IMPLEMENTASI SISTEM KONTROL TRACKING

Transkripsi

1 IMPLEMENTASI SISTEM KONTROL TRACKING PADA PENGARAHAN ANTENA MENGGUNAKAN PID-LEAD COMPENSATOR (IMPLEMENTATION OF TRACKING CONTROL SYSTEM FOR ANTENNA POINTING USING PID-LEAD COMPENSATOR) Moh. Imam Afand Pult KIM-LIPI, Komplek Pupptek, Serpong Tangerang 5 INTISARI Telah dbuat tem kontrol pengarahan antena yang dgunakan untuk mempertahankan pengarahan yang tetap walaupun dberkan gangguan ptch dan roll pada landaannya. Terlebh dahulu dlakukan pemodelan knematka tem pada pengarahan antena dan dentfka tem pada motor amuth-eleva antena. Stem kontrolnya menggunakan PID-lead compenator yang merupakan gabungan dar kontroler PID dan kompenator lead. Pada permaalahan kontrol trackng, Penambahan kompenator lead berfung ebaga predk maju dar etap repon yang terjad ehngga dapat mengata kelemahan faktor laggng pada kontroler PID konvenonal. Hal pengujan menggunakan kontroler PID-lead compenator mampu menngkatkan pre pengarahan ampa ebear.7 kal pada tem eleva dan.8 kal pada tem amuth jka dbandngkan dengan kontroler PID konvenonal Zegler- Nchol. ABSTRACT Trackng control ytem of two degree of freedom antenna pontng ha been degned to defend fxed pontng drecton although gve ptch and roll dturbance on antenna bae. Frt, modelng knematc of antenna pontng ytem and dentfcaton of antenna amuth-elevaton motor ytem ha been done. The control ytem ung PIDlead compenator that form the heaf of PID controller and lead compenator. In the problem of trackng control, the functon of lead compenator can gve feedforward predcton for each occured repone o can mprove a weakne of laggng factor for conventonal PID controller. The tetng reult ung PID-lead compenator can mprove pontng precon untl.7 tme for elevaton ytem and.8 tme for amuth ytem f compared than conventonal PID controller. Kata kunc : Pengarahan antena, kontrol trackng, amuth-eleva, ptch, roll, PID-lead compenator. Keyword : Antenna pontng, trackng control, elevaton-amuth, ptch, roll, PID-lead compenator Tanggal mauk : Jun 5 Tanggal dterma : Oktober 5. PENDAHULUAN Stem pengarahan antena yang tepat pada objek aaran angat dperlukan dalam menerma dan/atau mengrmkan nyal data dengan bak[]. Pada antena kapal erng terjad permaalahan gangguan pengarahan yang debabkan oleh gangguan pada landaan. Gangguan pada landaan n terjad karena adanya ombak dan/atau perubahan haluan pada kapal. Gangguan pada landaan dapat ddefnkan menjad tga bentuk gangguan yatu ptch(anggu, roll(mrng) dan yaw(putar). Untuk gangguan ptch dan roll pada kapal baanya erng terjad akbat adanya gelombang laut/ombak, edangkan untuk gangguan yaw pada kapal angat dpengaruh oleh perubahan arah kemud kapal ehngga hal n dapat dpredk ebelumnya. Untuk mengelmna gangguan ptch dan gangguan roll, telah dbuat uatu model on-lne tem kontrol trackng pengarahan antena dengan pergerakan revolute(rota) dua derajad kebebaan yang terdr dar pergerakan eleva(berota ejajar umbu landaan) dan pergerakan amuth (berota tegak luru umbu landaan). Langkah pertama yang haru dtempuh adalah dengan melakukan pemodelan knematka tem pada pengarahan antena dan dentfka tem pada motor amuth-eleva antena. Selanjutnya dalam penerapan tem kontrolnya, dgunakan kontroler PID-lead compenator yang merupakan gabungan dar kontroler PID dan kompenator lead. Pada permaalahan kontrol trackng, Penambahan kompenator lead berfung ebaga predk maju dar etap repon yang terjad ehngga dapat mengata kelemahan faktor laggng pada kontroler PID. Kemudan dalam pengujannya akan dbandngkan tem kontrol trackng pengarahan antena menggunakan PID-lead compenator dengan PID konvenonal. Repon waktu yang cepat untuk rota eleva dan amuth dengan kealahan emnmal mungkn terhadap arah acuan merupakan knerja yang ngn dcapa dar tem kontrol trackng pada pengarahan antena. Majalah Intrumenta 5 Volume 9 No. Jul Deember 5

