RANCANG BANGUN SISTEM SUSPENSI SEMI AKTIF SEPEREMPAT KENDARAAN MENGUNAKAN KONTROL ADAPTIF

49

RANCANG BANGUN SISTEM SUSPENSI SEMI AKTIF SEPEREMPAT KENDARAAN

MENGUNAKAN KONTROL ADAPTIF

Mukhlas Prastya

S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya e-mail : muklas.pras@gmail.com

M. Syariffuddien Zuhri

S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya e-mail : zuhri.syarif@gmail.com

Abstrak

Dalam sistem suspensi kenyamanan akan semakin meningkat apabila percepatan pada badan kendaraan semakin mengecil, untuk itu dibutuhkan suatu pengendalian pada suspensi agar dapat mengisolasi getaran yang dialami badan kendaraan yang disebabkan oleh ketidakrataan permukaan jalan. Pada penelitian ini akan dirancang suatu kontrol adaptif kasus regulator melalui metode Direct Response Frequency untuk pengendalian suspensi. Dengan design tersebut pada uji model dengan magnitudo gangguan kurang dari 30 Cm dan frekuensi kerja kecil dari 1500 rad/sec, system mampu meredam magnitudo gangguan sampai dengan 0.2 % dan osilasi getaran kurang dari 1.5 detik. Hal ini dibuktikan dengan memperlihatkan hasil pengujian bentuk gelombang simpangan yang dirasakan oleh penumpang kendaraan (Z3) dengan menggunakan kontroler dan membandingkanya dengan tampa menggunakan kontroler untuk gangguan yang sama.

Kata Kunci: Suspensi Semi aktif, Kontrol Adaptif Kasus Regulator, Direct Response Frequency.

Abstract

In the comfort of the suspension system will increase if the acceleration of the vehicle body is much smaller, for it takes a control on the suspension to isolate the vibrations experienced by the vehicle body caused by unevenness of the road surface . In this study we will design an adaptive control case the regulator through a method of Direct Response Frequency for suspension control . With the design of the test model with a magnitude of disturbance of less than 30 cm and smaller working frequency of 1500 rad/sec , the system is able to reduce the magnitude of the disturbance up to 0.2 % and the oscillation vibrations of less than 1.5 seconds. This is evidenced by the results of the test showed deviation waveform felt by the passenger vehicle ( Z3 ) using the controller and contrasting with without using a controller for the same disorder .

Keyword : Semi active suspension, Adaptive control, Regulator case, Direct response frequency..

PENDAHULUAN

Untuk model suspensi semi aktif dalam rangka memperkecil osilasi yang terjadi pada kendaraan, telah banyak usaha yang dilakukan para ahli bidang otomtif seperti yang dilakukan oleh Supaput Chantranutwathana dan Hui Peng dalam tulisannya yang berjudul Adaptive Robust Control for Active Suspension, Andrew Allyne dengan Judul Non Linier adaptive control of Active suspensions, Demikian juga dengan Kihong Park dan Seung Jin Heo [1977] melakukan studi semi aktif model seperempat kendaraan dengan menerapkan beberapa model pengendalian redaman dengan fokus pada jenis jalan bump, kesimpulan dari tulisan tersebut adalah bahwa kontrol loop tertutup pada sistem pengendalian redaman dapat diterapkan untuk memenuhi standart yang telahditetapkan.

Namun terlepas daripada itu untuk kondisi permukaan jalan yang bervariasi dan kendaraan melaju dengan kecepatan tinggi, maka untuk kondisi tersebut dibutuhkan suatu kontroler suspensi yang dapat beradaptasi terhadap perubahan kondisi jalan dan kecepatan kendaraan.

