ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper
Transcript of ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 1/13
1
Abstrak— Energi yang dihasilkan dari turbin angin tanpa
adanya sistem pengendali dapat menyebabkan daya listrik yang
dihasilkan kurang optimal, hal ini karena daya listrik yang
dihasilkan sangat bergantung pada naik turunnya kecepatan
angin dan perlu adanya pengendali tegangan agar tegangan yang
dihasilkan tidak berfluktuatif sebelum disimpan di dalam baterai
atau digunakan secara langsung . Dalam tugas akhir ini
dirancang dan dibuat sebuah buck converter sebagai sistem
pengendali tegangan pada turbin angin dengan metode logika
fuzzy yang diterapkan pada mikrokontroller. Buck converter merupakan tipe converter tipe peralihan tanpa adanya daya
hilang yang relatif besar daripada converter tipe linear meskipun
dilakukan proses penstabilan tegangan, sedangkan jenis logika
fuzzy yang digunakan adalah fuzzy sugeno dengan masukan
berupa error dan delta error, keluaran fuzzy berupa nilai cripsuntuk pembangkitan sinyal pulse width modulation (PWM) .
Performansi logika fuzzy yang telah dirancang dapat berfungsi
dengan baik, hal ini dapat dilihat berdasarkan pengujian yang
telah dilakukan yaitu dengan Vin dari generator turbin angin
pada nilai setpoint 2 volt hanya menghasilkan error rata-rata
tegangan sebesar 0,8 % dan pada pengujian tambahan dengan
supply DC buatan menghasilkan error tegangan sebesar 2,8 %
pada setpoint 2 volt; 2,9 % setpoint 4 volt; 1,3 % setpoint 6 volt;
dan 0,5 % pada setpoint 8 volt. Kata kunci — Turbin angin, PWM , logika fuzzy, buck converter.
I. PENDAHULUAN
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yangberada di garis khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin
di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di
negara-negara maju yang sudah banyak memanfaatkan tenaga
angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Beberapa
karakteristik angin di Indonesia antara lain yaitu kecepatan
angin yang relatif rendah dan cenderung berfluktuatif.
Perbedaan karakteristik angin tersebut menyebabkan energi
listrik yang dihasilkan turbin angin dalam Sistem Konversi
Energi Angin (SKEA) di daerah tropis khususnya di Indonesia
sangat tidak optimal dan berfluaktif [1]. Beberapa parameter
yang menimbulkan ketidak optimalnya energi listrik yang
dihasilkan dari turbin angin adalah tegangan keluaran yang
cenderung kecil dan berubah-ubah mengikuti angin yang
terkonversi di turbin angin.
Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter ) tipe
peralihan atau dikenal juga dengan sebutan DC Chopper
dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran
DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan
pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut
adalah berasal dari sumber daya DC yang memiliki tegangan
masukan yang tetap. Pada dasarnya, penghasilan tegangan
keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara
pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran
dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang
digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut
tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti
Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO [2].
Buck converter adalah salah satu jenis DC chopper yang
memiliki fungsi menstabilkan tegangan dengan menurunkan
tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari
tegangan masukan tanpa harus menghilangkan daya yangrelatif besar daripada converter tipe linear [2].
Sistem pengendalian menggunakan logika fuzzy
digunakan karena merupakan alternatif sistem kendali modern
yang mudah karena tidak perlu dicari model matematis dari
suatu sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki respon
sistem yang stabil. Dalam tugas akhir ini duty cycle diatur
untuk proses switch berdasarkan jumlah PWM yang
dikeluarkan oleh mikrokontroler yang diprogram berdasarkan
prinsip pengendali loika fuzzy. Perubahan tegangan keluarangenerator turbin angin dapat dengan mudah diatur dengan cara
mengubah-ubah besarnya PWM untuk proses switch di buck
converter . Adapun range operasi tegangan dalam hal ini
diwakili oleh nilai set point tertentu yang akan dipertahankanoleh sistem pengendali logika fuzzy.
.
II. TEORI PENUNJANG
A. Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)[4]
Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip
perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati
turbin angin. Ketika melewati turbin angin, angin mengalami
pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan
berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang “hilang”
ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar
turbin angin, turbin angin ini terhubung dengan rotor dari
generator. Generator mengubah energi mekanik menjadi
energi listrik. Besar daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin
angin didefinisikan dalam persamaan di bawah ini,
….(1)
dimana ρ adalah massa jenis angin (kg/m3), C p koefisien
performansi turbin angin, A luas daerah sapuan turbin angin
(m2), dan v1 adalah kecepatan angin sebelum melewati turbin
angin (m/s).
