Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
Penerapan Persamaan Aljabar Riccati Pada Masalah Kendali Dengan Waktu Tak Berhingga 1,2
Nilwan Andiraja1, Zulfikar2 Jurusan Matematika, Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sultan Syarif Kasim Riau Jl. HR. Soebrantas No. 155 Simpang Baru, Panam, Pekanbaru, 28293 Email:
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini merupakan pengembangan dari penelitian sebelumnya yang membahas tentang bagaimana aplikasi persamaan aljabar Riccati untuk menyelesaikan masalah kendali waktu tak berhingga untuk satu kendali. Oleh karena itu pada penelitian ini dibentuk persamaan diferensial dinamik dua kendali dan fungsi tujuan yang akan diminimalkan untuk dua kendali pada waktu tak berhingga. Kemudian berdasarkan persamaan diferensial dinamik dan fungsi tujuan dibentuk persamaan Hamilton untuk masing-masing kendali berdasarkan vektor kendali lain yang diketahui. Selanjutnya dari persamaan Hamiltonian dibentuk persamaan state, persamaan costate, dan persamaan stasioner. Selanjutnya dari persamaan state dan costate dibentuk persamaan aljabar Riccati untuk kendali pertama dan kendali kedua. Kemudian dianalisa syarat agar persamaan aljabar Riccati memiliki solusi. Akhirnya diperoleh hasil bahwa jika persamaan aljabar Riccati memiliki solusi maka akan terdapat vektor kendali satu dan dua untuk persamaan diferensial dinamik. Kata Kunci: Kendali, Dinamik, Riccati, Hamilton, Tak berhingga.
ABSTRACT This research is development from previously research was discuss about how the application of algebraic Riccati equation to solve the control problem of infinite time for one control. Therefore in this research we make diferential equation dynamic for two control and objective function to minimize for two control. Then based on diferential dynamic equation and objective function we make Hamilton equation for each control based on other vector control. Then from Hamiltonian equations we make state equations, costate equations and stasionary equations. Moreover from state and costate we made algebraic Riccati equations for first control and second control. Then we analyze condition so that algebraic Riccati equations have solutions. Finaly we get solution if algebraic Riccati equations have solutions so that will exist first and second control vector for diferential dynamic equations. Keywords: Control, Dynamic, Riccati, Hamilton, Infinite.
Pendahuluan Persamaan diferensial Riccati menjadi representasi matematis yang berasal dari persoalanpersoalan teknik, rekayasa dan sains terapan. Persamaan diferensial Riccati merupakan salah satu persamaan orde satu pada persamaan diferensial biasa. Dari persamaan diferensial Riccati untuk waktu tak berhingga maka dibentuk persamaan aljabar Riccati. Persamaan aljabar Riccati selain digunakan pada persamaan diferensial biasa juga digunakan pada teori kendali. Teori kendali merupakan fungsi yang menjelaskan tentang masalah kendali pada sistem yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan. Kendali optimal mempunyai tujuan untuk mendapatkan vektor kendali yang mengoptimalkan sistem dinamik. Untuk mendapatkan vektor kendali yang diharapkan cara yang akan dilakukan yaitu dengan membentuk terlebih dahulu persamaan Hamilton. Dari persamaan Hamilton dan fungsi dinamik, kendali yang diketahui dibentuk persamaan aljabar Riccati. Persamaan aljabar Riccati yang terbentuk digunakan untuk membentuk fungsi yang diinginkan.
67
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
Pada penelitian terdahulu, telah dijelaskan oleh Musthafa (2011) dalam jurnalnya yang berjudul “Karakteristik Persamaan Aljabar Riccati dan Penerapannya pada Masalah Kendali” tentang peran penting persamaan aljabar Riccati dalam berbagai masalah kendali. Pembahasan pada jurnal tersebut dimulai dari sebuah persamaan diferensial linier dinamik untuk satu kendali dan sebuah persamaan fungsi tujuan untuk satu kendali. Kemudian berdasarkan persamaan diferensial dinamik dan fungsi tujuan tersebut dibentuk persamaan Hamilton. Selanjutnya berdasarkan persamaan Hamilton tersebut dibentuk persamaan state, persamaan costate dan persamaan stasioner. Berdasarkan persmaan state dan costate dibentuk persamaan aljabar Riccati. Dari uraian tersebut diperoleh bahwa penelitian yang dilakukan oleh Mustafa (2011) belum membahas peranan persamaan aljabar Riccati pada kasus sistem dinamik untuk dua kendali untuk lingkar tertutup. Oleh karena itu penulis tertarik untuk membahas bagaimana penerapan persamaan aljabar Riccati untuk menyelesaikan masalah sistem dinamik dua kendali untuk waktu tak berhingga. Bahan dan Metode Penelitian Adapun metode penelitian yang digunakan adalah metode studi literatur dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Diketahui fungsi dinamik sebagai berikut:
Dengan matriks , untuk i=1,2, dan vektor i=1,2. Adapun fungsi tujuannya sebagai berikut:
Dengan matriks
,
,
, untuk
untuk i=1,2.
