PENGATURAN SUHU PENETAS TELUR AYAM MENGGUNAKAN PENGENDALI FUZZY-INTEGRATOR INTERVENTION

Transkripsi

1 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember 27 PENGATURAN SUHU PENETAS TELUR AYAM MENGGUNAKAN PENGENDALI FUZZY-INTEGRATOR INTERVENTION Wakhyu Dwiono, M. Taufiq Tamam 2,2 Teknik Elektro, Universitas Muhammadiyah Purwokerto 2 ABSTRAK Kendalian penetas telur ayam, adalah secara umum memiliki karakteristik dinamika yang sama dengan kendalian inkubator. Tujuan pengendalian suhu kendalian penetas telur ayam adalah menjaga temperatur dalam penetas tetap pada harga acuan, yaitu berkisar antara 39 hingga 4 o C. Tegangan listrik dan panas yang dikonversi adalah memiliki hubungan kuadratis sehingga dalam keadaan ini dapat dikatakan sistem memiliki hubungan tidak linier. Hubungan yang tidak linier antara sumber tegangan dengan aliran panas, akan mudah dikendalikan menggunakan pengendali yang memiliki sifat yang tidak linier juga. Karena pengendali fuzzy memiliki sifat yang sama dengan kendalian penetas telur, maka pengendali ini dipilih untuk mengendalikan sistem. Untuk memperbaiki kinerja pengendalian, dalam penelitian ini pengendali fuzzy digabung dengan pengendali Integrator yang linier. Dari hasil pengujian, diperoleh data bahwa pengendali fuzzy Integrator memiliki kinerja yang lebih baik jika dibandingkan dengan kinerja pengendali penyusunnya (fuzzy ataupun Integrator). Pengendali fuzzy-integrator yang diwujudkan memiliki kinerja IAE sebesar 62,5 Σgaya =24,5, dengan waktu naik sebesar 7 menit. Kata kunci: Pengendali Fuzzy, Pengendalian suhu. PENDAHULUAN. Latar Belakang Secara fisik, penetas telur ayam adalah bekerja seperti halnya inkubator yang berbentuk kotak kecil yang berfungsi sebagai tempat untuk mengerami telur ayam. Karena berfungsi untuk mengerami, maka suhu penetas telur ini dibuat sama dengan suhu induk ayam ketika si induk ayam ini mengerami telurnya. Penetas telur dengan sumber panas dari energi listrik, memiliki tingkat kesulitan yang lebih tinggi dalam mengendalikan suhunya, jika dibandingkan dengan sumber panas yang lain, misalkan uap, karena dengan menggunakan sumber panas listrik, akan diperoleh hubungan yang tidak linier antara energi panas dengan tegangan masukannya. Disamping itu, tegangan listrik negatif akan memberikan panas yang sama dengan tegangan listrik positif, sehingga dalam mengendalikan suhu, disamping ada pemanas, juga dibutuhkan pendingin. Dengan keadaan seperti ini, maka kendalian (plant) penetas telur ayam termasuk dalam kendalian yang tidak linier. Pengaturan suhu yang paling banyak digunakan adalah menggunakan thermostat. Prinsip pengaturan suhu dengan cara ini adalah mematikan pemanas ketika suhu di dalam penetas telur melebihi ambang yang diinginkan dan sebaliknya yaitu menghidupkan pemanas ketika suhunya masih dibawah ambang, sehingga disebut juga pengendali hidup-mati (on-off controller). Pengaturan suhu dengan cara seperti ini memiliki kelemahan yaitu tanggapan suhu yang berosilasi dengan fluktuasi yang besar. Tanggapan suhu dengan fluktuasi yang besar tentunya akan mengganggu proses pengeraman telur ayam. Untuk memperbaiki kinerja pengendali hidup-mati ini, diperlukan pengendali yang tidak linier yang tetap bekerja meskipun terdapat galat (error) yang kecil. Salah satunya adalah pengendali berlogika fuzzy. Pengendali jenis ini mudah untuk diterapkan karena memiliki sifat-sifat pengendalian yang mendekati pola pikir manusia, yaitu dalam melakukan proses pengambilan keputusan, pengendali jenis ini