perancangan sistem suspensi aktif nonlinear tipe paralel dengan

PERANCANGAN SISTEM SUSPENSI AKTIF NONLINEAR
TIPE PARALEL DENGAN KENDALI HYBRID FUZZY PID
PADA MODEL KENDARAAN SEPEREMPAT
Dikki Tesna Santosa1, Sumardi2, Aris Triwiyatno2
Laboratorium Teknik Kontrol Otomatik, Jurusan Teknik Elektro,
Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro,
Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indonesia
Abstract − The suspension system plays very
important criteria for safety and comfort in driving.
In other words, a good suspension system should be
able to improve the comfort and safety for
passengers in the drive. The suspension system must
be able to minimize the vertical acceleration of the
vehicle body and suspension deflection with respect
to the uncertain road surfaces in order to improve
passenger comfort and safety. Active suspension
system is divided into two types namely series and
parallel.
In this study hybrid fuzzy PID control is
an optimization mechanism that is used to analyze
the nonlinear active suspension system of the
parallel type. Fuzzy control output will be summed
with the PID control output value of Kp, Ki and Kd is
determined by the method of trial and error. Then
does the search input actuator (Gu) with the aim of
minimizing the average deflection of the suspension
and the maximum vertical acceleration of the
suspension. The result of the design was tested with
several models of interference signals are
represented by the model step, bumps, sinusoidal
and random.
Based on simulations using Matlab show
that the active suspension system is designed to have
safety, comfort and durability is relatively better
than the passive suspension at a frequency of 0 Hz
to 20 Hz. On a unit step input to the vehicle body
deflection reduction of 15.71 cm to 12.57 cm and
steady time faster than 2.71 seconds to 0.51 seconds.
On the mound disturbance gives a decrease of 13.15
cm to 12.07 cm and steady time faster than 3.51
seconds to 1.05 seconds. When random
disturbances, the maximum acceleration can be
reduced from 79.7479 m/s2 to 63.6814 m/s2.
Keywords − Active Suspension, Fuzzy PID,
Nonlinear, Paralel Type.
I. PENDAHULUAN
Sistem suspensi otomotif merupakan salah
satu komponen penting pada suatu kendaraan.
Dua faktor penting yakni kenyamanan dan
interaksi jalan merupakan hal yang bertentangan
satu sama lain yang harus dikompromikan.
Sistem suspensi dapat dikategorikan ke dalam
1
2
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
Dosen Teknik ElektroUNDIP
sistem suspensi pasif, semi aktif, dan aktif
menurut masukan daya eksternal ke sistem. Saat
ini suspensi aktif ditandai dengan aktuator
hidrolik yang ditempatkan secara seri (low
bandwith) atau paralel (high bandwith) dengan
peredam dan pegas[1].
Penambahan sistem aktif memiliki potensi
meningkatkan kenyamanan dan keamanan
berkendara. Sebuah sistem suspensi kendaraan
yang baik harus mengurangi munculnya
perpindahan massa bersama-sama dengan
percepatan dan memberikan defleksi yang sesuai
untuk mempertahankan roda pada kontak jalan.
Hal ini membantu untuk meningkatkan
kenyamanan
berkendara
dan
manuver
kendaraan[2].
A. Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah merancang
model sistem suspensi aktif nonlinear yang
optimal untuk tipe paralel (high bandwith)
dengan kendali hybrid fuzzy PID yang diberi
penguatan (Gu) untuk mencari nilai masukan
model aktuator sehingga meminimalkan ratarata defleksi suspensi dan percepatan maksimum
vertikal badan kendaraan.
B. Pembatasan Masalah
Dalam penelitian ini penulis membatasi
permasalahan sebagai berikut :
1. Model
suspensi
dengan
komponen
penyusunnya nonlinear.
2. Model suspensi memiliki 2 derajat
kebebasan.
3. Parameter model suspensi sudah pernah
dilaksanakan penelitian[9].
4. Gangguan ditentukan terlebih dahulu.
5. Nilai parameter yang dioptimalkan adalah
masukan aktuator (Gu) dan waktu konstan
aktuator (T).
6. Aplikasi suspensi untuk mengoptimalkan
performansi kendaraan.
