JURNAL TEKNIKA ATW 1
OPTIMASI BERBASIS KONTROL PID UNTUK SISTEM SUSPENSI SEMI AKTIF KENDARAAN
Edy Suryono1) Petrus Heru Sudargo2)
1), 2)
Jurusan Teknik Mesin, Akademi Teknologi Warga Surakarta E-mail: [email protected]
Abstract
The experiment focuses on semi-active suspension control of the vehicle, which is expected to get a good performance and comfort based method of Proportional, Integral, and Derivative (PID). Suspension plays a very important role in providing comfort to disturbances such as uneven road surfaces. To obtain this goal modeling in the form of semi-active suspension of quarter car by controlling the suspension damping due to the road disturbances. The main burden in the form of vehicle mass, mass of the suspension and mass of passengers. The analysis conducted from the evenness of road as the input at 10 cm for 30 seconds.
Results of the simulations it was found that the optimum settings for semi-active suspension sistem in the form of the proportional value at 231,7788, Integral at 5316,6935 and derivative at 2,172. The obtained of rise time at 0.00619 seconds, settling time at 0.00662 seconds and overshoot at 10.9%, peak at 1.11 and a maximum seat and passenger displacement by 49 mm.
The average decrease displacement between sprung and unsprung is a 5,2 mm and reduce of settling time at 30,34%.
Keyword : PID, Semi active, Suspension, Sprung mass, Unsprung mass, Quarter car model Abstrak
Penelitian ini difokuskan pada kontrol suspensi semi aktif kendaraan, yang diharapkan mendapatkan performa yang baik dan kenyamanan dengan berbasis pada Proportional, Integral dan Derivatif (PID). Dimana suspensi memainkan peranan yang sangat penting dalam memberikan kenyamanan terhadap gangguan seperti permukaan jalan yang tidak rata. Untuk mendapatkan tujuan ini pemodelan berupa suspensi semi aktif untuk seperempat kendaraan dengan mengontrol redaman pada suspensi akibat dari gangguan jalan. Beban utama berupa massa kendaraan, massa suspensi dan massa penumpang. Analisis dilakukan berdasarkan masukan ketidak rataan jalan sebesar 10 cm yang berlangsung selama 30 detik.
Hasil simulasi diketahui bahwa pengaturan optimal untuk suspensi semi aktif diperoleh dengan nilai Proportional sebesar 231,7788, Integral sebesar 5316,6935 dan Derivatif sebesar 2,1727, dimana nilai rise time sebesar 0,00619 detik, settling time sebesar 0,00662 detik dan overshoot sebesar 10,9%, dengan nilai puncak sebesar 1,11 dan perpindahan maksimum dari kursi dan penumpang sebesar 49 mm. rata-rata penurunan displacement antara body kendaraan dan suspensi sebesar 5,2 mm serta mengurangi nilai settling time sebesar 30,34%.
Kata kunci : PID, Semi aktif, Suspensi, masa kendaraan, masa suspensi, model seperempat kendaraan
I. PENDAHULUAN
Sistem suspensi pada kendaraan memegang peranan yang sangat penting dalam memberikan kenyamanan dan keamanan. Selain itu dapat mempengaruhi stabilitas kendaraan dan kekuatan ban dalam merekat ke bidang jalan, sistem suspensi juga berfungsi untuk mengurangi getaran, hal ini sebagai akibat dari ketidakrataan permukaan jalan.
Sistem suspensi digolongkan dalam tiga kelompok yaitu : pasif, semi aktif, dan aktif. Sistem suspensi pasif berupa pengurangan elemen tenaga oleh damper dan elemen penyimpan energi, berupa spring. Suspensi pasif dan semi aktif berbeda dalam aspek kekakuan peredaman, dimana suspensi pasif mengunakan kekakuan peredaman tetap dan suspensi semi aktif mengunakan kekakuan peredaman yang bervariasi (Kamalakannan, 2011).