Pada penelitian ini akan dilakukan pemodelan kondisi jalan yang variatif dan merubah fungsi frekuensi dan model refrensi yang artinya memberikan perubahan kecepatan pada kendaraan, sehingga diperoleh suatu besaran redaman damper yang bernilai variabel. Besar redaman pada damper tersebut akan dikendalikan oleh sebuah kontroler untuk mengatur aliran fluida damper untuk interval kendaraan yang ditapkan. Adapun kontroller yang akan didesain untuk dapat menjawab persoalan tersebut adalah model kontrol adaptif kasus regulator berbasis respon frekuensi.

KAJIAN PUSTAKA

Suspensi seperempat kendaraan

Dalam menganalisa getaran yang terjadi dalam kendaraan, yang pertama yang dilakukan adalah permodelan dari sistem suspensi (Plant) yang akan didesain. Dalam hal ini yang akan digunakan adalah model seper-empat kendaraan dengan asumsi dua derajat vertical. Model kendaraan terdiri dari dua massa yaitu :

sprung mass dan unsprung mass. Sprung mass

sedangkan unsprung mass adalah axle pada bagian lain yang terletak diantara dua roda dan pegas suspensi. Dimana kedua arah getaran dari kedua massa tersebut dianggap sama yaitu hanya dari arah vertical.

Gambar 1. Suspensi seperempat kendaraan

Model Matematika Suspensi Seperempat Kendaraan

Gambar 2. Blok diagram gaya yang dialami sprung mass Keterangan gambar:

Mm : sprung mass Mb : unsprung mass

K1 : Kekakuan pegas suspensi K2 : Kekakuan pegas ban W : Gaya eksitasi jalan b1 : Konstanta redaman suspensi b2 : Konstanta redaman ban X1 : Simpangan sprung mass X2 : Simpangan unsprung mass F1 = F1k2(X2X1) F2 = 2( 2 1)   X X b F3 = ) ( 2 1 2 X X dt d b  2 1 2 1 2 F F dt X d Mm           _{2 2 2 1 2} 2 _{2 1} 1 k X kX b X b X X Mm 2 1 4 3 2 2 2 F F F F dt X d Mb     212 2 1 2 22 1 2 11 1 0      W k W b X k X b X k k X b b X Mb         2 2 2 1 2 2 2 1 1 k X kX b X b X X Mm Dengan Mendefinisikan : 2 1 X Z  maka 1 2   X Z W M b X Z b 1 2 2   _maka      W M b X Z b 1 2 2 W M b Z X b 1 2 2   maka      W M b Z X b 1 2 2 1 3 X Z  maka 3 1   X Z 1  X Z maka 4 1    X Z                     W m b W K W b X k X b X k k X b b M Z b b 1 1 1 1 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 1  b b Z k kZ bZ kZ KW M Z b 1 3 2 4 2 1 2 1 2 2 1 2 1 _{      }               1 2 2 2 1 2 2 2 1 4 1 X b X b X k X k Mm X Z   X m m b b Z b Z b Z k Z k Mm X Z b m 2 1 4 2 2 2 3 2 1 2 1 4 1 _{   }    

Dari penurunan rumusan diatas maka didapatkan persamaan state space dari model suspensi secara lengkap adalah sebagai berikut :

Dengan mendefinisikan simpangan unsprung mass 2

X

adalah sama dengan

Z

₁ dan simpangan sprung mass

X

₁ sama dengan

Z

3 dan keluarannya adalah V , maka dapat dituliskan sebagai berikut :

2

1 X

Z  dan Z3X1

maka didapat persamaan state out-put nya adalah :































































4 3 2 1 4 3 2 1

0

1

0

0

0

0

0

1

z

z

z

z

v

v

v

v

Persamaan umum state space

Bw Az z 

Cz

v



METODE PENELITIAN Parameter Plant

Tabel 1. Nilai-nilai parameter suspensi seperempat

Parameter Nilai rata-rata

Konstanta pegas roda (k1) 300000 N/m Konstanta pegas sistem

suspensi(k2) 5975 N/m

Konstanta redaman damper

ban(b1) 133.4 Ns/m

Konstanta redaman damper

variabel suspensi (b2) 0 – 3000 Ns/m Sprung mass (mm) 353 - 500 kg Unsprung mass (mb) 350 Kg Desain Kontrol PI Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka (CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426

