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Kybernetik

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Rolf Todesco

Kybernetik

Vorwort

Die Wortendung "-ik" im Wort Kybernetik lese ich als Verweis auf die Einheit einer Praxis und der dazu gehörenden Lehre. Kybernetik ist in diesem Sinne auch eine Lehre des Machens oder Herstellens, also nicht eine Lehre über die Natur der Welt. Die Kybernetik sehe ich als Anweisung zur Konstruktion von Erklärungen, die auf die Frage "wie funktioniert das?" antworten. Ich kann mich als Beobachter fragen, wie ein bestimmtes Phänomen zustande kommt und ich kann mich als Ingenieur fragen, wie ich dieses Phänomen erzeugen könnte. Ich kann mich angesichts Temperaturschwankungen vor meinem Haus beispielsweise fragen, warum es in meiner Wohnung immer etwa zwanzig Grad warm ist, und ich kann mich fragen, was ich konstruieren könnte, damit es in meiner Wohnung immer etwa zwanzig Grad warm ist. In beiden Fällen besteht die kybernetische Antwort in einer Steuerung, die ich als Regelung der Temperatur in meiner Wohnung begreifen kann.

Die eigentlichen Macher, also die Ingenieure sprechen oft von Regelungstechnik oder von Automatik, wenn sich mit geregelten Mechanismen befassen. Sie haben dabei normalerweise die Herstellung von Automaten vor Augen. In der Kybernetik geht es nicht nur um die Herstellung von Maschinen, sondern auch darum, jedes beobachtete Verhalten als Funktionsweise von Mechanismen zu begreifen. Die kybernetische Antwort beschreibt einen Mechanismus mit der entsprechenden Funktionsweise. Jeder Mechanismus repräsentiert dabei ein hinreichend definiertes Verhalten. Den Ausdruck Mechanismus verwende ich, wenn ich die Funktionsweise eines Automaten hervorheben will, also genau dann, wenn ich sein Verhalten erläutern will.

Kybernetik beschreibt die Regelung unabhängig davon, was geregelt wird, als generalisiertes Verfahren. Aber kybernetisch wird immer ein materieller Prozess geregelt, der jenseits seiner Regelung beschreibbar ist. Ich heize beispielsweise im Winter meine Wohnung, weil sie mir sonst zu kalt wird. Ich steure damit die Temperatur in meiner Wohnung. Wenn ich keine geregelte Heizung habe, regle ich die Temperatur selbst, indem ich mehr oder weniger heize. Wenn ich heize, verbrenne ich jenseits jeder Regelung beispielsweise Erdöl in einem Ofen.

Die kybernetische Regelung beinhaltet eine Steuerungsmassnahme und eine Kontrolle der Wirkung dieser Massnahme, die in einem fortgesetzten Vergleichen des durch die Massnahme herbeigeführten Istzustandes mit einem gewünschten oder angestrebeten Sollzustand besteht. Das Resultate dieses Vergleichens löst als Feedback allenfalls weitere Massnahmen aus. Im Falle einer Heizung wird nach jeder erfolgten Massnahme, die die Heizung ein- oder ausschaltet, die jeweils daraus resultierende Temperatur gemessen, und je nachdem eine weitere Heizmassnahme ausgelöst, die die Heizung wiederum ein- oder ausschaltet.

Der materielle Prozess, der kybernetisch geregelt wird, betrifft einen variablen Zustand mit einem Soll- oder Eigenwert, der ohne Regelungsmassnahmen nicht eingehalten wird. Würde ich nicht heizen, wäre meine Wohnung im Winter nicht 20 Grad warm und würde ich ohne Regelung immer weiter heizen, wäre meine Wohnung auch im Winter weit über 20 Grad warm. Die Ursache dieser Abweichung vom Sollwert bezeichne ich als Störung. Kybernetisch spielt keine Rolle, worin die Störung besteht, sie wird durch die Regelung kompensiert.

Sehr oft führen die Massnahmen, die ich ergreife, nicht zum Soll-Zustand, sondern nur in dessen Nähe, und das nicht sofort, sondern mit einer Verzögerung. Wenn es in meiner Wohnung zu kalt ist, beginne ich zu heizen. Dann ist es aber eine zeitlang immer noch zu kalt, weil das heizen nicht sofort wirkt. Und nach einer gewissen Zeit ist es vielleicht zu warm, weil es schwierig ist, genau so viel zu heizen, dass der Sollwert genau erreicht wird. Die Temperatur in der Wohnung ist überdies von der Aussentemperatur abhängig, die sich ihrerseits laufend verändern kann. Die Regelung reagiert immer so auf die momentane Abweichung vom Sollwert, dass dieser angestrebt wird. Der Istwert pendelt dabei um den Sollwert, weshalb ich von einem Fliessgleichgewicht spreche, das einer permanenten Regelung unterliegt. Die ideale Regelung würde natürlich den Sollwert permanent und ohne Verzögerungen einhalten.

