RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN SUDUT PITCH BLADE PADA PROTOTIPE TURBIN ANGIN BERBASIS LOGIKA FUZZY

(1)

Abstrak—Kesejahteraan masyarakat dunia dipengaruhi oleh

sumber energi. Pada era ini telah menjadi isu besar bahwa krisis energi, keuangan, dan lingkungan tidak lagi terelakkan baik pada negara maju ataupun berkembang seperti Indonesia. Salah satu solusi untuk menjawab pemenuhan kebutuhan energi tanpa membebani bidang keuangan dan lingkungan adalah memanfaatkan sumber energi angin. Turbin angin horisontal axis merupakan pembangkit listrik tenaga angin yang paling sesuai dengan kondisi Indonesia yang memiliki kecepat

berbeda-beda dan berfluktuatif di berbagai daerah.Untuk memperoleh performansi turbin angin yang baik, maka diterapkan sistem pengendalian logika fuzzy untuk mengatasi beban berupa kecepatan angin. Input sistem pengendalian adalah error dan delta error yang masing-masing dibagi dalam 7 fungsi keanggotaan. Sedangkan output berupa perubahan

pitch blade turbin angin. Rule base sistem pengendalian logika

fuzzy dibangun berdasarkan kharakteristik respon turbin terhadap beban. Analisa kualitatif dan kuantitatif menunjukkan performa turbin angin horisontal axis maksimal pada 40 pps atau setara 120 rpm dengan maximum overshoot 0%, error steady state 4,56% dan ITAE 39275. Secara keseluruhan turbin mampu beroperasi dengan baik didaerah 60

Kata kunci : sistem pengendalian sudut horisontal axis, logika fuzzy.

I. PENDAHULUAN

enyediaan energi di masa depan merupakan permasalahan yang senantiasa menjadi perhatian semua bangsa karena bagaimanapun juga kesejahteraan manusia dalam kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah dan mutu energi yang dimanfaatkan. Bagi Indonesia yang merupakan salah satu negara berkembang, penyediaan energi merupakan faktor yang sangat penting dalam meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Sampai saat ini, minyak bumi masih merupakan sumber energi yang utama dalam memenuhi kebutuhan di dalam negeri. Peranan minyak bumi yang besar tersebut terus berlanjut, sedangkan cadangan semakin menipis

diperlukan energi alternatif yang mampu membantu menyediakan kebutuhan energi di Indonesia.

Salah satu energi alternatif yang berpotensial adalah energi angin. Di beberapa daerah di Indonesia, misal: bagian selatan Sumatera hingga Nusa Tenggara, kecepatan angin cukup besar untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin dengan kisaran kecepatan angin 5-15 knot setara 2,5

(2). Namun, energi angin tersebut belum banyak dikembangkan, hanya terdapat pembangkit listrik tenaga angin berkapasitas total 1,4 GW di seluruh Indonesia.

besar, instrumen pembangkit listrik tenaga angin ter

dasarnya diperuntukkan untuk dataran Eropa yang kecepatan anginnya berkisar 10-30 knot sehingga diperlukan

RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN

BLADE PADA PROTOTIPE

Adri Adi

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri,

P

“When the wind is blowing, The wind turbine is turning The electricity is flowing, The gas emissions is ceasing The environment is refreshing, And people are cheering” (I.P)

Kesejahteraan masyarakat dunia dipengaruhi oleh sumber energi. Pada era ini telah menjadi isu besar bahwa krisis energi, keuangan, dan lingkungan tidak lagi terelakkan baik pada negara maju ataupun berkembang seperti Indonesia. Salah awab pemenuhan kebutuhan energi tanpa membebani bidang keuangan dan lingkungan adalah memanfaatkan sumber energi angin. Turbin angin horisontal axis merupakan pembangkit listrik tenaga angin yang paling sesuai dengan kondisi Indonesia yang memiliki kecepatan angin beda dan berfluktuatif di berbagai daerah.Untuk memperoleh performansi turbin angin yang baik, maka diterapkan sistem pengendalian logika fuzzy untuk mengatasi beban berupa kecepatan angin. Input sistem pengendalian masing dibagi dalam 7 fungsi keanggotaan. Sedangkan output berupa perubahan sudut blade turbin angin. Rule base sistem pengendalian logika fuzzy dibangun berdasarkan kharakteristik respon turbin an kuantitatif menunjukkan performa turbin angin horisontal axis maksimal pada 40 pps maximum overshoot 0%, error . Secara keseluruhan turbin mampu beroperasi dengan baik didaerah 60 – 120 rpm

sudut pitch, turbin angin

ENDAHULUAN

enyediaan energi di masa depan merupakan permasalahan yang senantiasa menjadi perhatian semua bangsa karena bagaimanapun juga kesejahteraan manusia dalam kehidupan modern sangat terkait dengan jumlah dan mutu energi yang erupakan salah satu negara berkembang, penyediaan energi merupakan faktor yang sangat penting dalam meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Sampai saat ini, minyak bumi masih merupakan sumber energi yang utama dalam memenuhi kebutuhan di dalam negeri. an minyak bumi yang besar tersebut terus berlanjut, sedangkan cadangan semakin menipis (1). Sehingga diperlukan energi alternatif yang mampu membantu menyediakan kebutuhan energi di Indonesia.

berpotensial adalah energi angin. Di beberapa daerah di Indonesia, misal: bagian selatan Sumatera hingga Nusa Tenggara, kecepatan angin cukup besar untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin 15 knot setara 2,5 – 7,5 m/s . Namun, energi angin tersebut belum banyak dikembangkan, hanya terdapat pembangkit listrik tenaga angin berkapasitas total 1,4 GW di seluruh Indonesia. Sebagian besar, instrumen pembangkit listrik tenaga angin tersebut pada dasarnya diperuntukkan untuk dataran Eropa yang kecepatan 30 knot sehingga diperlukan

penyesuaian untuk negara Indonesia yang kecepatan anginnya lebih kecil agar kerja sistem lebih optimal.

Indonesia kecepatan dan arah angin pada suatu daerah tertentu relatif berubah-ubah bergantung pada letak geografis, misal daerah pegunungan, padang rumput, pesisir dll.

Salah satu solusi dari permasalahan diatas adalah mengaplikasikan sistem pengendalian

turbin angin sehingga daya generator yang dihasilkan tetap stabil dan generator tetap bekerja pada daerah optimal Berbagai metode dikembangkan untuk mengatasi hal tersebut mulai dari metode konvensional PID hingga golongan artificial inteligent semacam

neuro fuzy (4). Pada penelitian ini akan digunakan m logika fuzzy Takagi-Sugeno. Metode ini dinilai tepat mengingat kondisi kecepatan dan arah angin di Indonesia yang berubah-ubah secara acak. Dengan mengendalikan

blade, diharapkan pada berbagai sudut serang angin nilai kecepatan sudut () rotor turbin tetap stabil dan t

daerah kerja tertinggi. II. D A. Deskripsi Turbin Angin

Turbin angin dengan konfigurasi elektrik dan mekanik yang berbeda akan menghasilkan daya listrik yang berbeda, namun teori tentang aerodinamis

memiliki energi kinetik karena mengandung massa dan kecepatan. Turbin angin menangkap energi kinetik tersebut dan merubahnya menjadi energi putaran rotor.

Gambar 1. Vektor gaya pada Pada gambar 1 dijelaskan ketika sebuah

angin dari arah depan W, maka akan menghasilkan vektor gaya lift (FL) dan drag (FD) dengan resultan (

gaya drag ini perubahannya dipengahuri langsung oleh bentuk

RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN

PROTOTIPE TURBIN ANGIN BERBASIS

LOGIKA FUZZY

Adri Adi,

Ali Musyafa’, Hendra Cordova.

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Indonesia 60111

penyesuaian untuk negara Indonesia yang kecepatan anginnya lebih kecil agar kerja sistem lebih optimal. Selain itu, di dan arah angin pada suatu daerah tertentu ubah bergantung pada letak geografis, misal daerah pegunungan, padang rumput, pesisir dll.

