Penyelesaian Penempatan Kutub Umpan Balik Keluaran dengan Matriks Pseudo Invers Agung Wicaksono Program Studi Matematika Jurusan Matematika FSM UNDIP
[email protected]
Abstrak: Metode matriks pseudo invers merupakan salah satu metode untuk menyelesaikan masalah penempatan kutub umpan balik keluaran. Tujuan penyelesaian masalah penempatan kutub tersebut adalah untuk menstabilkan sistem lup tertutup. Perilaku sistem lup tertutup terlihat dari respon impulsa sistem lup terbuka dengan umpan balik keluaran yang dihasilkan dari matriks pseudo invers. Kata kunci: Sistem LTI, penempatan kutub.
I.
PENDAHULUAN
Matematika sebagai ilmu pengetahuan dasar memegang peranan yang sangat penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan lain di dunia. Pada paper ini adalah suatu analisis matematika yang di aplikasikan dalam matematika terapan, selanjutnya akan di kembangkan suatu metode dari metode yang telah ada sebelumnya di bidang matematika sistem kontrol modern. Dalam menurunkan model matematika sistem kontrol modern, akan menemukan persamaan diferensial linier dan nonlinier dengan parameter yang berubah terhadap waktu dan tidak berubah terhadap waktu yang mungkin terlibat cukup rumit karena keanekaragaman masukan dan keluaran. Banyaknya, masukan dan keluaran pada suatu sistem yang kompleks dapat mencapai ratusan. Untuk menyederhanakan bentuk persamaan matematika, sebaiknya digunakan notasi matriks โ vektor. Sebenarnya, untuk teoritis, penyederhanaan notasi yang diperoleh dengan menggunakan operasi matriks โ vektor, terutama untuk analisis dan sintesis sistem kontrol modern. Suatu teknik yang sudah pasti dalam pembahasan ini adalah penempatan kutub. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa stabilitas dan dinamika perilaku sistem diatur terutama oleh lokasi kutub sistem lup tertutup. Hasil penting pertama dalam penempatan kutub adalah membuktikan bahwa ๐ โmasukan, ๐ โ keluaran pada sistem ordeโ๐, ๐๐๐(๐, ๐ + ๐ โ 1) kutub lup tertutup dapat ditetapkan oleh umpan balik keluaran yang disediakan beberapa persyaratan. Prosedur untuk menetapkan kutub
1
๐๐๐(๐, ๐๐) dengan umpan balik keluaran, yang memungkinkan penempatan kutub selesai untuk orde sistem yang lebih tinggi untuk banyaknya masukan dan keluaran sistem karena ๐๐ > (๐ + ๐ โ 1) pada sistem tersebut. Solusi untuk masalah keluaran penempatan kutub, berlaku bila ๐๐ > ๐. Dalam kasus ini, kebebasan dalam memilih matriks umpan balik keluaran. Perkiraan penempatan kutub dinilai ketika penempatan kutub yang tepat tidak mungkin karena, misalnya, kelebihan relatif order sistem terhadap jumlah masukan dan keluaran, yakni ketika ๐ > ๐๐. Prosedur yang melibatkan penyelesaian persamaan matriks tertentu diberikan untuk menentukan kutub mendekati ke lokasi dengan terlebih dahulu menentukan vektor nilai eigen (๐ โ ๐). Solusi matriks pseudo invers merupakan pendekatan diferensial yang digunakan untuk menemukan umpan balik yang diperlukan untuk penyelesaian masalah umpan balik keluaran. Kemungkinan akan adanya solusi pseudo invers dimanfaatkan untuk mencapai tujuan optimasi. Solusi pseudo invers ini mempunyai beberapa keunggulan, antara lain rumus yang sederhana, menggunakan perkiraan
jika kesulitan untuk
menyelesaikan dengan tepat.
II.
2.1.