2 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand. DASAR TEORI Untuk menyeleakan permaalahan knematka, haru mempunya pengetahuan daar mengena matrk tranforma homogenou []. Selanjutnya, penyeleaan permaalahan knematka dar uatu tem dapat deleakan dengan menggunakan konven parameter Denavt-Hartenberg []. Konven parameter Denavt- Hartenberg dgunakan untuk mendapatkan matrk tranforma homogeneou A dar etap uunan end yang kemudan dgunakan untuk menghtung peramaan n knematka maju T n A... A n, yang memberkan po dan orenta dar kerangka ujung terhadap kerangka daar. n. n.n a. c n..n a. A n d untuk,..., n... () Hal perkalan matrk homogeneou Tn n memlk vektor-vektor yang relatf terhadap umbu utama yang dapat djabarkan ebaga berkut : nx x ax d x n y y a y d y Tn n a d... () dengan : n = vektor arah umbu O n X n terhadap O X Y Z (normal) = vektor arah umbu O n Y n terhadap O X Y Z (ldng) a = vektor arah umbu O n Z n terhadap O X Y Z (approach) d = vektor pergeeran O n terhadap O (tranla) Dar parameter-parameter pada Peramaan () elanjutnya dapat dturunkan peramaan model knematka eua dengan tem yang ddan. Kontroler PID yang dgunakan merupakan kontroler PID dgtal menggunakan tranforma Euler- Backward [], K. T K. T u( u( k ) K p T T p p d e( e( k ) e( e( e( k ) e( k )...() dengan T = waktu cuplk dan k = operator peramaan dfferen. Kompenator lead yang dgunakan untuk memberkan predk maju dan mempercepat repon tranent tem mempunya fung alh ebaga berkut [5] : D ( ) K T c T,...() dengan = kontanta kompenator, K c = penguatan kompenator. Pergeeran fae makmumnya ( m ) ddefnkan melalu peramaan, n( ) n m m n( ) m yang terjad pada frekuen T...(5) dengan m adalah nla tengah geometrk dua frekuen udut. Kemudan modfka pada T dengan uku ( T ) /( T ), ddapatkan j jt jt / T j...(6) dengan j = kontanta magner.. PERANCANGAN SISTEM Model tem yang dbuat menggunakan dua buah motor DC gearbox dmana mang-mang motor berfung ebaga penggerak eleva dan amuth dar pengarahan antena. Pada landaan antena dbuatkan dudukan dnam yang dapat menyebabkan tem mengangguk dan tem menjad mrng. Dudukan yang dnam n merepreentakan gangguan ptch(anggu dan gangguan roll(mrng) yang mang-mang gangguan n telah dpaang enor encoder. Selanjutnya truktur kontrol PID dengan lead compenator pada tem trackng antena n dberkan pada Gambar. Dar kema tem kontrol pada Gambar, gangguan ptch dan gangguan roll menyebabkan terjadnya perubahan udut eleva dan udut amuth-nya. Untuk dapat mengkompena peramaan gerak antena d ata maka perlu dlakukan pemodelan knematka tem epert yang dberkan pada Gambar.a) dengan umbu koordnat etap end dtentukan epert yang dberkan pada Gambar.b). Hal dar pemodelan knematka tem pada Gambar. akan ddapatkan nla parameter D-H epert yang dberkan pada Tabel. Tabel. Parameter D-H Pada Stem Kontrol Pengarahan Antena Send a α d θ Ptch -9 θ Roll 9 θ +9 Amuth 9 L θ +8 Eleva θ m Intrumenta 5 Volume No. Jul Deember 6

3 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand Intrumenta 5 Volume No. Jul Deember 6 Gambar. Skema Stem Kontrol Trackng Antena menggunakan PID-Lead Compenator (a) (b) Gambar. a) Suunan Send Stem Pengarahan Antena b) Suunan Sumbu Koordnat Send Maka dengan memaukkan Tabel. ke dalam Peramaan () akan ddapatkan, n n A n n A n n L A n n A dengan memalkan θ = c dan n θ =, maka ddapatkan hal perkalan matrk pergerakan knematka tem, pengarahan antena Ptch Roll Amuth Eleva L x y y y x x y x