Kybernetisch(gesehen)e Prozesse sind in dem Sinne zirkulär, als jede Massnahme als Ursache weiterer Massnahmen gesehen werden kann. Wenn die Heizung einschaltet, weil es zu kalt ist, muss sie danach vielleicht wieder ausschalten, weil es zu warm geworden ist, worauf sie wieder einschalten muss, weil es ohne heizen, wieder zu kalt wird. Kybernetische Kreise sind Wirkungsgefüge, deren Elemente durch einen Fluss so gesteuert werden, dass sie ihrerseits einen Fluss in Bewegung setzen, der ein weiteres Element steuert. Der Strom, der vom Thermostat zum Ölbrenner fliesst, bewirkt, dass nachher heisses Wasser in die Heizkörper fliesst. Das heisse Wasser im Heizkörper bewirkt, dass warme Luft zum Thermometer fliesst. Diese warme Luft bewirkt, dass vom Thermometer ein Signal zum Themostaten fliesst. Von jedem Element zum nächsten fliesst ein separater Fluss. Der kybernetische Kreislauf besteht aus einer Abfolge von Flüssen, von welcher jeder den nachfolgenden steuert.

In der einfachen schematischen Darstellung sind die kybernetischen Flüsse Variablen, die als Eingangs- und Ausgangsgrössen durch kybernetische Funktionen verbunden sind, die Differenzbildner, Regler und Strecke heissen. Im Differenzbildner wird der Feedback über den Istzustand mit dem Sollwert verrechnet. Im Regler wird die Kompensations-Massnahme aufgrund des Signals aus dem Differenzbildner ausgeführt. In der Strecke unterliegt die zu regelnde Grösse sogenannten Störungen. Der Heizkörper einer Heizung beispielsweise bestimmt die Raumtemperatur und wird von ihr betroffen. In einem noch kühlen Raum bewirkt die Raumtemperatur eine Abkühlung des Heizkörpers, der warme Heizkörper aber ein Aufheizen der Raumtemperatur. Von einer Strecke wird - wohl - gesprochen, weil das eigentliche Heizen beim Oelbrenner passiert, das beheizte Wasser aber eine Strecke durch die Heizkörperanlage zurücklegen muss, und die Wärme eine noch weitere Strecke durch den beheizten Raum bis zu Thermometer.

Kybernetische Flüsse brauchen wie alle Flüsse einen Antrieb. Bei der Heizung beispielsweise bewegt der elektrische Strom, der vom Thermostat kommt, einen Mechanismus in der Ölzufuhr zum Brenner, wodurch das Öl zum Brenner fliessen kann. Die Bewegung dieses Mechanismus wird durch den Strom vom Thermostaten angetrieben, das Öl aber nicht. Der Ölfluss braucht einen eigenen Antrieb, etwa eine Ölpumpe, die natürlich auch elektrische angetrieben werden kann, aber einen eigenen Energiekreis mit einer eigenen Quelle braucht. Wenn ich - funktional - die Temperatur in der Wohnung als Zweck begreife, sehe ich den Regelungsmechanismus als eine zusätzliche Konstruktion mit einem eigenen Energiekreis, den ich als sekundär bezeichne, weil er logisch als Zusatz zur Heizung erscheint. Mit dem sekundären Energiekreis wird der relativ dazu primäre Energikreis gesteuert. Der Fluss im sekundären Energiekreis wird umgangssprachlich als Information bezeichnet, als "Unterschied, der einen Unterschied macht". Ein Unterschied im sekundären Kreis macht einen Unterschied im primären Kreis. Auf die Heizung bezogen wäre der Energiefluss vom Thermostat zum Brenner eine Information bezüglich der Raumtemperatur. Und von dieser Information abhängig würde die Heizung einschalten oder nicht, also einen Unterschied machen.

