Perancangan dan Implementasi Kendali Cerdas Logika Fuzzy Pada Kontrol Posisi Motor Servo AC

SEMINAR NASIONAL ELECTRICAL, INFORMATICS, AND IT’S EDUCATIONS 2009

Perancangan dan Implementasi Kendali Cerdas Logika Fuzzy Pada Kontrol Posisi Motor Servo AC 1)

1)

2)

3)

Muhammad Ilhamdi Rusydi , Refdinal Nazir , Ahmad Rivai 2) 3) Labor Kontrol dan Aautomasi, Labor Konversi Energi Elektrik, Labor Elektronika Industri

Abstrak – Makalah ini membahas kontrol posisi motor servo AC yang diimplementasikan dengan kendali cerdas logika fuzzy. Makalah ini akan melihat keunggulan kontrol logika fuzzy dibandingkan dengan kontrol on/off. Pengontrolan posisi dilakukan dengan menerapkan konsep pengaturan kecepatan dengan metode Volt/Hertz. Tegangan supply motor diatur dengan variasi frekuensi dan amplitudo tegangan sinyal kontrol. Proses inference engine menggunakan metode Mamdani. Proses defuzzyfication menggunakan weight average methode. 1. Pendahuluan Motor servo merupakan motor yang digunakan sebagai sumber bergerak dalam sistem servo, dengan umpan balik berupa posisi dan kecepatan untuk setiap aksi pengontrolan. Motor servo dapat bekerja dengan tepat mengikuti instruksi yang diberikan, meliputi posisi dan kecepatan dengan karakteristik sebagai berikut (Surya Saputra, 2002): 1. Berputar dengan mantap pada daerah kecepatan yang diberikan. 2. Mengubah kecepatan dengan cepat, dan membangkitkan torka yang besar dari ukuran yang kecil. Salah satu aplikasi motor servo AC adalah untuk mengontrol posisi beban. Pengontrolan posisi beban dapat dilakukan dengan menerapkan konsep pengaturan kecepatan dengan metode Volt/Hertz. Metode ini dapat mengatur kecepatan motor untuk setiap posisi yang diinginkan. Kecepatan motor dapat divariasikan dengan mengatur frekuensi power supply. Agar motor dapat menghasilkan torka yang sama untuk setiap perubahan nilai kecepatan maka tegangan supply motor juga perlu diatur mengikuti perubahan frekuensi tersebut (Surya Saputra, 2002). Banyak sekali sistem kontrol pada saat ini yang menginginkan keluaran dengan ketelitian yang tinggi, sehingga sistem kontrol tersebut membutuhkan suatu sistem yang cukup kompleks. Dengan fuzzy maka tidak diperlukan lagi suatu sistem kontrol yang sangat kompleks (Tim IE & Igit Purwahyudi, 2003). Logika fuzzy memiliki keunggulan dibandingkan teknik pengontrolan biasa. Pengendali ini tidak memerlukan model matematis dari suatu sistem. Ada 3 ciri utama dari fuzzy : (1) menggunakan linguistically described concepts daripada rumus; (2) menggunakan logika daripada ilmu hitung; dan (3) menggunakan metode logika fuzzy (Nikola K. Kasabov. 1998). Dengan beberapa keunggulan-keunggulan pengontrolan logika fuzzy di atas maka penulis mencoba untuk membuat suatu sistem pengontrolan posisi motor servo AC dengan sistem kendali logika fuzzy. Penelitian ini bertujuan untuk mendesain dan membuat pengontrolan posisi motor servo AC dengan sistem kendali logika fuzzy.

Dari penelitian ini diharapkan dihasilkan suatu rancangan pengontrolan posisi motor servo AC dengan algoritma logika fuzzy. 2. Desain Perangkat Keras dan Perangkat Lunak Skema umum sistem pengontrolan posisi pada motor servo AC dapat dilihat pada gambar 1. Sistem kontrol posisi motor servo AC ini secara garis besar dapat dibagi dalam dua bagian yaitu perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras terdiri dari komputer, DAC, counter, driver motor servo AC, motor servo AC dan encoder.