4 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand (-c c +)c +cc (c c -) +ccc -c c ccl (- c -c )c +c ( c c) +cc - cc cl T A A A A (7) c c c -c c c c L Selanjutnya dengan tetap mengacu pada Gambar., maka peramaan udut pengarahan antena terhadap landaan tem dwakl oleh umbu x dan kolom pertama pada Peramaan () merupakan repreenta arah x terhadap umbu koordnat landaan. Untuk mengetahu berapa bear perbedaan mpangan udut eleva dan amuth-nya aat terjad gangguan ptch dan roll dapat djelakan ebaga berkut, x x aat θ = θ = adalah y c, dan cc x aat θ θ adalah x (-c c + )c + cc y (- c - c )c + c, c c c elh udut eleva = udut eleva tanpa gangguan udut eleva dengan gangguan tan x, y tan x, y....(8) elh udut amuth = udut amuth tanpa gangguan udut amuth dengan gangguan tan y, tan y,...(9) Selanjutnya untuk algortma pemrogramannya, menggunakan perangkat lunak yang dbuat dar Borland C++Bulder 6. ebaga upervory control [6] dan djalankan pada PC Pentum III kecepatan. GH. Kemudan untuk nterfacng-nya menggunakan double PPI Card dengan AD/DA reolu 8 bt.. IDENTIFIKASI SISTEM Identfka n dlakukan dengan memberkan maukan tep pada tem pengaturan po plant lup tertutup yang dgunakan untuk mendapatkan fung alh model. Untuk dentfka motor eleva telah ddapatkan hal repon terhadap nyal maukan tep dan kurva Strejc epert yang dberkan pada Gambar. Dar Gambar. ddapatkan, T u =.5 detk T a =.675 detk. Kemudan dengan menggunakan anal dentfka Strejc [7] untuk menentukan fung alh plant, maka perlu dketahu tabel Strejc epert yang dberkan pada Tabel. Tabel. Tabel Parameter Identfka Strejc Gambar. Kurva Strejc dar Repon Motor Eleva Terhadap Maukan Step Dengan mengacu pada Tabel., halnya dapat dtentukan bahwa nla Tu/Ta =.7 yang mendekat nla nol ehngga terletak pada N = dengan nla T a /T =. Selanjutnya, juga dapat dhtung T = T a / =.675 /=.675, T u = T a x ( T u /T a ) =.675 x =, = T u - T u =.5 =.5. Sehngga hal perhtungan yang ddapatkan dar data Tabel. dapat dmaukkan ke dalam peramaan fung alh plant, K. e G( )... () N ( T) maka berdaarkan Peramaan () akan ddapatkan fung alh lup tertutup(cltf)-nya ebaga berkut : CLTF motor eleva : Y X Kemudan fung alh plant motor eleva dtentukan ebaga berkut: Y KGe, untuk K= X KG e Ge Ge Fung alh plant motor eleva : G e... () Untuk dentfka motor amuth telah ddapatkan hal repon terhadap nyal maukan tep dan kurva Strejc epert yang dberkan pada Gambar. Intrumenta 5 Volume No. Jul Deember 6

