External Permanent Magnets (EPMs) yang ditempatkan pada kulit perut. Dalam proses pembedahan dibutuhkan bantuan alat instrumentasi yang memiliki kepresisian yang tinggi sehingga dapat mengurangi resiko kegagalan [7]. Mikro robot juga telah diemplementasikan menggunakan sistem maglev. Salah satu implementasi mikro robot difungsikan pada daerah yang sangat berbahaya. Robot tersebut dapat dikendalikan dengan mentransfer energi magnetik dan sinyal optik dari luar dengan jarak tertentu [3]. Selanjutnya turbin angin juga telah diemplementasikan
menggunakan
sistem
maglev.
Turbin
angin
yang
menggunakan sistem maglev memiliki efisiensi yang sangat tinggi karena dengan sistem maglev turbin dapat berputar lebih cepat, selain itu juga dapat meredam getaran yang dihasilkan turbin angin [4]. Pada bearingless motor yang menggunakan sistem maglev juga memiliki efisiensi yang tinggi karena saat motor berputar tidak ada gesekan secara langsung [6]. Secara umum, sistem maglev banyak diaplikasikan diberbagai bidang disebabkan maglev mempunyai keunggulan, diantaranya tidak ada gesekan yang dihasilkan sistem maglev, pergerakan maglev yang cepat dan memiliki efisiensi yang tinggi. Sistem maglev merupakan sistem yang nonlinear sehingga tidak mudah untuk mengendalikannya. Dibutuhkan kendali yang tepat untuk mengendalikan sistem maglev agar menghasilkan kinerja sistem yang baik. Kendali yang tepat untuk mengendalikan sistem nonlinear dapat menggunakan kendali nonlinear seperti: sliding mode control, Lyapunov redesign, backstepping, passivity-based control, high-gain observers dan lainya [8].
2
Berdasar uraian tersebut, maka akan diangkat sebuah penelitian magnetic levitation. Penelitian sistem maglev sangat menarik dilakukan karena sistem tersebut telah banyak diimplementasikan dengan tujuan membantu manusia. Pada penelitian berupa simulasi dan implementasi sistem maglev menggunakan kendali nonlinear yakni metode konvensional sliding mode control dan global sliding mode control. Metode sliding mode control (SMC) mempunyai keunggulan, diantaranya : metode SMC merupakan metode yang tahan terhadap gangguan dan ketidakpastian parameter. Metode SMC pertama kali ditemukan pada awal tahun 1960 oleh Emel’yanov dan Barbashin yang berasal dari Rusia. Metode SMC telah berhasil mengendalikan kendali pesawat terbang otomatis, kendali motor listrik, sistem kestabilan helikopter dan robot [9]. Namun, pada implementasi sistem maglev, metode SMC tidak mudah untuk dilakukan karena sistem maglev merupakan sistem yang nonlinear dan metode SMC memiliki efek chattering. Sehingga diperlukan analisa yang mendalam terkait dinamika sistem maglev. Perbedaan dinamika antara rancangan kendali dan plant biasanya selalu terjadi, hal ini dapat disebabkan karena gangguan dan ketidakpastian. Metode yang tepat sangat dibutuhkan
agar dapat meminimalkan perbedaan dinamika antara
rancangan kendali dan plant. Selain itu, dibutuhkan rancangan kendali SMC dengan efek chattering yang tidak terlalu besar agar komponen elektronik tidak mengalami kerusakan. Untuk mengetahui kinerja kendali konvensional sliding mode control dan global sliding mode control dibutuhkan analisis kestabilan. Analisis kestabilan menggunakan pendekatan secara nonlinear karena kendali yang digunakan merupakan kendali nonlinear.
