Technische. Kybernetik

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1 Technische Kybernetik

2 Gliederung Was ist Kybernetik? Regelung und Rückkopplung Typischer Regelkreis Konkretes Beispiel: das invertierte Pendel Allgemeine Kybernetische Vorgehensweise Problemlösung schafft neue Probleme

3 Was ist Kybernetik? Etymologisch: Κυβερνητικη Steuerkunde, gleicher Ursprung wie auch to govern

4 Was ist Kybernetik? Etymologisch: Κυβερνητικη Steuerkunde, gleicher Ursprung wie auch to govern Norbert Wiener (1948): the science of control and communication in the animal and the machine

5 Was ist Kybernetik? Etymologisch: Κυβερνητικη Steuerkunde, gleicher Ursprung wie auch to govern Norbert Wiener (1948): the science of control and communication in the animal and the machine Heute (aus Duden): wissenschaftliche Forschungsrichtung, die vergleichende Betrachtungen über Gesetzmäßigkeiten im Ablauf von Steuerungs- und Regelungsvorgängen in Technik, Biologie und Soziologie anstellt.

6 Was ist Kybernetik? Etymologisch: Κυβερνητικη Steuerkunde, gleicher Ursprung wie auch to govern Norbert Wiener (1948): the science of control and communication in the animal and the machine Heute (aus Duden): wissenschaftliche Forschungsrichtung, die vergleichende Betrachtungen über Gesetzmäßigkeiten im Ablauf von Steuerungs- und Regelungsvorgängen in Technik, Biologie und Soziologie anstellt. Anwendung (technische) Kybernetik: ermöglicht Lösung komplexer Probleme mit einheitlichen Methoden aus den unterschiedlichsten Bereichen, wie z.b.: - Steuerung von Robotern - Autopilot für Luftfahrt, Raumfahrt, etc. - Fahrassistenzsysteme in Automobiltechnik - Intelligente Implantate in Medizintechnik - Verkehrsleitsysteme - Regelung von Anlagen in chem. und pharmazeutischer Industrie

7 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine

8 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP,

9 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y

10 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Regelgröße

11 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke Führungsgröße / Sollwert y Regelgröße

12 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke Führungsgröße / Sollwert y Rückführung Regelgröße

13 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Regelgröße

14 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Regelgröße

15 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Stellgröße / Eingriffsmögl. Regelgröße

16 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Stellgröße / Eingriffsmögl. Störgröße Regelgröße

17 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Stellgröße / Eingriffsmögl. Störgröße Regelgröße

18 Regelung und Rückkopplung Bekanntestes Beispiel: Watt scher Fliehkraftregler an Dampfmaschine Alltäglichere Beispiele: Toilettenspülkasten, Heizung, ABS, ESP, z w + e - Regler u y Regelstrecke y Führungsgröße / Sollwert Abweichung von Sollwerten Rückführung Stellgröße / Eingriffsmögl. Störgröße Regelgröße

19 Invertiertes Pendel

20 Invertiertes Pendel

21 Invertiertes Pendel α=0 α

22 Invertiertes Pendel α=0 α y y 0

23 Invertiertes Pendel α=0 α y y 0

24 Invertiertes Pendel α=0 α Winkelmesser Position des Pendels Winkelmesser Position des Wagens y y 0

25 Invertiertes Pendel [ hier hab ich 4 kurze videos von 2 pendeln gezeigt ]

26 Regelkreis für Wagen+Pendel α Berührung des Pendels oder des Wagens z α=0 - ε + y e Regler u Regelstrecke α y y Abweichung von Sollwerten Sollwerte Rückführung Stellgröße (Motorspannung) Regelgrößen (Winkel und Pos.)

27 Regelkreis für Wagen+Pendel α Berührung des Pendels oder des Wagens z α=0 - ε + y e Regler u Regelstrecke α y y Abweichung von Sollwerten Sollwerte Rückführung Stellgröße (Motorspannung) Regelgrößen (Winkel und Pos.)