1
II. DASAR TEORI
Dasar teori untuk sistem kendali hybrid
untuk sistem suspensi aktif mencakup :
A. Sistem Suspensi
Sistem suspensi otomotif merupakan salah
satu komponen penting pada suatu kendaraan.
Tujuan penggunaan suspensi adalah untuk
mengisolasi badan kendaraan dari gangguan
eksternal yang berasal dari permukaan jalan
yang tidak teratur dan gangguan internal dari
menikung, akselerasi atau perlambatan. Menurut
masukan daya eksternal, sistem suspensi
dikategorikan menjadi pasif, semi-aktif, dan
aktif[14].
dependent sedangkan persamaan (2) merupakan
PID ideal independent :
(1)
Sementara untuk persamaan PID ideal
independent :
(2)
C. Kendali Logika Fuzzy
Struktur dasar pengendali logika fuzzy
terdiri dari 4 komponen utama yaitu[4] :
1. Unit fuzzifikasi
2. Basis pengetahuan
3. Mekanisme pertimbangan fuzzy
4. Unit defuzzifikasi
Gambar
3
memperlihatkan
komponenkomponen utama pengendali logika fuzzy
berupa struktur dasar.
Gambar 1 Sistem suspensi[11].
Gambar 3 Struktur dasar logika fuzzy.
B. Kendali PID
Kendali PID merupakan gabungan dari tiga
macam pengendali, yaitu kontroler proporsional
(Proportional Controller), kontroler integral
(Integral Controller), dan kontroler turunan
(Derivative
Controller).
Tujuan
dari
penggabungan ketiga macam pengendali
tersebut adalah untuk memperbaiki kinerja
sistem di mana masing-masing kontroler akan
saling melengkapi dan menutupi dengan
kelemahan dan kelebihan masing-masing.
Gambar 2 menunjukkan diagram blok kontroler
PID ideal.
D. Kendali Fuzzy PID
Kendali fuzzy PID pada literatur dapat
diklasifikasikan ke dalam 3 kategori besar, yakni
tipe direct action, tipe fuzzy gain scheduling, dan
tipe hybrid fuzzy PID (Yesil et al. 2003, Akbiyik
et al. 2005). Gambar 4 menunjukkan, struktur
umum diagram kendali tipe hybrid.
Gambar 4 Diagram blok kendali hybrid fuzzy PID.
Kendali hybrid merupakan gabungan dari
kedua jenis kendali penyusunnya. Persamaan
keluaran dari kendali hybrid sebagai berikut[17]:
UHIBRID = f(e).UPID + (1-f(e)).UFUZZY
atau
UHIBRID = (1-f(e)).UPID + f(e).UFUZZY
(3)
(4)
Gambar 2 Sistem suspensi.
Keluaran
kontroler
PID
merupakan
jumlahan dari keluaran kontroler proporsional,
keluaran kontroler integral, dan keluaran
kontroler
derivatif.
Persamaan
(1)
memperlihatkan bentuk umum PID ideal
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
III. PERANCANGAN
Perancangan menggunakan program bantu
Matlab 10 buatan The MathWorks.
A. Suspensi Aktif
Pada penelitian ini, plant suspensi aktif yang
digunakan adalah suspensi aktif tipe paralel.
2
Dikarenakan suspensi aktif merupakan suspensi
pasif yang diberi aktuator maka untuk
perancangan suspensi aktif tidak jauh beda.
Gambar 5 Suspensi aktif tipe paralel.
Dengan keterangan sebagai berikut :
Mb : massa badan kendaraan (body)
Mw : massa roda (wheel)
C
: koefisien redaman peredam
K
: koefisien kekakuan pegas badan
Kt
: koefisien kekakuan roda
U
: gaya keluaran aktuator
R
: permukaan jalan
Z
: posisi massa roda
Zw : posisi massa badan kendaraan
Zd : posisi aktuator
Dengan
menggunakan
karakteristik
komponen suspensi pasif, didapatkan persamaan
differensialnya sebagai berikut :
!" # $% !" &
(5)
' ( !" # $% !" &
(6)
B. Perancangan Aktuator
Pada bagian aktuator digunakan model orde
satu yang persamaan differensial dinamika
aktuator (waktu konstan T) sebagai berikut.
