II. DASAR TEORI A. Plant UUV Unmanned Underwater Vehicle (UUV) dimodelkan dengan membuat beberapa asumsi-asumsi sebagai berikut:

Transkripsi

1 Makalah Seminar Tuga Akhir DESAIN SISTEM KENDALI PADA ULISAR (UUV) UNMANNED UNDERWATER VEHICLE Vega Pradana Rachim 1, Ari Triwiyatno 2, Budi Setiyono 2 1,2,3 Juruan Teknik Elektro, Fakulta Teknik, Univerita Diponegoro, Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang, Indoneia Abtract-- Unmanned Underwater Vehicle (UUV) i one of the ytem that have a complex characteritic. UUV uually ued to obtain data, mapping and underwater urvey. One of a complexity that UUV have i baed on uncertainty and nonlinearity of hydrodynamic parameter. Beide that, UUV which tudied in thi paper have 6 degree of freedom, o it ha alo a lot parameter. And to handle that, a bigger ytem need to divide into ome ub-ytem, the divided i baed on control needed. To handle a movement of UUV, it important to build a control ytem that effective and efficient and a writer chooe PID and Sliding-PID (SMC-PID) a a controller Modeling ytem ued to linearize a non-linier ytem from UUV, linearizing around the equilibrium point. Then make a model into a tate pace, thee tate pace ue for a controlling. For a control ytem building and repond ytem from an UUV movement, MATLAB program i needed Keyword-- UUV, PID control, Sliding-PID, MATLAB Simulink, Linier Sytem I. PENDAHULUAN UUV (Unmanned Underwater Vehicle) adalah uatu kendaraan bawah laut yang diciptakan untuk membantu manuia mengerjakan pekerjaan-pekerjaan di bawah laut, kendaraan ini termauk dalam kendaraan tanpa awak. Jeni dari UUV itu endiri dibagi menjadi 2, yaitu AUV(Autonomou Underwater Vehicle) yaitu jeni kendaraan bawah laut tanpa awak yang bergerak ecara otomati, dan ROV(Remote Operated Vehicle) yaitu kendaraan bawah laut tanpa awak yang pergerakannya dapat dikendalikan interfeni oleh manuia dari jarak jauh. Berhubungan dengan tuga akhir ini, penuli akan membaha mengenai item kontrol uatu ROV, alah atu jeni ROV yang dikembangkan oleh uatu univerita di Turki, bernama ULISAR 8] emua parameter plant item diambil dari ROV terebut. Pembahaan mengenai item kontrol dalam uatu UUV menjadi angat menarik dan ulit dikarenakan beberapa hal berikut ini, yaitu kenonlinieranannya,ketidak-patian koefiien hidrodinaminya,banyaknya gangguan dari lingkungan laut endiri, dan juga aru bawah laut yang tidak dapat diprediki. Beberapa tahun terakhir telah banyak penelitian- penelitian di berbagai penjuru dunia tentang item pengontrolan dari UUV, telah banyak peningkatan bila dilihat dari awal munculnya UUV. Mulai dari yang pengontrolan klaik menggunakan PID 3], lalu berkembang lagi menggunakan SMC (Sliding Mode Control) 4,5], fuzzy, adaptive, dan yang terbaru menggunakan kontrol robut eperti H infinity atau LPV 6]. Dalam penulian tuga akhir ini, penuli mecoba untuk menulikan model matematika dari ROV itu endiri 1,2], Dikarenakan model yang didapat maih non linier, diperlukan linieriai untuk membuatnya mudah dikontrol. Linieriai dilakukan dengan melinierkan peramaan non-linier di ekitar titik keetimbangannya2]. Dari model linear ini nantinya akan dipecah lagi menjadi 3 ubitem kontrol, yaitu peed kontrol,teering kontrol, dan depth kontrol. Dalam proe pembuatan deign item kontrol dianalii item PID dan Sliding-PID (SMC-PID). Sitem kontrol ini digunakan untuk mengendalikan propeller dan 4 thruter (pendorong), 2 diletakkan vertikal dan lainnya horizontal. Perancangan item kontrol dan imulai repon keluaran tiap-tiap thruter (pendorong) dilakukan di komputer melalui program MATLAB II. DASAR TEORI A. Plant UUV Unmanned Underwater Vehicle (UUV) dimodelkan dengan membuat beberapa aumi-aumi ebagai