 

W m m b b k m b Z Z Z Z m b m k m b m k m b m k m b b m k k Z Z Z Z b m b m m m m b b b b                                                                              2 1 1 1 4 3 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 4 3 2 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0

51 Ƭ = 8.4674 Ƭ* = _{𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛}Ƭ = 8.4674₂ = 4.2337 Misal Ƭ = Ƭi KP = _Ƭ∗ Ƭi_{𝑥 𝑘} = _{4.2337 X 0.8586}8.4674 = 2.33 KI = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275 Desain Kontrol PD Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka (CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426 Ƭ = 8.4674 Ƭ* = _{𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛}Ƭ = 8.4674₂ = 4.2337 Misal Ƭ = Ƭi KP = _Ƭ∗ Ƭi_{𝑥 𝑘} = _{4.2337 X 0.8586}8.4674 = 2.33 KI = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275 KD = KP X Ƭi = 2,33 X 0.275 =0.64075

Desain Kontrol PID

Input = 10 Output = 8.586 K = output / input = 0.8586 Maka(CƬ) = 0.632 x8.586 = 5.426 Ƭ = 8.4674 Ƭ* = _{𝑃𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛}Ƭ = 8.4674₂ = 4.2337 Misal Ƭ = Ƭi KP = _Ƭ Ƭi_{∗𝑥 𝑘} = _{4.2337 X 0.8586}8.4674 = 2.33 KI = KP / Ƭi = 2.33 / 8.4674 = 0.275 KD = KP X Ƭi = 2,33 X 0.275 =0.64075

HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Hasil Simulasi Tanpa kontrol

Dari hasil simulasi dilakukan untuk kondisi tanpa kontrol dimana sprung mass (Mm) yang diberikan adalah sebesar 353 kg atau dengan kata lain hanya terdiri satu penumpang pada satu kendaraan, besarnya fluktuasi simpangan sprung mass (Z3) sangat tinggi atau dengan kata lain osilasi yang terjadi sangat besar,

Gambar 3. Bentuk Gelombang Input, Z1 dan Z3, untuk b2 = 200 dan Mm = 353 kg

demikian juga halnya untuk pemberian sprung mass (Mm) sebesar 500 kg osilasi yang terjadi sangat besar bahkan melebihi osilasi yang terjadi untuk pemberian beban yang lebih kecil, dengan kata lain semakin besar sprung mass yang diberikan pada sistem maka semakin besar osilasi yang terjadi untuk kasus konstanta damper tetap.

Gambar 4. Bentuk Gelombang Input, Z1 dan Z3, untuk b2 = 200 dan Mm = 500 kg

2. Pengujian Simulasi FFT dan Identifikasi dengan ARX

Proses pengujian ini dilakukan untuk membandingkan hasil Estimasi Magnitudo dan phasa dari plant hasil identifikasi ARX, serta hasil pengidentifikasian dengan Fast Fourier Transform, dengan hasil perhitungan secara matematis. Dengan hasil perbandingan itu diharapkan dapat memberikan gambaran tentang kebenaran Proses Simulasi yang dilakukan.

Gambar 5. Merupakan Bentuk gelombang masukan (merah) untuk pengujian dimana sinyal yang yang diberikan berupa sinyal sinus dengan frekuensi 3 rad/s dan amplitudo 0.1 Cm. sedangkan biru adalah hasil identifikasi menggunakan ARX

ganguan Z3

ganguan Z3

Gambar 5. Bentuk Gelombang masukan(Merah) dan keluaran (Biru)

Gambar 6. adalah nilai keluaran frekuensi hasil identifikasi dengan menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) Dari gambar dapat terlihat bahwa sebelum 12.8 Sec proses identifikasi masih belum berlangsung. Dikarenakan data yang yang digunakan untuk proses identifikasi dengan FFT adalah 128 sample sementara time sampling yang digunakan adalah 0.1 sec untuk setiap samplingnya.

