Autostūrmanis

thumb|Autostūrmaņa ''Sperry Marine - Navipilot 4000'' vadības panelis
**Autostūrmanis** vai **kuģa automātiskā stūrēšanas iekārta** (kuģa autopilots) ir kuģos un buru laivās lietota iekārta kursa vai virziena attiecībā pret vēju uzturēšanai bez pastāvīgas cilvēka iejaukšanās.

## Darbības princips
Savā vienkāršākajā formā autostūrmanis salīdzina stūrmaņa uzdoto kursu ar kuģa patieso kursu, kuru iegūst no žirokompasa vai pārraidošā magnētiskā kompasa, un pagriež stūri, lai kompensētu kļūdu, kāda radusies starp abiem ieejas signāliem. Tā kā kuģa stūrēšanas raksturlielumi dažādos apstākļos mainās, autostūrmanim paredzēta iespēja izmainīt tā darbības parametrus līdzīgā veidā kā stūres vīrs mainītu savu darbību analoģiskos apstākļos.

Lai kuģis turētu uzdoto kursu pēc iespējas precīzāk, tam jāsaņem dati par kuģa kustību attiecībā pret uzdotā kursa līniju. "Atgriezeniskās saites" signāli sniedz šādus datus, kuri sastāv no trīs parametru kopām:
* dati par kuģa atrašanās vietu - informācija par kļūdu atrašanās vietā no kursa līnijas;
* leņķiskā ātruma dati - kursa izmaiņas ātruma dati;
* uzkrājušās kļūdas dati - dati par noteiktā laika periodā uzkrāto summāro kļūdu.

Trīs galvenās koriģējošās darbības, kuras autostūrmanis izpilda, saņemot vienus vai vairākus no augstāk minētajiem ieejas datiem, ir proporcionālā vadība, atvasinošā vadība un integrālā vadība.

### Proporcionālā vadība
thumb|Vienas pašas proporcionālās vadības efekts uz kuģa kursu. Kuģis svārstīsies ap ieturamo kursu
Šis elektroniskais vadības signāls pagriež stūri par leņķi, kurš proporcionāls kuģa atrašanās vietas nobīdei no kursa līnijas. Ja stūrēšanai tiek pielietota tikai proporcionālā vadība, kuģis svārstīsies uz vienu un otru pusi no nepieciešamās kursa līnijas. Kuģis sasniegs savu gala mērķi, bet ieturētais kurss būs haotisks un radīsies pieaugums degvielas patēriņā. Efektivitāte kritīsies un stūres ierīces izdilums būs nepieņemams.

Tiklīdz tiek konstatēta kļūda kuģa atrašanās vietā (nobīdē no kursa līnijas), stūre tiek pārlikta uz bortu, pagriežot kuģi atpakaļ kursa līnijas virzienā. Kuģim atgriežoties, kļūda samazinās un autostūrmanis pamazām samazina stūres pārlikšanas leņķi. Diemžēl stūre atradīsies taisni, kuģim pietuvojoties kursa līnijai, kā rezultātā kuģis šķērsos kursa līniju un pāries tās otrā pusē. Radīsies korektējošais signāls, kurš pagriezīs kuģi atpakaļ uz kursa līniju, tika šoreiz uz otru pusi. Atkal kuģis pāries pāri kursa līnijai un viss sāksies no jauna. Nav praktiski aprēķināt patieso kuģa attālumu no kursa līnijas katrā laika momentā. Tādēļ, lai nodrošinātu proporcionālo vadību, izmanto signālu, kurš ir proporcionāls stūres pārlikšanas leņķim. Tas ir atgriezeniskās saites signāls un to iegūst mērot stūres lāpstas pārlikšanas leņķi tieši pie lāpstas.

### Atvasinošā vadība
thumb|Vienlaicīgi pielietojot gan proporcionālo, gan atvasinošo vadību, kuģa noietā ceļa līnija atgādinās rimstošas svārstības
Ar šo vadības veidu, stūri pārliek par leņķi, kas ir proporcionāls kuģa novirzes no uzdotā kursa izmaiņas ātrumam. Atvasinošo vadību realizē elektroniski atvasinot faktiskās kļūdas signālus. Nobīdes no sākotnējā kursa skaitliskās vērtības, rada kļūdu signālus, kuri tiek apstrādāti un izraisa stūres pārlikšanu, lai atgrieztu kuģi uzdotajā kursā. Kursa izmaiņas leņķiskais ātrums samazinās un, līdz ar to, samazinās arī autostūrmaņa korektīvā iedarbība uz stūri. Kaut kādā attālumā uz sāniem no sākotnējās sagaidāmā kursa līnijas, stūre atgriežas diametrālajā plaknē. Kuģis pārvietosies ar uzdoto kursu, bet paralēli sākotnējai sagaidāmā kursa līnijai, kamēr atkal ārējie spēki izvedīs kuģi no tā kursa un autopilots atsāks darboties.

