Perancangan dan Implementasi Fuzzy Lookup Table untuk … · sistem mulai dari cara kerja mesin spark ignition hingga identifikasi mesin spark ignition. 2.1 Cara Kerja Mesin Spark

Proceding Tugas Akhir – Juli 2011

Rifqi Firmansyah - 2207100099 Halaman 1dari 6 halaman

Perancangan dan Implementasi Fuzzy Lookup Table

untuk Pengaturan Injeksi Bahan Bakar saat Kecepatan Stasioner

pada Mesin Spark Ignition

Rifqi Firmansyah, 2207 100 099 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS Surabaya 60111

[email protected]

Abstract – Sistem pengaturan kecepatan mesin spark

ignition pada kondisi stasioner sulit diatur dan

cenderung boros. Hal tersebut, dapat berpengaruh

pada putaran mesin yang naik turun terlalu besar.

Dalam konsep automotive, kondisi tersebut dapat

diminimalkan dengan cara mengatur mapping injeksi

bahan bakar, mapping sudut pengapian, dan udara

yang masuk kedalam ruang bakar melalui bukaan

motor stepper. Dalam Tugas Akhir ini, telah

dirancang sebuah mapping injeksi bahan bakar

menggunakan fuzzy lookup table untuk mengatur

jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk proses

pembakaran. Proses mendapatkan jumlah bahan

bakar adalah dengan mengatahui kondisi dari

kecepatan aktual dari putaran mesin dan juga

besarnya tekanan udara yang masuk kedalam ruang

bakar. Kedua kondisi tersebut kemudian diolah

sedemikian rupa oleh logika fuzzy. Logika fuzzy yang

digunakan menggunakan 5 variabel linguistik.

Mapping injeksi bahan bakar pada Tugas Akhir ini

diimplementasikan terhadap mesin mitsubishi jenis

4G63 pada kondisi stasioner. Hasil pengujian

menunjukkan untuk penerapan mapping injeksi bahan

bakar pada kecepatan 1500 rpm, terdapat mean

absolute error sebesar 46.322 rpm. Sedangkan tanpa

penggunaan mapping injeksi bahan bakar, terdapat

mean absolute error sebesar 91.836 rpm.

Kata Kunci: Mesin Spark Ignition, Fuzzy Lookup

Table, Mapping Injeksi, Stasioner

1. PENDAHULUAN

Pengembangan teknologi pada performa mesin

spark ignition secara umum mengarah pada beberapa

tujuan diantaranya menghemat bahan bakar,

meningkatkan kinerja mesin, dan mengurangi emisi

gas buang. Agar dapat mencapai tujuan tersebut, maka

tiga variabel mesin berupa sudut pengapian,bukaan

motor stepper dan waktu injeksi bahan bakar harus

diatur.

Kinerja mesin yang berupa kecepatan putaran

mesin pada kondisi stasioner, sangat sulit diatur dan

cenderung putaranya naik turun terlalu besar. Hal

tersebut dikarekan pada kondisi stasioner dibutuhkan

komposisi campuran bahan bakar dan udara yang

sesuai. Banyaknya udara yang masuk ke dalam ruang

bakar diatur oleh bukaan motor stepper. Sedangkan

banyaknya bahan bakar ditentukan oleh lebar pulsa

injeksi. Selain itu, pengaturan sudut pengapian juga

harus diperhatikan.

Fuzzy lookup table merupakan suatu metode

yang bisa memperbaiki kecepatan putar mesin pada

kondisi stasioner. Oleh karena itu, pada Tugas Akhir

ini metode tersebut diterapkan untuk pengaturan lebar

pulsa injeksi bahan bakar. Fuzzy lookup table perlu

dirancangan dengan menggunakan sistem elektronik

yang mampu diprogram dan algoritma tersebut dapat

ditanamkan didalam sistem, sehingga mampu

meningkatkan performa dari mesin spark ignition.

Gambaran umum mengenai mesin spark ignition

dijabarkan pada bagian kedua. Bagian ketiga

menjelaskan mengenai perancangan kontroler PID

modifikasi dan fuzzy lookup table. Pengujian dan

analisis disajikan pada bagian keempat. Bagian kelima

berisi kesimpulan dan saran untuk penelitian

selanjutnya.

2. DESKRIPSI SISTEM

Pada bagian ini dijelaskan mengenai deskripsi

sistem mulai dari cara kerja mesin spark ignition

hingga identifikasi mesin spark ignition.

2.1 Cara Kerja Mesin Spark Ignition

Spark ignition engine memiliki 4 langkah kerja:

langkah hisap, langkah kompresi & pengapian,

langkah kerja dan langkah pembuangan. 4 langkah

kerja piston pada proses pembakaran dapat dilihat

pada Gambar 1.

