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Sonderbereiche
Das Studium der Kybernetik
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© erikdegraaf, Fotolia (l.) u. Volkswagen AG (r.)
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Scheinbar ganz unterschiedliche Dinge lassen sich mit den Methoden der Kybernetik untersuchen – ein Wirtschaftsunternehmen, ein Staat, eine Maschine oder eine Körperzelle. Das Ergebnis an Gemeinsamkeiten ist ziemlich erstaunlich, denn vielfach sind es dieselben Prinzipien und ähnliche Arten der Steuerung und Regelung, nach denen sowohl technische Systeme als auch Organismen oder riesige menschliche Gemeinschaften funktionieren. Das Ganze und alle Einzelteile stehen untereinander, mit anderen Systemen oder auch mit der Umwelt in vielfältigen Beziehungen. Die Querschnittswissenschaft der Kybernetik beschäftigt sich genau mit diesen Zusammenhängen und Funktionsstrukturen.
Steuerungs- und Regelungstechnik
Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten hat sich die Kybernetik in verschiedene Forschungsbereiche differenziert und liefert Erkenntnisse für Wirtschafts-, Geistes-, Sozial- oder Biowissenschaften. Nicht mehr wegzudenken und extrem wichtig ist sie aber vor allem im technischen Bereich. Dort hat sie sich unter der Bezeichnung Steuerungs- und Regelungstechnik etabliert und arbeitet an der Schnittstelle zwischen Ingenieur- und Naturwissenschaft. Diese sogenannte technische Kybernetik entwickelt anwendbare Methoden zur Analyse des Verhaltens komplexer Systeme, aber auch Regelungen und Strategien zu deren gezielter Beeinflussung. Hört sich sehr abstrakt an und ist schwer mathematisch, lässt sich aber mit dem simplen Beispiel eines Thermostaten gut verdeutlichen: Jener ist letztlich nichts anderes als eine funktionierende kybernetische Anwendung. Denn im eingebauten Thermometer des Thermostaten wird kontinuierlich der tatsächliche Temperaturwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, um eine eingestellte Wunschtemperatur zu erreichen. Nach der Analyse dieses Temperatur-Unterschieds wird die Heizung von einem eingebauten Regler so eingestellt, dass der Ist-Wert den Soll-Wert erreicht oder sich ihm nähert. Pure Kybernetik, die regelt, steuert und beeinflusst, und in diesem Fall für warme Wohnungen sorgt.
Junge Wissenschaft mit antiken Ursprüngen
Geregelt wurde sogar schon in der Antike. Um 300 vor Christus entwickelten Mechaniker wie Ktesibios, Philon und Heron Schwimmerregelungen zur Niveau-Regelung eines bestimmten Wasserstandes. In der Neuzeit, Anfang des 17. Jahrhunderts folgten dann erste thermostatische Öfen und im 18. Jahrhundert brachte die industrielle Revolution einen großen Fortschritt mit neuen Regelungstechniken. Fliehkraftregler, stammten ursprünglich aus dem Windmühlenbau, wurden dann aber zur Drehzahlregulierung in Dampfmaschinen eingesetzt. In jenen Ungetümen steckten auch Dampfdruckregler, um den Kesseldruck konstant zu halten und Schäden durch Überdruck vorzubeugen.
Die symbolischen Blockschaltbilder, bekannt aus dem Physik- und Elektrotechnikunterricht, wurden vor einigen Jahrzehnten eingeführt, um einen Regelkreis per Norm zu definieren. Der Ursprung der Steuerungs- und Regelungstechnik als interdisziplinäre Wissenschaftsgattung findet sich aber im Jahr 1948. Seinerzeit betrachtete der amerikanische Mathematiker Norbert Wiener ganz ähnliche Probleme aus dem Gebiet der Regelungen und der statistischen Mechanik, die sowohl in technischen Systemen als auch bei lebenden Organismen auftraten. Die Nutzung dieser Einzeldisziplinen und die Kombination von Schnittstellenwissen für eine perfektionierte Steuerung und Regelung, fasste er in dem aus dem Griechischen stammenden Begriff Kybernetik zusammen, der recht bildlich mit "Kunst des Steuerns" übersetzt werden kann.
Die Kunst des Steuerns mit Mathe und Informatik
Die Kybernetik untersucht die abstrakten Strukturen, die dahinter stehen, mit Hilfe von mathematischen Methoden und Modellen. Im Fokus der Betrachtung rangieren Informationsaufnahme und -verarbeitung, die Funktionen und die Selbstregulierung sowie die Strategien, mit denen der Gleichgewichtszustand eines Systems (wieder)hergestellt werden kann. Dazu nutzt die Technische Kybernetik Methoden der Systemanalyse, unterschiedliche Arten der Simulation sowie regelungstechnisches Wissen. Dieses Zusammenspiel funktioniert nur mit moderner Computertechnik. Deshalb sind Kybernetiker Ingenieurinnen und Ingenieure mit extrem ausgeprägtem Informatik-Know-how.
