1 Tesis TE 2099 PERANCANGAN DAN SIMULASI KONTROLER JST UNTUK PENGENDALIAN GERAKAN HOVER PADA HELIKOPTER Oleh R. Ade Supriyadi 2207202203 Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010 Pembimbing Ir. Katjuk Astrowulan MSEE Ir. Rusdhianto Effendie AK, M.T.
51
Embed
PERANCANGAN DAN SIMULASI KONTROLER JST UNTUK …digilib.its.ac.id/public/ITS-Master-12854-Presentation.pdf · 1 Tesis TE 2099 PERANCANGAN DAN SIMULASI KONTROLER JST UNTUK PENGENDALIAN
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Tesis TE 2099
PERANCANGAN DAN SIMULASI KONTROLER JSTUNTUK PENGENDALIAN GERAKAN HOVERPADA HELIKOPTEROleh
R. Ade Supriyadi2207202203
Bidang Studi Teknik Sistem PengaturanJurusan Teknik ElektroFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya2010
● Permasalahan– Pembentukan formulasi dinamika sistem gerakan hover– Pengendalian gerakan hover menggunakan metode JST
● Tujuan– Mengembangkan skema serta algoritma pengendalian– Membuat simulasi pengaturan gerakan hover menggunakan JST
● Batasan– Gerakan hover– Jenis pesawat UH-60 dan Lynx
3
MODELLING
● Interaksi antara sub system– Fuselage– Main Rotor– Tail Rotor– Empennage– Fuselage
● Menerapkan body axes– Pusat di central of gravity (c.g)– Titik c.g dapat berpindah
4
KOMPONEN HELIKOPTER
5
BLADE FLAPPING
6
FORCE & MOMENT
7
CONTROL
8
FORCE & MOMENTFormulasi
F = F R F TR F f F tp F fn
M = M R M TR M f M tp M fn
Translasional
u = −wq−vr XM a
− g sin
v = −ur−℘ YM a
− g cossin
w = −vp−uq ZM a
− g coscos
RotationalI xx p = I yy− I zzqr I xz r pq LI yy q = I zz− I xxrp I xz r
2− p2 MI zz r = I xx− I yy pq I xz p−qr N
9
ROTOR UTAMA - 1
ForcesX hw = T 1cw
Y hw = −T 1sw
Z hw = −T
Moments
LH =−N b
2K 1s
M H =−N b
2K 1c
N H = CQ R2R3 I R
10
ROTOR UTAMA - 2
X hw = ∑i=1
N b
∫i=1
R
{− f z−mazbii cosi − f y−ma ybi sini maxbcosi}drb
Y hw = ∑i=1
N b
∫i=1
R
{ f z−mazbiisini− f y−ma ybi cosi ma xbsini}drb
Z hw = ∑i=1
N b
∫i=1
R
f z−mazbmxbiidrb
2C xw
a0 s =X hw
12R2R2 s a0
2C yw
a0 s =Y hw
12R2R2 s a0
2C zw
a0 s =Z hw
12R2R2 s a0
= −2CT
a0 s
11
ROTOR EKOR - 1
Forces & MomentsX T = T T 1cT
Y T = T TZ T = −T T 1sT
LT = hT Y TM T = lTx cgZ T − QT
N T = −lTxcgY T
ThurstT T = CT T
T RT 2RT
2
12
ROTOR EKOR - 2
Y T = T RT 2 sT a0T RT
2 CT Ta0T sT F TCT T =
T TT RT
2RT2
2CT T
a0T sT = *
3 132 zT−0T
2T21sT
*
F T = 1 − 34S fnRT
2
13
FUSELAGE - 1
Forces
X f = 12V f
2 S pC xf f , f
Y f = 12V f
2 S sC yf f , f
Z f = 12V f
2 S pC zf f , f
Moments
L f = 12V f
2 S s l f C lf f , f
M f = 12V f
2 S pCmf f , f
N f = 12V f
2 S sCnf f , f
14
FUSELAGE - 2
Incidence Angle
f = tan−1 wu , 00
f = tan−1 wu , 00
VelocityV f = u2v2w2 , 00V f = u2v2w
2 , 00
Sideslip
f = sin−1 vV f
15
EMPENNAGE
Forces
Z tp = 12V tp
2 S tpC ztp tp ,tp
Y fn = 12V fn
2 S fnC y fn fn , fn
MomentsM tp = l tpxcgZ tpN fn = −l fnxcg Y fn
16
INTEGRASI
17
TRIM ANALYSIS
18
LINIERISASI PERSAMAAN
x = F x ,u , t
dengan: x = { x f , x r , x p , x p}x f = {u , w , q , , v , p , , r}xr = {0 , 1c , 1s , 0 , 1c , 1s }x p = { , Qe , Qe}xc = {0 , 1s , 1c , 0T }u = {0 , 1s , 1c , 0T }
Bentuk Trimx = x e x
19
LINIERISASI PERSAMAAN
x − Ax = Bu t f t
A = ∂F∂ x x=xe dan A = ∂F∂u x=xeX u ≡
X u
Ma
x = Ax Bu dan y = Cx Du
u = −Kxx = Ax−BKx
= A−BK xsehingga didapatkan: det sI−A−BK = 0
20
LINIERISASI PERSAMAAN
Forces
X = X e∂ X∂u
u ∂ X∂w
w ... ∂ X∂0
0 ...
