PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN OLENG KAPAL DENGAN BEBAN BERPINDAH MENGGUNAKAN KONTROLER FUZZY

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN OLENG KAPAL

DENGAN BEBAN BERPINDAH MENGGUNAKAN KONTROLER

FUZZY

Purwidi Asri

1

, Katjuk Astrowulan

2

, Rusdhianto Effendi

3

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,

1

purwidi@elect-eng.its.ac.id

,

2

katjuk@ee.its.ac.id ,

3

ditto@ee.its.ac.id

Abstrak

Kapal dapat oleng disebabkan karena kapal mempunyai kemampuan untuk tegak kembali karena adanya pengaruh luar yang bekerja pada kapal. Pergerakan penumpang memberikan gangguan pada tingkat stabilitas kapal. Distribusi penumpang pada bagian atap pada sisi luar kanan kapal dan atap kapal akan memberikan momen miring yang cukup besar sehingga dapat mengalahkan momen pengembali kapal. Apabila proses semacam itu terjadi secara terus menerus, maka pada suatu saat tertentu kapal sudah tidak memiliki kemampuan lagi untuk tegak kembali.

Stabilitas gerakan oleng kapal merupakan kemampuan sistem dalam merespon gangguan untuk berusaha kembali ke keadaan normal. Untuk meredam gerakan oleng digunakan beban yang dapat berpindah untuk menjaga stabilitas kapal. Kemampuan meredam terhadap gerakan oleng oleh beban berpindah dipakai guna memperbaiki performansi sistem agar hasilnya akan semakin baik dan pada akhirnya dapat menambah kenyamanan penumpang. Sistem kendali yang baik harus mempunyai ketahanan terhadap gangguan dan mempunyai respon yang cepat dan akurat. Untuk mengatasi hal ini, diterapkan sistem kendali fuzzy.

Hasil akhir menunjukkan kendali fuzzy bekerja membantu untuk meminimalkan overshoot yang terjadi. Desain sistem ini sistem kendali secara keseluruhan dapat menghasilkan respon sistem yang baik. Penelitian ini berupa simulasi. Algoritma fuzzy diimplentasikan dalam MATLAB . Untuk memudahkan simulasi dibuat software dengan menggunakan fasilitas GUI.

Kata kunci : fuzzy, overshoot, respon, stabilitas

1. Pendahuluan

Sarana transportasi sangat diperlukan saat ini. Salah satu di antaranya adalah kapal. Kapal merupakan sarana penting dalam bidang perhubungan air di wilayah Indonesia yang sebagian wilayahnya berupa perairan laut, dengan kondisi geografis seperti itu, pemerintah perlu sekali mengembangkan teknologi di bidang kemaritiman, khususnya dalam bidang industri perkapalan.

Dalam perjalanan di air, selain mengalami gerak laju, kapal juga mengalami gangguan dalam bentuk gerakan roll, heave, pitch, surge, yaw dan saw. Idealnya kapal hanya mengalami gerak laju. Gerakan roll, heave, pitch, surge, yaw dan saw dapat muncul akibat gangguan di antaranya berupa gelombang, arus, ombak, angin dan lain sebagainya yang mengenai badan kapal pada saat kapal berjalan pada kecepatan jelajahnya. Namun dari beberapa gerak tersebut yang bisa diredam adalah gerakan oleng.

Sebuah kapal dapat oleng disebabkan karena kapal mempunyai kemampuan untuk tegak kembali karena adanya pengaruh luar yang bekerja pada kapal. Kapal Motor Acita III tenggelam di perairan Bau-bau Sulawesi Tenggara pada hari Kamis 18 Oktober 2007 sekitar pukul 21.00 WITA. Kapal tersebut mengangkut lebih dari 185

penumpang sehingga melebihi daya angkut. Banyak penumpang mencari sinyal hp untuk menghubungi keluarganya bahwa kapal akan segera tiba di Bau-bau. Pergerakan penumpang memberikan gangguan pada tingkat stabilitas kapal. Distribusi penumpang pada bagian atap pada sisi luar kanan kapal dan atap kapal akan memberikan momen miring yang cukup besar sehingga dapat mengalahkan momen pengembali kapal. Hal ini menyebabkan kapal terbalik. Sebuah kapal yang stabilitasnya terlalu kecil untuk keadaan-keadaan tertentu berakibat fatal, sebab kapal dapat terbalik. Kemungkinan demikian dapat terjadi karena sewaktu kapal akan tegak kembali tidak dapat berlangsung. Hal itu terjadi karena adanya pengaruh luar yang bekerja pada kapal. Apabila proses semacam itu terjadi secara terus menerus, maka pada suatu saat tertentu kapal sudah tidak memiliki kemampuan lagi untuk tegak kembali.

