Dosen Penguji: Ir. Aziz Achmad Khoirul Effendi,ST., MSc.Eng. Dr. Dhanny Arifianto,ST.,M.Eng.

Transkripsi

1 Dosen Penguji: Ir. Aziz Achmad Khoirul Effendi,ST., MSc.Eng. Dr. Dhanny Arifianto,ST.,M.Eng. Pembimbing: Hendro Nurhadi, Dipl-Ing.,Phd Presented By: MIRZA GHULAM INDRALAKSANA Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi sepuluh Nopember 2011

2 Merkandung potensi alam yang melimpah seperti garam, terumbu karang, minyak bumi, serta ribuan spesies ikan dengan berbagai macam bentuk dan warnanya Terjadinya retakan lempeng bumi mampu menyebabkan gempa di laut dalam Laut telah menyumbang hingga US$ 2 Milyar/tahun pada devisa negara sehingga menyebabkan air naik setinggi meter

3

4 DESAIN DAN ANALISA NUMERIK POWERMANAGEMENT SYSTEM PADA AUV DENGAN METODE PID

5 Rumusan Masalah dan Tujuan Penelitian Rumusan Masalah 1. Bagaimana merancang (menentukan batasan) konsumsi tenaga dan sumber tenaga (baterai) AUV yang mampu bergerak terhadap pengaruh-pengaruh hidrodinamika dibawah permukaan air laut. 2. Bagaimana merancang dan menganalisa power management system pada AUV meliputi kecepatan putaran motor, gaya thrust dan kebutuhan daya motor, yang mengalami pengaruh arus bawah laut (under water current) agar tetap bergerak dengan kecepatan (surge) stabil menggunakan metode PID. Tujuan 1. Merancang (menentukan batasan) konsumsi tenaga dan jenis sumber tenaga (baterai) AUV yang mampu bergerak terhadap pengaruh-pengaruh hidrodinamika dibawah permukaan air laut. 2. Merancang dan menganalisa power management system pada AUV meliputi kecepatan putaran motor, gaya thrust dan kebutuhan daya motor, yang mengalami pengaruh arus bawah laut (under water current) agar tetap bergerak dengan kecepatan (surge) stabil menggunakan metode PID. 4

6 Batasan Masalah Penelitian Aspek yang menjadi batasan dalam penyelesaian Autonomus Underwater Vehicle (AUV) ini antara lain : 1. Dimensi AUV dengan panjang 1260 mm dan diameter 220 mm 2. Asumsi keadaan lingkungan (environmental assumption) hanya air laut 3. Wahana beroperasi di kedalaman tertentu dari permukaan air, sehingga efek permukaan dapat diabaikan 4.Wahana adalah benda kaku (rigid body) dengan massa (m) 50 kg yang konstan sepanjang operasinya 5. Kedalaman maksimal yang direncanakan kapal selam mini ini bisa beroperasi hingga 100 meter dibawah permukaan laut 6. Lama waktu operasi kapal selam mini adalah maksimal 10 jam 7. Tipe kapal selam mini yang digunakan yaitu tipe albacore 8. AUV hanya bergerak arah horizontal (surge) 9. Gaya hidrodinamika yang bekerja hanya searah horizontal. 10. Konsumsi daya pada peralatan AUV diambil dari spesifikasi Superman AUV MIT 5

7 Dasar Teori: Profil AUV Kapal selam mini ini dibagi menjadi tiga bagian utama. Bagian pertama adalah bagian belakang yang berisi motor utama, motor servo yang digunakan menggerakkan baling-baling dan kemudi. Bagian kedua adalah bagian tengah yang berisi baterai, pompa, tangki balas, dan motor servo sebagai alat gerak sayap(wing) pada kapal. Dan terakhir adalah bagian depan yang berisi lampu sorot, dan kamera yang digunakan untuk mengambil gambar. ALBACORE TYPE 6

