STEERING GEAR

1. Automatic Steering

Kapal-kapal niaga moderen saat ini sudah megikutkan pertimbangan efektivitas

biaya (cost effective) sebagai upaya survive terhadap tekanan kenaikan biaya seperti

halnya pada industri yang berorientasi biaya. Suatu Auto pilot yang baik dapat

memperbaiki profil margin dari kapal dalam dua hal yaitu: menekan jumlah personil dan

penghematan beban yang disebabkan deviasi arah pelayaran.

Auto pilot yang lama di install / ditempatkan di wheel house dan pengoperasiannya

secara remote mengunakan system pengerak langsung. (direct drive system.). Pada

system ini efisiensinya sangat tergantung pada unit hidrolik telemotor -nya. Artinya

kebocoran udara pada sistem menyebabkan tidak terkontrol atau kehilangan gerakan.

Sekarang ketidak efisienan ini diatasasi dengan system elektrik. Sistem kontrol auto pilot

tetap ditempatkan di Anjungan (wheel house) tetapi power unit-nya ditempatkan diruang

mesin ( engine room) dekat dengan katup steering engine. Sebenarnya automatic steering

device sendiri masih memiliki beberapa permasalahan.

Prisip dari Autohelm (“Auto Pilot” / ”Gyro Pilot”) adalah membandingkan course to

steer data dengan lintasan aktual dari kapal yang diperoleh dari gyro atau kompas

magnet. Hasilnya diberikan ke daun kemudi (rudder) sbg koreksi kesalahan. Agar kapal

dapat menjaga arah lintasan dgn akurat, Auto-Pilot harus diberi data tentang gerakan

kapal yang relatif terhadap lintasan dari steer line. “Feedback” data ini terdiri dari 3 set

parameter yaitu :

a. Position data (informasi yang memberikan kesalahan posisi terhadap course

line)

b. Rate data (kecepatan perubahan dari data course)

c. Accumulative error data (informasi tentang kesalahan kumulatif yang terjadi)

1

2. Control Model

Kontrol Proportional

Sinyal Elektronik yang menyebabkan rudder bergerak sebanding dengan

kesalahan posisi terhadap course line, kelemahan sistem ini adalah bahwa sistem

ini cenderung osilasi.

Sebagai akibatnya adalah turunnya effisiensi saat kesalahan terdeteksi, karena

rudder digerakan penuh

Bentuk lintasan sistem proportional

2

Rudder admidships Rudder admidships

Course to steer

Off course error

Derivative Control

Pergerakan rudder dibuat proporsional dengan “kecepatan perubahan” dari

penyimpangan arah kapal. Diperoleh dengan mengunakan rangkaian deferensial

elektronik untuk dijadikan sinyal actual error

Bentuk lintasan system derivative

Kombinasi proportional dan derivative

Bentuk lintasannya seperti osilasi yang teredam

Bila“Counter rudder” dan “rudder controls “ diset terlalu besar

3

Original off-course error

Parallel course

Off-set signal level

Off-set error

Port rudder STB rudder

Course to steer

Bila“Counter rudder” dan “rudder controls “ diset terlalu rendah/kecil

Integral Control

Data untuk kontrol integral didapatkan dengan mengitegralkan heading error

secara elektronik, data ini akan mempengaruhi secara kontinyu gerakan kapal

untuk keluar dari lintasannya (off course). Sinyal-sinyal data ini dihasilkan dgn

secara kontinyu mengamati kesalahan arah (heading error) selama perioda

tertentu dan menghasilkan derajad yg memadai secara permanen ke helm

Auto pilot umumnya di lengkapi dengan control thd yaw, trim, draft, rudder limit

dan weather.

3. Basic Auto Helm

Output dari gyro atau magnettic repeating compass digabungkan dengan signal yang di

set secara manual mengunakan deferensial sinyal. Bila tak ada perbedaan dari kedua

sinyal ; maka output nya nol atau tak ada. Bila ada perbedaan maka output nya akan

sebanding dengan perbedaan tsb dan diteruskan ke heading error signal.