28 Kybernetische Vorgehensweise Konkretes Problem Direkte Lösung schwierig, Ineffizient, gar unmöglich? Konkrete Lösung Reale Welt Abstürzendes Flugzeug Ineffiziente chemische Anlage Drohender Verkehrskollaps?????????

29 Kybernetische Vorgehensweise Modellbildung: Übersetzung des konkreten Problems in ein mathematisches Äquivalent (Abstraktion) Konkretes Problem Konkrete Lösung Reale Welt Abstürzendes Flugzeug Ineffiziente chemische Anlage Drohender Verkehrskollaps????????? Modellbildung Mathematik Abstraktes mathem. Problem

30 Kybernetische Vorgehensweise Modellbildung: Übersetzung des konkreten Problems in ein mathematisches Äquivalent (Abstraktion) Problemlösung: Verallgemeinerte Lösungsmethoden erlauben die anwendungsunabhängige Lösung des Problems (z.b. Systemanalyse, Reglerentwurf, ) Konkretes Problem Konkrete Lösung Reale Welt Abstürzendes Flugzeug Ineffiziente chemische Anlage Drohender Verkehrskollaps????????? Modellbildung Mathematik Abstraktes mathem. Problem Einheitliche Problembehandlung, Lösung mittels kyb. Methoden Abstrakte mathem. Lösung

31 Kybernetische Vorgehensweise Modellbildung: Übersetzung des konkreten Problems in ein mathematisches Äquivalent (Abstraktion) Problemlösung: Verallgemeinerte Lösungsmethoden erlauben die anwendungsunabhängige Lösung des Problems (z.b. Systemanalyse, Reglerentwurf, ) Rückübersetzung: Lösung zurück in die reale Welt zurückübertragen (z.b. Regler konkret programmieren) Konkretes Problem Konkrete Lösung Reale Welt Abstürzendes Flugzeug Ineffiziente chemische Anlage Drohender Verkehrskollaps Autopilot Optimaler Betrieb der Anlage Autom. Verkehrsleitsystem Modellbildung Implementierung Mathematik Abstraktes mathem. Problem Einheitliche Problembehandlung, Lösung mittels kyb. Methoden Abstrakte mathem. Lösung

32 Dinge, derer man sich bewußt sein sollte Automation: - Ist es angebracht, die Automatisierung vieler (aller?) Prozesse anzustreben? u.a. führerloser Zug, Roboter als Chirurg, intelligentes Kinderspielzeug,... - Klauen Maschinen Arbeitsplätze? - Maschinen kriegen teilweise kreativere Aufgaben als Menschen!

33 Dinge, derer man sich bewußt sein sollte Automation: - Ist es angebracht, die Automatisierung vieler (aller?) Prozesse anzustreben? u.a. führerloser Zug, Roboter als Chirurg, intelligentes Kinderspielzeug,... - Klauen Maschinen Arbeitsplätze? - Maschinen kriegen teilweise kreativere Aufgaben als Menschen! Künstliche Intelligenz: - Inwiefern / wie weit möglich? - Lernende Maschinen? - Moralische Verpflichtung gegenüber Denkautomaten? - Bewußtsein?

34 Dinge, derer man sich bewußt sein sollte Automation: - Ist es angebracht, die Automatisierung vieler (aller?) Prozesse anzustreben? u.a. führerloser Zug, Roboter als Chirurg, intelligentes Kinderspielzeug,... - Klauen Maschinen Arbeitsplätze? - Maschinen kriegen teilweise kreativere Aufgaben als Menschen! Künstliche Intelligenz: - Inwiefern / wie weit möglich? - Lernende Maschinen? - Moralische Verpflichtung gegenüber Denkautomaten? - Bewußtsein? Das Modell: - Modellbildung bis zu welchem Punkt möglich? - Wenn perfektes Modell möglich, könnte man Zukunft vorhersagen? Determinismus? - Perfektes Modell würde Paralleluniversum bedeuten