& + & = &)
(7)
(8)
& = – Keterangan persamaan (7) dan (8) sebagai
berikut :
& : keluaran aktuator
&) : masukan aktuator
: waktu konstan aktuator
1) Kendali PID
Penalaan konstata kendali PID ini dibagi
menjadi dua yaitu perancangan konstanta
PID tunggal atau berdiri sendiri dan
perancangan konstanta PID sistem secara
hybrid. Dari beberapa penalaan yang telah
dilakukan maka didapatkan parameter
konstanta PID paling optimal, yaitu Kp = 1,
Ki = 1 dan Kd = 8.
2) Kendali Fuzzy
Fungsi keanggotaan yang digunakan
pada perancangan ini adalah segitiga
sebanyak masing-masing 5 buah untuk
Error, dError dan Control Action.
(a) Error
(b) dError
(c) Control action
Gambar 6 Fungsi keanggotaan Error, dError, dan
Control action.
Aturan dasar (rule base) yang dipakai
pada penelitian ini adalah aturan yang
berjumlah 25 buah yang merupakan
kombinasi dari fungsi keanggotaan Error,
dError, dan Control action yang masingmasing berjumlah lima buah.
Tabel 1 Tabel aturan dasar.
C. Perancangan Kendali Hybrid Fuzzy PID
Seperti yang telah dijelaskan dimana kendali
hybrid fuzzy PID merupakan gabungan antara
kendali Fuzzy dan PID yang berdiri sendiri.
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
3
3) Kendali Hybrid Fuzzy PID
Mekanisme perancangan kendali hybrid
fuzzy PID sebagai berikut.
Gambar 7 Struktur kendali hybrid fuzzy PID.
D. Perancangan Sistem Keseluruhan
Sistem kontrol yang dipakai adalah sistem
kendali hybrid fuzzy PID dengan konfigurasi
paralel yang secara umum disajikan dalam
bentuk diagram blok seperti yang tampak pada
Gambar 8.
besarnya IAE (Integral Area Error) pada
suspensi pasif sebesar 0,0421 sedangkan
suspensi aktif sebesar 0,0118.
B. Tanggapan Sistem dengan Gangguan
Gundukan (Polisi Tidur)
Pada simulasi ini, sistem akan diberi
gangguan berupa gundukan yang dibuat dari
sinyal sinusoida yang diambil setengah perioda,
sebagai berikut :
,-. /01234 5 6 6 5 ,-7<
(9)
* +
,4 89"!:9;""89
Dengan adalah perioda getaran yang besarnya
1 detik dan 5 = 0 detik adalah waktu ketika
gundukan mulai dirasakan oleh roda kendaraan.
Gambar 8 Diagram blok sistem suspensi aktif.
IV. SIMULASI DAN ANALISIS
Pengujian dilakukan dengan memberikan
masukan atau gangguan sebagai berikut.
Gambar 10 Trayektori badan kendaraan terhadap gangguan
gundukan.
A. Tanggapan Sistem dengan Masukan
Tangga Satuan (Step)
Pada simulasi, dilakukan dilakukan simulasi
saat sistem suspensi baik pasif maupun aktif
yang telah dirancang diberi gangguan berupa
sinyal tangga satuan.
Gambar 11 Trayektori percepatan vertikal badan kendaraan
terhadap gangguan gundukan.
Gambar 9 Trayektori badan kendaraan terhadap masukan
tangga satuan.