1
JURNAL TEKNIKA ATW 2 Suspensi semi aktif (Giua, 1999, Kitching, 2000, Roberti, 1993) terdiri dari pegas dan damper, tetapi tidak seperti suspensi pasif, dimana nilai koefisien peredam dapat dikontrol dan diperbaharui. Peredaman semi aktif mengubah gaya redaman mereka secara real time sesuai dengan pengaturan kontroler, yang biasanya didasarkan pada dinamika sistem. Cukup dengan menyesuaikan perlawanan peredam untuk gerak atau koefisien damping, sehingga merubah gaya peredam. Kemampuan untuk memvariasikan koefisien redaman pada semi aktif secara bebas dari kecepatan redaman dalam batas redaman, telah mendorong sejumlah individu dan perusahaan untuk mengekplorasi dalam meningkatkan kinerja suspensi menggunakan teknologi peredam pada suspensi semi aktif (Rashid, MM, 2007).
Sistem suspensi kendaraan bertanggungjawab untuk kenyamanan berkendara dan keselamatan. Suspensi membawa body kendaraan dan mentransmisikan semua kekuatan antara body dan jalan. Biasanya suspensi dirancang berdasarkan spesifikasi yang tepat dari jenis kegunaan. Jelaslah bahwa, keluaran yang dihasilkan berupa acuan dari perancangan yang dioptimalkan dengan menerapkan berbagai masukan (Frost, 1996 dan Aminreza, 2012). Kontrol terhadap sistem suspensi semi aktif yang optimal dapat meningkatkan stabilitas kendaraan dan kenyamanan perjalanan ( Huang, 2010 dan Yedavalli, 2008)
Penelitian ini difokuskan pada pengembangan model peredam dengan pengontrolan untuk sistem suspensi semi aktif. Proportional, Integral dan Derivatif (PID) merupakan salah satu jenis kontroler yang mudah untuk proses desain, karena langsung dihitung dari nilai redaman yang diinginkan pada berbagai kondisi jalan. Kontrol PID dapat mengurangi nilai puncak dari resonansi body kendaraan sehingga dapat mencapai kualitas berkendara yang baik.
II. BAHAN DAN METODE PENELITIAN A. Bahan dan Peralatan
Bahan dan peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah:
1. Desain pemodelan system suspensi seperempat kendaraan.
2. Program Matlab 2012.
B. Metode Penelitian
1. Model Seperempat Kendaraan
Model kendaraan dalam penelitian ini adalah model seperempat kendaraan. Gambar 1 menunjukkan diagram skematik dari sistem suspensi semi aktif seperempat kendaraan.
Karakteristik performa yang diteliti dari desain suspensi semi aktif adalah displacement body (Zs), displacement kursi dan penumpang (Zse), displacement suspensi (Zu), dan jarak kerja antara suspensi (Zs-Zu).
Gambar 1. Diagram sistem kontrol suspensi semi aktif seperempat kendaraan (Ram M Rao, 2010)
JURNAL TEKNIKA ATW 3 Parameter dari gangguan jalan ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Parameter gangguan jalan 2. Diagram Blok Suspensi Semi Aktif
Diagram blok subsistem dari suspensi semi aktif ditunjukkan pada gambar 3. Dengan berbagai macam data input blok Simulink dan respon yang diperoleh.
Gambar 3. Diagram blok subsistem dari suspensi semi aktif
3. Kontrol PID
Memperhatikan nilai dari Proportional Kp, Integral Ki, dan derivative Kd di dalam transfer function diperlihatkan pada persamaan 6, secara umum persamaan dari control PID diperlihatkan :
(6) ……….. (1)
JURNAL TEKNIKA ATW 4 Gambar 4 menunjukkan sirkuit lengkap dari suspensi semi aktif dengan kontrol PID.
Kontrol PID diimplementasikan untuk menghitung kenyamanan ketika kendaraan melewati gundukan pada gangguan jalan sebesar 100 mm dalam waktu 30 detik. Model ini, blok kontrol menggunakan Kp, Ki, dan Kd.
