Vol. 13, No.3, Desember 1999

Transkripsi

1 Vl. 13, N.3, Desember 1999 PENGENDALIAN MUKA AIR TANAH MENGGUNAKAN SISTEM KENDALl F AZI SEDERHANA Grundwater Level Cntrl with a Simple Fuzzy Cntrl System X Marzan A. Iskandar l, Yanti Susanti 2, Satyant K Saptm 3, Budi I. Setiawan 4 Abstract This paper prpses a methd fr cntrlling grundwater level in rder t maintain a certain desired height by using a simple fuzzy cntrl system. The cntrl signal is determined by evaluating the state f water surface height deviatih frm the desired height n a 4 quadrant phase plane. The cntrl signal is then used t determine the number f drainage r irrigatin pumps, which must be perated. Simulatin using actual datafrm thejield shws that the prpsed methd is very effective t maintain the desired height f water surface. This methd is very simple, therefre it can be easily implemented using a persnal cmputer r a micrcntrl/er, r up-laded t a P LC (Prgrammable Lgic Cntrller). Keywrds: grundwater level, drainage, irrigatin, fuzzy cntrl PENDAHULUAN Pengellaan lahan basah untuk pertanian khususnya prduksi pangan merupakan salah satu masalah yang semakin mendesak penyelesaiannya dalam sistem pertanian mdern. Walaupun air di laban tersedia dalam jumlah cukup melimpah, permasalaban belum terselesaikan karena adanya spesifikasi lingkungan lkal, baik tanah itu sendiri maupun kndisi iklimnya. Pengellaan lahan menghadapi beberapa kendala diantaranya dalam penentuan pla pengaturan air, pla pencegahan keasaman dan pla penanaman yang ptimum dengan memperhatikan keberlanjutan prduksi. Pengendalian tata air biasanya dilakukan dengan membuat sistem irigasi dan drainase yang dilakukan secara gravitasi. Akan tetapi metde ini tidak memadai bila digunakan pada lahan yang berada pada wjlayah yang relatif datar dan cenderung 1,2 Direktrat Teknlgi Infrmasi dan Elektrnika, BPP Teknlgi Lt 21 Gedung BPPT II, JI. M.H. Thamrin n.8 Jakarta 10340, marzan@inn.bppt.g.id. 3,4 Center fr Research n Engineering Applicatin in Trpical Agriculture (CREATA-LP), IPB. PO BOX 220 Bgr 16002, ergtrn@ipb.wasantara.net.id. 66

2 ~ KETEKNIKAN PERTANIAN selalu tergenang air. Lebih-Iebih bila kndisi tersebut disertai dengan pla fluktuasi muka air tanah yang lang sung dipengaruhi leh curah hujan lkal atau pasang surut. Untuk menjamin permukaan air tanab pada ketinggian yang diinginkan pada kndisi semacam itu, maka diperlukan pmpa irigasi dan pmpa drainase yang dapat diperasikan sesuai dengan keperluan. Penggunaan pmpa secara manual masih kurang memadai karena pla kesetimbangan air yang sulit diperkirakan, di sam ping terbatasnya kemampuan dan keandalan peratr di lapangan. Oleh sebab itu, implementasi sistem kendali perlu dilakukan dalam pengendalian muka air tanah. Dalam makalah ini diusulkan suatu sistem pengendalian tinggi muka air tanah dengan menggunakan teknik kendaji fazi (fuzzy lgic cntrl). Teknik pengendalian ini dipilih karena mdel sistem yang digunakan merupakan sistem nnlinear yang dirumuskan dari data aktual di lapangan. Dengan sistem kendali fazi, mdel yang diperleh dapat diperlakukan sebagaimana adanya tanpa memerlukan penyederhanaan. Metde kendali fazi yang diusulkan dalam makalah ini sangat sederhana dan mudab diimplementasikan dalam perangkat kmputer pribadi, mikrkntrler maupun Prgrammable Lgic Cntrller (PLC). Simulasi pengendalian dengan menggunakan mdel nn-linear yang didasarkan pada data aktual di lapangan menunjukkan bahwa sistem kendali fazi yang diusulkan sangat efektif untuk mendapatkan dan menjaga tinggi permukaan air tanah pada level yang diinginkan. MODEL SISTEM Mdel sistem yang digunakan dalam studi ini adalah sutu petak lahan pasang surut yang diperlihatkan dalam Gambar 1. Karakteristik ketinggian permukaan air di saluran tersier pada lahan ini diperlihatkan pada Gambar 2 yang diperleh dari data aktual di lapangan (Susant and Muslimi, 1997). Karakteristik tinggi permukaan ini didekati dengan persamaan plinmial piece-wise pangkat tiga, h;(t) = a; + bit + c/ + d/ (1) Dengan, a, b, c dan d adalah knstanta piece-wise plinmial, h adalah ketinggian permukaan air tanah pada pengambilan data ke-i. STRATEGIPENGENDAL~ Untuk mengendalikan tinggi permukaan air tanah di laban prduksi pangan seperti diperlihatkan pada Gambar 1, digunakan pmpa drainase dan pmpa irigasi sebanyak masing-masing 4 unit. Kapasitas pmpa ditentukan berdasarkan kapasitas pmpa yang terdapat di pasaran dan disesuaikan dengan kebutuhan pengendalian. Pengperasian pmpa irigasi atau drainase sesuai dengan ketinggian permukaan aktual relatif terhadap ketinggian permukaan yang diingin-kan. Selain itu jumlah pmpa yang diperasikan juga disesuaikan dengan kndisi besar kecilnya selisih ketinggian tersebut. 67