Gambar 9 menunjukkan bahwa badan
kendaraan akan stabil setelah 2,71 detik untuk
suspensi pasif, sedangkan untuk suspensi aktif
waktu mantapnya mengalami penurunan yakni
0,51 detik. Sama halnya dengan harga pucak
yang mengalami penurunan yaitu suspensi pasif
memiliki harga puncak 15,71 cm sedangkan
pada suspensi aktif memiliki harga puncak 12,57
cm. Dilihat dari tanggapan steady state,
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
Gambar 10 menunjukkan bahwa badan
kendaraan akan stabil setelah 3,51 detik untuk
suspensi pasif, sedangkan untuk suspensi aktif
waktu mantapnya mengalami penurunan yakni
1,05 detik. Sama halnya dengan harga pucak
yang mengalami penurunan yaitu suspensi pasif
memiliki harga puncak 13,15 cm sedangkan
pada suspensi aktif memiliki harga puncak 12,07
cm. Dilihat dari tanggapan steady state,
besarnya IAE (Integral Area Error) pada
suspensi pasif sebesar 0,0751 sedangkan
suspensi aktif sebesar 0,0229. Gambar 11
menunjukkan bahwa percepatan maksimum
badan untuk suspensi pasif lebih besar dari
suspensi aktif, untuk suspensi pasif memiliki
percepatan maksimum sebesar 7,8890 m/s2
sedangkan untuk suspensi aktif sebesar 6,5848
m/s2.
4
C. Tanggapan Sistem dengan Gangguan
Random
Pada sub bab ini, sistem akan diberi
gangguan berupa sinyal random dengan
amplitudo 10 cm baik untuk sistem suspensi
pasif maupun suspensi aktif dengan kendali
hybrid fuzzy PID
Gambar 14 Rata-rata defleksi roda terhadap gangguan
sinusoida.
.
Gambar 12 Trayektori badan kendaraan terhadap gangguan
random.
Dari hasil simulasi dapat disimpulkan
bahwa untuk frekuensi yang diambil untuk
uji coba, secara keseluruhan sistem suspensi
aktif dengan kendali hybrid fuzzy PID
memiliki defleksi yang lebih kecil dibanding
dengan suspensi pasif. Dengan demikian
sistem suspensi aktif yang dirancang
memberikan faktor keamanan yang relatif
lebih baik dibanding sistem suspensi pasif.
2) Faktor Kenyamanan
Ditinjau dari segi kenyamanan, sebuah
sistem suspensi akan dinyatakan relatif
nyaman jika percepatan vertikal badan
kendaraan semakin kecil.
Gambar 13 Trayektori percepatan vertikal badan kendaraan
terhadap gangguan random.
Dari hasil simulasi dengan sinyal random
dengan amplitudo maksimum 10 cm dapat
diketahui bahwa untuk sistem suspensi pasif
mempunyai rata-rata defleksi sebesar 5,39 cm
dan maksimum percepatan vertikal adalah
79,7479 m/s2. Untuk sistem suspensi aktif yang
dirancang mempunyai rata-rata defleksi sebesar
3,14 cm dan maksimum percepatan vertikal
adalah 63,6814 m/s2.
D. Faktor Keamanan, Kenyamanan, dan
Ketahanan
Faktor- faktor yang dijadikan acuan baik
tidaknya suatu sistem suspensi yang dirancang
mencakup :
1) Faktor Keamanan
Ditinjau dari segi keamanan, sebuah
sistem suspensi akan dinyatakan relatif
aman jika roda dan permukaan jalan melekat
dengan baik atau diusahakan defleksi pada
roda seminimal mungkin.
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
Gambar 15 Rata-rata defleksi badan kendarraan
terhadap gangguan sinusoida.
Gambar 16 Rata-rata percepatan vertikal badan
kendaraan terhadap gangguan sinusoida.
Untuk frekuensi rendah (dibawah 2,5 Hz
atau 15,7 rad/s) suspensi aktif memiliki ratarata percepatan lebih kecil dibanding
suspensi pasif. Untuk frekuensi tinggi
terlihat beberapa variasi, yakni pada
frekuensi 2,5 – 7 Hz sistem suspensi pasif
memiliki rata-rata percepatan lebih kecil
selanjutnya pada frekuensi 7 – 15 Hz
5
suspensi aktif memiliki rata-rata percepatan
lebih kecil, sedangkan saat frekuensi 15 – 20
Hz suspensi pasif kembali memiliki rata-rata
lebih kecil
3. Faktor Ketahanan
Ditinjau dari segi ketahanan, sebuah
sistem suspensi akan dinyatakan relatif
tahan dalam hal ketahanan komponen
penyusunnya jika daerah kerja suspensi
(SWS) dapat seminimal mungkin.
Gambar 19 Trayektori defleksi roda kendaraan ketiga
metode.
Gambar 17 Rata-rata defleksi SWS terhadap gangguan
sinusoida.