8 Dasar Teori: Baterai Pemilihan baterai bergantung pada massa, ukuran, lama operasi, jarak jangkauan, instrumen pendukung Rumus: R = V * t E = (p + p v )R (3600*V) 7

9 Dasar Teori: SUPERMAN AUV MIT Konsumsi daya pada Superman AUV (hotel load) : 1. CTD - 5 W 2. Sidescan sonar - 8W 3. Multi-beam sonar - 10W 4. Acoustic Doppler Velocity Log - 3W 5. Obstacle avoidance - 4W 6. Navigation Systems - 5W 7. Electronic components and Intel cpu( navigation computer available from Sonardyne):- 1-3W 8. Actuators = 5 W 9. Fluorometer - 0.3W 10. Transmissometer W 11. Camera (CCD)- micro-seacam -6W 12. lights - 40W 13. Sipper - 20W Total konsumsi daya sensor dan CPU = 109 watts 8

10 Dasar Teori: HAMBATAN Hambatan gesekan / Frictional Resistance (R F ) Hambatan gelombang / Wave Resistance (R W ) Hambatan tekanan / Pressure Resistance (R P ) Hambatan udara / Air Resistance (R A ) Hambatan Appendages (R APP ) 1. Bergerak didalam fluida yakni didalam air jauh dibawah permukaan: Fluida ideal hambatan total = 0 Fluida berviskositas hambatan total = hambatan gesek + hambatan appendages 2. Bergerak di permukaan bebas (air dan udara): Fluida ideal hambatan total = hambatan gelombang + hambatan udara Fluida berviskositas hambatan total = hambatan gelombang + hambatan gesekan + hambatan tekanan + hambatan udara 9

11 Dasar Teori: DAYA MOTOR EHP (Effective House Power): besarnya daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat pada AUV agar mampu bergerak sebesar V; EHP = R T. V (W) THP (Thrust House Power): daya yang dikirimkan propeller ke air THP =EHP/η H ; η H = ( 1-t)/(1-w) 10

12 Dasar Teori: DAYA MOTOR DHP(Deliver House Power): Merupakan daya yang disalurkan dari efektif horse power dibagi dengan koefisien propulsif; DHP = EHP/η; SHP(Shaft House Power): SHP = DHP/ηSηB; ηsηb = 2% (kamar mesin belakang) BHP(Brake House Power): BHP scr = EHP / η t ; BHP MCR = BHP SCR / 0,85 11

13 Dasar Teori: PID PID kontroler merupakan gabungan antara tiga macam kontroler yaitu Proporsional, Integral dan Derivatif. Adanya penggabungan kontroler dapat menutupi kekurangan dan menonjolkan kelebihan masing-masing kontroler 12

14 Dasar Teori: Gerak Surge AUV AUV memiliki 6 gerakan yaitu surge, sway, heave, pitch, roll, dan yaw. Surge merupakan gerak AUV arah kecepatan u. mu X u u X u X u u u X TR 13

15 Dasar Teori: Axial Flow T = 2ρA p u p (u p -u) u p =k 1 u+k 2 Dω Persamaan Bernouli: Dari 1 ke a : P + ½ ρu 2 = P b + ½ ρu p 2 Dari b ke 2 : P + ½ ρν 2 = P a + ½ ρu p 2 P b -P a = ½ ρ(ν 2 -u 2 ) u p = 1 / 2 (u + v) v = 2u p - u T = 2ρA p u p (u p -u) T = 2ρA p (k 1 u+k 2 Dω )( k 1 u+k 2 Dω -u) T = 2ρA p (k 1 u 2 +k 2 udω+k 3 D 2 ω 2 ) 14