Salah satu solusi dari permasalahan diatas adalah mengaplikasikan sistem pengendalian sudut pitch blade pada turbin angin sehingga daya generator yang dihasilkan tetap stabil dan generator tetap bekerja pada daerah optimal (3). Berbagai metode dikembangkan untuk mengatasi hal tersebut mulai dari metode konvensional PID hingga golongan fuzzy logic , adaptive fuzzy dan Pada penelitian ini akan digunakan metode Sugeno. Metode ini dinilai tepat mengingat kondisi kecepatan dan arah angin di Indonesia yang ubah secara acak. Dengan mengendalikan sudut pitch , diharapkan pada berbagai sudut serang angin nilai rotor turbin tetap stabil dan terjaga pada

DASAR TEORI

Turbin angin dengan konfigurasi elektrik dan mekanik yang berbeda akan menghasilkan daya listrik yang berbeda, namun teori tentang aerodinamis blade tetap sama (5). Angin memiliki energi kinetik karena mengandung massa dan kecepatan. Turbin angin menangkap energi kinetik tersebut dan merubahnya menjadi energi putaran rotor.

gaya pada blade turbin (3) dijelaskan ketika sebuah air foil terkena

, maka akan menghasilkan vektor ) dengan resultan (FT). Gaya lift dan ini perubahannya dipengahuri langsung oleh bentuk

RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN SUDUT PITCH

TURBIN ANGIN BERBASIS

(2)

geometri blade, kecepatan dan arah angin terhadap garis utama blade. Akibat dari perubahan gaya lift dan drag, maka kecepatan sudut dan torsi poros akan berubah pula (6; 3). Sistem pengendalian sudut pitch () adalah salah satu mekanisme kontrol pada turbin angin yang bekerja dengan mengendalikan aerodinamis dari blade melalui kontrol sudut pitch blade terhadap arah tiupan angin (angle of attack ) seperti tampak pada gambar 1 (3). Perubahan sudut blade ini akan mempengaruhi kecepatan sudut (RPM) dari shaft karena adanya perubahan jumlah daya tiup angin yang diterima oleh blade yang dikonversi menjadi kecepatan putar shaft.

Daya mekanik yang dapat dihasilkan turbin angin pada kecepatan angin v, luas penampang tersapu angin A memenuhi persamaan

=1₂. . (1)

Massa jenis udara diasumsikan tetap sebesar 1000 kg/m3. Pada kondisi sebenarnya massa jenis udara bergantung pada kelembapan dan suhu udara. Efisiensi mekanik bergantung pada koefisien daya . Koefisien daya turbin angin merupakan fungsi dari tip speed ratio dan sudut pitch (, ). Tip speed ratio (TSR) didefinisikan sebagai perbandingan kecepatan linier rotor dan kecepatan angin, dengan adalah kecepatan anguler blade maka TSR didefinisikan (5)

=. ₍₂₎

TSR sangat penting karena mempengaruhi efisiensi daya yang dihasilkan. Bila TSR terlalu besar atau dengan kata lain jumlah blade terlalu sedikit, maka pada kecepatan sudut yang rendah angin akan melewati bagian gap. Akibatnya, blade tidak mampu mengekstrak angin yang melewatinya. Bila TSR terlalu kecil atau dengan kata lain jumlah blade terlalu banyak, maka pada kecepatan sudut tinggi akan banyak terjadi turbulensi yang menurunkan efisiensi. Karena, pada saat itu rotor blade menghasilkan turbulensi. Jika blade berikutnya datang terlalu cepat maka blade tersebut akan menghantam turbulensi dan menurunkan efisiensi. Dengan mensubtitusikan persamaan1 ke persamaan 2 didapatkan daya turbin angin

=1₂(, ). . . (3)

Secara teori, nilai tidak akan pernah lebih besar dari 59,3% (6). Hal ini dikemukakan oleh Albert Betz, seorang fisikawan Jerman. Teori tersebut dikenal dengan Limit Betz. Pada saat ini, turbin angin modern memiliki nilai yang berkisar antara 35-45%.

B. Logika Fuzzy

Fuzzy secara bahasa diartikan sebagai kabur atau samar-samar. Suatu nilai dapat bernilai benar atau salah secara bersamaan. Fuzzy dinyatakan dalam derajat dari suatu keanggotaan dan derajat dari kebenaran (7). Kelebihan dari teori logika fuzzy adalah kemampuan dalam proses penalaran secara bahasa (linguistic reasoning). Sehingga dalam perancangannya tidak memerlukan persamaan matematik dari objek yang akan dikendalikan. Model berbasis logika fuzzy (fuzzy rule-based model) yang sesuai untuk memperkirakan

suatu sistem nonlinear diperkenalkan oleh Takagi dan Sugeno. Model fuzzy yang dikemukakan, digambarkan dengan aturan ‘if-then’ fuzzy yang mewakili hubungan linear input-output dari sistem nonlinear. Keseluruhan model fuzzy dari sistem diperoleh dengan memadupadankan model linear sistem. Model fuzzy Takagi-Sugeno (T-S) untuk sistem kontinu yang dijabarkan dalam bentuk sekumpulan aturan ‘if-then’ fuzzy, dinyatakan sebagai berikut (7):

Aturan model ke-i

IF ζ1(t) adalah Mi1 dan … ζp(t) adalah Mip,

!"! = #$%(&) = $(&) + ()(&)

*(&) = +$(&) , - = 1,2,… ./ (4)

dimana, Mip adalah subset fuzzy dan r adalah jumlah aturan model fuzzy, $(&) ∈ adalah vektor keadaan (state vector),

)(&) ∈ _{adalah vektor input,} _{*(&) ∈}2_{adalah vektor}

output,∈ ×4, (∈ ×4 , +∈ 2× . Sementara

ζ(t)=[1(t),,ζp(t)] adalah premis variabel vektor, yang dapat

berupa fungsi dari variabel keadaan, gangguan eksternal, dan/atau fungsi waktu (7).

Fungsi keanggotaan (membership function) adalah suatu kurva yang menunjukkan pemetaan titik-titik input data ke dalam nilai keanggotaannya (sering juga disebut dengan derajat keanggotaan) yang memiliki interval antara 0 sampai 1 (7).

Gambar 2. Fungsi keanggotaan segitiga

Berdasarkan gambar 2 fungsi keanggotaan segitiga didefinisikan sebagai berikut (7):

5($) = 6 7 8 7 90; $ ≤ ! atau $ ≥ _{($ − !)} (B − !) ; ! ≤ $ ≤ (B − $) ( − B) ; B ≤ $ ≤ , (5)

Bentuk fungsi keanggotaan yang lain adalah bentuk Trapesium. Bentuk ini mirip dengan fungsi keanggotaan segitiga, namun pada bagian tengahnya bernilai satu.

Berdasarkan gambar 3 fungsi keanggotaannya adalah (7).

5($) = 6 77 8 77 90; $ ≤ ! atau $ ≥ D_{($ − !)} (B − !) ; ! ≤ $ ≤ B 1; B ≤ $ ≤ (D − $) (D − ) ; $ ≥ D , (6)

Pada umumnya, bentuk ini diletakkan pada bagian ujung dari keseluruhan seri fungsi keanggotaan, karena dapat merepresentasikan nilai1 mutlak pada bagian ujung tersebut.

(3)

Gambar 3. Fungsi keanggotaan trapesium

Seperti halnya himpunan konvensional, ada beberapa operasi yang didefinisikan secara khusus untuk mengkombinasi dan memodifikasi himpunan

keanggotaan sebagai hasil dari operasi 2 dikenal dengan nama fire strength atau α maksimum berhubungan dengan operasi

himpunan (7). α–Predikat sebagai hasil operasi dengan operator OR diperoleh dengan mengambil ni

terbesar antar elemen pada himpunan bersangkutan seperti ditunjukkan dalam gambar

Gambar 4. Himpunan gabungan

HAUB = max [HA(x),HB(y)] Dimana HAUB adalah fungsi keanggotaan gabungan antara A dan B. Sedangakan x dan y adalah anggota himpunan.

