kRancang Bangun Sistem Suspensi Semi Aktif Seperempat Kendaraan Mengunakan Kontrol Adaptif
RANCANG BANGUN SISTEM SUSPENSI SEMI AKTIF SEPEREMPAT KENDARAAN MENGUNAKAN KONTROL ADAPTIF Mukhlas Prastya S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya e-mail :
[email protected]
M. Syariffuddien Zuhri S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya e-mail :
[email protected]
Abstrak Dalam sistem suspensi kenyamanan akan semakin meningkat apabila percepatan pada badan kendaraan semakin mengecil, untuk itu dibutuhkan suatu pengendalian pada suspensi agar dapat mengisolasi getaran yang dialami badan kendaraan yang disebabkan oleh ketidakrataan permukaan jalan. Pada penelitian ini akan dirancang suatu kontrol adaptif kasus regulator melalui metode Direct Response Frequency untuk pengendalian suspensi. Dengan design tersebut pada uji model dengan magnitudo gangguan kurang dari 30 Cm dan frekuensi kerja kecil dari 1500 rad/sec, system mampu meredam magnitudo gangguan sampai dengan 0.2 % dan osilasi getaran kurang dari 1.5 detik. Hal ini dibuktikan dengan memperlihatkan hasil pengujian bentuk gelombang simpangan yang dirasakan oleh penumpang kendaraan (Z3) dengan menggunakan kontroler dan membandingkanya dengan tampa menggunakan kontroler untuk gangguan yang sama. Kata Kunci: Suspensi Semi aktif, Kontrol Adaptif Kasus Regulator, Direct Response Frequency.
Abstract In the comfort of the suspension system will increase if the acceleration of the vehicle body is much smaller, for it takes a control on the suspension to isolate the vibrations experienced by the vehicle body caused by unevenness of the road surface . In this study we will design an adaptive control case the regulator through a method of Direct Response Frequency for suspension control . With the design of the test model with a magnitude of disturbance of less than 30 cm and smaller working frequency of 1500 rad/sec , the system is able to reduce the magnitude of the disturbance up to 0.2 % and the oscillation vibrations of less than 1.5 seconds. This is evidenced by the results of the test showed deviation waveform felt by the passenger vehicle ( Z3 ) using the controller and contrasting with without using a controller for the same disorder . Keyword : Semi active suspension, Adaptive control, Regulator case, Direct response frequency.. Pada penelitian ini akan dilakukan pemodelan kondisi jalan yang variatif dan merubah fungsi frekuensi dan model refrensi yang artinya memberikan perubahan kecepatan pada kendaraan, sehingga diperoleh suatu besaran redaman damper yang bernilai variabel. Besar redaman pada damper tersebut akan dikendalikan oleh sebuah kontroler untuk mengatur aliran fluida damper untuk interval kendaraan yang ditapkan. Adapun kontroller yang akan didesain untuk dapat menjawab persoalan tersebut adalah model kontrol adaptif kasus regulator berbasis respon frekuensi.
PENDAHULUAN Untuk model suspensi semi aktif dalam rangka memperkecil osilasi yang terjadi pada kendaraan, telah banyak usaha yang dilakukan para ahli bidang otomtif seperti yang dilakukan oleh Supaput Chantranutwathana dan Hui Peng dalam tulisannya yang berjudul Adaptive Robust Control for Active Suspension, Andrew Allyne dengan Judul Non Linier adaptive control of Active suspensions, Demikian juga dengan Kihong Park dan Seung Jin Heo [1977] melakukan studi semi aktif model seperempat kendaraan dengan menerapkan beberapa model pengendalian redaman dengan fokus pada jenis jalan bump, kesimpulan dari tulisan tersebut adalah bahwa kontrol loop tertutup pada sistem pengendalian redaman dapat diterapkan untuk memenuhi standart yang telahditetapkan. Namun terlepas daripada itu untuk kondisi permukaan jalan yang bervariasi dan kendaraan melaju dengan kecepatan tinggi, maka untuk kondisi tersebut dibutuhkan suatu kontroler suspensi yang dapat beradaptasi terhadap perubahan kondisi jalan dan kecepatan kendaraan.