3 Vl. 13, N.3, Desember 1999 Permukaan Air yang Dikendalikan kigasil~ Drainase: : Tanah untuk Prduksi Pangan Gambar 1. Skema petakan lahan PEMECAHAN DENGAN LOGIKA FAZI SEDERHANA Sistem kendali fazi (fuzzy lgic cntrl) adalah suatu sistem pengendalian yang didasarkan pada sejumlah aturan kendali Jika - Maka (if- then cntrl rules) yang disusun leh serang ahli atau serang yang berpengalaman maupun didasarkan pada prses penyetelan. Bagian Jika ruerupakan pernyataan mengenai kndisi aktual sistem yang akan dikendalikan, sementara bag ian Maka merupakan tindakan yang harus diambil agar tujuan pengendalian tercapai. Dalam makalah ini digunakan metde sistem kendali fazi sederhana yang prinsip pengendaliannya ditunjukkan pada Gambar 3. Pada Gambar 3, kndisi (state) vlume air pad a lahan yang akan dikendalikan direpresentasikan dengan deviasi E dan peru bah an deviasi LiE dari ni!ai akt\.lal terhadap nilai yang diingin-kan, yang g (ij c ~ E 1.5 ('II "iii... «1 g 0.5 c i= Tlnggi Air Dalam Kanal Han Gambar 2. Pla tinggi air harian suatu lahan pasang surut 68

4 ~ KETEKNlKAN PERTANIAN fl.t1e II DRAINASE I E IV GZ Gambar 3. Diagram Bidang Fasa Wltuk Menetapkan Strategi Kendali Fazi diamati pada setiap waktu sampling T. Untuk memudahkan pengamatan keadaan (state) vlume air, nilai E dan L1E diubah dalam krdinat plar D dan () dari titik p (D, B) dengan hubungan sebagai berikut: Dk = ~E2k + 1; 2 6E 2 k (2) Ok = COS-I Ek Dk kt 5: t < (k + l)t (3) (4) dengan, D adalah magnitud, () adalah sudut fasa, Ji adalah parameter yang dapat disetel, t adalah waktu dan k = 1,2,3,... Pengperasian pmpa drainase atau pmpa irigasi tergantung pada psisi vektr Dk dalam bidang fasa dan magnitudnya. Bila Dk berada pada Kuadran I, ini berarti bahwa ketinggian muka air berada pada level yang lebih tinggi daripada ketinggian yang diinginkan. Di sam ping itu jumlah air cenderung bertambah, karena air masuk ke lahan. Ini berarti pmpa drainase harus diperasikan untuk mengu-rangi vlume air di lahan dan mengusahakan agar level ketinggian permukaan air dapat mencapai level yang diinginkan, yaitu titik 0 secepat mungkin. Sebaliknya, bila Dk berada pada Kuadran III, berarti bahwa ketinggian muka air berada pada level yang lebih rendah daripada ketinggian yang diinginkan. Di samping itu jumlah air cenderung berkurang, karena air mengalir keluar lahan. Ini berarti pmpa irigasi harus diperasikan untuk menambah vlume air di lahan dan mengusahakan agar level ketinggian permukaan air dapat mencapai level yang diinginkan secepat mungkin. Kuadran II dan Kuadran IV merupakan daerah dimana pmpa irigasi atau drainase dapat berperasi, sedangkan disepanjang garis zer. GZ pmpa dminase maupun irigasi sarna 69