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa daya yang
dapat dikonversikan oleh SKEA sangat bergantung pada
kecepatan angin (kubik dari kecepatan). Misalkan untuk suatuSKEA tertentu yang memiliki daya nominal atau sering juga
RANCANG BANGUN BUCK CONVERTER BERBASIS
PENGENDALI LOGIKA FUZZY PADA PROTOTYPE
TURBIN ANGIN
M. Ibrohim, Bambang L.W, Ali Musyafa’
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri
ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 2/13
2
disebut daya rating (Prated ) 1000 watt pada kecepatan angin
nominal atau rating (V rated ) 10 m/s ketika angin yang berada di
daerah SKEA memiliki kecepatan (V ) 9 m/s, maka daya yang
dihasilkan oleh SKEA tersebut dapat didefinisikan sebagaiberikut,
…(2)
Sehingga untuk V = 9 m/s, maka daya yang dihasilkan oleh
turbin angin adalah 0.729 kali Prated yang dalam kasus ini
bernilai 729 W. Dari kasus ini dapat disimpulkan bahwa besarkecepatan angin memiliki peran yang sangat besar dalam
pembangkitan energi oleh SKEA.
secara umum, skema SKEA yang umum diaplikasikan dalam
gambar berikut ini,
Gambar 1 Skema sistem konversi energy angin (SKEA)[4]
B. Prinsip Dasar Pengubah DC-DC Tipe Peralihan[4]
Untuk lebih memahami keuntungan dari tipe peralihan,
berikut prinsip pengubahan daya DC-DC tipe linier seperti
terlihat pada gambar 2.4 di bawah ini,
Gambar 2 Pengubah tipe peralihan[4]
Pada tipe peralihan, terlihat fungsi transistor sebagai
electronic switch yang dapat dibuka (off) dan ditutup (on).
Dengan asumsi bahwa switch tersebut ideal, jika switch
ditutup maka tegangan keluaran akan sama dengan tegangan
masukan, sedangkan jika switch dibuka maka tegangan
keluaran akan menjadi nol. Dengan demikian tegangan
keluaran akan berbentuk pulsa seperti pulsa seperti pada
gambar berikut,
Gambar 3 Tegangan keluaran[4]
besaran rata-rata atau komponen DC dari tegangan keluaran
dapat diturunkan dari persamaan berikut,
….(3)
dari persamaan diatas terlihat bahwa tegangan keluaran DC
dapat diatur besarannya dengan menyesuaikan parameter D.
Parameter D dikenal sebagai duty ratio yaitu rasio antara
lamanya waktu switch ditutup (ton) dengan perioda T dari pulsa
tegangan keluaran,
…(4)
dengan 0 ≤ D ≥ 1. Parameter f adalah frekuensi peralihan
(switching frequency) yang digunakan dalam mengoperasikan
switch. Berbeda dengan tipe linier, pada tipe peralihan tidak
ada daya yang diserap pada transistor sebagai switch. Ini
dimungkinkan karena pada waktu switch ditutup tidak ada
tegangan yang jatuh pada transistor, sedangkan pada waktu
switch dibuka, tidak ada arus listrik mengalir. Ini berartisemua daya terserap pada beban, sehingga efisiensi daya
menjadi 100%. Namun perlu diingat pada prakteknya, tidak
ada switch yang ideal, sehingga akan tetap ada daya yang
hilang sekecil apapun pada komponen switch dan efisiensinya
walaupun sangat tinggi, tidak akan pernah mencapai 100%.
C. Pengubah Buck[5]
Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian dasar dalam
metoda buck. Dalam metoda ini, tegangan keluaran akan lebih
rendah atau sama dengan tegangan masukan. Disamping itu,
jika pada pengoperasiannya arus yang mengalir melalui
induktor selalu lebih besar dari nol (CCM - Continuous
Conduction Mode), maka hubungan antara tegangan keluaran
dengan tegangan masukan adalah sebagai berikut ,
...(5)
Gambar 4 Pengubah Buck [5]
Keuntungan pada konfigurasi buck antara lain adalah efisiensi
yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan
transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang
rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah
sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil. Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak
adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu
keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi padaarus masukan. Metoda buck sering digunakan pada aplikasi
yang membutuhkan sistem yang berukuran kecil.
D. Logika Fuzzy
Fuzzyfikasi
Fuzzifikasi merupakan suatu proses merubah variabel
non-fuzzy (crisp) kedalam variabel fuzzy, variable input (crisp)
dipetakan ke bentuk himpunan fuzzy sesuai dengan variasi
semesta pembicaraan input . Pemetaan titik-titik numerik (
crisp points) x = (x1
, x2
, ………, xn
)T
є U ke himpunan fuzzy Apada semesta pembicaraan U . Data yang telah dipetakan
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 3/13
3
selanjutnya dikonversikan ke dalam bentuk linguistik yang
sesuai dengan label dari himpunan fuzzy yang telah terdefinisi
untuk variabel input sistem[2]
.
Keanggotaan dalam himpunan fuzzy mempunyai bentuk yangberbeda-beda terdiri dari bentuk seperti di bawah ini,
Gambar 5 Bentuk fungsi keanggotaan Gaussian [2]
Gambar 6 Bentuk Fungsi keanggotaan Segitiga
[2]
Gambar 7 Bentuk Fungsi keanggotaan Trapesium[2]
Didalam Fuzzy set tentunya memiliki beberapa fungsi
keanggotaan, jumlah dari keanggotaan inipun disesuaikan
dengan banyaknya kebutuhan. Setiap fungsi keanggotaan
dapat didefinisikan dengan label atau nama. Dapat dinyatakandengan besar, sedang, kecil atau sesuai dengan keinginan
[8].
Gambar 8 Contoh Input fuzzy dengan 3 fungsi keanggotaan [2]
Rule BaseBasis pengetahuan terdiri dari fakta (Data Base), dan
kaidah atur (Rule Base). Fakta merupakan bagian pengetahuan
yang memuat informasi tentang objek, peristiwa, atau situasi.
Fakta umumnya menyatakan kondisi statik dari suatu objek.
