Desain Pengontrol Pada Sistem Antena Pelacak Satelit Komunikasi. For report file. Contact me directly

1. Desain Pengontrol Pada
Sistem Antena Pelacak Satelit Komunikasi
Diulas Oleh :
Nurhayati Rahayu (23814305)
Lab
Mobil
Cuaca
Kapal
Laut
Kereta
Api
1

2. Antena pelacak satelit dengan menggunakan arah
azimuth karena ketinggian sudut satelit hampir
konstan. Sistem pelacakan satelit ditampilkan dalam
Gambar 1, yang terdiri dari satelit antena, low-noise
block-down converter (LNB), set-top box tuner,
Antena Control Unit (ACU) dan sistem mekanik.
Pendahuluan [1]
Diagram Sistem Antena Pelacak Satelit
2

3. Riset dan pengembangan tentang sistem antena
pelacakan telah banyak menggunakan beragam
algoritma dan metode kontrol untuk mengunci target
satelit seperti misalnya pengontrol PI dan PID baik
klasik maupun dengan ditambahkan tuning Fuzzy yang
dipasang pada sistem antena pelacak dengan
parameter yang bervariasi.
Digunakan sistem penerima satelit yang mampu untuk
mencari dan melacak secara otomatis sistem satelit
Vinasat-1, yang dikonfigurasi untuk menyediakan jasa
komunikasi untuk mobile dengan fasilitas 8
transponder C-band dan 12 transponder Ku-band.
Posisi satelit ada pada 132° BT.
Pendahuluan [2]
Vinasat -1
Sumber : http://vsatku.blogspot.co.id/2009/02/vietnams-first-
telecommunications.html
Area Operasional Vinasat -1
Sumber : http://www.lyngsat-maps.com/ maps/ vina1_c.html
3

4. Sistem antena pelacak satelit belum memiliki performansi
yang lebih baik. Dengan adanya efek variasi penguatan pada
parameter pelacakan seperti misalnya sudut gimbal antena
hysteresis sehingga mengakibatkan performansi antena
menjadi buruk. Berbagai pengontrol pada studi literatur ini
telah diuji, yaitu Pengontrol PI dan Pengontrol PID.
Untuk membantu meningkatkan performansi sistem, maka
digunakan Algoritma Ziegler-Nichols pada Fuzzy PID dengan
harapan mampu untuk mengurangi efek yang terjadi.
Permasalahan
Gimbal Antenna 2 axis
Gimbal Antenna 3 axis
Gimbal
4

5. Analisa Permasalahan - Metode Pencarian Satelit
Metode pencarian satelit dapat dilakukan
dengan dua cara, yaitu :
 Metode mekanik
 Metode elektrik
Metode Pencarian dan Pelacakan Satelit
Dalam pencarian satelit perlu diketahui
parameter-parameter satelit dan stasiun di
permukaan bumi. Stasiun permukaan bumi
telah ditempatkan pada titik tertentu
sehingga dapat diketahui lintang dan bujur.
Skema Azimuth dan Elevasi
Sumber : www.giangrandi.ch
5

6. Algoritma pencarian dapat dilakukan dengan 2
cara yaitu :
 Metode open loop
Menggunakan informasi posisi dari GPS dan
sensor sudut
 Metode close loop
Menggunakan sinyal satelit untuk mencari.
Contohnya adalah dengan menggunakan
algoritma pelacakan. Adapun diagram
algoritma pelacakan dapat dilihat pada
gambar di samping.
Analisa Permasalahan - Algoritma Langkah Pelacakan
Diagram Algoritma Langkah Pelacakan (Step-Tracking)
6

