Autopilot

Auf ausgedehnten Fahrten ist ein elektrischer Autopilot unverzichtbar. In diesem Beitrag geht es nicht um die sogenannten Pinnenpiloten, die dafür bekannt sind, nach kurzer Zeit ihren Dienst zu quittieren, sondern um die fest eingebauten Autopiloten. Wer sich ein Boot mit einem solchen Autopiloten anschafft, wird diesen zunächst einrichten müssen. 
Dafür gilt es als Erstes die Prozeduren im Hafen auszuführen, die jedoch relativ einfach sind.
Gleich zu Beginn müssen die Quellen festgelegt werden, mit denen der Autopilot arbeiten muss. Das sind der Kompass, die Logge und der Ruderlagengeber. Für die Quellensuche steht in der Regel eine Automatik zur Verfügung. Als nächstes muss der Autopilot kommissioniert, d. h., an das Boot angepasst werden. Hier wird nach der Spannung 12 V oder 24 V gefragt, mit welcher der Antriebsmotor arbeitet. Die Höhe der Antriebsleistung in Prozent und die Länge des Bootes will der Computer dann auch noch wissen. Ist das erledigt, muss der Ruderantrieb eingestellt werden. Dazu muss das Ruder bis zum mechanischen Anschlag zunächst auf hart Steuerbord und dann auf hart Backbord gebracht werden und es werden die Winkel für diese Rudereinstellungen eingegeben. Das sind bei den meisten Booten jeweils 45°. Danach folgt eine Bestätigung der Rudermittelstellung. Das Ganze wird mit einem Rudertest abgeschlossen, wobei der elektrische Antrieb das Rad einmal automatisch bewegt.

Ist das alles erledigt, dann folgt die Seeerprobung. Die dient zur Einstellung der Parameter Ruderverstärkung, Gegenruder und Auto Trimm. Für Ruderverstärkung und Gegenruder gibt es meist eine automatische Routine, in der sich der Autopilot anhand einiger S-Kurven die optimalen Einstellungen selbst suchen soll. Die Vorgabe für den Auto Trimm in Sekunden muss anschließend manuell vorgenommen werden. Über den Daumen gepeilt sollte dazu die Zahl der in Fuß gemessenen Schiffslänge eingegeben werden. Im Großen und Ganzen ist damit die Einstellung gemäß Handbuch erledigt. Im Segelmodus können dann noch ein paar mehr Einstellungen gemacht werden, z. B., wie das Boot auf Windböen reagieren soll.

Doch bald wird man feststellen, dass das Ruder nach beiden Seiten um eine viertel Umdrehung oder sogar mehr hin- und her pendelt. Bei manueller Steuerung im Standby Betrieb hingegen kommt man jedoch mit einer Handbreit Ruderbewegung nach jeder Seite aus. Die automatischen Abstimmungen scheinen also nicht ganz optimal zu sein und bewirken mit der Zeit dann auch einen höheren Verschleiß. Eine bessere Einstellungen des Autopiloten gelingt allerdings nur manuell und dazu muss man tiefer in die Regelungstechnik einsteigen. Das scheint zunächst für viele hochkompliziert zu sein, ist es aber gar nicht, wenn man sich nur rantraut und alles gut erklärt ist.

 

Regeleigenschaften

Ein Autopilot arbeitet nach einer sogenannten PID Charakteristik. Die drei Buchstaben bedeuten Proportional, Integral und Differential. Tatsächlich besteht der Regler des Autopiloten aus drei ganz unterschiedlich wirkenden und voneinander unabhängigen Einzelreglern. In der Regelungstechnik gilt dafür die allgemeine Grundformel:

   

Hierbei sind u die Stellgröße, also der Wert, der notwendig ist, um eine Regelabweichung e auszugleichen. Dabei kommt e in drei Summanden vor. Einmal als Produkt mit G_P, dann in einem Integral mit G_I und schließlich in einem Produkt von G_D mit einem sogenannten Differential de/dt. Unter den drei Parametern G versteht man die Stärke der jeweils wirkenden Anteile, die angeben, wie stark der proportionale Anteil P, der integrale Anteil I und der differentiale Anteil D eines Reglers sein soll.

