Αυτόματος Έλεγχος

Ο **αυτόματος έλεγχος** είναι ο επιστημονικός και τεχνολογικός κλάδος που ασχολείται με τη ρύθμιση της συμπεριφοράς δυναμικών συστημάτων χωρίς συνεχή ανθρώπινη παρέμβαση. Στόχος του είναι η διατήρηση μιας μεταβλητής σε επιθυμητή τιμή ή η μεταβολή της σύμφωνα με προκαθορισμένο νόμο λειτουργίας. Ο αυτόματος έλεγχος αποτελεί βασικό πεδίο της μηχανικής ελέγχου και του αυτοματισμού, με εφαρμογές στη βιομηχανία, στις μεταφορές, στην αεροναυπηγική, στη ρομποτική, στα ενεργειακά συστήματα και στις τηλεπικοινωνίες.

thumb|300px|Βασική δομή συστήματος κλειστού βρόχου με ελεγκτή PID.

## Ορισμός
Ένα σύστημα αυτόματου ελέγχου είναι ένα σύστημα με το οποίο μία ή περισσότερες μεταβλητές εξόδου εξαναγκάζονται να ακολουθούν μια προκαθορισμένη τιμή αναφοράς ή να μεταβάλλονται εντός επιθυμητών ορίων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλης επεξεργασίας της πληροφορίας εισόδου και, στις περισσότερες περιπτώσεις, μέσω μηχανισμών ανάδρασης.

Η βασική αρχή του αυτόματου ελέγχου είναι η σύγκριση μεταξύ:
* της **τιμής αναφοράς** (setpoint),
* της **πραγματικής τιμής** της ελεγχόμενης μεταβλητής,
* και του **σφάλματος** μεταξύ των δύο.

Το σφάλμα αυτό χρησιμοποιείται από τον ελεγκτή ώστε να παραχθεί διορθωτική ενέργεια προς το σύστημα.

## Βασικά στοιχεία
Ένα τυπικό σύστημα αυτόματου ελέγχου περιλαμβάνει:
* **τιμή αναφοράς** ή επιθυμητή τιμή,
* **ελεγκτή**,
* **διεργασία** ή φυτό (plant),
* **αισθητήρα** ή σύστημα μέτρησης,
* **σήμα ανάδρασης**,
* και **ενεργοποιητή**.

Η έξοδος του συστήματος μετράται και, όταν υπάρχει ανάδραση, επιστρέφει στον ελεγκτή ώστε να λαμβάνονται διορθωτικές αποφάσεις σε πραγματικό χρόνο.

## Κατηγορίες συστημάτων
### Συστήματα ανοικτού βρόχου
Στα συστήματα **ανοικτού βρόχου** η ενέργεια ελέγχου δεν εξαρτάται από την πραγματική έξοδο του συστήματος. Το σύστημα εκτελεί μία εντολή χωρίς να ελέγχει αν επιτεύχθηκε το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Παραδείγματα:
* απλό χρονόμετρο λειτουργίας συσκευής,
* προγραμματισμένη λειτουργία κινητήρα,
* ορισμένες απλές οικιακές συσκευές.

Τα συστήματα αυτά είναι συνήθως απλούστερα και οικονομικότερα, αλλά παρουσιάζουν μειωμένη ακρίβεια όταν υπάρχουν διαταραχές ή μεταβολές στις συνθήκες λειτουργίας.

### Συστήματα κλειστού βρόχου
Στα συστήματα **κλειστού βρόχου** η έξοδος μετράται και συγκρίνεται με την επιθυμητή τιμή. Η διαφορά τους χρησιμοποιείται για συνεχή διόρθωση της λειτουργίας του συστήματος.

Παραδείγματα:
* θερμοστάτης,
* αυτόματος πιλότος αεροσκάφους,
* cruise control αυτοκινήτου,
* βιομηχανικά συστήματα ελέγχου πίεσης, θερμοκρασίας ή ταχύτητας.

Το κύριο πλεονέκτημα του κλειστού βρόχου είναι η μεγαλύτερη ακρίβεια και η δυνατότητα αντιμετώπισης εξωτερικών διαταραχών.

## Ιστορική εξέλιξη
Οι πρώιμες μορφές αυτόματου ελέγχου εμφανίσθηκαν ήδη στην αρχαιότητα, σε υδραυλικές και μηχανικές διατάξεις αυτορρύθμισης. Ωστόσο, η θεμελιώδης ανάπτυξη του κλάδου συνδέθηκε με τη Βιομηχανική Επανάσταση.

