## Penggunaan Metode PID Untuk Sistem Kontrol Gerak Zig-Zag Pada Pengujian Seakeeping Miniatur Kapal Cepat
Lucky Putri Rahayu 1* , Ahmad Rifky Perdana 1 , Chandra Permana 2 , Ciptian Weried Priananda 1 dan Fauzi Imaduddin Adhim 1
1 Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Indonesia
2 Balai Teknologi Hidrodinamika, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi, Surabaya, Indonesia
*Email: lucky@eea.its.ac.id
Abstract — Pada  pengujian  seakeeping  miniatur  kapal  cepat gerak  zig-zag  mengalami  overshoot  sebesar  13,5°  melewati  jalur yang  telah  ditentukan  20°,  sehingga  tidak  terwujud  konsistensi kestabilan kapal dan kemiringan arah sudut yang berakibat pada hasil  pengambilan  data.  Pada  penelitian  ini  berfokus  pada pembuatan  sistem  kontrol  otomatis  untuk  mengendalikan  gerak rudder. Metode yang digunakan yaitu PID dengan tuning Ziegler- Nichols. Sistem ini menggunakan teenseyduino sebagai mikrokontroler untuk mengontrol dua servo motor sebagai rudder kapal,  HWT  905  sebagai  sensor  dan  motor  DC  sebagai  laju kecepatan  pada  miniatur  kapal  cepat.  Sensor  HWT905  akan mendeteksi kemiringan arah pada badan kapal akibat gelombang. Berdasarkan  hasil  pengujian  didapatkan  parameter  gain  yang mampu memberikan hasil terbaik yaitu pada saat nilai Kp = 1,1, Ki = 3,3, Kd = 0,09, didapatkan nilai error steady state sebesar 15% dan overshoot sebesar 3°. Nilai rise time yang diperoleh sebesar 3 detik  dan  settling  time  diperoleh  sebesar  5  detik  yang menunjukkan  bahwa  gerak  dari  motor  servo  mulai  stabil  pada waktu tersebut.
Keyword:  Miniatur  Kapal  Cepat,  Overshoot,  PID,  Rudder, Seakeeping

## I. P ENDAHULUAN
S AAT ini  instansi  pemerintah  maupun  swasta  banyak menggunakan  kapal  cepat,  yaittu  sebagai  pertahanan, penumpang, perikanan, crew boats , fast suppliers , patroli, dll. Kapal  cepat  merupakan  sebuah  kapal  transportasi  jarak  dekat yang memenuhi syarat-syarat pelayaran di laut yang digunakan dalam  pengiriman  barang,  kapal  penumpang  pulau  atau  kota terdekat.  Sehingga  perlu  adanya  pengujian seekeping untuk melihat kehandalan khususnya dari sisi unjuk kerja [1].
Salah satu permasalahan ketika proses pengujian seakeeping arah gerak zig-zag pada miniatur kapal cepat yaitu sering kali mengalami  kemiringan  arah  hingga  10°  yang  tidak  sesuai dengan  sudut set-point yaitu  sejauh  0,5  meter  meski  telah dikendalikan  oleh remote  control .  Hal  ini  berdampak  pada kestabilan arah kapal cepat dan terdapat kesalahan data.
Penelitian  mengenai  proses  pengujian  kapal  cepat  semakin mendapat perhatian demi upaya mencapai nol kemiringan arah pada sudut 20° (sudut yang ditentukan sebagai set point ), agar data yang dihasilkan akurat dan nantinya kestabilan kapal dapat diperoleh. Dalam menyelidiki arsitektur kontrol yang memiliki potensi  untuk  meningkatkan  stabilitas  gerak  zig-zag  dengan mencapai  konvergensi  yang  lebih  cepat  tanpa  mengurangi dampak  pada  dinamika  gelombang  yang  telah  diberikan pada kapal  cepat.  Sehingga  diperlukan  suatu  sistem  yang  dapat mengontrol  secara  otomatis  gerak rudder yakni  pada  kedua servo  motor.  Sudut  pada rudder perlu  dikontrol  agar menghindari tabrakan kapal yang berbahaya di jalur laut [2].
Beberapa metode kontrol gerak rudder , yaitu menggunakan kontroller  PID  [3][4][5],  Fuzzy  Logic  [6][7],  Genetic Algorithm  [8],  Particle  Swarm  Optimasi  atau  kombinasi  dari Fuzzy-Neural  Network  [9],  Fuzzy  Genethic  Alghorithm[10], Fuzzy-Ants  Colony  [11],  kombinasi  Genethic  Alghorithm- Ants Colony- Neural Network [12], Adaptive Mutation Beetle Particle Swarm-PID [13], dll. Pada performanya, sistem rudder jauh  lebih  baik  dikendalikan  oleh  pengontrol  otomatis  yang memiliki respon cepat atau akurasi tinggi dan ketahanan yang kuat  terhadap  variasi  parameter  dan  gangguan  beban  pada miniatur kapal cepat, salah satunya menggunakan kontrol PID.
Proportional Integral Derivative (PID) merupakan kontroler untuk  menentukan  presisi  suatu  sistem  dengan  karakteristik adanya  umpan  balik  pada  sistem  tersebut,  dimana  saat  ini banyak  dipakai  dalam  dunia  industri.  Pengontrol  PID  akan memberikan  aksi  kepada control  valve berdasarkan  besar kesalahan  yang  diperoleh.  Metode  tuning  PID  salah  satunya menggunakan  Ziegler-Nichols,  dimana  dapat  menghasilkan hasil maximum overshoot (MO) yaitu 25% terhadap input step [14]. Melihat hal tersebut, sehingga penelitian ini berfokus pada metode  PID  dengan tuning Zigler-Nichols  untuk  pembuatan sistem  kontrol  sudut  otomatis  gerak  zig-zag  pada  pengujian miniatur kapal cepat untuk mengurangi nilai overshoot .