KAJIAN PUSTAKA Suspensi seperempat kendaraan Dalam menganalisa getaran yang terjadi dalam kendaraan, yang pertama yang dilakukan adalah permodelan dari sistem suspensi (Plant) yang akan didesain. Dalam hal ini yang akan digunakan adalah model seper-empat kendaraan dengan asumsi dua derajat vertical. Model kendaraan terdiri dari dua massa yaitu : sprung mass dan unsprung mass. Sprung mass merupakan kendaraan yang ditumpu oleh pegas suspensi,
49
Jurnal Teknik . Volume 05 Nomor 03 Tahun 2016, 0 - 54
sedangkan unsprung mass adalah axle pada bagian lain yang terletak diantara dua roda dan pegas suspensi. Dimana kedua arah getaran dari kedua massa tersebut dianggap sama yaitu hanya dari arah vertical.
Z2
1 b1 b2 X 2 k1 k2 X 2 b2 X 1 k2 X 1 b1 W K1W Mb
b1 W mb
1 b1 b2 Z 2 k1 k 2 Z1 b2 Z 4 k 2 Z 3 K1W Mb 1 k2 X 2 k2 X 1 b2 X 2 b2 X1 Z4 X1 Mm 1 k 2 Z1 k 2 Z 3 b2 Z 2 b2 Z 4 b1b2 X Z4 X1 Mm mm mb
Z2
Dari penurunan rumusan diatas maka didapatkan persamaan state space dari model suspensi secara lengkap adalah sebagai berikut :
Gambar 1. Suspensi seperempat kendaraan Model Matematika Suspensi Seperempat Kendaraan
Z 0 1 k k Z 1 2 mb 2 0 Z3 k2 Z 4 m m
1 b1 b2 mb 0 b2 mm
0 k2 mb
b1 Z m 1 b Z 2 k1 W 1 Z3 0 b Z bb 2 4 1 2 mm mm mb
0 b2 mb
0 k 2 mm
Dengan mendefinisikan simpangan unsprung mass
X2
adalah sama dengan
Z1
dan simpangan sprung
mass X 1 sama dengan Z 3 dan keluarannya adalah V , maka dapat dituliskan sebagai berikut : Z1 X 2
dan
Z3 X1
maka didapat persamaan state out-put nya adalah : Gambar 2. Blok diagram gaya yang dialami sprung mass Keterangan gambar: Mm : sprung mass Mb : unsprung mass K1 : Kekakuan pegas suspensi K2 : Kekakuan pegas ban W : Gaya eksitasi jalan b1 : Konstanta redaman suspensi b2 : Konstanta redaman ban X1 : Simpangan sprung mass X2 : Simpangan unsprung mass
v1 z1 v 2 1 0 0 0 z 2 v3 0 0 1 0 z 3 v 4 z4 Persamaan umum state space
z Az Bw
v Cz METODE PENELITIAN Parameter Plant
F1 F2
= F1 k 2 ( X 2 X 1 )
Tabel 1. Nilai-nilai parameter suspensi seperempat
= b2 ( X 2 X 1 )
F3
=
Mm
b2
d ( X 2 X1 ) dt
d 2 X1 F1 F2 dt 2
Mm X 1 k2 X 2 k2 X 1 b2 X 2 b2 X 1
Mb
d2X2 F3 F4 F1 F2 dt 2
Mm X1 k2 X 2 k2 X1 b2 X 2 b2 X 1
Dengan Mendefinisikan : maka Z1 X 2 maka b1 Z2 X 2
X 2 Z2
Z3 X1
Z4 X 1
Mb
W
b1 W Mb
M b X 2 b1 b2 X 2 k1 k2 X 2 b2 X1 k2 X1 b1 W k1W 0
maka
Parameter Konstanta pegas roda (k1) Konstanta pegas sistem suspensi(k2) Konstanta redaman damper ban(b1) Konstanta redaman damper variabel suspensi (b2) Sprung mass (mm) Unsprung mass (mb)
Z1 X 2
b Z2 X 2 1 W Mb
X 2 Z2
maka
Z3 X1
maka
Z4 X1
b1 W Mb
Desain Kontrol PI Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka (CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426
Nilai rata-rata 300000 N/m 5975 N/m 133.4 Ns/m 0 – 3000 Ns/m 353 - 500 kg 350 Kg
kRancang Bangun Sistem Suspensi Semi Aktif Seperempat Kendaraan Mengunakan Kontrol Adaptif
Ƭ Ƭ
= 8.4674 *
Misal KP KI
=
ganguan
Ƭ
Z3
𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 8.4674
= 2 = 4.2337 Ƭ = Ƭi Ƭi 8.4674 = Ƭ∗ 𝑥 𝑘 = 4.2337 X 0.8586 = 2.33 = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275