5 Vl. 13, N.3, Desember 1999 N 1 t-----'"' p N,UNr,UP: I I L~ _ 1t/2 Bk 21t/2 31t/2 41t/2 Gambar 4. Fungsi Keanggtaan Sudut Fasa e sekali tidak berperasi. Garis GZ merupakan garis perpindahan pengperasian dari drainase ke irigasi atau sebaliknya. Berdasarkan lgika aturan di atas, maka dapat dibuat suatu fungsi keanggtaan fazi dari sudut fasa B seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Pada gam bar 4, N dan P adalah label Fungsi Keanggtaan Sudut hsa, yang menunjukkan kndisi perasi pmpa drainase (N: Negatit) dan pmpa irigasi (P: Psitit). f.ln dan,up adalah grade yaitu derajat keanggtaan sudut fasa B k terhadap label N dan P dari fungsi keanggtaan tersebut. Berdasarkan pada fungsi keanggtaan pada Gambar 4, maka sinyal kendali setara dengan inferensi sebagai berikut: Uk ::::: fl.n - fl.1' (5) fl. N + fl. l' Selanjutnya terhadap magnitud D k, sinyal Uk akan membesar dengan membesarnya Dk serta mengecil dengan mengecilnya nilai tersebut. Berdasarkan lgika ini dapat dibuat suatu fungsi keanggtaan seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Pada Gambar 5, G adalah label Fungsi Keanggtaan magnitud D k, yang menunjukkan banyaknya air yang harus dipmpakan dari atl;lu ke G Gambar 5. Fungsi Keanggtaan Magnitud 70

6 ~ KETEKNlKAN PERTANIAN lahan, Jil) adalah grade yaitu derajat keanggtaan magnitud Dk terhadap fungsi keanggtaan tersebut. Berdasarkan pada fungsi keanggtaan pada Gambar 5, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa sinyal kendali setara dengan derajat keanggtaan Dk atau, (6) Lebih lanjut, nilai maksimum sinyal kendali dibatasi pada suatu nilai U,1l yang besamya disesuaikan dengan nilai ptimalnya dari hasil penyetelan serta kelayakannya secara teknis. Dengan menggabungkan dari semua lgika yang dijelaskan di atas, kita dapatkan suatu frmula inferensi fazi untuk menentukan Uk sebagai berikut: U - /in - f.ll' U (7) k - f.ln + f.l p J1 D m Dari hubungan, J.1 p = 1-J.1 N (8) maka didapat suatu bentuk persamaan yang sederhana berikut ini: Uk = (l-2j.1n)j.1 D U m (9) Dalam makalah ini, nilai U m adalah jumlah pmpa yang digunakan. Dengan demikian dapat digunakan hubungan sebagai berikut: -Um=Uk~ PD=U m, - U m < Uk :5, -U m + I ~ PD =U m - I Um> Uk ~Um-I~ PI =U m -I, Uk = U m -==> PI =U m (10) dengan, PI adalah pmpa irigasi dan PI) adalah pmpa drainase yang harus diperasikan. Selanjutnya, dalam simulasi ini, nilai PI atau PI) yang selanjutnya dituliskan PID dimasukkan ke dalam persamaan berikut ini: V;(t) =(ai+bit+c/+d/)a + PID Qp (II) Dengan A adalah luas saluran air pada laban dan Qp adalah kapasitas pmpa, PID=PI) bila pmpa yang diperasikan adalah pmpa drainase dan PID=PI bila pmpa diperasikan adalah pmpa irigasi. MEN SET PARAMETER UNTUK OPTIMASI PENGENDALIAN Untuk mengptimalkan hasil pengendalian beberapa parameter fazi, yaitu /J dan h yang tel~h dijelaskan sebehimnya harus diset pad a nilai yang meminimumkan suatu indeks perfrmansi tertentu. Dalain makalah ini indeks perfrm ansi Ip dipilih sebagai berikut. n 2 I p= IEk (12) k=l dengan, n adalah jumlah data. Dengan menggunakan Ip 1m, akan diperleh parameter /J dan h yang ptimal bagi pengendalian. Sebagai tambahan, kapasitas dan jumlah pmpa juga mempengaruhi nilai II' SIMULASI KOMPUTER Simulasi kmputer dalam makalah ini menggunakan prgram kendali yang ditulis dalam bahasa pemrgraman Pascal. Prgram Ini secara sederhana dapat dibagi menjadi 3 bagian, yaitu: generatr 71

