Abstrak— Hybrid Electric Vehicle (HEV) merupakan teknologi yang menggabungkan kinerja mesin bakar dan motor listrik, sehingga mampu meminimalkan penggunaan bahan bakar dan emisi yang dihasilkan kendaraan. Pembagian kinerja antara mesin bakar dan motor listrik sangat diperlukan terutama pada saat mesin mengalami akselerasi, karena perubahan kecepatan menjadi tinggi membutuhkan tenaga yang lebih banyak dibandingkan dengan kecepatan biasa. Untuk mengatasi hal ini dibutuhkan kontroler yang dapat mengatur rasio tenaga mesin bakar dan motor listrik ke roda, sehingga sesuai dengan performa yang diinginkan. Sliding Mode Control merupakan metode yang mampu mengatasi perubahan yang mengganggu pada sistem, tanpa menyebabkan gangguan pada performa sistem. Pada Tugas Akhir ini didesain kontroler Sliding Mode yang dapat mengatur kinerja motor listrik sehingga dapat membantu kinerja motor bakar pada saat proses akselerasi.
Desain kontroler disimulasikan pada simulator HEV.
Berdasarkan hasil pengujian, sistem pengaturan dengan kontroler sliding mode dapat memperbaiki respon sehingga motor DC dapat membantu kinerja mesin bakar dengan ditunjukkan adanya perbedaan rise time sebesar 0,73 dengan menggunakan kontroler, sebelum menggunakan kontroler sebesar 0,84.
Kata Kunci—Hybrid Electric Vehicle, Pengaturan Akselerasi, Sliding Mode Control
I. PENDAHULUAN
ybrid Electric Vehicle (HEV) merupakan salah satu teknologi yang saat ini banyak dikembangkan untuk mengatasi permasalahan yang ada. HEV pada dasarnya merupakan kombinasi dari motor bakar dan motor listrik.
Motor listrik berperan membantu motor bakar mencapai torsi dan akselerasi sesuai dengan yang diinginkan. Sehingga untuk torsi dan akselerasi yang sama, HEV menggunakan motor bakar dengan kapasitas yang lebih kecil dibandingkan dengan kendaraan pada umumnya. Oleh karena itu dalam HEV penggunaan bahan bakar dan hasil gas buang dapat diminimalisasi.
Sliding Mode Control (SMC) merupakan sebuah pengaturan umpan balik pensaklaran berkecepatan tinggi (high speed switching feedback control) yang efektif dan kokoh dalam mengendalikan sistem linier maupun non-linier. Sistem pengaturan ini kokoh karena menyediakan sebuah metode perancangan sistem yang tidak peka pada ketidakpastian parameter lingkungan dan gangguan dari luar. Selain itu, SMC mampu mengatasi perubahan yang mengganggu pada sistem,
tanpa menyebabkan gangguan pada performa sistem itu sendiri. Struktur SMC terdiri dari bagian utama yang berfungsi memperbaiki sinyal error dengan mengarahkan sinyal tersebut pada sebuah lintasan yang diinginkan dan bagian tambahan yang berfungsi untuk mempertahankan sinyal.
Pada penelitian sebelumnya dilakukan pengaturan akselerasi berbasis neuro fuzzy dan hasil yang didapatkan traksi kontrol mampu mengontrol pemberian torsi tambahan motor listrik terhadap mesin bakar, saat mesin bakar diberi beban diatas beban nominal. Namun masih terjadi osilasi, saat kecepatan aktual mengikuti trayektori model referensi.
Pada Tugas Akhir ini difokuskan pada pengaturan akselerasi pada HEV, dimana antara motor bakar dan motor listrik dapat bersinergi dengan baik dalam meningkatkan performansi. Sehingga dibuat kontroler dengan metode SMC yang dapat mengatur akselerasi, dalam hal ini torsi yang diberikan motor listrik diatur sehingga mampu membantu mesin bakar dalam menanggung beban yang diberikan.
II. DASARTEORI A. Simulator HEV
Plant yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah Simulator HEV. Simulator ini merepresentasikan kondisi nyata kendaraan hybrid tetapi dalam skala yang lebih kecil.