## II. M ETODE

## A. Perancangan Sistem
Pada  bagian  ini  dijelaskan  mengenai  blok  diagram  dari sistem  kontrol  gerak  zig-zag  miniatur  kapal  cepat  yang diperlihatkan  pada  Gambar  1.  Penggunaan power  supply dengan  tegangan  4000  mAh  diinputkan  ke  kontroler  teensy, rudder , R12DC, dan juga motor DC. Mikrokontroler nantinya mengendalikan  dua rudder secara  otomatis  sesuai  arah  gerak zig-zag  yaitu  ke-kanan  dan  ke-kiri  pada  miniatur  kapal  cepat dengan arah sudut yang sudah ditentukan yaitu 20°. Sehingga ketika  kapal  berbelok  ke-kanan  hingga  mencapai  sudut set point , mikrokontroler otomatis akan mengembalikan arah body kapal  dengan  mengontrol  dua rudder berbelok  ke-kiri begitupula  sebaliknya.  Pada  sistem  miniatur  kapal  cepat, remote  control berfungsi  untuk  menggerakkan  motor  DC sehingga propeller bergerak mendorong kapal untuk melaju ke depan,  kemudian  kedua rudder aktif  sebagai  arah  pergerakan pada miniatur kapal cepat ke kanan dan ke kiri. Akibat adanya gelombang kapal, derajat kemiringan  berubah  arah sebesar 5- 10  derajat  melewati  arah  sudut  yang  telah  ditentukan  akan dideteksi  oleh  sensor  HWT905  dan  data  perubahan  akan dikirim kepada Teensy 4.1 dan diakusisi sesuai arah sudut yang telah  ditentukan. Rudder disini  berfungi  sebagai  pengemudi yaitu penggerak pada miniatur kapal cepat ke kanan dan ke kiri.
Gambar. 1. Blok Diagram Sistem Kontrol Gerak Zig-Zag

