TUGAS AKHIR RE 1599
PERANCANGAN ENGINE CONTROL UNIT BERBASIS KNOWLEDGE BASED UNTUK PENGATURAN SISTEM INJEKSI DAN SISTEM PENGAPIAN MOTOR BAKAR SUHENDI 2203 109 504 Dosen Pembimbing Ir. Ali Fatoni, MT. Ir. Josaphat Pramudijanto, M.Eng.
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2006 i
PERANCANGAN ENGINE CONTROL UNIT BERBASIS KNOWLEDGE BASED UNTUK PENGATURAN SISTEM INJEKSI DAN SISTEM PENGAPIAN MOTOR BAKAR
TUGAS AKHIR Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Menyetujui: Dosen Pembimbing I
Ir. Ali Fatoni, MT. NIP. 131 842 499
Dosen Pembimbing II
Ir. Josaphat Pramudijanto, M.Eng. NIP. 131 918 366
SURABAYA JULI, 2006 iii
ABSTRAK Suhendi 2203 109 504 Ir. Ali Fatoni, MT Ir. Josaphat Pramudijanto, M.Eng
Proses operasi engine di pengaruhi oleh beberapa parameter antara lain ; waktu injeksi, waktu penyalaan, posisi throttle, kecepatan engine dan temperatur. Untuk mendapatkan operasi ideal engine diperlukan suatu kontroler yang dapat mengatur waktu injeksi bahan bakar dan waktu penyalaan. Pengaturan jumlah bahan bakar yang diinjeksikan akan bercampur dengan udara di dalam intake manifold dan masuk ke dalam ruang silinder pada saat langkah hisap yang siap untuk di bakar. Bila didapatkan perbandingan udara dan bahan bakar mendekati stoikiometri 14,67 : 1, maka kerugian dapat di perkecil dan energi yang dihasilkan akan lebih besar serta hemat. Mengatur dan mengawasi jumlah bensin yang masuk ke silinder dengan cara mengatur waktu dan frekuensi akan menghemat bahan bakar sesuai dengan kebutuhan ideal mesin. Dengan sistem ini diharapkan pembakaran lebih bersih, mesin bertenaga, lebih awet dan emisi gas buang lebih rendah. Perancangan plant dan pembuatan kontroler knowledge based ini berupa simulasi berbasis PC (Personal Computer) dengan bahasa pemrograman turbo C++. MIMO decoupling interaction menghasilkan sistem injeksi sebagai masukan untuk pengaturan perbandingan udara dan bahan bakar menghasilkan mesin yang lebih hemat dan rendah emisi, sedangkan untuk mengatur sudut pengapian sebagai masukan untuk pengaturan kecepatan mesin menghasilkan mesin yang lebih bertenaga. Kata kunci : Multivariable, Engine, Injeksi, Pengapian.
v
ABSTRACT Suhendi 2203 109 504 Ir. Ali Fatoni, MT Ir. Josaphat Pramudijanto, M.Eng Process operated for engine influencing by some parameter for example; injection time, ignition time, position of throttle, engine speed and temperature engine. Ideal operation engine needed a controller able to lead the time on fuel injection and ignition timing. Fuel injection will mixed with air in manifold intake and come into cylinder to burning. Comparison of fuel and air come near stoichiometric 14.67, yielded energy will be more be big and also economize. Fuel control volume mass of gasoline which step into cylinder by lead the time and frequency will economize fuel as according to ideal requirement of machine. System is expected by cleaner combustion, reduce emissions and increase fuel economy. Design Plant and making of based knowledge controller for this injection simulation base on PC (Personal Computer) with language of Turbo C++. Decoupling interaction MIMO injection system as input for the arrangement of comparison fuel and air yield more low and economical machine of emission, while to arrange ignition angle as input for the arrangement of speed machine yield more energetic machine. Keyword: Multivariable, Engine, Injection, Ignition, Knowledge Based
vii
KATA PENGANTAR Bismillahirrahmaanirrahiim, Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang hanya dengan perkenan dan hidayah-Nya semata tugas akhir ini dapat terselesaikan. Tugas akhir ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan strata-1 pada Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, dengan bobot 4 sks. Penulis menyadari bahwa apa yang telah dilakukan dalam tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, sehingga semua saran dan kritik serta diskusi untuk kemungkinan pengembangan selanjutnya dari apa yang sudah dilakukan dalam tugas ini sangat penulis harapkan. Akhirnya dengan segala kerendahan hati, penulis berharap tugas akhir ini bisa menambah sedikit manfaat dan inspirasi bagi para pembaca tentang hal-hal praktis yang sering kali dijumpai dalam permasalahan ilmu kontrol dan mampu menambah sedikit pengetahuan dan pemahaman kita pada bidang ilmu kontrol.
Surabaya, Juli 2006 Suhendi
ix
DAFTAR ISI Halaman JUDUL ............................................................................................. i iii LEMBAR PENGESAHAN ......................................................... v ABSTRAK .................................................................................... vii ABSTRACT ................................................................................... ix KATA PENGANTAR .................................................................. DAFTAR ISI ................................................................................. xi DAFTAR GAMBAR .................................................................... xiii xv DAFTAR TABEL ........................................................................ BAB I PENDAHULUAN 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7.
Latar Belakang ............................................................... Permasalahan ................................................................. Pembatasan Masalah ...................................................... Tujuan ............................................................................ Metodologi Penelitian..................................................... Sistematika Pembahasan ................................................ Relevansi .......................................................................