berikut: 1. Kendaraan UUV memiliki maa yang kontan 2. Wilayah operai yang berada jauh di bawah laut menyebabkan kendaraan tidak mengalami gangguan dari ombak yang berada di permukaan 3. Efek dari rotai bumi terhadap benda yang mengalami akelerai di permukaan bumi diabaikan 4. Koefiien hidrodinami tidak variable 5. Bidang xz- imetri terhadap bidang xy- Permodelan UUV dilakukan dalam model peramaan gerak non-linier, model nonlinier UUV dapat direpreentaikan melalui body-fixed frame maupun earth-fixed frame, eperti berikut: Repreentai vektor body-fixed (1) (2) Repreentai vektor earth-fixed (3) Dimana, Model non-linier dapat dilinerkan pada titik keetimbangannya, tapi titik kelinierannya haru didefiniikan terlebih dahulu,yaitu

2 (4) (5) Karena linieriai bergantung pada gangguan dari titik keetimbangan, gangguan terebut dapat didefiniikan ebagai diferenial ; ; (6) Sehingga didapatkan (1) menjadi model linier yaitu: Dengan: (7) ; (8) Dan model perubahan kinematika (2) menjadi (9) Dengan mengganti, maka (10) Model gerakan yang LTI bia didapatkan dengan mengaumikan bahwa kendaraan bergerak pada bidang longitudinal dengan kecepatan u 0 dan w 0 tidak ama dengan nol dan titik keeimbangan pada udut = = 0 2],ehingga didapat matrik LTInya ebagai berikut: ] Dengan: x 1 =, x 2 = dan u = ] ] ] (11) ] ] (12) Untuk melakukan item pengontrolan, gaya dorong dan momen dari propeller dimodelkan ebagai berikut: (13) (14) T adalah gaya dorong, Q adalah momen gaya, maa jeni fluida, D diameter baling-baling, n perkiaran baling-baling, koefiien gaya dorong, dan koefiien momen gaya III. PERANCANGAN A. Perancangan UUV 1) Model decoupled ytem : Untuk mendapatkan item kontrol yang robut, digunakan metode kontrol decoupled atau terpiah. Peramaan matrik yang telah didapat ebagai matrik (11) dipecah menjadi beberapa ubitem yang independent atu ama lain. Dengan cara memiahkan gerakan 6 derajat kebebaan (DOF) menjadi 3 ub item inti dan mengendalikan tiap-tiap ub itemnya dengan metode kontrol yang berbeda tidak aling berketergantungan, ketiga ub item terebut adalah: 1. Sitem Kecepatan 2. Sitem Kemudi 3. Sitem Selam Tiap-tiap item memiliki variable tatenya maing-maing, untuk tate item kecepatan : u(t), tate item kemudi : v(t), r(t), (t), tate elam : w(t), q(t), (t), dan z(t) Mode putar (rolling mode) yaitu p(t) dan (t) diabaikan dalam pendekatan ini 2]. Sedangkan inputan untuk ketiga ubitem terebut adalah propeller revolution n(t), pembelokan kemudi dan pembelokan buritan dan keluarannya adalah u,, dan z B. Perancangan Kontrol PID Pada item kecepatan, error adalah pengurangan dari u d, dengan u dimana u d adalah kecepatan yang diinginkan dan u adalah output kecepatan. Seperti dijelakan pada gambar 1 Deired velocity u - + e PID controller feedback plant Gambar 1 Blok diagram kontrol item kecepatan C. Perancangan Kontrol Sliding-PID Perancangan kontrol Sliding-PID adalah gabungan dari kontrol Sliding Mode Control dengan PID. Sinyal kontrol yang keluar dari Sliding-PID digunakan untuk mengontrol tiap-tiap ubitem plant. Deired depth e zd + - Sliding-PID feedback plant Gambar 2 Blok diagram kontrol item Kemudi dengan Sliding PID controller Pemberian SMC pada blok integral karena diharapkan penambahan SMC akan mempercepat repon menuju ketabilan dengan error dan overhoot yang lebih kecil u z

