SISTEM PENGEMBANGAN KENDALI FUZZY LOGIC BERBASIS MIKROKONTROLER KELUARGA MCS51

Abstrak

Makalah ini menyajikan sebuah sistem pengembangan kendali fuzzy logic(PetraFuz, Petra Fuzzy Development System) yang dikembangkan oleh laboratorium Sistem Kontrol, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Surabaya. Sistem ini terdiri dari perangkat keras sistem mikrokontroler MCS51 dan perangkat lunak pendukung yang berjalan pada PC. Sistem PetraFuz digunakan untuk mengembangkan sistem berbasis fuzzy logic  utamanya pada bidang kendali. Kemampuan sistem meliputi pengembangan pada fase perancangan kendali, evaluasi kendali, pembentukan program bahasa assembly MCS51 dan proses downloading program menuju target  sistem mikrokontroler MCS51 untuk dieksekusi melakukan kendali pada plant yang nyata. Aksi kendali dapat diakuisi oleh program PC melalui komunikasi serial RS232 sehingga respon kendali dapat digambarkan pada layar monitor untuk dilakukan analisis lebih lanjut yang diperlukan pada proses tuning if-then fuzzy rules. Penggunaan tools PetraFuz, sangat membantu proses rancang bangun sistem kendali fuzzy terutama bagi praktisi/akademisi yang berminat menekuni teknik kendali yang relatif baru ini. Sistem PetraFuz diharapkan dapat memberikan kontribusi positip bagi masyarakat sistem kendali untuk mengembangkan berbagai aplikasi  kendali berbasis fuzzy logic.

Kata Kunci: Fuzzy Logic, Fuzzy Logic Development Tools, Microcontroller MCS51

1.  PENDAHULUAN

Penggunaan teknik kendali Fuzzy Logic telah cukup meluas pada berbagai aplikasi mulai dari consummer electronics, robotics, kendali industri, dan lain-lain⁽¹⁾. Implementasi kendali Fuzzy biasanya dilakukan oleh multi-purpose mikroprosesor, mikrokontroler maupun prosesor khusus berupa Fuzzy Logic Processor. Biasanya dibutuhkan alat atau software bantu untuk mengembangkan aplikasi fuzzy mulai dari tahap perancangan, evaluasi, implementasi dan penalaan (tuning).

Makalah ini menyajikan sebuah sistem pengembangan fuzzy logic (PetraFuz, Petra Fuzzy Development System) yang dikembangkan oleh laboratorium Sistem Kontrol, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Surabaya. Sistem ini terdiri dari perangkat keras sistem mikrokontroler MCS51 dan perangkat lunak pendukung yang berjalan pada PC. Pembuatan PetraFuz bertujuan untuk  menyediakan alat/software bantu dalam pengembangan sistem berbasis fuzzy logic, utamanya pada aplikasi bidang kendali.

Proyek ini diinspirasi oleh proyek serupa yang dikembangkan oleh Motorola (FUDGE, Fuzzy Design Generator) yang ditujukan untuk implementasi fuzzy pada mikroprosesor 68HC11, 6805 dan 68000⁽²⁾. Sistem PetraFuz dikembangkan dengan kemampuan lebih yaitu berupa sistem pengembangan fuzzy yang terintegrasi dengan dilengkapi dengan sistem target perangkat keras. Program pada PC berinteraksi langsung dengan sistem target melalui komunikasi serial RS232.  Sistem PetraFuz memilih platform mikrokontroler keluarga MCS51 karena ketersediaan dan kepopuleran penggunaan prosesor ini di Indonesia. Sistem PetraFuz diharapkan dapat memberikan kontribusi positip bagi masyarakat sistem kendali untuk mengembangkan berbagai aplikasi  kendali berbasis fuzzy logic.

2. SISTEM PETRAFUZ

      Sistem PetraFuz terdiri dari 2 bagian yaitu sistem software yang berjalan pada  PC dan sistem target perangkat keras berupa sistem mikrokontroler MCS51. Blok diagram sistem PetraFuz seperti pada gambar 1.