Ιδιαίτερα γνωστό είναι το παράδειγμα του **φυγοκεντρικού ρυθμιστή** (flyball governor) του James Watt, που χρησιμοποιήθηκε για τη ρύθμιση της ταχύτητας ατμομηχανών. Ο μηχανισμός αυτός αποτελούσε κλασικό παράδειγμα συστήματος ανάδρασης, καθώς η μεταβολή της ταχύτητας προκαλούσε μηχανική προσαρμογή της παροχής ατμού.

thumb|300px|Φυγοκεντρικός ρυθμιστής του James Watt, κλασικό ιστορικό παράδειγμα αυτόματου ελέγχου.

Κατά τον 19ο αιώνα, ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ ανέλυσε μαθηματικά τη λειτουργία τέτοιων ρυθμιστών, θέτοντας τις βάσεις της σύγχρονης θεωρίας ελέγχου. Στον 20ό αιώνα, η ανάπτυξη της θεωρίας ευστάθειας, των σερβομηχανισμών και των ελεγκτών PID οδήγησε σε ταχεία εξάπλωση των αυτοματοποιημένων συστημάτων.

thumb|300px|Σχηματική απεικόνιση φυγοκεντρικού ρυθμιστή.

## Θεμελιώδεις έννοιες
Οι βασικές έννοιες του αυτόματου ελέγχου περιλαμβάνουν:
* **ευστάθεια** του συστήματος,
* **μεταβατική απόκριση**,
* **μόνιμο σφάλμα**,
* **υπερύψωση**,
* **χρόνο αποκατάστασης**,
* **παρατηρησιμότητα**,
* **ελεγξιμότητα**.

Η μελέτη αυτών των χαρακτηριστικών επιτρέπει τη σχεδίαση συστημάτων με επιθυμητή συμπεριφορά, αντοχή σε διαταραχές και ασφαλή λειτουργία.

## Μέθοδοι ελέγχου
Οι πιο γνωστές μέθοδοι αυτόματου ελέγχου είναι:
* **αναλογικός έλεγχος** (P),
* **αναλογικο-ολοκληρωτικός έλεγχος** (PI),
* **αναλογικο-διαφορικός έλεγχος** (PD),
* **αναλογικο-ολοκληρωτικο-διαφορικός έλεγχος** (PID).

Ο **ελεγκτής PID** είναι από τις πιο διαδεδομένες μορφές ελέγχου στη βιομηχανία, διότι συνδυάζει:
* αναλογική αντίδραση στο τρέχον σφάλμα,
* ολοκληρωτική διόρθωση για εξάλειψη του μόνιμου σφάλματος,
* και διαφορική πρόβλεψη της δυναμικής μεταβολής.

Εκτός από τις κλασικές μεθόδους, στη σύγχρονη θεωρία χρησιμοποιούνται επίσης:
* βέλτιστος έλεγχος,
* προσαρμοστικός έλεγχος,
* εύρωστος έλεγχος,
* μη γραμμικός έλεγχος,
* έλεγχος κατάστασης χώρου,
* και ευφυή συστήματα ελέγχου.

## Εφαρμογές
Ο αυτόματος έλεγχος χρησιμοποιείται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών, όπως:
* σε βιομηχανικές γραμμές παραγωγής,
* σε χημικές και ενεργειακές εγκαταστάσεις,
* σε αεροσκάφη, πλοία και διαστημικά συστήματα,
* σε ρομποτικά συστήματα,
* σε ηλεκτρονικά κυκλώματα,
* σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα,
* σε ιατρικές συσκευές,
* σε αυτόνομα οχήματα,
* και σε συστήματα διαχείρισης κτιρίων.

Ειδικά στη σύγχρονη εποχή, ο αυτόματος έλεγχος αποτελεί θεμελιώδες στοιχείο για την ανάπτυξη της Βιομηχανίας 4.0, της έξυπνης παραγωγής και των κυβερνοφυσικών συστημάτων.

## Σχέση με άλλα πεδία
Ο αυτόματος έλεγχος συνδέεται στενά με:
* τη θεωρία ελέγχου,
* τη θεωρία συστημάτων,
* την κυβερνητική,
* τη μηχανολογία,
* την ηλεκτρολογία,
* την πληροφορική,
* και τα εφαρμοσμένα μαθηματικά.

Η μαθηματική περιγραφή των συστημάτων αυτόματου ελέγχου βασίζεται κυρίως σε διαφορικές εξισώσεις, στη γραμμική άλγεβρα, στη θεωρία μετασχηματισμών, καθώς και στη μοντελοποίηση δυναμικών συστημάτων.

## Δείτε επίσης
* Θεωρία ελέγχου
* Σύστημα ελέγχου
* Μηχανική ελέγχου
* Ανάδραση
* [[Κυβερνη]()]()*