Desain Kontrol PD Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka (CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426 Ƭ = 8.4674 Ƭ* Misal KP
=
Ƭ 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛
=
Gambar 3. Bentuk Gelombang Input, Z1 dan Z3, untuk b2 = 200 dan Mm = 353 kg
8.4674 2
demikian juga halnya untuk pemberian sprung mass (Mm) sebesar 500 kg osilasi yang terjadi sangat besar bahkan melebihi osilasi yang terjadi untuk pemberian beban yang lebih kecil, dengan kata lain semakin besar sprung mass yang diberikan pada sistem maka semakin besar osilasi yang terjadi untuk kasus konstanta damper tetap.
= 4.2337
Ƭ = Ƭi Ƭi = Ƭ∗ 𝑥 𝑘
ganguan
8.4674
= 4.2337 X 0.8586 = 2.33 KI = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275 KD = KP X Ƭi = 2,33 X 0.275 =0.64075 Desain Kontrol PID Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka(CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426 Ƭ = 8.4674 Ƭ* Misal KP
=
Ƭ 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛
=
8.4674 2
Z3
Gambar 4. Bentuk Gelombang Input, Z1 dan Z3, untuk b2 = 200 dan Mm = 500 kg 2. Pengujian Simulasi FFT dan Identifikasi dengan ARX Proses pengujian ini dilakukan untuk membandingkan hasil Estimasi Magnitudo dan phasa dari plant hasil identifikasi ARX, serta hasil pengidentifikasian dengan Fast Fourier Transform, dengan hasil perhitungan secara matematis. Dengan hasil perbandingan itu diharapkan dapat memberikan gambaran tentang kebenaran Proses Simulasi yang dilakukan. Gambar 5. Merupakan Bentuk gelombang masukan (merah) untuk pengujian dimana sinyal yang yang diberikan berupa sinyal sinus dengan frekuensi 3 rad/s dan amplitudo 0.1 Cm. sedangkan biru adalah hasil identifikasi menggunakan ARX
= 4.2337
Ƭ = Ƭi Ƭi = Ƭ∗𝑥 𝑘
8.4674
= 4.2337 X 0.8586 = 2.33 KI = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275 KD = KP X Ƭi = 2,33 X 0.275 =0.64075 HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Hasil Simulasi Tanpa kontrol Dari hasil simulasi dilakukan untuk kondisi tanpa kontrol dimana sprung mass (Mm) yang diberikan adalah sebesar 353 kg atau dengan kata lain hanya terdiri satu penumpang pada satu kendaraan, besarnya fluktuasi simpangan sprung mass (Z3) sangat tinggi atau dengan kata lain osilasi yang terjadi sangat besar,
51
Jurnal Teknik . Volume 05 Nomor 03 Tahun 2016, 0 - 54
180
0.1
160 140
0.08
120
0.06
Phasa [Rad/s]
100
Magnitudo
0.04 0.02 0
80 60 40 20
-0.02 -0.04
0
-0.06
-20 -40
-0.08 -0.1
0
0
1
2
3
4
5 Waktu
6
7
8
9
5
10
15 Waktu
20
25
30
10
Gambar 5. Bentuk Gelombang masukan(Merah) dan keluaran (Biru) Gambar 6. adalah nilai keluaran frekuensi hasil identifikasi dengan menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) Dari gambar dapat terlihat bahwa sebelum 12.8 Sec proses identifikasi masih belum berlangsung. Dikarenakan data yang yang digunakan untuk proses identifikasi dengan FFT adalah 128 sample sementara time sampling yang digunakan adalah 0.1 sec untuk setiap samplingnya.
