Kybernetik

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Kybernetik ist eine formale, fach übergreifende Wissenschaft, die sich mit der Untersuchung von Steuerungs- und Regelungsvorgängen in Biologie, Technik und Gesellschaft befasst und von daraus Modelle zur Darstellung, Umwandlung und Verarbeitung von Informationen entwirft. Alle automatischen Datenverarbeitungsanlagen sind in diesem Sinn kybernetische Maschinen. Die Kybernetik bildet ein Teilgebiet der Informatik. Sie liefert Grundlagen zur Theorie der Automaten, lernender (sich selbst organisierender) Systeme, der Zuverlässigkeit, der Algorithmen und der künstlichen Intelligenz (KI).

Inhaltsverzeichnis

Zentrale Begriffe

System (Systemtheorie), Information, Steuerung und Regelung sind die zentralen Begriffe in der Kybernetik. Unter einem System wird allgemein ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes, gegliedertes Ganzes verstanden, dessen Teile strukturell oder funktional miteinander in Beziehung stehen. Ein System heißt offen, wenn es mit der Umgebung in Wechselwirkung steht, ist dies nicht der Fall, so heißt es abgeschlossen. Kybernetische Systeme nehmen über Eingangskanäle Informationen auf, verarbeiten sie und führen entsprechend dieser Informationsverarbeitung eine Aktion herbei oder geben über Ausgangskanäle Informationen an die Umwelt. Wenn frühere Eingangsinformationen für das aktuelle Verhalten von Bedeutung sind, handelt es sich um ein dynamisches System.

Mechanismen

Je nach Art ihrer Konstruktion sind kybernetische Systeme in unterschiedlichem Grad in der Lage, auf Eingangsinformationen zu reagieren, ein vorgegebenes Ziel zu erreichen oder sich der Umwelt anzupassen. Wichtige Mechanismen hierbei: Auslösen, Steuern, Regeln und Anpassen.

Auslösen

Von Auslösen spricht man, wenn eine Eingangsinformation bei einem Empfänger ein bestimmtes Verhalten auslöst, entweder unmittelbar oder nach Verarbeiten der Information (z.B. das In-Gang-Setzen einer Instinkthandlung). Spezielle Formen des Auslösens sind das Ein- und Ausschalten.

Steuern

Im Unterschied zum Auslösen handelt es sich beim Steuern (wie auch beim Regeln) um eine zielgerichtete Beeinflussung eines Verhaltens. Von Bedeutung ist, dass das Verhalten des gesteuerten Systems ohne Wirkung auf das Steuerungsprinzip bleibt. Ein besonderer Fall von Steuerung ist das Abfangen einer Störung, das im Unterschied zu einer Regelung präventiv geschieht.

Regeln

Das zentrale Prinzip des Regelns beruht im Gegensatz dazu darauf, dass eine Störung des Systems eingetreten und als Abweichung von einem vorgegebenen Ziel, dem Sollwert, gemessen worden ist. Die Differenz zwischen Ist- und Sollwert wird in ein passendes Signal umgewandelt und als Information zum Eingang des Systems zurückgeführt. Mit dieser Rückkopplung (»Feedback«) wird ein sog. Regelkreis geschlossen. Üblicherweise wird diese Rückkopplung so eingespeist, dass die durch die Störung hervorgerufene Änderung rückgängig gemacht wird. Diese Art der Rückkopplung ist in natürlichen und technischen Systemen sehr verbreitet.

Anpassung

Beim Prozess der Anpassung wird ein Gleichgewicht mit der Umwelt angestrebt. Das System entwickelt hier selbst einen Sollwert und legt diesen der künftigen Regelung zugrunde. Eine besonders wichtige Form der Anpassung ist das Lernen. Voraussetzung dafür ist, dass das System über einen Speicher oder ein Gedächtnis verfügt (lernfähiges System). Besitzt ein kybernetisches System (Automat) einen Erfahrungsspeicher, mit dessen Hilfe die gemachten Erfahrungen für künftiges Verhalten genutzt werden können, dann liegt ein Lernmodell mit Optimierung vor. Ein Automat mit einem internen Modell der Umwelt kann mögliche Reaktionen auf die Umwelt durchspielen und die voraussichtlich optimale Reaktion ermitteln.

Geschichte

Obwohl die Wurzeln der Kybernetik z. T. weit in die Vergangenheit reichen, wird als ihr Ursprung allgemein das Erscheinen des Buches »Cybernetics – or control and communication in the animal and the machine« von N. Wiener im Jahre 1948 angesehen, von dem auch die Namensgebung der Wissenschaft stammt.