Heutzutage steckt technische Kybernetik in vielen Anwendungen und Hightech-Entwicklungen, von der Erdöl-Raffinerie über das Verkehrsleitsystem auf der Autobahn oder den Autopiloten im Flugzeug bis hin zum Segway City-Zweirad, bei dem sich jeder fragt, wie so ein Gefährt eigentlich das Gleichgewicht hält.
Ein gutes Beispiel, um Kybernetik in der Praxis zu erklären, sind aber Fahrerassistenzsysteme in modernen Automobilen. Solche elektronischen Stabilitätsprogramme wie ESP oder ABS kennt jeder. Sie sorgen dafür, dass Autos in kritischen Situationen besser bremsen, als es der Mensch hinterm Steuer jemals könnte. Dazu erfassen Sensoren die Fahrzeugbewegungen und das Fahrerverhalten. Falls es beim Bremsen zum Ausbrechen aus der Kurve kommt, kann das Fahrzeug dem Menschen die "mechanische" Bremsarbeit abnehmen und die Bremsen rein elektronisch und nur an einzelnen Rädern ansteuern. So bleibt das Auto auch in kritischen Momenten, also in Rutsch- und Driftphasen, in der Spur. Damit das in der Praxis zuverlässig funktioniert, haben Ingenieurinnen und Ingenieure der Kybernetik vorher das Fahrzeugverhalten mathematisch nachgebildet, Modellgleichungen entwickelt und das Ganze in eine Software integriert. Am Ende entstand ein Regelkreislauf. Dieser nimmt, wenn die Eingangsgrößen einen bestimmten Wert überschreiten, einen stabilisierenden Eingriff vor. Das ist bei einem System wie ESP äußerst komplex, denn hier wirken verschiedene Teilsysteme wie Brems- und Lenkverhalten des Fahrers, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Fliehkräfte, Reibung und Straßenzustand ineinander. Wann der Eingriff erfolgt, muss also genau geregelt sein.
Berufsperspektiven und Studieninhalte
Wer mathematisch, analytisch, theoretisch und computertechnisch begabt ist, hat beste Voraussetzungen, auch "kybernetisch" zu werden. Die Berufsaussichten sind hervorragend. Da die Kybernetik so interdisziplinär ist und ihre Methoden fächerübergreifend anwendbar sind, gibt es keine Bindung an einen bestimmten Industriezweig. Absolventinnen und Absolventen sind ingenieurwissenschaftliche Generalisten und haben hervorragende Perspektiven in Industrie, Wirtschaft und Forschung. Das kann im Automobilbau sein, im Maschinen- und Anlagenbau, in der chemischen Industrie, der Biotechnologie, in der Medizintechnik, im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik oder bei Universitäten und Forschungsinstituten.
Bevor man diese verheißungsvolle Karriere ansteuert, gibt es aber einiges zu regeln. Die erste Eingangsgröße nennt sich Studium. Die Fachrichtung Technische Kybernetik, an den Hochschulen teilweise auch Steuerungs- und Regelungstechnik oder Systemtechnik genannt, wird sowohl als eigenständiger Studiengang in der Bachelor- oder Mastervariante angeboten, findet sich aber auch in den Vertiefungsrichtungen der Elektro-, Verfahrens- und Informationstechnik.
In jedem Fall sollte man sich klar machen, dass die technische Kybernetik im Vergleich zu anderen Ingenieursstudiengängen schon von Anfang an ihren Schwerpunkt auf den Bereich der Höheren Mathematik legt. Denn ohne Seminare und Vorlesungen zu Wahrscheinlichkeitsrechnung, Statistik, numerischen Methoden der Dynamik oder Mehrgrößenregelung hat man keine Chance, die system- und regelungstechnischen Fächer wie Regelungstechnik, Systemdynamik, Simulationstechnik oder Systemanalyse zu durchschauen.
In den weiterführenden Semestern rücken dann auch die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen in den Fokus. Nun stehen Technische Mechanik, Messtechnik, Elektrotechnik, Thermodynamik, elektrische Signalverarbeitung, höhere Informatik und Echtzeitdatenverarbeitung auf dem Programm. Damit der Praxisbezug nicht zu kurz kommt, kann man in den weiterführenden Semestern unter verschiedenen Anwendungsfächern, Projektarbeiten und Industriepraktika wählen.
Hat man seinen Bachelor-Abschluss der Technischen Kybernetik dann erfolgreich hinter sich gebracht, lassen sich die erworbenen Kenntnisse in einem darauf aufbauenden Master-Studiengang noch weiter intensivieren oder man steigt direkt in den Beruf ein.