Gambar 8. Nilai Estimasi Phasa dari Pant hasil identifikasi 3. Pengujian Dengan Kontrol PI Setelah kita menemukan nilai KP dan KI maka kita bisa lihat hasil respon kontroler PI pada gambar 9. dan 10. ganguan Z3
Gambar 9. Hasil uji Kontroler PI dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300 kg ganguan Z3
Gambar 6. Gambar Keluaran Hasil identifikasi menggunakan FFT Dari Hasil identifikasi tersebut terlihat bahwa besar frekwensi hasil identifikasi adalah 2.95 yang artinya sudah mendekati dengan besar frekuensi sinyal input yang diberikan untuk pengujian. Atau dengan kata lain proses identifikasi frekwensi dengan menggunakan FFT dapat dikatakan sudah benar. Gambar 7. dan 8. adalah gambar hasil Estimasi frekuensi respon yang merupakan suatu teknik perhitungan magnitude dan phasa dari plant hasil identifikasi ARX dengan memberikan frekuesi kerja hasil identifikasi oleh FFT dengan menggunakan teknik Bode diagram. Dari Gambar terlihat bahwa setelah proses identifikasi berlangsung yakni setelah proses berlangsung lebih dari 12.8 Sec maka besarnya Magnitudo adalah antara 9.5 dan 9.7
Gambar 10. Hasil uji Kontroler PI dengan ganguan 10 cm dengan mm= 500 kg 4. Pengujian Dengan Kontrol PD Setelah melakukan perhitungan diatas maka kita dapatkan nilai KP dan nilai KD maka kita bisa melakukan pengujian kontroler PD. Hasil pengujian kontrol PD dapat kita liahat pada Gambar 11. dan Gambar 12. ganguan Z3
5
4
Magnitudo
3
2
1
Gambar 11. Hasil uji Kontroler PD dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300 kg
0
-1
0
5
10
15 Waktu
20
25
30
Gambar 7. Nilai Estimasi Magnitudo dari Pant hasil identifikasi dengan -16.7 rad/s.
kRancang Bangun Sistem Suspensi Semi Aktif Seperempat Kendaraan Mengunakan Kontrol Adaptif
4.12 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.
ganguan Z3
ganguan Z3
Gambar 12. Hasil uji Kontroler PD dengan ganguan 10 cm dengan mm= 500 Gambar 16. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 500 kg dan gangguan 10 cm
5. Pengujian Dengan Kontrol PID Setelah melakukan perhitungan diatas maka kita dapatkan nilai KP, nilai KD dan nilai KI maka kita bisa melakukan pengujian kontroler PID. Hasil pengujian kontrol PID dapat kita liahat pada Gambar 13. dan Gambar 14.
Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan massa 600 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.
ganguan Z3
ganguan Z3
Gambar 13. Hasil uji Kontroler PID dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300 ganguan Z3
Gambar 17. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 600 kg dan gangguan 10 cm.
PENUTUP Simpulan Dalam Pengendalian Suspensi otomotif semi-aktif seperempat kendaraan untuk kondisi ketidak-rataan permukaan jalan sampai dengan 30 cm dengan satu penumpang (massa =353 Kg) tanpa menggunakan kontroller terlihat bahwa simpangan yang dirasakan oleh penumpang mencapai 40 Cm dengan Osilasi getaran atau dengan kata lain setlling time = 15 detik pada konstanta damper = 200 Ns/m dan 10 Cm dengan osilasi getaran 1.5 detik pada konstanta damper 2000 N s/m dengan menggunakan sistem kontrol yang didesain mampu meredam simpangan yang dirasakan penumpang (Z3) lebih kecil dari 0.06 Cm (0.02 %) dengan setlling time kurang dari 1.5 detik untuk Frekwensi kerja (kecepatan putar kendaraan) ops 1500 rad/s.