HASIL DAN PEMBAHASAN
MATRIKS PSEUDO INVERS. Dalam hal ini akan dibahas mengenai nilai eigen dan eigen vektor, nilai singular
dan nilai vektor singular serta karakteristik matriks. Hal โ hal diatas dapat digunakan untuk menggambarkan besarnya matriks, tetapi mungkin digunakan untuk mengurangi matriks menjadi relatif komponen. Matriks nyata ๐ด ๐ ร ๐ dapat ditunjukkan berikut ๐ด = ๐๐๐ ๐ dimana : Matriks diagonal ๐ ร ๐, mengandung nilai โ nilai singular kiri ๐ด. ๐ : Matriks gabungan ๐ ร ๐, mengandung vektor โ vektor singular kiri ๐ด ๐ : Matriks gabungan ๐ ร ๐, mengandung vektor โ vektor singular kanan ๐ด, dan ๐ ๐ : Tranpose ๐.
2
(1)
Diberikan matriks ๐ ร ๐, dapat ditemukan matriks persegi ๐ต di bawah ini jika ๐ > ๐ maka ๐ต = ๐ด๐ ๐ด, matriks ๐ ร ๐
(2)
jika ๐ > ๐ maka ๐ต = ๐ด๐ด๐ , matriks ๐ ร ๐
(3)
atau
Nilai eigen dari matriks ๐ต, dapat dihasilkan dengan menghitung persamaan karakteristik untuk ๐, yaitu ๐ต โ ๐๐ผ = 0
(4)
Nilai singular ๐ด adalah akar positif dari nilai eigen matriks persegi ๐ต, yaitu ๐๐ =
๐๐
(5)
Matriks ๐ terbentuk dari relative besarnya m dan n, sebagai berikut untuk ๐ > ๐ ๐1 0 ๐= โฎ 0 0
0 ๐2 โฎ 0 0
โฆ โฆ โฎ 0 0
0 0 โฎ ๐1 0
(6)
0 0 โฎ 0
(7)
untuk ๐ < ๐ ๐1 0 ๐= โฎ 0
0 ๐2 โฎ 0
โฆ โฆ โฆ โฆ
0 0 โฎ ๐๐
Kolom dari matriks ๐ merupakan vektor eigen yang dinormalkan dari persamaan (2) atau (3), sedangkan ๐ merupakan vektor eigen yang dinormalkan dari matriks ๐ถ ๐ถ = ๐ด๐ ๐ด
(8)
Sehingga matriks pseudo invers ๐ด adalah ๐ด๐๐ผ = ๐๐ ๐๐ผ ๐ ๐ 3
(9)
dimana ๐ ๐๐ผ adalah matriks pseudo invers dari ๐, yang akan menjadi ๐ ๐๐ผ = ๐ ๐ ๐
โ1 ๐
๐
(pseudo invers kiri)
(10)
(pseudo invers kanan)
(11)
atau ๐ ๐๐ผ = ๐ ๐ ๐๐ ๐
โ1
Dengan dipilih pseudo invers kanan atau pseudo invers kiri berdasarkan yang terbesar. 2.2.
MATRIKS UMPAN BALIK. Diberikan sistem persamaan ruang keadaan kontinyu berikut ๐ = ๐จ๐ + ๐ฉ๐
(12)
๐ = ๐ช๐ dimana ๐ฅ adalah vektor keadaan ๐ ร 1, ๐ข adalah vektor masukan ๐ ร 1 dan ๐ฆ adalah vektor keluaran ๐ ร 1 dengan ๐ > maxโก (๐, ๐). Persamaan (12) merupakan sistem lup terbuka dan mempunyai persamaan polinomial karakteristik, berikut ๐ ๐ = det ๐ ๐ผ โ ๐ด = ๐ ๐ + ๐1 ๐ ๐โ1 + โฏ + ๐๐
(13)
dimana ๐0 , ๐1 , โฆ , ๐๐ adalah vektor koefisien karakteristik sistem lup terbuka, ๐0 = 1. Menetapkan hukum kontrol umpan balik keluaran ๐ข = โ๐พ๐ฆ + ๐ฃ
(14)
dimana ๐พ adalah matriks umpan balik keluaran ๐ ร ๐ dan ๐ฃ adalah vektor perintah ๐ ร 1. Mensubtitusikan persamaan (14) ke persamaan (12) diperoleh sistem lup tertutup, yaitu ๐ฅ = ๐ด๐ฅ + ๐ต โ๐พ๐ฆ + ๐ฃ ๐ = ๐จ๐ + ๐ฉ๐