Gambar 6. Gambar Keluaran Hasil identifikasi menggunakan FFT

Dari Hasil identifikasi tersebut terlihat bahwa besar frekwensi hasil identifikasi adalah 2.95 yang artinya sudah mendekati dengan besar frekuensi sinyal input yang diberikan untuk pengujian. Atau dengan kata lain proses identifikasi frekwensi dengan menggunakan FFT dapat dikatakan sudah benar.

Gambar 7. dan 8. adalah gambar hasil Estimasi frekuensi respon yang merupakan suatu teknik perhitungan magnitude dan phasa dari plant hasil identifikasi ARX dengan memberikan frekuesi kerja hasil identifikasi oleh FFT dengan menggunakan teknik Bode diagram.

Dari Gambar terlihat bahwa setelah proses identifikasi berlangsung yakni setelah proses berlangsung lebih dari 12.8 Sec maka besarnya Magnitudo adalah antara 9.5 dan 9.7

Gambar 7. Nilai Estimasi Magnitudo dari Pant hasil identifikasi dengan -16.7 rad/s.

Gambar 8. Nilai Estimasi Phasa dari Pant hasil identifikasi

3. Pengujian Dengan Kontrol PI

Setelah kita menemukan nilai KP dan KI maka kita bisa lihat hasil respon kontroler PI pada gambar 9. dan 10.

Gambar 9. Hasil uji Kontroler PI dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300 kg

Gambar 10. Hasil uji Kontroler PI dengan ganguan 10 cm dengan mm= 500 kg

4. Pengujian Dengan Kontrol PD

Setelah melakukan perhitungan diatas maka kita dapatkan nilai KP dan nilai KD maka kita bisa melakukan pengujian kontroler PD. Hasil pengujian kontrol PD dapat kita liahat pada Gambar 11. dan Gambar 12.

Gambar 11. Hasil uji Kontroler PD dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300 kg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Waktu M a g n it u d o    0 5 10 15 20 25 30 -1 0 1 2 3 4 5 Waktu M ag ni tu do 0 5 10 15 20 25 30 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Waktu P ha sa [R ad /s ] ganguan Z3 ganguan Z3 ganguan Z3

53 Gambar 12. Hasil uji Kontroler PD dengan ganguan 10

cm dengan mm= 500

5. Pengujian Dengan Kontrol PID

Setelah melakukan perhitungan diatas maka kita dapatkan nilai KP, nilai KD dan nilai KI maka kita bisa melakukan pengujian kontroler PID. Hasil pengujian kontrol PID dapat kita liahat pada Gambar 13. dan Gambar 14.

Gambar 13. Hasil uji Kontroler PID dengan ganguan 10 cm dengan mm= 300

Gambar 14. Hasil uji Kontroler PID dengan ganguan 10 cm dengan mm= 500

6. Pengujian Dengan Kontroler Adaptif Dengan Direct Response Freqwensi

Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan massa 353 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.

Gambar 15. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 353 kg dan gangguan 10 cm Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan masa 500 dapat kita saksikan pada gambar

4.12 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.

Gambar 16. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 500 kg dan gangguan 10 cm Untuk pengujian pembebanan seprung mass (Z1) dengan massa 600 simpangan osilasi sangatlah tinggi sehinga simpangan yang dirasakan oleh penumpang sangatlah kecil.

Gambar 17. Bentuk Gelombang output Z1, dengan massa sebesar 600 kg dan gangguan 10 cm.