Stabilitas gerakan oleng kapal merupakan kemampuan sistem dalam merespon gangguan untuk berusaha kembali ke keadaan normal. Untuk meredam gerakan oleng digunakan beban yang dapat berpindah untuk menjaga stabilitas kapal. Kemampuan meredam terhadap gerakan oleng oleh beban berpindah dipakai guna memperbaiki performansi sistem agar hasilnya akan semakin baik dan pada akhirnya dapat menambah kenyamanan penumpang.

Kendali logika fuzzy bekerja membantu untuk meminimalkan overshoot yang terjadi dan juga meminimalkan recovery time dari respon sistem. Dari desain sistem ini diharapkan sistem kendali secara keseluruhan dapat menghasilkan respon sistem yang lebih baik. Algoritma kontrol konvensional akan selalu membutuhkan adanya model dari plant yang akan dikendalikan agar bisa mencari parameter-parameter kontrolernya (Santoso Ari,2002)

1.2 Perumusan Masalah

Sistem kendali yang baik harus mempunyai ketahanan terhadap disturbance dan mempunyai respon yang cepat dan akurat. Apabila kapal oleng diharapkan cepat stabil kembali, sehingga kenyamanan penumpang dapat dicapai. Kapal dapat menjadi tidak nyaman akibat dari kapal oleng secara cepat , sehingga semua awak kapalnya dan penumpang menjadi mabuk. Hal ini berakibat konstruksi kapal dibangunan-bangunan atasnya sangat dirugikan, misalnya sambungan sambungan antara suku-suku bagian bangunan atas menjadi longgar, sebab paku-paku kelingnya menjadi longgar. Akibat lain yang terjadi adalah longsornya muatan yang padat didalam ruang-ruang dibawah. Longsornya muatan itu dapat membawa akibat yang sangat fatal kapal dapat terbalik. Permasalahannya adalah :

1. Bagaimana meminimalkan overshoot yang terjadi ?

2. Bagaimana meminimalkan recovery time dari respon system ?

1.3 Batasan Masalah

Untuk mencegah melebarnya permasalahan dalam tesis ini, maka perlu adanya batasan-batasan dalam pembahasannya yaitu:

1. Kontroler yang digunakan adalah kontroler fuzzy.

2. Didalam tesis ini tidak dibahas tentang pembuatan system fisik dan keuntungan secara ekonomis dari penerapan kontroler logika fuzzy ini.

1.4 Tujuan Penelitian

Kendali logika fuzzy bekerja membantu untuk memperbaiki kinerja sistem pengendalian oleng kapal dengan menggunakan kontroler fuzzy.

2. TinjauanTeori

2.1 Model Dinamika Kapal

Kapal dianggap sebagai benda tegar, sehingga jarak antar setiap titik pada kapal tidak berubah selama proses pergerakannya. Untuk menjelaskan gerak kapal pada permukaan laut (Gambar 1) dapat digunakan persamaan enam derajat kebebasan (6dof) yaitu :

ƒ Gerakan arah depan-belakang (surge) ƒ Gerakan arah atas-bawah (heave) ƒ Gerakan arah samping kiri-kanan (sway) ƒ Gerakan berputar pada sumbu

depan-belakang (roll)

ƒ Gerakan berputar pada sumbu atas-bawah (yaw)

ƒ Gerakan berputar pada sumbu samping kiri-kanan (pitch)

Gambar 1. Enam derajat kebebasan

untuk kapal permukaan

Gambar 2. Variabel dan sistem koordinat gerak

kapal

Gambar 2 menunjukkan variabel dan sistem

koordinat gerak kapal.