Sedangkan kaidah ( Rule base) berisi informasi tentang cara
membangkitkan fakta baru atau hipotesa fakta yang sudah
ada[2]
.
Basis Data ( Data Base).
Basis data berfungsi untuk mendefinisikan himpunan-
himpunan fuzzy dari sinyal masukan dan sinyal keluaran
agar dapat digunakan oleh variabel linguistik dalam basis
aturan. Dalam pendefinisian tersebut biasanya dilakukan
secara subjektif dengan menggunakan pendekatan
heuristik dan didasarkan pada pengalaman dan
pertimbangan yang menyangkut kerekayasaan, sehingga
bergantung penuh pada perancang.
Kaidah Atur ( Rule Base).
Kaidah atur dalam fuzzy ini biasanya tersusun denganpernyataan :
IF ( antecedent) THEN ( consequent) atau dapat jugaIF x is A THEN y is B.
Antecedent : berisi himpunan fakta input (sebab).
Consequent : berisi himpunan fakta output (akibat).
IF … THEN … dalam logika fuzzy akan melakukan
pemetaan dari himpunan fuzzy input kehimpunan fuzzy
output [2]
.
Defuzzifikasi
Defuzzifikasi merupakan proses merubah output fuzzy
dari FIS ( fuzzy inference system) menjadi output crips. Bentuk
umum proses defuzzifikasi diyatakan dengan:
Z0 = defuzzier (z) …(6)
dimana z adalah aksi pengendalian fuzzy, Z0 adalah aksi
pengendali crisp, dan defuzzifier adalah operator defuzzifikasi.
Terdapat beberapa macam metode defuzzifikasi, yaitu,
Metode Titik Pusat (Center Of Area, COA).
Metode ini membagi dua momen pertama fungsi
keanggotaan, dan harga v0 yang menandai garis pembagi
adalah harga V yang ter-defuzzifikasi.
Secara algoritmik dinyatakan[2]
:
∫
∫ =
vv
v
v
dvv
dvvv
v
)(
)(
0
µ
µ
…(7)
Sedangkan dalam semesta diskrit dapat dinyatakan :
∑
∑
=
=
=m
k
k v
m
k
k vk
v
vv
v
1
10
)(
)(
µ
µ
…(8)
Metode Rata-rata Maksimum ( Midle Of Maximum,
MOM).
Merupakan metode defuzzifikasi yang merepresentasikan
nilai tengah dari keluaran yang fungsi anggotanya
maximum. Fungsinya ditunjukkan sebagai:
∑=
=
n
i l
i z z
10 …(9)
Dimana zi adalah nilai pendukung dengan fungsi
keanggotaan bernilai maximum dan l adalah banyaknya
nilai pendukung[2]
.
E. Pulse Width Modullation (PWM)
Pulse Width Modulation (PWM) adalah sebuah cara
memanipulasi lebar dari pulsa dalam perioda yang konstan
untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda.
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 4/13
4
Gambar 9 Sinyal PWM dengan Berbagai Duty Cycle[13]
Pada gambar di atas menunjukkan tiga sinyal PWM yang
berbeda. Sinyal yang paling atas menunjukkan sinyal PWM
dengan duty cycle 10%. Artinya sinyal on selama 20% dari
perioda sinyal dan off selama 80 % sisanya. Gambar yang
lainnya menunjukkan sinyal dengan duty cycle 50% dan 90%.
Ketiga sinyal PWM tersebut akan menghasilkan sinyal analog
yang berbeda. Sebagai contoh jika supply tegangan sebesar
9V dan duty cycle 20%, maka menghasilkan 1,8V.
Gambar 10 sinyal PWM [10]
……………….(10)
: Tegangan Output (Volt)
: Tegangan Pulsa PWM (Volt)
: Perioda pulsa high (detik)
T : Periode pulsa (detik).
F. Generator DC[3]
Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik
dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik.
Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah.
Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkandari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya
terhadap jangkar (anker ), jenis generator DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
Pada umumnya generator DC dibuat dengan
menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor,
regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih,starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau
casis, serta bagian rotor. Gambar berikut menunjukkan
gambar potongan melintang konstruksi generator DC.
Gambar 11 konstruksi generator DC [3]
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian
mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin
DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari rangka motor,
belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box.Sedangkan bagian rotor
terdiri dari komutator, belitan rotor, kipas rotor dan porosrotor.
Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan
hukum Faraday,
……….(11)
dengan N = Jumlah Lilitan
= Fluksi Magnet
e = Tegangan Imbas, GGL (Gaya Gerak Listrik)
G. AVR Atmega 16 [11]
AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan
Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu
siklus clock . AVR mempunyai 32 register general-purpose,
timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt
internal dan eksternal, serial UART, programmable
Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM
internal.
AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-
chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram
ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI.
ATMega16.
ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1
MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi
konsumsi daya versus kecepatan proses.Beberapa
Gambar 12 Pin-pin ATMega16 kemasan 40-pin[11]
Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual
in-line package) ditunjukkan oleh gambar 1. Guna
memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur
Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan
data).