Ideāla proporcionālās un atvasinošās vadības kombinācija nodrošina daudz labāku atgriešanos kursā. Sākotnējā izmaiņa kursā izraisa stūres pārlikšanu, ko vada kombinētais signāls, kurš sastāv gan no proporcionālā, gan atvasinošā signāla. Kuģim veicot atgriešanās manevru (kuru ir izraisījusi tikai proporcionālā vadība), kursa izmaiņas leņķiskā ātruma zīme mainīsies, kas, savukārt, izraisīs nelielu tendenci stūres lāpstu pārlikt pretējā virzienā jeb kavēt atgriešanās manevru. Kad kuģis šķērsos sākotnējo sagaidāmā kursa līniju, stūre būs izvesta no centrālā stāvokļa un, atvasinošā vadības signāla iespaidā, centīsies nepieļaut kursa līnijas šķērsošanu un nokļūšanu tai otrā pusē. Tādējādi kuģa noietā ceļa līnija atgādinās rimstošas svārstības. Apjomu, par kādu atvasinošā vadība stūri pārliek pretējā virzienā proporcionālās vadības izraisītajam, var regulēt, lai to piemērotu dažādiem kuģa raksturlielumiem. Pareizs pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma (*counter rudder control*) iestatījums nodrošinās ātru un vieglu kuģa atgriešanos sākotnējā sagaidāmā kursa līnijā. Pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma iestatījumus vienmēr pielieto kopā ar rokas stūres potenciometra iestatījumiem, kuri regulē pieļaujano stūres pārlikšanas leņķi atkarībā no konstatētās kļūdas kursā (starpības starp uzdoto un faktisko kursu).

Ja pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma un rokas stūres potenciometra iestatījumi ir pārāk augsti, kamēr kuģis atgriezīsies kursā, būs novērojamas būtiskas svārstības ap uzdoto kursa vērtību. Savukārt, ja pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma un rokas stūres potenciometra iestatījumi ir pārāk zemi, tendence kuģim šķērsot kursa līniju un pāriet tās otrā pusē, nebūs izteikta, tomēr atgriešanās kursā būs gausa.

### Integrālā vadība
Datus integrālajai vadībai iegūst elektroniski integrējot kursa kļūdu (starpību starp uzdoto un faktisko kursu). Šīs kļūdas ietekmē, kuģis pastāvīgi novirzās prom no sākotnējās sagaidāmā kursa līnijas. Integrālās vadības signālu iegūst periodiski mērot kursa kļūdu noteiktā laika periodā. Šī vadības signāla ietekmē stūre tiek pārlikta uz vienu no bortiem par noteiktu un pastāvīgu leņķi.

Bez proporcionālās, atvasinošās un integrālās vadības, autostūrmaņiem parasti ir arī regulatori, ar kuriem iestata vērtību leņķiskajām svārstībām ap vertikālo asi (*yaw*), galsverei, iegrimei, maksimālajam stūres pārlikšanas leņķim un noteicošajiem laikapstākļiem (viļņu augstumam).

## Autostūrmaņa bokshēma
400px|thumb|right|Autostūrmaņa blokshēma
Pats vienkāršākais ir autostūrmanis, kurš izmanto tikai proporcionālo vadību. Žirokompasa vai pārraidošā magnētiskā kompasa nolasījums diferenciālajā pastiprinātājā tiek salīdzināts ar uzdotā kursa vērtību. Ja starp abiem signāliem starpības nav, pastiprinātāja izejā signāla arī nebūs un stūre netiks pagriezta. Bet, ja starp abiem datu avotiem tiek atklāta kļūda, izejas kļūdas signāls, kurš ir proporcionāls starpības lielumam, tiek pievadīts stūres kļūdas pastiprinātājam. Savukārt, šī pastiprinātāja izejas signāls tiek pievadīts stūres pārlikšanas izpildmehānismam, kurš pagriež stūri tajā virzienā, kādu nosaka izejas signāla voltāžas polaritāte. Kompasa un uzdotā kursa kļūdas signāls diferencālā pastiprinātāja izejā ir proporcionāls kuģa atrašanās vietas nobīdei no kursa līnijas. Tādējādi šāda veida vadību sauc par proporcionālo vadību. Vienas pašas proporcionālās vadības izmantošana liek kuģim svārstīties ap sākotnējo sagaidāmā kursa līniju. Tas notiek tādēļ, ka, inerces dzīts, kuģis pārskrien pāri šai kursa līnijai.

