Sistem Pengaturan Kecepatan Stasioner dengan Pengapian Multispark Menggunakan Kontroler PID. Primadani Kurniawan

(1)

Sistem Pengaturan Kecepatan

Stasioner dengan Pengapian

Multispark

Menggunakan

Kontroler PID

Primadani Kurniawan

2207100041

(2)

(3)

Sebagian besar kendaraan

menggunakan mesin bensin

Atau

spark ignition engine

Mesin 4 tak

yang dikendalikan

secara elektronik

(4)

• Variabel yang dikendalikan adalah bukaan katup

idle

yang memvariasikan jumlah udara masuk

• Penggunaan PID pada sistem elektronik

otomotif

• Pengaruh injeksi bahan bakar dan titik

pengapian tidak ditinjau

(5)

• Mengatur kecepatan stasioner HANYA dengan

memvariasikan udara masuk

• Memperbaiki

respon

kecepatan

stasioner

sehingga sesuai dengan referensi

(6)

Throttle dan

Katup

idle

Bahan bakar berbayar

1. Langkah Hisap

2. Langkah

Kompresi

3. Langkah Kerja

4. Langkah

Buang

(7)

(8)

Throttle

Injektor

TDC CAS

Koil

Top Dead Centre &

Crank Angle Sensor

Intake Manifold

(9)

• Jalur udara masuk

(10)

2

5

(11)

Silnder 1 TOP

Silinder 3 TOP

Silinder 4 TOP

Silinder 2 TOP

75 o

₅

o

₇₅

o

₅

o

₇₅

o

₅

o

₇₅

o

₅

o

(12)

Rangkaian Ekivalen

Resistansi = 15 Ω

(13)

15

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Bab ini akan membahas tentang perancangan unit kendali untuk keadaan stasioner mesin, dimulai dari perancangan rangkaian elektronika, pembuatan algoritma kendali.

3.1. Langkah Kerja Pembuatan Tugas Akhir

Gambar 3.1 menunjukkan diagram blok dari unit kendali kecepatan stasioner pada mesin 4 langkah.

Gambar 3.1. Diagram Blok Sistem Pengaturan Kecepatan Stasioner

Perancangan dan implementasi tugas akhir ini secara umum terbagi menjadi dua bagian pokok, yaitu pengerjaan perangkat keras dan perangkat lunak. Perancangan dan implementasi dilakukan pada perangkat keras maupun perangkat lunak dilakukan bersamaan dengan harapan ketika perangkat keras selesai maka siap untuk diisi dengan perangkat lunak yang terdiri dari algoritma pengendalian.

3.2 Identifikasi Kebutuhan

Sebuah sistem pengaturan mesin terdiri dari berbagai elemen penyusun. Elemen yang pertama adalah sensor-sensor, lalu unit kontroler dan aktuator beserta drivernya.

Sensor digunakan untuk merasakan sebuah kondisi yang terjadi pada mesin. Kemampuan kontroler yang sangat baik jika tidak didukung oleh kemampuan sensor yang memadai maka sinyal kontrol yang dihasilkan tidak sesuai dengan kebutuhan. Sensor yang digunakan harus dilindungi dari interferensi sinyal yang dapat menggangu bacaan aktual dari sensornya. Unit kontroler yang digunakan harus mampu melakukan komputasi dengan cepat dan tepat mengingat sangat dinamisnya sistem yang akan dikendalikan.

(14)

16

Aktuator merupakan sebuah jembatan antara sinyal kontrol yang berasal dari kontroler sebelum masuk ke plant. Hal ini dilakukan

mengingat perbedaan tingkat daya yang digunakan antara sinyal kontrol yang berdaya relatif rendah, dengan sinyal yang dibutuhkan

plant yang cenderung lebih tinggi.