4
(15)
Sehingga sistem lup tertutup (15) mempunyai persamaan polinomial karakterisitk berikut ๐ ๐ = det ๐ ๐ผ โ ๐ด + ๐ต๐พ๐ถ = ๐ ๐ + ๐1 ๐ ๐โ1 + โฏ + ๐๐
(16)
dimana ๐0 , ๐1 , โฆ , ๐๐ adalah vektor koefisien karakteristik sistem lup tertutup, ๐0 = 1. Dari persamaan (16) menunjukkan adannya keterhubungan vektor koefisien karakteristik lup tertutup ๐๐ yang bersesuaian dengan koefisien polinomial karateristik lup terbuka ๐๐ , yaitu ๐๐ = ๐๐ + ๐ฟ๐ + โ
๐ (๐พ)
(17)
dimana ๐ฟ๐ = ๐๐โ1 ๐ถ๐ต + ๐๐โ2 ๐ถ๐ด๐ต + โฏ + ๐ถ๐ด๐โ1 ๐ต ๐, dengan ๐ = 1, 2, โฆ , ๐ (18) Mensubstitusikan persamaan (18) ke persamaan (17), diperoleh ๐๐ = ๐๐ + (๐๐โ1 ๐0 + ๐๐โ2 ๐1 + โฏ + ๐๐โ1 )๐, dengan ๐ = 1, 2, โฆ , ๐ (19) dimana ๐๐ adalah hasil dari matriks ๐ถ๐ด๐โ1 ๐ต yang disusun menjadi matriks baris, sedangkan ๐ adalah matriks ๐พ yang ditumpuk menjadi matriks kolom. Masalah penempatan kutub ini adalah menemukan matriks ๐พ ๐ ร ๐, atau menemukan vektor ๐ ๐๐ ร 1 sedemikian rupa sehingga perubahan koefisien dari nilai awal (vektor koefisien karakteristik lup terbuka) ๐ = ๐1 ๐2 โฆ ๐๐
๐
mendekati kenilai
akhir (vektor koefisien karakteristik yang diinginkan) ๐ = ๐1 , ๐2 , โฆ , ๐๐
๐
yang
1
dinotasikan sebagai matriks ๐๐๐๐ = ๐ (๐ โ ๐) , dimana ๐ adalah lamanya perpindahan nilai awal ๐ mendekati nilai akhir ๐. Perhatikan sistem pada persamaan (15) dengan persamaan polinomial karakteristik pada persamaan (16) sebagai sistem lup terbuka dan menerapkan matriks umpan balik tambahan ๐ฟ๐พ dimana elemen ๐ฟ๐พ, yaitu ๐ฟ๐1 , ๐ฟ๐2 , โฆ ๐ฟ๐๐๐ โcukup kecilโ. Penerapan ๐ฟ๐พ ini menyebabkan perubahan kecil dari koefisien ๐ฟ๐1 , ๐ฟ๐2 , โฆ ๐ฟ๐๐ kedalam koefisien polinomial karakteristik ๐1 , ๐2 , โฆ , ๐๐ . Dari persamaan (19), diperoleh ๐๐ + ๐ฟ๐๐ = ๐๐ + ๐๐โ1 ๐0 + ๐๐โ2 ๐1 + โฏ + ๐๐โ1 ๐ฟ๐, dengan ๐ = 1, 2, . . , ๐ 5
(20)
dimana ๐๐ adalah hasil dari matriks ๐ถ๐ด๐ ๐ต = ๐ถ ๐ด โ ๐ต๐พ๐ถ
๐โ1
๐ต yang disusun menjadi
matriks baris dan ๐ฟ๐ mengandung fungsi non linier berorde 2 atau lebih menghasilkan elemen pada matrik tambahan. Persamaan (20) dapat ditulis sebagai ๐ฟ๐1 1 ๐1 ๐ฟ๐2 = โฎ ๐๐โ1 ๐ฟ๐๐
0 1 ๐๐ โ2
โฆ โฆ โฎ โฆ
0 0 1
๐0 ๐1 ๐ฟ๐ โฎ ๐๐ โ1
(21)
atau ๐ฟ๐ = ๐ ๐ ๐น(๐)๐ฟ๐ โก ๐ฝ(๐)๐ฟ๐
(22)
๐ฟ๐ adalah vektor ๐ ร 1, ๐ ๐ dan ๐น ๐ adalah matriks ๐ ร ๐ dan ๐ ร ๐๐ dan ๐ฝ ๐ โก ๐ ๐ ๐น ๐ adalah matriks Jacobian ๐ ร ๐๐, dan karena struktur tertentu rank ๐(๐พ) = ๐. Matriks tambahan ๐ฟ๐ ini pada persamaan (22) ini dapat dinyatakan sebagai persamaan diferensial jika membagi kedua sisinya dengan ๐ฟ๐ก, diperoleh ๐=๐ฝ ๐ ๐
2.3.