III. RANCANG BANGUN PROTOTYPE TURBIN ANGIN
DAN BUCK CONVERTER BERBASIS LOGIKA FUZZY
A. Alur Penelitian
Pada sub bab ini akan dibahas tentang prosedur
penelitian, perancangan, dan pembuatan buck converter
berdasarkan algoritma logika fuzzyyang dibangun di mikrokontroller atmega 16.Adapun alur penelitian yang digunakan sebagai dasar
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 5/13
5
pelaksanaan penelitian tugas akhir ini adalah sebagai
berikut,
Mulai
Pembuatan Prototype Turbin Angin
Pembuatan Buck Converter
Pengujian Buck Converter
Perancangan Kontroller Logika Fuzzy
Berhasil?
Trouble Shooting
Sinkronisasi Hardware dan Software
Berhasil?
Trouble Shooting
Pengujian Performansi Sistem
Sesuai
Performansi?
Analisa Data dan Pembahasan
Penyusunan Laporan
Selesai
Analisa Kegagalan
Ya
Ya
Tidak
Tidak
Ya
Tidak
Berhasil?
Ya
tidak
Pengambilan
Data
Gambar 13 Alur Penelitian
B. Pembuatan Prototype Turbin Angin
Bahan blade secara keseluruhan terbuat dari fiber glass
dengan panjang 100 cm, pembuatan blade dilakukan di
laboratorium non-logam di PPNS-ITS. Berikut gambar blade
dari prototype turbin angin yang telah dibuat,
Gambar 14 blade prototype turbin angin
Untuk keperluan tempat blade dan penyangga, dibuat tiang
penyangga dengan bahan dasar dari besi, tinggi tiang 128
cmdengan piringan di atasnya berdiameter 40 cm sebagai
keperluan tempat minimum system mikrokontroller , generator
dan buck converter.
Gambar 15 tiang penyangga protorype turbin angin
Selanjutnya dibuat juga penghubung pijakan blade dan
tiang agar turbin angin bias berputar, pijakan ini terbuat dari
pipa besi berongga sebagai AS disambungkan dengan bearing
sebagai tempat untuk berputar.
Gambar 3.4 pijakan blade sebagai tempat berputar
Langkah selanjutnya dalam pembuatan prototype turbinangin adalah penggabungan blade, tiang, dan pijakan putaran
menjadi satu. Proses penggabungan dilakukan dengan mur
dan baut, serta dengan proses pengelasan. Berikut turbin
angin yang telah dibuat seperti terlihat di bawah ini,
Gambar 17 Prototype turbin angin
prototype turbin gambar di atas dapat berputar sampai 147rpm dengan kecepatan angin sebesar 7,5 m/s.
Keperluan generator motor DC dengan diameter 3,8 cmseperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini,
Gambar 18 Generator motor DC
Penggabungan generator dengan turbin angin menggunakangearbox bekas dari roda sepeda bantu anak kecil dengan
karet solid sebagai pengait antara turbin angin dengan
generator seperti terlihat pada gambar di bawah ini
Gambar 19 gearbox dan pengait generator
Rasio gearbox dengan generator adalah 5 : 1 sebagai contoh jika turbin angin berputar 30 rpm maka generator dapat
berputar 30 x 5 yaitu sebesar 150 rpm.
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 6/13
6
C. Perancangan dan Pembuatan Buck Converter Berbasis
Pengendali Logika Fuzzy
Buck Converter
Sebelum pembuatan buck converter secara real, untuk
meminimalkan kerugian jika ada ketidaksesuaian dengan
hasil yang diinginkan maka dilakukan perancangan danpembuatan simulasi di software ISIS 7.4. Berikut hasil
perancangan dan pembuatan simulasi buck converter
menggunakan software ISIS 7.4,
Gambar 20 Simulasi buck converter pada ISIS 7.4
Setelah dirancang dan dibuat di simulasi dalam software ISIS
7.4 dengan menghasilkan keluaran terbaik, selanjutnya
dilakukan pembuatan sesuai dengan perancangan dalam
keadaan sebenarnya. Berikut hasil pembutan buck converter
seperti terlihat di bawah ini,
Gambar 21 buck converter
Rangkaian divider berfungsi sebagai sensor tegangan dengan
range maksimal keluaran sesuai dengan tegangan maksimal
yang diperlukan yaitu sebesar 5 volt, tegangan keluaran dari
divider ini mewakili tiap tegangan yang masuk pada buck
converter yang kemudian akan diubah ke sinyal digital oleh
fitur mikrokontroler melalui ADC. Dari sinyal ADC yang
terbaca, mikrokontroller akan memberikan perintah switch
menurut duty cycle dengan sinyal PWM.
Perancangan dan Pembuatan Pengendali Logika Fuzzy
Posisi pengendali buck converter dalam penelitian tugas
akhir ini seperti diperlihatkan pada diagram blok berikut,
Gambar 22 diagram blok sistem pengendali buck converter
logika fuzzy pada turbin
Dalam pemodelan sistem logika fuzzy tugas akhir ini
digunakan perancangan sistem fuzzy menggunakan metode
Sugeno, penalaran dengan metode Sugeno hampir sama
dengan penalaran Mamdani hanya saja output (konsekuen)sistem tidak berupa himpunan fuzzy, melainkan berupa
konstanta atau persamaan linear. Metode ini diperkenalkanoleh Takagi-Sugeno Kang pada tahun 1985. Sistem fuzzy
yang dibangun terdiri dari dua fariabel input yaitu error (e)
dan delta error (de) serta menghasilkan satu keluran nilai
crips untuk membangkitkan sinyal PWM. Berikut gambaran
umum dari sistem logika fuzzy yang dibangun,
Gambar 23 gambaran umum sistem fuzzy yang dibangun
Fuzzyfikasi dalam perancangan pengendali ini adalah
merubah nilai dari ADC menjadi nilai masukan fuzzy.