Aber solche Entscheidungen sind ja kein Problem für Kybernetiker. Schließlich sind sie absolute Experten im Analysieren von Vorgängen und Abläufen und deren zielgerichteter Beeinflussung durch Steuern und Regeln. Da sollte es ein Leichtes sein, dieses Wissen auf die eigene Karriere anzuwenden.
Steuerungs- und Regelungstechnik
Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten hat sich die Kybernetik in verschiedene Forschungsbereiche differenziert und liefert Erkenntnisse für Wirtschafts-, Geistes-, Sozial- oder Biowissenschaften. Nicht mehr wegzudenken und extrem wichtig ist sie aber vor allem im technischen Bereich. Dort hat sie sich unter der Bezeichnung Steuerungs- und Regelungstechnik etabliert und arbeitet an der Schnittstelle zwischen Ingenieur- und Naturwissenschaft. Diese sogenannte technische Kybernetik entwickelt anwendbare Methoden zur Analyse des Verhaltens komplexer Systeme, aber auch Regelungen und Strategien zu deren gezielter Beeinflussung. Hört sich sehr abstrakt an und ist schwer mathematisch, lässt sich aber mit dem simplen Beispiel eines Thermostaten gut verdeutlichen: Jener ist letztlich nichts anderes als eine funktionierende kybernetische Anwendung. Denn im eingebauten Thermometer des Thermostaten wird kontinuierlich der tatsächliche Temperaturwert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen, um eine eingestellte Wunschtemperatur zu erreichen. Nach der Analyse dieses Temperatur-Unterschieds wird die Heizung von einem eingebauten Regler so eingestellt, dass der Ist-Wert den Soll-Wert erreicht oder sich ihm nähert. Pure Kybernetik, die regelt, steuert und beeinflusst, und in diesem Fall für warme Wohnungen sorgt.
Junge Wissenschaft mit antiken Ursprüngen
Geregelt wurde sogar schon in der Antike. Um 300 vor Christus entwickelten Mechaniker wie Ktesibios, Philon und Heron Schwimmerregelungen zur Niveau-Regelung eines bestimmten Wasserstandes. In der Neuzeit, Anfang des 17. Jahrhunderts folgten dann erste thermostatische Öfen und im 18. Jahrhundert brachte die industrielle Revolution einen großen Fortschritt mit neuen Regelungstechniken. Fliehkraftregler, stammten ursprünglich aus dem Windmühlenbau, wurden dann aber zur Drehzahlregulierung in Dampfmaschinen eingesetzt. In jenen Ungetümen steckten auch Dampfdruckregler, um den Kesseldruck konstant zu halten und Schäden durch Überdruck vorzubeugen.
Die symbolischen Blockschaltbilder, bekannt aus dem Physik- und Elektrotechnikunterricht, wurden vor einigen Jahrzehnten eingeführt, um einen Regelkreis per Norm zu definieren. Der Ursprung der Steuerungs- und Regelungstechnik als interdisziplinäre Wissenschaftsgattung findet sich aber im Jahr 1948. Seinerzeit betrachtete der amerikanische Mathematiker Norbert Wiener ganz ähnliche Probleme aus dem Gebiet der Regelungen und der statistischen Mechanik, die sowohl in technischen Systemen als auch bei lebenden Organismen auftraten. Die Nutzung dieser Einzeldisziplinen und die Kombination von Schnittstellenwissen für eine perfektionierte Steuerung und Regelung, fasste er in dem aus dem Griechischen stammenden Begriff Kybernetik zusammen, der recht bildlich mit "Kunst des Steuerns" übersetzt werden kann.
Die Kunst des Steuerns mit Mathe und Informatik
Die Kybernetik untersucht die abstrakten Strukturen, die dahinter stehen, mit Hilfe von mathematischen Methoden und Modellen. Im Fokus der Betrachtung rangieren Informationsaufnahme und -verarbeitung, die Funktionen und die Selbstregulierung sowie die Strategien, mit denen der Gleichgewichtszustand eines Systems (wieder)hergestellt werden kann. Dazu nutzt die Technische Kybernetik Methoden der Systemanalyse, unterschiedliche Arten der Simulation sowie regelungstechnisches Wissen. Dieses Zusammenspiel funktioniert nur mit moderner Computertechnik. Deshalb sind Kybernetiker Ingenieurinnen und Ingenieure mit extrem ausgeprägtem Informatik-Know-how.
Heutzutage steckt technische Kybernetik in vielen Anwendungen und Hightech-Entwicklungen, von der Erdöl-Raffinerie über das Verkehrsleitsystem auf der Autobahn oder den Autopiloten im Flugzeug bis hin zum Segway City-Zweirad, bei dem sich jeder fragt, wie so ein Gefährt eigentlich das Gleichgewicht hält.