3 IV. SIMULASI DAN ANALISIS A. Plant UUV Telah dijelakan pada bab ebelumnya bahwa dalam laporan ini digunakan metode decoupled ytem atau item terpiah yang independen atu ama lain. Sitem terebut dibagi menjadi 3 ub item yaitu item kecepatan, item kemudi, dan item elam. Maing-maing item akan dikontrol dengan 2 item kontrol yang berbeda, yaitu PID kontroler dan S-PID kontroler. Semua item pengontrolan dilakukan dengan imulai menggunakan matlab 2009a Perbandingan hail pengontrolan PID dan S-PID pada model item kecepatan dapat dilihat pada gambar 6 dengan target kecepatan 2 m/, dicuplik pada kecepatan 2 m/ aja karena karakter output tiap variai input hamper ama ehingga alah atu perbandingan aja dapat mewakilinya. 1) Kontrol Sitem Kecepatan: Telah didapatkan peramaan kecepatan adalah ( ) (15) Maka didapatkan imulai dalam matlab imulinknya ebagai berikut: Gambar 6 Hail pengontrolan item kecepatan Gambar 6 menunjukkan bahwa item pengontrolan yang menggunakan S-PID (gari biru) menghailkan hail pengontrolan yang berbeda dengan item PID (gari merah). Dari hail imulai pada gambar 6 dan table 1, berikut ini beberapa analia yang dapat diambil: Gambar 3 Simulink item kecepatan Untuk penentuan parameter Proporional, Integral, dan Derivative-nya, dilakukan dengan cara metode optimiai, yaitu dengan blok output contraint, Sehingga didapatkan bear Kp = ; Ki = ; Kd = e-004;. Hail pengontrolan dengan PID dengan variai input kecepatan u pada item ini dapat dilihat pada gambar 4 Sitem Kecepatan TABEL I Perbandingan Sitem Kontrol pada Sitem Kecepatan 1 Riing time (r) PID S-PID area 2 Settling time (2 ) tranien 3 Peak time Makimum Overhoot teady Gambar 4 Hail pengontrolan item kecepatan dengan PID kontroler Untuk item kecepatan yang memiliki 1 tate, blok liding inyal kontrol S-PID adalah ( ( ) ) (16) Dengan adalah 1.1 dan = 0.05,ehingga imulinknya adalah ebagai berikut Gambar 5 Blok Simulink Sliding pada item kecepatan 5 Integral Area Error tate Riing time, rie time adalah waktu diaat item memotong teady tate pertama kali. Dapat dilihat pada tabel bahwa item PID mencapai rie timenya pada detik ke 16.71, dan item S-PID mencapai rie timenya pada detik ke Settling time (t), pada item kecepatan diambil tolerani eror ebear 2, dan dari table 1 dapat dilihat item kecepatan yang dikontrol dengan item PID memiliki waktu ettle yang lebih lambat dibanding yang dikontrol dengan item S-PID. Sitem S-PID memperbaiki ettling time dari item PID

4 Overhoot, overhoot adalah nilai tertinggi yang dicapai item aat melewati nilai yang diinginkan. Dalam pembahaan ini, item S-PID memiliki overhoot yang lebih rendah dibanding dengan item PID, hal ini membuktikan bahwa item S-PID memperbaiki overhoot dari item PID Ditinjau dari repon teady tatenya, item kecepatan yang dikontrol oleh S-PID memiliki integral area error yang lebih kecil dibandingkan dengan item kecepatan yang dikontrol oleh PID, yaitu 6.63 berbanding ) Kontrol Sitem Kemudi Dalam item kemudi, akan dikendalikan udut yaw dari item, item kemudi itu endiri berorde 3 eperti yang telah dijelakan pada bab ebelumnya maka didapatkan peramaan ruang keadaan item kemudi ebagai berikut ] ] ] ] (17) Setelah dipaangkan kontroler PID pada item umpan baliknya maka diuun blok Simulink pada matlab eperti pada gambar 7 dengan udut yang diinginkan Adapun untuk penentuan parameter-parameter kontroler PID, untuk item kemudi ini menggunakan metode yang ama dengan item kecepatan yaitu dengan menggunakan optimiai atau dengan blok output contraint, ehingga didapatkan parameter Kp = ; Ki = ; Kd = ;. Hail pengontrolan dengan PID dengan variai input kecepatan u pada item ini dapat dilihat pada gambar 8 Gambar 8 Hail pengontrolan item kemudi dengan PID Maka didapat matrik Ac ] (20) Dengan memilih pole, vector k-nya adalah. Matrik Ac dicari untuk mendapatkan matrik, adalah eigenvector dari matrik pada eigenvalue Maka inyal kontrol mode lidingnya adalah ( ( (21) (22) )) (23) Dengan liding urface diambil dari peramaan 18 dan 22 (24) Gambar 7 Simulink item kemudi Sedangkan untuk pengontrolan S-PID, pada item kemudi, itemnya adalah Single-input Multiple-tate (SIMS), ehingga liding urfacenya adalah (18) Dengan model item ] ] ] ] (19) Gambar 9 Hail pengontrolan item kemudi Perbandingan hail pengontrolan PID dan S-PID pada model item kemudi dapat dilihat pada gambar 9. Untuk keperluan analia, dibandingkan diini hail pengontrolan pada aat udut yaw 15 derajat