Gambar 1 Blok Diagram Sistem Petrafuz

Proses perancangan, evaluasi, pembentukan program assembly dan proses downloading MCS51 machine code menuju sistem target dilakukan oleh program yang berjalan pada PC yaitu PetraFuz51 software. Sedangkan  sistem target melakukan proses fuzzy logic yang berinteraksi dengan perangkat I/O ke dunia luar. Proses fuzzy logic yang dilakukan oleh sistem target meliputi proses fuzzification, rule evaluation dan defuzzification. Program PetraFuz51 dibuat dengan Delphi v.2 berbasis Windows dengan kemampuan graphical user interface sehingga memudahkan user dalam penggunaanya.   Perancangan kendali meliputi pembentukan fuzzy membership function untuk input maupun output (maksimum 5 input, 3 output dan 8 label per input/output) serta pembentukan fuzzy if-then rules. Sedangkan proses evaluasi kendali menyajikan control surface untuk berbagai kombinasi input kendali. Dengan demikian pengguna dapat melihat respon kendali sebelum kendali sesungguhnya dijalankan oleh perangkat keras sistem target.

      PetraFuz51 juga membentuk program bahasa assembly MCS51 yang selanjutnya dicompile dan didownload menuju sistem target melalui serial komunikasi RS232. Sistem target perangkat keras terdiri dari mikrokontroler MCS51 dilengkapi dengan paralel I/O serta interface analog (ADC/DAC).

      Aksi kendali dapat diakuisisi oleh program PC melalui komunikasi serial RS232 sehingga respon kendali dapat digambarkan pada layar monitor untuk dilakukan analisis lebih lanjut yang diperlukan pada proses tuning if-then fuzzy rules. Selain respon kendali, masing-masing input fuzzy logic juga dapat diamati melalui layar monitor.

      Secara umum kemampuan sistem PetraFuz adalah:

·         Max. 5 Input

·         Max. 3 Output

·         8 Membership Functions per Input

·         8 Membership Functions per Output

·         1024 if-then Rule

·         15 Characters per Name (Input, Output, Member).

·         4 Points per Input Member. (Trapezoid MF)

·         1 Point per Output Member. (Singleton MF)

3. CONTOH PENGGUNAAN PETRAFUZ

     

      Program PetraFuz51 meyediakan beberapa fasilitas yaitu perancangan input dan output membership function (MF), perancangan fuzzy if-then rules, fuzzy logic evaluator, control surface,  pembentukan assembly code, downloader ke sistem target dan data acquisition. Secara umum penggunaan PetraFuz dapat dibagi atas tahap-tahap berikut yaitu tahap pertama mendisain fuzzy inference system yang meliputi perancangan input dan output fuzzy beserta membership functionnya dan perancangan fuzzy if-then rules. Tahap kedua pembentukan database (yang terdiri dari MF dan if-then rules) dari hasil perancangan tahap pertama dalam bahasa assembly MCS51 yang akan digabungkan dengan user program. Adapun user program yang dimaksud adalah program yang dibuat user untuk akses data dari/ke I/O interface baik analog maupun digital sesuai dengan sistem kendali yang dirancang.  Tahap ketiga adalah user program dicompile terlebih dahulu untuk menghasilkan machine code, baru kemudian machine code tersebut didownload ke sistem target mikrokontroler MCS51.

      Untuk memberi gambaran yang lebih jelas diambil contoh penggunaan PetraFuz pada sistem kendali temperatur udara yang menggunakan bola lampu sebagai pemanas dan  kipas sebagai pedingin. Input sistem fuzzy disini adalah Error dan Delta_Error temperatur udara terhadap Setting Point yang diinginkan. Input Error adalah selisih antara Setting Point dengan Present Value (Error= SP - PV) sedangkan Delta_Error adalah kecepatan perubahan error yang terjadi,  Delta_Error = Error (n) - Error (n-1)

      Pertama dilakukan pengisian spesifikasi  dari crisp input dan crisp output yaitu nama, satuan, nilai minimum, nilai  maksimum dan jumlah label membership function. Tampilan menu dapat dilihat pada gambar 2 dan gambar 3.