Um die Anwendung dieser Formel etwas praktischer zu machen, kann GP ausgeklammert werden und man erhält:

   

Durch diese Maßnahme ist es jetzt möglich geworden, dass sowohl der integrale Anteil als auch der differentielle Anteil in Zeiten, also in Sekunden oder Minuten eingestellt werden kann wie das auf dem Display unseres Autopiloten dann auch gemacht werden muss. Mathematisch gesehen sind jetzt 1/T_V = G_I/G_P und T_D = G_D/G_P, und die Ruderverstärkung G_P beeinflusst den Regler im Ganzen. Wir haben es am Ende mit folgenden Parametern zu tun:

1. Ruderverstärkung G_P
2. Auto Trimm T_V (Vorhaltezeit) und
3. Gegenruder T_D (Nachstellzeit)

Das war bis jetzt für Nicht-Mathematiker ein wenig kryptisch und deshalb sollen diese Parameter eingehender erklärt werden.

Ruderverstärkung G_P: Unter Verstärkung versteht man im Allgemeinen die Vervielfachung eines schwachen Wertes. Das gilt nicht unbedingt in der Regelungstechnik. Da arbeitet man auch mit Verstärkungen von weniger als 1, also z. B. 0,5 und das bedeutet, dass vom Proportionalregler nur die Hälfte einer erforderlichen Stellgröße zur Verfügung gestellt wird. Der noch fehlende Anteil muss dann von den anderen Regleranteilen erzeugt werden, die bei der folgenden Betrachtung erstmal nicht vorhanden sein sollen. Wie viel Verstärkung einem Autopiloten gegeben wird, hängt sehr stark davon ab, wie das Boot reagiert, wie träge es dreht.
Wenn wir mit voll eingeschlagenem Ruder einen Gasstoß nach vorn geben, dann beginnt das Boot eine Drehung, die nach Gaswegnahme und Auskuppeln des Vorwärtsganges weitergeht. Das Boot reagiert träge. Nach einem Drehimpuls beginnt die Drehung verzögert und läuft nach dem Ende des Drehimpulses langsam aus. Für die Einstellung der Ruderverstärkung hat das Konsequenzen. Geben wir zu viel Verstärkung, weil wir eine schnelle Reaktion haben wollen, dann schießt das Boot über das Ziel hinaus. Aus einer Ruderabweichung nach Steuerbord wird dann ganz schnell eine Ruderabweichung nach Backbord. Diese will der Autopilot dann ausgleichen und dreht zurück, doch abermals viel zu stark. Der Vorgang schaukelt sich auf und das Boot fährt gewaltige S-Kurven.
Die Verstärkung ist sicher eingestellt, wenn das Boot nach Vorgabe eines neuen Kurses nicht darüber hinaus überschwingt. Bei Segelbooten mit einem Kurzkiel wird das im Allgemeinen nur mit Verstärkungen von weniger als 1 erreicht. Am Ende bleibt jedoch eine Kursabweichung bestehen. Ist nämlich die Verstärkung 0,6, und ein neuer Kurs soll 40° nach Steuerbord gehen, dann kann der reine P-Autopilot tatsächlich nur bis 24° nach Steuerbord ausregeln. Das Boot könnte zwar bis 40° ausschwingen, müsste danach aber theoretisch auf 24° Kursänderung zurückgehen, pendelt sich aber irgendwo in der Nähe davon ein. Es fehlen theoretisch 16° an der Kursänderung. Eine Verstärkung von <1 hat eine sogenannte bleibende Regelabweichung zur Folge. Leider kann dieses Verhalten nicht ganz genau verifiziert werden, weil es kaum möglich ist, das integrale und das differentiale Reglerverhalten im Autopiloten ganz abzuschalten. Man sollte deshalb für derartige Versuche die Zeit T_D für das Gegenruder auf den kleinsten und die Vorhaltezeit T_V auf den größten Wert stellen und mit kleineren Kursänderungen von 10° oder 20° seine ersten Versuche beginnen.