4

Rudder Actuator

- Ve

Feed BackCourse set Control

+ Ve

Mechanical Link

Compass

Differential Amplifier Dynamic

AmplifierError

Amplifier

Lubber line

Rudder

+ Ve- Ve

System autohelm sederhana

Output ini diteruskan ke rangkaian rudder actuator yang menyebabkan rudder bergerak

sesuai tanda dari tegangan output. Sinyal error antara kompas dengan arah yang dipilih,

menghasilkan tegangan output dari differensial sinyal, yang sebanding dgn off course

error. Ini merupakan bentuk dari proportional control yang cenderung untuk osilasi

terhadap lintasan yg diinginkan karena overshoot yg disebabkan oleh inersia kapal.

Dengan mengunakan sistem kontrol PID osilasi dapat di tekan dgn memodifikasi sinyal

error (ψ) yang dihasilkan dari perbedaan sinyal compass heading dengan selected

heading. Summing amplifier mempunyai tiga input dan dinamakan juga sebagai

Dynamics Amplifier, yg menghasilkan resultante output signal yg sama dgn

penjumlahan dari satu atau lebih dari sinyal-sinyal yg masuk.Sinyal Demanded Rudder

Error (ψ) diproses oleh differentiator dan integrator. Differentiator digunakan utk

menentukan kecepatan perubahan dari heading saat kapal kembali ke-selected

course.Kecepatan perubahan ini dirubah kedalam bentuk tegangan, kemudian

dibandingkan dgn konstanta waktu (time constant) elektrik yang tetap dan bila

diperlukan dihasilkan suatu sinyal counter rudder. Magnitude dari sinyal ini

memperlambat kecepatan perubahan arah, sehingga meredam off course oscillation

5

Integral Error

Differensiator

Dynamics Signal

Compas

Seletected course

Integral of error

Rate of change of error

Ke- steering control

ψ

Rangkaian penjumlah sinyal error

Rangkaian differensiator mempunyai konstanta waktu yang nilainya menjadi kritis bila

osilasinya sepenuhnya diredam (fully damped). Parameter time constat ini tergantung

pada karakteristik desain dari kapal yg pada umumnya dihitung terlebih dahulu dan di

set saat kapal dalam percobaan awal. (initial trial) Disamping itu “Counter rudder”

control dipasang agar magnitude dari counter rudder signal dapat divariasi untuk

menyesuaikan dgn kondisinya.

Gangguan permanent terhadap arah yang disebabkan oleh parameter desain dari kapal,

harus juga dikoreksi. Long term error ini terkait dgn bentuk hull atau pengaruh aksi

screw dari single propoler yang mana cenderung mengerakkan kapal kearah starboard,

dan ini dapat dikompensasi menggunakan suatu integrator, dan hasilnya (integral term)

disisipkan ke control loop yg menggeser (off-setting) rudder. Hal ini membuat

proportional correction dapat diberikan kesekitar mean offset course. Amplitude dari

sinyal offset ini menyebabkab offset error angle dari rudder secara permanent. Output

dari Dynamics Amplifier menjadi sinyal error yg termodifikasi secara total (ψ) yg diatur

oleh rudder control untuk menentukan besarnya koreksi rudder per derajad thd heading

error

6

Bentuk Autohelm yg telah disederhanakan seperti pada gambar diatas. Rudder Error

Amplifier dilengkapi dgn variable sensitivity dari control “weather” yg mempengaruhi

perubahan gain dari amplifier dengan merubah bagian feeback dari komponen yang

menentukan gain. Dengan cara ini persyaratan magnitude dari heading error signal

7

Gyro or

TMC

Off cours

e alarm

Rudder position indicator

Intgrator

Differentiator

RLA

RLB

Rudder Limit

Permanent Helm

Rudder

Counter Rudder

Required course

Ship heading

Rudder translator

Diagram autohelm sederhana

+

- -

+

+

-

Dynamics Amplifier

Heading error amplifier

Weather

Course setting

position

dibentuk sebelum output dari amplifier ini membuat variasi kerja dari rudder. Dgn

menggunakan control ini dapat diberikan suatu delay untuk operasi dari rudder bila