Gambar 1 Blok diagram sistem kendali motor servo AC. Perangkat lunak menggunakan bahasa pemrograman delphi. Input program berupa sudut yang diinginkan (sudut set). Program kontrol logika fuzzi akan mengeluarkan sinyal kontrol pada DAC, program juga membaca umpan balik motor servo dari encoder menggunakan counter. Umpan balik yang diperoleh counter diubah dalam bentuk sudut aktual. Selisih sudut aktual dan sudut set ini disebut error dan selisih error sebelumnya dengan error sekarang disebut delta error. Error dan delta error inilah yang menjadi parameter kontrol logika fuzzi. Blok diagram pengontrolan posisi dengan logika fuzzy dapat dilihat pada gambar 2.

A2-89

Gambar 2 Blok diagram pengontrolan posisi dengan logika fuzzy


3 a.

Kontrol Logika Fuzzi Preprocessing Preprocessing merupakan proses awal pada tahap ini dilakukan penghitungan error dan delta error. Untuk memudahkan dalam pembentukan himpunan fuzzy, error dinormalisasi terlebih dahulu agar memiliki range -1 sampai 1. o Seperti terlihat pada gambar 3 error sebesar -180 o diwakili oleh -1 sedangkan error 180 diwakili oleh 1.

A2-90

Defuzzyfication menggunakan Weighted Average Method. Himpunan fuzzy output dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 Himpunan Fuzzy output. e.

Postprocessing Output berupa perubahan sinyal kontrol yang dihasilkan oleh proses defuzzyfication masih berupa bilangan yang berada dalam range -1 hingga 1 seperti gambar 5. Nilai output ini harus disesuaikan dengan nilai frekuensi yang dibutuhkan oleh kontroller. Untuk memperoleh torka yang konstan dalam suatu daerah kecepatan yang berbeda, maka ditentukan amplitudo tegangan kontrol dengan hubungan Volt/Hertz dari frekuensi kontrol yang didapat.

Gambar 3 Himpunan Fuzzy error. b.

Fuzzyfication Error dan delta error diubah dalam bentuk fuzzy. Dengan himpunan fuzzy untuk error terdiri dari tujuh fungsi keanggotaan (NL (Negative Large), NM (Negative Medium), NS (Negative Small), ZE (Zero), PS (Positive Small), PM (Positive Medium), PL (Positive Large) ) seperti gambar 3. a1, a2, a3, a4, a5, a6 dan a7 merupakan nilai variabel pada fungsi keanggotaan. Begitu juga dengan himpunan fuzzy delta error seperti gambar 4.

3 Hasil dan Diskusi Rasio Tegangan Terhadap Frekuensi (Volt/Hertz) Untuk mendapatkan hubungan antara frekuensi dan tegangan motor, pada penelitian ini dinyatakan dengan persamaan Ac (amplitudo tegangan kontrol) dan fc (frekuensi tegangan kontrol). Untuk setiap frekuensi input ditentukan amplitudo kontrol yang cocok sehingga arus motor dapat dipertahankan konstan. Dengan mempertahankan arus motor pada nilai yang tetap, maka torka yang dihasilkan motor tidak berubah terhadap variasi frekuensi input atau kecepatan motor. Pada tabel 2 dapat dilihat data pengujian rasio tegangan terhadap frekuensi.

Gambar 4 Himpunan Fuzzy delta error. c.

Inference fuzzy input dan fuzzy output dihubungkan dengan beberapa aturan yang dibuat dalam sebuah Fuzzy Associative Memories (FAM). Output pada sistem kendali fuzzy ini adalah berupa perubahan nilai frekuensi kontrol. Tabel FAM dapat dilihat pada Tabel 1. Proses inference dilakukan dengan menggunakan metode mamdani.

Tabel 2 Tabel data pengujian rasio tegangan terhadap frekuensi.

Tabel 1 Tabel FAM (Fuzzy Associative Memories) Delta Error

NL

NM

NS

ZE

PS

PM

PL

NL

Error NL

NL

NL

NL

NL

NL

NM

NM

NM

NM

NM

NL

NL

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NM

NS

NS

NS

ZE

PS

PS

PS

PS

PS

PS

PS

PS

PM

PM

PM

PM

PM

PM

PM

PM

PL

PL

PL

PL

PL

PL

PL

PL

NL NM NS ZE PS PM PL

d.