menggunakan basis kaidah yang diturunkan dari pakar (manusia). Sifat tidak linier pada pengendali fuzzy berasal dari fungsi keanggotaan fuzzy yang bersifat tidak linier, karena dalam penerapannya, selalu dijumpai himpunan yang mengalami kejenuhan (saturation). Sifat tidak linier juga dapat muncul karena basis kaidah yang memang sengaja dibuat tidak linier, tergantung kepada kebutuhan dan kinerja yang diinginkan. Pengendalian suhu penetas telur adalah sama dengan pengendalian suhu inkubator. Untuk pengendalian inkubator dengan menggunakan pengendali fuzzy, telah dilakukan sebelumnya oleh Hannawati dkk, namun kinerja yang diperoleh masih belum memuaskan, dikarenakan adanya tanggapan suhu yang masih berosilasi. Dalam proposal penelitian ini, penulis mencoba untuk memperbaiki kinerja sistem kendali dengan menggunakan pengendali fuzzy-integrator intervention, serta penggunaan metoda PWM (pulse width modulation) untuk mencatu tegangan pemanas maupun pendinginnya (kipas). Karena berdasarkan hasil penelitian sebelumnya (Dwiono 25), sistem kendali dengan menggunakan konfigurasi fuzzy- D-23

2 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember 27 integrator intervention, dapat memperbaiki kinerja sistem kendali..2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan hal-hal yang akan dilakukan dalam mewujudkan sistem pengaturan suhu penetas telur ayam menggunakan pengendali fuzzyintegrator intervention, yaitu: rancangan untuk mewujudkan perangkat lunak serta perangkat keras sistem pengaturan suhu penetas telur ayam, pengujian kinerja pengendalian, serta perbandingan kinerja sistem kendali fuzzy-integrator intervention dengan sistem kendali menggunakan metoda yang lain..3 Tinjauan Pustaka Pengendali fuzzy adalah sistem logika fuzzy yang digunakan untuk mengendalikan suatu proses (Passino 998). Di sini, sistem logika fuzzy memiliki basis kaidah yang dirancang khusus untuk pengendalian sistem. Secara umum, sistem logika fuzzy terdiri dari empat bagian yaitu: fuzzifikasi, basis kaidah, mekanisme inferensi dan defuzzifikasi. Hubungan antar bagian dalam sistem fuzzy dapat dilihat dalam Gambar. Fuzzifikasi berfungsi untuk merubah masukan (besaran yang bersifat tegas) menjadi himpunan fuzzy yang bersifat tidak tegas (samar). Dalam bagian fuzzifikasi, terdapat fungsi keanggotaan fuzzy yang akan memetakan masukan menjadi himpunan fuzzy. Contoh himpunan fuzzy ini dapat dilihat dalam Gambar 2. Basis kaidah fuzzy berisi kaidah-kaidah untuk pengambilan keputusan dan dalam prakteknya kaidah-kaidah ini berbentuk if-then. Mekanisme inferensi merupakan strategi untuk mengambil kesimpulan fuzzy yang berhubungan dengan kaidah fuzzy, berdasarkan masukan yang ada. Kesimpulan-kesimpulan yang diambil dalam mekanisme inferensi akan di terjemahkan menjadi besaran tegas oleh blok defuzzifikasi. Input Fuzzifikasi Basis Kaidah Mekanisme inferensi Defuzzifikasi Gambar. Diagram blok sistem logika fuzzy. Output Proses inferensi dan defuzzifikasi dapat dijelaskan sebagai berikut (Jang 997): dimisalkan kaidah fuzzy yang aktif yaitu:. Jika x adalah A dan y adalah B maka z adalah C. 2. Jika x adalah A 2 dan y adalah B 2 maka z adalah C 2. Sedangkan kenyataan yang ada adalah: x adalah A dan y adalah B maka kesimpulan yang diambil adalah: z adalah C. Secara grafis, proses ini dapat dilihat dalam Gambar 3. 5 (a) 5 (c) 5 (e) 5 (b) 5 (d) 5 (f) Gambar 2. Kurva fungsi keanggotaan, (a).segitiga, (b).trapesium, (c).gaussian, (d).bell, (e).sigmoid positif dan (f).sigmoid negatif. D-24