Gambar 4. Sirkuit dari suspensi semi aktif.
C. Kajian Pustaka 1. Persamaan Gerak
Massa kursi dan penumpang, body dan suspensi disimbolkan Mse, Ms, dan Mu.
Kekakuan pegas dan koefisien dari kursi adalah Kse dan Cpse. Suspensi redaman dan kekakuan ditunjukkan sebagai Cps dan Ks. Kekakuan ban yaitu Kt. Persamaan dari model seperempat kendaraan mempertimbangkan nilai tetap dari kekakuan pegas yang sesuai kebutuhan (Avesta, 2010).
Persamaam gerak dari gambar 1. untuk gabungan massa penumpang dan kursi adalah : ………..
Persamaan gerak untuk massa body kendaraan adalah :
...
Dan persamaan untuk massa suspensi adalah :
………..
2. Transformasi Laplace
Diasumsikan bahwa semua kondisi awal adalah nol, sehingga persamaan ini menunjukkan dimana roda kendaraan dalam kondisi terdapat gangguan jalan berupa gundukan. Persamaan dinamis di atas dapat dinyatakan dalam bentuk fungsi transfer dengan mengambil Transform Laplace. Penurunan tertentu dari persamaan di atas untuk transfer fungsi G1 (s) dan G2 (s) ditampilkan di bawah ini di mana masing-masing memiliki fungsi transfer output,Zs-Zu.
G1 (s) = (5)
G2 (s) = Error! Reference source not found. (6) Parameter suspensi yang digunakan pada model seperempat kendaraan adalah :
Tabel 1 Parameter-parameter model sistem suspense
(3)
(4) (2)
---
---
JURNAL TEKNIKA ATW 5
Simbol keterangan Input data
Ms 1/4 massa kendaraan 250 kg
Mu Masa suspensi 55 kg Mse Masa seat dan penumpang 100 kg
Kse Konstanta pegas seat 8,000 N/m
Ks Konstanta pegas suspensi 28,000 N/m
Kt Konstanta pegas ban 12,500 N/m
Cps Konstanta redaman suspensi 3000 N.s/m
Cpse Konstanta redaman seat 3000 N.s/m
III. HASIL
Gambar 5 menunjukkan respon tanpa kontrol pada perubahan body displacement, dimana perubahan maksimal body mencapai 40 mm dengan settling time lebih dari 40 detik dari satu gangguan. Respon tune secara otomatis pada sistem didapatkan variasi Proporsional sebesar 231,7788, Integral sebesar 5316,6935 dan derivative sebesar 2,1727, seperti pada gambar 6.
0 10 20 30 40 50 60 70 0 10
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
time (second)
body displacement (mm)
Gambar 5. Respon tanpa kontrol
Gambar 6. Respon tune otomatis
-20 -10 0 10 20 30 40 50
body displacement (mm)
JURNAL TEKNIKA ATW 6 Gambar 7. Body displacement
Perubahan body displacement setelah dikontrol menunjukkan nilai peak sebesar 46 mm dan settling time di bawah 20 detik.
Gambar 8. Seat dan passenger displacement
Sedangkan untuk perubahan displacement pada seat dan passenger mengalami peak awal yang sama antara yang dikontrol dengan yang tidak dikontrol. Settling time tercapai sekitar 50 detik pada sistem yang dikontrol, sedangkan sistem tanpa kontrol tercapai lebih dari 70 detik.
Gambar 9. Suspension displacement
Suspension displacement pada sistem tanpa kontrol, amplitudo awal memiliki perbedaan sebesar 10 mm dibandingkan sistem yang terkontrol.
JURNAL TEKNIKA ATW 7 Gambar 10. Jarak suspensi saat bekerja (Zs-Zu)
Jarak antara suspensi dengan body mobil maksimal terjadi pada awal ampitudo sebesar 30 mm untuk sistem tanpa kontrol dan 24 mm untuk sistem yang dikontrol. Sedangkan settling time pada sistem yang dikontrol sebesar 50 detik dan di atas 70 detik untuk sistem tanpa kontrol.