C. Komponen Turbin Angin

Sistem pengendalian turbin angin terdiri dari beberapa komponen yaitu sensor berupa relative rotary encoder pengendali berdasarkan logika fuzzy Takagi

ditanamkan pada mikrokontroler ATMega16A, aktuator berupa motor servo standar dan turbin angin sebagai

Relative rotary encoder yang berfungsi sebagai sensor putaran terdiri dari dua track atau single track dan

yang disebut channel A dan B. Ketika poros berputar, deretan pulsa akan muncul di masing-masing channel pada frekuensi yang proporsional dengan kecepatan putar sedangkan hubungan fasa antara channel A dan B menghasilkan arah putaran (8).

Gambar 5. Rotary encoder

Mikrokontroler adalah komponen elektronika digital yang berfungsi layaknya komputer. Pada dasarnya mikrokontroler mampu menghasilkan data output sesuai dengan input da

Fungsi keanggotaan trapesium

Seperti halnya himpunan konvensional, ada beberapa operasi yang didefinisikan secara khusus untuk mengkombinasi dan memodifikasi himpunan fuzzy (7). Nilai keanggotaan sebagai hasil dari operasi 2 himpunan sering atau α–predikat. Operator maksimum berhubungan dengan operasi union pada teori Predikat sebagai hasil operasi dengan operator OR diperoleh dengan mengambil nilai keanggotaan terbesar antar elemen pada himpunan-himpunan yang bersangkutan seperti ditunjukkan dalam gambar 4.

Himpunan gabungan (7).

(7) adalah fungsi keanggotaan gabungan antara A

adalah anggota himpunan.

turbin angin terdiri dari beberapa relative rotary encoder, Takagi-Sugeno yang ditanamkan pada mikrokontroler ATMega16A, aktuator berupa motor servo standar dan turbin angin sebagai plant

yang berfungsi sebagai sensor terdiri dari dua track atau single track dan dua sensor yang disebut channel A dan B. Ketika poros berputar, deretan masing channel pada frekuensi yang proporsional dengan kecepatan putar sedangkan hubungan fasa antara channel A dan B menghasilkan arah

Rotary encoder (8).

Mikrokontroler adalah komponen elektronika digital yang berfungsi layaknya komputer. Pada dasarnya mikrokontroler mampu menghasilkan data output sesuai dengan input da

instruksi program yang diberikan.

fasilitas dari ATMega16 yang digunakan untuk perhitungan waktu. Beberapa fasilitas chanel

lain: counter channel tunggal, (PWM), pembangkit frekuensi, Metode Pulse Width Modulation

untuk mengatur posisi motor servo. PWM ini dapat dibangkitkan melalui perangkat lunak. Lebar pulsa PWM dinyatakan dalam Duty Cycle

berarti lebar pulsa adalah 1/10 bagian dari satu perioda penuh. Berikut adalah rumusan frekuensi sinyal keluaran pin OC1A/OC1B (output compare

(Clear Timer on Compare Match menggunakan timer/counter 1

Mode CTC tersebut merupakan mode PWM yang paling fleksibel, karena nilai TOP dapat diatur sesuai dengan yang kita inginkan sehingga nilai frekuensi dapat diatur sesuai dengan keperluan. Sedangkan pada mode PWM lain, nilai TOP bernilai sama dengan jumlah bi

Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. umum terdapat dua jenis motor servo yaitu motor servo standard dan continous. Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180 derajat dan servo motor

dapat berputar sebesar 360 derajat

Gambar 6. Posisi servo berdasarkan sinyal PWM Pengendalian gerakan motor servo dapat dilakukan dengan menggunakan metode PWM. (

Modulation). Teknik ini menggunakan sistem lebar untuk mengendalikan putaran motor. Sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Tampak pada gambar 2.8 dengan pulsa 1.5 ms pada periode selebar 2 ms maka sudut dari sumbu motor akan berada pada posisi tengah

Tipe blade yang digunakan S835 yang didesain khusus untuk

diameter 1-3 meter pada kecepatan angin dan (pitch angle) yang bervariasi.

instruksi program yang diberikan. Timer/counter adalah fasilitas dari ATMega16 yang digunakan untuk perhitungan chanel dari timer/counter antara tunggal, Pulse Width Modulation (PWM), pembangkit frekuensi, event counter external. th Modulation atau PWM dapat digunakan untuk mengatur posisi motor servo. PWM ini dapat dibangkitkan melalui perangkat lunak. Lebar pulsa PWM Duty Cycle. Misalnya duty cycle 10 %, pulsa adalah 1/10 bagian dari satu perioda penuh. Berikut adalah rumusan frekuensi sinyal keluaran pin output compare 1A/1B) pada mode CTC Clear Timer on Compare Match) PWM dengan

1 (9).

Mode CTC tersebut merupakan mode PWM yang paling fleksibel, karena nilai TOP dapat diatur sesuai dengan yang kita inginkan sehingga nilai frekuensi dapat diatur sesuai dengan keperluan. Sedangkan pada mode PWM lain, nilai TOP bernilai sama dengan jumlah bit maksimum.

Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa im melalui kaki sinyal dari kabel motor. Secara umum terdapat dua jenis motor servo yaitu motor servo . Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180 derajat dan servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat (10).

Posisi servo berdasarkan sinyal PWM (10). Pengendalian gerakan motor servo dapat dilakukan dengan menggunakan metode PWM. (Pulse Width ). Teknik ini menggunakan sistem lebar pulsa untuk mengendalikan putaran motor. Sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Tampak pada gambar 2.8 dengan pulsa 1.5 ms pada periode selebar 2 ms maka sudut dari

erada pada posisi tengah (10).

digunakan adalah tipe blade S833, S834, S835 yang didesain khusus untuk turbin angin dengan 3 meter pada kecepatan angin dan sudut pitch yang bervariasi. Airfoil blade ditunjukkan pada

(4)

gambar 7 – 9. Desain aerodinamis blade

disempurnakan untuk mengurangi gangguan yang sering terjadi pada turbin angin. Gangguan aerodinamis pada turbin sebagian besar disebabkan oleh bagian terluar dimana bagian tersebut menerima kecepatan angin tertinggi (11). Desain khusus telah disempurnakan oleh James L. Tangler dari National Renewable Energy Laboratory

yang terdiri dari tiga airfoil yaitu root S835 dan tip S834 dengan ukuran radial blade ( 0,75; 0,95; 0;4 (11).

Gambar 7. Profil airfoil S833

Gambar 8. Profil airfoil S834

Gambar 9. Profil airfoil S835

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa gaya angkat harus dibatasi untuk mengurangi gangguan terhadap putaran turbin. Dengan demikian, harus ditentukan koefisien gaya angkat maksimum. Selain itu, penurunan ketebalan menuju ujung blade juga mempengaruhi besarnya gangguan.

III. METODOLOGI PENELITIAN

Obyektif penelitian ada 2 yaitu rancang bangun turbin angin skala kecil dan sistem pengendalian

Pada penelitian ini tipe turbin angin yang digunakan disesuaikan dengan kecepatan angin di Indonesia yang berkisar antara 2-8 m/s. Tipe airfoil turbin angin tersebut blade dikembangkan dan disempurnakan untuk mengurangi gangguan yang sering terjadi pada turbin angin. Gangguan aerodinamis pada blade turbin sebagian besar disebabkan oleh bagian terluar blade, dimana bagian tersebut menerima kecepatan angin tertinggi Desain khusus telah disempurnakan oleh James L. National Renewable Energy Laboratory (NREL). S835, primary S833, (blade radial station)

. Profil airfoil S833 (11)

Profil airfoil S834 (11)

. Profil airfoil S835 (11)

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa gaya angkat harus dibatasi untuk mengurangi gangguan terhadap putaran turbin. Dengan demikian, harus ditentukan koefisien gaya angkat n itu, penurunan ketebalan menuju ujung juga mempengaruhi besarnya gangguan..

