DESAIN DAN IMPLEMENTASI FUZZY LOGIC PADA SISTEM PENGENDALIAN BEBAN AC BERBASIS MIKROKONTROLER Design and Implementation Fuzzy Logic for AC Load Control System Based on Microcontroller 1 Budi Setiadi 2 Kartono W 1,2 Program Studi Teknik Otomasi Industri-Jurusan Teknik Elektro POLBAN Jl. Ciwaruga, Gegerkalong, Bandung-Jawa Barat, Indonesia 1 budi_kendali2003@yahoo.com 2 kartono_el@yahoo.com ABSTRAK Saat ini penggunaan perangkat embedded system sudah semakin luas. Ini disebabkan karena perangkat embedded lebih fleksibel dan mempunyai fungsi yang spesifik. Salah satu aplikasi embedded system di industri adalah untuk keperluan pengaturan masukan daya. Pada umumnya komponen kontrol yang digunakan masih analog. Sedangkan pada penelitian ini, sistem pengendalian beban listrik AC menggunakan mikrokontroler sebagai kendalinya, untuk mengendalikan komponen thyristor-triac. Perangkat mikrokotroler ini berfungsi sebagai pusat proses data (controller fuzzy logic dan feedback). Pada penelitian ini, dibuat modul yang terdiri atas; rangkaian zero cross detector (ZCD), rangkaian optotriac dan TRIAC, sensor tegangan, serta sistem minimum mikrokontroler ATMega32. Rangkaian ZCD ini berfungsi untuk mengetahui titik nol gelombang sinus, sebagai masukan mikrokontroler untuk memberikan pulsa trigger (sudut penyalaan α) pada optotriac dan TRIAC. Rangkaian optotriac berfungsi untuk memisahkan antara bagian arus DC (mikrokontroler) dengan bagian arus AC beban. TRIAC berfungsi sebagai penguat arus pada beban AC. Sedangkan sensor tegangan berfungsi sebagai feedback mikrokontroler, untuk memperbaiki kesalahan pada tegangan keluaran. Modul penelitian ini bekerja pada tegangan Vac 1 fasa. Pada pengujian sistem, nilai set point didesain bekerja pada rentang tegangan 80V sampai 140V. Serta beban AC yang digunakan berupa beban resistif (lampu pijar 5 watt dan 100 watt). Adapun hasil pengujian menggunakan kontroler algoritma fuzzy logic-model TSK/Takagi Sugeno Kang-weight average berjalan dengan baik, ditunjukkan oleh respon keluaran tegangan pada saat beban 5 watt dan diubah menjadi 100 watt dengan set point tetap, menghasilkan tegangan keluaran lebih kecil 0,8 volt (tingkat akurasi kesalahan 0,8 %). Kata kunci : Embedded system, mikrokontroler, penyalaan α, TRIAC ABSTRACT Today the use of the embedded systems are increasingly widespread. This is because embedded devices more flexible and has a specific function. One application of embedded systems in the industry is for the purposes of setting the input power. In general, the components used are analog controls. Whereas in this study, AC electric load control system using a microcontroller as a control, to control the thyristor-triac component. Mikrokotroler device serves as a data processing center (fuzzy logic controller and feedback). In this study, made modules consisting of; series of zero cross detector (ZCD), and TRIAC Optotriac series, voltage sensors, as well as minimum system microcontroller ATMega32. The ZCD circuit is used to determine the zero point of the sine wave, as input microcontroller to provide a trigger pulse (ignition angle α) in Optotriac and TRIAC. Optotriac circuit serves to separate the parts of DC current (microcontroller) with the passage of AC current load. TRIAC serves as a current amplifier on AC load. While functioning as a feedback voltage sensor microcontroller, to correct errors in the output voltage. This research module works on voltage VAC 1 phase. In the test system, the value of the set point is designed to work on a voltage range 80V to 140V. As well as the air conditioning load is used in the form of resistive loads (incandescent lamp 5 watts and 100 watts). The results of testing the algorithm using fuzzy logic controller-tsk models / Takagi-Sugeno Kang average weight goes well, demonstrated by the response of the output voltage when the load was changed to 5 watts and 100 watts with a fixed set point, produce a smaller output voltage is 0.8 volts (0.8% accuracy error). Keywords: Embedded systems, microcontroller, Ignition α, TRIAC 1
1. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Saat ini penggunaan perangkat embedded system sudah semakin luas. Ini disebabkan karena perangkat embedded lebih fleksibel dan mempunyai fungsi yang spesifik. Salah satu aplikasi embedded system di industri adalah pada bidang elektronika daya. Pada umumnya komponen kendali yang digunakan masih analog. Sedangkan pada penelitian ini, sistem pengendalian beban listrik AC menggunakan mikrokontroler sebagai kendalinya untuk mengatur pulsa trigger (sudut penyalaan α) ke komponen thyristor-triac. Perangkat mikrokotroler ini berfungsi sebagai pusat proses data (controller fuzzy logic dan feedback). Waktu pemberian pulsa trigger (sudut penyalaan α) berdasarkan setting set poin dan masukan sinkronisasi rangkaian zero cross detector (ZCD). Untuk mencapai respon keluaran tegangan yang diharapkan, dipasang sensor tegangan sebagai feedback mikrokontroler guna perbaikan pemberian pulsa trigger. Desain suatu sistem embedded, dibutuhkan algoritma tertentu. Fuzzy logic merupakan salah satu metode algoritma yang sering dipakai dalam proses kendali. Kemudahan dalam implementasi dan analisis menyebabkan algoritma fuzzy logic sering dipakai dalam proses kendali. Melihat perangkat embedded ini hanya menggunakan sebuah chip mikrokontroler yang mempunyai spesifikasi jauh dibawah general purpose computer memungkinkan algoritma fuzzy untuk dibenamkan dalam sistem embedded ini. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. menerapkan algoritma fuzzy logic-tsk pada embedded system; 2. menghasilkan respon keluaran tegangan yang tetap (tegangan input/set point = tegangan keluaran) pada saat beban diubah-ubah. 2. LANDASAN TEORI 2.1 Embedded system Embedded system adalah suatu aplikasi yang terdiri dari sedikitnya satu programmable computer (seperti mikrokontroler, mikroprosesor, atau digital signal processor) tetapi tidak seperti generalpurpose computer (PC,notebook,netbook) yang bertindak sebagai komponen utama pada sistem yang berbasiskan teknologi komputer. Gambar 2.1 menunjukkan blok diagram dari embedded system secara keseluruhan. Gambar 2.1 Blok diagram embedded system 2.2 Fuzzy logic Fuzzy logic pertama kali dikenalkan kepada publik oleh Lotfi Zadeh, seorang profesor di University of California di Berkeley. Fuzzy logic digunakan untuk menyatakan hukum operasional dari suatu sistem dengan ungkapan bahasa, bukan dengan persamaan matematis. Banyak sistem yang terlalu kompleks untuk dimodelkan secara akurat, meskipun dengan persamaan matematis yang kompleks. Dalam kasus seperti itu, ungkapan bahasa yang digunakan dalam fuzzy logic dapat membantu mendefinisikan karakteristik operasional sistem dengan lebih baik. Ungkapan bahasa untuk karakteristik sistem biasanya dinyatakan dalam bentuk implikasi logika, misalnya aturan Jika- Maka. Pada teori himpunan klasik yang disebut juga dengan himpunan crisp (himpunan tegas) hanya dikenal dua kemungkinan dalam fungsi keanggotaannya, yaitu kemungkinan termasuk keanggotaan himpunan (logika 1) atau kemungkinan berada di luar keanggotaannya (logika 0). Namun dalam teori himpunan fuzzy tidak hanya memiliki dua kemungkinan dalam menentukan sifat keanggotaannya tetapi memiliki derajat kenaggotaan yang nilainya antara 0 dan 1. 