Pembentukan himpunan fuzzy dilakukan dengan membagi
anggota input yang akan menjadi masukan di sistem fuzzy,
masukan untuk sistem fuzzy ini terdiri dari dua variabel yaitu
error (e) dan delta error (de), error disini didefinisikan
sebagai hasil pengurangan dari nilai setpoint dengan tegangan
aktual yang terbaca sensor yang kemudian dikonversi menjadi
besaran digital oleh analog digital converter (ADC).
Membership function input error dibagi menjadi tujuh bagian
dengan fungsi keanggotaan berbentuk segitiga dengan nilai
range sebesar nilai ADC yang akan diprogram pada
mikrokontroller sebesar 10 bit dengan nilai 0 – 1023.Pembentukan himpunan fuzzy input error seperti berikut,
Gambar 24 membership function error
Sedangkan input kedua untuk masukan sistem fuzzy adalah
delta error (de), delta error didefinisikan sebagai selisih error
aktual (error ke-n) dengan error pada kondisi sebelumnya
(error ke n-1), range yang digunakan fungsi keanggotaan de
pada batas atas adalah 1023 (1023 dikurangi dengan 0) dan
pada batas bawah adalah -1023 (0 dikurangi 1023).
Membership function de dibagi menjadi tiga bagian seperti
diperlihatkan pada gambar berikut,
Gambar 25 membership function delta error
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 7/13
7
Sedangkan Aturan-aturan yang dibentuk dalam
perancangan ini memiliki 21 rule base,
Tabel 1 Rule base sistem Fuzzy
tabel rule base diatas menunjukkan pembacaan sebagai
berikut,
IF error IS VS AND delta error N THEN pwm1 IF error IS S AND delta error Z THEN pwm2
IF error IS MS AND delta error P THEN pwm4
IF error IS M AND delta error Z THEN pwm4
IF error IS MB AND delta error Z THEN pwm5
IF error IS B AND delta error P THEN pwm4
IF error IS VB AND delta error Z THEN pwm4
dan seterusnya.
Dari proses rule base yang telah dilakukan didapatkan rule
viewer sistem fuzzy di bawah ini
Gambar 26 Rule viewer sistem fuzzy
Nilai keluaran dari sistem fuzzy disini sudah dideklarasikansebagai nilai crips untuk memanggil PWM sebesar nilai yang
akan dikeluarkan pada pin (D.4) dengan nilai duty cycle
sebesar pwm dibagi nilai top OCR1A.
Sedangkan defuzzyfikasi dalam perancangan sistem fuzzy
ini yaitu dilakukan dengan merubah nilai keluaran sistem fuzzy
menjadi nilai crips atau nilai yang tegas dan sebenarnya.
Keluaran dari nilai ini akan bergantung dengan perubahan
nilai error dan delta error yang masuk pada pembacaan
sensor tegangan. Digunakan metode untuk defuzzyfikasi
adalah metode COA (Center of Area), digunakannya metode
ini karena jenis sistem fuzzy yang digunakan dalam
perancangan adalah jenis Sugeno dengan bentuk sugeno orde-1 adalah,
IF (x1 is A1)o…
o(xN is AN) THEN z = p1*x1+…+pN*xN+q
Dengan mendeklarasikan perancangan pada fuzzyfikasi dan
rule base didapatkan A adalah himpunan fuzzy yaitu error (e)
dan delta error (de) sebagai anteseden,o
adalah operator
fuzzy AND, pi adalah suatu konstanta (tegas) ke-i dan q juga
merupakan konstanta dalam konsekuen.
Proses agregasi dan defuzzy untuk mendapatkan nilai tegas
sebagai output untuk M aturan fuzzy juga dilakukan dengan
menggunakan rata-rata terbobot seperti rumus berikut,
…(12)
D. Pembuatan Algoritma Pemrogaman Berbasis Logika
Fuzzy
Pembutan algoritma pemrogaman dibuat di software
AVR menggunakan bahasa C dengan inti pemrogaman
dengan prinsip logika fuzzy yang telah dirancang sebelumnya,
algoritma ini yang kemudian akan ditanam padamikrokontroller ATMEGA 16 melalui downloader
menggunakan software kazama. Berikut alur pemrogaman
yang diterapkan pada mikrokontroller,
Start
Inisialisasi program, Input,
output padamikrokontroller
Baca Vin =
read_adc(1)
sp = {...}e = sp –Vin
de = e (n) –e (n-1)
Proses rule fuzzy systemIf e = VS (adc..) && de = N (adc..) then PWM1If e = S (adc..) && de = Z (adc..) then PWM2
If e = MS (adc..) && de = P (adc..) then PWM3dst
Output PWM
pwm = (sp/Vin) *2000
end
Yes
No
Vin = sp
Vin > spVin < sp Mosfet Off
Fuzzyfikasi e,de
Defuzzyfikasicrips>>OCR1B
Gambar 27 flowchart pemrogaman
e/de N Z P
VS pwm1 pwm1 pwm2
S pwm1 pwm2 pwm3
MS pwm2 pwm3 pwm4
M pwm3 pwm4 pwm5
MB pwm4 pwm5 pwm6
B pwm5 pwm6 pwm7
VB pwm6 pwm7 pwm7
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 8/13
8
E. Perancangan Hardware untuk Pengujian
Perancangan Pengujian Prototype Turbin angin
Untuk pengujian prototype tubin dibuat wind tunnel
dengan bahan utama dari triplek dengan penyangga dari besi
siku lubang seperti diperlihatkan pada gambar berikut,
Gambar 28 wind tunel untuk pengujian
Wind tunnel ini terdiri dari dua bentuk bagian, yang pertama
yaitu dengan lorong bentuk balok berongga sepanjang 2 meter
dengan ukuran tiap sisi persegi adalah 0,7 meter, sedangkan
bagian kedua berbentuk trapesium dengan ukuran tiap sisi
persegi 0,7 meter dan sisi belakang persegi 1,5 x 0,7 meter.