Defuzzyfication Output dalam nilai fuzzy diubah menjadi output berupa nilai crisp. Nilai crisp inilah yang mewakili besarnya frekuensi kontrol. Proses

90

Frekuensi kontrol fc (Hz)

Amplitudo kontrol Ac (Volt)

Tegangan Terminal VLL (Vrms)

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40

0 1.04 1.05 1.06 1.08 1.08 1.12 1.15 1.19 1.23 1.26 1.31 1.37 1.41 1.48 1.52 1.58

0.6 6.96 7.39 7.46 7.7 7.81 8.05 8.33 8.58 8.95 9.2 9.47 10 10.45 10.7 11.06 11.45

Arus motor Ia (Arms) 0.02 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

42.5

-

-

-

Keterangan motor diam

Putaran motor tidak bagus


ω (derajat/detik)

Ac 2 − Ac1 1.58 − 1.04 = = 0.0144 f c 2 − f c1 40 − 2.5

Dari gradien yang diperleh dapat ditentukan persamaan Ac terhadap fc sebagai berikut:

Ac = (0.0144 × f c ) + k

0.5

1

1.5

2

2.5

3

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 4 -5 -10 -15

3.5

t (detik)

Jika konstanta k diberi nilai 0.9 maka dapat dibuat grafik seperti gambar 7. 1.6

80

80

1.4

70

70

1.2

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

ω(derajat/detik)

1 Ac = (0.0144 x fc) + 0.9

0.8 0.6 Ac(Percobaan) 0.4

10

10

0

0.2

Posisi (derajat)

Gambar 10 Kurva posisi dan kecepatan kontrol o logika fuzzi (sudut set = 45 )

1.8 Volt

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 0 -10 -15

Posisi (derajat)

Kontrol Posisi dengan Logika Fuzzi Pengujian kontrol posisi dengan logika fuzzi dilakukan dengan beberpa set posisi. Pengujian ini dilakukan bertujuan untuk melihat respon kontrol logika fuzzi terhadap waktu. Berikut dapat dilihat kurva posisi dan kecepatan kontrol logika fuzzi untuk posisi set yang bervariasi.

Dengan mengambil nilai pengujian pada frekuensi 2.5 Hz dan 40 Hz dapat dilakukan perhitungan untuk mencari persamaan frekuensi kontrol (fc) dan amplitudo tegangan kontrol (Ac). Dimana, fc1 = 2.5 Hz, dan Ac1 = 1.04 V fc2 = 40 Hz, dan Ac2 = 1.58 V maka dengan pendekatan persamaan linier, diperoleh gradien Ac sebagai beriut:

m12 =

A2-91

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

-10

-10

45

-20

-20

fc(Hz)

-30

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

-30

t (detik)

Gambar 7 Kurva hubungan amplitudo tegangan kontrol (Ac) terhadap frekuensi kontrol (fc)

ω (derajat/detik)

Pengujian Pengaruh Perubahan Frekuensi Kontrol (fc) Terhadap Kecepatan Motor Pengujian ini dilakukan bertujuan untuk melihat respon kecepatan terhadap perubahan frekuensi kontrol yang diberikan. Pengujian ini dilakukan menggunakan kontrol OnOff dengan menvariasikan frekuensi kontrol (fc) pada set posisi o 360 .

90

80

80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

0 -10

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

-20

0 5 -10 -20

t (detik)

sudut (derajat) 400


350 15 Hz 20 Hz

300

90

Posisi (derajat)


35 Hz 200 150

ω (derajat/detik)

Set Posisi 360 derajat

100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8 t(detik)

120

120

105

105

90

90

75

75

60

60

45

45

30

30

15 0 -15 0

Gambar 8 Grafik posisi terhadap waktu dengan variasi fc

15 1

2

3

4

5

6

7

8

9

sudut (derajat)

25 Hz 30 Hz

250

0 10 11 12 13 14 15 -15

-30

-30 t (detik)

40


fc(Hz) 35 126.272 30 108.667

90 20

ω (derajat/detik)

72 15 52.9412 10

5

0 0

20

40

60

80

100

120

140

Kecepatan Sudut (derajat/Hz)

Gambar 9 Grafik kecepata motor terhadap frekuensi kontrol.