2. Dibentuk persamaan Hamilton, persamaan State, persamaan costate, persamaan stasioner berdasarkan langkah 1 diatas. 3. Dibentuk
matriks Hamiltonian
dari langkah dua dan didefinisikan
dimana , untuk i=1,2. 4. Kemudian dibentuk persamaan aljabar Riccati untuk tiap kasus kendali. 5. Dianalisa solusi dari persamaan aljabar Riccati untuk membentuk vektor kendali. 6. Dibentuk vektor kendali.. Bahan-bahan penunjang untuk pembahasan, diberikan dibawah ini : 1. Persamaan Aljabar Riccati Pada masalah kendali optimal kuadratik, salah satu persamaan yang cukup penting dalam membahas kendali optimal kuadratik adalah persamaan aljabar Riccati. Persamaan aljabar Riccati dinyatakan sebagai berikut: (1) Persamaan tersebut dapat ditulis menjadi: (2)
68
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
dengan matriks , dan adalah matriks simetris. Persamaan aljabar Riccati memiliki solusi jika dan hanya jika terdapat matriks sehingga: (3) Dengan mengalikan kedua ruas dari persamaan diatas dengan matriks
maka diperoleh: (4)
atau solusi dari persamaan aljabar Riccati dapat diperoleh dengan mempertimbangkan subruang invariant dari matriks:
2. Masalah Umum Kendali Optimal Waktu Kontinu. Persamaan umum kendali optimal waktu kontinu untuk sistem dinamis untuk waktu t yaitu, .
(5)
adalah vektor state internal dan adalah vektor kendali input. Sedangkan fungsi tujuan yang ingin dicapai yaitu meminimalkan fungsi objektif, dengan persamaan (6) dengan adalah waktu awal dan adalah waktu akhir dengan . Selanjutnya, perlu didefinisikan persamaan-persamaan berikut untuk proses meminimalkan fungsi objektif dalam mencari solusi masalah kendali optimal waktu kontinu. Persamaan Hamilton
:
(7)
Persamaan state
:
(8)
Persamaan costate (9)
:
Persamaan stasioner (10)
:
Berdasarkan persamaan (10) maka diperoleh vektor kendali yaitu didefinisikan pengali lagrange yaitu dimana
, dengan .
Hasil dan Pembahasan Pada bagian ini dibahas penyelesaian masalah dinamis untuk waktu tak berhingga. Oleh karena itu, diberikan persamaan diferensial fungsi dinamik dua kendali (11) dengan fungsi tujuan yaitu
69
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
(12) pada bagian ini akan dibahas kasus untuk waktu tak berhingga. Selanjutnya akan ditentukan vektor kendali pertama dengan diketahui kendali kedua yaitu (13) dengan mensubstitusikan vektor kendali (13) ke persamaan (11) maka diperoleh, (14)
Selanjutnya dibentuk persamaan Hamilton, persamaan state, persamaan costate dan persamaan stasioner. Persamaan costate yaitu (15) Dan persamaan stasioner yaitu (16) Berdasarkan persamaan (16) diperoleh Selanjutnya dari persamaan (12) dan (13) lalu dibentuk vektor kendali pertama dari persamaan sehingga diperoleh (17) Sementara itu dari persamaan costate dan persamaan (17) diperoleh sistem homogen Hamilton (18) Selanjutnya didefinisikan , kemudian dideferensialkan yaitu . Maka berdasarkan persamaan (17) dan persamaan costate diperoleh persamaan aljabar Riccati untuk kendali pertama sebagai berikut,
Jika persamaan (19) memiliki solusi yaitu
dengan (19) , maka dapat dibentuk vektor kendali pertama yang optimal
Selanjutnya, untuk menentukan vektor kendali kedua, dilakukan proses yang sama seperti pada menentukan kendali pertama. Pertama diketahui terlebih dahulu vektor kendali pertama, sehingga diperoleh (20) Berdasarkan persamaan (20) dan fungsi tujuan untuk kasus kendali kedua, dibentuk persamaan Hamilton, persamaan state, persamaan costate dan persamaan stasioner. Sehingga dapat dibentuk sistem homogen Hamilton (21) Dengan didefinisikan
maka diperoleh persamaan aljabar Riccati sebagai berikut,
70
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
(22) Jika persamaan (22) memiliki solusi
, maka dapat diperoleh vektor kendali kedua yaitu
Contoh : Diberikan matriks sebagai berikut, , Diketahui persamaan diferensial dinamik sebagai berikut: (23) dengan fungsi tujuan: .