## B. Desain Mekanik
Desain  mekanik  yang  berupa  beberapa  komponen,  mulai dari body miniature kapal cepat tampak samping dan belakang, box rangkaian kontroller, papan gear box dan motor DC, motor servo ( rudder ) dan papan sensor HWT 905 diperlihatkan pada Gambar 2. Gear box yang berfungsi sebagai alat penghubung pemutar propeller yang  berada  dibagian  kapal  atau  disebut sebagai  alur  dari  baling-baling  kapal,  sehingga  nantinya miniatur kapal cepat bisa melaju dengan melawan gelombang
yang ada. Shaft propeller digunakan sebagai alat penghubung untuk  menggerakkan  baling-baling  pada propeller ,  dimana terletak  pada gear  box yang  tersambung  dibagian propeller dibawah  body  miniatur  kapal  cepat.  Baling-baling propeller pada  bagian  belakang  bawah  kapal  yang  terhubung  dengan shaft propeller motor  DC  berfungsi  sebagai  pengendali kecepatan.
Gambar. 2. Perancangan Mekanik Miniatur Kapal Cepat

## C. Diagram Rangkaian Elektrikal
Rangkaian  diagram  elektrikal  dibuat  dengan  tujuan memudahkan pada saat perancangan rangkaian kelistrikan dan pemasangan komponen secara fisik serta mencegah kesalahan korsleting  dalam  proses  pemasangan  yang  ditunjukkan  pada Gambar 3.
Gambar. 3. Rangkaian Diagram Elektrikal

## D. PID Tuning Ziegler-Nichols
PID
kontroler (Proportional-Integral-Derivative) merupakan  gabungan  dari  tiga  jenis  kontroler.  Jika  masing- masing dari ketiga jenis kontroler tersebut berdiri sendiri, maka hasil  yang  dicapai  akan  kurang  baik  karena  masing-masing memiliki kelemahan dan kelebihan tersendiri. Sehingga untuk memenuhi sistem yang diinginkan, ketiga parameter PID diatur secara  optimal.  Ada  beberapa  metode tuning atau tuning PID konvensional  yang  pernah  dikembangkan  seperti metode  cut and try , Ziegler-Nichols, step response dan analitik [14]. Aspek
yang  paling  penting  yaitu  penentuan  parameter  PID,  metode pertama  Ziegler-Nichols  menentukan  berdasarkan  aturan  [15] yang terlihat pada Tabel 1.
T ABEL 1
A TURAN T UNING Z IEGLER -N ICHOLS UNTUK P, PI DAN PID K ONTROLLER Kp Ti Td P controller 𝑇 𝐾𝐿 ∞ 0 PI controller
0,9 𝑇 𝐾𝐿
𝐿 0,3 0 PID controller 1,2 𝑇 𝐾𝐿 2L 0,5L III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Pengujian sistem ini bertujuan untuk mendapatkan data yang kemudian  dianalisa  dari  kalibrasi  motor  servo  ( rudder ), pengujian  miniatur  kapal  cepat, tunning Ziegler-Nichols  dan pengujian menggunakan kontrol PID.

## A. Pengujian Kalibrasi Rudder
Pengujian ini bertujuan untuk menyesuaikan sudut pada titik 0°  dengan  nilai set-point 20°.  Grafik  kalibrasi rudder yang merupakan hasil  telah  terkalibrasi  diperlihatkan pada  Gambar 5. menunjukkan bahwa batas dari sudut rudder saat kondisi stop berada di sudut 90° yang merupakan set-point atau titik tengah posisi  sesuai  dengan  gerak  orientasi  kapal.  Batas  minimal rudder pada saat belok ke kiri mulai dari 90° sampai 150°, dan batas  maksimal  belok  ke  kanan  yaitu  ke  arah bawah  dari  90° sampai 30°.
Gambar. 4. Grafik Kalibrasi Rudder