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

t (detik)

91

4

4.5

5

5.5

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 6 -20

Posisi (derajat)

25


1

2

3

4

5

6

7

8

350 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 -100 -150

2

4

6

350 300 250 200 150 100 50 0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -50 -100 -150

Posisi (Derajat)

240 210 180 150 120 90 60 30 0 9 10 11 12 13 14 15 -30

ω (derajat/detik)

240 210 180 150 120 90 60 30 0 -30 0

sudut set yang diberikan. Berikut dapat dilihat kurva posisi dan kecepatan hasil pengujian.

Posisi (derajat)

ω (derajat/detik)


A2-92

t (detik)

t (detik)


Gambar 17 Kurva posisi dan kecepatan tiga posisi kontrol logika fuzzi o o o sudut set 180 , 360 dan 0

240

180

180

120

120

60

60

0

0

ω (derajat/detik)

300

240

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 t (detik)

240 200 160 120 80 40 0 -40 0 -80 -120 -160 -200 -240 -280 -320

2

4

6

240 200 160 120 80 40 0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -40 -80 -120 -160 -200 -240 -280 -320

Posisi (derajat)

360

300

Posisi (derajat)

ω (derajat/detik)

360

t (detik)

Gambar 16 Kurva posisi dan kecepatan kontrol o logika fuzzi (sudut set = 360 ) Dari pengujian yang telah dilakukan dapat dilihat kecepatan motor akan berkurang saat akan mencapai tujuan (sudut set). Pada pengujian motor o o o berosilasi pada sudut set 75 , 120 dan 240 , ini disebabkan oleh encoder pada motor memiliki resolusi 1000 ppr dan gear 1:50 sedangkan mode operasi counter yang digunakan 2-phase input, Asynchronization clear, Quadruple multiplication mode. Dengan mode ini maka counter akan menghitung sebagai berikut.

350 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 -100 -150

2

4

6

350 300 250 200 150 100 50 0 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -50 -100 -150

Posisi (derajat)

ω (derajat/detik)

Gambar 18 Kurva posisi dan kecepatan tiga posisi kontrol logika fuzzi o o o sudut set -300 , 240 dan 90

t (detik)

maka 360 o = 1000 ppr × 50 × 4 360 o = 200.000 ppr 1 ppr = 0.0018

280 240 200 160 120 80 40 0 -40 0 -80 -120 -160 -200 -240 -280 -320

2

4

6

8

280 240 200 160 120 80 40 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 -40 -80 -120 -160 -200 -240 -280 -320

Posisi (derajat)

ω (derajat/detik)

Gambar 19 Kurva posisi dan kecepatan tiga posisi On/Off o o o sudut set 180 , 360 , dan 0

t (detik)

o

o

o

Gambar 20 Kurva posisi dan kecepatan tiga posisi On/Off o o o sudut set -300 , 240 dan 90

o

Karena hasil pembagian 75 , 120 dan 240 dengan 0.0018 bukan bilangan bulat maka motor tidak bisa mencapai posisi tersebut. Pengujian Pada Tiga Posisi Pengujian ini bertujuan untuk melihat respon posisi dan kecepatan motor terhadap perubahan arah putar. Pada pengujian ini diset tiga buah sudut, sudut set akan berubah setiap waktu 10 detik. Pada pengujian didapatkan untuk kontrol On/Off motor bergerak dengan kecepatan tetap untuk setiap sudut set yang diberikan sedangkan pada kontrol logika fuzzy motor akan berkurang setiap akan mencapai

Perbandingan Energi Kinetik Kontrol logika Fuzzy dengan On/Off Pengujian ini dilakukan untuk membandingkan besar energi kinetik yang dihasilkan oleh kontrol logika fuzzy dengan on/off. o Pada pengujian ini diset sudut sebesar 360 lalu dicari rata-rata frekuensi kontrol yang digunakan. Frekuensi rata-rata ini digunakan pada kontrol on/oof. Dari percobaan didapat rata-rata sebesar 12.93 Hz. Pada gambar 21 dapat dilihat kurva posisi

