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Regelungstechnik

Beispiele für Regelungen

Die folgenden Beispiele stammen aus dem Gebiet der Biologie, Sportwissenschaft, Soziologie, Technik und Chemie und sollen einen Eindruck von der Vielfalt der auftretenden Regelungsstrukturen, aber auch von ihren Gemeinsamkeiten vermitteln. Es soll gezeigt werden, dass sich viele Verhaltensweisen komplexer Systeme nur durch geschlossene Wirkungsstrukturen sinnvoll erklären lassen.

Beispiel 1: Beutejagd der Fledermaus

Um ihre aus kleinen Insekten bestehende Nahrung auch bei Dunkelheit jagen und dabei Hindernissen sowie anderen Fledermäusen ausweichen zu können, haben viele Fledermausarten ein raffiniertes Schallortungssystem, im technischen Sprachgebrauch also ein Sonar-System entwickelt. Die jagende Fledermaus stößt hierzu kurze, häufig frequenzmodulierte Schallimpulse aus, empfängt die von Beutetieren und/oder Hindernissen reflektierten Impulse und analysiert diese bezüglich ihres Informationsgehaltes. Die Jagd nach Beute kann als Regelkreis interpretiert werden: Durch das Verhalten der Beute ist ihre Position gegenüber der Umwelt, d.h. ihre erdfeste Position, gegeben. Die Position der Beute bezüglich der erdfesten Position des Jägers wird durch die Jäger-Beute-Kinematik festgelegt. Der Jäger bestimmt die Entfernung und die Peilungswinkel durch Auswerten der Schalllaufzeit und der Schalleinfallswinkel der von der Beute reflektierten Schallimpulse im Gehirn. Dieses verarbeitet außerdem die Informationen der Lage- und Bewegungssensoren und gibt die Sollwerte für die Flugmuskulatur vor.

Die Struktur des Folgeregelkreises zeigt zwei ineinander geschachtelte Rückkopplungsstrukturen: Der innere Regelkreis sorgt für das Einstellen und Beibehalten einer definierten Lage und Geschwindigkeit des Jägers, während der äußere Regelkreis für die Verfolgung der Beute zuständig ist.

Beispiel 2: Soziologische Regelungen

Für ein sinnvolles Zusammenwirken der Zellen in einem Organ oder einem Organismus sind, um sein Überleben sicherzustellen, eine Vielzahl von Steuerungs- und Regelungsmechanismen unabdingbar. Versagen oder Fehlfunktion dieser Mechanismen führt zur Leistungsminderung (Krankheit) oder zum Absterben (Tod) des Organismus. Derartige Steuerungs- und Regelungsmechanismen sind auch auf den höheren Ebenen lebender Systeme, wie

  • der Gruppe
  • der Organisation
  • der staatlichen Gemeinschaft
  • dem supranationalen System

vonnöten. Ein Ausfall dieser Mechanismen führt zum Tod des Systems und meist auch der Individuen, aus denen es zusammengesetzt ist.

Beispiel 3: Steuerung und Regelung der Ausdauerleistungsfähigkeit

Während man unter "Training" alle Maßnahmen des Prozesses zur Optimierung, Stabilisierung und Maximierung der sportlichen Leistungsfähigkeit im Sinne eines Sammelbegriffes versteht, wird unter Trainingssteuerung die gezielte Abstimmung aller kurz- und langfristigen Maßnahmen der Planung, Durchführung und Korrektur des Trainings zum Zwecke der Leistungsoptimierung verstanden.

Aus der Sicht der Kybernetik enthält der Trainingsprozess sowohl Steuerungs- wie auch Regelungsvorgänge. Dabei ist Steuerung die Einflussnahme (Input, Trainingsanweisung) gemäß einer Zielvorgabe (Trainingsziel) auf das Ergebnis (Input, Trainingsergebnis). Die Regelung ist die Rückmeldung und Korrektur der Einflussnahme aufgrund eines Soll-Ist-Wert-Vergleiches. Steuerung und Regelung des Trainings zusammen ergeben somit einen Regelkreis, der kurz gefasst als Trainingssteuerung oder Leistungssteuerung bezeichnet wird.

Abb.1
Steuerung und Regelung im Trainingsprozess

Beispiel 4: Technische Regelungen: Regelung der Raumtemperatur

Der Mensch fühlt sich als gleichwarmes Lebewesen nur in einem relativ kleinen Bereich der Umgebungstemperatur wohl. Dieser wird im Sommer häufig nach oben, im Winter nach unten verlassen, so dass die Kühlung oder Heizung notwendig werden.

Bei der Regelung wird der momentane Wert der Raumtemperatur durch einen Messwertgeber (Temperaturfühler) erfasst und in einem Vergleicher mit dem vom Führungsgrößengeber vorgegebenen Temperatursollwert verglichen. Die sich ergebende Regeldifferenz wird in einem Regelverstärker dynamisch bewertet und zur Steuerung des Stellgliedes derart verwendet, dass die Regeldifferenz verkleinert wird. Durch die Rückführung der Isttemperatur werden auch die Störgrößen wie die Außentemperatur und unterschiedliche Heizwerte der Brennstoffe erfasst und ihr Einfluss beseitigt. Eine derartige Regelung ist allerdings wesentlich aufwendiger als eine Programmsteuerung.

Beispiel 5: Regulation von Enzymaktivitäten: Allosterische Enzyme

Viele Enzyme, die in verzweigten Biosyntheseketten eine zentrale Schalterposition einnehmen, können durch das Endprodukt des einen oder beider Reaktionswege vorübergehend stillgelegt werden; man spricht dabei von Endprodukthemmung. Sie beruht auf einem Regelkreis, der dafür sorgt, dass die Synthese eines Produkts eingestellt wird, sobald genügend von ihm vorhanden ist.

Eine recht große Gruppe von Enzymen besteht aus mehreren Polypeptidketten. Dabei können sowohl gleichartige als auch zwei oder drei voneinander verschiedene Typen einen Komplex (eine Quartärstruktur) ausbilden. In einem solchen Enzymkomplex funktioniert eine Informationsweitergabe weit besser als zwischen freien Polypeptidketten. Die Bindung eines Substratmoleküls an eine der (sagen wir einmal vier) Polypeptidketten verformt zunächst deren eigene Struktur. Doch diese Verformung wird dann unmittelbar auf die übrigen drei übertragen, so dass auch deren aktives Zentrum verändert wird.

Abb.2
Enzymatische Regulation im Stoffwechsel
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