ENELITIAN

Obyektif penelitian ada 2 yaitu rancang bangun turbin angin skala kecil dan sistem pengendalian sudut pitch blade. Pada penelitian ini tipe turbin angin yang digunakan disesuaikan dengan kecepatan angin di Indonesia yang turbin angin tersebut

adalah NREL S833, S834, dan S835. Sedangkan sistem pengendalian yang digunakan adalah sist

berbasis logika fuzzy tipe Takagi A. Perancangan Prototipe Turbin Angin

Prototipe turbin angin terdiri dari beberapa komponen utama seperti halnya sistem pengendalian pada umumnya yaitu sensor, rangkaian pengendali, aktuator, dan

mendukung komponen utama tersebut ditambahkan komponen lainnya yaitu rotary connector

penghubung mikrokontroler dengan motor servo yang berputar serta generator yang merubah gerakan mekanik menjadi energi listrik.

Gambar 10 Sensor yang digunakan adalah

untuk menghitung kecepatan anguler rotor tubin angin. Sensor ini berupa piringan dan rangkaian

Piringan tersebut dipasang pada rotor dan berada ditengah antara transmitter-receiver. Piringan berbentuk lingkaran dengan 20 lubang pada bagian sisinya (lihat gambar

Spesifikasi sensor: Diameter piringan Tebal piringan

Output tegangan kondisi low Output tegangan kondisi high Catu daya

Sampling time Resolusi

Jumlah pulsa per putaran

Mikrokontroller ATMega 16, dipasang pada sebuah rangkaian minimum system

menjalankan mikrokontroller.

digunakan sebagai otak yang memerintah seluruh komponen utama. Untuk melakukan proses tersebut maka Mikrokontroler dipasang sebuah program pengendalian berdasarkan logika fuzzy dan program monitoring. Pada penelitian ini, port yang digunakan adalah port D pada kaki D2 (interupt 0) sebagai input dari sensor dan kaki D4 (OCR1B) sebagai keluaran PWM

Turbin angin yang dibangun merupakan turbin angin tipe horisontal axis dengan tiga buah

berdasarkan standar NREL S833, S834, S835. Kode tersebut menyatakan bagian blade yang berbeda

bagian primary, S834 untuk gambar 3.3 – 3.5).

adalah NREL S833, S834, dan S835. Sedangkan sistem pengendalian yang digunakan adalah sistem pengendalian

tipe Takagi-Sugeno. Perancangan Prototipe Turbin Angin

Prototipe turbin angin terdiri dari beberapa komponen utama seperti halnya sistem pengendalian pada umumnya yaitu sensor, rangkaian pengendali, aktuator, dan plant. Untuk mendukung komponen utama tersebut ditambahkan komponen rotary connector yang berfungsi sebagai penghubung mikrokontroler dengan motor servo yang berputar serta generator yang merubah gerakan mekanik

0. Rotary encoder

Sensor yang digunakan adalah rotary encoder, berfungsi untuk menghitung kecepatan anguler rotor tubin angin. Sensor ini berupa piringan dan rangkaian transmitter-receiver. Piringan tersebut dipasang pada rotor dan berada ditengah . Piringan berbentuk lingkaran bagian sisinya (lihat gambar 10).

: 4 cm. : 0,1cm. : 0,08V. high : 4,7V. : 5V. : 1 detik. : 3 rpm. : 20 pulsa.

Mikrokontroller ATMega 16, dipasang pada sebuah (Minsys) yang berfungsi untuk menjalankan mikrokontroller. Mikrokontroler ATMega 16 digunakan sebagai otak yang memerintah seluruh komponen utama. Untuk melakukan proses tersebut maka Mikrokontroler dipasang sebuah program pengendalian berdasarkan logika dan program monitoring. Pada penelitian ini, port yang adalah port D pada kaki D2 (interupt 0) sebagai input dari sensor dan kaki D4 (OCR1B) sebagai keluaran yang dibangun merupakan turbin angin tipe horisontal axis dengan tiga buah blade. Blade dibuat berdasarkan standar NREL S833, S834, S835. Kode tersebut yang berbeda-beda. S833 untuk S834 untuk tip, dan S835 untuk root (lihat

(5)

Gambar 11. Blade turbin angin Spesifikasi blade turbin tipe NREL S833-Panjang : 0,8 m

Berat : 1,3 kg Bahan : serat kaca

Blade turbin dibuat di Laboratorium Non Metal PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), hasilnya ditampilkan pada gambar 11. Kendala utama dalam pembuatan blade adalah waktu yang cukup lama, memakan waktu hampir 2 bulan (waktu yang diperkirakan 1 bulan).

Gambar 12. Motor servo GWS S125 Motor servo yang digunakan untuk menggerakkan pada sudut yang diinginkan adalah tipe standar dengan sudut putaran maksimum hingga 3600. Motor ini telah dilengkapi gear box sehingga torsi yang dihasilkan cukup besar, yakni 6,6 kg/cm. Sedangkan berat total blade adalah 1,3 kg, sehingga motor servo tipe ini sangat mampu untuk menggerakkan meskipun turbin sedang beroperasi dan

kelembaman. Spesifikasi motor servo tipe standard GWS S125-1T/2BB/F3600:

Catu daya : 4,8V Ukuran : 40.5x 20x 42

Berat : 50gram

Kecepatan : 0.26 sec/60, 1.56/360 derajat @4.8V Torsi : 6.60kg/cm @4.8V

C.Sistem Pengendalian Sudut Pitch Blade Turbin Angin Sistem pengendalian dengan mode kontrol logika merupakan sistem kontrol closed loop

adalah error dan delta error. Error adalah

dengan variabel kontrol (dalam hal ini pps), sedangkan delta error adalah selisih error pada waktu sekarang dengan sebelumnya. Berdasarkan prinsip tersebut diagram blok sistem pengendalian ditunjukkan pada gambar 13

Gambar 13. Diagram blok sistem pengendalian

turbin angin -S835.

turbin dibuat di Laboratorium Non Metal PPNS (Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya), hasilnya . Kendala utama dalam waktu yang cukup lama, memakan waktu hampir 2 bulan (waktu yang diperkirakan 1 bulan).

Motor servo GWS S125

Motor servo yang digunakan untuk menggerakkan blade pada sudut yang diinginkan adalah tipe standar dengan sudut . Motor ini telah dilengkapi sehingga torsi yang dihasilkan cukup besar, yakni 6,6 adalah 1,3 kg, sehingga ini sangat mampu untuk menggerakkan blade meskipun turbin sedang beroperasi dan blade dalam massa kelembaman. Spesifikasi motor servo tipe standard GWS

6/360 derajat @4.8V

Blade Turbin Angin Sistem pengendalian dengan mode kontrol logika fuzzy ini

closed loop. Input pengendali Error adalah selisih setpoint dengan variabel kontrol (dalam hal ini pps), sedangkan delta error adalah selisih error pada waktu sekarang dengan Berdasarkan prinsip tersebut diagram blok sistem lian ditunjukkan pada gambar 13.

Diagram blok sistem pengendalian

Berdasarkan diagram blok pada gambar 3.9, kemudian dirancang diagram alirnya sebagai dasar rancangan program pada mikrokontroller. Hasil perancangan diagram alir ditunjukkan pada gambar 14.