2.3 Thyristor Thyristor merupakan komponen elektronik yang dapat diatur keluaran tegangannya, dengan cara mengatur sudut penyalaan α pada kaki gate. Jenis thyristor dibagi menjadi dua, yaitu TRIAC dan SCR. TRIAC biasa digunakan untuk mengendalikan keluaran tegangan AC dari masukan AC. Sedangkan SCR biasa digunakan untuk mengatur keluaran tegangan DC dari masukan AC. Thyristor merupakan komponen yang terbuat dari piranti semikonduktor dengan empat lapisan bahan tipe N dan tipe P. 2
Gambar 2.2 Model Thyristor menggunakan dua buah Transistor Thyristor memiliki tiga keadaan : 1. Reverse blocking mode (blokir mundur); tegangan diberikan pada arah yang akan diblokir oleh dioda. 2. Forward bloking mode (blokir maju) : tegangan diberikan pada arah dimana dioda bisa menghantar, namun thyristor belum dipicu untuk menghantar. 3. Forward conducting mode (hantar maju) : thyristor telah dipicu untuk menghantar dan akan tetap menghantar sampai arus panjar maju turun dibawah nilai ambang yang disebut holding current. 2.4 Zero Cross Detector Komponen IC OP-Amp difungsikan sebagai komparator. Pada saat sumber berada pada siklus positif, keluaran ZCD berlogika satu [1]. Sebaliknya saat sumber berada pada siklus negatif, keluaran ZCD berlogika nol [0]. 2.5 Sensor Tegangan Umpan balik tegangan pengendalian beban listrik menggunakan konsep pembagi tegangan. Maksimum tegangan yang masuk ke mikrokontroler +5V, dikarenakan tegangan referensi ADC mikrokontroler yang digunakan 5V. Sedangkan pada sensor tegangan AC perlu diperbaharui (ragkaian bridge) menjadi tegangan DC, dikarenakan masukan ADC mikrokotroler tegangan DC. OUT THYRISTOR 0-200 Vdc R1 39K R2 1K out sensor tegangan Gambar 2.4 Rangkaian Pembagi Tegangan 2.6 Pengendalian Listrik Rangkaian pengendali beban listrik menggunakan komponen TRIAC. Komponen TRIAC berfungsi untuk mengatur keluaran tegangan AC dan tempat mengalirnya arus yang melewati beban. Sedangkan optotriac berfungsi sebagai penyalaan TRIAC, sehingga keluaran tegangan yang melewati beban dapat dikendalikan dan terpisah arus dengan rangkaian kontrolnya. Gambar 2.5 Rangkaian Pengendali Listrik AC Gambar 2.3 Rangkaian Zero Cross Detector (a) Gambar 2.4 (a) Sinyal Masukan ZCD-PLN Vac, (b) Sinyal Keluaran ZCD (b) 3
(c) Gambar 2.6 (a) Sumber Tegangan PLN (b) Keluaran Tegangan TRIAC (c) PenyalaanTRIAC 2.7 Mikrokontroler AVR Mikrokontroler AVR merupakan mikrokontroler berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. Berbeda dengan mikrokontroler keluarga 8051 yang mempunyai arsitektur CISC (Complex Instruction Set Computing), AVR menjalankan sebuah instruksi tunggal dalam satu siklus dan memiliki struktur I/O yang cukup lengkap sehingga penggunaan komponen eksternal dapat dikurangi. AVR ATMega 328 memiliki bagian sebagai berikut: 1. saluran I/O sebanyak 23 buah, port B, port C, dan port D, 2. CPU yang memiliki 32 buah register, 3. SRAM sebesar 2 Kbyte, 4. flash memory sebesar 32 Kb, 5. EEPROM sebesar 1 Kbyte, 6. tiga buah timer/counter dengan kemampuan pembanding, 7. two wire serial interface, 8. port antarmuka SPI, 9. unit interupsi internal dan eksternal, 10. port USART untuk komunikasi serial, 11. Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 6 kanal untuk kemasan DIP dan 8 kanal untuk kemasan TQFP (SMD). 