kondisi cuaca menyebabkan kapal mengalami yaw karena ayunan yang keras dibagian

belakang beam. Dalam kondisi tertentu, terutama bila kapal mengalami trim dan draft,

diperlukan adanya derajad dari permanent rudder. Control dari “permanent helm”

memberikan suatu masukan ke Rudder Error Amplifier dapat bernilai positip atau

negatip, tergantungdari apakah rudder perlu STB atau Port. Selama dampak dari

gerakan rudder tidak mempengaruhi setting dari control ini, rudder akan tetap pada

posisi yg di-set oleh control ini. (dgn asumsi tidak ada sinyal control lain yang

dihasilkan). Permanent helm akan bekerja secara otomatis bila heading error terjadi

dalam rangkaian integrator. System yang dibentuk oleh control relay digunakan utuk

memberikan daya ke kontak-kontak dari steering gear yg pada gilirannya memberikan

catu daya dgn polaritas dan amplitude yg tepat ke prime rudder mover. Begitu rudder

bergerak, slider dari potensiometer menghasilkan sinyal rudder feedback. Output dari

potentiometer“rudder translator” digunakan sebagai indicator sudut rudder sesaat.

Pergerakan dari rudder dibatasi dgn mengoperasikan control dari “rudder limit” secara

manual utk menetapkan besar maksimum gerakan rudder terhadap posisi midships.

Rangkaian alarm penyimpangan lintasan (off-course) mengamati sinyal error dari

output Heading Error Amplifier akan menghidupkan alarm suara (audible) bila

terdeteksi amplitude sinyal yg melampaui batas-batas yg ditetapkan. Control pembatas

manual utk off-course disediakan agar operator dapat memilih titik dimana alarm akan

mengeluarkan suara.

4. Manual Operator Controls

Permanent Helm

Control ini utamanya untuk mengatasi pengeseran / penyimpangan arah kapal dlm

bentuk unilateral karena pengaruh karena angin. Fungsinya memberikan sudut rudder

yang permanent untuk mengantisipasi drift yang disebabkan oleh angin dan menjaga

kapal agar tetap pada heading yg telah ditetapkan. Permanent helm juga dapat

diberikan secara otomatis, bila stering sistem beroperasi dalam mode otomatik

8

Dalam pengoperasian secara otomatis dari permanent helm tidak memerlukan

permanent helm control. sudut rudder yang dibutuhkan dihitung secara elektronik dan

disalurkan secara otomatik juga. Kebutuhan besarnya rudder offset utk course heading

dihitung secara electronic dan segera diaplikasikan. Karena proses penghitungan

mencakup tentang pengisian capacitor, keperluan akan derajad utk permanent helm,

dibangun secara gradual dalam perioda menit. Perioda ini dapat dirubah dgn membuat

alternative dari charging time capacitor.

Rudder Limit

Control ini untuk menetapkan batas sudut rudder yang dihasilkan secara otomatis. Hal

ini untuk membatasi rudder sesuai parameter desain agar tidak terjadi kerusakan.

Rudder

Rudder potensiometer memungkinkan karakteristikk dari stering kapal untuk

dimodifikasikan dengan perubahan persyaratan karena faktor beban dan kecepatan.

Kontrol ini menentukan sudut absolut dari perintah rudder yang diperoleh dlm setiap

derajad dari steady-rate heading error. Contohnya bila control ini di set pada “2”, maka

rudder akan bergerak 2 derajat untuk penyimpangan tiap derajat dari heading error.

Counter Rudder

Kontrol ini menentukan derajat yang berlawanan dengan helm yang diberikan bila

dituntut oleh rangkaian control. Control memungkinkan pengaturan yg pada setiap

harinya tergantung kondisi beban

Weather

Kontrol ini untuk mengantisipasi secara efektif pengaruh dari kondisi cuaca dan laut

Rangkaian ini dikontrol oleh kontak yg desensitize control amplifier secara progresif,

yg mana juga menyebabkan membesarnya deadband width, disamping juga menaikkan

time delay pada sinyal perintah rudder agar kapal akan kembali secara alamiah (recover

naturally) bila dipengaruhi oleh yaw yang berulang-ulang ! (repetitive-yaw) Artinya

steering gear tak terlalu digerakkan oleh perintah Port / STB secara terus menerus.