7 Vl. 13, N.3, Desember g 1.5 J ~ c :i g c: 0.5 1= Hari Gambar 6. Pla Tinggi Permukaan Air Kanal Tanpa Pengendalian (Set Pint = 1.5 m) untuk menghasilkan nilai tinggi muka air kanal, perhitungan untuk sistem kendah dan umpan balik ke dalam sistem. Gambar 6 menunjukkan pla tinggi permukaan air kanal tanpa pengendalian. Sumbu tegak menunjukkan ketinggian muka air tanah, '\ dimana ketinggian 2 m merupakan permukaan tanah. Pla ini akan dikendalikan untuk memperleh ketinggian 1,5 m atau 0,5 m di bawah permukaan tanah. Pengendalian dengan metde yang diusulkan dalam makalah ini menghasilkan pla yang ditunjukkan pada gam bar 7. Dari Gambar7 terlihat bahwa titik set pint 1,5 dapat didekati secara knsisten sepanjang pengamatan dengan deviasi maksimum sekitar 0,2 m. Deviasi ini disebabkan karena terbatasnya jumlah pmpa yang digunakan yaitu 4 unit masing-masing untuk pmpa drainase dan pmpa irigasi dengan kapasitas 2,5 m 3 /jam. Jadi, penggunaan sistem kendali fazi sederhana yang diusulkan dapat mengendalikan tinggi permukaan air tanah dengan efektif. Dalam prgram ini, terdapat beberapa nilai yang dapat diset untuk mendapatkan hasil pengendalian yang terbaik. Nilai-nilai yang dapat diset ini adalah: ii, h serta VIII (Jumlah pmpa) dan Qp (Kapasitas Pmpa). Tabel 1. Beberapa parameter fazi yang diset dan nilai indeks perfrmansinya. Perfrmansi Indeks Perfrmansi Jp pada kndisi tanpa pengendalian diperleh sebesar 1331,73. Dengan mengubah - nilai ii dan h, nilai Jp dapat diminimumkan. Berdasarkan hasil eksperimen, Indeks Perfrmansi sebesar 69,23 dicapai pada nilai ii = 0.05 dan h = Untuk mengetahui pengaruh pengesetan kapasitas pmpa terhadap 72

8 ~JdIA KETEKNlKAN PERT ANIAN 2 I 1.5 iii c: ~ ~ iii Q l;i Hari - _. Gambar 7. Pla Tinggi Permukaan Air Kanal Sesudah Pengendalian sistem kendali, beberapa eksperimen dengan kapasitas pmpa yang berbeda-beda telah dilaksanakan. Untuk eksperimen-eksperimen ini, Ji = 0.05 danji = Tabel 2. Hubungan Antara Kapasitas Pmpa dengan Indeks Perfrmansi. Kapasitas Indeks Pmpa Perfrm ansi (m 3 /jam) , , , ,07 KESIMPULAN Makalah ini telah menyajikan suatu metde kendali fazi sederhana untuk mengendalikan permukaan air tanah pada lahan prduksi pangan. Sinyal kendali ditentukan dengan suatu perhitungan yang disimpulkan dari kndisi titik deviasi tinggi permukaan air terhadap tinggi yang diinginkan. Simulasi kmputer dengan menggunakan mdel yang dibuat berdasarkan data aktual di lapangan menunjukkan metde ini bekerja dengan baik. Metde yang digunakan sangat sederhana, sehingga dapat dengan mudah diimplementasikan baik menggunakan kmputer PC? mikrkntrler atau di up-lad pad a PLC. Ucapan Terima Kasih Riset ini merupakan bagian dari RUT VII berjudul Pengmbangan Sistem Tata Air Terkendali untuk Pertanian Lahan Gambut. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dewan Riset Nasinal atas dukungan finansial dalam menyelenggarakan riset ini. Daftar Pustaka Sugen, "Fajii Seigy", Nikkan Kgy Shinbunsha, Tky, 1988 (Bhs. Jepang). Bear, J and A. V~rruijt, "Mdeling Grundwater Flw and Pllutin", Drdrecht, Reidel Publishing Cmpany, Hlland, Setiawan, B.I., "Prediksi Air Tanah dan Knsentrasi Bahan Pencemar Dalam Akifer dengan Metda Finite Element", 73

9 Vl. 13, N.3, Desember 1999 Pr siding Seminar Pengellaan dan Pemanfaatan Airtanah Berwawasan Lingkungan di Daerah Pesisir, BPPT, Jakarta Oktber Iskandar, Syahputera, Trihatm, Triputra, Prasety, "Applicatin f Fuzzy Cntrl System in Palm Oil Prcessing Plant", Seminar Quality in Research, VI, Jakarta, Saptm, S. K., "Tata Air Lahan Basah dengan Sistem Kendali Fuzzy", Thesis Master, Prgram Pasca Sarjana IPB, Bgr, Susant, R.H. and Muslimi Water Resurces Develpment and Pssible Crpping Pattern On The Reclaimed Tidal Swamps In Indnesia. Prceedings 7th Internatinal Drainage Wrkshp. Vl(3). Nv , Penang, Malaysia. 74