3
1.2
Perumusan Masalah Perumusan masalah pada penelitian ini adalah bagaimana mendesain dan
mengimplementasikan kendali
magnetic levitation menggunakan metode
nonlinear, yakni metode konvensional sliding mode control dan global sliding mode control. Tantangan pada penelitian magnetic levitation ialah masalah ketidakpastian nilai parameter dan gangguan. Kehandalan kinerja dari kendali akan diketahui, saat sistem terdapat ketidakpastian parameter. Nilai parameter sistem maglev dapat berubah ketika suhu koil elektromagnet meningkat. Permasalahan ini secara teoritis dapat ditangani oleh kendali yang robust seperti kendali sliding mode control. Masalah lainnya ialah pada kendali sliding mode control terdapat fenomena chattering. Fenomena chattering merupakan osilasi dengan frekuensi dan amplitudo yang tinggi pada kendali. Pada simulasi, fenomena chattering hanya mempengaruhi waktu komputasi, semakin tinggi fenomena chattering maka komputasi akan semakin lama. Namun pada implementasi, fenomena chattering dapat membuat sistem menjadi tidak stabil karena keterbatasan kemampuan komponen elektronik. Diperlukan strategi agar fenomena chattering tidak terlalu besar dan bisa ditoleransi oleh komponen elektronik sehingga kendali sliding mode control dapat diimplementasikan pada plant. 1.3
Keaslian Penelitian Metode SMC telah banyak diaplikasikan diberbagai bidang, seperti: robot
[10][11], motor [12][13][14], jaringan komunikasi [15], turbin angin [16] dan
4
lainnya. Sedangkan untuk sistem maglev juga telah banyak diteliti dengan berbagai macam kendali, seperti metode quantitative feedback theory [17], adaptive backstepping [18], passivity based control [19], gain scheduling [20], high gain observers [21], PID [22] dan lainnya. Ada beberapa penelitian sebelumnya yang memiliki kesamaan metode kendali
dan
implementasinya,
yakni
metode
SMC
dan
implementasi
menggunakan magnetic levitation. Penelitian tersebut dilakukan oleh Al-Muthairi dan Zribi dengan judul penelitian “Sliding Mode Control of a Magnetic Levitation System“ [23]. Pada penelitian mengendalikan sistem magnetic suspension dengan parameter massa objek yang berbeda-beda dengan tujuan untuk mengetahui sejauh mana kehandalaan kendali yang dibuat. Selain itu, pada penelitian membandingkan kinerja antara metode static sliding mode control, dynamic sliding mode control dan moidifed dynamic sliding mode control. Pada kendali static sliding mode control masih terdapat osilasi atau chattering yang cukup besar, yakni sebesar 10 volt. Selain itu posisi objek masih terdapat steady state error terhadap set point. Kendali dynamic sliding mode control menunjukkan kinerja yang lebih baik, fenomena chattering dapat diperkecil dan keluaran tanggapn posisi objek tidak terdapat steady state error terhadap set point, sehingga kendali dynamic sliding mode control handal terhadap perubahan massa objek. Kendali modified dynamic sliding mode control memiliki kinerja yang baik. Fenomena chattering sudah tidak terlihat. Selain itu posisi objek dapat mengikuti
set
point
dengan
baik.
Namun,
pada
penelitian
belum
diimplementasikan pada plant maglev, penelitian hanya berupa simulasi
5
menggunakan perangkat lunak. Apabila diimplementasikan pada plant maka banyak ketidakpastian (uncertainties) akan terjadi. Ketidakpastian berupa nilai parameter resistansi dan induktansi yang berubah karena suhu koil elektromagnet meningkat. Begitu juga penelitian yang dilakukan oleh Yousfi Khemissi dengan judul “Control using sliding mode control of the magnetic suspension system”[24]. Pada penelitian mengendalikan objek maglev menggunakan metode sliding mode control dengan sinyal referensi yang berbeda-beda. Sinyal referensi berupa sinyal random disturbance, sinusoidal disturbance, builder disturbance dan pulse generator. Tanggapn output menunjukkan dapat mengikuti sinyal referensi dengan baik, namun masih terdapat sedikit steady state error. Selanjutnya pada kendali menunjukkan masih terdapat fenomena chattering. Penelitian ini berupa simulasi
menggunakan
Matlab
Simulink
dan
pada
simulasi
tidak
mempertimbangkan masalah ketidakpastian dan gangguan, sehingga kehandalan kendali belum dapat dibuktikan. Penelitian yang berjudul “fuzzy sliding mode control of a magnetic ball suspension” dilakukan oleh Chien-An Chen [25]. Pada penelitian menggunakan metode conventional sliding mode controller dan adaptive fuzzy estmator sliding mode controller untuk mengendalikan posisi objek maglev. Metode conventional sliding mode control memiliki chattering yang cukup besar. Untuk memperkecil chattering yang disebabkan frekuensi tinggi digunakan metode adaptive fuzzy estimator sliding mode control. Hasil eksperimen menunjukkan adaptive fuzzy estimator sliding mode control memiliki kinerja yang lebih baik dari conventional
6
sliding mode control saat diberi gangguan (disturbance), namun metode adaptive fuzzy estimator sliding mode control membutuhkan komputasi yang tinggi dan membuat kendali menjadi lebih komplek. Penelitian yang berjudul “Second-order sliding mode control for a magnetic levitation system” dilakukan oleh Huann-Ken Ching [26]. Penelitian ini mengendalikan objek maglev menggunakan kendali sliding mode control orde dua. Percobaan penelitian menggunakan perangkat lunak Matlab Simulink dan implementasi kendali menggunakan dSPACE DS1102 controller board. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kendali second-order sliding mode control memiliki kinerja yang sedikit lebih baik daripada conventional sliding mode control. Namun, kendali second-order sliding mode control masih terdapat fenomena chattering. Penelitian yang dilakukan oleh Mahdi dengan judul “sliding mode control of
voltage-controlled
magnetic
levitation
system”
[27].