(23)
MATRIKS UMPAN BALIK DENGAN SOLUSI PSEUDO INVERS. Persamaan (23) merupakan persamaan differensial yang berhubungan antara
vektor polinomial karakteristik ke vektor umpan balik. ๐ dapat di temukan dengan metode pseudo invers, yaitu ๐ = ๐ฝโ ๐ ๐๐๐๐ +โ ๐ผ๐๐ โ ๐ฝโ ๐ ๐ฝ(๐) ๐
(24)
dimana ๐ฝโ ๐ adalah matriks pseudo invers ๐๐ ร ๐ dari ๐ฝ(๐), ๐๐๐๐ merupakan vektor polinomial karakteristik lup tertutup yang dinginkan, โ adalah skalar sebarang, ๐ adalah vektor ๐๐ ร 1 sebarang dan ๐ผ๐๐ adalah matriks identitas ๐๐ ร ๐๐. Rank matriks Jacobian ๐ฝ ๐ menentukan keberadaan dan keakuratan dari solusi persamaan (24). Karena rank ๐ฝ(๐) = rank ๐ ๐ ๐น(๐) = rank ๐น(๐), dengan ๐น ๐ adalah matrik ๐ ร ๐๐ yang terbentuk dari ๐ถ๐ด๐โ1 ๐ต, yaitu ๐น = ๐0 ๐1 ๐2 โฆ ๐๐ โ1
๐
.
Karena perubahan vektor koefisien karakteristik dari nilai awal ke nilai akhir, maka
6
nilai matriks umpan balik ๐พ juga berubah. Akibatnya, rank matriks Jacobian tergantung pada nilai matriks ๐พ. Misalkan ๐น ๐ matriks ๐ ๐ฅ ๐๐ akibatnya ๐ฝ ๐ memiliki full rank ๐ untuk semua full rank(๐พ). Dalam hal ini generik rank ๐น ๐ dan ๐ฝ ๐ adalah ๐ dan menulisnya sebagai grank ๐ฝ ๐
= grank๐น ๐ = ๐. Grank adalah struktur tertentu rank sebuah matrks dan
dapat ditemukan dengan memasukkan matriks umpan balik secara acak ke sistem, dan menghitung rank ๐น ๐ yang dihasilkan. Matriks ๐พ ini mungkin membuat ๐น ๐ atau ๐ฝ ๐
kekurangan rank dan mempunyai solusi ๐๐๐ก ๐น(๐)๐น ๐ ๐
= 0. Jika grank
๐น ๐ = ๐, maka polinomial hanya terbatas pada titik tertentu, maka ๐น ๐ menjadi kekurangan rank. Menerapkan nilai awal matriks umpan balik ๐พ0 secara sebarang ke sistem untuk menghasilkan sistem baru yang kemudian efektif mengubah nilai awal koefisien polinomial vektor ๐. Sistem baru ini sekarang berbeda kecuali untuk nilai akhir yang merupakan polinomial karakteristik vektor ๐. Pada akhirnya nilai akhir ini menyebabkan kekurangan rank, itu akan memungkinkan menempatkan kutub secara tepat. Sebaiknya perhatikan untuk skala awal matriks umpan balik ๐พ0 seperti ๐ต๐พ0 ๐ถ yang mempunyai orde sama seperti ๐ด , jadi ๐พ0 tidak melebihi karakteristik sistem atau menyebabkan perubahan yang tidak signifikan. Dalam hal yang istimewa kekurangan rank ๐ฝ ๐
disebabkan oleh polinomial karakteristik vektor ๐, dapat
menempatkan satu kutub secara dekat, tetapi belum tepat, pada letak yang diinginkan. Menentukan matrik umpan balik ๐ pada persamaan (24) akan mengalami kesulitan seperti menghitung integrasi karena kecilnya ketidakakuratan dapat menyebabkan ketidakstabilan dari solusi. Untuk menghindari masalah ini didefinisikan koefisien error karakteristik ๐(๐ก), yaitu ๐ ๐ก = ๐๐๐๐ (๐ก) โ ๐(๐ก)