PENUTUP Simpulan

Dalam Pengendalian Suspensi otomotif semi-aktif seperempat kendaraan untuk kondisi ketidak-rataan permukaan jalan sampai dengan 30 cm dengan satu penumpang (massa =353 Kg) tanpa menggunakan kontroller terlihat bahwa simpangan yang dirasakan oleh penumpang mencapai 40 Cm dengan Osilasi getaran atau dengan kata lain setlling time = 15 detik pada konstanta damper = 200 Ns/m dan 10 Cm dengan osilasi getaran 1.5 detik pada konstanta damper 2000 N s/m dengan menggunakan sistem kontrol yang didesain mampu meredam simpangan yang dirasakan penumpang (Z3) lebih kecil dari 0.06 Cm (0.02 %) dengan setlling

time kurang dari 1.5 detik untuk Frekwensi kerja

(kecepatan putar kendaraan)



_ops



1500

rad/s. Untuk keadaan kendaraan memiliki beban tambahan sampai dengan 150 kg atau tambahan tiga penumpang, Pengendalian Suspensi otomotif semi-aktif seperempat kendaraan yang digunakan untuk ketidak rataan permukaan jalan sampai dengan 30 cm masih mampu meredam simpangan yang dirasakan oleh penumpang (Z3) lebih kecil dari 0,06 cm , dengan setlling time

ganguan Z3 ganguan Z3 ganguan Z3 ganguan Z3 ganguan Z3

kurang dari 1.5 detik sampai dengan kecepatan putar kendaraan



_ops



300

rad/s.

Desain kontrol adaptif melalui metode Direct

Response Freqwensi dapat digunakan sebagai salah satu

alternatif dalam sistem pengontrolan untuk model dinamik plant yang non linier.

Dari hasil pengujian beberapa kontroller, kontroller yang paling bagus adalah adaptif dengan metode direct

response frequency.

Saran

Agar dapat ditentukan maksimum/minimum massa dan kecepatan yang mampu dikendalikan oleh kontroller maka perlu menentukan sensitivitas sistem dengan menggunakan metode yang telah ada.

Untuk lebih meyakinkan akan kemampuan kontroller ini, maka perlu dilakukan pengujian dengan menggunakan model dinamik plant yang lain.

Untuk mengamati unjuk kerja dari sistem kontrol ini, maka perlu dibandingkan dengan menggunakan metode kontrol yang telah ada.

DAFTAR PUSTAKA

Abd El-Nasser S. Ahmed1, Ahmed S. Ali2, Nouby M. Ghazaly1, G. T. Abd el- Jaber1 1Department of Mechanical Engineering, South Valley University, Qena, Egypt 2Department of Mechanical Engineering, Assuit University, Assuit, Egypt. (Jurnal internasional “PID CONTROLLER OF ACTIVE SUSPENSION SYSTEM FOR QUARTER CAR MODEL”)

Amirono (2003 )Desiging compensator of semi active suspension for non-linier damper using quantitative feetback theory,Tesis ITS

Borghesani, Craig, et.al (1994), Quantitative Feedback Theory Toolbox User’s Guide, Terasoft, Inc

Chantranuwathana, Supavut (1999), Adaptive Robust Control for Active Suspension, Proceedin of the American Control Conference, San Diego, California Dixon, C. John (1996), Tyres, Suspension and Handling,

2nd edition, Arnold Publishing, London

Hamdani (203), Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Menggunakan QFT dengan Linierisasi Model Input Output, Tesis, ITS, Surabaya

Iraj Hassanzadeh, Ghasem Alizadeh, Naser Pourqorban Shirjoposht, Farzad Hashemzadeh(jurnal internasional“a new optimal nonlinear approach to half car

Ogata, Katsuhiko (1993), Teknik Kontrol Automatik, jilid 1, cetakan kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta Rettig, Uwe, Optimal and Robust Damping Control for

Semi-Active Vehicle Suspension, Technishe Universitas at Munchen, Germany

Serway, Raymond (1990), Physics for Scientists and Engineers, Part 1, 3rd edition, Saunders College Publishing, Philadelpia

Sutatra, Nyoman (2001), Teknologi Otomotif dan Aplikasinya, edisi pertama, Penerbit Guna Widya,

Webster, Jay (1987), Automotive Suspension, Steering and Brakes, Delmar PUBLISHERS Inc, California State University, Long Beach

Zhang, Yisheng (1999), A Practical and Effective Approach to Active Suspension Control, University