Die Kybernetik befasst sich mit der Untersuchung von Vorgängen
und Gesetzmäßigkeiten in materiellen dynamischen Systemen.
Sie umfasst die biologische, technische und ökonomische Kybernetik.
Für die Betrachtung der Automatisierungstechnik ist die technische Kybernetik von
Interesse.
Die technische Kybernetik nutzt die System-, Informations-, Reglungs-, Algorithmen- und
Spieltheorie. mit Hilfe dieser Theorien lassen sich lassen sich die Systeme der
Automatisierungstechnik untersuchen.
Teile der Automatisierungstechnik sind die Fernmess-, Fernwirk-, Steuerungs- und
Reglungstechnik und die PC-Prozesssteuertechnik.
Insbesondere sind in der Kybernetik Systeme von Interesse, bei deren Untersuchung es nicht nur um das statische Verhalten sondern auch um das dynamische Verhalten ankommt.
Systemtheorie:
Bei dieser Theorie werden statische und dynamische Untersuchungen an Systemen und
den darin enthaltenen Teilsystemen durchgeführt. Hierbei ist aber auch das die
Beziehungen der Teilsysteme und des Gesamtsystems untereinander und mit der Umgebung
von Interesse.
Reglungstheorie:
Sie befasst sich mit der statischen und dynamischen Untersuchung des Einflusses
von Störungen aus der Umgebung auf Regelsysteme und zeigt Möglichkeiten auf,
den Einfluss dieser Störungen auszugleichen.
Informationstheorie:
Sie bringt allgemeine Erkenntnisse zur Informationserfassung, -übertragung,
-auswahl und -verarbeitung.
Algorithmentheorie:
Sie befasst sich damit informellen Systemen zu gewährleisten, hierzu
bestimmt sie die logischen Schritte, die notwendig sind, um einer bestimmten
Eingangsfunktion die richtige Ausgangsfunktion zuzuordnen.
Spieltheorie:
Sie untersucht das statische und dynamische Verhalten von Systemen untereinander
und mit den Einflüssen der Umgebung.
Bei der Betrachtung von kybernetischen Systemen sind die Begriffe System und Prozess wichtig.
Konkrete Systeme sind alle Gegenstände in denen irgendwelche Prozesse ablaufen oder diese Prozesse beeinflussen. das sind z.B. Maschinen, chemische Anlagen, Menschen, Tiere, Pflanzen und andere.
Bei abstrakte Systeme betrachtet man ausschließlich wie diese Systeme
bei Veränderungen der Eingangsgrößen in den Ausgangsgrößen
sich verändern. Hierdurch sind mechanischen, hydraulischen, pneumatischen,
elektrischen und anderen Systemen vergleichbar. Das heißt zum Beispiel beim Hebelgesetz
in der Mechanik und bei der Spannungsteilerregel in der Elektrik ergeben sich,
wenn man diese Systeme abstrakt betrachtet, die selben Eigenschaften.
| Hebelgesetz | Spannungsteilerregel | |
| Skizze |  |
 |
| Formelzeichen | F1 : Kraft Hebelarm 1 l1 : Länge Hebelarm 1 F2 : Kraft Hebelarm 2 l2 : Länge Hebelarm 2 |
R1 : Teilwiderstand U1 : Spannung an R1 Rges : Gesamtwiderstand Uges : Spannung an Rges |
| Formel | F1 · l1 = F2 · l2 |  |
| Eingangsgröße xe | F1 | R1 : Rges Widerstandsverhältnis |
| Ausgangsgröße xa | F2 | U1 |
| Formel nach Ausgang umgestellt |
F2 = (F1 · l1): l2 | U1 = (R1 · U2) : Rges |
| Formel anders dargestellt |
F2 = (l1 : l2) · F1 | U1 = U2 · ( R1 : Rges) |
| xe und xa eingesetzt ergibt |
xa = (l1 : l2) · xe | xa = U2 · xe |
| Übertragungsfaktor K | l1 : l2 | U2 |
| K eingesetzt | xa = K · x2 | |
Jedes System besteht aus mehr oder weniger vielen Teilsystemen oder Gliedern (auch Elemente genannt), die sich gegenseitig beeinflussen. Um sich gegenseitig beeinflussen zu können, sind die Glieder untereinander gegenseitig gekoppelt (z.B. die Hebelarme sind über den Drehpunkt dieser gekoppelt). Jedes System wird um es einfach betrachten zu können, soweit in Teilsysteme oder Glieder zerlegt bis sie durch eine Funktion beschrieben werden können, oder keine Zerlegung mehr möglich ist.
Alle Teilsysteme mit ihren Funktionen und die Wege und die Art der gegenseitigen
Beeinflussung ergeben Struktur des Systems.
Ein Beispiel: System Auto lenken
Dieses System kann in Teilsystemen unterteilt werden:
1.Teilsystem: Informationsgewinnung - Der Fahrer sieht den Straßenverlauf
2.Teilsystem: Informationsverarbeitung - Der Fahrer hat eine Kurve gesehen und
schlussfolgert daraus ich muss das Lenkrad drehen.
3.Teilsystem: Informationsnutzung - Das Lenkrad wird gedreht, und das Auto fährt in die
gewünschte Richtung.
