KONTROLER CAIN SCHEDULING UNTUK RUDAL UDARA KE UDARA Rika Andiarti Peneliti Bidang Kendall Pustekwagan. LAPAN ABSTRACT A control system for an air-to-air guided missile is developed. Gain scheduling control technique is used to perform the missile flight toward a moving target. The simulation results show that the gain scheduling control technique is effective to obtain the desired missile performance. ABSTRAK Sebuah sistem kontrol u n t u k mengendalikan rudal u d a r a ke u d a r a telah dicoba u n t u k dikembangkan. Sistem kontrol ini menggunakan teknik kontrol gain scheduling, dan diaplikasikan pada roket LAPAN RKX10-C10. Dari hasil simulasi d a p a t dikatakan, bahwa metode kontrol gain scheduling c u k u p efektif u n t u k mengendalikan rudal terbang menuju s a s a r a n tembaknya. 1 PENDAHULUAN Dalam s e b u a h sistem p e r t a h a n a n udara, salah satu u n s u r yang sangat penting adalah tersedianya sistem rudal (peluru kendali) udara-ke-udara. Indonesia s u d a h memiliki rudal jenis ini, yaitu side winder, b u a t a n Amerika. Tetapi dengan hanya mengandalkan rudal-rudal buatan luar negeri, perkembangan teknologi pertahanan kita menjadi tersendat. Padahal penguasaan teknologi ini sangat dibutuhkan, mengingat k e b u t u h a n kita yang sangat besar akan sistem pertahanan u d a r a yang kuat.
dengan pesawat terbang, dalam hal ini pesawat tempur, kemudian p a d a posisi tertentu rudal ditembakkan u n t u k mengejar target bergerak, misalnya berupa pesawat t e m p u r m u s u h . Diasumsikan bahwa target terbang lebih lambat dari rudal, d a n posisi target awal dan arah terbangnya h a r u s terdeteksi. Gambar 1-1 adalah contoh profil gerakan rudal u d a r a ke udara.
Dalam beberapa t a h u n terakhir, penelitian d a n pengujian rudal s u d a h dimulai. Tetapi karena beberapa keterbatasan, hasilnya masih belum dapat dikomersialisasikan. J e n i s rudal yang dikembangkan adalah roket berdiameter 10 cm, dan panjang 120 cm. Rudal ini didesain mempunyai gaya dorong sebesar 3000 N. Dan dari hasil pengujian terbang carat ke darat, j a n g k a u a n yang dicapai sekitar 4.5 Km, dengan s u d u t elevasi 60 derajat.
Pada dasarnya, sistem kendali rudal udara-ke udara terdiri dari beberapa subsistem, yaitu, subsistem pencari dan penjejak target [seeker/tracke) r, subsistem pandu {guidance), subsistem autopilot dan subsistem rudal itu sendiri. Subsistem-subsistem ini d i h u b u n g k a n satu s a m a lain seperti terlihat pada Gambar 1-2. Tetapi, dalam paper ini kita hanya tertarik p a d a blok sistem Autopilot yang diterapkan terhadap rudal udara-ke-udara. Sedangkan blok seeker dan blok sistem p a n d u hanya akan disampaikan secara sekilas, karena hasil penelitian lengkapnya akan disajikan dalam paper yang lain.
Dalam tulisan ini akan dikemukakan desain d a n hasil simulasi sistem kendali u n t u k rudal u d a r a ke udara. Rudal u d a r a ke u d a r a ini adalah sebuah rudal yang pada awalnya diterbangkan
Teknik kontrol y a n g digunakan dalam sistem autopilot u n t u k mengendalikan rudal terbang sampai ke s a s a r a n adalah teknik kontrol gain scheduling. Metode ini c u k u p sederhana, dan telah
73
banyak digunakan dalam bidang dirgantara, t e r u t a m a rudal." Satu keunggulan lainnya adalah teknik kontrol ini c u k u p adaptif terhadap segala kondisi sistem yang dikendalikan. Hal ini disebabkan karena gain kontroler d a p a t disesuaikan (di- schedule).
m e r u p a k a n fungsi nonlinier dari s u d u t serang d a n bilangan Mach. Model roket terdiri dari dua subsistem u t a m a . Pertama adalah model atmosfer yang akan menghitung perubahan kondisi atmosfer berdasarkan ketinggian. Dan yang kedua adalah model p e r s a m a a n gerak d a n aerodinamik yang a k a n menghitung besarnya gaya d a n momen yang bekerja p a d a bodi roket, dan selanjutnya mengintegralkan pers a m a a n gerak roket.