3 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember 27 A A' B B' min C C' X Y Z A' A2 B' B2 C2 C'2 X Y max Z C' Z Gambar 3. Mekanisme inferensi fuzzy mamdani, untuk kaidah jamak dengan antecedent jamak..3. Model Kendalian (Plant) Kendalian penetas telur adalah berbentuk kotak/ruang kecil, dengan masukan panas yang berasal dari aliran udara yang dilewatkan pada pemanas listrik dan sebagian panas penetas telur teradiasikan ke lingkungan, seperti terlihat pada Gambar 4. Sumber Panas Penetas Telur Ayam Panas Keluar Gambar 4. Model kendalian penetas telur ayam. Dinamika panas yang terjadi dalam penetas telur adalah T & I = + ( To TI ) () CI R dengan C I = kapasitas panas sumber panas R = Hambatan panas permukaan pemanas T o = Suhu udara T I = Suhu pemanas Dengan memakai persamaan q = ( T T 2 ) (2) R dengan q = aliran panas, joule per detik, maka suhu pemanas adalah berbanding lurus dengan daya listrik yang diberikan ke pemanas. Daya listrik yang diberikan ke pemanas adalah: 2 V P = (3) R dengan V adalah tegangan catuan pemanas dan R adalah hambatan dari pemanas. Dari Persamaan 3, dapat dilihat adanya hubungan tidak linier antara daya dan tegangan catuan pemanas..3.2 Pengendali Fuzzy-Integrator Pengendali Fuzzy yang digunakan (untuk mengatur suhu inkubator) pada penelitian sebelumnya (Hannawati dkk) adalah pengendali fuzzy-direct action. Sedangkan dalam penelitian kali ini, pengendali fuzzy yang digunakan adalah pengendali fuzzy-integrator intervention. Diagram blok dari pengendali fuzzy ini dapat dilihat pada Gambar 5. Masukan Pengendali Integrator Pengendali fuzzy Gambar 5. Pengendali fuzzy-integrator intervention. Σ Keluaran.4 Tujuan dan Manfaat Tujuan dari penelitian ini adalah mewujudkan sistem pengaturan suhu penetas telur ayam (secara perangkat keras maupun lunak) dengan fluktuasi suhu yang kecil. sedangkan manfaat yang diharapkan adalah bahwa hasil dari penelitian ini dapat digunakan oleh peternak ayam sebagai alat D-25

4 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember 27 penetas telur dengan suhu pemanasan yang stabil serta murah. 2. METODE PELAKSANAAN Tahapan-tahapan yang dilakukan dalam penelitian pengaturan suhu penetas telur ayam menggunakan pengendali Fuzzy-Integrator intervention adalah dapat dilihat pada Gambar 7. mencair, tegangan keluaran sensor adalah,2 volt, sedangkan ketika digunakan untuk mengukur suhu tubuh, tegangan keluaran adalah,5 volt. Jika suhu tubuh adalah,5 o C, maka kepekaan sensor adalah,356 volt/ o C Grafik Dinamika Kendalian Penetas Telur E N E Z E P V N V Z V P Error -2 2 Gambar 6. Fungsi keanggotaan fuzzy. Mulai 4 Uji lup terbuka plant dan mengukur tanggapannya Merancang bangun hardware dan software pengendali Fuzzy- Integrator Gambar 8. Grafik tanggapan lup terbuka kendalian penetas telur ayam. Uji hardware dan software pengendali fuzzy-integrator Tanggapan Sistem Kendali Suhu Penetas Telur Hasil bagus? tidak 4 ya Aplikasikan pengendali ke sistem Uji kinerja pengendalian suhu penetas telur dan mengukur tanggapannya Fuzzy-Integrator Fuzzy Integrator Variabel pengendali ditala Hasil bagus? ya Penulisan laporan tidak Gambar 9. Grafik tanggapan sistem kendali menggunakan fuzzy, fuzzy-integrator dan integrator. Selesai Gambar 7. Diagram Alir Penelitian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam pengujian kinerja sistem kendali, acuan (reference) yang digunakan adalah sebesar 4 o C (acuan adalah tujuan yang hendak dicapai dalam proses pengendalian plant). Untuk data-data hasil pengujian dapat dilihat di bagian lampiran. 