## B. Pengujian Miniatur Kapal Cepat Tanpa PID
Pengujian  miniatur  kapal  cepat  menggunakan  kontrol konvensial  yaitu  menggunakan remote  control diperlihatkan pada grafik Gambar 6-8, dimana gerak yaw atau zig-zag pada kapal  ditandai  garis  berwarna  biru  sedangkan  yang  berwarna jingga  merupakan  gerak  dari rudder pada  kapal.  Pengujian dilakukan sebanyak tiga kali. Dari pengujian 1 yaitu Gambar 6. didapatkan  nilai overshoot sebesar  12°  untuk  gerak  ke  arah kanan, dan ke kiri diperoleh sebesar 10°, sehingga didapatkan nilai  rata-rata  dari overshoot pada  gerak  zig-zag  sebesar  11°, dimana pengujian selama 30 detik. Pada hasil pengujian kedua yaitu  Gambar  7.  Didapatkan  nilai overshoot untuk  gerak  ke
kanan  sebesar  11°,  ke  kiri  12°,  dan  rata-rata  11,5°  serta pengujian dilakukan selama 30 detik. Grafik pengujian  ketiga diperlihatkan pada Gambar 8. diperoleh nilai overshoot untuk gerak  ke  kanan  sebesar  18°,  ke  kiri  16°,  dan  rata-rata  17° dengan  pengujian  selama  20  detik.  Dari  hasil  beberapa pengujian  didapatkan overshoot sebesar  13,5°,  sehingga diperlukan metode kontrol PID untuk mengurangi nilai tersebut sehingga kapal dapat bergerak dengan stabil.
Gambar.  5.  Grafik  Pengujian  Ke-1  pada  Miniatur  Kapal  Cepat  Sebelum menggunakan Kontrol PID
Gambar.  6.  Grafik  Pengujian  Ke-2  pada  Miniatur  Kapal  Cepat  Sebelum menggunakan Kontrol PID
Gambar.  7.  Grafik  Pengujian  Ke-3  pada  Miniatur  Kapal  Cepat  Sebelum menggunakan Kontrol PID
-40 -20 0 20 40 680 685 690 695 700
S u d u t (° ) Waktu (detik) yaw -40 -20 0 20 40 240 245 250 255
260 265 270
S u d u t (° ) Waktu (detik) yaw -40 -20 0 20 40 575 580 585 590
595 S u d u t (° ) Waktu (detik) yaw
C. Simulasi  Kontrol  PID  menggunakan  Metode  Tuning Ziegler-Nichols
Pertama  yaitu  mencari  nilai transfer  function dari  sistem, didapatkan  dengan  memasukkan data output yang  merupakan data  respon  dari rudder terhadap set-point .  Data  ini  diambil sebelum  menggunakan  kontrol  PID.  Setelah  didapatkan  data respon rudder tersebut diolah menggunakan system identification pada software Matlab.  Setelah  proses estimare selesai  maka  akan  ditemukan  nilai transfer  function yang digunakan  sebagai  acuan  untuk  menemukan  nilai  parameter control PID  dengan  metode  tunning.  Nilai transfer  function yang didapatkan sebesar 7,585 𝑆2+1,654 𝑆+9,302 .
Setelah  didapatkan  nilai transfer  function ,  selanjutnya diberikan  nilai  step  dan  untuk  memperoleh  nilai  waktu  tunda (L) dan waktu mati (T), dimana waktu tunda merupakan waktu dari awal hingga mencapai set-point dan waktu mati merupakan waktu  ketika  tegangan  awal  masuk  hingga rudder bergerak. Dilakukan empat kali tunning nilai parameter Kp, Ki dan Kd, dihasilkan  grafik  respon  yang  diperlihatkan  pada  Gambar  8. Hasil simulasi berupa nilai rise time, settling time , settling min dan max , dan overshoot diperlihatkan pada Tabel 2. Untuk ke- empat  nilai  Kp,  Ki  dan  Kd  tersebut.  Dari  hasil  percobaan simulasi tersebut didapatkan nilai overshoot terendah dan rise time tercepat  yaitu  pada  nilai  Kp=1,1;  Ki=3,3  dan  Kd=0,09, sehingga untuk pengujian langsung pada miniatur kapal cepat menggunakan nilai gain tersebut.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar. 8. Grafik Respon dengan Nilai Kp, Ki, dan Kd (a) Kp=2,3; Ki=6,84 dan  Kd=0,19;  Kd  (b)  Kp=2,81;  Ki=8,35  dan  Kd=0,23;  Kd  (c)  Kp=1,85; Ki=5,51 dan Kd=0,15 (d) Kp=1,1; Ki=3,3 dan Kd=0,09
T ABEL II
H ASIL S IMULASI B EBERAPA P ARAMETER K ONTROL PID Parameter Rise Time (detik) Settling Time (detik) Settling Min Settling Max Overshoot Kp = 2,3, Ki= 6,84 dan Kd= 0,19 0,2755 6,4528 0,6381 1,3529 35,2878 Kp = 2,81, Ki=8,35 dan Kd=0,23 0,2471 5,9447 0,6384 1,3748 37,480 Kp = 1,85, Ki=5,51 dan Kd=0,15 0,3114 7,4871 0,6489 1,3748 31,723 Kp = 1,1, Ki=3,3 dan Kd=0,09 0,148 7,1571 0,6993 1,2008 20,075