IV. KESIMPULAN
Kontrol PID diperoleh nilai yang optimal pada kombinasi dari P, I, dan D. Nilai kombinasi kontrol PID sebesar P = 231,7788, Integral = 5316,6935 dan derivative sebesar 2,1727.
Rise time diperoleh pada nilai 0,00619 detik, settling time sebesar 0,00662 detik dan overshoot pada 10,9%, dengan nilai puncak sebesar 1,11 dan displacement maksimal dari kursi dan penumpang sebesar 49 mm. Kombinasi ini dapat mengurangi jarak kerja antara body dan suspensi (Zs-Zu) rata rata sebesar 5,2 mm dan meningkatkan settling time sebesar 30,34%. Terjadi pengurangan displacement antara kursi dan penumpang rata-rata sebesar 66%. Jadi dengan adanya control redaman suspensi dapat meningkatkan kenyamanan dan handling yang baik.
Meskipun tidak menutup kemungkinan dengan metode lain akan mendapatkan hasil yang lebih baik, maka perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menggunakan metode lain dan membandingkan hasilnya.
REFERENCES
[1] A.Giua, C. Seatzu, G. Usai, 1999, Semiactive suspension design with an Optimal Gain Switching target, Vehicle Sistem Dinamics, Vol. 31, pp. 213–232,.
[2] Avesta Goodarzi, E.O., Ebrahim Esmailzadeh, Design and analysis of an intelligent controller for active geometry suspension sistems. Vehicle Sistem Dynamics, 2010. Vol. 49(Nos. 1-2): p. 333–359.
[3] Frost, G.P., et al., Moderated reinforcement learning of active and semi-active vehicle suspension control laws. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part I, Journal of sistems and control engineering, 1996. 210(Compendex): p. 249-257.
[4] Huang, H.-H. and R.K. Yedavalli. Active roll control for rollover prevention of heavy articulated vehicles with multiple-rolloverindex minimization. in ASME 2010 Dynamic Sistems and Control Conference, DSCC2010, September 12, 2010 - September 15, 2010. 2010. Cambridge, MA, United states: American Society of Mechanical Engineers.
[5] Kamalakannan, K. et.al., Performance Analysis and Behaviour Characteristics of CVD (Semi Active) in Quarter Car Model. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol. 5. Number 3: p. 261- 265.
[6] Kitching, K.J., D.J. Cole, D. Cebon, 2000, Performance of Semi-Active Damper for Heavy Vehicles, ASME Journal of Dynamic Sistems Measurement and Control, Vol.122, pp.498-506.
[7] Ram Mohan Rao T., et al, Analysis Of Passive And Semi Active Controlled Suspension Sistems For Ride Comfort In An Omnibus Passing Over A Speed Bump, IJRRAS 5 (1). October 2010
JURNAL TEKNIKA ATW 8 [8] Rashid, M.M. et all. Development of a semi-active car suspension control sistem using Magneto-
rheological damper model, International Journal of Mechanical and Materials Engineering (IJMME), Vol.
2 (2007), No. 2, 93-108.
[9] Riahi Aminreza and Saeed Balochian. Control Design of a Semi Active Suspension Using Optimal, PID and Sliding Mode Theory, Acta Electrotehnica, Mediamira Science Publisher, Volume 53, Number 2, 2012 [10] Roberti, V. B. Ouyahia, A. Devallet, June 1993. Oleo pneumatic suspension with preview semiactive
control law, Proc. Int. Cong. MV2, Active Control in Mechanical Engineering (Lyon,France), Vol. 1, [11] Yedavalli, R.K. and H.-H. Huang. Controller design for multibody ground vehicle rollover prevention
using modified LQR framework. in 2008 ASME Dynamic Sistems and Control Conference, DSCC 2008, October 20-22, 2008. Ann Arbor, MI, United states: ASME.