3. Peneraan (calibrating) Sensor Temperatur Untuk menera sensor temperatur, maka sensor digunakan untuk mengukur suhu es yang sedang mencair dan untuk mengukur suhu tubuh. Ketika digunakan untuk mengukur es yang sedang 3.2 Dinamika Kendalian (plant) Inkubator Inkubator penetas telur ayam ini berukuran (5x4x4) cm. Sedangkan tegangan catuan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebesar 3 volt. Ketika tegangan catuan ini disambungkan ke pemanas, tegangannya turun menjadi 2 volt. Hal ini terjadi karena munculnya pengaruh pembebanan dari pemanas. Resistansi pemanas adalah sebesar 2 ohm, sehingga arus listrik yang mengalir dalam elemen pemanas adalah,75 amper. Pengujian ini dilakukan selama 3 menit dan setiap 2 menit data dicatat. Grafik tanggapan uji lup terbuka ini dapat dilihat pada Gambar 8. Dari Gambar 8 ini dapat dilihat bahwa kendalian inkubator penetas telur ayam memiliki tanggapan sebagai sistem berorde, dengan waktu naik 9 detik D-26

5 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember 27 serta nilai kondisi tunak sebesar 47,75 o C (dengan input tegangan sebesar 3 volt). Tegangan (Volt) 2 5 Tegangan Kendali yang Diberikan Fuzzy-Integrator Fuzzy Integrator Gambar. Grafik tegangan kendali yang dilakukan oleh pengendali fuzzy, fuzzy-integrator dan integrator. 3.3 Tanggapan Sistem Kendali Fuzzy-Integrator Dalam pengujian ini, pengendali fuzzy menggunakan fungsi keanggotaan seperti pada Gambar 6, sedangkan untuk integrator-nya adalah P dan D =, sedangkan I = 2. Pertimbangan yang digunakan dalam memilih penguatan ini adalah grafik tanggapan kendalian yang menyerupai sistem berorde, sehingga penguatan differensial-nya adalah. Sedangkan penguatan proporsionalnya diwakili oleh kendali fuzzy. Dari Gambar 9 dapat dilihat bahwa Σ error sistem kendali fuzzy-integrator adalah sebesar 26,; sistem kendali fuzzy adalah sebesar 62,5 sedangkan untuk sistem kendali integrator adalah 28,96. Dari Gambar dapat dilihat bahwa total gaya yang diberikan oleh sistem kendali fuzzy-integrator adalah sebesar 24,5; sistem kendali fuzzy adalah sebesar 4 sedangkan untuk sistem kendali integrator adalah 2,5. 4 Tanggapan Sistem Kendali Suhu Penetas Telur Fuzzy- Fuzzy-2 Waktu naik untuk sistem kendali fuzzyintegrator adalah 7 menit; sistem kendali fuzzy adalah tidak mencapai nilai,9 dari referensi sedangkan untuk sistem kendali integrator adalah 6 menit. 3.4 Tanggapan Sistem Kendali Fuzzy Tanggapan sistem kendali dengan pengendali fuzzy yang berbeda lebar fungsi keanggotaannya dapat dilihat pada Gambar. Grafik tanggapan fuzzy- adalah tanggapan sistem dengan pengendali fuzzy yang menggunakan fungsi keanggotaan seperti pada Gambar 6. Sedangkan grafik tanggapan fuzzy-2 adalah menggunakan fungsi keanggotaan yang lebih sempit, lebarnya adalah separuh dari fuzzy-. Dari Gambar dapat dilihat bahwa tanggapan sistem kendali menggunakan pengendali fuzzy-2 memiliki Σ error sebesar,39; sedangkan untuk fuzzy- adalah sebesar 62,5. Dengan demikian untuk pengendali fuzzy-2 adalah memiliki tanggapan yang lebih baik. Demikian juga untuk waktu naiknya, pengendali fuzzy-2 adalah lebih cepat dibandingkan dengan fuzzy-. Hal ini terjadi karena dengan menyempitnya fungsi keanggotaan fuzzy maka dengan input error yang sama derajat keanggotaannya akan lebih tinggi, sehingga keluaran fuzzy-nya akan semakin besar (semakin menyempit akan sama artinya dengan penguatan yang diperbesar), hal ini dapat dilihat dari Σgaya yang dikeluarkan oleh fuzzy-2 sebesar 24,48 yang