Dari hasil simulasi dapat dikeahui
bahwa rata-rata defleksi SWS pada sistem
suspensi aktif dengan pengontrol hybrid
fuzzy PID memiliki rata-rata lebih stabil dan
cenderung mengalami penurunan dibanding
sistem suspensi pasif yang memiliki ratarata lebih bervariasi. Dengan demikian
sistem suspensi aktif yang dirancang
memberikan faktor ketahanan yang relatif
lebih baik dibanding sistem suspensi pasif.
E. Perbandingan Metode Kendali Fuzzy, PID
dan Hybrid Fuzzy PID
Pada bagian ini dilakukan perbandingan saat
metode kendali yang digunakan berdiri sendiri
dengan parameter lainnya tetap. Untuk
melakukan perbandingan metode kendali ini
digunakan sinyal tangga satuan dengan
amplitudo 10 cm.
Gambar 20 Trayektori defleksi SWS ketiga metode.
Gambar 21 Percepatan vertikal badan kendaraan ketiga
metode.
Tabel 2 Perbandingan ketiga metode kendali.
Hasil simulasi menunjukkan masing-masing
metode kendali memiliki keunggulan yang
cukup signifikan terhadap metode lainnya. Hal
tersebut menunjukkan kesulitan penentuan
metode yang optimal untuk diterapkan ke dalam
sistem suspensi aktif. Akan tetapi jika lebih
dicermati metode kendali hybrid fuzzy PID
secara keseluruhan terlihat lebih baik daripada
kedua metode kendali lainnya.
Gambar 18 Trayektori defleksi badan kendaraan ketiga
metode.
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
6
V. PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan simulasi dan analisis yang telah
dilakukan, maka dapat disimpulkan beberapa hal
sebagai berikut:
1) Pada masukan berupa tangga satuan (step),
sistem suspensi aktif yang dirancang dapat
menekan harga puncak menjadi 12,57 cm
dari 15,71 cm dan waktu mantap lebih cepat
dari 2,71 detik menjadi 0,51 detik.
2) Saat gangguan berupa gundukan, sistem
suspensi aktif yang dirancang dapat
menekan harga puncak menjadi 12,07 cm
dari 13,15 cm dan waktu mantap lebih cepat
dari 3,51 detik menjadi 1,05 detik.
3) Sistem suspensi aktif yang dirancang
memiliki rata-rata defleksi badan, roda, dan
SWS kendaraan lebih kecil dibanding sistem
suspensi pasif serta memiliki percepatan
maksimum lebih kecil dari 79,7479 m/s2
menjadi 63,6814 m/s2 untuk gangguan
berupa sinyal random.
4) Sistem suspensi yang dirancang memiliki
keamanan, kenyamanan, dan ketahanan
yang relatif lebih baik dibanding sistem
suspensi pasif untuk gangguan berupa
sinusoida pada frekuensi 0 Hz sampai 20 Hz
dengan amplitudo 10 cm.
5) Metode kendali hybrid fuzzy PID dengan
pembobotan (weighted) 0,6 : 0,4 memiliki
performansi yang realtif lebih baik secara
keseluruhan dibanding kendali Fuzzy dan
PID dengan menganalisis defleksi badan
kendaraan,
roda
kendaraan,
SWS
(Suspension Working System), IEA, dan
percepatan vertikal badan kendaraan.
B. Saran
Untuk pengembangan sistem lebih lanjut,
maka dapat diberikan saran-saran sebagai
berikut:
1) Menggunakan metode optimasi seperti
algoritma genetik untuk menentukan
besarnya pembobotan.
2) Merancang sistem kendali yang dapat
menurunkan percepatan badan kendaraan
sekaligus dapat menjamin defleksi suspensi
yang lebih kecil dibandingkan suspensi
pasif.
3) Merancang sistem kendali yang mampu
memiliki mekanisme mematikan sistem
kendali saat tanggapan sistem suspensi pasif
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
Dosen Teknik ElektroUNDIP
2
lebih baik dibandingkan sistem suspensi
aktif.
4) Mampu diaplikasikan ke dalam perangkat
keras.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Appleyard, M and Wellstead, P.E., Active
Suspension: Some Background, IEEE Proc.