Integrasi dari semua elemen-elemen tersebut haruslah membentuk sebuah unit kendali yang mempunyai respon cepat dengan komputasi yang tepat. Dengan memperhatikan hal-hal tersebut diharapkan algoritma pengendalian yang ditanamkan dapat mengendalikan mesin secara tepat.

a) Spark Ignition Engine

Plant yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin

Mitsubishi 4G63 DOHC (Double Over Head Cam) 2.0 Liter

ditunjukkan pada Gambar 3.2. Mesin ini merupakan mesin 4 langkah dengan bahan bakar bensin. Pihak Mitsubishi menyebut sistem injeksinya dengan ECI (Electronic Control Injection) Multi,

mempunyai arti bahwa injeksi dikendalikan secara elektronik dengan banyak titik penyemprotan. Titik tersebut berada pada masing-masing silinder. Dengan adanya 4 silinder pada mesin ini maka jumlah injektor juga sebanyak 4 buah.

Gambar 3.2. Mitsubishi 4G63

b) Sensor Posisi Silinder

Pada sebuah sistem pengaturan kecepatan pada mesin 4 langkah maka hal pertama yang dilakukan adalah mencari sensor yang merepresentasikan posisi silinder. Berbeda dengan sistem pengaturan pada motor DC (Direct Current/arus searah) yang

(15)

17

menggunakan tacho generator yang berbasis sinyal analog sebagai informasinya, maka pada mesin 4G63 berbasis sinyal digital.

Sensor ini disebut TDC (Top Dead Center/titik mati atas) dan

CAS (Crank Angle Sensor/sensor sudut piston). Bentuk fisik dari

sensor ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.

Gambar 3.3. TDC dan CAS

Informasi yang terkandung dari sensor ini adalah posisi sudut piston, silinder yang harus diledakkan, serta bisa juga kecepatan. Ketiga informasi tersebut didapatkan dari dua kombinasi sinyal digital yang digunakan. Sinyal yang dihasilkan seperti Gambar 3.4 dimana pada tiap kali putaran mesin terdapat 2 buah sinyal CAS dan satu kali sinyal TDC

Sebuah sinyal kotak pada CAS juga merepresentasikan posisi sudut piston. Rising edge (perubahan kondisi dari 0 ke 1) pada

sinyal CAS mengindikasikan piston sedang berada pada 75o

sebelum piston mencapai puncak atau BTDC (before top dead

center). Pada kondisi ini jika sinyal TDC berada pada logika 1 maka

silinder yang harus diledakkan adalah 1 & 4. Begitu pula ketika sensor TDC berada pada logika 0 maka silinder yang harus diledakkan adalah 2 & 3. Tentunya sudut pengapian menyesuaikan dengan kebutuhan, pada kondisi stasioner sudut pengapian berada pada kisaran 10o_BTDC.

(16)

18

Gambar 3.4. Sinyal TDC dan CAS

Lama waktu CAS berlogika 1 merupakan referensi untuk penentuan sudut pengapian pada sinyal CAS berikutnya. Formula untuk menentukan sudut pengapian ditunjukkan pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Penentuan Sudut Pengapian

o ms derajat ms 70 10 / 

Waktu pengapian untuk sudut pengapian 10o_adalah:

ms ms o o o 9.3 10 10 75 10   

Untuk menentukan nilai kecepatan mesin, dapat dilihat dari lebar pulsa masing-masing CAS dalam satuan waktu. Satu lebar pulsa CAS merupakan gerak silinder mesin sebesar 70o_{, nilai ini}

diperoleh dari pengurangan kondisi rising edge dengan falling edge

sinyal. Mengetahui waktu putaran mesin berputar 70o maka nilai

satu putaran mesin (periode) sebesar 360o _{dapat diketahui. Nilai}

putaran per menit didapat dari frekuensi (1/T) dikalikan dengan 60. 10 ms / 70o

75o ₅o ₇₅o

10o

TMA

silinder 1 TMA silinder 3 9.3 ms

1 putaran mesin 1 putaran mesin CAS

(17)

19

c) Sensor Posisi Throttle

Posisi pada throttle merupakan nilai referensi untuk

kecepatan mesin. Pada poros throttle dipasang sebuah potensiometer

yang bertujuan untuk mengubah besaran mekanik menjadi sinyal yang mampu dibaca oleh kontroler.