lebih besar dari Σgaya yang dikeluarkan oleh fuzzy- sebesar 23, Tanggapan Sistem Kendali Integrator 4 Tanggapan Sistem Kendali Suhu Penetas Telur Integrator- Integrator Gambar 2. Grafik tanggapan system kendali menggunakan pengendali integrator dengan penguatan yang berbeda Gambar. Grafik tanggapan system kendali menggunakan pengendali fuzzy dengan lebar fungsi keanggotaan yang berbeda. Tanggapan sistem kendali suhu penetas telur menggunakan pengendali integrator dengan penguatan yang berbeda dapat dilihat pada Gambar 2. Integrator- memiliki penguatan sebesar 2, sedangkan integrator-2 memiliki penguatan sebesar D-27

6 Seminar Nasional TEKNOIN 27 ISBN: Yogyakarta, Nopember Dari data pengukuran (lihat lampiran) diperoleh data Σ error untuk integrator- adalah sebesar 28,96 untuk integrator-2 adalah sebesar 23,4. Sedangkan Σgaya yang dikeluarkan integrator- adalah sebesar 2,5 untuk integrator-2 adalah sebesar 76,5. Dari data-data tersebut dapat disimpulkan bahwa integrator-2 memberikan kinerja yang lebih baik jika dibandingkan dengan integrator-. 4. KESIMPULAN DAN SARAN 4. Kesimpulan Dari data hasil pengujian kinerja sistem kendali suhu penetas telur ayam menggunakan pengendali fuzzy-integrator intervention dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu:. Pengendali fuzzy-intyegrator menunjukan kinerja yang lebih baik jika dibandingkan dengan pengendali fuzzy atau pengendali integrator. 2. Kinerja pengendali fuzzy-integrator memiliki Σ error = 62,5 dan Σgaya =24,5, dengan waktu naik sebesar 7 menit. 3. Lebar fungsi keanggotaan yang dipersempit akan memperbesar penguatan keluaran pengendali fuzzy. 4. Penguatan integrator yang diperbesar, maka akan mempersingkat waktu naik dan memperbaiki kinerja sistem. [4] Jang, J.S.R., Sun, C.T., Mizutani,E., (997), Neuro-Fuzzy and Soft Computing, Prentice-Hall International, New Jersey, 9. [5] Jantzen, Jan, (998), Tuning Of Fuzzy PID Controllers, Tech. Report Technical University of Denmark, 98-H 87 (fpid), 2. [6] Mann, George.K.I, Hu, Bao-Gang., Gosine, Raymond.G., (999), Analysis of Direct Action Fuzzy PID Controller Structures, IEEE Transactions On Systems, Man, And Cybernetics, 29, [7] Nalwan, Paulus Andi., (23), Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89C5, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta. [8] Passino, K.M., Yurkovich, S., (998), Fuzzy Control, Addison-Wesley, Menlo Park, [9] Phillips, Charles.L., Nagle, H.Troy., (99), Digital Control System Analysis and Design, Prentice-Hall International, Inc, New Jersey, Saran-saran Untuk penelitian lebih lanjut dalam topik aplikasi logika fuzzy dalam embedded system sebagai pengendali suhu, dapat dilakukan beberapa hal berikut ini:. Proses pembacaan data akan lebih baik jika dilakukan secara otomatis menggunakan PC. 2. Waktu pencuplikan data harus sesuai dengan kriteria Shanon, sehingga tidak terjadi informasi yang keliru. 3. Regulasi tegangan catu daya harus bagus, supaya terjamin tegangan catuannya, terutama untuk proses konversi data oleh ADC. 4. Tegangan catu untuk pemanas sebaiknya terpisah dari catu daya rangkaian kendali. PUSTAKA [] Dwiono, Wakhyu., (25), Perancangan dan Penerapan Pengendali Fuzzy Bertipe 2 Interval, Tesis Program Magister, Institut Teknologi Bandung [2] Franklin, Gene.F., Powell, J.David., Emami- Naeni, Abbas., (994), Feedback control Of Dynamic Systems, Addison-Wesley, New Jersey, [3] Hannawati, Anies., Thiang, Resmana, Prototipe Sistem Kendali Temperatur Berbasis Fuzzy Logic Pada Sebuah Inkubator, D-28