Simulator HEV pada dasarnya merupakan gabungan kinerja antara mesin bakar dan motor DC. Putaran maksimal mesin bakar jauh lebih tinggi dibandingkan motor DC. Oleh karena itu untuk menyamakan kecepatan sudut antara mesin bakar dan motor DC maka diberikan transmisi gear yang digunakan untuk mereduksi kecepatan mesin bakar. Beban yang digunakan dalam Tugas Akhir ini berupa rem magnetik yang menghasilkan torsi lawan terhadap torsi mesin bakar, ditempatkan terhubung pada satu poros yang sama dengan poros motor DC. Konfigurasi perangkat keras dari simulator HEV dapat ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Konfigurasi Perangkat Keras dari Simulator HEV
Desain dan Implementasi Kontroler Sliding Mode untuk Pengaturan Akselerasi pada Simulator Hybrid Electric
Vehicle
Suci Endah Sholihah, Mochammad Rameli, dan Rusdhianto Effendie A.K
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
H
Simulator HEV yang digunakan dalam Tugas Akhir ini ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Simulator HEV
B. Metode Identifikasi Harriot [1]
Harriot merupakan salah satu metode identifikasi sistem yang menggunakan pedekatan orde dua, dengan kemungkinan adanya time delay. Model plant hasil identifikasi metode Harriot diberikan pada persamaan (1).
(
H) (
H)
TDHsH e
s s
s K
G −
+ +
= +
1 ) 1
(
2
1 τ
τ
Respon dari sistem yang dapat diplot terhadap
2
1 H
t τ
H+ τ
untuk berbagai rasio dariτ
2τ
1. Kemudian ditentukan waktu saat respon mencapai 73% dari yss, di mana2
1 H
t τ
H+ τ
mendekati nilai 1,3. Pengukuran waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai 73% dari nilai akhir t73, ini dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil dari konstanta dapat dihitung pada (2):( )
3 . 1
73 2 1
t
H
H +τ =
τ
Gambar 2. Respon Step dari Sistem dengan Menandai
t
1dant
73Nilai respon
t
1pada saat t (τ
H1+τ
H2)=0,5dapat ditentukan dari data pada Gambar 2 dan nilai dari) (
H1 H2t τ + τ
dapat ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Nilai Respon t1dari Data yang Didapat
Jika respon kurang dari 0,26 atau lebih besar dari 0,39 maka metode ini tidak dapat digunakan pada sistem tersebut.
Pada umumnya itu menunjukkan bahwa proses membutuhkan model yang lebih tinggi dibandingkan dengan orde dua atau underdamp. Time delay
T
dH dapat ditentukan dari (3):70 33 0,937 937
,
1 t t
TdH = −
Dalam kasus lain
T
dH< 0, maka time delay tidak dimasukkan dalam transfer function.C. Sliding Mode Control (SMC) [3]
SMC merupakan salah satu teknik pengaturan untuk sistem linier maupun non-linier yang termasuk dalam kategori kendali umpan balik yang memiliki pensaklaran berkecepatan tinggi (high speed switching feedback control)[2]. Metode pengaturan yang dilakukan adalah dengan memaksa trayektori state suatu sistem untuk menuju ke dalam sebuah permukaan luncur tertentu. Setelah sampai pada permukaan luncur tertentu, sinyal kontrol akan berusaha mempertahankan trayektori state tetap berada pada permukaan luncur. Sinyal kontrol yang pertama adalah sinyal kontrol ekivalen yang berfungsi untuk membawa status trayektori menuju permukaan luncur (ueq) dan sinyal kontrol yang kedua adalah sinyal kontrol natural yang berfungsi untuk mempertahankan status trayektori agar tetap berada di sekitar permukaan luncur (un). Sinyal kontrol total merupakan penjumlahan dari dua sinyal kontrol tersebut dan dapat ditulis pada (3):
n
eq u
u t
u
( ) = +
Persamaan state suatu sistem dapat dituliskan pada (4) dan (5):
n eq
n eq
Bu Bu Ax x
u u B Ax x
+ +
=
+ +
=
( )
Pada saat status trayektori tidak berada pada permukaan luncur (σ(x) tidak bernilai 0), nilai σ(x) > 0 ketika status trayektori berada di atas permukaan luncur sedangkan nilai σ(x) < 0 ketika status trayektori berada di bawah permukaan luncur. Untuk keadaan ini, dapat juga dituliskan bahwa : (1)
(2)
(3)
(3)
(4) (5)
0 ) (
0 0 ) (
= + +
=
=
N eq
x Bu Bu
A S
x S
x
σ
Pada perhitungan sinyal kontrol ekivalen, sinyal kontrol natural dianggap nol, sehingga :