Gegenruder T_D: Mit dem Gegenruder wird die Stärke des differentialen Anteils de/dt vorgegeben. Beide Buchstaben d in diesem Quotienten kann man auch als Delta im Sinne von Änderung verstehen, dann bedeutet dieser Quotient Änderung der Kursabweichung Δe pro Zeiteinheit Δt und beschreibt damit die Geschwindigkeit oder Schnelle, einer Kursänderung. Geben wir einen neuen Kurs vor dann erzeugen wir per Tastendruck eine große Kursabweichung und das Boot soll auf diesen Kurs drehen. Nehmen wir mal an, dass das jetzt allein der Proportionalanteil bewerkstelligen soll. Er versucht nun das Boot mit seiner positiven Stellgröße auf den neuen Kurs zu bringen. 
Allgemein gilt für alle drei Reglerkomponenten: weicht das Boot von seinem vorgegebenen Kurs ab, dann erzeugen sie positive Anteile an der Stellgröße um damit die Abweichung rückgängig zu machen. Sobald dies jedoch geschieht und das Boot dreht in Richtung Sollkurs, stellt der Differentialregler fest, dass die Kursabweichungen nicht zunehmen, sondern durch das Rückgängig machen abnehmen. Infolgedessen kehrt sich seine  Wirkung von positiv auf negativ um und er erzeugt eine negative Stellgröße. Das Rückgängig machen einer Kursabweichung wird vom Differentialregler behindert. Daher der Begriff Gegenruder, was aber nur die Funktion haben soll, ein Überschwingen zu vermeiden. 
Das Boot sollte in unserem Beispiel dann die 24° Kursänderung machen und auf diesem Kurs verharren. Die Wirkung des Gegenruders ist also nicht geeignet, eine bleibende Regelabweichung zu verhindern.

Auto Trimm T_V: Beim Auto Trimm haben wir es mit einer sogenannten integralen Regelung zu tun. So wie wir uns den Buchstaben d beim Differential als Delta vorstellen, muss man sich das Integralzeichen als Summenzeichen ∑ vorstellen. Ein Intergralanteil ist so zu verstehen, dass in jedem kleinsten Zeitintervall dt – das ist ein vom Autopilot-Computer vorgegebenes winziges Zeitintervall ∆t – ein prozentualer Anteil einer momentan bestehenden Regelabweichung e fortwährend aufaddiert wird und damit für die Kompensation einer bestehenden Kursabweichungen kumulierend eine Stellgröße aufgebaut wird. Mit der einzustellenden Vorhaltezeit wird die Steilheit von Anstieg bzw. Abfall der Stellgröße bestimmt, so als ob größere oder kleinere prozentuale Anteile der Regelabweichung jeweils immer addiert oder auch abgezogen werden. Wenn letzlich nur noch kleine Kursabweichungen existieren, dann verflacht sich der Anstieg des I-Anteils in der Stellgröße ebenfalls bis auf null. Ein I-Regler arbeitet deshalb anfangs immer recht schnell und wird dann am Ende sehr langsam. Der I-Anteil erzwingt auf diese Weise einen vollständigen Ausgleich einer Regelabweichung bzw. Kursabweichung. Da die Stärke des Anwachsens einer Stellgröße über den Kehrwert der eingestellten Zeit beeinflusst wird, führt eine kleine Zeiteinstellung zu einem schnellen Ausgleich und eine große Zeiteinstellung zu einen langsamen Ausgleich einer Kursabweichung. Der I-Anteil wäre in unserem Beispiel optimal bemessen, wenn er in derselben Zeit, in der P-Anteil und D-Anteil gemeinsam ihren Ausgleich auf 24° geschafft haben, den Anteil für die restlichen 16° aufbringt. Ein zu großer I-Anteil (kleine Vorhaltezeit = kleine Zeit für Auto Trimm) führt allerdings zu Schwingungen. Wenn sich in der Wirkzeit von P- und D-Regler ein zu großer I-Anteil aufbaut, dann dreht das Boot über den vorgegebenen Kurs hinaus und muss zurückgeregelt werden. Die Folge davon sind S-Kurven, die entweder abklingen, aber auch aufklingen können.