7. Analisa Permasalahan - Algoritma Ziegler-Nichols[1]
Adapun persamaan sistem kendali PID adalah :
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝. 𝑒 𝑡 + 𝐾𝑖 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 + 𝐾𝑑
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(1)
𝐺𝑐(𝑠) =
𝑈(𝑠)
𝐸(𝑠)
= 𝐾 𝑃 + 𝐾𝐼
1
𝑠
+ 𝐾 𝐷 𝑠 (2)
𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾 𝑃(1 +
1
𝑇 𝐼 𝑠
+ 𝑇 𝐷 𝑠) (3)
Dengan :
u(t) = sinyal output dari kendali PID
Kp = konstanta proporsional
Ki = konstanta integral = Kp/Ti
Ti = waktu integral
Kd = konstanta derivative = Kp.Td
Td = waktu derivative
e(t) = sinyal error
de(t) = derivative error = rata2 laju perubahan error
Blok Diagram Kendali PID
7

8. Analisa Permasalahan - Algoritma Ziegler-Nichols[2]
Algoritma ini dibagi menjadi dua metode, yaitu Metode I, digunakan untuk sistem dengan lup terbuka dan Metode II, digunakan
untuk sistem dengan lup tertutup
Ziegler-Nichols Metode I (Lup Terbuka)
Dari respon lup terbuka yang
dihasilkan, parameter-parameter
Ziegler-Nichols Metode 1 yaitu waktu
tunda (L) dan konstanta waktu (T)
didapatkan
Sistem dengan lup terbuka yang
menggunakan metode ini akan diberi
respon unit undakan (unit-step)
sehingga respon lup terbuka terbentuk
Tipe
Pengontrol
Kp Ti Td
P 𝐿
𝑇
∞ 0
PI
0.9
𝐿
𝑇
𝐿
0.3
0
PID
1.2
𝐿
𝑇
2L 0.5L
Setelah parameter L dan T didapatkan,
nilai-nilai Kp, Ti dan Td bisa dicari dengan
menggunakan rumus-rumus parameter
PID untuk Algoritma Ziegler-Nichols
Metode I
Respon Sistem Dengan Masukan Unit Undakan Proses Desain Penentuan Parameter L dan T Tabel Parameter PID Pada Ziegler-Nichols Metode I
8

9. Analisa Permasalahan - Algoritma Ziegler-Nichols[3]
Ziegler-Nichols Metode II (Lup Tertutup)
Dalam metode II ini menggunakan
Kp saja. Sistem dibuat hingga
berosilasi terus menerus dengan
mengatur besarnya nilai Kp.
Besarnya nilai Kp saat respon sistem
berosilasi terus menerus merupakan
nilai ultimate gain (Ku).
Dari respon yang dihasilkan,
parameter lain Ziegler-Nichols
Metode II selain Ku, yaitu
ultimate time (Tu) dapat dicari.
Tipe
Pengontrol
Kp Ti Td
P 0.5𝐾 𝑈 ∞ 0
PI 0.45𝐾 𝑈 1
1.2
𝑇 𝑈
0
PID 0.6𝐾 𝑈 0.5𝑇 𝑈 0.125𝑇 𝑈
Setelah parameter Ku dan Tu
didapatkan, nilai-nilai Kp,Ti dan Td bisa
dihitung dengan menggunakan rumus
parameter PID untuk Ziegler-Nichols
Metode II
Sistem Lup Tertutup Dengan Menggunakan Kp Proses Desain Menentukan Parameter Tu Tabel Parameter PID Pada Ziegler-Nichols Metode II
9

10. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[1]
Desain Dengan Pengontrol PI Klasik
PI klasik diaplikasikan untuk
melacak dan mengunci posisi
satelit. PI Fuzzy diaplikasikan
untuk desain lup pelacakan
pada simulasi yang dilakukan.
Ditambahkan pula penanganan
derau dan gangguan angin
pada desain antena
antena pelacak dan stabilisasi
lup didesain dengan bandwidth
klasik dan kebutuhan fasa
margin.
stabilisasi lup didesain dengan
menggunakan pengontrol P dan
pengontrol PI sebagai
pembandingnya
Diharapkan dengan
menggunakan solusi
pengontrol P dan pengontrol
PI fuzzy, didapatkan desain
sistem kontrol lup untuk
antena pelacak bergerak.
Hasilnya adalah performansi
yang lebih baik dan efek
variasi penguatan pada
parameter pelacakan dapat
dikurangi. Berikut adalah
desain diagram blok dari
antena pelacakan dan
stabilisasi lup.
10

11. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[2]
Desain Dengan Pengontrol PI Klasik
Kelemahan :
 Desain tidak terstruktur,
 Sulit mendapatkan parameter
kunci untuk dianalisa dan
disimulasikan,
 Sulit dilakukan tuning
Perlu disederhanakan!!
Desain Diagram Blok Dari Antena Pelacakan dan Stabilisasi Lup
11

12. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[3]
Desain Dengan Pengontrol PI Klasik
Kelebihan :
 gerak anggukan (pitch) untuk menjadi
sudut elevasi dan gerak menoleh (yaw)
untuk mencari azimuth pada sistem
kontol dapat lebih cepat dieksekusi
 Didapatkan parameter-parameter kunci
dari antena pelacak dan stabilisasi lup,
dimana lup pencarian dimodelkan dengan
penguatan yang sederhana dan stabilisasi
lup menggantikan posisi pengontrol I atau
pengontrol PI.
Desain Diagram Blok Sistem control antenna untuk stabilisasi Lup
Yang Disederhanakan : (a) Pengontrol I dan (b) Pengontrol PI [6]
Gambar (a) : Misalnya penguatan
pengontrol I dinotasikan 𝐾1 dari
stabilisasi lup diberi nilai 25, 50, 75
dan 100, maka penguatan margin
akan bernilai ∞. Walaupun
penguatan margin meningkat pada
saat nilai 𝐾1 dinaikkan, rata-rata
kenaikan yang muncul akan
mengalami saturasi pada 𝐾1 = 100
Gambar (b) : Penguatan pengontrol P
dinotasikan sebagai 𝐾0 dengan T=0.1
detik dan 𝐾1 = 100, fasa margin
menjadi lebih besar pada saat 𝐾0 =
5.
12

13. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[4]
Respon Sistem Dengan Pengontrol PI Klasik
(a) (b)
(c)
Bode Plot Respon Frekuensi : (a) Penguatan Pengontrol I (𝐾1 bervariasi), (b) Penguatan Pengontrol PI (T = 0.1 dan 𝐾1 = 100) dan
(c) Penguatan Pengontrol PI (T = 0.1 dan 𝐾1 bervariasi)
Dengan melakukan beberapa kali trial-and-error, dapat dilihat
bahwa fasa margin akan membesar (132° dan 133°) pada saat
𝐾0 = 5,𝐾1 = 50, T= 0.1 dan pada saat 𝐾0 = 5,𝐾1 = 25, T= 0.2
13

14. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[5]
Desain Dengan Pengontrol PI Klasik
masukan sudut line-of-sight adalah membentuk
hubungan segitiga dengan amplituda sebesar 1
radian dan perioda sebesar 5 detik. Dapat dilihat
bahwa performansi sudut gimbal dalam melacak
masukan sudut line-of-sight sangat baik. Walau
bagaimanapun, secara umum terdapat efek dari
bervariasinya parameter pada penguatan lup
pelacakan.
Diagram Blok Antena Pelacak Klasik dan Desain Stabilisasi Lup
14

15. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[6]
Desain Dengan Pengontrol PI Klasik
(a) (b)
(c)
Keluaran sudut gimbal : (a) Saat T=0.1, (b) Metode Sederhana dg T=1 dan (c) Metode Sederhana dg T=1.5
15

16. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[7]
Desain Dengan Pengontrol PID Klasik – Metode I Pengontrol PID Berbasis Ziegler-Nichols
𝐺 𝑠 =
𝐾𝑒−𝐿𝑠
𝑇𝑠+1
(4)
menunjukkan respon sistem yang diberikan masukan pada
berupa masukan unit undakan (unit step), sehingga dapat
diketahui nilai K pada saat responnya telah berada pada
keadaan tunak (steady state), nilai T waktu konstanta (time
constant) dan nilai L waktu tunda (time delay).
Blok Diagram Sistem Kontrol Antena untuk Stabilisasi Lup (T=0.5)
Respon sistem dengan masukan unit undakan terhadap waktu tunda
16

17. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[8]
Desain Dengan Pengontrol PID Klasik – Metode I Pengontrol PID Berbasis Ziegler-Nichols
Respon masukan unit undakan tanpa sudut gimbal, efek
hysteresis dapat ditunjukkan pada gambar di atas. Dapat
ditemukan nilai 𝐾 = 1, 𝐿 = 0.3 𝑑𝑎𝑛 𝑇 = 0.5.
𝐾 𝑃 =
1.2
𝑇
= 2.4
𝑇𝐼 = 2𝐿 = 0.6
𝑇 𝐷 = 𝐿/2 = 0.15
Maka :
(a)
(b)
Respon Sistem Dengan Metode I Pengontrol PID
Berbasis Ziegler-Nichols : (a) H=0.1 dan (b) H=0.3
Respon Sistem Kontrol Antena Dengan Masukan Unit Undakan
Penguatan Koefisien PID Ziegler-Nichols Metode I
17
Tipe Pengontrol Kp Ti Td
P 𝐿
𝑇
∞ 0
PI
0.9
𝐿
𝑇
𝐿
0.3
0
PID
1.2
𝐿
𝑇
2L 0.5L

18. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[9]
Desain Dengan Pengontrol PID Klasik – Metode II Pengontrol PID Berbasis Ziegler-Nichols
Langkah pertama adalah dengan mendapatkan
penguatan margin dan frekuensi fasa silangnya
hingga menghasilkan 𝐾 𝑈 𝑑𝑎𝑛 𝑇 𝑈.
𝐾 𝑈 = 𝑙𝑜𝑔−1(
𝐺𝑀
20
)
= 10
𝐺𝑀
20 (5)
𝑇 𝑈 =
2𝜋
𝜔 𝑢
(6)
Kini Ziegler-Nichols Metode 2 dapat diaplikasikan pada
desain sistem kontrol antena. Melalui gambar bode plot
di samping, dapat dilihat penguatan margin bernilai
7.21 dB dan frekuensi fasa silang bernilai 4.04 rad/s.
Bode Plot Sistem dengan Ziegler-Nichols Metode 2
Penguatan Koefisien PID Ziegler-Nichols Metode II
18
Tipe Pengontrol Kp Ti Td
P 0.5𝐾 𝑈 ∞ 0
PI 0.45𝐾 𝑈 1
1.2
𝑇 𝑈
0
PID 0.6𝐾 𝑈 0.5𝑇 𝑈 0.125𝑇 𝑈

19. Desain Antena Pelacak Dengan Variasi Pengontrol[10]
Desain Dengan Pengontrol PID Klasik – Metode II Pengontrol PID Berbasis Ziegler-Nichols
Langkah selanjutnya adalah mengaplikasikan persamaan (5)
dan (6) untuk mendapatkan 𝐾 𝑈 = 2.294 dan 𝑇 𝑈 = 1.555.
Maka didapatkan koefisien-koefisien penguatan berikut ini :
𝐾 𝑃 = 0.6 𝐾 𝑈 = 1.377
𝑇𝐼 = 0.5 𝑇 𝑈 = 0.778
𝑇 𝐷 = 0.125 𝑇 𝑈 = 0.194
Respon dari sistem dengan metode 2 ini ditunjukkan pada
gambar di samping.
(a)
(b)
Respon Sistem Dengan Metode II Pengontrol PID
Berbasis Ziegler-Nichols : (a) H = 0.1 dan (b) H = 0.3
19