Control Theory Application, 142(2): 123128, 1995.
[2] Cetin, Saban dan Ozgur Demir, Fuzzy PID
Controller with Coupled Rules for a
Nonlinear Quater Car Model, World
Academy of Science, 2008.
[3] Chang, Jui-Chun, Analysis of Series
Type and Parallel Type Active
Suspension Systems, Department of
Electronics Engineering, Ta Hwa
Institute of Technology, Taiwan, 2007.
[4] Foda , Salah G., Fuzzy Control of a QuaterCar
Suspension
System,
Electrical
Engineering Department, King Saud
University, 2000.
[5] Gillespie, Thomas D., Fundamentals of
Vehicle Dynamics, Society of Automotive
Engineers, Inc, 1994.
[6] Isin E., Ibrahim E., Engin Y., Mujde G.,
An Intelligent Hybrid Fuzzy PID
Controller,
Control
Engineering
Department, Istanbul, 2006.
[7] Jang, Sun, and Mizutani, Fuzzy Logic
Control, 2004.
[8] Koshkouei , Ali J. dan Keith J.
Burnham, Sliding Mode Controllers
For Active Suspensions, Control Theory
and Applications Centre, Conventry
University, 2008.
[9] Li , X., K. Tian, H. Li, D. Chen, L. Li, T.
Meng, and C. Zhang, Active Suspensions
Based on the Principles of Giant
Magnetostriction, IEEE Vehicle Power and
Propulsion Conference, 2008.
[10] Martins, I., M. Esteves, F. Pina da Silva,
and P. Verdelho, Electromagnetic Hybrid
Active-Passive Vehicle Suspension System,
IEEE
49th
Vehicular
Technology
Conference, Vol. 3, 1999.
[11] Ogata,
Katsuhiko,
Teknik
Kontrol
Automatik (Sistem Pengaturan), Erlangga,
Jakarta, 1994.
7
[12] Rao, MVC dan V Prahlad, A Tuneable
Fuzzy Logic Controller For Vehicle-Active
Suspension Systems, Department of
Electrical Engineering Indian Institute of
Technology, India, 1995.
[13] Sam, Yahaya Md., Robust Control Of
Active Suspension System For A Quater
Car Model, Department of Control and
Instrumentation Engineering University
Teknologi Malaysia, 2006.
[14] Setiawan, Iwan, Kontrol PID Untuk Proses
Industri, Elex Media Komputindo, Jakarta,
2008.
[15] Sumardi, Perancangan Sistem Suspensi
Semi-Aktif Dengan Peredam Nonlinier
Menggunakan Pengontrol Fuzzy, Institut
Teknologi Bandung, 1998.
[16] Szazzi, I., P. Gaspar, dan J. Bokor,
Nonlinear Active Suspension Modelling
Using Linear Parameter Varying
Approach, Department of Control and
Transport
Automation,
Budapest
University
of
Technology
and
Economics, 2002.
BIOGRAFI
Dikki Tesna S, lahir di Semarang, 5
April 1990, menempuh pendidikan
di SDN Purbalingga Lor 02, SMPN
3
Purbalingga,
SMAN
1
Purbalingga. Dan sekarang sedang
menempuh S1 di Teknik Elektro Universitas
Diponegoro Konsentrasi Kontrol.
Pembimbing I
Sumardi, ST.MT
NIP 196811111994121001
Pembimbing II
Dr. Aris Triwiyatno, ST.MT
NIP 197509081999031002
[17] Xue, X. D., K. W. E. Cheng, and Z. Zhang,
Study
of
Art
Automotive
Active
Suspensions, Department of Electrical
Engineering, Hongkong, 2011.
[18] Yagiz , Nurkan, L Emir Sakman, dan
Rahmi
Guclu,
Different
Control
Applications On A Vehicle Using Fuzzy
Logic Control, Department of Mechanical
Engineering Istanbul University, 2007.
[19] Zadeh, L. A., Fuzzy Sets, Department of
Electical Engineering and Electronics
Research Laboratory, University of
California, Berkeley, 1965.
1
Mahasiswa Teknik ElektroUNDIP
Dosen Teknik ElektroUNDIP
2
8