Ar proporcionālo, integrālo un atvasinošo stūrēšanas vadības sistēmu, svārstības tiek samazinātas modificējot kļūdas signālu ψ, kurš rodas uzdotā kursa vērtību salīdzinot ar kompasa nolasījumu. Šādā sistēmā izmanto trīs ieeju summējošo pastiprinātāju, ko sauc par dinamikas pastiprinātāju. Tā izejā tiek iegūts rezultējošais signāls, kurš vienāds ar viena vai vairāku ieejas signālu summu.

Stūres pārlikšanas kļūdas signāls ψ tiek apstrādāts gan atvasinātājā, gan integratorā. Atvasinātājs, kuģim atgriežoties uzdotajā kursā, nosaka kursa izmaiņas leņķisko ātrumu. Šis izmērītais leņķiskais ātrums voltāžas veidā tiek salīdzināts ar fiksētu elektrisku laika konstanti un, ja nepieciešams, tiek izstrādāts signāls stūres pārlikšanai pretējā virzienā. Šī signāla lielums samazina kursa izmaiņas leņķisko ātrumu un tādējādi slāpē svārstības ap sākotnējo sagaidāmā kursa līniju. Ja svārstības pilnībā jānoslāpē, atvasināšanas ķēdes laika konstante ir ļoti svarīga. Laika konstantes parametri ir atkarīgi no kuģa konstruktīvajiem raksturlielumiem un parasti tos aprēķina un iestata kuģim veicot sākotnējos gaitas mēģinājumus. Papildus tam pieejams pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma regulators, lai pretējā virziena stūres pārlikšanas signāla lielumu varētu mainīt atbilstoši valdošajiem apstākļiem.

Ir jākompensē arī pastāvīga novirzīšanās no kursa kuģa konstruktīvo parametru iespaidā. Šīs ilgtermiņa kļūdas, kuras parasti izraisa korpusa forma vai vienas dzenskrūves soļa iespaids, kurš izpaužas kuģa pakaļgala novirzē uz labā borta pusi, var tikt kompensētas ar integratora palīdzību. Šādi iegūts integrālais signāls nonāk vadības cilpā izvedot no centrālā stāvokļa stūres lāpstu. Integratora izmantošana ļauj pielietot proporcionālās korekcijas ap sākotnējai sagaidāmā kursa līnijai paralēlu kursa līniju. Šo abu kursa līniju attāluma korektējošais signāls izraisa stūres lāpstas pārlikšanu par pastāvīgu leņķi. Tagad dinamikas pastiprinātāja izejā ir kopējais modificētais kļūdas signāls (ψ), kuru regulē ar rokas stūres potenciometru, lai noteiktu pieļaujamo stūres pārlikšanas leņķi atkarībā no konstatētās kļūdas kursā (starpības starp uzdoto un faktisko kursu).

Stūres kļūdas pastiprinātājs ir aprīkots ar mainīgas jutības laikapstākļu regulatoru, kurš izmaina pastiprinātāja jūtību regulējot jūtību nosakošo komponenšu atgriezenisko saiti. Šādā veidā tiek regulēts konstatētās kursa kļūdas signāla lielums, kurš izraisa pastiprinātāja izejas signālu un attiecīgi stūres pagriešanu. Lietojot šo regulatoru var tikt iestatīts kavējums stūres pagriešanā, ja laikapstākļi ir izraisījuši kuģa leņķiskās svārstības ap vertikālo asi. Tā var gadīties smagas viļņošanās apstākļos, ja viļņu virziens ir no dvarsa aizmugures.

Atsevišķos gadījumos, galvenokārt kuģa iegrimes un galsveres dēļ, var rasties nepieciešamība stūri pastāvīgi turēt pārliktu uz vienu no bortiem par noteiktu leņķi. Pastāvīgās stūres regulators nodrošina ieejas signālu stūres kļūdas pastiprinātājā, kurš var būt pozitīvs vai negatīvs atkarībā no tā vai stūri nepieciešams pārlikt uz labā vai kreisā borta pusi. Tā kā stūres kustības neiespaido šī regulatora iestatījumus, tad stūre pastāvīgi paliks pozīcijā, kuru nosaka šis regulators (pieņemot, ka nav citu vadības signālu). Pastāvīgi par noteiktu leņķi uz vienu no bortiem pārliktu stūri automātiskā režīmā nodrošina arī integratora ķēde jūtot kursa kļūdas uzkrāšanos.

Vadības relejus RLA un RLB izmanto, lai padotu strāvu uz stūres ierīces kontaktoriem, kuri, savukārt, pieslēdz pareizās amplitūdas un polaritātes strāvu stūres mašīnai. Stūrei pārvietojoties mehāniska saite pārvieto potenciometra slīdkontaktu radot stūres atgriezeniskās saites signālu. Šī stūres raidītāja potenciometra izejas signālu parasti izmanto stūres pārlikšanas leņķa indikācijai reālā laikā. Maksimālo stūres pārlikšanas leņķi var iestatīt ar stūres ierobežotāja regulatora palīdzību. Tas nosaka maksimālo leņķi par kādu stūri var izvest no centrālās pozīcijas.