 

Gambar 2 Menu Edit Crisp Input

Gambar 3  Menu Edit Crisp Output

      Dalam  sistem kendali temperatur ini sebagai crisp input adalah Error dan Delta_Error sedangkan crisp output adalah Lampu dan Kipas. Dari gambar 2 dan 3 dapat dilihat bahwa input Error mempunyai 5 label membership function dengan nilai minimum –255 dan nilai maksimum 255 dan output lampu mempunyai 5 label membership function dengan nilai minimum –2 dan nilai maksimum 2.  Input Delta_Error mempunyai 5 label  dengan nilai minimum –255 dan nilai maksimum 255. Output kipas mempunyai 2 fuzzy label dengan nilai minimum –1 dan nilai maksimum 1.

      Perancangan  membership function dapat dilakukan dengan mudah baik secara grafis maupun dengan cara mengisi nilai point dari membership function.  Bentuk input membership function hanya bisa dibuat dalam bentuk trapesium atau segitiga. Membership function ini dibentuk oleh 4 point yang dapat dimasukan dalam program. Sedangkan output membership function hanya bisa dibuat dalam bentuk singleton yang dibentuk dengan 1 point yaitu posisi nilai crisp dimana MF ini berada. Tampilan  pembentukan MF dapat dilihat pada gambar 4 dan gambar 5.

      Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa input Error mempunyai 5 label,  2 berbentuk trapesium, 3 berbentuk segitiga. Label 0 dari input  Error diberi nama NB dengan nilai point1 = -255, point2 =  -255, point3 = -170 dan point4 = -85 dan bentuk membershipnya adalah trapesium. Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa output lampu mempunyai 5 label yang semuanya berbentuk single. Label 0 dari  output lampu diberi nama NB dengan nilai point = -2 yang berarti mematikan 2 lampu.  Nama label input Error adalah NB, NS, Z, PS, PB. Input Delta_Error mempunyai membership function sama dengan input Error. Output kipas hanya mempunyai 2 label yaitu N dan P. Label N menyatakan kipas dimatikan, P menyatakan kipas dinyalakan.

      Gambar 4  Menu Input Membership Function

      Gambar 5  Menu Output Membership Function

Gambar 6  Menu Edit Rule

Gambar 7  Menu Add Rule

Gambar 6 menampilkan tampilan menu pembentukan fuzzy if-then rules. Kapasitas maksimum rule yang dapat dibuat dalam program PetraFuz51 adalah sebanyak 1024 rule dengan tanpa membatasi jumlah antecedent dan consequent dari tiap rule. Untuk menambah rule dapat dilakukan dengan click pada Add Rule dan akan keluar tampilan seperti gambar 7.

      Fasilitas fuzzy logic evaluator disediakan untuk evaluasi sistem kendali yang dirancang. Pengguna dapat mengetahui hasil fuzzifikasi, hasil evaluasi rule yaitu rule-rule mana yang aktif, hasil defuzzifikasi bila input diset pada nilai tertentu. Dengan demikian memberikan gambaran kepada pengguna tentang aksi kendali fuzzy logic yang telah dirancang.  Tampilan menu dapat dilihat pada gambar 8.

Gambar  8 Tampilan Menu Fuzzy Logic Evaluator

     

Fasilitas control surface disediakan untuk mengevaluasi aksi sistem kendali yang dirancang sebelum sistem kendali yang sesungguhnya di jalankan oleh sistem target. Control surface menyajikan grafik fuzzy output terhadap variasi salah satu  input. Bila input lebih dari satu maka input yang lainnya dianggap konstan. Tampilan menu control surface dapat dilihat pada gambar 9. Disini ditampilkan grafik output Lampu terhadap input Error dengan nilai Delta_Error=0. Grafik dapat dibentuk untuk nilai Delta_Error lainnya yang dikehendaki.