5 TABEL II Perbandingan Sitem Kontrol pada Sitem Kemudi Dengan menggunakan Simulink pada matlab maka didapatkan model eperti gambar 10 Sitem Kemudi Parameter PID S-PID area 1 Riing time (r) Settling time(2 ) tranien 3 Peak time Makimum Overhoot Integral Area Error teady tate Berikut ini beberapa analia yang dapat diambil dari gambar dan table terebut: Riing time dalam item kemudi. Dapat dilihat pada table bahwa item PID mencapai rie timenya pada detik ke 33.09, dan item S-PID mencapai rie timenya pada detik ke Sitem S-PID memperbaiki riing time dari PID. Settling time (t), pada item kemudi tolerani erornya adalah 2 peren, dan dihailkan item yang dikontrol dengan item PID memiliki waktu ettle yang lebih lambat dibanding yang dikontrol dengan item S-PID. Pada item kemudi dengan S-PID didapatkan waktu ettle yang lebih kecil dari pada waktu peak, hal ini diebabkan overhoot yang dihailkan dari pengontrolan maih angat kecil ehingga mauk dalam tolerani waktu ettle Overhoot, dalam pembahaan item kemudi, item PID memiliki overhoot yang lebih tinggi dibanding dengan item S-PID,item S-PID memperbaiki overhoot dari item PID. Ditinjau dari repon teady tatenya, item kemudi yang dikontrol oleh S-PID memiliki integral area error yang lebih kecil dibandingkan dengan item kecepatan yang dikontrol oleh PID, ehingga dapat diimpulkan pada item kemudi S- PID lebih baik 3) Kontrol Sitem Selam Ketinggian dalam umbu z yang akan dikendalikan melalui item ini (z d ). Sitem elam juga memiliki 3 orde dari 3 tatenya yaitu w,q, dan z. Untuk diperoleh item kontrolnya maka diperoleh model item dalam bentuk ruang keadaan (25) ] ] ] ] (26) Gambar 10 Simulink item elam Hail dari imulai dapat dilihat dari gambar 11, hail terebut didapatkan etelah blok PID kontroler mengalami proe optimiai terhadap parameter-parameternya. Seperti yang telah dijelakan pada ubbab ebelumnya, maka didapat parameter-parameternya adalah Kp = ; Ki = ; Kd = ; Gambar 11 Hail pengontrolan item elam dengan PID Sedangkan untuk pengontrolan S-PID pada item elam, item elam juga memiliki Single-input Multiple-tate (SIMS), liding urfacenya adalah (27) Dengan model item ] ] ] ] (28) Didapat matrik Ac ] (29)

6 Dengan memilih pole, vector k- nya adalah. Matrik Ac dicari untuk mendapatkan matrik, dengan mencari eigenvektornya Maka inyal kontrolnya adalah (30) (31) ( ( )) (32) Dengan liding urface diambil dari peramaan 27 dan 31 Gambar 12 Hail pengontrolan item elam (33) Perbandingan hail pengontrolan PID dan S-PID pada model item kemudi dapat dilihat pada gambar 12. Pada item ini diambil ample pada kedalaman 10 meter. Sitem Selam TABEL III Perbandingan Sitem Kontrol pada Sitem Selam 1 Riing time (r) 2 Settling time (2 ) 3 Peak Time 3 Parameter PID S-PID Makimum Overhoot 5 Integral Area Error area tranien teady tate Berikut ini beberapa analia yang dapat diambil dari gambar terebut: Riing time, Dapat dilihat pada gambar bahwa item PID mencapai rie timenya pada detik ke 2.02, dan item S-PID mencapai rie timenya pada detik ke Sitem S-PID mencapai riing time lebih cepat dibanding item PID Settling time (t), pada item elam dipilih tolerani eror ebear 2, dilihat dari table III item yang dikontrol dengan item PID memiliki waktu ettle yang lebih lambat dibanding yang dikontrol dengan item S-PID. Sitem S-PID memperbaiki waktu ettle dari item PID pada plant elam Ditinjau dari