Mulai

Menghitung jumlah pulsa per detik (PPS)

PPS = set point

Ya

Selesai

Tidak

Sudut pitch blade tidak dirubah

Gambar 14. Diagram alir sistem pengendalian Langkah pertama adalah inisialisasi kondisi

mendeteksi nilai pps dan setpoint. Apabila pps sama dengan setpoint maka Sudut pitch tidak dirubah. Apabila nilai pps tidak sama dengan setpoint, maka dihitung error dan mengklasifikasikannya ke dalam fungsi keanggotaan error yang telah ditentukan. Selanjutnya langkah yang sama untuk nilai delta error. Menghitung nilai delta error dan mengklasifikasikannya ke dalam fungsi keanggotaan delta error. Setelah fungsi kenggotaan error dan delta error telah ditentukan maka dapat ditentukan aktuasi yang tepat. Aktuasi tersebut adalah perubahan sudut

penurunan atau peningkatan kecepatan sudut. Berdasarkan dasar teori yang telah dijelaskan pada

penurunan dan peningkatan kecepatan sudut tersebut dipengaruhi oleh aerodinamis

sudut pitch yang mempengaruhi dua kondisi tersebut dibutuhkan pengambilan data awal. Data

adalah sudut pitch, kecepatan angin dan kecepatan sudut. Fungsi keanggotaan logika

berdasarkan data respon turbin dengan variasi (resolusi 50 dari 00 hingga 90

data tersebut diambil dengan menggunakan sistem monitoring hingga mencapai kodisi steady

selama 300 detik. Setelah didapat data pada kodisi steady, kemudian nilai kecepatan sudut diambil rata

ditetapkan sebagai respon sesuai dengan kondisi dan kecepatan angin.

Berdasarkan diagram blok pada gambar 3.9, kemudian dirancang diagram alirnya sebagai dasar rancangan program pada mikrokontroller. Hasil perancangan diagram alir

.

Mengklasifikasikan error ke dalam MF fuzzy

Mengklasifikasikan delta error ke dalam MF

fuzzy

Menentukan keputusan berdasarkan rule base

Merubah sudut pitch bilah

Selesai

. Diagram alir sistem pengendalian

Langkah pertama adalah inisialisasi kondisi plant dengan mendeteksi nilai pps dan setpoint. Apabila pps sama dengan tidak dirubah. Apabila nilai pps tidak sama dengan setpoint, maka dihitung error dan mengklasifikasikannya ke dalam fungsi keanggotaan error yang telah ditentukan. Selanjutnya langkah yang sama untuk nilai delta error. Menghitung nilai delta error dan gklasifikasikannya ke dalam fungsi keanggotaan delta error. Setelah fungsi kenggotaan error dan delta error telah ditentukan maka dapat ditentukan aktuasi yang tepat. Aktuasi sudut pitch pada blade dapat berupa ngkatan kecepatan sudut. Berdasarkan dasar teori yang telah dijelaskan pada sebelumnya, kondisi penurunan dan peningkatan kecepatan sudut tersebut dipengaruhi oleh aerodinamis blade. Untuk mengetahui besar yang mempengaruhi dua kondisi tersebut maka dibutuhkan pengambilan data awal. Data-data awal tersebut

, kecepatan angin dan kecepatan sudut. Fungsi keanggotaan logika fuzzy Takagi-Sugeno dibentuk berdasarkan data respon turbin dengan variasi sudut pitch hingga 900) dan kecepatan angin. Data-data tersebut diambil dengan menggunakan sistem monitoring

steady maksimalnya kurang lebih Setelah didapat data pada kodisi steady, kemudian nilai kecepatan sudut diambil rata-ratanya dan ditetapkan sebagai respon sesuai dengan kondisi sudut pitch

(6)

Gambar 15. Respon kecepatan sudut terhadap dan kecepatan angin

Berdasarkan tabel pengambilan data, terdapat kejanggalan yang terjadi pada sudut 150 dan kecepatan angin 7 m/s. Hal ini dapat disebabkan faktor lingkungan atau perhitungan sensor yang kurang tepat. Sehingga rentang sudut yang digunakan sebagai aktuasi sistem pengendalian ditetapkan 5

meningkatkan kecepatan sudut dan 15 menurunkan kecepatan sudut.

Fungsi kenggotaan ditunjukkankan pada gambar Rentang fungsi keanggotaan error adalah

ini diambil dari kecepatan sudut maksimum yaitu 56 pps.

Gambar 16. Fungsi keanggotaan input error

Gambar 17. Fungsi keanggotaan input delta error

Gambar 18. Fungsi keanggotaan output sudut

Sedangkan rentang fungsi keanggotaan delta error didapatkan berdasarkan penelitian. Berdasarkan penelitian diketahui Respon kecepatan sudut terhadap sudut pitch

Berdasarkan tabel pengambilan data, terdapat kejanggalan dan kecepatan angin 7 m/s. Hal ini dapat disebabkan faktor lingkungan atau perhitungan sensor yang kurang tepat. Sehingga rentang sudut yang digunakan sebagai aktuasi sistem pengendalian ditetapkan 5 - 100 untuk meningkatkan kecepatan sudut dan 15 – 450 untuk kan pada gambar 16 - 18. Rentang fungsi keanggotaan error adalah -60 hingga 60. Nilai ini diambil dari kecepatan sudut maksimum yaitu 56 pps.

Fungsi keanggotaan input error

Fungsi keanggotaan input delta error

Fungsi keanggotaan output sudut

Sedangkan rentang fungsi keanggotaan delta error didapatkan berdasarkan penelitian. Berdasarkan penelitian diketahui

bahwa nilainya tidak terlalu besar berkisar pps. Untuk mengantisipasi terjadi lonjakan tiba digunakan rentang -20 hingga 20 pps.

Sistem perbandingan dua input yang digunakan adalah maksimum. Apabila data input terletak pada bagian perpotongan maka nilai yang diambil adalah

sehingga batas pada daerah yang berpotongan tersebut adalah perpotongan dua fungsi garis lurus.

Batas input error

NH : -60 hingga -26.667 NM : -26.667 hingga -12.5 NL : -12.5 hingga -1.876 ZE : -1.876 hingga 1.876 PL : 1.876 hingga 16 PM : 16 hingga 26.667 PH : 26.667 hingga 60. Batas input delta error NB : -20 hingga -13 NM : -13 hingga -7,023 NS : -7,023 hingga -2,573 ZE : -2,573 hingga 2,573 PS : 2,573 hingga 7,023 PM : 7,023 hingga 13 PB : 13 hingga 20.

Nilai output sudut pitch : 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45. Batasan fungsi kenggotaan dibuat lebih sempit, agar nilai output semakin teliti. Namun, resolusi terkecil yang dihasilkan adalah 50. Selain itu, dengan penelitian yang berulang didapatkan hasil optimal pada batas

keanggotaan seperti diatas.

Nilai output tersebut dipilih berdasarkan pengambilan data awal respon turbin angin. Sudut

meningkatkan kecepatan angin. Sedangkan 15

digunakan untuk menurunkan kecepatan angin. Nilai penurunan berbanding lurus dengan besarnya

ini disebabkan semakin besar

(lift) dan gaya geser (drag) menjadi tidak seimbang karena gaya angkat yang lebih besar. Selain itu, bila

melampaui kondisi stall maka menangkap gaya gerak angin.

TABEL RULE BASE DE / E NH NM NL NB 45 45 NM 45 45 NS 40 35 ZE 40 35 PS 35 20 PM 30 15 PB 30 15

Rule base atau aturan logika

hubungan input-output. Rule base ini dibangun berdasarkan bahwa nilainya tidak terlalu besar berkisar yaitu dibawah 10 pps. Untuk mengantisipasi terjadi lonjakan tiba-tiba maka

20 hingga 20 pps.

Sistem perbandingan dua input yang digunakan adalah maksimum. Apabila data input terletak pada bagian perpotongan maka nilai yang diambil adalah nilai maksimum, sehingga batas pada daerah yang berpotongan tersebut adalah perpotongan dua fungsi garis lurus.