Novirzīšanās no kursa signalizācijas ķēde analizē kļūdas signālu kursa kļūdas pastiprinātāja izejā. Kad signāla amplitūda pārsniedz iepriekš noteiktu robežu, iedarbojas skaņas signalizācija. Operators var iestatīt novirzes no kursa lielumu, kad tiks iedarbināta signalizācija.

## Rokas regulatori
### Pastāvīgā stūre
Šo regulatoru izmanto, ja sānu vēja iespaidā kuģi nones no kursa uz vienu pusi. Iestatījums pārliek stūri uz kādu no bortiem par noteiktu grādu skaitu, lai kompensētu vēja driftes leņķi un tādējādi turētu kuģi uzdotajā kursa līnijā. Pastāvīgo stūri pielieto arī automātiskajā režīmā. Tad šo parametru nevajag ievadīt ar roku.

Automātiskajā režīmā ar roku ievadīt neko nevajag. Nepieciešamo stūres pārlikšanas leņķi, lai noturētu kuģi uz kursa līnijas, aprēķina un piemēro automātiski. Tā kā aprēķinu procedūra ietver kondensatora uzlādi, tad pastāvīgi pārliktās stūres leņķis pieaug un nostabilizējas pakāpeniski dažu minūšu laikā. Šis periods var tikt mainīts izmainot kondensatora uzlādes laiku.

### Stūre
Stūres ierobežotājs nosaka galējo robežu, kādu stūres pārlikšanas leņķis var sasniegt neskatoties uz leņķi, kādu uzdod automātiskā vadības ķēde. Ļaujot stūrei pārsniegt projektētās robežas, varētu rasties nopietni bojājumi.

Sūres potenciometra, kurš regulē pieļaujano stūres pārlikšanas leņķi atkarībā no konstatētās kļūdas kursā (starpības starp uzdoto un faktisko kursu), iestatījumi ļauj mainīt kuģa stūrēšanas īpašības atbilstoši mainīgajām prasībām, kuras izraisa tādi faktori kā kuģa nokraušana un ātrums. Šis regulators nosaka maksimāli pieļaujamo stūres pārlikšanas grādu skaitu, katram pastāvīga izmaiņas ātruma kursa kļūdas lielumam grādos. Piemēram, ja regulators atrodas pozīcijā "2", tad stūre pārvietosies 2° par katru kursa kļūdas grādu.

Pretējā virziena stūres pārlikšanas apjoma iestatījums nosaka apjomu par kādu stūre tiek pārlikta šajā virzienā, ja to prasa vadības ķēde. Regulators ļauj iestatījumus mainīt ikdienā atbilstoši kuģa nokraušanas apstākļiem.

### Laikapstākļi
Ar šo regulatoru var tikt neitralizēta nelabvēlīgu laikapstākļu un viļņošanās ietekme. Laikapstākļu potenciometra vadītās ķēdes pakāpeniski padara nejūtīgāku vadības pastiprinātāju, kas, savukārt, nozīmē, ka nejūtīgā josla (*deadband*) paplašinās. Tāpat regulators palielina laika kavējumu stūres pagriešanas signālam, lai kuģis pats varētu atgriezties kursā, ja tas periodiski svārstās ap vertikālo asi. Tas nozīmē, ka stūres ierīce netiek pakļauta pastāvīgām komandām uz labo un kreiso bortu. Jo augstāks laikapstākļu regulatora iestatījums, jo platāka nejūtīgā josla. Tas palielina kuģa leņķisko svārstību ap vertikālo asi amplitūdu, kuru kuģis var paciest pirms stūres ierīces iedarbināšanas.

### Nesekojošais režīms
400px|thumb|right|F.U. un N.F.U. rokas režīmi
Šajā režīmā stūri vada ar roku izmantojot divu stāvokļu - labā un kreisā borta - slēdžus. Šie slēdži nepastarpināti vada vienvirziena vārstus hidrauliskās piedziņas ierīcē, tādējādi apejot atgriezenisko saiti. Nesekojošajā režīmā (*Non-follow-up mode (NFU)*) normāla autostūrmaņa darbība, ar atgriezenisko saiti, tiek apieta un dažkārt tiek teikts, ka stūre tiek vadīta "atvērtās cilpas" režīmā. No stūres nepienāk atgriezeniskās saites signāls, lai cilpu noslēgtu. Cilpu noslēdz stūres vīrs sekojot līdzi stūres pārlikšanas leņķa rādītājam un pārslēdzot nesekojošā režīma slēdžus pēc vajadzības.