3. DESAIN DAN REALISASI SISTEM 3.1 Perancangan hardware Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Gambar 2.7 Konfigurasi Pin Pada ATMEGA 32 Mikrokontroler AVR didesain menggunakan arsitektur Harvard, di mana ruang dan jalur bus bagi memori program dipisahkan dengan memori data. Memori program diakses dengan single-level pipelining, di mana ketika sebuah instruksi dijalankan, instruksi lain berikutnya akan diprefetch dari memori program. Blok zero cross detector berfungsi merubah sinyal sinus dari PLN menjadi pulsa persegi sebagai inputan blok sistem minimum (sismin) mikrokontroler. Pulsa persegi yang masuk ke sismin mikrokontroler berfungsi sebagai indikator titik nol/awal untuk sismin mikrokontroler. Blok mikrokontroler berfungsi untuk menerima pulsa persegi dari ZCD, dan umpan balik tegangan untuk selanjutnya diolah menggunakan metode fuzzy logic. Hasil pengolahan fuzzy logic akan dikeluarkan menjadi pulsa trigger ke blok thyristor melalui pengaman optocoupler. Blok optocoupler berfungsi untuk memisahkan rangkaian arus DC mikrokontroler dan rangkaian AC blok thyristor. Blok Thyristor berfungsi sebagai penguat arus dan mengatur tegangan keluaran AC yang melewati beban. Gambar 2.8 Blok Diagram ATMEGA 32 Blok sensor tegangan berfungsi sebagai umpan balik sismin mikrokontroler. Blok sensor tegangan (dikonversi menjadi tegangan DC) selanjutnya akan 4
mengirimkan sinyal tegangan ke sismin mikrokontroler, untuk selanjutnya dikonversi menjadi data numerik oleh sismin mikrokontroler. Selanjutnya data numerik tersebut akan dikonversi menjadi pulsa trigger. Waktu pemberian pulsa trigger ini didapat berdasarkan proses kontroler Fuzzy Logic didalam sismin mikrokontroler. Blok sudut penyalaan atau set point, sudut penyalaan berfungsi untuk mengatur tegangan keluaran rangkaian pengendalian beban dan penyearah terkendali pada saat open loop. Sedangkan set point berfungsi untuk mengatur tegangan keluaran agar stabil atau mendekati tegangan set point, saat beban diubah-ubah pada saat loop tertutup. 3.2 Perancangan Fuzzy Logic Pada penelitian ini metode logika fuzzy yang diterapkan menggunakan model TSK. Pada fungsi keanggotaan (membership function) input menggunakan gabungan model segitiga dan trapezium, sedangkan pada fungsi keanggotaan (membership function) output menggunakan model singleton (TSK). listrik 1 fasa pada saat sudut penyalaan α=0 derajat untuk beban resistif (lampu pijar). Gambar 4.1 Pengendalian Listrik pada sudut penyalaan α=0 derajat listrik 1 fasa pada saat sudut penyalaan α=45 derajat untuk beban resistif (lampu pijar). Gambar 4.2 Pengendalian Listrik pada sudut penyalaan α=45 derajat listrik 1 fasa pada saat sudut penyalaan α=90 derajat untuk beban resistif (lampu pijar). Gambar 3.2 Membership function tegangan input (feedback) Gambar 4.3 Pengendalian Listrik pada sudut penyalaan α=90 derajat listrik 1 fasa pada saat sudut penyalaan α=135 derajat untuk beban resistif (lampu pijar). Gambar 3.3 Membership Function Keluaran Sudut Penyalaan α-tsk 4. ANALISIS SISTEM 4.1 Pengukuran dan Pengujian Loop Terbuka Tujuan pengujian adalah untuk mengetahui seberapa besar perubahan tegangan keluaran pada TRIAC terhadap sudut penyalaan/pulsa trigger (α) yang dikirimkan ke gate TRIAC melalui optocoupler pada saat sudut fasa (α) diubah-ubah. Gambar 4.4 Pengendalian Listrik pada sudut penyalaanα=135 derajat listrik 1 fasa pada saat sudut penyalaan α=180 derajat untuk beban resistif (lampu pijar). 5
