk memprediksi pertumbuhan tanaman timun mini (rasio kanopi-diameter) pada fase vegetatif dan out flow adalah berdasarkan larutan nutrisi yang diberikan dan lingkunganbiologik (suhu, kelembaban, dan iradiasi) telah memadai atau baik. Adapun nilainilai EI dan APD pada hasil pembelajaran untuk rasio kanopi-diameter adalah 95% dan 1,3%; untuk out flow adalah 99% dan 4,9%, sedangkan pada hasil validasi untuk rasio kanopi-diameter adalah 93% dan 0,62%; untuk out flow adalah 96% dan 0,43%. Model lingkungan-biologik yang dibangun cukup memadai untuk kasus rumah tanaman yang cukup luas dengan penyekat kasa. Adapun Nilai EI dan APD untuk suhu dan kelembaban berturut-turut adalah 88% dan 0,49%, sedangkan untuk kelembaban adalah 77% dan 0,29%. Performansi sistem kontrol modus fazi dan PID dalam rumah tanaman yang sangat sensitif terhadap perubahan iradiasi matahari adalah baik.
ABSTRACT TAMRIN. The Design and Modelling of Biological- Environment Adaptive Control System in Agriculturalhouse. Supervised by KUDANG BORO SEMINAR, HERRY SUHARDIYANTO, and SOEDODO HARDJOAMIDJOJO. The design of biological-environment adaptive control system in agriculturalhouse was aimed to produce the specific characterictics of crop. The technology that was applied could identify the required input and the expected output. The control system facilitated the alternatives control modes. The identification of biological-environment was based on the understanding of model that described the relation between optimal environment factors and the maximum crop productions. The expected specific characteristics depends on the quality and quantity, or the preferences of consumers, or the combination between those factors. The harvested crop might be the generative yield such as fruits, or vegetative yields (stem, leaves, or roots). The research included (1) the design of biological-environment control system, (2) the establishment of the software system and biological-environment model using the approach of heat and mass transfer, (3) experiments and observation in the field (data of the added nutrient volume, the amount of out flow, the image of canopy, stem diameter, air temperature, relative air humidity, and solar irradiation), and (4) data processing (plant model using artificial neural network, optimizing biological-environment using genetic algorithm, biologicalenvironment model using heat and mass transfer, optimizing the parameters of fuzzy and PID control, using genetic algorithm, and the simulation of biologicalenvironment control system based on the set point (optimal environment) and optimal parameter of fuzzy and PID control. The prototype of the biological-environment adaptive control system in agriculturalhouse software was facilitated with the real time condition. Therefore, it was able to be applied for the requirement of acquisition data and control with the alternatives fuzzy control mode, PID, P, PI, and PD. In addition, the system was facilitated with the image processing system, the determination of optimal environment (set point), and optimal parameter of control. The plant model used in the research was baby cucumber. The results showed that the plant model gave the satisfactory results which indicated by the values of EI (95%) and APD (1.3%) in the training of the canopy -diameter ratio, 99% and 4.9%, respectively in the training of the out flow. The validation of canopy and diameter ratio gave the results of EI (93%) and APD (0.62%), whereas the validation of out flow were 96% and 0.43%, respectively. The biological-environment of the plant house which was facilitated with an adequate area and ventilated booth showed satisfactory result. This was indicated by the EI and APD values for the temperature of 88% and 0.49%, respectively, and for the humidity was 77% and 0.29%, respectively. The performance of fuzzy and PID control system in the greenhouse which was very sensitive towards the changes of the solar irradiation was satisfactory.
© Hak cipta milik Tamrin, tahun 2005 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apa pun, baik cetak, fotokopi, mikrofilm, dan sebagainya
DESAIN DAN PEMODELAN SISTEM KONTROL ADAPTIF LINGKUNGAN-BIOLOGIK DALAM RUMAH TANAMAN
TAMRIN
Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2005
Judul Disertasi: Desain dan Pemodelan Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik dalam Rumah Tanaman Nama : Tamrin NIM : 995173
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc. Ketua
Prof. Dr. Ir. Soedodo Hardjoamidjojo, M.Sc. Anggota
Dr. Ir. Herry Suhardiyanto, M.Sc. Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian
Prof. Dr. Ir. Budi Indra Setiawan, M.Agr.
Tanggal Ujian: 29 September 2005
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Syafrida Manuwoto, M.Sc.