      Grafik output lampu terhadap input Error dari sistem kendali temperatur yang dirancang dapat dilihat pada gambar 10, 11 dan 12.

Gambar 9  Tampilan Menu Control Surface

     

Gambar 10  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 0

Gambar 11  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 50

Gambar 12  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 100

      Membership function dan rule yang telah didesain harus dikonversi ke dalam bentuk bahasa assembly MCS51 agar bisa digabungkan dengan user program yang akan didownload ke sistem target mikrokontroler MCS51. Hal ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan fasilitas generate code. Fasilitas ini akan mempersiapkan database dari membership function dan rule dan menyimpannya dalam file dengan extension .ASM. Semua range nilai baik untuk input maupun output akan dikonversi (normalisasi) ke range 0 – FFh sehingga dalam program bahasa assembly dapat diminimalkan penggunaan bilangan negatif. Tampilan menu generate code dapat dilihat pada gambar 13.

Gambar 13  Menu Generate Code

     

      File .ASM yang dihasilkan mempunyai format khusus, hanya bisa digunakan untuk PetraFuz Routine Engine yang tersedia dalam kernel sistem target mikrokontroler MCS51. PetraFuz Routine Engine adalah suatu procedure yang melakukan proses fuzzy logic meliputi proses fuzzifikasi, pengevaluasian rule dan defuzzifikasi. Metode defuzzifikasi yang digunakan adalah Center of Gravity atau Center of Area. Dengan demikian user hanya perlu membuat program untuk interaksi dengan I/O ke dunia luar. Data yang dibaca dimasukkan ke parameter input fuzzy, PetraFuz routine yang akan melakukan proses fuzzy logic dan menghasilkan output fuzzy, yang oleh user program akan diolah dan dikeluarkan ke interface dengan dunia luar. Routine ini besifat general, berlaku untuk jumlah input dan output yang bervariasi (maksimum 5 input dan 3 output) serta jumlah rule yang bervariasi (maksimum 1024 rule).

      File hasil bentukan Generate Code selanjutnya digabungkan dengan user program lalu dicompile. Setelah user program dicompile membentuk machine code, maka machine code tersebut selanjutnya didownload ke sistem target mikrokontroler sehingga sistem mikrokontroler dapat menjalankan proses kontrol fuzzy logic. User program harus dicompile dalam bentuk Intel Hex Format karena program downloader yang dibuat dalam program PetraFuz51 disini bekerja berdasarkan format Intel Hex. Tampilan menu downloader dapat dilihat pada gambar 14.

Gambar 14  Menu Downloader

      Fasilitas data acquisition disediakan untuk akuisi data dari  sistem target mikrokontroler. Pengguna dapat melihat respon sistem kendali dan juga perubahan nilai semua input dan output terhadap waktu. Dengan demikian pengguna dapat mengevaluasi respon sistem kendali yang sedang dijalankan oleh sistem target secara online. Kemampuan ini sangat dibutuhkan terutama dalam proses penalaan MF dan if-then rules. Proses perancangan bisa diperbaharui dan kembali didownload ke sistem target untuk dilihat responnya. Proses ini dapat dilakukan secara berulang dengan mudah untuk mendapatkan respon kendali yang optimum. Berikut ini adalah gambar dari hasil akuisi data sistem kendali temperatur udara yang dirancang. Disini terlihat respon kendali terdapat error terhadap setting point yang diinginkan dan membutuhkan penalaan lebih lanjut. Tampilan dari data acquisition ini dapat dilihat pada gambar 15,16 dan 17.