26.667 12.5 1.876 1.876 hingga 1.876 2,573 2,573 hingga 2,573 : 2,573 hingga 7,023 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45. Batasan fungsi kenggotaan dibuat lebih sempit, agar nilai output semakin teliti. Namun, resolusi terkecil yang dihasilkan . Selain itu, dengan penelitian yang berulang-ulang didapatkan hasil optimal pada batasan-batasan fungsi Nilai output tersebut dipilih berdasarkan pengambilan data Sudut pitch 50 - 100 digunakan untuk meningkatkan kecepatan angin. Sedangkan 150 – 450, digunakan untuk menurunkan kecepatan angin. Nilai penurunan berbanding lurus dengan besarnya sudut pitch. Hal ini disebabkan semakin besar sudut pitch, resultan gaya angkat ) menjadi tidak seimbang karena besar. Selain itu, bila sudut pitch maka blade turbin tidak lagi . ABEL 1. ULE BASE NL ZE PL PM PH 40 15 15 15 15 40 10 10 10 15 20 5 10 10 10 20 5 10 10 10 15 5 10 10 10 10 10 5 5 5 10 10 5 5 5

Rule base atau aturan logika fuzzy merepresentasikan output. Rule base ini dibangun berdasarkan

(7)

prinsip sistem pengendalian untuk mempertahankan variabel proses tetap berada dalam setpoint dengan merubah variabel manipulasi. Variabel manipulasi tersebut adalah

Kedua input didefinisikan sebagai berikut

Error = sp – pps Delta error = en – en – 1 Sebelum membahas rule base diatas, perlu diketahui filosofi atau “makna” error dan delta error pada sistem pengendaian ini. Error menyatakan status variabel proses, sedangkan delta error menyatakan kondisi aktuasi yang sedang berjalan. Status proses dapat diketahui secara jelas berdasarkan persamaan error di atas. Statu

bernilai negatif atau positif atau dengan kata lain turbin butuh dipercepat atau diperlambat. Bila bernilai negatif berarti kecepatan sudut terlalu besar dibanding setpoint maka turbin butuh diperlambat dan sebaliknya. Sedangkan delta erro adalah selisih error sekarang dengan error sebelumnya. Nilai ini, menunjukkan keadaan yang terjadi pada turbin, apakah sedang dalam kondisi peningkatan atau perlambatan. Bila error positif dan delta error bernilai negatif berarti turbin sedang dalam kondisi peningkatan kecepatan. Sedangkan, error positif dan delta error positif berarti turbin sedang menjalankan proses yang salah, karena pada error positif yang seharusnya meningkatkan kecepatan tetapi malah menurunkan kecepatan (terjadi penurunan kecepatan sudut karena delta error positif) oleh karena itu diberikan aktuasi untuk meningkatkan keceptan sudut dengan sudut 5

demikian, kondisi aktuasi sistem dapat diketahui berdasarkan delta error.

Pada rule base tabel 1 terdapat dua kondisi utama yang mendasari pembentukannya. Apabila error bernilai high (NH) dan delta error negatif big (NB) berarti kecepatan sudut jauh lebih besar dari setpoint, maka aktuasi yang dilakukan adalah mengkondisikan sudut pada posisi penurunan kecepatan. Besarnya penurunan kecepatan berbanding lurus dengan besarnya sudut

Misal, input NH-NB maka “pengereman” sangat besar dan memberikan output 450, bila input NL

“pengereman” kecil karena telah mendekati setpoint dan memberikan output 200.

Apabila error bernilai positif high (PH) dan delta error positif big (PB) berarti kecepatan sudut jauh lebih kecil dari setpoint, maka aktuasi yang dilakukan adalah mengkondisikan sudut blade pada posisi peningkatan kecepatan. Besarnya peningkatan juga berbanding lurus dengan

rentang 5-100. Bila nilai input PH-NS maka peningkatan kecepatan sudut diperbesar hingga nilai variabel proses berada pada setpoint. Namun, setelah sampai input d

berarti turbin sedang berada dalam kondisi peningkatan kecepatan yang teramat besar sehingga dibutuhkan sedikit “pengereman” agar tidak terjadi overshoot yang terlalu besar.

Sistem monitoring bertujuan untuk mengetahui kondisi plant secara berkelanjutan.

prinsip sistem pengendalian untuk mempertahankan variabel proses tetap berada dalam setpoint dengan merubah variabel manipulasi. Variabel manipulasi tersebut adalah sudut pitch. Kedua input didefinisikan sebagai berikut

(9) (10)

Sebelum membahas rule base diatas, perlu diketahui

“makna” error dan delta error pada sistem pengendaian ini. Error menyatakan status variabel proses, sedangkan delta error menyatakan kondisi aktuasi yang sedang berjalan. Status proses dapat diketahui secara jelas berdasarkan persamaan error di atas. Status tersebut bisa bernilai negatif atau positif atau dengan kata lain turbin butuh dipercepat atau diperlambat. Bila bernilai negatif berarti kecepatan sudut terlalu besar dibanding setpoint maka turbin butuh diperlambat dan sebaliknya. Sedangkan delta error adalah selisih error sekarang dengan error sebelumnya. Nilai ini, menunjukkan keadaan yang terjadi pada turbin, apakah sedang dalam kondisi peningkatan atau perlambatan. Bila error positif dan delta error bernilai negatif berarti turbin isi peningkatan kecepatan. Sedangkan, error positif dan delta error positif berarti turbin sedang menjalankan proses yang salah, karena pada error positif yang seharusnya meningkatkan kecepatan tetapi malah menurunkan n sudut karena delta error positif) oleh karena itu diberikan aktuasi untuk meningkatkan keceptan sudut dengan sudut 50. Dengan demikian, kondisi aktuasi sistem dapat diketahui berdasarkan Pada rule base tabel 1 terdapat dua kondisi utama yang mendasari pembentukannya. Apabila error bernilai negatif (NB) berarti kecepatan sudut jauh lebih besar dari setpoint, maka aktuasi yang sikan sudut pada posisi penurunan kecepatan. Besarnya penurunan kecepatan sudut pitch yang diubah. NB maka “pengereman” sangat besar dan , bila input NL-NS maka telah mendekati setpoint dan (PH) dan delta error (PB) berarti kecepatan sudut jauh lebih kecil dari setpoint, maka aktuasi yang dilakukan adalah mengkondisikan peningkatan kecepatan. Besarnya peningkatan juga berbanding lurus dengan sudut pitch, dengan NS maka peningkatan kecepatan sudut diperbesar hingga nilai variabel proses berada pada setpoint. Namun, setelah sampai input delta error NB, berarti turbin sedang berada dalam kondisi peningkatan kecepatan yang teramat besar sehingga dibutuhkan sedikit “pengereman” agar tidak terjadi overshoot yang terlalu besar.

Sistem monitoring bertujuan untuk mengetahui kondisi

Gambar 19. Interface sistem monitoring.

Gambar 20. Diagram alir sistem monitoring

Ada empat proses utama yang dilakukan oleh sistem monitoring. Pertama, pengiriman data setpoint. Pengiriman ini dilakukan dengan memberi input mikro

dengan menggunakan perintah “Chr (bilangan integer dalam desimal)”. Kedua, komunikasi data dari mikro ke PC. Komunikasi ini dilakukan dengan memberi input berupa karakter dan output berupa variabel yang diinginkan. Komuikasi tersebut dilakukan dengan perintah pada VB “MSComm1.Output” dan “MSComm1.Input”, sedangkan pada CV AVR “getchar” dan “printf”. Perintah pada VB tersebut dimasukkan pada sub timer sehingga komunikasi data bisa dijalankan secara online dan berkelanjutan.

pembentukan data base pada Microsof Access dari VB. Data base dibentuk dengan “componen

halnya komunikasi data PC dan mikro, penyimpanan data ini juga dilakukan secra online dan berkelanjutan sehingga

Interface sistem monitoring.

. Diagram alir sistem monitoring

Ada empat proses utama yang dilakukan oleh sistem monitoring. Pertama, pengiriman data setpoint. Pengiriman ini dilakukan dengan memberi input mikro berupa kode ASCII, dengan menggunakan perintah “Chr (bilangan integer dalam Kedua, komunikasi data dari mikro ke PC. Komunikasi ini dilakukan dengan memberi input berupa karakter dan output berupa variabel yang diinginkan. akukan dengan perintah pada VB “MSComm1.Output” dan “MSComm1.Input”, sedangkan pada CV AVR “getchar” dan “printf”. Perintah pada VB tersebut dimasukkan pada sub timer sehingga komunikasi data bisa dijalankan secara online dan berkelanjutan. Ketiga, tukan data base pada Microsof Access dari VB. Data component” ADODC pada VB. Seperti halnya komunikasi data PC dan mikro, penyimpanan data ini juga dilakukan secra online dan berkelanjutan sehingga

(8)

perintahnya dimasukkan pada timer. Keempat, penggambaran respon variabel proses secara online pada VB dengan bantuan “component” Teechart. Penggambaran grafik respon diambil dari nilai kecepatan sudut yang ada pada label pps. Proses ini juga dilakukan pada timer karena proses berjalan secara online.

