Satellite Tracking Control SystemUsing Fuzzy PID Controller. For report file, contact me diretly

1. Satellite Tracking Control System
Using Fuzzy PID Controller
Oleh :
Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong
VNU Journal pf Science : Mathematics – Physics, Vol. 31, No. (2015) 36-46
Diulas Oleh :
Nurhayati Rahayu (23814305)

2. • Pendahuluan
• Metode Pencarian Satelit
• Algoritma Langkah Pelacakan
• Perancangan Pengontrol PID
• Pengontrol Fuzzy PID
• Simulasi Pengontrol Fuzzy PID
• Kesimpulan
• Referensi
Outline

3. Produk satelit komunikasi hingga pada hari ini sudah
dimanfaatkan secara luas. Salah satu pengguna jasa
komunikasi ini adalah dari bidang transportasi.
Berbagai kendaraan yang berfungsi sebagai sistem
penerima seperti kapal, kereta api, mobil atau pesawat.
Pada saat menerima sinyal kontinyu, antena bergerak
berdasarkan azimuth dan sudut elevasi untuk melacak
keberadaan satelit. Kemampuan pelacakan tergantung
pada beam width dari antena dan kecepatan gerak
kendaraan. Sehingga dapat menambah kekuatan dan
ketepatan dari antena dalam melacak satelit.
Pada kenyataannya antena melacak satelit hanya
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]
Gambar 1. Diagram Sistem Pelacak Satelit

4. Riset dan pengembangan tentang sistem
mobile telah banyak menggunakan beragam
algoritma dan metode kontrol untuk mengunci
target satelit seperti misalnya PID controller
yang dipasang pada sistem antena pelacak[1],
pemanfaatan algoritma jejak langkah dengan
pengontrol H∞ pada desain putaran jejak (loop
tracking) [2], atau penggunaan PID klasik dan
kontrol PD Fuzzy dengan parameter yang
bervariasi [3-4].
Pada paper ini dijelaskan mengenai
pengembangan 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]
Gambar 2. Vinasat -1
Sumber : http://vsatku.blogspot.co.id/2009/02/vietnams-first-
telecommunications.html
Gambar 3. Area Operasional Vinasat -1
Sumber : http://www.lyngsat-maps.com/ maps/ vina1_c.html

5. Metode Pencarian Satelit
Metode pencarian satelit dapat dilakukan dengan dua
cara, yaitu :
 Metode mekanik
 Metode elektrik
Kedua metode ini menggunakan dasar pencarian pada
elevasi dan sudut azimuth yang sama, hanya saja pada
metode mekanik, pencarian menggunakan motor yang
digerakkan dari tombol-tombol navigasinya seperti
azimuth kanan atau kiri dan sudut elevasi naik atau turun.
Sedangkan metode elektrik, rotasi pencarian satelit telah
dihitung secara otomatis dari perangkat lunak.
Gambar 4. 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 δ dan bujur λ. Satelit
geostationer ditandai dengan bujur 𝜆 𝐺 dan ketinggian
diatas permukaan bumi. Parameter-parameter ini dapat
menghitung sudut azimut(sudut yang menghitung arah
objek dari sumbu utara/sudut kompas pada garis
horisontal) dan sudut elevasi (sudut dari suatu titik yang
diukur terhadap garis horisontal ke suatu arah dan berada
di atas garis horisontal)
Gambar 5. Skema Azimuth dan Elevasi
Sumber : www.giangrandi.ch

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.
Langkah-langkah pada algoritma adalah sebagai berikut :
 Sistem kontrol mengoperasikan secara manual atau
otomatis pencarian dengan menggunakan parameter-
parameter stasiun di permukaan bumi dan satelit.
 Sistem mengaktifkan mode step-tracking.
Pada mode ini, sistem kontrol akan melakukan proses
pencarian hingga sinyal level Automatic Gain Control (AGC)
melebihi level batas dan status pencarian terjaga menjadi
tahap idle.
 Pada saat sistem penerima bergerak, sinyal level AGC turun
hingga batas threshold, sistem pelacakan akan bergerak
pada mode pencarian.
Algoritma Langkah Pelacakan
Gambar 6. Diagram Algoritma Langkah
Pelacakan (Step-Tracking)