Y = Y e∂Y∂u
u ∂Y∂w
w ... ∂Y∂0
0 ...
Z = Z e∂Z∂u
u ∂ Z∂w
w ... ∂Z∂0
0 ...
Moments
L = Le∂ L∂u
u ∂ L∂w
w ... ∂ L∂0
0 ...
M = M e∂M∂u
u ∂M∂w
w ... ∂M∂0
0 ...
N = N e∂N∂u
u ∂N∂w
w ... ∂N∂0
0 ...
21
LINIERISASI PERSAMAAN
di mana:
∂ X∂u
= X u , ∂ X∂w
= X w , ... , ∂ X∂0
= X 0, ...
∂Y∂u
= Y u , ∂Y∂w
= Y w , ... , ∂Y∂0
= Y 0, ...
∂Z∂u
= Zu , ∂Z∂w
= Z w , ... , ∂Z∂0
= Z 0, ...
∂ L∂u
= Lu , ∂ L∂w
= Lw , ... , ∂ L∂0
= L0, ...
∂M∂u
= M u , ∂M∂w
= M w , ... , ∂M∂0
= M 0, ...
∂ N∂u
= N u , ∂N∂w
= N w , ... , ∂N∂0
= N 0, ...
22
LINIERISASI PERSAMAAN
L ' p =I zz
I xx I zz− I xz2 Lp
I xzI xx I zz− I xz
2 N p
N ' r =I xz
I xx I zz−I xz2 Lr
I xxI xx I zz− I xz
2 N r
k1 =I xz I zz I xx−I yyI xx I zz− I xz
2
k 2 =I zz I zz− I yy I xz
2
I xx I zz− I xz2
k3 =I xx I yy− I xx− I xz
2
I xx I zz− I xz2
23
LINIERISASI PERSAMAAN
A= [X u X w−Qe X q−W e −g cose X vRe X p 0 X rV e
Z uQe Z w Z qU e −g cosesin e Z v−Pe Z p−V e −gsin ecose Z rM u M w M q 0 M v M p−2Pe I xz I yy−Re I xx−I zz I yy 0 M r2Re I xz I yy−Pe I xx−I zz I yy0 0 cose 0 0 0 −a∗cose −sineY u−Re Y wPe Y q −g sin esin e Y v Y pW e g cos ecose Y r−U e
Lu' Lw
' Lq'k 1Pe−k 2Re 0 Lv
' L p' k 1Qe 0 Lr
'−k 2Q e
0 0 sin e tane a sece 0 1 0 cose∗taneN u' N w
' N q' −k 1Re−k3Pe 0 N v
' N p' −k 3Qe 0 N r
'−k1∗Q e
]B= [
X 0X 1s
X 1cX 0T
Z 0Z 1s
Z 1cZ 0T
M 0M 1s
M 1cM 0T
0 0 0 0Y 0
Y 1sY 1c
Y 0T
L0
' L1s
' L1c
' L0T
'
0 0 0 0N 0
N 1sN 1c
N 0T
]C = diag 8,8D = zeros 8,4 (untuk tanpa gangguan)
= rand 8,4 (dengan gangguan acak)
24
STRUKTUR JST
z = f z w1 x dan y= f y w2 z = f y w2 f z w1 x di mana:f z : fungsi aktivasi hidden layerf y : fungsi aktivasi output layerx : vektor masukanz : vektor keluaran dari hidden layer atau masukan ke output layery : vektor keluaran JSTd : vektor keluaran yang diharapkan
25
PEMBELAJARAN JSTBACKPROPAGATION - 1
Aktivasi terhadap input di lapisan keluaran: y _inK = ∑jz jw jK
Error (diminimalkan): E = .5∑K[t k − y k ]
2
Rambatan error: EwJK
= w JK
.5∑K[t k − y k ]
2
= w JK
.5 [tK − f y _inK ]2
= −[ tK − yK ]
wJKf y _inK
= −[ tK − yK ] f ' y _inK
wJK y _inK
= −[ tK − yK] f ' y _inK z J
kemudian ditentukan: K = [ tK − yK ] f ' y _inK
26
PEMBELAJARAN JSTBACKPROPAGATION - 2
Rambatan error untuk hidden unit: Ev IJ
= −∑K[ tk − y k ]
v IJ
y k
= −∑K[ tK − yK ] f ' y _inK