Die allgemeine Repräsentation dieses kyberentischen Grundprinzips ist der Verstärker oder Transitor, in welchem anhand eines schwachen Signals, das etwa über eine Radioantenne empfangen wird, ein starkes Signal erzeugt wird, das auf Strom aus der Steckdose beruht. Das Signal wird also nur quasi verstärkt, eigentlich wird es durch ein starkes Signal ersetzt. Wenn ich einem Hund einen Tritt gebe, kann der Tritt so stark sein, dass der Hund durch meine Energie wegfliegt, oder immerhin so stark, dass er mit seiner eigenen Energie wegrennt. Im zweiten Fall wäre meine Energie sekundär, also Information.

Kybernetisch ist Information also ein Energiefluss wie jeder andere. Nur die Konstruktion des Mechanismus definiert, ob die Energie einen weiteren Energiekreis steuert. Und welcher Energiekreis innerhalb eines Feedbacksystems sekundär ist, lässt sich nur funktional bestimmen. Im Falle der Heizung steuert natürlich die Heizung durch die Raumwärme den Thermostaten ebenso, wie der Thermostat die Heizung steuert. Genau deshalb spreche ich von einem kybernetischen Kreis.

System und Verhalten

Wenn ich einen Mechanismus als Erklärung für ein bestimmtes Verhalten verwende, spreche ich von einem kybernetischen System. Kybernetische Systeme sind also nicht Gegenstände, die es gibt, sondern das, was ich beschreibe, wenn ich die Funktionsweise von Gegenständen beschreibe, die ein Verhalten zeigen - unabhängig davon, ob es sie gibt. Wenn ich von einem Mechanismus spreche, meine ich keine Maschine, sondern eine Funktionsweise, die in einer Maschine verwirklicht sein kann. N. Wiener, der den Ausdruck Kybernetik prägte, sprach deshalb etwas umständlich von "Regelung und Kommunikation im Tier und in der Maschine", weil der gemeinte Mechanismus auch in einem natürlichen Gegenstand gesehen werden kann. W. Asby projizierte den Mechanismus sogar in die Geisterwelt. Aber unabhängig davon, was ich kybernetische erkläre, beschreibe ich immer einen Mechanismus, den ich im Prinzip herstellen kann.

Als Verhalten bezeichne ich in diesem kybernetischen Sinn das Operieren eines Mechanismus, das sich in intendierten Zustandsänderungen von beobachteten Variablen zeigt. Als Mechanismus kommt nur in Frage, was Operationen ausführt. Ein Hammer ist kein Mechanismus, er verändert seinen Zustand nicht intendiert. Ich dagegen kann mich intentional (so oder so) verhalten. Und ich kann das Verhalten eines Mechanismus, der Intentionen repräsentiert, beobachten. In der Kybernetik ist die Intention durch Soll- oder Eigenwerte spezifisch aufgehoben. Eine thermostatengeregelte Heizung hat natürlich kein Interesse daran, die Raumtemperatur konstant zu halten, aber sie bewirkt es, weil sie dafür hergestellt wurde.

In der Kybernetik spielt die Intention keine Rolle. Ich beobachte nicht, welchen Sinn ein Mechanismus hat, ich beobachte seine Funktionsweise. Ich unterscheide verschiedene Entwicklungsstufen des Mechanismus. Ein einfacher Mechanismus, beispielsweise eine Maschine, hat keine Regelung, sie muss von ihrem Benutzer geregelt werden. Kompliziertere Mechanismen, beispielsweise sogenannte Automaten, haben eine Regelung. In der Kybernetik interessieren nur die geregelten Mechanismen.

Bei der Regelung von Mechanismen unterscheide ich verschiedene Entwicklungsstufen, die auch in der Technikgeschichte grundlegend sind. Ich spreche von Halbautomaten, wenn die Regelung implizit erfolgt, also keinen eigentständigen Energiekreis besitzt. Eigentliche Automaten haben eine explizit konstruierte Regelung mit einer eigenen Energieversorgung. Ich erläutere die Unterscheidungen anhand einer Wasserstandsregelung. Im einfachsten Fall, etwa bei einem Dorfbrunnen wird der Wasserstand durch eine entsprechend angebrachte Öffnung gesteuert. Der Zufluss ist ohne Regelung. Der Brunnen überläuft nicht, weil das Wasser ab einem bestimmten Niveau hinreichend schnell abfliesst. In diesem Fall gibt es nichts zu regeln. Im einfachsten Fall einer Wasserstandsregelung verwende ich beispielsweise einen Schwimmkörper, der über ein Gestänge mit einem Ventil in der Zuleitung verbunden ist. Wenn der Wasserstand sinkt, wird das Ventil entsprechend geöffnet. Die Regelung erfolgt ohne eigenständiges Signal. Das Ventil braucht keine eigene Energieversorgung, es reagiert direkt und proportional auf den Wasserstand. Diesen Fall bezeichne ich als Halbautomaten. Die Regelung funktioniert offensichtlich nur unter hinreichenden Bedingungen, der Abfluss darf nicht lange grösser sein als der Zufluss. In einer technisch entwickelteren Wasserstandsregelung leite ich aus dem Wasserstand beispielsweise ein elektrisches Signal ab, mit welchem ein Ventil mit einer eigenen Energieversorgung gesteuert wird. Ein solches Signal kann dann in der Regelung an beliebige weitere Bedingungen gekoppelt werden. Ich kann beispielsweise das Signal von der Tageszeit abhängig machen, was bei thermostatenregulierten Heizungen normalerweise getan wird. Bei der abgebildeten impliziten Regelung ist das nicht möglich.