repon teady tatenya, item elam yang dikontrol oleh S-PID memiliki integral area error yang lebih kecil dibandingkan dengan item kecepatan yang dikontrol oleh PID, ehingga dapat diimpulkan pada item kemudi S- PID lebih baik V. PENUTUP A. Keimpulan Berdaarkan imulai dan analii yang telah dilakukan, maka dapat diimpulkan beberapa hal ebagai berikut: 1. Pada kema kontrol PID item kecepatan dan item kemudi, emakin bear maukan inputnya maka akan memperlama waktu ettle dan waktu riing nya rata-rata 1.66, namun makimum overhoot yang dihailkan emakin kecil dengan rata-rata Pada kema kontrol PID item elam, variai input mempengaruhi output item. Semakin bear inputan, akan memperlama riing time dari item namun mempercepat ettling time dari item. Pada error teady tate-nya, perbearan input mempengaruhi perbearan Integral Area Error (IAE) dengan rata-rata Untuk penentuan parameter Kp, Ki, dan Kd baik itu PID maupun S-PID, dilakukan dengan blok MATLAB ignal contraint, dengan blok ini dilakukan iterai parameter terbaik pada etiap item plantnya. Pada item kecepatan didapatkan Kp = ; Ki = ; Kd = e-004; 4. Matrik dalam kema kontrol S-PID menjadi penting ebagai penyuun inyal kontrol dari SMC. Penentuan matrik berdaarkan bear eigenvector dari matrik Ac, untuk item kemudi didapatkan 1 = ; 2 = ; 3 =0.6431; 4 =0.4203; 5. Skema kontrol S-PID jika dibandingkan dengan PID akan memperbaiki nilai overhoot ebear 88 dan mampu memperbaiki error teady tate, dilihat dari nilai integral area errornya item S-PID dapat memperbaiki ebear dari item PID pada item elam B. Saran Untuk pengembangan lebih lanjut, maka dapat diberikan aran-aran ebagai berikut: 1. Sitem pergerakan ecara lintaan (trajektori) dapat dilakukan untuk digunakan dalam prediki pergerakan dari UUV 2. Penambahan cacade kontrol bia dilakukan, dengan econdary proce nya itu adalah plant fin atau thruter

7 dan plant propeller. Yang membuat analia item menjadi lebih lengkap lagi 3. Dikarenakan item yang komplek dan non-linier. Dapat dilakukan banyak teknik pengontrolan lain, eperti kontrol modern yaitu kontrol optimal ataupun H-infinity robut dapat dicoba untuk plant UUV ini. REFERENSI 1] Wadoo,Sabiha. Kachroo,Puhkin. Autonomou Underwater Vehicle: Modeling, Control Deign and Simulation. Taylor & Franci. CRC pre. December ] Thor I. Foen Guidance and Control of Ocean Vehicle, Buffin Lane, Chicheter, England : John Wiley and Son Ltd. 3] Lee, S. K., Sohn, K. H.. Byum, S. W.. and Kim, J. Y.. Modeling and controller deign of manta-type unmanned underwater tet vehicle. Journal of Mechanical Science and Technology 23.(2009). 987~990 4] A., Halil. Y.,H., Alpalan. S., Gaye. G., Fuat. Sliding Mode Control of Autonomou Underwater Vehicle. Turkey 5] Jimenez, T. Salgado. Jouvencel, B. Uing a High Order Sliding Mode for diving control a torpedo Autonomou Underwater Vehicle. France 6] Roche, E., Sename, O., and Simon, D. (2009). Lpv / H control of an autonomou underwater vehicle (auv). In Proceeding of the European Control Conference. Budapet, Hungary. 7] Ogata, Katuhiko, 2002, Modern Control Engineering, Third Edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jerey. 8] Iıyel, K.. Autopilot Deign and Guidance Control of ULISAR UUV (Unmanned Underwater Vehicle). Yükek LianTezi. ODTÜ ] Modul praktikum DSK Teknik Elektro UNDIP ] 11]Jeffi, Trio. Pengembangan Sitem kendali Robut AUV dengan Metode Sliding-PID. ITS Pembimbing I BIOGRAFI Dr. Ari Triwiyatno, ST., MT. NIP Pembimbing II Budi Setiyono, S.T., M.T. NIP Vega Pradana Rachim T, lahir di Samarinda, 25 Agutu 1990, menempuh pendidikan di SD YPWKS 1, SMPN 1 Cilegon, SMAN 1 Serang. Dan ekarang edang menempuh S1 di Teknik Elektro Univerita Diponegoro Konentrai Kontrol.