9

Semakin tinggi setting dari weather control, semakin lebar dead-band -nya. Hal ini

berarti menaikkan amplitude yaw yg dapat ditoleransi sebelum stering gear di-enable.

Non Follow-up Mode (NFU)

Rudder control dilakukan dengan dua posisi melalui Port / Stb lever switches . Kontak-

kontak ini akan mengerakkan katup-katup dari hydraulic power unit secara langsung.

shg menghilangkan rudder feed back control. Pada mode ini normal auto pilot control

dgn repeat back di by pass, sehingga rudder berada dalam kondisi ”open loop”control

Sudah tidak ada feedback dari rudder utk membuat loop tertutup. Helmsman melakukan

close loop melalui rudder angle indicator dan mengoperasikan NFU control.

Follow-Up Mode (FU)

Dalam mode ini FU tiller control voltage diberikan ke error amplifier bersama dgn

rudder feedback voltage. Dgn demikian aksi dari rudder dibawah pengaruh dari single

close loop control .

Dead Band

Merupakan bandwidth yg di-set secara manual, dimana dlm daerah ini rudder prime

mover tidak bereaksi (tdk beroperasi). Bila deadband –nya terlalu besar, arah kapal

sulit dipengaruhi oleh perintah-perintah rudder. Bila terlalu sempit, reaksi kapal

sepertinya hamper-hampir kontinyu dgn aksi rudder yg mana dapat menyebabkan

kelebihan drag.

5. Overshoot.

Performansi dalam menjaga course secara optimum dipandang baik bila autopilot

bekerja dgn deadband yang sesempit mungkin. Sehingga semua steering system

mempunyai sifat overshoot. Dampak overshoot pada stabilitas terlihat dampak gambar

dibawah ini .

10

11

PORT Relay ON

PORT Relay OFF

Rudder Command Vt

STB Relay OFF

STB Relay ON

Translator Vp

True Rudder Position9

10

8

7

2

200

180

160

140

Pengaruh Overshoot pada Stabilitas Control System

Rudder error

amplifier

PID Error signal input

Rudder position

feedback

Rf

NFU Tiller

RLA

RLB

FU Tiller

FU

NFU

Auto

Mechanical linkage

Rudder

Rudder prime mover

Rudder Translator

+

-

-

+

+

-

RLA

RLB

~

FU dan NFU Control

Dgn mengacu pada grafik tersebut, diasumsikan perintah STB rudder diberikan ke

autopilot pada t = 0 det., sebagai akibatnya Stb rudder mengaktifkan pompa Stb,dan

rudder bergerak ke Stb. Karena system pompa hidrolik membutuhkan waktu utk

mencapai tekanan penuhnya, rudder baru dapat mencapai kecepatan akhirnya setelah t

= 2det. Pada t = 9det., sinyal feedback positip (Vp) memotong batas pemutusan relay

Stb. Prime Power diputus dari pompa steering gear. Karena sifat overshoot yg dimiliki

system sebagai akibat dari inersia, maka rudder akan terus bergerak kearah Stb. Bila

overshoot mencapai besar tertentu, sinyal feedback posisi akan memotong batas dari

Port relay (t = 12,5 det), yang kemudiannya membuat rudder bergerak menuju midship

position. Pada t= 15,25 det., Vp memotong batas-batasnya, sehingga Port relay power

sekali lagi diputus dari steering gear. Overshoot selanjutnya membawa sinyal Vp

kembali menuju batas-batas kerja dari Stb relay dan rudder sementara itu bergerak

menuju Stb. Control system saat itu dihyatakan tidak stabil dan rudder-nya akan osilasi

atau hunting. Garis titik-titik pada gambar grafik menunjukkan karakteristik dari system

yg stabil, halmana overshoot tidak menyebabkan Port relay aktif dan rudder mencapai

posisi yg diperintahkan dalam satu gerakan yg kontinyu.