Tanggal Lulus:
PRAKATA Bismillaahirrohmaanirrohiim. Penyusunan disertasi yang berjudul Desain Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik dalam Rumah Tanaman ini, mencakup tahapan: desain sistem, membangun perangkat lunak dan model, pengumpulan dan pengolahan data, serta penulisan. Kegiatan tersebut dilaksanakan di Laboratorium Ergotron Departemen Teknik Pertanian FATETA IPB dan di PT Saung Mirwan Bogor, dari April 2002 sampai Agustus 2005. Penulis menyadari dalam setiap tahapan di atas telah melibatkan banyak pihak. Dengan segala keikhlasan, penulis ucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. H. Kudang Boro Seminar, M.Sc.; Bapak Dr. Ir. H. Herry Suhardiyanto, M.Sc; dan Bapak Prof. Dr. Ir. H. Soedodo Hardjoamidjojo, M.Sc., selaku pembimbing. Disamping itu, penghargaan yang tulus penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah sangat membantu baik dalam bentuk diskusi maupun dalam bentuk lainnya. Ungkapan terima kasih disampaikan juga kepada Ayahanda (alm); Ibunda; saudara-saudara ku; ananda: Ayeshah Augusta Rosdah, Elisha Rosalyn Rosdah dan Muhammad Rajarief Latief; serta istriku: Ir. Filli Pratama, M.Sc.(Hons), PhD, atas segala do’a dan kasih sayang kalian. Semoga karya ini bermanfaat, Aamiin. Bogor, Oktober 2005 Tamrin
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 18 September 1963 sebagai anak ke-6 dari pasangan Ayahanda A. Latief Saleh (alm) dan Ibunda Rosdah Marzuki. Pendidikan sarjana ditemp uh di Program Studi Teknik Pertanian FP Universitas Sriwijaya dan lulus pada tahun 1988. Pendidikan pascasarjana, magister dan doktoral, ditempuh di Departemen Teknik Pertanian FATETA Institut Pertanian Bogor dan lulus berturut-turut pada tahun 1997 dan tahun 2005. Penulis bekerja sebagai staf pengajar di Program Studi Teknik Pertanian FP Universitas Sriwijaya sejak tahun 1990 sampai sekarang. Adapun karya ilmiah berupa jurnal/paten/prosiding selama mengikuti pendidikan program doktoral adalah: 1) Tamrin, Seminar KB, Suhardiyanto H, Hardjoamidjojo S. 2005. Model jaringan syaraf tiruan untuk pertumbuhan tanaman ketimun mini (Cucumis sativus L. Var. Marla) pada fase vegetatif. Jurnal Keteknikan Pertanian 19(1):1-10 2) Tamrin, penemu; Universitas Sriwijaya. 5 Nov 2003. Sistem pengontrolan cahaya matahari di rumah kaca dengan sirip-sirip plastik serat (fiber glass). P00200300560. 3) Tamrin. 2003. A study on the plant growth under the controlled micro climate. Proceedings of The Seminar International on: The Organic Farm and Suistainable Agriculture in The Tropics and Sub Tropics:Science, Tecnology; Palembang, 8-9 Sept 2003. 2: 328-332. 4) Tamrin. 2002. Jaringan neural buatan dan contoh aplikasi pada penentuan model pendugaan kadar air volumetrik dan konduktivitas tanah. Prosiding Seminar Nasional-Agri Bisnis dan Agri Industri; Palembang, 11-12 Juli 2002. hlm A081-A0815. 5) Tamrin, Hermantoro, Setiawan B I. 2000. Simulasi metode numerik beda hingga untuk menduga penyebaran kadar air volumetrik dan potensial air. Buletin Keteknikan Pertanian 6(4): 37-62. 6) Tamrin, Dedie T. 2000. Rancang bangun sistem kontrol cahaya di rumah kaca. Media Publikasi Ilmu Pertanian Eugenia 6(4): 11-17. 7) Tamrin. 2000. Karakteristik kontrol biner, PID, dan logika fuzzy pada beberapa aplikasi. Prosiding Seminar Nasional-Teknik Pertanian 2: 156163.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ...........................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................
xi
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................
xv
PENDAHULUAN ........................................................................................... Latar Belakang ....................................................................................... Tujuan Penelitian .................................................................................... Manfaat Penelitian ..................................................................................
1 1 8 8
TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................. Tanaman, Lingkungan, dan Rumah Tanaman ..................................... Jaringan Syaraf Tiruan (JST) ................................................................. Algoritma Genetika (AG) ....................................................................... Sistem Kontrol Umpan Balik .................................................................
9 9 12 17 20
PENDEKATAN SISTEM KONTROL ADAPTIF LINGKUNGAN-BIOLOGIK ......................................................................... Konsep Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik .......................... Struktur Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik ......................... Komponen Struktur Sistem Kontrol Adaptif Lingkungan-biologik ..............................................................................
24 24 27 30
METODE PENELITIAN ................................................................................ Tempat dan Waktu ................................................................................. Bahan dan Alat ....................................................................................... Prosedur Kerja ........................................................................................
48 48 48 48
HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................................... Perangkat Lunak ..................................................................................... Penentuan Acuan Optimal Lingkungan ................................................. Evapotranspirasi Tanaman ..................................................................... Model Lingk ungan-biologik .................................................................. Penentuan Parameter Optimal dan Performansi Kontrol Fazi dan PID ..................................................
67 67 82 97 99 104
KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................................
126
DAFTAR PUSTAKA .....................................................................................
128
LAMPIRAN ....................................................................................................
133
ix