16 Dasar Teori: Axial Flow J 0 > 0 u p = k 1 u+k 2 Dω > 0 J* > 0 > J 0 u p = k 1 u+k 2 D < 0 15

17 Dasar Teori: DC Motor Vt + Switch I R L ω - 16

18 Metodologi Penelitian START Studi Literatur (power analysis AUV) Permodelan AUV menggunakan software MAXSURF Perhitungan tahanan pada AUV (Rf, Rr, Rt) A A Perhitungan kebutuhan daya motor AUV (EHP) Perhitungan propeller (THP, DHP, SHP, BHP, efisiensi) Simulasi pengendalian kecepatan AUV, putaran propeller dan kebutuhan daya menggunakan metode PID controller MATLAB Kesimpulan dan saran FINISH 17

19 Metodologi Penelitian: Perhitungan Tahanan START Permodelan AUV menggunakan software MAXSURF Menentukan nilai: Vs, Lwl, B, H, T, Cp, volume kapal Mencari nilai koefisien-koefisien hambatan kapal selam Ct= Cf+Ca+Cr+Cw Mencari nilai hambatan gesek (Rf) dan appendages (Rapp) R f /R app = ½. ρ. V 2. S. Ct B Tahanan total kapal selam mini (AUV) Menghitung kebutuhan energi pada AUV E = ((P + P v )R)/(3600*V) Kebutuhan energi pada AUV (E) FINISH Mencari nilai hambatan total R t = R f + R app B 18

20 Metodologi Penelitian: Kontroler desire velocity PID Controller u DC Motor T Thruster ω Vehicle (surge) v 19

21 Perhitungan Kebutuhan Energi AUV Desain AUV menggunakan software Maxsurf 20

22 Perhitungan Kebutuhan Energi AUV Hambatan Gesek R F = ½. ρ. V 2. S. Ct = ½ x 1024 x 2 2 x 0,297x 0, = 5,135 N (di permukaan Air) R F = ½. ρ. V 2. S. Ct = ½ x 1024 x 2 2 x 0,596 x 0,00437 = 5,33 N (di bawah permukaan Air) Hambatan Appendages R APP = ½. ρ. V 2. S. Ct = ½ x1024 x 2 2 x 0,06505 x 0,005 = 0,67 N (di permukaan Air) R APP = ½. ρ. V 2. S. Ct = ½ x 1024 x 2 2 x 0,09045 x 0,005 = 0,926 N (di bawah permukaan Air) Hambatan Total di permukaan laut R T = R F + R APP = 5, ,67 = 5,805 N di bawah permukaan laut R T = R F + R APP = 5,33 + 0,926 = 6,256 N 20

23 Perhitungan Kebutuhan Energi AUV EHP (Effective House Power) EHP = R T. V = 6,256 x 2 = 12,512 N m/s THP (Thrust House Power) THP = EHP/η H = 12,512 / 1 = 12,512 N m/s DHP (Deliver House Power) DHP = EHP/η, dimana η = η H x ηo x ηr = 1 x 0,6616 x 1,035 = 0,685 DHP = 12,512/ 0,685 = 18,265 N m/s SHP (Shaft House Power) SHP = DHP/η S η B = 18,265/ 0,98 = 18,638 N m/s BHP (Brake House Power) BHP scr = SHP / η t, dimana η t = (l-li) = (1-0,000) x (1-0,005) x (1-0,010) BHP scr = 0,995 = 18,638/ 0,995 = 18,732 N m/s BHP mcr = SHP / 0,85 = 18,732/ 0,85 = 22,037 N m/s = 22,037 Watt 20

24 Perhitungan Kebutuhan Energi AUV F Lift = ρ.g.v = 1024 x 9,81 x 0,024 = 241,1 N P Kedalaman = F L x V = 241,1 N x 0,25 m/s = 60,27 N m/s = 60,27 Watt Daya peralatan pendukung (p v ) = 109 Watt Daya motor (P Kedalaman +P Surge ) = 82,31 Watt Total daya Range (jarak) Energi = 191,31 Watt = V x t = 2 x = m = ((P + P v )R)/(3600*V) = 191,31 x / (3600 x 2) = 1913,1 Watt = 1,9131 kwh 38,26 Wh/kg 20