7. Dimana :
u = sinyal kontrol
e = sinyal kontrol error ( e = 𝑦𝑠𝑝 − 𝑦)
Sinyal kontrol diatas adalah penjumlahan dari komponen, yaitu proportional, integral dan derivative, sebagaimana
ditunjukkan pada persamaan berikut ini :
𝑢 𝑡 = 𝐾 𝑝 𝑒 𝑡 +
1
𝑇 𝐼 0
𝑡
𝑒 𝜏 𝑑𝜏 + 𝑇 𝐷
𝑑𝑒(𝑡)
𝑑𝑡
(1)
Fungsi transfer Pengontrol PID :
𝐺 𝑃𝐼𝐷 𝑠 =
𝑈(𝑠)
𝐸(𝑠)
= 𝐾 𝑃 + 𝐾𝐼
1
𝑠
+ 𝐾 𝐷 𝑠 (2)
𝐺 𝑃𝐼𝐷 𝑠 = 𝐾 𝑃(1 +
1
𝑇1 𝑠
+ 𝑇 𝐷 𝑠 (3)
Perancangan Pengontrol PID [1]
Gambar 7. Diagram Pengontrol PID

8. Perancangan Pengontrol PID [2]
Parameter-parameter pengontrol diantaranya adalah 𝐾 𝑝, 𝐾𝐼,𝐾 𝐷. Ketiga parameter ini mempengaruhi waktu, lompatan
(overshoot), kesalahan keadaan tunak dari sistem. Banyak cara untuk menghitung ketiga parameter ini, yang paling
populer adalah dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols. Untuk menghitung parameter 𝐾 𝑝, 𝐾𝐼, 𝐾 𝐷, perlu
ditentukan fungsi transfer dari objek.
Dengan menggunakan tabel parameter motor DC di bawah ini maka dapat dihitung fungsi transfer sebagaimana
berikut ini :
Fungsi transfer dari kontrol objek dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini :
𝐺𝑣 𝑠 =
13500
6345𝑠2+132498𝑠+326106
(4)
Terkait dengan efek noise dan pengukuran error yang merupakan faktor natural nonlinier dari mesin, mengakibatkan
kalibrasi parameter-parameter PID menjadi sulit untuk mendapatkan nilai yang diharapkan. Oleh karena itu,
digunakan proses fine-tuning yang dilakukan oleh control fuzzy sebelum menjalankan kontrol sistem.
Tabel 1. Parameter Pada Motor DC

9. Pengontrol Fuzzy PID [1]
Pengontrol fuzzy akan mengoptimasi parameter pengontrol PID berdasarkan parameter error (e) dan rata-rata laju
perubahan dari error (de/dt). Masukan dari pengontrol fuzzy termasuk kontrol sinyal error e(t) dan derivative de(t).
Sedangkan keluarannya adalah tiga parameter PID, yaitu 𝐾 𝑝, 𝐾𝐼, 𝐾 𝐷. Struktur Pengontrol Fuzzy PID dapat dilihat pada
gambar di bawah ini.
Dengan menggunakan metode Fuzzy Mamdani, berikut digambarkan pengontrol fuzzy seperti di bawah ini.
Gambar 8. Blok Diagram Pengontrol Fuzzy PID
Gambar 9. Model Mamdani - Pengontrol Fuzzy PID

10. Variabel masukan fungsi keanggotaan dapat
diperlihatkan pada gambar di samping. Variabel
masukan terdiri dari 2 buah, yaitu :
 Variabel masukan “e”
 NB (Negative Big)
 NS (Negative Small)
 ZE (Zero)
 PS (Positive Small)
 PB (Positive Big)
 Variabel masukan “de”
 DF (Decrease Fast)
 DS (Decrease Slow)
 MT (Maintain)
 IS (Increase Slow)
 IF (Increase Fast)
Pengontrol Fuzzy PID [2]
Gambar 10. Fungsi keanggotaan dari Variabel Masukan

11. Variabel keluaran pada pengontrol Fuzzy juga dibagi menjadi 5 set, diantaranya :
 S (Small)
 MS (Medium Small)
 M (Medium)
 MB (Medium Big)
 B (Big)
Fungsi keanggotaan pada fuzzy ini juga digambarkan sebagai fungsi triangular dimana masing-masing variabel
memiliki nilai antara 0 (bukan anggota) dan 1 (anggota penuh).
Variabel masukan dan keluaran dihubungkan dengan logika IF-THEN, dimana kombinasi diantara keduanya
dapat diperlihatkan pada tabel aturan referensi di bawah ini.
Pengontrol Fuzzy PID [3]
Tabel 2. Aturan Referensi Pengontrol Fuzzy PID

12. Hasil simulasi yang dari pengontrol PID dan pengontrol fuzzy dapat ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Hasilnya
menunjukkan bahwa respon PID berosilasi dan memakan waktu, dimana akan berakibat pada kerusakan sistem. Namun
respon pada pengontrol Fuzzy PID lebih baik dibandingkan dengan pengontrol PID tradisional.
Simulasi Pengontrol Fuzzy [1]
Gambar 11. Diagram Simulink dari Pengontrol Fuzzy PID
Gambar 12. Respon step dari Pengontrol PID dan Pengontrol Fuzzy PID