### Sekojošais režīms
Sekojošajā režīmā (*Follow-up mode (FU)*) stūres vadības voltāža tiek pievadīta stūres kļūdas pastiprinātājam kopā ar stūres atgriezeniskās saites voltāžu. Stūres vadība tagad tiek realizēta ar vienas, vienkāršas noslēgtas cilpas palīdzību.

## Nejutīgā josla
Nejutīgā josla ir manuāli iestatīts joslas platums, kurā stūres mašīnas netiek darbinātas. Ja nejutīgā josla ir iestatīta pārāk plata, stūres komandas ievērojami ietekmē un maina kuģa kursu. Savukārt, ja josla ir pārāk šaura, kuģi gandrīz nepārtraukti ietekmē stūres darbība, izraisot pārmērīgu pretestību kustībai uz priekšu.

### Stūres pārskriešana aiz uzdotā slīpuma
400px|thumb|right|Stūres pārskriešanas aiz uzdotā slīpuma iespaids uz vadības sistēmas stabilitāti
Optimālai uzdotā kursa turēšanai ir svarīgi, lai autostūrmanis strādātu ar pēc iespējas šaurāku nejutīgo joslu. Visām stūrēšanas sistēmām raksturīga stūres pārskriešana (*overshoot*) aiz uzdotā stūres slīpuma.

Attēlā parādītas divas vertikālās asis. Pirmā attēlo stūres slīpumu grādos skaitot no diametrālās plaknes un otrā - voltāžu, kura atbilst stūres slīpuma devēja attiecīgajam leņķim.

Tiek pieņemts, ka laika momentā t = 0 s, autostūrmanis dod labā borta stūres komandu, kuras rezultātā tiek ievilkts labā borta stūres kontaktora enkurs un stūre uzsāk savu kustību uz labā borta pusi. Tā kā gandrīz visu autostūrmaņa sistēmu mehāniskajai saitei nepieciešams noteikts laiks pilna gājiena sasniegšanai, stūre nesasniedz savu galējo pārlikšanas ātrumu līdz laika momentam t = 2 s. Laika momentā t = 9 s, stūres slīpuma devēja atgriezeniskās saites signāls (Vp) šķērso labā borta releja izslēgšanas voltāžas robežu. Stūres ierīces sūkņa barošana tiek pārtraukta. Dabīgās inerces rezultātā stūre pārskries aiz uzdotā slīpuma un turpinās kustību uz labā borta pusi kā tas ir parādīts attēlā ar melno līniju. Ja pārskriešana aiz uzdotā slīpuma ir pietiekoši apjomīga, tad stūres slīpuma devēja atgriezeniskās saites signāls šķērsos kreisā borta releja ieslēgšanas voltāžas robežu (t = 12,5 s) un stūre sāks kustēties atpakaļ uz centrālo pozīciju kuģa diametrālajā plaknē. Laika momentā t = 15,25 s Vp šķērso kreisā borta releja izslēgšanas voltāžas robežu, atkal stūres ierīces barošana tiek pārtraukta. Stūres pārskriešana tagad velk līdzi Vp signālu atpakaļ pāri labā borta releja ieslēgšanas voltāžas robežai un stūre atkal sāk pārvietoties uz labā borta pusi. Šādu vadības sistēmu dēvē par nestabilu un, lai kuģi noturētu uzdotajā kursā, stūre nepārtraukti svārstās no viena borta uz otru.

Raustītā līnija parāda stabilas sistēmas ekspluatācijas īpašības. Šeit stūres pārskriešana aiz uzdotā slīpuma neiedarbina kreisā borta releju un tādējādi stūre pagriežas uzdotajā slīpumā vienā, nepārtrauktā kustībā.

Viena no metodēm kā stabilizēt nestabilu sistēmu ir samazināt stūres pastiprinātāja jūtību. Metode nav apmierinoša, jo tā palielina attālumus starp stūres releju ieslēgšanas un izslēgšanas robežspriegumiem, tādējādi paplašinot nejutīgo joslu un pavājinot stūres ierīces sniegumu, kā arī efektivitāti.

Labāks risinājums ir atslēgt stūres ierīces barošanu noteiktu laiku pirms Vp šķērso labā borta releja izslēgšanas voltāžas robežu. Šis iepriekš noteiktais atslēgšanas laiks ir atkarīgs no konkrētās stūres ierīces pārskriešanas raksturlielumiem. Attēlā parādītajā gadījumā stūres ierīces barošana tiek atslēgta laika momentā t = 6,5 s (2,5 s ātrāk). Stūres ierīcei piemītošā tieksme pārskriet pāri uzdotajam slīpumam, neradīs tik lielu Vp, lai iedarbinātu kreisā borta releju un stūres kustība sekos pārtrauktajai, stabilu sistēmu raksturojošai, līnijai. Šis princips tiek izmantots sistēmas pamatā, kuru dēvē par neīsto stūri (*phantom rudder*).