Untuk keperluan menghasilkan angin yang disemburkan kedalam wind tunnel,digunakan dua buah kipas angin seperti di
bawah ini,
Gambar 29 kipas untuk pengujian prototype turbin angin
Kipas dengan diameter 18 ini memiliki tiga variabel kecepatan
yaitu low, medium dan high. Satu kipas dapat menghasilkan
hembusan angin maksimal dengan kecepatan 5 m/s.
Perancangan Pengujian Tambahan Buck Converter
Untuk dilakukan pengujian tambahan sebagai pengujian
performansi buck converter berbasis pengendali logika fuzzy
yang telah dibuat. Digunakan supply DC bekas dari supply
bor PCB seperti terlihat di bawah ini,
Gambar 30 Supply DC buatan
Pengujian tambahan dengan supply DC ini dapat
menghasilkan tegangan keluaran yang berbeda-beda dengan
tujuh variabel tegangan sebesar 3,18; 4,87; 6,32; 7,86; 9,36;
10,97; dan 14,7 volt. Perubahan tegangan dari supply DC inimempresentasikan tegangan keluaran dari generator yang
berubah karena perubahan kecepatan angin.
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA DATA
A. Pengujian Tegangan dan Arus Listrik Keluaran dari
Genertor DC Prototype Turbin Angin
Pengujian daya keluaran dari generator DC dilakukan
dengan pengambilan data pada putaran turbin maksimal
menghasilkan daya yang tidak sesuai yang diharapkan yaitu
hanya menghasilkan tegangan maksimal 3,19 volt dan arus
sebesar 0,23 ampere. Hal ini dikarenakan putaran turbin angin
tidak dapat mengangkat beban torsi dari generator DC
sehingga turbin angin dan generator DC hanya dapat berputar
maksimal di kisaran 132 – 147 rpm di kecepatan angin 7 m/s.
Berikut hasil pengukuran daya keluaran dari generator
prototype turbin angin,
Tabel 2 Pengujian tegangan dan arus listrik keluaran generator
pps rpm V (volt) I (mA)
0 - 11 0 - 33 0 - 0,61 0 - 0,19
12 - 30 36 - 90 0,63 - 1,78 0,19 - 0,21
32 - 36 96 - 108 1,79 - 1,98 0,19 - 0,22
38 - 42 114 – 126 2 - 2,19 0,19 - 0,23
44 - 49 132 - 147 2,20 - 3,19 0,19 - 0,23
Pengambilan data seperti tabel di atas dilakukan dalam range
dan tidak dilakukan tiap variabel karena keterbatasan jumlah
alat ukur yang yang dapat mengukur secara bersamaan antara
tegangan, arus listrik dan pulse per second (pps). Selain itu
karena tidak dapatnya plant turbin angin untuk dapat berputar
secara konstan sehingga tegangan, arus listrik maupun ppsterbaca dalam keadaan berfluktuatif tetapi masih dalam range
tertentu.
B. Pengujian Sensor Tegangan
Pengujian sensor tegangan dilakukan dengan mengambil
data tiap sepuluh detik sekali untuk tiap range tegangan dan
arus yang dikeluarkan supply DC buatan. Berikut datapembacaan sensor yang telah diambil,
Tabel 3 Pengujian sensor tegangan
peng.ke Vin (volt) I in(mA) Vsensor (volt)
1
14,7 1,01
5,01
2 5,00
3 5,01
4 5,00
5 5,00
1
10,97 0,73
3,83
2 3,85
3 3,83
4 3,84
5 3,83
1
9,36 0,60
3,25
2 3,25
3 3,23
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 9/13
9
4 3,25
5 3,24
1
7,86 0,48
2,73
2 2,72
3 2,73
4 2,73
5 2,72
1
6,32 0,35
2,20
2 2,18
3 2,19
4 2,20
5 2,20
1
4,87 0,24
1,65
2 1,65
3 1,65
4 1,64
5 1,65
1
3,18 0,24
1,09
2 1,10
3 1,10
4 1,09
5 1,10
Dari tabel 4.2 didapatkan nilai standart deviasi untuk
pembacaan dengan Vin 14.7; 10,97; 9,36; 7,86; 6,32; 4,87; dan3,18 adalah 0.00547 ; 0.008944; 0.00894; 0.00547; 0.008944;
0.004472; dan 0.005477. Sedangkan didapatkan Uncertainty
type A adalah 0.002446; 0.004; 0.003998; 0.002446; 0.004;
0.002; dan 0.002449.