Vac α Vout (volt) ( ) (volt) 90 98 100 Watt Gambar 4.5 Pengendalian Listrik pada sudut penyalaan α=180 derajat Tabel 4.1 Data Pengukuran Multimeter pada Pengendalian Listrik untuk Tetap (Loop Terbuka) Vac Α Vout (volt) ( ) (volt) 0 221 45 164,9 90 109,3 135 54,8 180 0.8 Pengujian Pengendalian Listrik 1 Fasa dilakukan untuk mengetahui range keluaran tegangan (Vout) pada TRIAC terhadap pengaturan sudut penyalaan α. 4.2 Pengukuran dan Pengujian Respon Loop Terbuka Tujuan pengujian adalah untuk mengetahui seberapa besar respon perubahan tegangan keluaran pada TRIAC terhadap sudut penyalaan/pulsa trigger (α=90 derajat) pada beban resistif (lampu pijar) 5 Watt (tegangan keluaran 109,3 Volt). Selanjutnya beban diubah menjadi 100 Watt dengan posisi α tetap, maka pergeseran sudut α akan menjadi lebih dari 90 derajat (tegangan keluaran 98 Volt). Selanjutnya sudut penyalaan/pulsa trigger diatur sampai mencapai pergeseran sudut α=90 derajat (tegangan keluaran 110 Volt). Tabel 4.2 Data Pengukuran Respon Tegangan Keluaran Multimeter pada Pengendalian Listrik untuk Diubah-ubah (Loop Terbuka) Vac Α Vout (volt) ( ) (volt) 90 109,3 (a). α=90 derajat, beban, Vout=109,3 (b). α=90 derajat (tetap), beban 100 Watt (diubah), Vout=98 Vac Α Vout (volt) ( ) (volt) Diatur manual sampai Vout mencapai 109,3 109,3 100 Watt (c). α=95 derajat (diatur), beban 100 Watt, Vout=109,3 4.3 Pengukuran dan Pengujian Respon Loop Tertutup Fuzzy Logic model TSK Tujuan pengujian adalah untuk mengetahui kestabilan tegangan keluaran pada TRIAC terhadap set point. Pada pengujian ini, nilai pengaturan set point dibatasi dari mulai tegangan 80 Volt sampai dengan 140 Volt dan perubahan beban resistif (lampu pijar), 1, 2, 40 Watt, 60 Watt, 100 Watt. Berikut data hasil pengujian pada beban dan diubah menjadi 100 Watt serta set point 109,3 Volt. Tabel 4.3 Data Pengukuran Respon Tegangan Keluaran Multimeter pada Pengendalian Listrik untuk Diubah-ubah (Loop Tertutup-TSK) Vac Set Point/SP Vout α (volt) (volt) (volt) ( ) 109,3 109,3 90 (a). SP=109,3 Volt, beban, Vout=109,3, α=90 derajat Vac Set Point/SP Vout α (volt) (volt) (volt) ( ) 109,3 108,5 91 100 Watt (b). (a). SP=109,3 Volt (tetap), beban 100 Watt (diubah), Vout=108,5, α=91 derajat 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Respon keluaran tegangan untuk loop terbuka pada saat beban tetap dan diubah-ubah menghasilkan tingkat akurasi kesalahan 0 %; 6
Respon keluaran tegangan untuk loop tertutup model TSK pada saat beban tetap dan diubahubah menghasilkan tegangan keluaran lebih kecil 0,8 volt (tingkat akurasi kesalahan 0,8 %); 5.2 Saran Untuk penelitian selanjutnya, peneliti menyarankan beberapa hal sebagai berikut: Sistem dapat ditambahkan tampilan LCD dan masukan pengaturan interval membership function model TSK, dan Mamdani dilakukan secara manual, untuk selanjutnya ditampilkan di LCD; Sistem dapat ditambahkan perangkat lunak antarmuka dengan komputer, sehingga pengaturan interval membership function model TSK dapat dilakukan melalui komputer. DAFTAR PUSTAKA [1] Boylestad Robert, Louis Nashelsky,1992, Electronic Devices and Circuits Theory, 5ed,. Prentice Hall,Inc., Upper Saddle River, NJ. [2] Haryanto, Sunomo. 2005, Modifikasi Sistem Pemicu pada Kendali Daya Tiga Fasa Buatan VEDC Malang, (penelitian dosen muda 2004-2005), Ditjen DIKTI, Jakarta. [3] Herlambang Sigit, 2007, Perbaikan Kinerja Sistem Optis IC 555-MOC 3021 sebagai pengendali Daya Listrik, (penelitian dosen muda 2006-2007), Ditjen DIKTI, Jakarta. [4] Heryanto, M. Ary dan Ir. Wisnu Adi P. 2008. Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler ATMEGA8535. Yogyakarta: ANDI [5] Jang,1997, Neuro Fuzzy and Soft Computing, Prentice Hall International, Inc. [6] Ogata, K., 1997, Modern Control Engineering third edition, Prentice Hall, New Jersey. [7] Pandu, 2008, Perencanaan Modul Pemicuan Thyristor untuk berbagai Aplikasi Penyearah Terkontrol dengan menggunakan mikrokontroler ATMega 8535, UNDIP, Semarang. 7