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

A. Pengujian Sensor Rotary encoder

Pengujian sensor bertujuan untuk memastikan variabel proses terdeteksi dengan akurat sehingga sistem kontrol berjalan dengan baik. Pengujian ini dilakukan dengan membandingkan pembacaan sistem pengukuran dengan alat standar yang telah terkalibrasi. Alat standar yang digunakan untuk menghitung putaran rotor adalah tachometer laser digital. Target data yang akan diambil bervariasi pada kecepatan sudut rendah 60 rpm, medium 80 rpm dan tingi 130 rpm. Tachometer laser ditembakkan pada blade turbin yang berputar. Ketika pembacaan pada tachometer telah mencapai kondisi mantap pada target yang diinginkan, pembacaan pada sistem pengukuran dicatat.

Berdasarkan perhitungan, nilai error yang terjadi bervariasi pada tiap target data dengan error rata-rata 2,75 – 6,15%. Sedangkan nilai standar deviasi berturut-turut 2,244; 2,323; 4,648 untuk kecepatan sudut 60, 80, dan 130 rpm. Kesalahan atau error tersebut dapat terjadi karena ketidaksesuaian waktu antara pembacaan tachometer dengan sensor. Karena putaran turbin tidak stabil, maka selang kondisi mantapnya berlangsung dengan cepat sehingga pembacaannya menjadi lebih sulit. Selain itu, perbedaan resolusi antara sensor dengan tachometer. Resolusi sensor yang dirancang adalah 3 rpm sedangkan pada tachometer 0,1 rpm. Perbedaan yang cukup besar ini menyebabkan error yang cukup signifikan. Namun,sensor rotary encoder yang digunakan masih dapat dikatakan memiliki keakuratan yang tinggi.

B. Pengujian Sinyal PWM (Pulse Width Modulation)

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kesesuaian aktuasi motor servo. Proses pengujian dilakukan dengan memberikan sinyal PWM dari mikrokontroler ke motor servo kemudian diukur perubahan sudut yang diberikan pada blade turbin. Aktuasi pada sistem kontrol ini berjalan secara terus menerus, dari sudut rendah ke tinggi atau sebaliknya sesuai dengan sinyal kontrol yang diberikan. Oleh karena itu, diperlukan perhitungan histeresis pada pengukuran ini.

F =_H F(G)

4I− H4 × 100% (11)

Data PWM adalah frekuensi sinyal yang keluar dari kaki OCR1A, sedangkan real naik dan turun adalah hasil pengukuran aktuasi motor servo. Berdasarkan perhitungan, histeresis maksimal terjadi pada sudut perhitungan 550, namun nilainya cukup kecil yaitu sebesar 3,333%. Sedangkan error rata-rata untuk pengukuran naik dan turun secara berturut-turut adalah 0,9470 dan 0,4730. Dengan demikian secara keseluruhan aktuasi yang diberikan cukup baik.

C. Analisa Kualitatif Sistem Pengendalian Sudut Pitch Blade pada Prototipe Turbin Angin.

Analisa kualitatif merupakan analisa yang dilakukan berdasarkan parameter respon sistem. Hasil uji ini berkaitan dengan kemampuan sistem untuk mengatasi gangguan, mempertahankan setpoint dan parameter lain yang menunjukkan kualitas sistem pengendalian. Sebelum sampai pada analisa respon tersebut, dilakukan proses pengambilan data repon sistem. Proses pengambilan data respon sistem dilakukan dengan memberikan sumber angin pada plant yang telah menerima set point kemudian dilakukan variasi pada kecepatan angin yang berbeda. Hal ini dilakukan untuk mengetahui ketahanan dan kehandalan sistem pengendalian.

Gambar 21. Respon sistem pada setpoint 10 pps

Gambar 22. Respon sistem dengan setpoint 20 pps

Gambar 23. Respon sistem pada setpoint 30 pps

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 WAKTU (s) PP S

RESPON SISTEM PADA SETPOINT 10 PPS

Respon Setpoint 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 WAKTU (s) PP S

Respon Setpoint 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 WAKTU (s) PP S

RESPON SISTEM PADA SETPOINT 30

RESPON SETPOINT

(9)

Gambar 24. Respon sistem pada setpoint 40

Pada tiap setpoint diberikan sumber angin yang berbeda-beda. Secara berturut-turut setpoint 10, 20, 30, 40 diberikan kecepatan angin 4,8; 6,5; 7; 7,5m/s. Nilai beban tersebut dipilih berdasarkan mode kipas yang bisa didapat. Satu kipas mode low menghasilkan 6,5 m/s, medium menghasilkan 7m/s dan high sebesar 7,5 m/s.

Pada gambar 21, respon sistem terlihat lebih banyak terjadi osilasi dibandingkan gambar 22 – 24. Sebenarnya hal ini disebabkan skala error yang ditampilkan pada setpoint rendah. Sehingga gambar terlihat detail osilasinya, namun pada dasarnya error pada beberapa kondisi respon diatas berkisar dinilai yang sama. Error tersebut disebabkan oleh fungsi kenggotaan Zero sistem pengendali logika fuzzy yang memiliki rentang -2 hingga 2 pps. Rentang tersebut diambil berdasarkan penelitian yang dilakukan secara terus menerus hingga didapatkan hasil optimal. Apabila rentang terlalu lebar, maka error steady state akan bernilai tinggi. Sedangkan rentang yang terlalu kecil, mengakibatkan banyaknya aktuasi motor servo untuk merubah sudut blade. Hal tersebut dapat menyebabkan penurunan kecepatan sudut shaft karena energi gerak blade mengganggu energi angin yang datang dari depan. Parameter-parameternya kualitas sistem pengendalian secara lengkap ditampilkan dalam tabel 4.3.

TABEL 2.

PARAMETER ANALISA KUALITATIF

Setpoint (pps) Maximum overshoot Error steady state

10 0% 8,57%

20 5% 4,18%

30 0% 4,65%

40 0% 4,56%

Berdasarkan tabel 2, maximum overshoot terbesar masih terjadi pada setpoint 20 pps. Hal ini dapat disebabkan ketidakstabilan sumber angin yang mengalami gangguan dari luar atau noise sensor. Namun pada kondisi yang lain maximum overshoot dapat ditekan dengan baik. Hal ini disebabkan sistem logika fuzzy yang diaplikasikan akan mengkondisikan blade pada sudut pitch 50 pada kondisi error dan delta error Zero. Sudut pitch tersebut memiliki kharakterisitk mengurangi kecepatan sudut pada kecepatan angin tinggi dan menambah kecepatan pada kecepatan angin

rendah.

Error steady state adalah error yang terjadi pada kondisi steady. Berdasarkan gambar 4.2 – 4.5 dan tabel 4.3, error steady state cukup besar, namun masih dalam batas yang diperbolehkan yaitu 2 – 5%. Pada setpoint rendah nilai error steady state cukup tinggi. Hal ini disebabkan osilasi yang sering terjadi karena banyaknya aktuasi pada plant. Pada setpoint rendah, sumber angin yang diberikan cukup besar jika dibandingkan ketiga setpoint berikutnya. Sehingga waktu yang dibutuhkan untuk meningkatkan kecepatan sudut cukup cepat. Karena cepatnya respon tersebut, waktu aktuasi penurunan kecepatan sudut tidak mampu mengimbangi. Selain itu, hal yang perlu diperhatikan pada parameter error steady state adalah nilainya yang hampir sampai batas maksimal. Hal ini merupakan konsekuensi dari aktuasi penurunan kecepatan sudut yang kuat. Karena apabila aktuasi penurunan kecepatan sudut rendah maka nilai maximum overshoot bisa sangat besar. Kedua hal tersebut berkaitan erat, dan salah satu konsekuensi buruknya tidak dapat dihilangkan. Salah satu cara untuk mengatasi masalah tersebut adalah membagi rule base yang berbeda pada tiap variasi kecepatan angin.