Gambar 1. Langkah Kerja Piston pada Proses

Pembakaran [9]

Langkah hisap adalah fase campuran bahan

bakar dengan udara dihisap masuk melalui katup

intake ke dalam ruang bakar. Pada ruang bakar terjadi

pemampatan campuran ketika piston bergerak ke atas.

Pengapian dipicu oleh percikan api yang dihasilkan



busi, sehingga timbul ledakan pada ruang bakar

(langkah kompresi & pengapian). Pada fase

berikutnya adalah langkah kerja dimana panas yang

dihasilkan pada proses pembakaran menaikan tekanan

silinder, sehingga piston tertekan dan bergerak

kebawah (langkah kerja). Langkah terakhir adalah

pembuangan, gas sisa pembakaran dikeluarkan dari

ruang bakar melalui katup pembuangan dan kembali

ke langkah pertama. Pada umumnya pergantian gas

hasil pembakaran pada ruang bakar mesin mobil

terjadi dalam empat langkah, dengan dua kali putaran

crankshaft dalam tiap satu siklus.[2] [6] [7]

2.2 Injeksi Bahan Bakar Secara Simultan

Sistem injeksi secara simultan merupakan model

injeksi yang injektor menyamprotkan bahan bakar

secara bersamaan seperti yang ditunjukkan oleh

Gambar 2.

Gambar 2 Simultaneous Injection [1]

Injektor tersebut akan menyemprotkan bahan

bakar kesemua silinder berdasarkan informasi dari

beberapa sensor diantaranya adalah sensor top dead

center, crank angle sensor, manifold absolute

pressure, dan RPM sensor. Langkah pertama adalah

dengan memperhatikan sinyal dari sensor crankshaft

yaitu sebesar 5º BTDC.apabila informasi dari sensor

tersebut telah muncul maka injektor akan

menyemprotkan bahan bakar secara bersamaan ke

tiap-tiap silinder. Langkah selanjutnya apabila mesin

telah berputar dalam keaadaan normal maka sistem

injeksi akan berganti menjadi model sequential. Jika

mesin masih dalam keadaan dingin maka sistem

injeksi yang dibutuhkan adalah simultan.

2.3 Identifikasi Sistem

Proses permodelan identifikasi sistem terdiri atas

3 tahap. Tahap pertama adalah perhitungan parameter

pemodelan. Tahap kedua melakukan Transformasi-Z

terhadapa permodelan ARX, dengan waktu sampling

0.1 dan zero order hold. Tahap ketiga melakukan

transformasi terhadap tahap yang kedua kedalam

domain-S hingga diperoleh fungsi alih sistem.[3] [4]

Identifikasi sistem yang dilakukan untuk mencari

parameter-parameter plant engine dilakukan sebanyak

sepuluh kali pengambilan data. Hasil identifikasi

sistem dengan RMSE terkecil disajikan pada

persamaan 1.

847.674.142

5037193

)(

)(

ss

s

SR

SC (1)

3. PERANCANGAN KONTROLER

Pada bagian ini, dirancang sebuah kontroler PID

modifikasi untuk pengaturan kecepatan dan juga

metode fuzzy lookup table untuk memperbaiki

performansi sistem berupa kecepatan.

3.1 Kontroler PID Modifikasi

Perancangan kontroler PID modifikasi pada

Tugas Akhir ini digunakan untuk mengatur kecepatan

putar mesin saat kondisi stasioner. Kecepatan tersebut

ditentukan oleh bukaan motor stepper. Semakin besar

bukaan motor stepper, maka semakin besar udara yang

masuk ke dalam ruang bakar. Akibatnya, kecepatan

putar mesin akan semakin tinggi.

Kontroler PID modifikasi dirancang untuk

memenuhi spesifikasi sistem sebagai berikut:

Respon sistem mendekati orde pertama

( 0pM )

Tidak memiliki offset ( 0sse )

sts3** 10.23%)5(

Proses perancangan kontroler PID modifikasi

dijelaskan sebagai berikut:

1. Penentuan fungsi alih sistem hasil pemodelan

identifikasi dinamis plant, yang didapatkan

pada persamaan (1).

2. Penentuan nilai 1,, dipK

dan 2d melalui

persamaan sebagai berikut.

np

KK

21*

(2)

ni

2 (3)

1d (4)

22

2

1

nn

d (5)

3. Penentuan fungsi alih hasil pemodelan

kontroler PID modifikasi dinotasikan dengan

)(sH .

1

11

)(

)()(

2

1

s

s

sK

SE

SUsH

d

d

ip

(6)

Berdasarkan hasil dari persamaan (2), (3), (4)

dan (5), persamaan (6) menjadi:

1304.0

0383.0

465.0

11868.0

)(

)()(

s

s

sSE

SUsH



3.2 Fuzzy Lookup Table

Prinsip perancangan fuzzy Look Up Table

sebenarnya hampir sama dengan fuzzy biasa (statik).