Penelitian
ini
membandingkan kinerja kendali sliding mode control dengan kendali feedback linearized. Berdasar hasil simulasi menggunakan perangkat lunak Matlab, kendali sliding mode control dapat mengendalikan posisi objek lebih baik daripada kendali feedback linearized. Namun, kendali sliding mode control memiliki fenomena chattering yang cukup besar pada input kendali yang berupa tegangan, sedangkan kendali feedback linearized memiliki chattering yang lebih kecil. Perbedaan penelitian sebelumnya dengan penelitian yang dilakukan ialah pada penelitian tidak hanya berupa simulasi tetapi juga mengimplementasikannya dalam bentuk prototype menggunakan kendali konvensional sliding mode control 7
dan global sliding mode control. Kemudian untuk mengetahui kinerja kendali, akan ditambahkan gangguan dan ketidakpastian pada sistem maglev. Software yang digunakan ialah Matlab Simulink. Pada Implementasi menggunakan mikrokontroler dsPIC yang mengendalikan prototype maglev secara real time. Pemograman mikrokontroler menggunakan blockset Simulink untuk dsPIC. Selanjutnya pada fungsi kendali menggunakan fungsi saturation agar chattering dapat diperkecil sehingga sistem dapat menjadi lebih stabil. 1.4
Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Melakukan studi simulasi dan implementasi sistem maglev menggunakan kendali konvensional
sliding mode control dan global sliding mode
control. 2. Mengevaluasi perbandingan kinerja konvensional sliding mode control dan global sliding mode control terhadap ketidakpastian parameter dan gangguan pada sistem maglev. 1.5
Manfaat Penelitian Penelitian sistem magnetic levitation diharapkan mempunyai manfaat di
bidang pendidikan, industri dan peneliti. 1. Pendidikan Pada dunia pendidikan diharapkan dapat menambah wawasan bagi pembaca, khususnya dibidang sains dan teknologi. Dengan wawasan yang baik dapat meningkatkan mutu pendidikan.
8
2. Industri Pada dunia industri dapat mengimplementasikan maglev dangan kendali yang robust sehingga akan meningkatkan efisiensi. Karena saat ini maglev telah banyak digunakan untuk aplikasi yang sangat berguna bagi manusia. 3. Penelitian Penelitian ini juga diharapkan dapat menjadi referensi bagi peneliti lain. Peneliti dapat menganalisis untuk meningkatkan kinerja. 1.6
Batasan Masalah Untuk menghindari penelitian yang terlalu luas dan memberikan arah yang
lebih baik serta memudahkan dalam penyelesaian masalah sesuai dengan tujuan yang ingin dicapai, maka perlu adanya pembatasan masalah. Batasan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Objek penelitian berupa sistem maglev mengendalikan sebuah objek yang dapat melayang di udara secara vertikal (1 DOF) dengan ketinggian tertentu menggunakan elektromagnet. 2. Analisis model sistem maglev menggunakan metode Euler-Lagrange. 3. Kemampuan jangkauan elektromagnet dalam mengendalikan objek berkisar antara 0,5 cm hingga 1,25 cm. 4. Ketidakpastian nilai parameter sistem maglev dibatasi pada nilai tertentu. Nilai tersebut didapatkan dengan melakukan pengukuran nilai parameter pada prototype maglev.
9
1.7
Sistematika Penulisan Tesis dengan judul “Desain dan Implementasi Kendali Magnetic
Levitation Menggunakan Metode Sliding Mode Control” disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut: 1.
BAB I Pendahuluan Bab ini berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, keaslian penelitian, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
2.
BAB II Tinjauan Pustaka dan Landasan Teori Bab ini berisi tentang tinjauan pustaka
3.
BAB III Metodologi Bab ini berisi tentang penjelasan mengenai perangkat penelitian, jalannya penelitian, dan cara analisis.
4.
BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab ini berisi tentang penjelasan mengenai hasil penelitian dan analisis kinerja kendali.
5.
BAB V Kesimpulan dan Saran Bab ini berisi tentang penjelasan mengenai kesimpulan dan saran yang dapat membangun serta meningkatkan maksud dan tujuan dari penelitian ini menuju arah yang lebih baik.
10