5 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand Gambar. Repon Snyal Maukan Step dan Kurva Strejc Motor Amuth Dar Gambar. ddapatkan, T u =.88 detk T a =.98 detk. Kemudan dengan tetap menggunakan cara yang ama epert pada dentfka motor eleva, elanjutnya akan ddapatkan, Fung alh motor amuth : G a... () DISAIN KOMPENSATOR SISTEM Untuk motor eleva, drancang pefka tem dengan error teady tate terhadap unt ramp =. dan makmum overhoot < 5 %. Sehngga berdaarkan fung alh motor eleva pada Peramaan (), dapat dhtung penguatan mnmum agar eua dengan error teady tate, e lm. ( ) lm.. ( ) ( ) E R Ge.75 e lm.., K K ddapatkan nla :.75 K K 6. 5 dan kemudan, dplh K =, ehngga akan ddapatkan fung alh KG e dalam dagram Bode epert yang dberkan pada Gambar 5. Dar Gambar 5. ddapatkan hal gan margn(gm) = Infnty dan phae margn(pm) = - -(-8 ) = 6. Sedangkan yarat ketablan fae uatu margn palng edkt mempunya udut ebear 5. Sehngga untuk mencapa ketablan tanpa penurunan penguatan, dperlukan udut fae yang lebh bear dar udut fae mnmum agar frekuen croover penguatan menjad bergeer ke kanan. Gambar 5. Bode Plot KG e () Stem Eleva Sehngga dtentukan udut fae ebear 58 dengan melakukan pergeeran udut fae ebear. Berdaarkan Peramaan (5), dar hal pergeeran udut fae(φ m ) dapat dhtung kontanta kompenator(α) ebear.59. Kemudan berdaarkan Peramaan (6) dapat dhtung =.87 yang dgunakan untuk memperoleh magntude penguatan G ( j ). 87db dengan frekuen croover c = rad/ec. Selanjutnya dapat dhtung c dan T c. Kemudan nla K 6.7 c dapat T a.59 dperoleh dar K K c 88. Sehngga.59 berdaarkan Peramaan (), ddapatkan fung alh kompenator lead untuk motor eleva menjad 8. D e 88. Selanjutnya untuk dapat 6.7 dmplementakan ke pemrograman komputer, fung alh kompenator untuk motor eleva dubah ke dalam peramaan dfferen dengan menggunakan tranforma Euler-Backward, R( ) 8. backward De 88 D( ) ( ) R T T D( ) 6.7T 6.7 T (6.7T ) r( r( k ) 88d( k ) d( 9.T 88 dmana, r = udut referen + udut perubahan d = keluaran nyal kompenator T = waktu cuplk k = operator peramaan dfferen Intrumenta 55 Volume No. Jul Deember 6

6 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand Untuk motor amuth, drancang pefka tem yang ama dengan motor eleva yang kemudan dplh K = 6, ehngga ddapatkan fung alh 6 KG a dengan dagram Bode epert yang dberkan pada Gambar 6. Dar Gambar 6. ddapatkan hal gan margn(gm) = Infnty dan phae margn(pm) = -5 -(-8 ) = 8. Kemudan dengan cara yang ama epert pada dan kompenator lead untuk motor eleva, akan ddapatkan fung alh kompenator lead untuk motor amuth menjad 6.69 D 5. dan a 66.5 (66.5T ) r( r( k ) 5d( k ) d(.5t 5 5. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM Telah dlakukan dua pengujan tem kontrol pada trackng antena n, yatu pengujan kontrol PID konvenonal menggunakan Zegler Nchol dan PID- Lead compenator. Pemberan frekuen gangguan pada pengujan tem kontrol n dplh antara. -. H untuk merepreentakan gangguan ombak yang tdak terlalu cepat. Untuk tem eleva, ddapatkan hal untuk pengujan tem kontrol PID Zegler-Nchol dengan Gambar 6. Bode Plot KG a () Stem Amuth rata-rata kealahan pengarahan(mean pontng error) ebear.9 dan makmum kealahan pengarahan (maxmum pontng error) ebear. epert yang dberkan pada Gambar 7.a). Kemudan untuk pengujan kontroler PID-Lead compenator dhalkan mean pontng error ebear.8 dan maxmum pontng error ebear 8.8 epert yang dberkan pada Gambar 7.b). Repon Stem Eleva dengan PID Zegler-Nchol Repon Stem Eleva dengan PID-Lead Compenator Po (derajat) pontng error target trackng T=. dt T=. dt Waktu (det Derajat T =.6 detk Trackng Target Waktu (det Tegangan (volt) Snyal Kontrol PID Zegler-Nchol 6 8 Waktu (det Tegangan (volt) Snyal Kontrol PID-Lead Compenator bata max. teg. kontrol bata max. teg. kontrol Waktu (det (a) (b) Gambar 7. a) Hal Pengujan Stem Eleva Menggunakan Kontroler PID Zegler-Nchol b) Hal Pengujan Stem Eleva Menggunakan Kontroler PID-Lead Compenator Intrumenta 56 Volume No. Jul Deember 6

