7a Atikinstrumenkajiansaranadanprasarana 120715234819 Phpapp02
7a Steering Gear Lect
-
Upload
djogi-lubis -
Category
Documents
-
view
768 -
download
35
Transcript of 7a Steering Gear Lect
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