Gambar 3.6. Sensor Posisi Throttle

Besarnya nilai referensi atau umum disebut bukaan throttle

dilihat dari nilai tegangan yang muncul dari sensor. Throttle mesin

Mitsubishi 4G63 dilengkapi dengan saklar stasioner. Saklar ini memberikan informasi apakah throttle sedang dalam keadaan

membuka atau menutup. Jika pada posisi menutup makan mesin sedang berada pada kondisi stasioner atau deakselerasi. Bentuk dari sensor ini bisa dilihat pada Gambar 3.6

d) Sensor Tekanan Manipol

Sensor tekanan ini memanfaatkan membran sebagai alat yang digunakan untuk mengetahui tekanan udara vakum yang ada di manipol. Menempel pada badan mesin dengan sebuah saluran udara yang terhubung dengan manipol masuk. Jika tekanan vakum pada manipol semakin kuat, maka semakin besar pula perbedaan posisi membran. Saat keadaan mati atau tekanan pada manipol sama dengan atmosfir maka keluaran tegangan dari sensor ini berkisar antara 3,5 sampai dengan 3,7 volt. Jika mesin sedang berjalan maka sejumlah udara memasuki saluran masuk manipol. Sesuai dengan hukum-hukum fisika, jika terdapat fluida bergerak maka tekanannya lebih rendah daripada fluida yang sama pada kondisi diam.

(18)

20

Gambar 3.7. Sensor Tekanan Manipol Dan Grafik Informasi Sinyal [6]

Dari kondisi ini dapat dismpulkan bahwa ketika mesin berjalan, tekanan udara pada saluran masuk pada manipol lebih rendah dari tekanan diuar manipol atau atmosfir yang mengindikasikan udara masuk ke silinder. Hal ini menyebabkan perubahan sinyal pada sensor tekanan ini. Besarnya perubahan tekanan berbanding dengan perubahan tegangan. Bentuk fisik dapat dilihat pada Gambar 3.7

e) Unit Kendali Mesin

Dengan berkembangnya elektronika pada jaman sekarang ini, pemilihan kontroler menjadi suatu langkah yang cukup mudah untuk perancangan dan implementasi Tugas Akhir ini. Dengan pertimbangan dimensi dan berat, penulis mengambil sistem mikrokontroler sebagai elemen kontroler. Mikrokontroler yang dipilih adalah Atmega8535. Rangkaian keseluruhan seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8

Atmega 8535 merupakan mikrokontroler dari keluarga AVR dengan arsitektur RISC. Compiler yang digunakan telah

(19)

21

Gambar 3.8. Unit Kendali Mesin

Mikrokontroler ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya mampu mengeksekusi sebagian instruksi hanya dari satu siklus

clock, eksekusi yang mencapai 16 juta instruksi per detik pada clock

16 juta hertz, memiliki 3 fasilitas pencacah dan 3 buah sumber interupsi eksternal serta memiliki ADC (analog to digital converter)

yang telah terintegrasi di dalamnya.

f) Injektor dan Driver

Injektor merupakan sebuah katup bahan bakar yang membuka menutupnya karena kumparan atau solenoid di dalamnya. Pada Tugas Akhir ini digunakan metode injeksi simultan, yakni semua injektor menyemprotkan bahan bakar pada saaat yang bersamaan. Guna mengendalikan injektor diperlukan sebuah driver

yang berupa saklar on dan off berbasis transistor. Gambar 3.9

menunjukkan injektor beserta rangkaian driver.