20. Solusi Dengan Pengontrol Fuzzy [1]
Kenapa harus memilih Fuzzy ?
 Fuzzy Logic sering digunakan untuk
menyajikan suatu himpunan yang
batasannya tidak jelas, yang disebut juga
sebagai Fuzzy Set.
 Alasan digunakannya fuzzy adalah konsep
logika fuzzy yang mudah dimengerti oleh
manusia karena sifatnya yang sangat
fleksibel bisa disesuaikan dengan kondisi
dan diklasifikasikan sesuai dengan
keinginan pengguna.
 Memiliki toleransi terhadap data-data
yang tidak tepat, dan membangun dan
mengaplikasikan pengalaman-
pengalaman dari para ahli secara
langsung tanpa kehadiran dengan melalui
sebuah proses pembelajaran.
Komponen Fuzzy
Fuzzyfikasi : menentukan
input dari suatu fuzzy dalam
suatu bentuk linguistic data
Inference Rule : merelasikan
input parameter dan output
parameternya
Defuzzification :
mengkonversi data
linguistic yang sudah
diperoleh ke dalam bentuk
data nilai yang pasti
20

21. Solusi Dengan Pengontrol Fuzzy [2]
Proses fuzzifikasi dilakukan dengan menggunakan suatu
linguistic variable (semua variabel yang digunakan di dalam
variabel aturan if – then).
Parameter masukan fungsi keanggotaan error(E), deviasi E
saat ini dan E selanjutnya(ΔE) dan kontrol masukan (U) perlu
untuk didefinisikan terlebih dahulu seperti yang ditunjukkan
pada tabel berikut ini.
Komponen Fuzzy : Fuzzification
(a)
(b)
Plot Fungsi Keanggotaan : (a) Parameter Masukan Error E, (b) Parameter
Masukan Deviasi Error ΔE dan (c) Parameter Keluaran Voltage
(c)
21

22. Komponen Fuzzy : Inference Rule
Berkaitan erat dengan variabel input dan output yang
telah ditentukan. IR juga digunakan untuk memahami
situasi dan menghitung/mengkomputasi nilai dari
variabel input yang dimasukkan ke dalam sistem.
R1 : IF E is NB and ΔE is NB then U is NB,
R2 : IF E is NB and ΔE is ZE then U is NM,
R3 : IF E is NB and ΔE is PB then U is ZE,
R4 : IF E is ZE and ΔE is NB then U is NM,
R5 : IF E is ZE and ΔE is ZE then U is ZE,
R6 : IF E is ZE and ΔE is PB then U is PM,
R7 : IF E is PB and ΔE is NB then U is ZE,
R8 : IF E is PB and ΔE is ZE then U is PM,
R9 : IF E is PB and ΔE is PB then U is PB,
Solusi Dengan Pengontrol Fuzzy [3]
Tabel Aturan Inferensi Silang PI Fuzzy
22

23. Solusi Dengan Pengontrol Fuzzy [4]
Solusi dengan Pengontrol Fuzzy PI dan Fuzzy PID
Fuzzy PI dengan penguatan 𝐾𝐼𝑓 dan 𝐾2𝑓 diaplikasikan pada lup
pelacakan dan dengan PI klasik pada stabilisasi lup
Blok Diagram Pengontrol Fuzzy PI untuk lup pelacakan dan PI klasik untuk lup stabilisasi
Blok Diagram Pengontrol Fuzzy PID Berbasis Ziegler-Nichols
23

24. Hasil Simulasi Fuzzy PI
Hasil analisa performansi simulasi antena dengan pengontrol Fuzzy PI menunjukkan bahwa sudut gimbal antena
memberikan respon pada 𝐾𝐼𝑓 = 5, 𝐾2𝑓 = 5 dan T = 0.1, 1, 1.5
(a) (b)
Respon Sistem Pengontrol Fuzzy PI Dengan Sudut Gimbal Antena : (a) 𝐾𝐼𝑓 = 5, 𝐾2𝑓 = 5 dan T = 0.1,
(b) 𝐾𝐼𝑓 = 5, 𝐾2𝑓 = 5 dan T = 1, (c) 𝐾𝐼𝑓 = 5, 𝐾2𝑓 = 5 dan T =1.5 dan (d) 𝐾𝐼𝑓 = 5, 𝐾2𝑓 = 5 dan T = 5
(c) (d)
24