Gambar 15  Grafik Nilai Respon Sistem

Gambar 16  Grafik Input Error

Gambar 17  Grafik Input Delta_Error

4.         PELUANG PENGGUNAAN PETRAFUZ

      Selama ini cukup banyak para praktisi sistem kendali mengalami kesulitan dalam mengaplikasikan metode fuzzy logic dalam sistem kendali terutama sampai pada level implementasi hardware. Salah satu  alasannya adalah karena tidak didukung oleh fuzzy development tools yang dilengkapi dengan target sistem perangkat keras. Sistem PetraFuz menyediakan tools yang cukup lengkap mulai dari proses desain membership function dan pembentukan fuzzy if-then rule sampai pada proses kendali fuzzy logic yang dilaksanakan oleh sistem target perangkat keras. Pada kenyataannya dalam kendali fuzzy logic, bagian yang tersulit adalah mendesain membership function dan fuzzy rules sehingga didapatkan yang optimum dan menghasilkan kendali fuzzy logic yang memadai. Untuk mendapatkan hasil yang terbaik maka harus dilakukan percobaan yang berulang-ulang. Ini akan menjadi suatu kendala tersendiri bila tidak mempunyai tools yang menunjang.

      Dari hasil pengujian yang dilakukan, PetraFuz Routine Engine mampu mengevaluate lebih kurang 16000 rule dalam satu detik. Pengujian ini dilakukan dengan kondisi tiap rule mempunyai 2 antecendent dan 1 consequent dan sistem clok yang digunakan pada prosesor MCS51 adalah 2 MHz. Ini berarti untuk mengevaluate satu rule, PetraFuz Routine Engine membutuhkan waktu lebih kurang 62,5 mikrodetik. Jika sistem kendali fuzzy logic mempunyai 2 input 1 output dan masing-masing input mempunyai 5 label membership function maka jumlah maksimum rule adalah 25 sehingga waktu untuk mengevaluate rule tidak lebih dari 1,5625 milidetik.

      Dengan waktu akses yang cukup cepat ini, maka sistem PetraFuz dapat digunakan pada sistem kendali yang mempunyai respon yang relatif cepat seperti mengendalikan kecepatan motor DC, kontrol posisi dan lain-lain. Selain itu sistem ini berpeluang untuk digunakan pada aplikasi  proses kendali industri seperti pressure control, chemical process control, kiln control dan lain-lain.

      Sistem ini juga berpeluang dimanfaatkan untuk pengembangan kendali untuk bidang pertanian, misalnya pada kendali temperatur untuk cold/hot storage produk-produk pertanian yang membutuhkan kondisi temperatur tertentu. Dapat pula digunakan untuk pengendalian kadar PH air tambak, identifikasi level kematangan produk pertanian, dan lain-lain.

      Sistem PetraFuz telah dimanfaatkan sebagai modul praktikum Kendali Fuzzy Logic pada institusi penulis dan terlihat cukup bermanfaat bagi pemula untuk memahami dan merancang sistem kendali fuzzy. Disamping itu pula tools ini memberikan pemahaman aspek implementasi khususnya menggunakan mikrokontroler.

5. KESIMPULAN

Dari hasil eksperimen pembuatan dan pemanfaatan sistem pengembangan fuzzy logic PetraFuz penulis mencatat beberapa hal antara lain:

·       Sistem PetraFuz relatif mudah digunakan dan bermanfaat bagi pemula yang ingin bereksperimen sistem kendali berbasis fuzzy logic yang diimplementasikan pada mikrokontroler. Saat ini mikrokontroler yang dapat digunakan terbatas pada keluarga MCS51, dan tidak tertutup kemungkinan untuk dikembangkan fuzzy kernel untuk berbagai prosesor misalkan 8088, MCS96, Z80 atau lainnya.

·       Sistem PetraFuz menyediakan kemampuan yang interaktif dan terintegrasi dengan sistem target perangkat keras. Dengan tools ini meningkatkan peluang pemanfaatan konsep kendali fuzzy pada berbagai bidang di Indonesia, khususnya pada bidang kendali pada pertanian.

·       Masih terbuka pengembangan lebih lanjut dari sistem ini untuk mengakomodasi jumlah input/output yang lebih banyak, variasi bentuk membership function dan berbagai metode defuzzifikasi. Juga tidak menutup kemungkinan untuk memadukan metode jaringan saraf tiruan dengan fuzzy logic untuk membentuk kendali cerdas.