Jedes der 3 Teilsysteme gehört zum System Auto lenken und ist mit anderen Teilsystemen
gegenseitig gekoppelt zur Informationsübertragung und jedes Teilsystem und das
Gesamtsystem hat Ein- und Ausgänge. Die Teilsysteme können als Struktur
des Gesamtsystems mit den gegenseitigen Kopplungen dargestellt werden.
Oder es wird nur das Gesamtsystem als ganzes betrachtet.
Zur Lösung von Aufgaben der Automatisierungssysteme, ist in vielen Fällen
eine mathematische Beschreibung der Beziehungen der Ein- und Ausgangsgrößen
notwendig, dazu dienen mathematische Funktionen und die Berechnungen erfolgen meist
anhand von abstrakten Systemen (siehe Tabelle oben in dieser Seite). Das System ist
einfach, in der Praxis haben auf die Ausgangsgröße meist mehrere
Eingangs- und auch Ausgangsgrößen Einfluss.
Bei der abstrakten Betrachtungsweise der Systeme wird die Berechnung der notwendigen
Anlagen sehr erleichtert.
Um Systeme mathematisch als Modelle darzustellen, kann man theoretisch oder
experimentell vorgehen.
Die theoretische Methode über bekannte naturwissenschaftliche Formeln und
wird in der Regel experimentell abgesichert, indem man für bestimmte Änderungen
der Eingänge die Ausgänge vorher berechnet, und das übereinstimmen
von Theorie und Praxis überprüft.
Die experimentelle Methode kann über das aktive und das passive Experiment
erfolgen.
Bei dem aktive Experiment werden die Eingänge nach festgelegten Werten
im Zeitverlauf geändert (z.B. Sprungeingang, Anstiegseingang, Sinuseingang), und
die Ausgangsgröße dann Beobachtet und protokolliert. Es ergibt sich eine
entsprechende Antwort ( Sprungantwort, Anstiegsantwort, Sinusantwort). Hieraus
kann nach einen bestimmten Muster die entsprechende mathematische Funktion abgeleitet
werden.
Das aktive Experiment kann aber nur in Anlagen durchgeführt werden, bei der die
Sicherheit der Anlagen bei den den vorher definierten Eingängen unter allen
Umständen gesichert bleibt.
Das passive Experiment ist bei Anlagen notwendig, bei denen aus
Sicherheitsgründen die vorher festgelegten Eingänge nicht eingestellt
werden können. Da die Eingänge in diesen Bereich auch meist ständig
verändert werden müssen, muss man die Ein- und Ausgänge
beobachten und protokollieren. Das mathematische Modell muss dann aus den
protokollierten Daten ermittelt werden.
Einfach wird es jetzt. Wichtig sind nur die mathematischen Funktionen zwischen Ein- und Ausgangsgrößen. Diese beschreiben die ganze Funktionsweise des Systems nach außen, die einzelnen Abläufe im inneren des Systems sind dann unwichtig.
Physikalische Größen haben verschiedene Eigenschaften die dem zeitlichen Verlauf unterzogen sind. Dies können z.B. der Effektivwert, die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage sein. Die Größe dieser einzelnen Eigenschaften können, wenn sie Informationen transportieren sollen oder der Änderung die auf den in System ablaufenden Prozess zurückzuführen ist, gewollt ändern, oder durch Störgrößen ungewollt.
Ein Signal ist die Darstellung Informationen (z.B. Messwerte) durch einen Signalträger (physikalische Größe), die Parameter (z.B. Amplitude, Frequenz) enthalten, deren Werteänderung Zeitverlauf der Größe abbildet.
Eine Information ist eine Mitteilung, hier von besonderen Interesse die Ein- und
Ausgangsgrößen der Systeme. Die Eigenschaft des Signals, das die Information
enthält nennt man Informationsparameter.
Es muss aber sicher gestellt werden, dass das Signal mit dem Informationsparameter
von den einen System gesendet wird, auch von dem System, dass die Informationen
erhält dieses Signal mit den Informationsparametern kennt.
Mit anderen Worten die Systeme, die die Informationen austauschen, müssen die
selbe Sprache sprechen, damit der Empfänger auch die Information versteht.
Die Sprache die beide Systeme verstehen, wird aus einen Zeichenvorrat gebildet.
z.B. Bei einer Temperaturmessung mit einen Widerstandsthermometer Pt100 ist
dieser Zeichenvorrat, die Temperatur-Widerstandstabelle des Pt100. Der wird vom
Messgerät und dem Widerstandsthermometer verstanden, die Messung ist OK.
Sollte man aber statt ein Pt100 in dieser System ein Widerstandsthermometer Ni500
einsetzen, wird dies unweigerlich dazu führen, dass das Messergebnis
nichts mit der realen gemessenen Temperatur zu tun hat. Es besteht kein gemeinsamer
Zeichenvorrat, dir Systeme sprechen eine unterschiedliche Sprache.
Die Information, die übertragen wird kann einen unterschiedlich großen Informationsgehalt haben. Dies kommt meiner Meinung nach am besten bei den digitalen Signalparametern zum Ausdruck. Ein Bit enthält nur zwei Werte, ein Nipple = 4 Bit enthält 16 Werte, ein Byte = 8 Bit enthält 255 Werte. Je nachdem wie viele Bit für die Information übertragen und genutzt werden, kann der Informationsgehalt unterschiedlich groß sein.
Der Informationskanal ist das Medium in dem das Signal transportiert wird (bei elektrischen Signalen elektrische Kabel, bei pneumatischen Signalen pneumatische Kabel).
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