 

Seeerprobung

Um es gleich zu sagen, von der automatischen Seeerprobung allein halte ich nicht allzu viel und gehe lieber einen etwas abgewandelten Weg, die optimalen Einstellungen von Ruderverstärkung, Gegenruder und Auto Trimm zu finden. Um einen Anhaltspunkt zu bekommen lasse ich die automatische Seeerprobung mit einer mittleren Reisegeschwindigkeit von etwa 5 kn bei möglichst Windstille ablaufen. Dadurch werden Ruderverstärkung und Gegenruder automatisch gefunden. Ist das geschehen, dann stelle ich Auto Trimm auf den höchsten und Gegenruder auf den kleinsten Wert, so dass eigentlich nur noch die automatisch gefundene Ruderverstärkung vorhanden sein sollte. Die soll beispielsweise 0,6 betragen.
Jetzt wird eine Kursänderung von z. B. 40° vorgegeben. Das geschieht durch ein viermaliges schnelles Drücken der 10° Taste. Daraufhin wird sich das Boot in die vorgesehene Richtung drehen, die 40° Änderung vielleicht sogar erreichen oder auch nicht und dann etwas zurückdrehen. Bei einer Verstärkung von 0,6 können bei vorgegebenen 40° Kursänderung theoretisch nur 24° Kursänderung realisiert werden.

Die jetzt folgende Gegenrudereinstellung hat zum Ziel, ein Auspendeln zu verhindern. Das Gegenruder muss also so groß eingestellt werden, dass das Boot bei 40° vorgegebener Kursänderung und einer Verstärkung von 0,6 nur 0,6 x 40°, also wirklich nur 24° Kursänderung schafft und dann genau dort fast stehenbleibt, ohne merklich weiterzudrehen und auch nicht zurückpendelt. Das könnte man auch mit größeren Verstärkungen hinbekommen, aber bitte nicht übertreiben, dann wird der Autoppilot instabil.

Erst danach kann die Vorhaltezeit (Auto Trimm) eingestellt werden. Es vergeht ja eine ganze Zeit, bis das Boot mittels Ruderverstärkung und Gegenruder die 24° schafft und in dieser ganzen Zeit besteht immer eine recht große Kursabweichung zu den vorgegebenen 40°, in der der I-Anteil recht schnell anwachsen (integrieren) kann.  Dadurch baut sich schnell die dritte Stellgröße auf, die zum Ausgleich der noch fehlenden 16° an den vorgegebenen 40° führt.

Das wäre jetzt ein Einstellungsverfahren für den Fahrtensegeler, der nicht auf ein aggressives Verhalten seines Autopiloten aus ist, sondern auf einen geringsten Materialverschleiß. Regattasegler haben da vielleicht andere Vorstellungen oder rudern lieber gleich manuell.

Eine Schwingneigung entsteht fast immer durch einen zu großen I-Anteil (Auto Trimm zu klein) oder durch eine zu große Verstärkung. Das Ganze sollte deshalb auch bei höheren Geschwindigkeiten getestet bzw. wiederholt werden und sollte auch dann noch stabil funktionieren.
Eine optimale Einstellung ist nicht trivial, sie erfordert viel Zeit und Einfühlungsvermögen in die hier beschriebenen Charakteristika. Man sollte sich dafür einige Tage reservieren, ein  erreichtes Verhalten sollte man technisch immer wieder überdenken und dann eine Verbesserung versuchen zu erreichen. Es lohnt sich am Ende bestimmt.