(25)
dimana ๐๐๐๐ (๐ก) adalah koefisien karakteristik yang diinginkan dan karakteristik sebenarnya vektor ๐(t) merupakan koefisien yang di peroleh dari det(๐ ๐ผ โ ๐ด + ๐ต๐พ๐ถ). Sekarang akan diterapkan sebuah perhitungan baru umpan balik, yaitu ๐ = ๐ฝโ ๐๐๐๐ + ๐บ๐ +โ ๐ผ๐๐ โ ๐ฝโ ๐ฝ ๐
7
(26)
dimana ๐บ adalah perhitungan pasti positif umpan balik matriks ๐ ร ๐ untuk kesederhanaan dapat dipilih dari diagonal matriks dengan elemen โ elemen positif. ๐ผ๐๐ adalah matrik identitas ๐๐ ร ๐๐. โ adalah skalar sebarang. Karena pilihan istimewa ๐๐๐๐ terbatas. Persamaan (26), sebagai sistem pendamping yang dinamis. Untuk kesederhanaan notasi ๐ฝ tergantung ๐ pada (26), yakni ๐ฝ โก ๐ฝ(๐). Sebelum mengalikan kedua sisi persamaan (26) dengan ๐ฝ dan mulai menggunakan persamaan (23), diketahui persamaan berikut dari penjelasan sebelumnya ๐ = ๐ฝ๐ฝโ ๐๐๐๐ + ๐บ๐ +โ ๐ฝ ๐ผ๐๐ โ ๐ฝโ ๐ฝ ๐
(27)
Dibentuk turunan ๐ = ๐๐๐๐ โ ๐ , substitusi ๐ ke persamaan (25), diperoleh persamaan ๐ = โ๐ฝ๐ฝโ ๐บ๐ + ๐ผ๐ โ ๐ฝโ ๐ฝ ๐๐๐๐ โ โ ๐ฝ ๐ผ๐๐ โ ๐ฝโ ๐ฝ ๐
(28)
Dianggap rank (๐ฝ) = ๐, didapat ๐ฝ๐ฝโ = ๐ผ๐ dan ๐ฝ ๐ผ๐๐ โ ๐ฝโ ๐ฝ = ๐ฝ โ ๐ฝ๐ฝโ ๐ฝ = 0. Selanjutnya, dipilih ๐บ = ๐๐ผ๐ , dimana ๐ adalah konstanta skalar positif, persamaan (28) dapat disederhanakan ๐ = โ๐๐
(29)
Dengan memperhatikan keadaan diatas dan pembahasan sebelumnya mengenai rank matriks Jacobian untuk mencari solusi, dinyatakan teorema berikut. Teorema 2.1. Perhatikan sistem ๐ โmasukan, ๐ โkeluaran pada ordeโ๐ yang diberikan pada persamaan (12) dan hukum umpan balik keluaran statis pada persamaan (13). Kemudian memungkinkan menempatkan kutub โ kutub ๐๐๐(๐, ๐๐) secara tepat atau mendekati letak yang diinginkan dengan ketentuan grank ๐ฝ = ๐. Contoh : Diberikan berikut ini sistem persamaan ruang keadaan berorde 5, dengan banyaknya masukkan 3 dan keluaran 2. ๐ = ๐จ๐ + ๐ฉ๐ ๐ = ๐ช๐
8
dengan โ0.4 0.2 0.6 0.1 โ0.2 1 0 โ0.5 0 0 0.4 2 0 0 โ2 0 0.2 ๐ด= ,๐ต= 0 0.2 0.1 0.5 โ1.25 0 0 0.25 0 โ0.2 0.5 1 0 ๐ถ=
โ1 0 1 0 0 1 dan 0 โ2 0 1
1 1 0 0 0 1 โ1 0 0 0
Diketahui untuk masing โ masing ๐ = 10, ๐ = 1, ๐ = 10, ๐ = 5, ๐ = 3 dan ๐ = 2. Diinginkan menempatkan kutub pada ๐ = 10.98 44.86 84.62 73.54 23.8 Dengan menggunkan metode matriks pseudo invers diatas tentukan nilai matriks umpan balik keluaran ๐พ, kestabilan sistem, dan mengetahui perilaku sistem lup terbuka dan lup tertutup. Dari sini dapat terlihat bahwa kutub (nilai eigen) dari sistem lup tertutup mendekati letak kutub (nilai eigen) yang diinginkan.