(20)

22

g) Koil

Untuk mengaktifkan pengapian yang membutuhkan tegangan sekitar 20kV diperlukan sebuah transformator step-up yang umum

disebut koil. Pengapian ini berbasis inductive discharge ignition,

yakni memanfaatkan kondisi discharge pada sisi sekunder dari

induktor atau kumparan. Cara kerja koil ditunjukkan pada Gambar 3.10

Gambar 3.10. Cara Kerja Koil

h) Katup Kecepatan Idle

Pada saat keadaan stasioner, laju udara tidak lagi melewati

throttle melainkan melewati sebuah katup yang dikendalikan oleh

motor stepper. Motor ini mempunyai 2 buah kumparan yakni kumparan A dan kumparan B. Besar 1 langkah dari motor ini adalah 15o_{. Untuk membuka dari 0% sampai 100%, katup ini}

membutuhkan 120 langkah motor atau perputaran sebanyak 1800o_.

Letak katup ini tepat di bawah throttle. Pada tugas akhir ini

pengaturan posisi dari katup ini menggunakan sebuah mikrokontroler. Besar hambatan masing-masing kumparan adalah sekitar 20-30 Ω. Harus dirancang sebuah driver yang mampu

mengalirkan cukup arus yang akan melewati kumparan motor.

Tidak ada arus mengalir Sinyal off dari

ECU

Terjadi loncatan bunga api

ECU

Ada arus mengalir Sinyal on dari ECU

(21)

23

Gambar 3.11. Tata Letak Katup Idle

Nomor 2 dan 5 pada Gambar 3.11 menunjukkan suplai tegangan 12 volt pada motor stepper. Sementara 1 dan 4 mewakili kumparan A1 dan B1 serta nomor 3 dan 6 mewakili A2 dan B2. Gambar 3.12 menunjukkan skema pengendalian katup idle

Gambar 3.12. Skema dari Motor Stepper dengan Unit Kendali Mesin. [6]

Jika diinginkan langkah maju maka kumparan yang diaktifkan seperti Gambar 3.12 adalah A1 dan B1 dilanjutkan B1 dan A2 kemudian A2 dan B2  B2 dan A1  A1 dan B1 begitu

(22)

24

seterusnya. Untuk melangkah mundur atau membuka katup idle

maka urutan yang diberikan adalah kebalikan dari cara di atas.

3.3 Integrasi Elemen-Elemen Pembangun

Hubungan inter koneksi antar elemen dapat dilihat pada Gambar 3.13. Unit kontroler menggunakan dua buah mikrokontroler, yang pertama untuk injeksi dan yang kedua untuk pengapian. Alasan menggunakan dua buah mikrokontroler adalah untuk mengurangi beban komputasi yang berlebihan jika hanya menggunakan satu buah mikrokontroler. Pada mikrokontroler untuk injeksi menggunakan kristal sebesar 4 Mhz dan pada pengapian menggunakan 4 Mhz. Alokasi pin yang digunakan pada mikrokontroler adalah sebagai berikut:

Mikrokontroler Injeksi

PORTD.7 : Sinyal kontrol untuk mengaktifkan injektor PORTB.0 : Masukan dari pulsa CAS

PORTA.0 : Masukan dari sensor tekanan manipol Mikrokontroler Pengapian

PORTD.2 : Masukan sinyal CAS untuk menghitung kecepatan

PORTD.3 : Masukan sinyal TDC untuk mengetahui silinder yang harus diledakkan

PORTC.6 : Sinyal kontrol untuk mengaktifkan pengapian pada silinder 1&4

PORTC.7 : Sinyal kontrol untuk mengaktifkan pengapian pada silinder 2&3

Mikrokontroler ketiga

PORTB.0 : Mengaktifkan kumparan B2 pada katup idle

PORTB.1 : Mengaktifkan kumparan A2 pada katup idle

PORTB.2 : Mengaktifkan kumparan B1 pada katup idle

PORTB.3 : Mengaktifkan kumparan A1 pada katup idle

PORTA.0 : Masukan sinyal kontrol dari computer berupa bukaan katup

(23)

25

Gambar 3.13. Integrasi Elemen Pembangun

3.4 Perencanaan Perangkat Lunak

Perangkat lunak yang dirancang terdiri dari tiga program utama yakni pengapian, injeksi dan katup idle speed. Sistem

pengaturan kecepatan stasioner tidak bisa hanya mengandalkan hanya satu variabel saja yang dikendalikan seperti katup idle.