92


terhadap waktu untuk kontrol logika fuzzy dan on/off. o Kontrol logika fuzzy mencapai sudut 360 pada t = 7.9 detik dan kontrol On/Off pada t = 8 detik.

frekuensi kontrol diikuti dengan perubahan amplitudo tegangan kontrol menurut persamaan:

Ac = (0.0144 × f c ) + 0.9

Kontrol Logika Fuzzi

400 derajat

Pada pengontrolan posisi dengan logika fuzzi kecepatan motor dipengaruhi oleh jarak sudut aktual dengan sudut set dan perubahan jarak (error dan delta error). Dengan FAM yang digunakan pada penelitian ini kecepatan motor akan berkurang saat mendekati sudut set. Sehingga momentum saat motor mencapai sudut set kontrol logika fuzzy lebih kecil dari kontrol on/off. 5 Pustakaan [1] Sen, C. Paresh. 1987. Principles of Electric Machines and Power Electronics ; p.c. sen”. John Willey & Son, Inc. [2] Rasyid, Muhammad H.1993. Power Electronics, Circuits, Devices, and Application.Prentice-Hall International Inc. [3] Kasabov, Nikola K. 1998. foundations of neural networks, fuzzy sistems, and knowledge engineering; MIT Press. London, Rngland. [4] J.P.Rey. 2002. Lecture Notes Principles of fuzzy Logic. Noordelijke Hogeschool Leeuwarden. [5] Nazir, Refdinal. 2002. Technical Report of Pair Research. Japan [6] Saputra, Surya. 2002. Pengontrolan Posisi Motor Servo AC dengan metode pengaturan “Volt/Hz”. Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro UNAND. Padang. [7] Igit, Purwahyudi & Tim IE. 2003. How 2 Use DT-51 PetraFuz. http://www.innovativeelectronics.com/innovativ e_electronics/download_files/artikel/AN16.pdf. [8] Zulhamdi. 2006. Simulasi Hybrid PI-Fuzzy Kontroler pada Sistem Weight Feeder Conveyor. Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro UNAND. Padang. [9] Saputra, Edi. 2007. Pengendalian Tegangan Generator Sinkron Menggunakan Kendali Berbasis Logika Fuzzy. Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro UNAND. Padang. [10] Kuswadi, Son. 2007. Kendali Cerdas, Teori dan Aplikasi Proktisnya. Andi. Yogyakarta.

Kontrol On/Off (fc = 12.93 Hz)

350 300 250 200 150 100 50 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 t (detik)

Gambar 21 Kurva posisi terhadap waktu kontrol logika fuzzy dan on/off (fc = 12.93 Hz) sudut set o 360 Dari data yang diperoleh dapat ditentukan energi kinetik rotasi dengan hubungan sebagai berikut:

Ek =

1 2 Iω 2

Karena kecepatan sudut pada data dalam /detik maka diubah dalam rad/detik.

o

ω = ωa ×

π

180

1 π 2 I (ω a × ) 2 180 1 π 2 2 Ek = ( ) I ×ω a 2 180 2 Ek = 1.52 × 10− 4 Iω a Ek =

Dari percobaan didapat energi kinetik total yang dibutuhkan oleh kontrol logika fuzzy lebih besar dari pada kontrol on/off. Pada kontrol logika fuzzy dibutuhkan energi 42.338I J sedangkan kontrol on/off 24.814I J. Dari percoban ini juga dapat dihitung momentum saat motor akan mencapai sudut set.

P = mv P = mrω P = mr

π

A2-93

ωa

180 P = 0.0174mrω a dari data yang diperoleh didapat momentum motor saat akan berhenti untuk control logika fuzzy lebih kecil dari pada kontrol on/off. Untuk kontrol logika fuzzy didapat momentum sebesar 0.0357mr Kg m/detik dan untuk kontrol on/off sebesar 0.7817mr Kg m/detik. 4

Kesimpulan Pengontrolan posisi dengan metode pengaturan “Volt/Herzt” dilakukan dengan mempertahankan arus motor sebesar 0.5 A untuk daerah kerja frekuensi 0-40 Hz. Perubahan

93

Perancangan dan Implementasi Kendali Cerdas Logika Fuzzy Pada Kontrol Posisi Motor Servo AC

Recommend Documents