Bildquelle: Knespl, J.: Regelungstechnik

Für die kybernetische Beschreibung spielt die konkrete Konstruktion des Mechanismus im Prinzip keine Rolle. Ich beschreibe hier konkrete Mechanismen, um wichtige Unterscheidungen anschaulich zu machen.

Zwei für die Kybernetik wichtige Unterscheidungen will ich explizit erläutern, weil sie jenseits der Kybernetik oft verwechselt oder vermischt, oder weil die Wörter einfach ganz anders verwendet werden:

Den Ausdruck "kontinuierlich" verwende ich für Veränderung, die ich als stetig oder stufenlose beobachte, also durch gezeichnete Kurven und nicht als gezeichnete Treppen darstelle. Mit kontinuierlich bezeichne ich also immer auch den Auflösungsgrad einer Beobachtung, in welcher ich keine Stufen mehr erkennen kann. Im Bild gesprochen steigt der Wasserstand, und damit der Schwimmer und die Ventilöffnung kontinuierlich, weil das Wasser gleichmässig, also nicht eimerweise zufliesst. In diesem Sinne spreche ich - etwas verkürzt - auch von einer kontinuierlichen Regelung. Die dargestellte Wasserstandsregelung funktioniert so gesehen kontinuierlich, weil ich keine diskreten Wasserstände unterscheide. Wenn ich einen Mechanismus beobachte, kann ich entscheiden, ob ich eine bestimmte Veränderung diskret oder kontinuierlich darstellen will. Ich kann eine Kurve oder eine Treppe zeichnen. Wenn ich einen Mechanismus konstruiere, lege ich konstruktiv fest, wie der Mechanismus auf seine Eigenzustände reagiert. Ein Schwimmer folgt dem Wasserstand kontinuierlich, er macht keine Sprünge. Der Hammer einer elektrischen Klingel dagegen unterbricht den kontinuierlichen Strom und ... Ein Automat mit einer Lochkartensteuerung muss zwischen zwei Operationen auf die jeweils nächst Lochkarte warten, wodurch die Operationen zeitlich getrennt werden. Genereller Programmierung .... Bei einem konventionellen Tachometer mit einem Zeiger, bewegt sich der Zeiger - im Unterschied zum springenden Zeiger der Bahnhofuhr - kontinueirlich. Der Winkelstand des Zeigers zeigt, ob ich schnell oder langsam fahre, weil er sich mit zunehmender Geschwindigkeit - quasi analog - vergrössert. Wenn auf dem Tachometer keine Zahlen stehen, kann ich nicht sehen, wie schnell ich fahre, aber ich sehe, ob ich relativ schnell oder langsam fahre. Moderne Tachometer haben keine Zeiger mehr, sie zeigen - unabhängig davon, wie schnell ich fahre - immer nur Zahlen. Ich muss also wissen, was die Zahlen bedeuten. Deshalb bezeichne ich das als digitale Anzeige oder Abbildung. Die Werte, auf dem Zahlen-Tachometer sind diskret. Ich sehe beispielsweise 55 oder 56, aber nichts dazwischen, wenn ich von 55 auf 56 beschleunige.

Den Ausdruck "analog" verwende ich für Abbildungen, bei welchen ich ohne explizite Vereinbarung erkennen kann, worum es geht. Insbesondere trifft das für Zeichnung zu. Als Fremdsprachiger etwa kann ich den gezeichneten Gegenstand erkennen, weiss aber nicht, was ein bestimmtes Wort bedeutet. Vereinbarte Abbilder sind in diesem Sinne digital. Bei einem konventionellen Tachometer mit einem Zeiger, bewegt sich der Zeiger - im Unterschied zum springenden Zeiger der Bahnhofuhr - kontinueirlich. Der Winkelstand des Zeigers zeigt, ob ich schnell oder langsam fahre, weil er sich mit zunehmender Geschwindigkeit - quasi analog - vergrössert. Wenn auf dem Tachometer keine Zahlen stehen, kann ich nicht sehen, wie schnell ich fahre, aber ich sehe, ob ich relativ schnell oder langsam fahre.