(24)
Akan dicari vektor kendali dan Penyelesaian : Akan ditentukan terlebih dahulu vektor kendali pertama dengan iketahui vektor kendali kedua. Sehingga diperoleh persamaan diferensial dinamik yaitu (25) Dengan fungsi tujuan (26) Berdasarkan persamaan (25) dan (26) dapat dibentuk persamaan Hamilton, state, costate dan persamaan stasioner. Selanjutnya dari persamaan stasioner diperoleh (27) Dari persamaan state dan costate dapat dibentuk sistem homogen Hamilton yaitu
(28)
Kemudian dapat dibentuk persamaan aljabar Riccati untuk
yaitu (29)
Selanjutnya untuk menentukan solusi persamaan (29) ditentukan nilai eigen dari matrik H pada persamaan (28) yaitu {1,3,-1,-3} dan vektor eigennya sebagai berikut:
71
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
Dari vektor eigen tersebut, maka dapat diperoleh solusi untuk 1. Rentang {
, kemudian
maka diperoleh: 2. Rentang {
dan ,
, kemudian
dan
maka diperoleh: 3. Rentang {
,
{1,1}
, kemudian
dan
maka diperoleh:
,
4. Rentang {
, kemudian
dan
maka diperoleh:
,
5. Rentang {
, kemudian
dan
maka diperoleh:
6. Rentang {
sebanyak 6 yaitu
,
, kemudian
maka diperoleh:
dan ,
Masing-masing solusi diatas digunakan untuk menentukan solusi untuk persamaan alajabr Riccati pada kendali kedua. Kemudian dari keenam solusi
diperoleh bahwa untuk
menghasilkan persamaan
aljabar Riccati untuk kendali kedua yaitu (30) Dengan matriks Hamilton yaitu
(31) Dari matriks H pada persamaan (30) nilai eigen yaitu {1,-1,3,-3} dan vektor eigennya sebagai berikut,
72
Jurnal Sains Matematika dan Statistika, Vol. 2 No. 2 Juli 2016 ISSN 2460-4542
Dari vektor eigen tersebut, maka diperoleh solusi untuk persamaan aljabar Riccati (30) yaitu . Sehingga berdasarkan solusi
dan
, maka diperoleh fungsi kendali
pertama yaitu dan . selanjutnya dengan mensubtitusikan vektor kendali pertama dan kedua ke persamaan diferensial dinamik (25) maka diperoleh, (32)
Oleh karena kedua nilai eigen untuk persamaan (31) bernilai negatif, maka kedua vektor kendali dapat menstabilkan sistem dinamik. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pembahasan dari penyelesaian masalah kendali waktu tak berhinnga dengan dua kendali, maka didapat kesimpulan untuk fungsi dinamik
dan fungsi tujuan
didapat persamaan aljabar Riccatinya
untuk kendali pertama dan kedua. Dari persamaan aljabar Riccati dapat dibentuk matriks Hamilton, persamaan aljabar Riccati memiliki solusi jika dan hanya jika matriks Hamilton memiliki nilai eigen. Jika persamaan aljabar Riccati memiliki solusi untuk . Maka vektor kendali . Oleh karena itu dapat di tulis bahwa persamaan aljabar Riccati memiliki peranan yang penting dalam membentuk vektor kendali, karena jika tidak terdapat solusi persamaan aljabar Riccati maka vektor kendali masih berbentuk , untuk i=1,2, yang masih mengandung pengali lagrange. Daftar Pustaka [1] Engwerda, Jacob. 2005,.LQ Dynamic Optimization and Differential Games. John Wiley & Sons. Chiceter. [2] Lewis, F.L and Vassilis L. Syrmos. 1995. Optimal Control. John Wiley & Sons. Toronto. Kanada. [3] Musthofa, M.W. 2011. Karakteristik Persamaan Aljabar Riccati dan Penerapannya Pada Masalah Kendali. prosiding Seminar Nasional Penelitian UNY. Yogyakarta. [4] Ogata, Katsuhiko. 1995. Discrete Time Control System. New Jersey : Prentice-Hall, Inc. [5] Zhou, K., J.C. Doyle. 1998. Essentials of Robust Control. Prentice-Hall International. New Jersey. [6] Zhou, K., J.C. Doyle and K, Glover. 1998. Robust Optimal Control. Prentice-Hall International. New Jersey.
73