III.
KESIMPULAN
Penyelesaian penempatan kutub sistem umpan balik keluaran ini dapat ditemukan dengan menggunakan matriks pseudo invers. Untuk mengetahui kestabilan sistem umpan balik ini dapat dikaji melalui nilai eigen dari sistem lup tertutup, yaitu dengan mengamati nilai eigen sistem. Jika bagian real dari nilai eigen tersebut negatif maka sistem stabil. Metode matriks pseudo invers merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk menentukan matriks umpan balik keluaran pada sebuah sistem terkontrol. Dengan metode ini diperoleh kutub (nilai eigen) sistem lup tertutup mendekati letak kutub (nilai eigen) yang diinginkan. Sistem lup tertutup stabil dimana semua kutub terletak disebelah kiri sumbu ๐ (bagian real dari nilai eigen negatif sesuai yang diinginkan). Nilai eigen yang diinginkan ini dapat diperoleh menggunakan penempatan kutub.
IV.
UCAPAN TERIMA KASIH
9
Penulis menyadari bahwa tanpa dukungan dari berbagai pihak, maka penulis tidak dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dikarenakan hambatan yang dialami. Kesempatan ini, penulis hendak mengucapkan terima kasih kepada : 1.
Ibu Dr. Widowati, S.Si, M.Si selaku Pembantu Dekan II FSM UNDIP, sekaligus selaku dosen pembimbing I yang dengan sabar membimbing dan mengarahkan penulis hingga selesainya tugas akhir ini.
2.
Bapak Drs. Djuwandi, SU selaku dosen pembimbing II yang telah membimbing dan mengarahkan penulis hingga selesainya tugas akhir ini.
3.
Bapak Drs. Y.D Soemanto, M.Si selaku dosen wali yang telah mengarahkan penulis dari awal tahun kuliah hingga selesainya tugas akhir ini.
4.
Bapak dan Ibu dosen Jurusan Matematika FSM UNDIP dimana penulis memperoleh ilmu pengetahuan.
5.
Dan semua pihak yang telah membantu hingga selesainya tugas akhir ini, yang tidak mampu penulis sebutkan satu per satu.
V.
[1].
DAFTAR PUSTAKA
K. Mastern, Michael, 1995, Modern Control Systems, Institute of Electrical and Electronic Engineers, 445 Hoes Lane, P.O. Box 1331, Piscataway.
[2]. Ogata, K., 1990, Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan), jilid 1. Erlangga, Jakarta. [3]. Ogata, K., 1997, Modern Control Engineering, Third Edition. Prentice Hill. [4]. Tarokh, M., 2008, A Unified Approach to Exact, Approximate, Optimized And Decentralized Output Feedback Pole Assignment, International Journal of Control, Automotion, and Systems, vol. 6, no. 6, pp. 939 โ 947. [5]. Tarokh, M., 1989, An Approach to Pole Assignment by Centralized and Decentralized Output Feedback, IEE Proceeding, Part D, vol. 136, no. 2, pp. 89 โ 97.
10