v IJ
y _inK
= −∑KK
v IJ
y _inK
= −∑KK w JK
v IJ
zJ
= −∑KK w JK f ' z _inJ [X I ]
kemudian ditentukan: J = ∑KK wJK f ' z _inJ
27
PEMBELAJARAN JSTBACKPROPAGATION - 3
Update bobot (unit keluaran):
w jk = − Ew jk
= [t k − yk ] f ' y _ink z j= k z j
Update bobot (hidden unit):
vij = − E vij
= f ' z _in j xi∑Kk w jk
= j xi
28
PEMBELAJARAN JSTREINFORCEMENT LEARNING - 1
Non associative Associative
29
PEMBELAJARAN JSTREINFORCEMENT LEARNING - 2
s t = ∑i=1
n
wi t xi t
dimana:x t : stimulus vectorwt : weight vectora t : actionr t : reinforcement signal
30
KOMPONEN SISTEM PENGATURAN
● Dynamic System (DS)● Neural Network Plant Model (NNPM)● Neural Network Inverse Plant Model (NNIPM)● Reference Model (RM)● Neural Network Control (NNC)
31
NNPM
32
NNPMLearning
33
NNIPM
34
NNIPMLearning
35
NNCPengaturan Kecepatan
36
NNCPengaturan Kecepatan (Learning)
37
SIMULINK
38
STATE SPACELYNX
A = [−0.0199 0.0215 0.06674 −9.7837 −0.0205 −0.16 0 0
1. Osilasi sekitar 5% terhadap nilai target yang diinginkan.
2. Arsitektur NNC dan teknik pembelajaran sangat berpengaruh pada waktu dan hasil pembelajarannya.
3. Pembelajaran NNC dengan prinsip reinforcment learning membutuhkan waktu proses yang lebih lama dari pada dengan cara penerapan invers dan backpropagasi.
4. Pembelajaran menggunakan reinforcment learning, dapat dilakukan dengan cara menerapkan struktur pohon, di mana dapat dicari nilai local minimum dan global minimum.
5. Penerapan LQR (sebagai linier feedback) atau dalam penerapannya sebagai Stability Augmentation System, memberikan hasil yang baik.
6. Pembelajaran NNPM dan NNIPM dilakukan secara on-line agar ketidakpastian pada dinamika sistem dapat segera diketahui, sehingga NNC dapat segera beradaptasi.
47
SARAN PENGEMBANGAN
1. Simulasi dikembangkan menjadi beberapa bentuk, berdasarkan arsitektur JST dan model dynamic system, serta metode pembelajaran JST.
2. Hasil dari penerapan JST mungkin dapat dibandingkan berdasarkan metode misalnya PID dan Fuzzy, atau berdasarkan jenis dinamika sistem (Lynx, UH60, atau lainnya).
3. Data yang diperoleh dari referensi ditelaah lebih lanjut pada plant sebenarnya.
4. Menyertakan analisa dan pembahasan peralatan yang digunakan pada plant sebenarnya, seperti hidraulic, motor, sensor, INS, serta lainnya.