Berdasarkan kedua parameter tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa respon sistem pengendalian sudut pitch berbasis logika fuzzy memiliki kualitas yang baik karena ketiga daerah operasi masih dalam batas yang diijinkan. Namun, akan lebih baik bila dilengkapi dengan sensor kecepatan angin. Dengan mengetahui kecepatan angin yang diterima, kita bisa merancang rule base yang sesuai. Sehingga, bisa didapatkan performansi sistem kontrol yang baik meskipun seringkali terjadi fluktuasi kecepatan angin.

D. Pengujian Setpoint Tracking

Pengujian setpoint tracking merupakan bagian dari analisa kualitatif respon sistem pengendalian. Apabila kedua parameter diatas baik, maka kemungkinan besar pengujian ini juga berhasil dengan baik. Pengujian ini dilakukan dengan merubah nilai setpoint setelah kondisi steady. Setpoint yang diambil adalah 20 – 30 – 20. Untuk mengetahui respon sistem pada saat terjadi perubahan beban maka saat perubahan dari 20 – 30pps, kecepatan angin diubah dari 6,5 ke 7m/s. Sedangkan perubahan dari 30 – 20 dibuat tetap 7m/s. Hasil uji setpoint tracking ditampilkan pada gambar 25.

Gambar 25. Respon setpoint tracking

Berdasarkan gambar 25, sistem pengendalian ini mampu mengikuti setpoint yang diberikan. Waktu yang dibutuhkan untuk naik dari setpoint 20 ke 30 pps lebih lama dibandingkan kondisi turun dari 30 ke 20 pps. Hal ini dikarenakan, energi

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 WAKTU (s) PP S

RESPON SETPOINT 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 5 10 15 20 25 30 35 W A K T U ( s ) P P S R E S P O N S I S T E M T R A C K I N G S E T P O I N T 2 0 - 3 0 - 2 0 RESPON SETPOINT

(10)

penurunan kecepatan sudut oleh pengendalian sudut pitch lebih kuat daripada energi dari kecepatan angin untuk meningkatkan kecepatan sudut. Sehingga waktu yang dibutuhkan untuk turun dari 30 pps ke 20 pps lebih cepat.

E. Analisa Kuantitatif Sistem Pengendalian Sudut Pitch Blade pada Prototipe Turbin Angin

Analisa kuantitatif merupakan analisa berdasarkan perhitungan jumlah error. Analisa ini dilakukan dengan menentukan parameter Integral Time Absolute Error (ITAE). Parameter tersebut menunjukkan jumlah error keseluruhan pada tiap selang waktu yang diberikan. Persamaan 4.3 digunakan untuk menentukan parameter ITAE dalam bentuk diskrit. GKL = M &|O| PQ (12) TABEL 3. ITAE T=150 S. Setpoint (pps) ITAE 10 10875 20 10925 30 30887 40 39275

Nilai ITAE dihitung hingga melebihi dari settling time maksimal. Nilai settling time maksimal adalah 148 s, sehingga diambil waktu ke 150 s. Berdasarkan tabel 4.4, perbedaan yang cukup besar antara ITAE setpoint rendah dengan tinggi. Hal ini disebabkan lamanya waktu untuk mencapai setpoint tinggi. Ketika detik ke 10, pada setpoint rendah error yang terjadi cukup kecil berkisar kurang dari 3 pps. Sedangkan untuk setpoint tinggi pada waktu yang sama error yang terjadi masih cukup besar yaitu lebihdari 11pps. Oleh karena itu, pada setpoint tinggi nilai ITAE yang dihasilkan cukup besar. Permasalahan ini juga dapat diselesaikan dengan solusi yang telah disinggung pada subbab sebelumnya. Solusi tersebut adalah menambahkan sensor kecepatan angin sehingga dapat dibentuk rule base untuk tiap-tiap mode kecepatan angin. Dengan demikian, aktuasi yang diberikan lebih spesifik dan performansi yang didapat juga semakin baik.

Selanjutnya dihitung pula nilai rata-rata error dan standar deviasi error setelah mencapai steady.

TABEL 4.

RATA-RATA ERROR DAN STANDAR DEVIASI .

Setpoint Rata-rata Error Standar Deviasi

10 0,857 1,134

20 0,835 1,027

30 1,695 0,973

40 2,220 1,05

Rata-rata error merepresentasikan error yang terjadi disetiap waktu. Penentuan error steady state diatas juga didasarkan pada nilai ini. Sedangkan standar deviasi merepresentasikan rentang error yang mungkin terjadi. Misal pada setpoint 40, secara statistik variabel proses beroperasi pada 40±1,05 pps.

Berdasarkan tabel 4, dapat diketahui bahwa sistem pengendalian yang telah dirancang memiliki performansi yang baik.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Setelah melakukan penelitian rancang bangun sistem pengendalian sudut pitch pada prototipe turbin angin berbasis logika fuzzy maka didapat kesimpulan pada setpoint 10 pps sistem pengendalian ini memiliki maximum overshoot time 0%, error steady state 8,57%; setpoint 20 pps memiliki maximum overshoot time 5%, error steady state 4,18%; setpoint 30 pps memiliki maximum overshoot time 0%, error steady state 4,65%; dan setpoint 40 pps memiliki maximum overshoot time 0%, error steady state 4,56%. Berdasarkan analisa kuantitatif, sistem pengendalian ini pada setpoint 10, 20, 30, 40 pps secara berturut-turut memiliki ITAE 10875, 10925, 30887, 39275. Turbin angin mampu beroperasi pada 20 – 40 pps / 60-120 rpm. Saran untuk pengembangan selanjutnya, ditambahkan sensor kecepatan angin agar aktuasi lebih spesifik sehingga performansi sistem pengendalian dapat ditingkatkan.

VI. DAFTAR PUSTAKA

1.

BPPT .Outlook Energi Indonesia.. Jakarta : BPPT, 2010. 2. BMKG. www.bmkg.go.id. [Online] [diakses: Pebruari 28, 2011.]

3. Zhang, Jianzhong, et al. Pitch Angle Control for Variable Speed Wind Turbines. Jurnal DRPT – China. Nanjing : DRPT, 2008.

4. Siano, Pierluigi, Piccolo, Antonio and Galdi, Vincenzo. Designing an Adaptive Fuzzy Controller for Maximum Wind Energy Extraction. Fisciano : IEEE, 2008.

5. Rostoen, Hans Overseth. Doubly fed induction generator in a wind turbine. Minesota : DPRT, 2002.

6. Burton, Tony, et al. Wind Energy Handbook. Chicester : John Wiley & Sons ,Ltd, 2001.

7. Bogdan, Stjepan and Kovacic, Zdenco. Fuzzy Controller Design:Theory And Applications. Boca Raton : Taylor & Francis Group, 2006.

8. Rizqiawan, Arwindra. http://konversi.wordpress.com /2009/ 06 / 12/sekilas-rotary-encoder/. konversi.wordpress.com. [Online] [diakses: Juli 4, 2011.] 9.http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2466.pdf. www.atmel.com. [Online] [Cited: Juli 4, 2011.]

10. http://www.lirtex.com/robotics/servo-motors-information-and-control/. www.lirtex.com. [Online] [diakses: Juli 4, 2011.] 11. Somers, Dan M. The S833, S834, and S835 Airfoils . Pennsylvania : National Renewable Energy Laboratory , 2002.

12. Bentley, John P. Principles of Measurement System. Third. Singapore : Longman Singapore Publisher (Pte) Ltd, 1995. 13. Harika, Adam. Rancang Bangun Blade Pitch Angle Control System Berbasis Classic-Fuzzy pada Prototipe Wind Turbine. Surabaya. Teknik Fisika-FTI-ITS,2009.