Bahkan penurunan aturan kontrol dari fuzzy Look Up

Table berdasakan atas tahap-tahap penurunan fuzzy.[5]

Keunggulan kontroler fuzzy Look Up Table dari

kontroler fuzzy adalah sinyal kontrol yang dihasilkan

lebih cepat, karena sinyal kontrol telah tersedia dalam

bentuk tabel, tanpa harus menjalankan proses fuzzy

dalam beroperasi [5]. Adanya alasan tersebut maka

kontroler fuzzy Look Up Table lebih sederhana dan

lebih mudah diimplementasikan pada sebuah

minimum sistem (mikrokontroler). Ada beberapa

langkah dalam merancang suatu kontroler fuzzy Look

Up Table, yaitu sebagai berikut:

Langkah pertama dalam merancang kontroler

fuzzy berbasis lookup table adalah menentukan

variabel masukan dan variabel keluaran. Variabel

masukan yang digunakan dalam perancangan ini

berupa kecepatan (RPM) dan tegangan MAP,

sedangkan untuk variabel keluaran berupa lebar pulsa

injeksi bahan bakar.

Langkah kedua adalah Menentukan fungsi

keangotaan bagi masukan dan keluaran, pada

perancangan ini digunakan fungsi keanggotan segitiga

dengan 5 variabel linguistik yaitu : PK (Positif Kecil),

PAK (Positif Agak Kecil) ,PS (Positif Sedang),

PAB(Positif Agak Besar), PB (Positif Besar).

Langkah ketiga adalah menentukan level

berdasarkan range variasi masukan, semakin banyak

level maka semakin peka kontroler terhadap

perubahan masukan. Tabel 1. Merupakan level

kecepatan dan MAP dalam diskrit menggunakan 9

level.

Tabel 1 Level Kecepatan dan MAP dalam Diskrit

Level

(L)

Variasi Input kec.

(Xn)

Variasi Input MAP

(Xn)

1 Xn≤500 Xn≤1.5

2 500<Xn≤700 1.5<Xn≤2

3 700<Xn≤900 2<Xn≤2.5

4 900<Xn≤1100 2.5<Xn≤3

5 1100<Xn≤1300 3<Xn≤3.5

6 1300<Xn≤1500 3.5<Xn≤4

7 1500<Xn≤1700 4<Xn≤4.5

8 1700<Xn≤1900 4.5<Xn≤5

9 1900<Xn 5<Xn

Langkah keempat adalah memperbaruhi kurva

fungsi keanggotaan terhadap masukan kecepatan dan

MAP berdasarkan level pada tabel 1. Gambar 3

merupakan fungsi keanggotaan kecepatan dan MAP

dengan 5 variabel linguistik terhadap level yang

ditentukan.

1

0

0.5

5 6 7 8 94321

PS PAB PBPAKPK

Kec./MAP

µ

Gambar 3 Fungsi Keanggotaan Kecepatan dan MAP

dengan 5 Variabel Linguistik

Langkah kelima adalah menentukan derajat

keanggotaan dari variabel linguistik berdasarkan level

pada Tabel 1. Berdasarkan fungsi keanggotaan tipe

segitiga dan trapezium pada Gambar 3, dapat

ditentukan derajat keanggotaan dari masing-masing

variabel masukan. Tabel 2 merupakan derajat

keanggotaan dari variabel masukan kecepatan dan

MAP setelah dikuantisasi.

Tabel 2 Derajat Keanggotaan Variabel Masukan

Kecepatan/MAP Setelah dilevelkan

L PK PAK PS PAB PB

1 1 0 0 0 0

2 0.5 0.5 0 0 0

3 0 1 0 0 0

4 0 0.5 0.5 0 0

5 0 0 1 0 0

6 0 0 0.5 0.5 0

7 0 0 0 1 0

8 0 0 0 0.5 0.5

9 0 0 0 0 1

Langkah keenam adalah menentukan fungsi

keanggotaan untuk variabel keluaran. Variabel

keluaran pada tugas akhir ini adalah lebar pulsa injeksi

bahan bakar dalam ms. Gambar 4 merupakan fungsi

keanggotaan lebar pulsa injeksi bahan bakar.

1

0

0.5

10 12 14 16 188642

PS PAB PBPAKPK

Lebar pulsa injeksi

(ms)

µ

Gambar 4 Fungsi Keanggotaan Variabel Keluaran

Berupa Lebar Pulsa Injeksi

Langkah ketujuh adalah membuat aturan dasar

fuzzy yang digunakan untuk menentukan sinyal

Documents

Perancangan dan Implementasi Fuzzy Lookup Table untuk … · sistem mulai dari cara kerja mesin spark ignition hingga identifikasi mesin spark ignition. 2.1 Cara Kerja Mesin Spark