## D. Pengujian  Miniatur  Kapal  Cepat  Menggunakan  Kontrol PID
Pengujian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  nilai  Kp,  Ki dan  Kd  terbaik  yang  didapatkan  dari  simulasi  menggunakan MATLAB. Hasil yang didapatkan tersaji pada Gambar 9.
Gambar. 9. Grafik Pengujian menggunakan PID dengan Nilai Gain Kp=1,1; Ki=3,3; dan Kd=0,09
Terlihat bahwa pengaruh nilai parameter gain PID terhadap respon rudder yang  jauh  lebih  baik  daripada  menggunakan kontrol  konvensial  sebelumnya,  didapatkan  nilai rise  time selama 3 detik, settling time yang jauh lebih cepat yaitu 5 detik, overshoot yang  jauh  lebih  kecil  yaitu  3°  dengan error  steady state yaitu 15%.
IV. K ESIMPULAN
Pada pengujian seakeeping miniature kapal cepat arah gerak zig-zag  menggunakan remote  control secara  konvensional didapatkan nilai rata-rata overshoot sebesar 13,5° dengan set- point yang  digunakan  yaitu  20°,  sehingga  penelitian  ini berfokus  untuk  mengurangi overshoot tersebut  dengan mengendalikan  gerak rudder menggunakan  metode  PID kontroler dengan proses tuning Ziegler-Nichols. Dari penelitian yang telah dilakukan didapatkan nilai transfer function sebesar 7,585 𝑆2+1,654 𝑆+9,302 dan pada pengujian secara langsung didapatkan hasil  terbaik  parameter  kontrol  PID  miniatur  kapal  cepat dengan  nilai  Kp=1,1;  Ki=3,3;  dan  Kd=0,09,  dengan  berhasil menurunkan nilai overshoot hingga sebesar 3°, rise time dalam 3  detik, settling  time yang  lebih  cepat  5  detik,  dengan error steady  state yaitu  15%.  Sehingga  dapat  ditarik  kesimpulan sistem  kontrol  otomatis  yang telah  dibuat  dapat  mempercepat proses  pengujian  dan  pengambilan  data,  efisien  karena  tidak membutuhkan  proses  pengulangan  pada  pengujian  dan  data yang  didapatkan  lebih  akurat  karena  menurunkan  nilai overshoot hingga 77,8% dibandingkan secara konvensial.

## A CKNOWLEDGMENT
Terima  kasih  kepada  Balai  Teknologi  Hidrodinamika (BTH) Surabaya atas kesempatan dan fasilitas dalam penelitian ini.