1 2 2 2 2 3 3
BAB II DASAR TEORI Motor Bakar ................................................................... Siklus Udara Ideal Volume Konstan .............................. Siklus Sebenarnya .......................................................... Permodelan Mesin dengan Nilai Rata-rata .................... 2.4.1. Karatkteristik Katup gas ...................................... 2.4.2. Karakteristik Aliran Massa Udara ....................... 2.4.3. Injeksi Bahan Bakar ............................................ 2.5. Torsi dan Waktu Pembakaran ........................................ 2.6. Unit Kontrol ................................................................... 2.7. Teori Knowledge Based ................................................. 2.7.1. Representasi Pengetahuan ................................... 2.7.2. Mekanisme Inferensi ...........................................
2.1. 2.2. 2.3. 2.4.
xi
5 7 10 11 11 12 13 13 14 15 15 18
BAB III PERANCANGAN SISTEM 3.1. Perancangan Plant ......................................................... 3.1.1. Karakteristik Mesin ............................................. 3.1.2. Sistem Suplai Udara ............................................ 3.1.3. Sistem Suplai Bahan Bakar ................................. 3.1.4. Waktu Pengapian ................................................ 3.1.5. Daya .................................................................... 3.2. Real Plant in PC (Personal Computer) .......................... 3.2.1. Kondisi Operasi Mesin ....................................... 3.2.2. Parameter Mesin ................................................. 3.3. Metoda Kontrol .............................................................. 3.3.1. Desain Model Mesin ........................................... 3.3.2. Desain Kontroler Multivariabel .......................... 3.4. Demand Map ..................................................................
21 23 24 24 25 25 26 27 28 30 31 32 34
BAB IV IMPLEMENTASI DAN ANALISA 4.1. Analisa Model Plant ....................................................... 4.1.1. Satuan Unit Simulasi ............................................. 4.1.2. Analisa Perubahan Katup Udara ........................... 4.1.3. Analisa Perubahan Multivariabel ......................... 4.1.3. Analisa Sistem Pengapian .................................... 4.2. Hasil Simulasi ................................................................ 4.3. Implementasi Kontroler ..................................................
35 37 38 39 41 44 52
BAB V Penutup 5.1. Kesimpulan ................................................................... 5.2. Saran...............................................................................
53 53
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Lampiran A ............................................................................ Lampiran B ............................................................................ DAFTAR RIWAYAT HIDUP
xii
A-1 B-1
DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1 Siklus 4 Langkah ..................................................................... 5 2.2 Siklus Ideal Volume Konstan .................................................. 7 2.3 Siklus Sebenarnya ................................................................... 10 2.4 Diagram Blok Penyelesaian Problema Sistem Pakar .............. 18 3.1 Sistem Kendaraaan Hibrid........................................................ 21 3.2 Sistem Kontrol Supervisor ....................................................... 22 3.3 Sistem Saluran Udara .............................................................. 24 3.4 Sistem Saluran Bahan Bakar ................................................... 25 3.5 Diagram Sistem Pengukuran Torsi dan Putaran ...................... 26 3.6 Real Plant in PC ...................................................................... 26 3.7 Blok Representasi dari SI Engine ............................................ 27 3.8 Siklus pada Camshaft untuk Hisap dan Buang ....................... 28 3.9 Katup Udara (Throttle) di Lihat dari Samping dan Depan ...... 28 3.10 Diagram Blok Suplai Udara ..................................................... 29 3.11 Bagian Intake Manifold ............................................................ 30 3.12 Diagram Blok Suplai Bahan Bakar .......................................... 30 3.13 Diagram Blok Model Mesin .................................................... 32 3.14 Diagram Blok Multi Input Multi Output................................... 32 3.15 Kontrol Decoupling Incorporating .......................................... 33 3.16 Diagram Blok Kontrol Lambda ............................................... 33 3.17 Diagram Blok Kontrol Kecepatan Mesin ................................ 33 3.18 Kebutuhan Daya Suatu Kendaraan .......................................... 34 4.1 Saluran Hisap ........................................................................... 35 4.2 Massa Udara di Manipol........................................................... 36 4.3 Massa Udara ke Silinder .......................................................... 37 4.4 Massa Udara pada Kecepatan 3000 rpm .................................. 38 4.5 Sudut Pengapian, A/F dan Torsi .............................................. 40 4.6 Blok Diagram Interaction ........................................................ 41 4.7 Waktu Delay Pengapian .......................................................... 42 4.8 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 40 .......................... 44 4.9 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 50 .......................... 44 4.10 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 60 .......................... 44 4.11 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 70 .......................... 45 4.12 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 80 .......................... 45 4.13 Kecepatan terhadap Massa Udara Throttle 90 .......................... 45 4.14 Model Validasi ......................................................................... 47 xiii
4.15 4.16 4.17 4.18 4.19
Peta Dasar Massa Bahan Bakar................................................ Peta A/F Ratio .......................................................................... Peta Lambda 1,1....................................................................... Peta Sudut Pengapian untuk Lambda 1,1 ................................. Perubahan Lambda setelah Kontroler .....................................
xiv
48 49 50 51 51
DAFTAR TABEL Tabel Halaman 3.1 Bukaan Katup Udara ............................................................... 29 4.1 Massa Udara Posisi Bukaan Katup Udara N = 3000 rpm ........ 39 4.2 Perubahan Torsi terhadap Sudut Pengapian ............................. 43 4.3 Data Hasil Simulasi Model ...................................................... 46 4.4 Peta Dasar Simulasi Model Engine ......................................... 48 4.5 Data A/F Ratio dan Lambda .................................................... 49 4.6 Peta Massa Bahan Bakar Untuk Lambda 1,1 .......................... 50 4.7 Peta Sudut Pengapian .............................................................. 51 4.8 Perubahan Massa Bahan Bakar Setelah Kontroler .................. 52
xv