Berdasarkan hukum Newton kedua, maka dapat

dijelaskan :

) ( ) ( r I k q I j p I i dt d N k M j K i Momen w k v j u i dt d m Z k Y j X i Gaya z y x ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ + + = + + = + + = + + = r r r r r r

(1)

Dengan X,Y dan Z adalah gaya yang bekerja

pada sumbu x, y dan z serta K, M, N adalah

momen yang bekerja pada sumbu x, y dan z

secara berurutan. Sehingga terdapat tiga

perhitungan gaya pada persamaan (2) dan tiga

perhitungan momen pada persamaan

berikutnya.

Vektor orientasi posisi

η

pada frame inersia

adalah :

η

[

x

y

z

φ

θ

ψ

]

T

Δ

=

(2)

Vektor kecepatan linier-angular pada frame

badan kapal :

[

]

T

r

q

p

w

v

u

Δ

=

ν

(3)

Vektor gaya dan momen

τ

didefinisikan

sebagai berikut :

[

]

T

N

M

K

Z

Y

X

=

τ

(4)

Nilai heave dan pitch cenderung

diabaikan dibandingkan dengan gerak lainnya

sehingga pemodelan gerakan kapal dapat dilihat

sebagai benda dengan 4 derajat kebebasan

(4dof) yaitu : surge, sway, yaw dan roll. Oleh

karena itu pendekatan berikut dapat dilakukan :

φ

ψ

φ

cos

r

p

=

=

• •

(5)

Dengan 4 derajat kebebasan maka persamaan

gerak menjadi :

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

−

+

+

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

• • • •

ur

mx

ur

mz

mur

pr

z

r

x

vr

m

N

K

Y

X

r

p

v

u

M

G G G G 2

(

⎥

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

−

−

=

zz G xx G G G

I

mx

I

mz

mx

mz

m

m

M

0

0

0

0

0

0

0

0

(6)

m = bobot kapal Ixx = inersia pada sumbu x

Izz = inersia pada sumbu z G

x

dan

z

_G adalah koordinat dari titik berat kapal (center of gravity/CG)

2.2 Model Kapal Patroli Cepat ( FPB-57)

Berdasarkan teori linier, bahwa respon harmonik kapal x(t) proporsional terhadap amplitudo gaya eksitasi yang sama, tetapi menghasilkan sudut fase yang berbeda. Persamaan gerakan dari kapal perairan lepas yang diturunkan dari hukum Newton kedua tentang gaya, secara umum dapat ditulis :

(7)

2.3 DINAMIKA GERAK OLENG KAPAL

Suatu kapal jika berada di air, bisa diibaratkan secara sederhana adalah sebuah benda apung dalam posisi awal tegak, dimana jika pada air terjadi gangguan (gelombang air) dan mengenai benda apung tersebut, maka benda itu akan mengalami suatu pergerakan.

Pergerakan tersebut bisa mengakibatkan benda apung itu tidak berada pada posisi tegaknya lagi. Kemampuan suatu benda apung untuk kembali pada posisi tegaknya itu dinamakan stabilitas.

2.4

Teori Logika Fuzzy

Konsep teori fuzzy diperkenalkan oleh Lotfi A Zadeh pada tahun 1965 untuk mempresentasikan dan menganalisa fenomena-fenomena di alam nyata yang serba samar atau tidak tepat ditinjau dari cara berfikir manusia mengenai fenomena-fenomena tersebut.

Pada dasarnya logika manusia dalam pengenalan atau pendekatan terhadap suatu obyek, selalu didasarkan pada klasifikasi secara kualitatif atau sering disebut sebagai terminology linguistik. Contohnya, manusia diklasifikasikan dengan variabel linguistik besar, sedang, kecil, tinggi, pendek dan sebagainya. Sifat

kebenaran yang dikandung oleh suatu variable linguistik tersebut adalah samar / kabur, karena batas antara kebenaran yang satu dengan kebenaran yang lain tidak tegas atau tidak jelas.

Sebagai contoh : suatu pernyataan menyebutkan “ Seandainya cuaca cerah, saya akan sering berolah raga”. Seberapa cerah dan seberapa sering, hal itu sulit untuk dibuat batasan dengan dasar-dasar kuantitatif. Jika cerah dikatagorikan sebagai kondisi langit yang terang dengan tidak ada awan sama sekali, lalu bagaimana dengan kondisi langit yang sekitar 1-5% berawan, apakah bisa dikatagorikan tidak cerah. Hal tersebut tidak dapat dibenarkan karena pada dasarnya selisih 1-5% berawan tidak dapat dijadikan suatu batasan untuk tidak dikatakan cerah. Sehingga semua pernyataan tersebut dapat diterima oleh logika tanpa memperhitungkan batas-batas kondisi sebenarnya. Kebenaran inilah yang disebut dengan kebenaran fuzzy.