## Neīstā stūre
400px|thumb|right|Neīstās stūres darbības princips. Ar nepārtrauktu līniju neīstās stūres spriegums V<sub>p</sub>, kurš tiek izmantots atgriezeniskajā saitē. Ar pārtrauktu līniju īstās stūres pozīcija un stūres slīpuma devēja signāla voltāža V<sub>t</sub>
Ar neīstās stūres ātruma regulatoru iestata līdzstrāvas spriegumu, kuru pievada integratora ieejas pretestībai, lai tiktu ģenerēts pozitīvs un proporcionāli laikam mainīgs (lineārs) spriegums Vp. Attēlā tas redzams nepārtrauktas līnijas veidā.

Jāatzīmē, ka integratora izejas sprieguma polaritāte ir pretēja stūres slīpuma devēja signālam Vt, tādēļ grafika ordinātu asij ir divas voltāžas skalas. Iestatījumi ir tādi, ka spriegumu Vp un Vt slīpumi ir vienādi. Pieņemot, ka stūres ierīcei nepieciešama viena sekunde, lai sasniegtu savu galējo stūres pārlikšanas ātrumu, neīstais signāls šajā periodā apsteidz īsto par apmēram 0,75 V jeb vienu grādu. Laika momentā t = 2,4 s neīstais izejas signāls, kurš tiek izmantots kā atgriezeniskās saites signāls, sasniedz labā borta releja izslēgšanas robežspriegumu. Viens no releja kontaktiem atvieno integratora ieeju, apturot izejas signālu +3 voltos. Sistēma ir tā projektēta, ka šajā brīdī neīstās stūres ķēdes integratoram tiek pievadīts otrs ieejas signāls, lai šoreiz tiktu ģenerēts negatīvs un proporcionāli laikam mainīgs spriegums, kurš tagad pakāpeniski samazinās Vp. Tātad no šā brīža Vp samazinās zem +3 voltiem. Sprieguma samazinājums jeb sprieguma līknes slīpums, pēc laika momenta t = 2,4 s, tiek turēts neliels, ierobežojot integratora ieejas signāla amplitūdu.

Laika momentā, nedaudz pirms t = 3 s, neīstās stūres (Vp) un īstās stūres slīpuma devēja (Vt) izejas signāli kļūst skaitliski vienādi, bet pretējas polaritātes. Tas aptur integratora izejas signāla (Vp) pieaugumu. Šis stāvoklis nav stabils, jo stūre, inerces rezultātā, pārskries pāri dotā stāvokļa stūres slīpumam un Vt negatīvā vērtība turpinās pieaugt, tādēļ integrators atsāks ģenerēt pozitīvu un proporcionāli laikam mainīgu spriegumu, tomēr sprieguma pieaugums jeb līknes slīpums būs neliels un turpinās samazināties, kamēr pozitīvā Vp signāla vērtība skaitliski nekļūs vienāda ar negatīvo Vt vērtību. Laika momentā t = 7 s Vp kļūst vienāds ar Vt, bet pretēji vērsts. No šī brīža integratoram netiek pievadīts nekāds ieejas signāls, tā izejas signāls Vp tiks uzturēts sasniegtajā līmenī un neīstās stūres hipotētiskais slīpums kļūs tāds pats kā īstajai stūrei.

Šajā piemērā īstās stūres kavējums attiecībā pret neīsto stūri rodās tikai dēļ lēnās pilnā stūres pārlikšanas ātruma sasniegšanas. Praksē ir vēlams, lai neīstās stūres pārlikšanas ātruma signāls būtu par 20% lielāks nekā īstās stūres pārlikšanas ātruma signāls. Ar šādu iestatījumu neīstās stūres izejas signāls turpinās pieaugt attiecībā pret īstās stūres slīpuma devēja izejas signālu visu laiku, kamēr vien stūres ierīcei ir pievadīts barošanas spriegums. Tomēr jābūt paredzētiem kaut kādiem līdzekļiem, lai ierobežotu neīstās stūres izejas signāla nepārtraukto un pakāpenisko augšanu. Šādu uzdevumu veic ar tā saucamo neīstās "stūres ierīces pārskriešanu" (*steering gear overshoot*), kas efektīvi ierobežo integratora izejas signāla pieaugšanas ātrumu un pietuvina Vp īstās stūres slīpuma devēja signāla Vt līknei. Tas tiek realizēts vairākos secīgos posmos kā parādīts neīstās stūres praktiskā pielietojuma attēlā.
400px|thumb|right|Neīstās stūres praktiskais pielietojums

## Adaptīvais autostūrmanis
Līdz šim aprakstītās autostūrmaņa sistēmas darbojās izmantojot dažādus vadības paņēmienus, kuru visu pamatā bija nelielu atgriezeniskās saites izstrādātu signālu izmantošana. Pēc tam stūres vadības un atgriezeniskās saites signālus modificēja izmantojot proporcionālo vadību, integrēšanu un atvasināšanu, tādējādi izveidojot proporcionālo, integrālo un atvasinošo (*proportional, integral, derivative (PID)*) autostūrmaņa sistēmu kodolu. Lai PID autostūrmaņi darbotos efektīvi, to regulatoru iestatīšana prasa ievērojamu apkalpojošā personāla kompetenci. Nav iespējams vienmēr mainīt potenciometru iestatījumus pastāvīgi mainīgajos laikapstākļos, tādēļ sistēma nevar būt absolūti efektīva.