Gambar 14. Hasil uji Kontroler PID dengan ganguan 10 cm dengan mm= 500 6. Pengujian Dengan Kontroler Adaptif Dengan Direct Response Freqwensi Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan massa 353 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.
Untuk keadaan kendaraan memiliki beban tambahan sampai dengan 150 kg atau tambahan tiga penumpang, Pengendalian Suspensi otomotif semi-aktif seperempat kendaraan yang digunakan untuk ketidak rataan permukaan jalan sampai dengan 30 cm masih mampu meredam simpangan yang dirasakan oleh penumpang (Z3) lebih kecil dari 0,06 cm , dengan setlling time
Gambar 15. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 353 kg dan gangguan 10 cm Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan masa 500 dapat kita saksikan pada gambar
53
Jurnal Teknik . Volume 05 Nomor 03 Tahun 2016, 0 - 54
kurang dari 1.5 detik sampai dengan kecepatan putar kendaraan ops 300 rad/s. Desain kontrol adaptif melalui metode Direct Response Freqwensi dapat digunakan sebagai salah satu alternatif dalam sistem pengontrolan untuk model dinamik plant yang non linier. Dari hasil pengujian beberapa kontroller, kontroller yang paling bagus adalah adaptif dengan metode direct response frequency. Saran Agar dapat ditentukan maksimum/minimum massa dan kecepatan yang mampu dikendalikan oleh kontroller maka perlu menentukan sensitivitas sistem dengan menggunakan metode yang telah ada. Untuk lebih meyakinkan akan kemampuan kontroller ini, maka perlu dilakukan pengujian dengan menggunakan model dinamik plant yang lain. Untuk mengamati unjuk kerja dari sistem kontrol ini, maka perlu dibandingkan dengan menggunakan metode kontrol yang telah ada. DAFTAR PUSTAKA Abd El-Nasser S. Ahmed1, Ahmed S. Ali2, Nouby M. Ghazaly1, G. T. Abd el- Jaber1 1Department of Mechanical Engineering, South Valley University, Qena, Egypt 2Department of Mechanical Engineering, Assuit University, Assuit, Egypt. (Jurnal internasional “PID CONTROLLER OF ACTIVE SUSPENSION SYSTEM FOR QUARTER CAR MODEL”) Amirono (2003 )Desiging compensator of semi active suspension for non-linier damper using quantitative feetback theory,Tesis ITS Borghesani, Craig, et.al (1994), Quantitative Feedback Theory Toolbox User’s Guide, Terasoft, Inc Chantranuwathana, Supavut (1999), Adaptive Robust Control for Active Suspension, Proceedin of the American Control Conference, San Diego, California Dixon, C. John (1996), Tyres, Suspension and Handling, 2nd edition, Arnold Publishing, London Hamdani (203), Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Menggunakan QFT dengan Linierisasi Model Input Output, Tesis, ITS, Surabaya Iraj Hassanzadeh, Ghasem Alizadeh, Naser Pourqorban Shirjoposht, Farzad Hashemzadeh(jurnal internasional“a new optimal nonlinear approach to half car Ogata, Katsuhiko (1993), Teknik Kontrol Automatik, jilid 1, cetakan kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta Rettig, Uwe, Optimal and Robust Damping Control for Semi-Active Vehicle Suspension, Technishe Universitas at Munchen, Germany Serway, Raymond (1990), Physics for Scientists and Engineers, Part 1, 3rd edition, Saunders College Publishing, Philadelpia Sutatra, Nyoman (2001), Teknologi Otomotif dan Aplikasinya, edisi pertama, Penerbit Guna Widya, Surabaya
Webster, Jay (1987), Automotive Suspension, Steering and Brakes, Delmar PUBLISHERS Inc, California State University, Long Beach Zhang, Yisheng (1999), A Practical and Effective Approach to Active Suspension Control, University