Namun, pengapian dan injeksi harus disesuiakan sehingga memperoleh hasil yang maksimal. Pada Tugas Akhir ini nilai-nilai pengapian serta injeksi seperti kapan pengapian hatus dinyalakan serta berapa lama pulsa injeksi menyala dikendalikan oleh sebuah

look-up table. Hal ini bertujuan untuk meminimalkan beban kerja

mikrokontroler. Sementara itu variabel bukaan katup idle

dikendalikan oleh algoritma PID. Diagram alir kedua program tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.14 dan 3.15.

a) Implementasi Program Pengapian

Algoritma pengapian dikendalikan oleh sebuah mikrokontroler. Sistem pengapian yang digunakan adalah

distributorless atau grouping, pada sistem ini pengapian pada dua

TDC CAS

MAP

TPS injektor koil

(24)

26

silinder dilakukan bersamaan. Silinder yang diledakkan bersamaan adalah silinder 1 & 4 dan silinder 2 & 3. Pembagian dari sistem ini berdasarkan sinyal CAS pada Gambar 3.4. Kedua kombinasi sinyal ini memberikan informasi silinder mana yang harus aktif. Ketika telah ditentukan koil A harus aktif maka untuk menghasilkan tegangan tinggi pada sisi sekundernya diperlukan sebuah charging

minimal satu mili detik. Tegangan tinggi akan keluar ketika sinyal

charging falling edge

b) Implementasi Program Injeksi Bahan Bakar

Besarnya injeksi bahan bakar sangat tergantung dari banyaknya udara yang masuk ke dalam silinder. Injeksi dilakukan dua kali tiap langkah, atau sekali tiap putaran mesin. Kapan injeksi dilakukan bergantung dari sinyal CAS, dua kali falling edge sinyal

akan memerintahkan injektor menyemprotkan bahan bakar.

Gambar 3.14. Diagram Alir Program Pengapian

Start

(25)

27

3.5 Identifikasi Mesin

Identifikasi plant ditujukan untuk mendapatkan model

matematis berupa fungsi alih yang kemudian digunakan untuk proses perancangan kontroler.

Gambar 3.16 adalah diagram blok dari identifikasi kecepatan stasioner mesin 4 langkah. Untuk mencati parameternya digunakan fungsi alih lup terbuka, Nilai RPM yang diinginkan dimasukkan melalui mikrokontroler dan diteruskan menuju driver katup idle

speed. Respon kecepatan selanjutnya direkam melalui rangkaian f to

v,m yakni sebuah rangkaian terintegrasi yang mampu merubah

besaran frekuensi menjadi nilai tegangan.

Gambar 3.15. Diagram Alir Program Injeksi

Besarnya kecepatan dilihat melalui putaran salah satu roda gigi yang terdapat di crankshaft. Roda gigi tersebut satu putarannya

Gambar 3.16. Diagram Blok Identifikasi Kecepatan Stasioner Mesin

Stop Start

(26)

28

terdapat 116 gigi. Sensor yang digunakan adalah sensor induktif tata letaknya ditunjukkan Gambar 3.17, nilai keluaran dari sensor ini adalah sebuah sinyal sinus yang frekuensinya tergantung dari kecepatan mesin.