Konsep kekaburan dan ketidakpastian tersebut yang melatarbelakangi konsep logika fuzzy. Ide awalnya adalah bagaimana cara menyajikan kekaburan. Penyajian tersebut harus cukup menggambarkan kekaburan tetapi di lain pihak harus cukup sederhana sehingga komputasinya lebih mudah. Logika fuzzy atau logika kabur adalah metodologi untuk menyatakan hukum operasional dari suatu sistem dengan ungkapan-ungkapan bahasa (variabel linguistik), bukan dengan persamaan matematis.

Banyak sistem yang terlalu kompleks untuk dimodelkan secara akurat, meskipun dengan persamaan yang kompleks. Dalam kasus semacam ini, ungkapan bahasa yang digunakan dalam logika fuzzy dapat membantu dalam mendefinisikan karakteristik operasional sistem dengan lebih baik. Variabel linguistik tersebut merubah sinyal-sinyal yang berupa variabel numerik crisp, diubah kedalam suatu pernyataan yang menggambarkan kekaburan dan ketidakjelasan batasan-batasan suatu kebenaran.

3. METODA PENELITIAN

Penelitian ini dilaksanakan melalui proses identifikasi. Selanjutnya menentukan parameter kontroler untuk memperoleh respon sistem yang sesuai dengan spesifikasi desain yang diinginkan. Setiap sistem kontrol mempunyai persyaratan bahwa sistem harus stabil. Jadi sistem harus menunjukkan kecepatan respon yang cukup cepat, peredaman dan kestabilan yang layak, serta ketelitian yang dapat dipenuhi pada keadaan mantap (steady state). Persyaratan tersebut cenderung tidak dapat dipenuhi bersama-sama (Ogata, 1993). Untuk itu diperlukan desain dan analisis dalam sistem kontrol untuk melakukan kompromi yang efektif dalam pemenuhan persyaratan tersebut.

3.1 Identifikasi dan Formulasi Permasalahan

Pada tahap ini dilakukan identifikasi permasalahan yang terjadi dalam desain kontroler fuzzy. Tujuan dari identifikasi sistem ini adalah untuk mendapatkan karakter dinamis dari suatu plant.

Plant yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan data yang didapatkan dari hasil rekaman sudut oleng kapal FPB-57. FPB-57 (Fast Patrol Boat) yang merupakan kapal klasifikasi sedang dengan kecepatan maksimal 30 knot. FPB-57 termasuk kapal perang di

)

(

)

(

)

(

)

(

t

B

x

t

Cx

t

F

t

x

samping juga untuk pengangkutan penumpang, sehingga dibutuhkan kondisi nyaman dalam menjalankan tugas-tugasnya. Algoritma kontrol konvensional akan selalu membutuhkan adanya model dari plant yang akan dikendalikan agar bisa mencari parameter-parameter kontrolernya (Santoso Ari,2002)

3.2 Perancangan Parameter Plant

Model dinamik gerakan rolling kapal adalah gerakan harmonis, yang merupakan sistem orde dua dari mass-spring-system. Model dinamik gerakan rolling kapal dari persamaan 7 dapat ditulis kembali :

(7 ) di mana MW adalah gaya gelombang yang membangkitkan

momen rolling sebagai masukan, dan keluarannya adalah fase rolling (x4 = ∅ ), (I44 + a44 ), b44 dan c44 masing

masing koefisien added mass, damping dan restoring. Dalam keadaan normal, setting point (referensi) diset pada keadaan nol derajat. Untuk beban beban berpindah digunakan persamaan 8 :

rxF

=

τ

(8 )

Momen roll untuk meredam gerakan roll kapal beban berpindah :

τ

=

= rF

M

B ( 9 )

di mana rF identik dengan sehingga jika disubtitusikan persaman 7 menjadi :

(10)