## R EFERENSI
[1]  M. Kushwah and A. Patra, “PID Controller Tuning using Ziegler-Nichols Method  for  Speed  Control  of  DC  Motor,” International  Journal  of Scientific  Engineering  and  Technology  Research ,  vol.  03,  no.  13,  pp. 2924–2929, 2014, [Online]. Available: www.semargroup.org,
[2]  D. Paroka, M. F. Kamil, and A. H. Muhammad, “Experimental Study on Automatic Control for Collision Avoidance of Ships,” Makara Journal of Technology , vol. 21, no. 3, p. 137, Jan. 2018, doi:
10.7454/mst.v21i3.3447.
[3]  M. Y. Santoso, I. Munadhif, A. Wahidin, Ruddianto, Fathulloh, and R. T. Soelistijono,  “ Rudder -Roll  Stabilization  using  Fgs-PID  Controller  for Sigma-E Warship,” in Journal of Physics: Conference Series , Jun. 2017, vol. 855, no. 1. doi: 10.1088/1742-6596/855/1/012044.
[4]  S. Jagannathan, “PID Based Rudder Controller,” in International Journal of Engineering Research and Development , Oct. 2012, vol. 4, no. 4, pp. 47–53. [Online]. Available: www.ijerd.com
[5]  I. Munadhif, A. S. Aisjah, and A. A. Masroeri, “Stability Control Design of Sigma Class Ship Firing Mode Using Fuzzy Gain Scheduling-PID,” in International Seminar on Science and Technology , Aug. 2015, pp. 207– 208.
[6]  T. K. Sethuramalingam, “Fuzzy Logic Controller Based Ship Navigation System,” in Journal of Physics: Conference Series , Jul. 2021, vol. 1850, no. 1. doi: 10.1088/1742-6596/1850/1/012113.
[7]  Rahimuddin, A. Maimun, and P. A. Gani, “Application of Fuzzy Logic Controller  to  Enhance  The  Semi-SWATH  Performance  in  Following Seas,” Jurnal Teknologi (Sciences and Engineering) , vol. 69, no. 7, pp. 17–25, 2014, doi: 10.11113/jt.v69.3261.
[8]  L.  Yu,  S.  Liu,  F.  Liu,  and  H.  Wang,  “Energy  Optimization  of  The Fin/ Rudder Roll  Stabilization  System  Based  on  The  Multi-Objective Genetic  Algorithm  (MOGA),” Journal  of  Marine  Science  and Application , vol. 14, no. 2, pp. 202–207, Jun. 2015, doi: 10.1007/s11804- 015-1292-z.
[9]  T.  K.  Sethuramalingam  and  B.  Nagaraj,  “A  Proposed  System  of  Ship Trajectory  Control  Using  Particle  Swarm  Optimization,”  in Procedia Computer Science , 2016, vol. 87, pp. 294–299. doi: 10.1016/j.procs.2016.05.164.
[10]  W.  Wang,  R.  Yang,  C.  Guo,  and  H.  Qin,  “CNN-Based  Hybrid Optimization  for  Anomaly  Detection  of Rudder System,” IEEE Access , vol. 9, pp. 121845–121858, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3109630. [11]  M. Tomera, “Ant colony optimization algorithm applied to ship steering control,” in Procedia Computer Science , 2014, vol. 35, no. C, pp. 83–92. doi: 10.1016/j.procs.2014.08.087.
[12]  Y. Zheng, X. Lv, L. Qian, and X. Liu, “An Optimal BP Neural Network Track Prediction Method Based on a GA–ACO Hybrid Algorithm,” J Mar Sci Eng , vol. 10, no. 10, Oct. 2022, doi: 10.3390/jmse10101399.
[13]  L. Wang, Q. Wu, J. Liu, S. Li, and R. R. Negenborn, “Ship Motion Control Based  on  AMBPS-PID  Algorithm,” IEEE  Access ,  vol.  7,  pp.  183656– 183671, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2960098.
[14]  N. Allu and A. Toding, “Tuning with Ziegler Nichols Method for Design PID  Controller at  Rotate  Speed  DC Motor,”  in IOP  Conference  Series: Materials  Science  and  Engineering ,  May  2020,  vol.  846,  no.  1.  doi: 10.1088/1757-899X/846/1/012046.
[15]  A.  G. Brito,  “On the  misunderstanding  of  the  ziegler-nicholss  formulae usage,” IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica , vol. 6, no. 1, pp. 142– 147, Jan. 2019, doi: 10.1109/JAS.2019.1911336.
-30 -10 10 30 160 170 180 190
200
Su d u t (° ) Waktu (detik) yaw