IMPLEMENTASI FUZZY LOGIC CONTROLLER PADA SISTEM PENGEREMAN KERETA API

Transkripsi

1 Implementasi Fuy Controller pada Sistem Pengereman Kereta Api (Wahyudi) IMPLEMENTASI FUZZY LOGIC CONTROLLER PADA SISTEM PENGEREMAN KERETA API Wahyudi Jurusan Teknik Elektro Fak. Teknik Undip Jl. Prof. Sudharto Tembalang, Semarang Abstrak Kereta api merupakan salah satu alat transportasi darat yang banyak diminati karena lebih ekonomis, nyaman dan cepat. Pada saat pengereman kereta api berlangsung, sering menimbulkan adanya hentakan yang mendadak, sehingga akan dapat mengurangi kenyamanan. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan melakukan pengaturan pada sistem pengereman, salah satu cara yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan sistem kontrol logika fuy. Penggunaan kontroller logika fuy dapat mengurangi gaya hentakan yang terjadi pada saat pengereman, tetapi jarak tempuh henti dari saat pengereman lebih jauh jika dibandingkan dengan menggunakan pengereman konvensional. I. PENDAHULUAN Pada saat terjadi pengereman kereta api, bendabenda yang ada di dalamnya termasuk penumpang kereta api akan mengalami gaya (hentakan) yang arahnya searah dengan arah kereta api bergerak. Hentakan yang terjadi ini ditambah lagi dengan adanya hentakan yang disebabkan adanya gerbonggerbong kereta api yang berada dibelakangnya. Hentakan ini merupakan gaya yang besar yang terjadi secara tiba-tiba yang ditimbulkan karena pemberian gaya pengereman yang terlalu besar ke roda kereta api pada saat kecepatan kereta api masih tinggi, sedangkan momen inersia kereta api sangat besar. Kejadian ini sangat mengganggu dan mengurangi kenyamanan bagi penumpang yang berada di dalam kereta api. Untuk mengatasi adanya permasalahan tersebut, masinis memberikan gaya pengereman ke roda kereta api secara bertahap dengan cara memutar handel rem pada lokomotif. Tetapi hal ini masih saja terjadi hentakan, karena masinis tidak bisa memberikan gaya pengereman yang sesuai dengan kecepatan kereta api saat itu. II. DASAR TEORI 2. Kinematika Gerak Translasi Gerak translasin yaitu perpindahan posisi benda dari suatu titik ke titik lain dengan arah gerak selalu berimpit dengan arah geraknya. Kecepatan ( v ) adalah perubahan posisi ( s) suatu benda dalam selang waktu tertentu ( t), dari pengertian kecepatan di atas dapat ditulis dengan persamaan berikut[5]. v s = () t Percepatan atau perlambatan (a ) adalah perubahan kecepatan ( v) dalam selang waktu tertentu ( t), dari pengertian percepatan atau perlambatan dapat ditulis dengan persamaan: a v t = (2) Tiga Hukum Newton yang berhubungan dengan masalah gerak yaitu:. Hukum I Newton Hukum I Newton menyatakan bahwa, Jika jumlah gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang sedang diam akan tetap diam dan benda yang sedang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. Secara matematis Hukum I Newton dapat ditulis sebagai berikut. F = 0 ; a = 0 (3) 2. Hukum II Newton Hukum II Newton menyatakan bahwa, Percepatan (a ) yang ditimbulkan oleh gaya yang beraksi pada sebuah benda dengan massa (m) berbanding lurus dengan besarnya gaya (F) dan berbanding terbalik dengan massa benda. Secara matematis Hukum II Newton dapat ditulis sebagai berikut. F = m. a (4) dimana: F = resultan gaya (N) a = percepatan benda (m/s 2 ) m = massa benda (kg) 3. Hukum III Newton Hukum III Newton menyatakan bahwa, Apabila suatu benda mengerjakan gaya benda lain, maka benda kedua akan mengerjakan gaya pada benda pertama yang sama besar dan berlawanan arah. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: Faksi =- Freaksi (5) 2.2 Pengendali Logika Fuy Pada teori himpunan fuy memungkinkan derajat keanggotaan (member of degree) suatu objek dalam suatu himpunan dinyatakan dalam interval 9

2 Transmisi, Vol. 0, No. 2, Desember 05 : 9-3 antara 0 dan atau [0 ]. Himpunan fuy F dalam semesta X biasanya dinyatakan sebagai pasangan berurutan dari elemen x dan mempunyai derajat keanggotaan[]: F = {(x, µ F (x)) x X} (6) dengan F : notasi himpunan fuy, X : semesta pembicaraan, x : elemen generik dari X, dan µ F (x): derajat keanggotaan dari x. Fungsi keanggotaan (membership function) dari himpunan fuy dapat disajikan dalam bentuk gabungan derajat keanggotaan tiap -tiap elemen pada semesta pembicaraan. F = µ F (u i ) / u i (7) atau : µc() = max{min (á, µc()), min (á2, µc2()),..., min (á i, µ ci ())}. Proses pengembilan keputusan MAX-MIN dapat dilukiskan seperti pada Gambar 2. Defuifikasi merupakan proses pengubahan besaran fuy yang disajikan dalam bentuk himpunan-himpunan fuy keluaran dengan fungsi keanggotaannya untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya. µ A µ B µ A2 µ A2 A2 A x B2 B y µ C µ C2 C2 C Pada Gambar diperlihatkan diagram blok pengendali logika fuy.. xo x yo y µ C Crisp Inputs Input Membership Function Output Membership Function Fuification Fuy Inputs Rule Evaluation Fuy Outputs Defuification Rules Base Gambar 2 Metode max-min. Hal ini diperlukan karena plant hanya mengenal nilai tegas sebagai besaran sebenarnya untuk regulasi prosesnya. Metode defuifikasi yang digunakan adalah metode centroid. Metode centroid ini juga dikenal sebagai metode COA (Center of Area) atau metode Center of Gravity. Pada metode ini nilai tegas keluarannya diperol eh berdasarkan titik berat dari kurva hasil proses pengambilan keputusan yang dapat dilukiskan pada Gambar 3. Crisp Ouputs µ c () Gambar Diagram blok pengendali logika fuy. Fuifikasi merupakan suatu proses untuk mengubah suatu peubah masukan dari bentuk tegas (crisp) menjadi peubah fuy (variable linguistik) yang biasanya disajikan dalam bentuk himpunanhimpunan fuy dengan fungsi keanggotaannya masing-masing. Evaluasi aturan merupakan proses pengambilan keputusan (inference ) yang berdasarkan aturan-aturan yang ditetapkan pada basis aturan (rules base) untuk menghubungkan antar peubah-peubah fuy masukan dan peubah fuy keluaran. Aturan -aturan ini berbentuk jika... maka (IF... THEN). Teknik pengambilan keputusan yang digunakan adalah metode max-min. Pada metode max-min, pengambilan keputusan didasarkan pada aturan operasi menurut Mamdani. Keputusan yang diambil berdasarkan aturan ke i dapat dinyatakan dengan α µ ci (), sehingga keanggotaan C adalah titik yang diberikan oleh: µ c () = (á µ c ()) (á 2 µ c2 ())... (á i µ ci ()) Gambar 3 Metode centroid. III. PERANCANGAN SISTEM Gambaran secara umum perancangan sistem pengereman roda kereta api dengan menggunakan Fuy Logic Controller dapat dilihat Gambar 4. 0