Salah satu metoda untuk menstabilkan system yg tidak stabil adalah dgn menurunkan

sensitivitas dari rudder amplifier. Solusi ini tidak memuaskan karena dampaknya

adalah menaikkan jarak batas antara kerja dan mati dari steering relay, yang berarti

juga memperbesar deadband dan membuat degradasi terhadap performansi dari

steering dan effisiensi.

Solusi terbaik adalah memutuskan daya dari steering gear pada suatu waktu tertentu

sebelum Vp memotong batas pemutusan Stb relay. Waktu pemutusan ini sangat

tergantung pada karakteristik overshoot dari masing-masing steering gear. Pada

gambar bila t = 6,5 det, daya diputus dari steering (2,5 det lebih cepat), shg overshoot –

nya tidak akan membawa Vp mencapai batas kerja dari Port relay dan rudder bergerak

mengikut grs titik-titik yg menggambarkan tentang system yg stabil. Prinsip ini menjadi

out-line pada Racal Decca Phanthom Rudder System yg bekerja pada rangkaian control

amplifier dari unit-unit auto pilot.

12

6. Phantom Rudder.

Tergantung pada setting dari “Phantom Speed Rudder” control, suatu tegangan dc

ditentukan untuk diberikan ke resistansi input dari integrator yang selanjutnya

menghasilkan suatu tegangan positive going ramp Vp yg digambarkan dalam bentuk

grs pada gambar grafik. Polaritas dari integrator output (Vp) kebalikan dgn translator

output (Vt), dan pada grafik tegangan tersebut diskalakan pada sumbu y. kemudian

diatur sedemikian rupa sehingga slope dari Vp dan Vt sama . dgn asumsi bahwa

steering gear memerlukan waktu satu detik utk mencapai kecepatannya, dan phantom

output menghasilkan terlebih dahulu 0,75 V (≈ 1,5 0 ) selama perioda tersebut. Pada t =

2,4 det. Phantom output yg merupakan fungsi dari position feedback signal, mencapai

batas pemutusan Stb relay, begitu kontak memutus input -15 V dari integrator yg

menyebabkan output berhenti pada tegangan +3 V. Kemudian dengan diatur

sedemikian rupa agar input kedua diberikan kerangkaian integrator dari Phantom

Rudder, yg selanjutnya menghasilkan negative going ramp dgn kemiringan (slope) dari

ramp dibuat gradual dgn membatasi amplitude dari sinyal yang diberikan ke integrator.

Pada t = 3 det., output dari Phantom Rudder (Vp dan translator Vt) akan sama dan dgn

polaritas yg berlawanan, hal mana menyebabkan output dari integrator (Vp) berhenti

naik. Kondisi ini tidak stabil, karena Vt bergerak lebih negatip yg disebabkan oleh

overshoot dari rudder. Keadaan ini membuat integrator membangkitkan positip going

ramp secara perlahan (low slop). Output dari integrator sekarang akan kontinyu naik,

dan slop akan turun secara gradual saat potensial positip Vp mendekati parity dari

potensial negatip Vt. Disekitar t = 7 det , Vp akan sama dgn Vt. Output Vp akan tetap

seperti saat itu selama tidak ada sinyal yg masuk ke-integrator, dan posisi hypotesis dari

phantom rudder akan sama dgn true rudder.

Mendahuluinya Phantom rudder terhadap true rudder didapatkan melalui hasil dari slow

take-off dari steering gear. Dalam prakteknya diinginkan agar kecepatan Phantom

rudder di-set disekitar 20 % lebih tinggi dibandingkan true rudder. Dgn pengaturan

seperti ini output dari Phantom rudder akan kontinyu naik mendahului output translator

selama steering gear masih mendapat daya. Ada beberapa cara yg diberikan untuk

membatasi output dari Phantom rudderagar tidak terus mendahului. Fungsi ini

13

dilakukan dgn “ Steering Gear Overshoot” control yang berdampak membatasi rise

time dari integrator dan menghasilkan Vp menuju tahap level off seperti terlihat pada

gambar.

14

Stb relay ON

Stb relay OFF

Rudder command Vc

Port relay ON

Port relay OFF

Prisip Operasi dari rangkaian Phantom Rudder

15

16

17

18

19