SAx SB u
SAx SBu
SBu SA
eq eq
eq x
)1
( 0
− −
=
−
=
= +
Perhitungan sinyal kontrol natural :
N
N N
N N
eq
SBu x
SBu SAx SAx x
SBu SAx SB SB SAx x
SBu SAx SB SB SAx x
SBu SBu SAx x
=
+
−
=
+
−
=
+
− +
=
+ +
=
−
−
) (
) (
) ( )
(
) ) ( )
( ) (
1 1
σ σ σ σ σ
Untuk mempertahankan trayektori state tetap berada pada permukaan luncur, maka syarat kestabilan Liapunov harus terpenuhi [5] :
0 ) ( )
( x × x σ <
σ
sehingga :
1. Pada saat σ(x) < 0 maka haruslah turunan σ(x) > 0 2. Pada saat σ(x) > 0 maka haruslah turunan σ(x) < 0 maka dapat dipilih :
)) ( ( )
(x W sat σ x σ =− ⋅
dimana W > 0, dengan demikian dari Persamaan (2.16) :
)) ( ( )
(
)) ( (
1W sat x
SB u
x sat W SBu
N N
σ σ
⋅
−
=
⋅
−
=
−
maka sinyal kontrol total adalah :
)) ( ( )
( )
(SB 1SAx SB 1W sat x u
u u
u eq N
σ
⋅
−
−
= +
=
−
−
III. PERANCANGANSISTEM A. Identifikasi Plant
Proses identifikasi pada Tugas Akhir ini dilakukan secara open loop dan statis dengan memberikan sinyal step dan melihat respon dari kecepatan putar. Sinyal uji step diberikan secara manual melalui auto transformator, kemudian hasil respon plant yang terbaca oleh tacho generator ditampilkan dalam komputer melalui proses akusisi data dengan mikrokontroler arduino. Diagram Blok dari plant ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3. Diagram Blok Plant B. Identifikasi Mesin Bakar
Proses identifikasi dilakukan secara statis dan open loop menggunakan metode Harriott dengan memberikan sinyal uji step kecepatan putar sebesar 4900 Rpm. Identifikasi dilakukan dengan 2 metode pembebanan yaitu minimal dan nominal.
Hasil keluaran yang didapatkan adalah respon kecepatan putar dari mesin bakar. Proses pengambilan data menggunakan software LabVIEW 2011 dengan waktu sampling sebesar 10 milidetik. Hasil identifikasi untuk beban minimal ditunjukkan oleh Gambar 4.
Gambar 4. Respon Mesin Bakar untuk Beban Minimal
Identifikasi dilakukan dengan perhitungan metode Harriot, maka didapatkan model matematika dari mesin bakar sesuai persamaan (10).
( )
0.036 0.518 1 774 . 02+ +
= s s
s G
Berikutnya diberikan beban nominal pada plant mesin bakar, dan didapatkan hasil respon seperti Gambar 5.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Gambar 5. Respon Mesin Bakar dengan Beban Nominal
Setelah dilakukan penghitungan dengan metode Harriot didapatkan model matematika sesuai persamaan (11).
C. Identifikasi Motor Listrik
Proses identifikasi untuk plant motor DC dilakukan sama dengan metode untuk mengidentifikasi mesin bakar. Dari grafik respon sistem yang didapatkan melalui proses akusisi data seperti yang ditampilkan pada Gambar 6 dan dilakukan penghitungan sesuai dengan aturan Harriot. Didapatkan model matematika sesuai dengan persamaan (12).
1 122 , 1 235 , 0
519 , ) 1
( = 2 + +
s s s
G
Gambar 6. Respon Motor DC dengan Input Sinyal Step
D. Perancangan Kontroler
Perancangan kontroler dilakukan setelah proses identifikasi dilakukan, hal ini dikarenakan beberapa parameter sudah dapat diketahui dari proses tersebut. Model berupa fungsi penghantar plant beban nominal pada persamaan (12) akan dimisalkan menjadi suatu fungsi penghantar dengan variabel yang ditunjukkan pada persamaan (13).
1 )
( ) ) (
( 2
+
= +
= as bs
K s
U s s Y G
Dengan,
K =1,519 b = 1,122 a = 0,235 c = 1
Model tersebut dapat juga direpresentasikan dalam bentuk persamaan state :
r r ba r ca u Ka x x ba ca x
x
+
+
+
+
−
= −
1 0 0 0 0
1 0
2 1 2
1
Didefinisikan suatu permukaan luncur : 0
: e+ e=
s
α
σ
0 : x1+ x2 =
s α
σ
Dengan
α > 0
. Maka didapat sinyal kontrol ekivalen : ra r b cr x b a cx
Kueq=− 1+(
α
+ ) 2+ + + Dan sinyal kontrol natural :) (σ sat KW un = a ⋅
Dengan W
> 0
Persamaan (4.4) dan (4.5) merupakan persamaan diferensial untuk sinyal kontrol ekivalen dan natural yang nantinya akan didesain pada diagram blok program kontroler. Sinyal kontrol total merupakan hasil penjumlahan dari sinyal kontrol ekivalen dan sinyal kontrol natural.