2.1 Persamaan Atmosfer
Gambar 1-2: Blok diagram sistem kendali rudal u d a r a - k e - u d a r a 2 MODEL RUDAL UDARA-KE-UDARA Model yang dipakai dalam paper ini telah banyak dipublikasikan dalam paper-paper sebelumnya, di dalam metodemetode kontrol modern u n t u k desain autopilot sebuah rudal digunakan. Roket kendali diasumsikan memakai sistem kendali tail control, d a n m a m p u terbang antara kecepatan 1 Mach sampai 4 Mach, pada ketinggian a n t a r a 3 Km dan 18.3 Km, d a n s u d u t serang ± 20 derajat. Elemen inti dari model roket ini adalah sebuah representasi non linier dari dinamika benda rigid dari airframe. Gaya-gaya aerodinamik d a n momen yang bekerja pada misil dihasilkan dari koefisien-koefisien aerodinamik yang
Subsistem atmosfer yang digunakan adalah s e b u a h aproximasi dari ISA [International Standard Atmosphere), d a n dibagi dalam d u a lapisan. Lapisan troposfer, dengan ketinggian a n t a r a level laut dan 11 Km. Pada lapisan ini diasumsikan bahwa temperatur t u r u n secara linier terhadap perubahan ketinggian. Di atas troposfer, adalah lapisan stratosfir rendah, dengan ketinggian a n t a r a 11 Km dan 20 Km. Pada lapisan ini temperatur dianggap konstan. Pers a m a a n selengkapnya adalah sebagai berikut:
Keterangan: To : S u h u mutlak di sea level [K] po : Densitas u d a r a di sea level [Kg/ m3] 74
Po h T LI P a L R g
: : : : : : : : :
Tekanan statis di sea level [N/ m2] Ketinggian [m] S u h u p a d a ketinggian h Densitas u d a r a p a d a ketinggian h Tekanan statis p a d a ketinggian h Kecepatan s u a r a p a d a ketinggian Lapse rate \K/m] Konstanta gas karakteristik \J/Kg/K\ Gravitasi [m/s2)
2.1 Persamaan Gerak dan Persamaan Aerodinamik Persamaan gerak ini menghasilkan gaya-gaya d a n momen yang terjadi p a d a roket di sumbu badan, dan mengintegralkan persamaan gerak yang mendefinisikan gerak linier d a n gerak angular dari roket. Koefisien-koeiisien aerodinamik disimpan di data sheet, d a n selama simulasi, harga di kondisi operasi aktual dideterminasikan dengan cara interpolasi. Persamaan gerak d a n p e r s a m a a n aerodinamik ini adalah sebagai b e r i k u t :
Dengan m = m a s s a d a n Jyy = Inersia disekitar p u s a t gravitasi {center of gravity, e.g.). T adalah gaya dorong (Thrust), Ukecepatan terhadap s u m b u X, W kecepatan terhadap s u m b u Z, F t gaya terhadap s u m b u X dan F. adalah gaya p a d a s u m b u Z. Sedangkan q adalah laju angguk (pitch rate), 6 adalah s u d u t elevasi d a n M momen aerodinamik. Sedangkan p e r s a m a a n gaya d a n momen aerodinamik, adalah sebagai b e r i k u t :
3 DESAIN SISTEM KONTROL 3.1 Kontroler Gain Scheduling Didalam sistem kontrol tanpa gain scheduling, biasanya parameter kontroler dianggap k o n s t a n . Tetapi di dalam teknik kontrol gain scheduling, sebuah kontroler diatur u n t u k beberapa kondisi operasi. B e r d a s a r k a n hasil pengu k u r a n s u a t u proses, p e r u b a h a n parameter kontroler dilakukan secara on-line. Hal ini dapat dilakukan u n t u k sistem dengan perubahan parameter yang signifikan, yang akan mempengaruhi performansi dari kontroler. Sistem rudal m e r u p a k a n sebuah sistem dengan parameter aerodinamik yang dapat berubah berdasarkan sudut serang a dan bilangan Mach. J a d i u n t u k sistem kontrol rudal, parameter kontroler di a t u r berdasarkan kedua bilangan tersebut.