C. Pengujian Buck Converter dengan daya masukan dari
Generator DC prototype turbin angin
Pengujian dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran
dari generator pada saat turbin angin mengalami putarandalam range putaran turbin sebesar 132 - 147 rpm, pengujian
dilakukan pada range rpm ini dikarenakan tegangan listrik
yang dihasilkan pada rpm ini menghasilkan merupakantegangan minimal yang dipersyaratkan pada buck converter
yang telah dibuat yaitu sekitar 2 volt, dan jika dilakukan
dengan variasi kecepatan di bawah nilai batas rpm ini maka
tegangan dan arus dari generator akan habis sebelum
dilakukan proses penurunan karena tegangan yang dihasilkan
pada batas tersebut hanya menghasilkan tegangan di bawah
tegangan minimal kemampuan buck converter .
Pada pengujian ini dilakukan proses pengendalian tegangan
dengan menurukan tegangan input dari generator agar
mencapai nilai setpoint sebesar 2 volt. Pengambilan data
respon ini ini dilakukan setiap 10 detik, berikut data
pengukuran respon tegangan keluaran buck converter ,
Grafik 4.1 Respon pengujian buck converter pada prototype
turbin angin
dengan Vin berfluktuatif 2,20 sampai 3,19 volt diperoleh
error rata-rata respon sistem pengendalian terhadap nilai
setpoint yang dihasilkan adalah 0,8 % .
Grafik 1 arus masuk dan keluaran buck converter pada uji
dengan prototype turbin angin
Kehilangan atau loss arus listrik sebesar 0,15 sampai 0,17 mA
dikarenakan faktor beban komponen elektronik padarangkaian buck converter .
D. Pengujian Tambahan Buck Converter dengan daya
masukan dari Supply DC Buatan
1. Setpoint 2 volt
Vin = 14,07 volt
Grafik 2 respon setpoint = 2 volt dengan Vin=14,07
Error tegangan respon rata-rata sebesar 3,8% dengan
error maksimal sebesar 4 % dan error minimal adalah
3,5%. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,89 mA.
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 10/13
10
Vin = 10,97 volt
Grafik 3 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan
Vin=10,97 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 4, 7 % dengan
error minimal 4.5 % dan error maksimal 5%. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,61 mA.
Vin = 9,36 volt
Grafik 4 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt danVin=9,36 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 5 % dengan error
minimal 5.5 % dan error maksimal 6.5%. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,512 mA.
Vin = 7,86 volt
Grafik 5 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan
Vin=7,86 volt
Error respon tgangan rata-rata sebesar 3 % dengan error
minimal 2.5 % dan error maksimal 3 %. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,65 mA.
Vin = 6.32 volt
Grafik 6 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan
Vin=6.32 volt
Error respon rata-rata sebesar 2,7 % dengan error minimal 2.5
% dan error maksimal 3 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,26 mA.
Vin = 4,87 volt
Grafik 7 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan
Vin=4.87 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 4.1 % dengan error
minimal 3.5 % dan error maksimal 4.5 %. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,20 mA.
Vin = 3,18 volt
Grafik 8 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan
Vin=3,18 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,2 % dengan
error minimal 0.5 % dan error maksimal 0 %. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,16 mA.
2. Setpoint = 4 volt
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 11/13
11
Vin = 14,07 volt
Grafik 9 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan
Vin=14.7 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 3,8 % dengan
error minimal 3 % dan error maksimal 4.5 %. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,64 mA.
Vin = 10,97 volt
Grafik 10 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan
Vin=10.97 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 3,9 % dengan error
minimal 3,75 % dan error maksimal 4.25 %.loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,46 mA
Vin = 9,36 volt
Grafik 11 Iin dan Iout dengan setpoint =4 volt dan Vin
=9,36
Error respon rata-rata sebesar 2,85 % dengan error
minimal 1,5 % dan error maksimal 5,5 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,39 mA.
Vin = 7,86 volt
Grafik 12 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan
Vin=7,86 volt
Error respon rata-rata sebesar 3,7 % dengan error minimal
3 % dan error maksimal 4,7 %. loss atau kehilangan aruslistrik sebesar 0,25 mA.
Vin = 6,32 volt
Grafik 13 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan
Vin= 6,32 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 1,55 % dengan
error minimal 1,25 % dan error maksimal 1,75 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,14 mA.
Vin = 4,87 volt
Grafik 14 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan
Vin= 4,87 volt
Error respon rata-rata sebesar 1,35 % dengan error
minimal 1,25 % dan error maksimal 1,5 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,25 mA.
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 12/13
12
1. Setpoint 6 volt
Vin = 14,7 volt
Grafik 15 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan
Vin= 14,7 volt
Error respon teganagan rata-rata sebesar 1,55 % dengan
error minimal 1% dan error maksimal 2,5 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,60 mA.
Vin = 10,97 volt
Grafik
Gambar 16 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan
Vin= 10,97 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 2,7 % dengan error
minimal 2,1 % dan error maksimal 3,5 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,32 mA.
Vin = 7,86 volt
Grafik 17 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan Vin
=7,86 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 1,7 % dengan
error minimal1,3 % dan
error maksimal 1,8 %.
lossataukehilangan arus listrik sebesar 0,09 mA.
Vin = 6,32 volt
Grafik 4.9 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan
Vin= 6,32 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,8 % dengan
error minimal 0,6 % dan error maksimal 1%. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,01 mA.