4. Hasil Pengukuran Dinamika Plant

Plant yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan data yang didapatkan dari hasil rekaman sudut oleng kapal FPB-57. FPB-57 (Fast Patrol Boat) yang merupakan kapal klasifikasi sedang dengan kecepatan maksimal 30 knot. FPB-57 termasuk kapal perang di samping juga untuk pengangkutan penumpang, sehingga dibutuhkan kondisi nyaman dalam menjalankan tugas-tugasnya.. Dalam MATLAB data akan dibuat analisis dalam desain kontrol fuzzy. Seperti telihat pada gambar 4.1 menunjukkan output program dan menampilkan menu-menu yang ada. Terdapat 5 menu-menu antara lain :

1. Identifikasi 2. Open Loop 3. Running 4. Help 5. Exit

Hasil pengujian Matlab seperti pada Gambar 4.1 dibawah ini.

Gambar 4.1 Hasil Tampilan dalam Matlab

Hasil rekaman data kapal FPB-57 pada penelitian sebelumnya (Kunto, 1998) dan ( Sutrisno Imam, 2005) digunakan dalam penelitian ini yaitu data sudut oleng kapal tehadap waktu pada kecepatan 27 knot ditunjukkan pada gambar 4.2. Dalam Matlab grafik gambar 4.2 akan muncul kalau pada menu disorot peintah identifikasi. Pada gambar 4.2 terlihat bahwa ada beberapa titik pada data sudut oleng kapal melebihi 10 derajat.

Gambar 4.2. Gambar output gerakan kapal

Setelah di identifikasi terlihat dalam gambar 4.3 di bawah ini.

Gambar 4.3. Gambar Identifikasi Gerakan Kapal

Gambar 4.4 menunjukkan hasil running program yang terdapat pada lampiran.

5. Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan :

1. Kendali fuzzy bekerja membantu untuk meminimalkan overshoot yang terjadi.

2. Desain sistem ini sistem kendali secara keseluruhan dapat menghasilkan respon sistem yang baik. Hal ini terbukti bahwa amplitudo tidak melebihi 10 derajat. 3. Kemampuan peredaman oleng kapal dapat

ditingkatkan menggunakan kontroler fuzzy.

Saran :

Pada penelitian selanjutnya dapat direalisasikan penggunaan beban berpindah pada plant yang riel.

W F

M

Lr

x

c

x

b

x

a

I

₄₄

+

₄₄

)

₄

+

_{44 4}

+

_{44 4}

−

=

(

&&

&

B

M

Fr

x

c

x

b

x

a

I

₄₄

+

₄₄

)

₄

+

_{44 4}

+

_{44 4}

−

=

(

&&

&

F

Lr

Daftar Pustaka

:

Kunto Eko Susilo(1998), Desain Pengendalian PID Self Tunning pada Sistem Pengendalian Oleng Kapal dengan Penstabil Sirip (Fins), Tesis, Teknik Elektro, ITS, Surabaya.

Kusumah Bayu Angga dkk (2009), Perencanaan dan Pembuatan Kapal Untuk Pemodelan Kapal, Project Work, PPNS, Surabaya.

Lloyd ARJM (1998), SEAKEEPING : Ship Behaviour in Rough weather, RPM Reprographics, Chichester, Sussex, United Kingdom.

Ogata Katsuhito (1993), Ir. Edi Leksono, Teknik Kontrol Otomatik , jilid I , Penerbit Erlangga, Jakarta.

Ogata Katsuhito (1993), Ir. Edi Leksono, Teknik Kontrol Otomatik , jilid II , Penerbit Erlangga, Jakarta.

Pasino Kevin M(1998), Fuzzy Control, Addison Wesley.

Rumiyarto Teguh (2005), Prediksi Posisi menggunakan Filter Kalman sebagai Dasar Penentuan Pengarahan Meriam, Tugas Akhir, STTAL.

Shahian Bahram & Hassul Michael(1993), Control System Design Using Matlab, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliff, New Jersey.

Sutrisno Imam (2005), Perancangan Sistem Pengendalian Oleng Kapal Patroli FPB-57 dengan Penstabil Sirip (Fins) menggunakan Teknik Self OrganizingCorridore Function Adaptif Neuro Fuzzy, Tesis, Teknik Elektro, ITS, Surabaya.

Lampiran