25 Simulasi MATLAB SIMULINK 21

26 Simulasi MATLAB SIMULINK DC Motor 21

27 Simulasi MATLAB SIMULINK Gaya Thrust Propeler 21

28 Simulasi MATLAB SIMULINK Kebutuhan Daya AUV 21

29 Simulasi MATLAB SIMULINK Dinamika Gerak Surge 21

30 Hasil Simulasi Surge Velocity Power Consumption Hasil Simulasi Tanpa kontroler Kontroler PID Kecepatan surge 0,0234 m/s 2 m/s Simulasi Surge Energi maksimum 109,468 Watt 14,68 Watt Simulasi Energi saat settling time 14,47 Watt 4,75 Watt Konsumsi Daya 22

31 Hasil Simulasi Kecepatan Percepatan Konsumsi Daya Surge Maksimum Maksimum Settling Time 2,0 m/s 0,447 m/s 2 14,680 Watt 4,750 Watt 1,5 m/s 0,335 m/s 2 9,332 Watt 2,716 Watt 1,0 m/s 0,223 m/s 2 4,589 Watt 1,123 Watt 22

32 Hasil Simulasi R T =R F +R APP Kecepatan Putaran Motor Konsumsi Daya Surge Maksimum Settling Time Maksimum Settling Time 2,0 m/s 1615 rpm 865 rpm 14,680 Watt 4,750 Watt 1,5 m/s F inersia = m.a 1241 rpm 658 rpm 9,332 Watt 2,716 Watt a 1,0 m/s 850 rpm 445 rpm 4,589 Watt 1,123 Watt 22

33 Hasil Simulasi Kecepatan Arus Maksimum Konsumsi Daya Settling Time R T =R F +R APP a 5 m/s (searah) 11,755 Watt 2,313 Watt 2 m/s (searah) F inersia = m.a13,650 Watt 3,933 Watt 0 m/s 14,675 Watt 4,750 Watt 2 m/s (berlawanan arah) 15,555 Watt 5,418 Watt 5 m/s (berlawanan arah) 16,658 Watt 6,224 Watt 22

34 Hasil Simulasi R T =R F +R APP a F inersia = m.a 22

35 Hasil Simulasi R T =R F +R APP a F inersia = m.a 22

36 Hasil Simulasi R T =R F +R APP a F inersia = m.a 22

37 KESIMPULAN DAN SARAN Konsumsi daya AUV berasal dari daya peralatan pendukung, propulsi dan sensor sebesar 181,782 Watt. Sumber energi yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan suplai energi pada AUV adalah baterai jenis lithium. Penggunaan kontroler berupa PID mampu mengendalikan kecepatan surge pada AUV sesuai dengan kecepatan yang diinginkan meski mendapat pengaruh arus laut. Adanya kontroler mampu menurunkan konsumsi daya AUV mencapai 86,57% pada saat maksimum dan 67,17% pada saat settling time dengan kecepatan gerak surge sebesar 2 m/s Konsumsi daya maksimum terjadi saat percepatan maksimum yaitu sebesar 14,680 Watt dengan kecepatan 2 m/s. Percepatan yang terjadi menyebabkan timbulnya gaya inersia. Adanya inersia akan meningkatkan konsumsi daya. Hasil uji kestabilan pada motor penggerak AUV dengan menggunakan metode bode diagram, nyquist dan root locus menunjukkan bahwa sistem motor penggerak AUV stabil. 23

38 KESIMPULAN DAN SARAN Sebaiknya terlebih dahulu dibuat desain untuk rancangan bentuk AUV serta perlatan pendukung yang digunakan, sehingga perhitungan kebutuhan daya sesuai dengan bentuk dan kebutuhan AUV yang akan dibuat. Untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal dan handal perlu dilakukan kontrol sistem dengan menggunakan metode lain seperti sliding PID atau adaptive PID. 23