Ein gutes Beispiel, um Kybernetik in der Praxis zu erklären, sind aber Fahrerassistenzsysteme in modernen Automobilen. Solche elektronischen Stabilitätsprogramme wie ESP oder ABS kennt jeder. Sie sorgen dafür, dass Autos in kritischen Situationen besser bremsen, als es der Mensch hinterm Steuer jemals könnte. Dazu erfassen Sensoren die Fahrzeugbewegungen und das Fahrerverhalten. Falls es beim Bremsen zum Ausbrechen aus der Kurve kommt, kann das Fahrzeug dem Menschen die "mechanische" Bremsarbeit abnehmen und die Bremsen rein elektronisch und nur an einzelnen Rädern ansteuern. So bleibt das Auto auch in kritischen Momenten, also in Rutsch- und Driftphasen, in der Spur. Damit das in der Praxis zuverlässig funktioniert, haben Ingenieurinnen und Ingenieure der Kybernetik vorher das Fahrzeugverhalten mathematisch nachgebildet, Modellgleichungen entwickelt und das Ganze in eine Software integriert. Am Ende entstand ein Regelkreislauf. Dieser nimmt, wenn die Eingangsgrößen einen bestimmten Wert überschreiten, einen stabilisierenden Eingriff vor. Das ist bei einem System wie ESP äußerst komplex, denn hier wirken verschiedene Teilsysteme wie Brems- und Lenkverhalten des Fahrers, Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Fliehkräfte, Reibung und Straßenzustand ineinander. Wann der Eingriff erfolgt, muss also genau geregelt sein.
Berufsperspektiven und Studieninhalte
Wer mathematisch, analytisch, theoretisch und computertechnisch begabt ist, hat beste Voraussetzungen, auch "kybernetisch" zu werden. Die Berufsaussichten sind hervorragend. Da die Kybernetik so interdisziplinär ist und ihre Methoden fächerübergreifend anwendbar sind, gibt es keine Bindung an einen bestimmten Industriezweig. Absolventinnen und Absolventen sind ingenieurwissenschaftliche Generalisten und haben hervorragende Perspektiven in Industrie, Wirtschaft und Forschung. Das kann im Automobilbau sein, im Maschinen- und Anlagenbau, in der chemischen Industrie, der Biotechnologie, in der Medizintechnik, im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik oder bei Universitäten und Forschungsinstituten.
Bevor man diese verheißungsvolle Karriere ansteuert, gibt es aber einiges zu regeln. Die erste Eingangsgröße nennt sich Studium. Die Fachrichtung Technische Kybernetik, an den Hochschulen teilweise auch Steuerungs- und Regelungstechnik oder Systemtechnik genannt, wird sowohl als eigenständiger Studiengang in der Bachelor- oder Mastervariante angeboten, findet sich aber auch in den Vertiefungsrichtungen der Elektro-, Verfahrens- und Informationstechnik.
In jedem Fall sollte man sich klar machen, dass die technische Kybernetik im Vergleich zu anderen Ingenieursstudiengängen schon von Anfang an ihren Schwerpunkt auf den Bereich der Höheren Mathematik legt. Denn ohne Seminare und Vorlesungen zu Wahrscheinlichkeitsrechnung, Statistik, numerischen Methoden der Dynamik oder Mehrgrößenregelung hat man keine Chance, die system- und regelungstechnischen Fächer wie Regelungstechnik, Systemdynamik, Simulationstechnik oder Systemanalyse zu durchschauen.
In den weiterführenden Semestern rücken dann auch die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen in den Fokus. Nun stehen Technische Mechanik, Messtechnik, Elektrotechnik, Thermodynamik, elektrische Signalverarbeitung, höhere Informatik und Echtzeitdatenverarbeitung auf dem Programm. Damit der Praxisbezug nicht zu kurz kommt, kann man in den weiterführenden Semestern unter verschiedenen Anwendungsfächern, Projektarbeiten und Industriepraktika wählen.
Hat man seinen Bachelor-Abschluss der Technischen Kybernetik dann erfolgreich hinter sich gebracht, lassen sich die erworbenen Kenntnisse in einem darauf aufbauenden Master-Studiengang noch weiter intensivieren oder man steigt direkt in den Beruf ein.
Aber solche Entscheidungen sind ja kein Problem für Kybernetiker. Schließlich sind sie absolute Experten im Analysieren von Vorgängen und Abläufen und deren zielgerichteter Beeinflussung durch Steuern und Regeln. Da sollte es ein Leichtes sein, dieses Wissen auf die eigene Karriere anzuwenden.