PID autostūrmani izstrādāja mēģinot panākt, lai kuģis seko kursam pēc iespējas precīzāk. Tāpat centās samazināt pārmērīgi lielus stūres pārlikšanas leņķus, jo tie izraisīja pretestību kuģa taisnvirziena kustībai. Tajā pašā laikā, lai samazinātu stūres ierīces dilšanu, ierobežoja stūres pārlikšanas gadījumu skaitu noteiktā laika periodā. Notika ievērojama kuģa dabīgo, periodisko leņķisko svārstību ap vertikālo asi iespaida uz ieturamo kursu izpēte, kuras rezultātā tika noskaidrots, ka taisns kurss ne vienmēr ir pats ekonomiskākais un ka kuģa dabīgās, periodiskās leņķiskās svārstības ap vertikālo asi nevajag izlīdzināt.

Pēdējo piecdesmit gadu laikā ievērojami konstruktori ir izstrādājuši moderno adaptīvo autostūrmaņu (*adaptive autopilot (AAP)*) darbības parametrus. Iespējams ietekmīgākais no šiem inženieriem ir N. H. Norbins (*N. H. Norrbin*). Viņš 1970. gadu sākumā izstrādāja veiktspējas indeksu, kurš saistīja nepilnīgas stūrēšanas vadības sistēmas ar to radīto papildus pretestību kuģa taisnvirziena kustībai. N. H. Norbins ieviesa izmērāmu "vidējās kursa kļūdas kvadrāta" vērtību. Vairums moderno AAP kontrolieru izmanto Norbina indeksu kā vienu no pamata vadības sistēmu raksturojošajiem parametriem. Papildus tam, ka taisns kurss ne vienmēr ir pats ekonomiskākais kurss, tika secināts, ka stūrēšanas vadībai vienmēr jābūt optimizētai ņemot vērā valdošos laikapstākļus un, lai samazinātu zaudējumus, jāizmanto pēc iespējas šaurāka nejūtīgā josla. Tātad stūrēšanas vadību ietekmē divi galvenie faktori:
* komplicētie kuģa raksturlielumi. Kuģa manevrēšanas parametri būs atšķirīgi katram kuģim, pat viena tipa kuģiem, un tie mainīsies atkarībā no kuģa nokraušanas;
* apkārtējās vides ietekme, īpaši vēja un plūdmaiņu straumes iespaids. Šī ietekme būs pastāvīgi mainīga un izraisīs momentānas, dažāda lieluma kļūdas kursā.
Atbilstoši daudzu gadu standarta praksei, kuģa manevrēšanas raksturlielumus var ieprogrammēt vairumā autostūrmaņa sistēmu un šo parametru ietekmi ņemt vērā. Tomēr ar apkārtējās vides ietekmi ir sarežģītāk. Kaut kādā mērā stūres vīrs var šo ietekmi ņemt vērā un tai darboties pretī. Tomēr, lai apkārtējās vides ietekmi neitralizētu pavisam, būtu nepieciešama sevišķi prasmīgas personas meistarība, tādas personas, kura spētu acumirklī paredzēt jebkādu kuģa un apkārtējās vides ietekmi pirms pārlikt stūri šīs ietekmes kompensēšanai. Daudz loģiskāk ir aizvietot stūres vīru ar datoru, kurš spēj daudz ātrāk reaģēt uz pastāvīgi mainīgajiem parametriem, kuri, savukārt, pienāk no dažādiem sensoriem.

Savā vienkāršākajā izpildījumā AAP ir labas kvalitātes autostūrmaņa sistēma ar savu ciparu vadības sistēmu (mikrodatoru), kura izstrādā galīgo stūres komandas signālu. Mikrodatorā glabājas dati par virtuālā kuģa dinamiku, kurus var analizēt, lai paredzētu reālā kuģa stūres komandas. Skaidrs, ka šī virtuālā kuģa dinamika ir kritiski svarīga AAP darbībai, tādēļ tā tiek precīzi ievadīta konkrētajam kuģim uz kura AAP tiks uzstādīts.