Gambar 3.17. Tata Letak Sensor Terhadap Roda Gigi [7]

Berdasarkan hasil analisa secara grafis pada Gambar 3.18 didapatkan parameter plant sebagai berikut :

Nilai penguatan K diperoleh : 499 ,1 300 716 , 449 _   A B K

Konstanta waktu dan settling timeplant diperoleh :

ms 35   ms s(0,5%)513,5 

Fungsi alih plant diperoleh :

1 ) (   s K s G_p  1 35 , 0 499 ,1 ) (  _ s s G_p

(27)

29

Gambar 3.18. Hasil Identifikasi Mesin Secara Grafis

Gambar 3.19 memperlihatkan perbandingan grafik antara respon mesin 4 tak riil dengan respon model hasil identifikasi. Didapatkan besarnya kesalahan dinyatakan dalam norm error

yaitu : % 100 ) ( () ) (  _  i f i f m f Norm (3-1) Dimana : ) (m

f adalah grafik respon mesin hasil pemodelan

) (i

f adalah grafik respon mesin riil

Dengan pengambilan data respon mesin 4 tak sebanyak 5 kali maka diperoleh rangkuman hasil fungsi alih beserta besarnya kesalahan yang irepresentasikan dalam Tabel 3.1. Dari tabel berikut maka diperoleh fungsi alih dengan besarnya kesalahan yang terkecil yaitu 2,46 %. 449.716 300 131.8 1530 63.2%

(28)

30

Gambar 3.19. Perbandingan Respon Plant dengan Model Hasil Identifikasi

Tabel 3.1 Rangkuman Hasil Identifikasi Kecepatan Stasioner Mesin

Fungsi Alih Mesin Kesalahan (%) 2,46

e

s s 43 , 5 1 86 , 5 53 ,1   2,96

e

s s 4 , 10 1 3 ,1 4 ,1   3,306

e

s s 302 , 6 1 74 , 3 37 ,1   2,68

e

s s 43 , 6 1 42 , 3 ,1548   2,654 3.6 Perancangan Kontroler

Untuk mendapatkan kecepatan stasioner mesin yang sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, maka dibutuhkan sebuah kontroler. Ada berbagai jenis kontroler dan berbagai macam metode pendekatan untuk mendapatkan parameter kontroler. Pemilihan metode kontrol dipengaruhi oleh jenis plant yang akan diatur, dalam

hal ini dicoba untuk mengimplementasikan kontroler PID

e

s s 21 , 5 1 58 , 3 499 , 1  

(29)

31

(proportional-integral-derivatif) dengan metode penalaan

cohen-coon.

3.6.1 Perancangan kontroler PID

Metode pengaturan yang diimplementasikan adalah PID. Metode penalaan parameter kontroler berdasarkan metode cohen coon. Berdasarkan grafik respon kecepatan stasioner mesin pada Gambar 3.16 dan fungsi alih pada persamaan Tabel 3.1 dengan nilai kesalahan terkecil maka didapatkan nilai untuk penalaan kontroler PID yaitu : s 3 , 12 0  s 07 , 13 2  s 18 , 13 3  s 82 , 12 1  s 35 , 0   s del 0,52  499 ,1 300 716 , 449 _   A B K 45 , 1 5 , 3 2 , 5 _  



_del r

Dari persamaan pada Tabel 2.1 Sehingga besarnya Kp,i,d

didapat : 778 , 0  p K s i 0,862  s d 0,1499 

3.7 Simulasi Hasil Perancangan Kontroler

Berdasarkan hasil penalaan parameter kontroler pada subbab 3.5 maka hasil dari parameter tersebut dapat disimulasikan sebagai berikut :

(30)

32

Gambar 3.20 Simulasi Sistem dengan Kontroler PID

Gambar 3.20 memperlihatkan hasil simulasi sistem kecepatan stasioner dengan kondisi awal 750 rpm dari penalaan parameter kontroler PID dengan menggunakan metode cohen coon. Dari simulasi terlihat respon sistem terdapat overshoot dan mencapai