25. Hasil Simulasi Fuzzy PID [1]
Hasil analisa performansi simulasi
antena dengan pengontrol Fuzzy
PID berbasis Ziegler-Nichols
Metode I menunjukkan bahwa
respon sistem pada H = 1, H = 0.3
dan H = 0.5 sangat baik dengan
berkurangnya efek dari hysteresis.
(a) (b)
Respon Sistem Pengontrol Fuzzy PID Metode I: (a) H = 0.1, (b) H = 0.3 dan (c) H = 0.5
(c)
25

26. Hasil Simulasi Fuzzy PID [2]
Sedangkan pada Fuzzy PID
berbasis Ziegler-Nichols Metode II
pada saat H = 1, H = 0.3 dan H =
0.5, menunjukkan hasil yang
kurang baik dibandingkan metode I
namun masih lebih unggul
dibandingkan penggunaan
pengontrol PID klasik
(a) (b)
Respon Sistem Pengontrol Fuzzy PID Metode II: (a) H = 0.1, (b) H = 0.3 dan (c) H = 0.5
(c)
26

27. • Dengan menggunakan metode pengontrol Fuzzy PI untuk desain sistem antena pelacak satelit
bergerak menunjukkan performa yang lebih baik dibandingkan dengen PI Klasik dalam hal
menangani lup pelacakan namun masih mengandalkan PI Klasik untuk menangani Stabilisasi Lup.
• Performa pengontrol Fuzzy PI menunjukkan hasil yang lebih baik, pada saat penguatan antena
pelacak lebih rendah atau lebih tinggi. Selain itu pula efek parameter yang bervariasi dapat
dikurangi.
• Sedangkan pada pemanfaatan pengontrol PID Klasik menunjukkan hadirnya efek dari parameter
nonlinear seperti misalnya hysteresis pada sudut gimbal.
• Solusi untuk meningkatkan performansi sistem adalah dengan mengembangkan Fuzzy PID berbasis
Ziegler-Nichols dengan 2 macam metode. Hasil simulasi menunjukkan respon sistem lebih baik oleh
Metode I dibandingkan dengan Metode II.
Kesimpulan
27

28. [1] Y. Yalcin, S. Kurtulan, “A Rooftop Antenna Tracking System: Design, Simulation, and Implementation”, IEEE Antennas and
Propagation Magazine, Vol. 51, No. 2, April 2009.
[2] Jium-Ming Lin dan Po-Kuang Chang (2008): Intelligent Mobile Satellite Antenna Tracking System Design, SICE Annual
Conference 2008, hal. 2922-2927.
[3] Jium-Ming Lin dan Po-Kuang Chang (2010) : PI-Type Fuzzy Controller for Mobile Satellite Antenna Control System Design with
Tracking Loop Gain Parameter Variations, WSEAS TRANSACTIONS on SYSTEMS and CONTROL Issue 6 Vol 5 June 2010, hal. 474-
483.
[4] Jium-Ming Lin dan Po-Kuang Chang (2012) : Intelligent Ziegler-Nichols-Based Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite
Tracking System With Parameter Variations Effect, WSEAS TRANSACTIONS on SYSTEMS and CONTROL Issue 7 Vol 7 July 2012,
hal. 224-236.
[5] Po-Kuang Chang dan Jium-Ming Lin (2011) : Ziegler-Nichols-Based Intelligent Fuzzy PID Controller Design for Antenna Tracking
System, Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientist 2011 Vol II.
[6] Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong dan Bach Gia Duong (2015) : “Satellite Tracking Control System Using Fuzzy PID Controller”,
VNU Journal od Science : Mathematic – Physics, Vol. 31, No. 1.
Referensi
28

29. Terima Kasih
29