### Virtuālā kuģa princips
Vairums adaptīvo autostūrmaņu ir projektēti izmantojot virtuālā kuģa principu - datorā radītu kuģa modeli - un sekojošus kritērijus:
* kuģa drošas un pieņemamas veiktspējas robežparametrus, tajā skaitā kuģa ātrumu, nokraušanu un ārējās vides apstākļus;
* precīzu kuģa dinamiku, kas tieši saistīta ar tā stūrēšanas vadību;
* kuģa stūrēšanas sistēmas dinamiku;
* žirokompasa dinamiku;
* kuģa virziena un kustības jūrā dinamiku.
Pēc tam ir svarīgi noteikt pamata darba režīmus, kuri prasa īpašus veiktspējas kritērijus. Biežāk lietotais no šiem režīmiem ir kursa uzturēšana atklātā jūrā, kur optimizēta stūrēšana potenciāli var novest pie liela degvielas ietaupījuma.

### Kursa uzturēšana atklātā jūrā
Kuģa ekonomiskai ekspluatācijai ļoti svarīgs ir degvielas patēriņš, kuru ietekmē dzinēja efektivitāte, galsvere, korpusa zemūdens daļas stāvoklis un citi faktori. Šie faktori, tomēr, ir iepriekš paredzami un tos kompensējošos datus ir viegli iegūt un ievadīt AAP. Ir svarīgi, lai centrālais procesors atšķirtu kuģa/dzinēja zaudējumu parametrus no stūres kustībām, kā arī ierosinātu korektējošo stūres pārlikšanu tikai tad, kad kursa uzturēšanu ietekmē apkārtējās vides faktori nevis kuģa dabīgās leņķiskās svārstības ap vertikālo asi. Lai analizētu AAP kopējo veikumu stūrēšanas efektivitātes palielināšanā, ir tikuši izstrādāti dažādi matemātiski vienādojumi. AAP sistēma automātiski samazina piedziņas zaudējumus un to dēvē par adaptīvo vadības sistēmu. Terminu, adaptīvs, izmanto, jo kuģa modeļa matemātiskie parametri ir tikuši "adaptēti", lai atbilstu reālā kuģa parametriem.

Veiktspējas kritērijs, pēc tam, kad tas ir ticis reducēts līdz formai, kas piemērota analizēšanai uz kuģa, var tikt izteikts šādi:

J=(\lambda \psi ^{2}+\delta ^{2})dt,

kur *ψ* - kļūda kuģa kursā; *δ* - stūres slīpuma leņķis; *λ* - izsvēršanas kritērijs, kurš iegūts no stūrēšanas izraisīto pretestības spēku analītiskajām izteiksmēm.

Adaptīvajam autostūrmanim jābūt spējīgam pamanīt, kad ir uzdota kursa maiņa. To veic kursa maiņas vadības ķēde.

### Kursa maiņas kontrolieris
Mainot kursu standarta prakse ir manevru iedalīt trīs fāzēs:
* pagrieziena sākums;
* stabila pagrieziena periods;
* pagrieziena beigas.
Pārliktās stūres slīpums nosaka kuģa pagriešanās leņķisko ātrumu un arī maksimālo sānsveres leņķi. Tādēļ praksē maksimālo sānsveres leņķi nosaka maksimāli pieļaujamā stūres pārlikšanas slīpuma robežvērtība. Proporcionālais un kursa izmaiņas straujuma pastiprinājums katram kuģim un tā nokrautajam stāvoklim ir kuģa leņķiskā ātruma funkcija. AAP pastiprinājumus izvēlas pamatojoties uz optimizētiem virtuālā kuģa rezultātiem tā kontrolēta pagrieziena laikā. AAP prioritātei manevrējot ierobežotos ūdeņos jābūt drošībai.

### Ierobežotu ūdeņu režīms
Manevrējot ierobežotos ūdeņos, ir svarīgi, lai kuģa atrašanās vietas nobīde no nepieciešamās kursa līnijas būtu pēc iespējas mazāka. Tā kā centrālais procesors nevar noteikt kļūdu kuģa atrašanās vietā (nobīdē no kursa līnijas), tiek izmantots alternatīvs matemātisks jēdziens. Datus par nobīdi no nepieciešamās kursa līnijas iegūst kļūdu kuģa kursā līdzsvarojot ar stūres pārlikšanas leņķisko ātrumu:

J=\left ( \lambda \psi _{e}^{2}+\delta ^{2} \right )dt.

Galvenā atšķirība starp atklātās jūras kursa uzturēšanas kontrolieri un ierobežoto ūdeņu kontrolieri ir tāda, ka pēdējā pastiprinājumu ietekmē tikai kuģa ātrums.

## Atsauces

## Ārējās saites
* Tetley L. un Calcutt D. grāmata par elektroniskajām navigācijas sistēmām ''Electronic Navigation Systems'' 3. izdevums. Tās 9. nodaļa veltīta autopilotiem 
* Īss video par kuģa autopilotu