7 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand Hal yang dberkan pada Gambar 7.a), dapat dlhat bahwa repon nyal trackng pada tem eleva dengan PID Zegler-Nchol tdak cukup mampu dalam mengkut nyal target ehngga eolah-olah nyal trackng mempunya atenua yang lebh kecl dar nyal target. Kemudan untuk hal yang dberkan pada Gambar 7.b), Repon Stem Amuth dengan PID Zegler-Nchol dapat dlhat bahwa repon nyal trackng pada tem eleva dengan PID-Lead compenator lebh mampu mendekat nyal target jka dbandngkan dengan PID Zegler-Nchol. Sehngga terlhat hampr tdak ada penurunan atenua antara nyal trackng dengan nyal target. Repon Stem Amuth dengan PID-Lead Compenator T = 5. det Target pontng error Po (derajat) - pontng error delay :.67 det Trackng Po (derajat) - target trackng - - T = 6. detk Waktu (det Waktu (det 5 Snyal Kontrol PID Zegler-Nchol Snyal Kontrol PID-Lead Compenator Teg. max. control: +5V.5 Tegangan (volt) Teg. max. control: -5V Tegangan (volt) Waktu (det (a) waktu (det Gambar 8. a) Hal Pengujan Stem Amuth Menggunakan Kontroler PID Zegler-Nchol b) Hal Pengujan Stem Amuth Menggunakan Kontroler PID-Lead Compenator (b) Untuk tem amuth, ddapatkan hal untuk pengujan tem kontrol PID Zegler-Nchol dengan mean pontng error ebear.98 dan maxmum pontng error ebear 6.8 epert yang dberkan pada Gambar 8.a). Kemudan untuk pengujan kontroler PID- Lead compenator n memberkan repon yang lebh bak dengan mean pontng error ebear 7.7 dan maxmum pontng error ebear. epert yang dberkan pada Gambar 8.b). Hal yang dberkan pada Gambar 8.a) dan 8.b), dapat dlhat bahwa tem amuth lebh lembam darpada tem eleva. Hal n debabkan oleh dan kontruk tem amuth yang terletak pada bagan bawah menggerakkan tem eleva yang terletak ehngga beban yang bekerja pada tem amuth lebh bear dar tem eleva. Walaupun demkan, hal repon nyal trackng terhadap nyal target yang ddapatkan dengan kontroler PID-Lead compenator mah tetap lebh bak jka dbandngkan dengan PID Zegler-Nchol. Dengan melhat mean pontng error(mpe) dar pengujan kontroler PID Zegler-Nchol(PID-ZN) dengan PID-Lead compenator(pid-lc), maka dengan menggunakan kontroler PID-Lead compenator mampu memberkan mean pontng error lebh kecl darpada kontroler PID Zegler-Nchol. Sehngga dengan menggunakan metode perbandngan MPE dperoleh, Stem eleva = MPE eleva PID LC.9. 7, MPE eleva PID ZN.8 dan Stem amuth = MPE amuth PID LC MPE amuth PID ZN 7.7 Intrumenta 57 Volume No. Jul Deember 6

8 Implementa Stem Kontrol Trackng Pada Pengarahan Antena Menggunakan PID-Lead Compenator Moh. Imam Afand KESIMPULAN Dar hal pengujan dan anal tem dapat dmpulkan bahwa tem pengarahan antena menggunakan PID-Lead compenator mampu memberkan mean pontng error ebear.8 pada tem eleva dan 7.7 pada tem amuth. Sedangkan pada PID-Zegler Nchol hanya mampu memberkan mean pontng error ebear.9 pada tem eleva dan.98 pada tem amuth. Sehngga knerja yang dcapa oleh kontroler PID-Lead compenator dapat menngkatkan pre pengarahan ampa ebear.7 kal pada tem eleva dan.8 kal pada tem amuth-nya jka dbandngkan dengan kontroler PID Zegler-Nchol. DAFTAR PUSTAKA [] Maral, G., and Bouquet, M.,. Satellte Communcaton Sytem : Sytem, Technque and Technology, Thrd Edton, John Wley & Son, Chcheter, New York. [] Selg, J.M., 99. Introductory Robotc, Prentce Hall Internatonal Ltd., UK. [] Scavcco, L., Sclano, B., 996. Modelng And Control of Robot Manpulator, McGraw Hll Compane, Inc, New York. [] Kuo, Benjamn C,. Modern Control Sytem, th Edton, Prentce Hall, New York. [5] Ogata, Katuhko, 997. Teknk Kontrol Otomatk. Jld & jld, Ed Kedua, Penerbt Erlangga, Jakarta. [6] Mano, John & Cabank, Thoma, 997. Borland C++Bulder How-To, Sam Publhng,. [7] Mkleš, J., Fkar, M,. Proce Modellng, Identfcaton, and Control, STU Pre Bratlava. Intrumenta 58 Volume No. Jul Deember 6