5. Menyertakan analisa untuk penangannan disturbance dan noise yang dapat terjadi pada peralatan.
6. Perbandingan secara lebih mendalam dalam pencarian nilai sinyal kontrol optimal dengan memodelkan dalam bentuk graf atau struktur pohon dan kemudian menggunakan algoritma djikstra atau algoritma pencarian breadth-first search atau depth-first search maupun modifikasinya.
48
DAFTAR PUSTAKA
[B01] Donald McLean, “Automatic Flight Control System”, Prentice Hall International, 1990.
[B02] Steven M. LaValle, “Planning Algorithms”, Cambridge University Press, University of Illinois, USA, 2006.
[B03] Katsuhiko Ogata, “Discrete Time Control System”, Prentice Hall, USA, 1995.
[B04] Robert Grover Brown and Patrick Y. C Hwang, “Introduction To Random Signals And Applied Kalman Filtering”, 3th Edition, John Wiley & Sons, USA, 1997.
[B05] Richard C. Dorf and Robert H. Bishop, “Modern Control Systems”, 9th Edition, Prentice Hall, USA, 2001.
[B06] Frank L. Lewis, “Applied Optimal Control & Estimation”, Prentice Hall International, USA, 1992.
[B07] Ken Dutton and Steve Thompson and Bill Barraclough, “The Art of Control Engineering”, Addison-Wesley, USA, 1997.
[B08] Howard Anton, “Aljabar Linier Elementer (Alih Bahasa)”, Erlangga, Indonesia, 1987.
[I01] Nikos Drakos, “Computer Based Learning Unit”, University of Leeds, Internet, 1996.
[I02] E. de Weerdt and Q.P. Chu and J.A. Mulder, “Neural Network Aerodynamic Model Identification for Flight Control Reconfiguration”, Delft University of Technology, Department of Control and Simulation, GB Delft, Netherlands.
[I03] Kevin J. Walchko and Michael C. Nechyba and Eric Schwartz and Antonio Arroyo, “Embedded Low Cost Inertial Navigation System”, University of Florida, Gainesville.
[I04] Fahad A Al Mahmood, “Constructing & Simulating a Mathematical Model of Longitudinal Helicopter Flight Dynamics”.
[I05] Luca Vigan`o and Gianantonio Magnani, “Acausal Modelling of Helicopter Dynamics for Automatic Flight Control Applications”, Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica ed Informazione (DEI) Via Ponzio, Milano, Italy.
49
DAFTAR PUSTAKA
[I06] Kathryn B. Hilbert, “A Mathematical Model of the UH-60 Helicopter”, Aeromechanics Laboratory, U.S. Army Research and Technology Laboratories-AVSCOM NASA, California, USA.
[I07] S. K. Kim & D. M. Tilbury, “Mathematical Modeling and Experimental Identification of an Unmanned Helicopter Robot with Flybar Dynamics”, Department of Mechanical Engineering University of Michigan, USA.
[I08] M. D. Takahashi, “A Flight-Dynamic Helicopter, Mathematical Model with a Single, Flap-Lag-Torsion Main Rotor”, NASA, USA, 1990.
[I09] Wikipedia, The free encyclopedia, Internet.
[I10] Richard E. McFarland, “a Standard Kinematic Model for Flight Simulation at NASA-AMES”, California, USA.
[I11] Martin T. Hagan and Howar B. Demuth, “Neural Networks for Control”, School of Electrical & Computer Engineering Oklahoma State University & Electrical Engineering Department University of Idaho.
[I12] George Saikalis and Feng Lin, “Adaptive Neural Network Control by Adaptive Interaction”, Hitachi America Ltd. & Wayne State University, USA.
[I13] J. Andrew Bagnell and Jeff G. Schneider, “Autonomous Control Using Reinforcement Learning”.
[I14] Thomas S. Alderete, “Simulator Aero Model Implementation”, NASA Ames Research Center, Moffett Field, California, USA.
[I15] Joseph B. Mueller and Michael A. Paluszeky (Princeton Satellite Systems, Princeton) and Yiyuan Zhaoz (University of Minnesota, Minneapolis), “Development of an Aerodynamic Model and Control Law Design for a High Altitude Airship”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA.
[I16] Gabriel M. Hoffmann and Haomiao Huang and Steven L. Waslander and Claire J. Tomlin, “Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment, Navigation and Control Conference and Exhibit”, AIAA Guidance, Hilton Head, South Carolina, USA, 2007.