Ich kann beispielsweise beobachten, wie sich die Temperatur in meinem Wohnraum im Laufe der Zeit verändert, wenn sich die Aussentemperatur in derselben Zeit sich verändert.

Wenn ich die hier dargestellte Wasserstandregulierung als Maschine herstelle und verwende, reguliert sie den Wasserstand unabhängig davon, ob ich sie beobachte oder beschreibe. Es ist wichtig, kontinuierlich und diskret zu unterscheiden und noch wichtiger, diese Unterscheidung nicht mit der Unterscheidung von analog und digital zu verwechseln.

Dazu ist eine weitere Unterscheidung wesentlich. Ich kann den Verlauf eines Zustandes darstellen. Ich kann dabei

Wenn ich den Wasserstand

Mechanismen, die diskrete Signale verwenden ... lassen sich diskrete beschreiben Beispiele: der Wasserstand bestimmt den Ventilzustand Der Wasserstand kann kontinuierlich gesehen werden analog bedeutet hier, dass die Werte nicht beschrieben Die eine betrifft die Auflösungsfeinheit der beschriebenen Prozesse und die andere Ich unterscheide verschieden entwickelte Mechanismen.

Als Verhalten bezeichne ich konstruktiv vorgesehene Zustandsänderungen eines Systems. Ich spreche nur dann von einem Verhalten, wenn die Zustandsänderung des Systems vermittelt ist, also wenn ich das Verhalten als Reaktion auf ein Signal einer Ist-Soll-Differenz beziehen kann. Das Verhalten erscheint in der kybernetischen Beschreibung als eine gerichtete Abfolge von Operationen, die ich als Verfahren beschreiben kann.

Analyse und Simulation

Wenn ich einem kybernetischen Modell hinreichend vertraue, kann ich es für Simulationen und Voraussagen verwenden. Das nebenstehende Schema zeigt qualitativ, wie eine thermostatengeregelte Heizung funktioniert. Auf dem Schema ist aber nicht ersichtlich, wann es im Hause wie warm ist. Ich kann sehen, dass die Heizung regelt, aber wenn die Heizung schlecht ausgelegt ist, kann es eventuell ein ganzes Jahr dauern, bis die Solltemperatur erreicht wird, nachdem die Aussentemperatur einmal unter Null gefallen ist. Was ein "System" praktisch taugt, ist auch eine quantitative Frage. Die qualitative Analyse ist ein kybernetisches Modell, die quantitative Analyse erfolgt durch eine Implementierung der Dynamik des Modellverhaltens in der Zeit. Die einzelnen Elemente des kybernetischen Kreises werden durch Funktionen charakterisiert. Wenn die Regelungs-Funktionen sinnvoll gewählt werden, kann das Modell die modellierte Wirklichkeit auch quantitativ repräsentieren. Ein typisches Resultat wäre etwa eine Liste, die beispielsweise die Temperatur des Thermometers einer Heizung im stundentakt zeigt, nachdem entweder der Sollwert oder die Aussentemperatur verändert wurde. Ich will hier nicht auf den Nutzen solcher Analysen eingehen, sondern einen anderen Aspekt hervorheben. Das kybernetische produziert eine Wertetabelle, die mit den empirischen Werten verglichen wird. Die Werte sind Resultate von analytischen Funktionen. Wenn die Werte adäquat sind, zeigen sie mir, dass die Analyse gut ist. Eine andere Absicht verfolge ich mit Simulationen. In Simulationen setze ich voraus, dass die Modellierung gut ist und produziere Wertetabellen als Handlungsgrundlagen.

Annahme: Die Innentemperatur ist um 13.00 bei 20 Grad, die Aussentemperatur fällt aufgrund eines Schneesturmes schlagartig von 14 Grad auf 3 Grad unter Null. Gute Heizung Zeit        Temperatur 14.00     18 Grad 15.00     19 Grad 16.00     20 Grad 17.00     21 Grad 18.00     20 Grad 19.00     20 Grad 20.00     20 Grad Schlechte Heizung Zeit        Temperatur 14.00     18 Grad 15.00     16 Grad 16.00     15 Grad 17.00     14 Grad 18.00     15 Grad 19.00     16 Grad 20.00     17 Grad

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