3 Implementasi Fuy Controller pada Sistem Pengereman Kereta Api (Wahyudi ) Pengendali Logika Fuy magnet ini berbanding lurus dengan induksi magnetik yang dihasilkan. Rangkaian untuk menghitung kecepatan putar roda kereta diperlihatkan pada Gambar 6. Roda Sensor Driver Motor Motor 5 V 5 V Keypad Mikrokontroller M68HC Driver Solenoida Solenoida 2 4K7 74LS4 PA7/OC/PAI Display Kecepatan Sensor Kecepatan Prototip Kereta Api IRED PhotoTransistor Catu Daya Gambar 4 Diagram blok sistem. Sistem minimum ini digunakan untuk pengolahan data input, output dan proses pengendali logika fuy. Driver berfungsi sebagai penggerak motor dan rem. Konstruksi solenoida yang digunakan untuk rem prototip kereta api diperlihatkan pada Gambar 5. Solenoida ini dipasang pada setiap roda kereta api. Rem bekerja berdasarkan gaya tarik-menarik magnet yang terjadi antara solenoida dengan ring besi, sehingga roda kereta api perlu dilapisi dengan ring besi. Inti Besi L Gambar 6 Rangkaian sensor kecepatan. Perhitungan kecepatan roda kereta api digunakan rangkaian phototransistor. Jika antara transistor dan IRED (Infra Red ) dihalangi, maka transistor akan off sehingga keluaran dari kolektor akan berlogika high. Jika antara transistor dan IRED tidak dihalangi, maka transistor akan on sehingga keluaran dari kolektor berlogika low. Proses fuifikasi adalah proses perubahan masukan variabel fuy menjadi peubah fuy yang disajikan dalam bentuk himpunan himpunan fuy dengan suatu fungsi keanggotaannya masing-masing. Oleh sebab itu langkah pertama yang harus dilakukan adalah mendesain himpunan-himpunan fuy yang disajikan dalam bentuk fungsi keanggotaan. Desain fungsi keanggotaan diperlihatkan seperti pada Gambar 7. + V - i Lilitan (N) Gambar 5 Solenoida sebagai aktuator rem. Ring besi pada roda kereta api Pada saat roda kereta api berputar, solenoida diberi tegangan, maka pada inti besi dari solenoida tersebut akan timbul induksi magnetik yang besarnya memenuhi persamaan di bawah ini: B µ N i =, µ = µr. µo (8) L dengan B : besar induksi magnetik ( Wb.m - 2 = Tesla ), N : banyak lilitan solenoida, i : kuat arus ( A ), L : panjang solenoida (m), µ o : permeabilitas udara/vakum (4π.0-7 Wb. A -.m - ) dan µ r : permeabilitas inti. Dari persamaan (8), besarnya nilai induksi magnetik salah satunya tergantung dari tegangan yang diberikan pada solenoida. Jika terjadi induksi magnetik pada inti besi solenoida, maka akan terjadi gaya tarik-menarik magnet antara inti besi dengan ring besi pada roda. Besar gaya tarik-menarik Y axis FF E0 C0 A SMF PMF P2MF MF MF2 MF3 S2MF SEG0 SEG SEG2 SEG0 SEG SEG2 SEG0 SEG SEG2 PMF2 SMF2 P2MF2 S2MF2 PMF3 SMF3 S2MF A0 B0 C0 D0 E0 F0 MF Universe Of Discourse MF2 Gambar 7 Desain fungsi keanggotaan. MF3 P2MF3 Fungsi keanggotaan diwakili dengan Point, Slope, Point2, Slope2. Nilai Point dan Point2 sudah dapat ditentukan dari titik saat mendesain fungsi keanggotaan, sedangkan untuk menentukan Slope dan Slope2 memenuhi persamaan beikut ini: Slope = Y X (9) FF X axis