Gambar 3-1: Blok diagram kontroler Gain Scheduling 3.2 Desain Autopilot Tujuan dari autopilot rudal udarake-udara adalah u n t u k mengontrol percepatan normal rudal. Percepatan normal yang h a r u s di p e n u h i diberikan oleh sistem pandu (guidance system). Sistem p a n d u m e n e n t u k a n percepatan normal yang diinginkan b e r d a s a r k a n m a s u k a n dari seeker/tracker, yang mendeteksi keberadaan target. Di dalam desain ini, s t r u k t u r autopilot m e r u p a k a n s e b u a h autopilot tiga lup (three loop autopilot) (lihat Gambar 4-1), dengan menggunakan p e n g u k u r a n - p e n g u k u r a n dari akselerometer yang diletakkan di depan pusat gravitasi, d a n p e n g u k u r a n dari rate gyro u n t u k memberikan dumping t a m b a h a n . Gain kontroler, K, K,, K a d a n K g di atur berdasarkan s u d u t serang d a n bilangan
75
Mach, d a n di set agar performansinya cukup kokoh p a d a ketinggian 3 Km. Blok diagram autopilot ini dapat dilihat pada Gambar 4 - 1 . Desain kontroler seperti pada Gambar 4-1, akan mampu mengendalikan rudal u n t u k terbang dengan percepatan normal yang diinginkan yaitu Azd, dengan gain kontroler K, K, , K a d a n K K yang berubah-ubah, sesuai s u d u t serang d a n bilangan Mach nya. Dari sinilah terminologi gain scheduling berasal. 4 SISTEM PANDU Untuk mengendalikan sebuah rudal udara-ke-udara, sistem pandu sangat diperlukan. Sistem ini a k a n mendeteksi adanya pesawat musuh, melokali-
Fungsi sistem pandu bukan hanya memberikan percepatan normal yang diinginkan, tetapi j u g a melakukan pencarian awal posisi target. Begitu seeker mengenali target, sebuah PNG law (Proportional Navigation Guidance) digunakan u n t u k m e m a n d u rudal sampai terjadi impak. Bentuk guidance law (hukum pandu) ini telah digunakan didalam peluru kendali sejak t a h u n 1950, d a n dapat diaplikasikan terhadap rudal yang dipandu radar, infra merah a t a u televisi. H u k u m pandu membutuhkan pengukuran perbedaan kecepatan a n t a r a rudal d a n target, di m a n a u n t u k rudal berpandu radar bisa
sasi, menjejak pesawat m u s u h , dan memerintahkan ke autopilot u n t u k terbang ke arah pesawat m u s u h (target). Perintah ini berupa besaran percepatan normal (lateral acceleration a t a u biasa disebut Latax) yang h a r u s dipenuhi oleh autopilot. Sistem p a n d u terdiri dari d u a bagian, yaitu : - Sebuah subsistem seeker/ Tracker yang memberi keluaran berupa pengukuran gerakan relative a n t a r a roket d a n target. - Sebuah sistem guidance (pandu) yang memberikan percepatan normal yang diinginkan kemudian diberikan ke autopilot.
didapatkan dengan menggunakan sebuah alat Doppler tracking, d a n j u g a membutuhkan harga estimasi galat perubahan s u d u t sightline (garis pandang). 5 SIMULASI DAN ANALISIS 5.1 Desain Simulasi Persamaan-persamaan model roket berikut sistem kendalinya, sebelum disimulasikan, dibuat model simulasinya. Model simulasi ini menggunakan blokblok fungsi yang a d a dalam software SIMULINK. Hal ini akan m e m u d a h k a n dilakukannya simulasi, juga memudahkan kita u n t u k mengganti parameter-parameter yang d i b u t u h k a n . Program utama, 76
terdiri dari beberapa blok subprogram (subsistem), yaitu blok Seeker/Tracker, blok sis tern pandu, blok sis tern dinamik d a n blok autopilot. 5.2 Hasil Simulasi Simulasi dilakukan u n t u k roket kendali yang sedang dikembangkan LAPAN, yaitu roket berdiameter 100 mm (Gambar 5-1), dengan thrust T=300 KG. Roket RKX10-C10 m e r u p a k a n sebuah roket kendali, dimana sistem pengendaliannya menggunakan servo motor.