13. Arsitektur dari sistem kendali pencari satelit dapat diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Microcontroller menerima
sinyal input seperti dari keyboard, AGC, atau encoder lalu mengirimkannya kepada komputer. Selain itu microcontroller
juga menerima sinyal yang berasal dari komputer untuk sistem pengendali mekanik untuk pencarian antena satelit ketika
penerimanya bergerak. Adapun block diagram konfigurasi hasil percobaan dapat ditunjukkan seperti di bawah ini.
Simulasi Pengontrol Fuzzy [2]
Gambar 13. Block diagram konfigurasi hasil percobaan
Pusat Pengendali dapat dilakukan dilakukan oleh perangkat lunak yang dipasang pada komputer. Perangkat lunak
menerima sinyal sensor dari microcontroller, lalu menghitung azimuth dan sudut elevasi. Setelah itu perangkat lunak
mengimplementasi pengontrol proses berdasarkan algoritma langkah pencarian dengan menggunakan pengontrol fuzzy
PID.

14. Dengan menghitung evelasi dan azimuth dari antena penerima, microcontroller membaca nilai lintang dan bujur dari
stasiun permukaan bumi melalui GPS dan nilai sudut dari sensor. Dengan membandingkan nilai pada GPS dan sensor,
sistem akan mengendali gerak motor untuk berotasi menuju posisi yang baru.
Dalam rangka menunjukkan kinerja dari algoritma pencarian dan pengendali kontrol, antena parabola dengan diameter
60 cm digunakan untuk satelit Vinasat-1. Sistem mekanik menggunakan 24V-DC servo motor dengan kecepatan 1500
rpm, jarak rotasi dari elevasi mulai dari 0° hingga 90° dan azimuth mulai dari 0° hingga 355°. Gambar di bawah ini
menunjukkan sistem pengontrol secara lengkap
Simulasi Pengontrol Fuzzy [3]
Gambar 14. Sistem Kendali Pelacakan dan Tampilan Antar Muka Perangkat Lunak

15. Simulasi Pengontrol Fuzzy [4]
Pada gambar di bawah ini menunjukkan indikasi variasi level AGC ketika menggunakan pengontrol PID dan pengontrol
fuzzy PID. Pada saat detik ke 10, waktu yang dibutuhkan untu mencapai fokus observasi untuk pengontrol PID adalah
selama 0,7 detik sedangkan untuk pengontrol fuzzy PID adalah selama 0,4 detik. Hasil di bawah juga menunjukkan kurva
level AGC pada pengontrol fuzzy PID lebih datar (flat) dibandingkan dengan pengontrol PID tradisional.
Gambar 15. Level AGC antara Pengontrol PID dan Pengontrol Fuzzy PID

16. Pada tulisan ini penulis menyajikan pembelajaran, desain dan implementasi proses pencarian dan sistem
pencarian otomatis satelit yang digunakan untuk penerima sinyal satelit pada kendaraan yang bergerak seperti
mobil, kapal laut, pesawat, kendaraan militer dan lain-lain. Tulisan ini membahas bagaimana memanfaatkan
kontrol fuzzy untuk mendesain self-tunning pada pengendali fuzzy PID dengan menggunakan dua variabel
input (e, de) dan tiga variabel output (𝐾𝑝, 𝐾𝐼, 𝐾 𝐷).
Hasil dari simulasi menunjukkan bahwa dengan memanfaatkan pengontrol fuzzy PID respon time menunjukkan
performansinya dengan lebih baik, lompatan yang kecil, dan kegagalan keadaaan tunak yang kecil pula.
Kesimpulan

17. [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] Chang-Ho Cho, Sang-Hyo Lee, Tae-Yong Kwon, and Cheol Lee, “Antenna Control System Using
Step Tracking Algorithm with H∞ Controller”, International Journal of Control, Automation,
and System, Vol 1, No. 1, pp 83-92, March 2003.
[3] Jium-Ming Lin, Po-Kuang Chang, “Intelligent Mobile Satellite Antenna Tracking System
Design” SICE Annual Conference 2008, pp. 2922-2927, Japan 2008.
[4] Jium-Ming Lin, Po-Kuang Chang, “Intelligent PD-Type Fuzzy Controller Design for Mobile
Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect”, IEEE Symposium on
Computational Intelligence in Control and Automation (CICA), 2011.
Referensi
Terima Kasih