4 Transmisi, Vol. 0, No. 2, Desember 05 : 9-3 Masing-masing fungsi keanggotaan terdiri dari 3 buah segmen, yaitu SEG0, SEG dan SEG2. Inti dari proses fuifikasi adalah menentukan berapa nilai derajat keanggotaan (Y axis) terhadap data masukan (INPUT) Universe Of Discourde (X axis). Pada Gambar 8 dan Gambar 9 diperlihatkan fungsi keanggotaan untuk masukkan variable fuy kecepatan dan masukan variable fuy kecepatan. Lambat Sekali Lambat Sedang Cepat Cepat Sekali MF MF2 MF3 MF4 MF5 0 Kecil Sekali Kecil Sedang Besar Besar Sekali MF MF2 MF3 MF4 MF5 0,35 0,75,25,75 Pengereman (Kg.cm/s 2 ) Gambar 0 Fungsi keanggotaan keluaran fuy. 2,5 IV HASIL PENGUJIAN Kecepatan (cm/s) Gambar 8 Fungsi keanggotaan masukan kecepatan. Hasil dari proses fuifikasi adalah nilai GRADE dari masing-masing masukan variabel fuy. Evaluasi aturan mengevaluasi nilai GRADE masukan kecepatan dengan nilai GRADE kecepatan berdasarkan basis aturan yang sudah ditetapkan. Basis aturan diperlihatkan pada Tabel 00 Nilai rata-rata kecepatan yang didapat dari masing-masing pengereman dapat dibuat grafik yang diperlihatkan pada Gambar. Bentuk grafik kecepatan kereta api dengan pengereman konvensional (hard brake) lebih terjal dibandingkan dengan grafik kecepatan kereta api dengan pengendalian logika fuy (soft brake). Pada pengereman konvensional, gaya pengereman ke roda kereta api diberikan secara maksimal, sehingga waktu tempuh kereta api saat kereta api direm hingga berhenti terjadi dengan singkat. Kecil Sekali Kecil Sedang Besar Besar Sekali MF MF2 MF3 MF4 MF Kecepatan (cm/s) Gambar 9 Fungsi keanggotaan masukan kecepatan. KECEPATAN (cm/s) WAKTU (s) Tabel Basis aturan yang digunakan. hard brake soft brake D KECEPATN KECEPATAN LS L S C CS KS BS B S K KS K BS B S K KS S BS B S K KS B B S K KS KS BS B S K KS KS Proses defuifikasi mengubah besaran fuy yang disajikan dalam bentuk himpunan fuy keluaran (FUZOUT) dengan fungsi keanggotaannya untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya. Fungsi keanggotaan untuk keluaran fuy diperlihatkan pada Gambar 0. Gambar Grafik kecepatan kereta api saat direm. Pada pengereman kereta api dengan menggunakan kontrol logika fuy, gaya pengereman kereta api berdasarkan hasil keluaran proses pengendali logika fuy dengan masukan pengendali logika fuy adalah kecepatan kereta api pada saat itu. Pemberian gaya pengereman ke roda kereta api dilakukan secara bertahap terhadap kecepatan kereta api pada saat itu. Akibat dari pemberian gaya pengereman ke roda kereta api secara bertahap adalah waktu tempuh kereta api untuk berhenti lebih lama jika dibandingkan dengan pemberian gaya pengereman ke roda kereta api secara maksimal. V. KESIMPULAN. Pengereman roda prototip kereta api dengan menggunakan kontrol logika fuy lebih lembut (soft), jika dibandingkan tanpa kontroller (konvensional). 2. Jarak dan waktu yang diperlukan utuk menghentikan kereta api tempuh dengan 2

5 Implementasi Fuy Controller pada Sistem Pengereman Kereta Api (Wahyudi ) menggunakan pengendalian kontrol logika fuy lebih panjang. DAFTAR PUSTAKA [] Jamsidi Mohammad, Nader Vadiec and Timothy J Ross, Fuy Logic and Control : Software and Hardware Applications, Prentice Hall, Inc. New Jersey [2] Kraige, L.G, and Meriam, J.L., Mekanika Teknik, Dinamika, Jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta [3] Li-Xing Wang, A Course in Fuy System and Control, Prentice Hall, Inc. New Jersey [4] Ogata, Katsuhiko., Teknik Kontrol Automatik Jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta, 996. [5] Sears, Zemansky, Fisika Untuk Universitas, Jakarta,