2. Setpoint 8 volt
Vin = 14,7 volt
Grafik 18 Respon tegangan dengan setpoint = 8 volt dan
Vin= 6,32 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,22 % dengan
error minimal 0,16 % dan error maksimal 0,66 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,53 mA.
Vin = 10,97 volt
Grafik 19 Respon tegangan dengan setpoint = 8 volt dan
Vin= 10,97 volt
Error respon teganagan rata-rata sebesar 1,2 % dengan
error minimal 0,8 % dan error maksimal 1,75 %. loss atau
kehilangan arus listrik sebesar 0,21 mA.
5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 13/13
13
Vin = 9,36 volt
Grafik 20 Respon tegangan dengan setpoint = 8 volt dan
Vin= 9,36 volt
Error respon tegangan rata-rata sebesar 2,45 % dengan
error minimal 2,37 % dan error maksimal 2,87 %.
loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,3 mA.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan eksperimen yang telah telah dilakukan, maka
didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Telah berhasil dirancang dan dibangun prototype turbin
angin dengan putaran 132 – 147 rpm tegangan dalam
range 2,20 - 3,19 volt dan arus listrik 0,19 - 0,23 mA.
2. Telah berhasil dirancang dan dibangun buck converter
pada sebuah prototype turbin angin dengan nilai setpoint 2
volt pada kondisi rpm maksimal memiliki error rata-ratategangan yang dihasilkan adalah 0,8 % dengan error
maksimal 1 % serta error minimal sebesar 0 %.
3. Telah dilakukan pengujian buck converter dengan
tegangan masukan (Vin) dari supply DC buatan sebesar
3,18; 4,87; 6,32; 7,86; 9,36; 10,97; dan 14,7 volt
menghasilkan error tegangan respon rata-rata sistem
pengendalian sebesar 2,8 % pada setpoint 2 volt; 2,9 %
pada setpoint 4 volt; 1,3 % pada setpoint 6 volt; dan 0,5
% pada setpoint 8 volt.
4. Terdapat loss atau hilang arus listrik rata-rata pada tiap
proses pengendalian atau penurunan tegangan pada buck
converter sebesar 0.36 mA
5. Sistem logika fuzzy yang telah dirancang dan dibangun
secara keseluruhan dapat menjalankan fungsinya sebagai
pengendali tegangan dengan switch PWM di buck
converter dengan baik (error respon < 5 %)
B. Saran
1. Dalam pengerjaan prototype turbin angin hendaknya
dipilih generator DC yang baik dan dirancang gearbox
terbaik agar putaran rpm meningkat sehingga dihasilkan
daya listrik yang lebih besar.
2. Untuk penelitian selanjutnya bisa ditambahkan dengan
sensor atau device khusus untuk pengukuran arus listrik,
selanjutnya bisa digunakan sebagai input ketiga pada
sistem fuzzy.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] Elmas, Celtis; Omer Deperlioglu; Hasan Huseyin
Sayan. Adaptive fuzzy logic controller for DC–DC
converters.
[2] Hartadi, Dwi. 2006. Perancangan Sistem
Pengendalian Temperatur Menggunakan Metode
Fuzzy Gain Schedulling PID Controller Pada
Continous Tank Reaktor (CSTR). Surabaya. Institut
Teknologi Sepuluh Nopember. Tugas Akhir.
[3] http://dunia-listrik.blogspot.com2009/01/generator-
dc.html
[4] http://konversi.wordpress.com/2009/01/24/
optimalisasi-ekstraksi-energi-angin-kecepatan
-rendah-di-indonesia- dengan- aplikasi-konverter-
buck-boost
[5] http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek25.html
[6] Kovacic, Zdenko dan Stjepan Bogdan.2006. FuzzyController Design Theory and Applications.CRC
Press. United States of America,
[7] Mahabir, C., F.E. Hicks and A. Robinson Fayek.
Application of Fuzzy Logic to Forecast Seasonal
Runoff. Willey Interscience. .2003
[8] Mohan, Ned, Tore M. Undeland, William P. Robbins.
Power Electronics:Converters, Applications, and
Design. John Wiley & Son, Inc.2003
[9] Poodeh, M. Bayati S & EshtehardihA, M. R.
ZARE. Application of Fuzzy Logic to Control the DC-
DC Converter . Islamic Azad University, Najafabad
Branch Isfahan.2007
[10] Soebhakti, Hendawan ST. 2007.Basic AVR
Microcontroller Tutorial.Politeknik Batam
[11] Sholihul, HadiMokh. Mengenal Mikrokontroler AVR
Atmega16. Ilmu computer.com
[12] University of Afyon Kocatepe. Turkey.2009 Singh,
S.R.2007. A Simple Method of Forecasting on Fuzzy
Time Series.Elsevier.B.V
[13] ___. ___. PLCs and Fuzzy Logic Industrial—Text and
Video Company (Journal). ___. ___.
BIODATA PENULIS
Nama : M. IbrohimTTL : Tuban, 4 Juli 1988Alamat : Jalan Semarang no.703 Tubanemail : [email protected]
Pendidikan :SD Islam Tuban (1994- 2000)
SMP Mu’allimin Tuban (2000 - 2003)SMAN 3 Tuban (2003- 2006)
S-1 Teknik Fisika ITS (2007-sekarang)