Empat b u a h a k t u a t o r dipasang p a d a masing-masing sirip u n t u k menggerakan roket sesuai dengan perintah (command). Roket ini p a d a awalnya diterbangkan dengan pesawat tempur, dan ditembakkan pada kecepatan 300 m/det, pada ketinggian 3 Km. Adapun targetnya adalah target bergerak (pesawat terbang musuh) dengan kecepatan 100 m/det dan terbang horizontal dengan s u d u t 0°. Hasil simulasi ini dapat dilihat p a d a Gambar 5-2 dan Gambar 5-3.
G a m b a r 5-1: Roket Kendali LAPAN, RKX10-C10 5.3 Analisis Hasil Simulasi Dari hasil simulasi terlihat bahwa kontroler bekerja dengan baik, hal ini ditunjukkan oleh kurva percepatan normal terhadap waktu (Gambar 5-2).
tambah sejak dilepaskan (kecepatan awal 1 Mach). Dan mencapai harga maksimum saat terjadi impak (2.7 Mach). Dari Gambar 5-1 terlihat bahwa target terbang menjauh. Hal ini terjadi karena memang di program target seperti itu (sudut target 0°). Sebagai catatan, pada Gambar 5-1, sumbu ketinggian negatif. Hal ini disebabkan oleh sistem s u m b u yang dipakai, dimana s u m b u Z, positif ke bawah. Program simulasi ini dapat juga digunakan u n t u k berbagai contoh gerakan target. Bisa terbang mendekat, terbang menjauh, terbang datar, ataupun terbang membentuk s u d u t . 6 KESIMPULAN
Gambar 5-2: Trayektori ketinggian fungsi jangkauan Percepatan normal rudal riil hampir selalu mengikuti kecepatan normal rudal yang diinginkan yang diberikan oleh sistem pandu. Dan target dapat dihancurkan dalam waktu sekitar 5 detik, sejak rudal diluncurkan. Untuk memenuhi maneuver ini, sirip rudal bergerak antara 0° sampai 6°. Kecepatan rudal terus ber77
Dari hasil simulasi dapat diambil beberapa kesimpulan, a n t a r a lain: • Kontroler gain scheduling sangat tepat diaplikasikan pada terbang rudal udarake-udara karena parameter aerodinamik rudal b e r u b a h - u b a h tergantung dari s u d u t serang d a n bilangan Mach. • Kontroler gain scheduling j u g a c u k u p efektif diaplikasikan p a d a rudal. Hal ini dapat dilihat dari performansi terbang rudal yang m a m p u melumpuhkan target secara cepat d a n tepat.
• Lebih jauh, dengan sedikit modifikasi, program simulasi ini juga dapat digunakan untuk simulasi roket kendali dengan sasaran diam {fixed target). Sasaran diam ini misalnya dapat berupa instalasi penting musuh. DAFTAR RUJUKAN Aerospace Blocksheet For Use with Simutink, User's Guide, The MathWorks, Inc. Garnell, P., dan East, D., 1980. Guided Weapon Systems, Pergamon, Oxford, MATLAB, The Language of Technical Computing, Using MATLAB, The MathWorks, Inc. Nichols, R.A., Reichert, R.T. dan Rugh, W.J., 1993. Gain Scheduling for Hx Controllers: A Flight Control Example, IEEE Trans. On Control, Systems, and Technologies, Vol. 1, No. 2, hal. 69-78.
Rugh, W.J. dan Jackson, P.B., 1994. Analysis of Cain Scheduling for the Three-Loop Autopilot Structure, Applied Physics Lab John Hopkins University, TR JHU/ECE 94-02. Slotine, J.J.E. dan Weiping Li, 1991. Applied Nonlinear Control, Prentice Hall. Sham ma, J.S. dan Cloutier, J.R., 1993. Gain Scheduled Missile Autopilot Design using Linear Parameter Varying Transformation, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 16, No. 2, , hal. 256-263. Stilwell, Daniel J., 2001. State-Space Interpolation for a Gain-Scheduled Autopilot, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 24, No. 3. Wise, K.A., dan Broy, D.J., 1998. Agile Missile Dynamics and Control, Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 21, No. 3, hal. 441-449.
78
Lampiran
Gambar 5-3: Grafik percepatan normal, Sudut Incidence, Bilangan Mach dan gerak sirip fungsi waktu
79