IV. SIMULASI
Pada bagian ini kontroler telah didesain akan disimulasikan menggunakan Matlab 2010b, diagram blok ditunjukkan pada Gambar 7, kemudian diuji dengan diberikan pembebanan.
Diagram blok kontroler dan hasil uji pembebanan sistem pengaturan akselerasi dengan kontroler sliding mode pada program simulasi menggunakan MATLAB 2010b ditunjukkan oleh Gambar 8.
Gambar 7. Diagram Blok Kontroler SMC
Kontroler SMC ini didesain agar memiliki respon yang sama dengan model referensi, yang dibuat sesuai dengan hasil yang kita inginkan. Gambar 8 menunjukkan sinyal kontrol yang berhasil memaksa trayektori lebih cepat menuju sliding surface yang nantinya dibawa menuju titik origin.
Gambar 8. Sinyal Kontrol yang Dihasilkan oleh SMC (11)
(12)
(13)
Hasil dari kontroler SMC ditunjukkan pada Gambar 9.
Dapat dilihat sistem mampu mengikuti set point sinyal step dengan amplitudo 3500 rpm dan respon mesin bakar sebelum dibantu motor DC tidak dapat mengikuti nilai set point yang diberikan. Kontroler ini dikatakan dapat bekerja dengan baik, karena jika dilihat dari tr yang dicapai plant tanpa kontroler sebesar 0,84 namun ketika menggunakan kontroler tr yang dicapai sebesar 0,73.
Gambar 9. Respon Sistem dengan Input Sinyal Step
Respon hasil kontroler sudah mampu mencapai nilai steady state, namun pada nilai tersebut terdapat ripple sebesar
% 006 ,
±0 . Ripple tersebut menandakan bahwa pada respon terjadi fenomena chattering, tetapi bernilai kecil. Konsep kontroler Sliding mode adalah membawa trayektori dalam sliding surface menuju titik origin (0,0). Pada simulasi ini perjalanan trayektori menuju titik origin (0,0) memerlukan hitting time yang besar untuk sistem mengenai permukaan luncur, ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8 Trayektori Sistem SMC
Pada Gambar 9 ditunjukkan respon sistem terhadap sinyal sinusoidal. Dapat dilihat respon hasil kontroler dapat melakukan tracking terhadap sinyal referensi, sehingga kontroler SMC dapat dikatakan bekerja dengan baik.
Gambar 9. Respon Sistem dengan Input Sinyal Sinusoidal
V. KESIMPULAN
Dari hasil analisis terhadap simulasi yang telah dilakukan pada pengerjaan Tugas Akhir ini, diperoleh beberapa kesimpulan :
1. Kontroler sliding mode mampu memperbaiki respon sistem yang ditunjukkan dengan perbandingan rise time respon baik sebelum dan sesudah diberi kontroler yaitu sebesar 0,84 saat sebelum dan 0,73 saat sesudah.
2. Permasalahan Hitting time pada SMC belum bisa diatasi. Itu dapat dilihat pada Gambar 8 dimana waktu yang diperlukan sistem untuk mengenai permukaan luncur membutuhkan waktu yang lama.
3. Kontroler SMC dapat memperbaiki respon sistem, dapat dilihat dari nilai error steady state sebesar 0,5%
pada respon pembebanan pada sistem.
DAFTARPUSTAKA
[1] Ing. Pavel Jacoubek, “Experimental Identification of Stabile Nonoscillatory Systems from Step-Responses by Selected Methods”, Konference Studenske Tvuurci-Cinnosti, 2009
[2] Utkin, Vadim I, “Sliding Modes in Control and Optimization”, Spinger – Verlag, Berlin, 1992
[3] Naif B. Almutairi, Mohamed Zribi,“Sliding Mode Control of Coupled Tanks”, College of Engineering and Petroleum, Kuwait University, Sciencedirect, 2006.
[4] Ogata, K., “Modern Control Engineering”, Prentice-Hall Inc, 1970
