Active Disturbance Rejection Control
From Principles to Practice
- Open Access
- 2025
- Open Access
- Buch
- Verfasst von
- Gernot Herbst
- Rafal Madonski
- Buchreihe
- Control Engineering
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Über dieses Buch
This open access text offers the first comprehensive introduction to the fundamental principles and practical implementation of Active Disturbance Rejection Control (ADRC). Drawing on their years of experience in both research and industry, the authors have designed the text to be accessible to readers at any level of knowledge and experience with ADRC. Multiple entry points and paths through the text are defined so that it can be easily adapted to their specific needs.
Part I covers the theoretical foundations of ADRC, giving readers the basic information in a self-contained, tutorial style. Emphasis is placed on first developing an intuition for ADRC through illustrative examples inspired by real control problems. The main concepts are then introduced and explored in a more formal and concise manner using standard control-domain-related terminology.
Part II demonstrates methods for applying ADRC in practice through software-based implementation. Utilizing laboratory testbeds to mimic real control problems from process and control areas, the authors illustrate the use of software through both model-based environments - including MATLAB/Simulink - and low-level C programming language. Common issues that one can encounter when implementing controllers in the real world are also examined, and specific solutions to these problems are offered that retain the simplicity of ADRC.
This book can be used as a textbook, handbook, or reference manual, and through its many entry points, can be easily picked up by students, practitioners, and scientists. Having in mind its introductory nature, the prerequisites for studying the considered subject are intentionally not very strict. Readers should have at least basic knowledge of systems and controls, as well as an understanding of core mathematical concepts of calculus, linear algebra, and differential equations.
Inhaltsverzeichnis
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Foundations
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Frontmatter
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Chapter 1. Prelude: A Fresh Look
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenIn diesem Kapitel wird Active Disturbance Rejection Control (ADRC) vorgestellt, eine Kontrollmethode, die sich darauf konzentriert, Störungen abzuwehren, um eine hohe Leistung zu erreichen. Im Gegensatz zu vielen fortschrittlichen Kontrolltechniken ist ADRC einfach und praktisch konzipiert, was es zu einer attraktiven Alternative zur herkömmlichen PID-Kontrolle macht. Das Kapitel erklärt die grundlegenden Konzepte und Funktionsprinzipien des ADRC und hebt seine Robustheit und Anpassungsfähigkeit hervor. Es bietet auch einen historischen Kontext und diskutiert die Vorteile des ADRC gegenüber anderen Kontrollmethoden, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die ihre Kontrollsysteme verbessern wollen.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
AbstractSeveral aspects make this book different, and doing things not the usual way is its recurring motif. Therefore, in this chapter, we focus on establishing those unique aspects of the book that constitute its claimed titular “fresh look.” This expression has a double meaning here. On the one hand, it refers to the active disturbance rejection control (ADRC) as this unorthodox approach in the control landscape and on the other to the fresh look at how ADRC can be introduced to those interested in it. We will also answer here some basic important questions like what exactly is in the book, why is it constructed the way it is, to whom the book is for, and what is the best way to use it depending on the reader’s background. -
Chapter 2. First Contact with ADRC
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung von Active Disturbance Rejection Control (ADRC) für Anlagen erster und zweiter Ordnung und konzentriert sich auf die Rolle von Anlagenmodellen bei der Steuerung. Es führt das Konzept der Vereinfachung von Anlagenmodellen ein, indem unbekannte Elemente zu einem virtuellen Störungsinput zusammengefasst werden, wodurch die Erstellung von Kontrollsystemen erleichtert wird. Das Kapitel untersucht Regelungsstrategien für die Füllstandskontrolle in einem Wassertank und die Temperaturkontrolle in einer Heizung und veranschaulicht die Effektivität der ADRC im Umgang mit realen Systemen. Außerdem wird die Ausweitung des ADRC auf Systeme zweiter Ordnung wie DC-DC-Wandler diskutiert und die Vorteile des Einsatzes von Beobachtern zur Störungsabwehr und Zustandseinschätzung hervorgehoben. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der Schlüsselkomponenten des ADRC und ihrer Rolle bei der Vereinfachung der Konzeption und Abstimmung von Kontrollsystemen.KI-Generiert
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AbstractWe strive to make the initial encounter with ADRC a smooth and pleasant experience for novices. Therefore, in this chapter, we will rely heavily on illustrative examples inspired by real plants. With such a “show, don’t tell” narration, we want to introduce the fundamental aspects of ADRC for some easily recognizable systems from engineering practice. We purposefully avoid complicated jargon and derivations here to give readers the gist of how the ADRC approach can be used to look at and solve various control problems. We deliberately focus on showing ad hoc solutions for first- and second-order plants as they are the most prevalent. Through the shown illuminative examples, we hope that you will not only start seeing a pattern in the design process of the ADRC methodology but also be intrigued enough about its simplicity and effectiveness to want to explore it further with this book. -
Chapter 3. Linear Active Disturbance Rejection Control
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDas Kapitel stellt die Linear Active Disturbance Rejection Control (ADRC) für allgemeine Fälle der neunten Ordnung vor, wobei der Schwerpunkt auf der Ableitung und den Kernkonzepten liegt. Es beginnt mit der Modellierung einer SISO-Anlage der Ordnung N mit einem einzigen Eingang und einem Ausgang und der Einrichtung einer inneren Regelschleife, um eine Dynamik zu erzeugen, die leicht in einer zweiten äußeren Schleife gesteuert werden kann. Das für ADRC verwendete Anlagenmodell hat eine kompakte Form und benötigt lediglich den kritischen Verstärkungsparameter b0 und die Anlagenordnung N. Das Kapitel behandelt dann die Normalisierung des Anlagenverhaltens, wozu die Skalierung der Reglerleistung und die Kompensation von Modellierungsfehlern und Störungen gehören. Dies vereinfacht die Gestaltung der äußeren Regelschleife und macht sie unabhängig von Anlagenparametern. Der Einsatz eines Beobachters ist unverzichtbar, um die Gesamtstörungs- und Integratorzustände abzuschätzen und eine effektive Störungsabweisung und Kontrolle des normalisierten Systems zu ermöglichen. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der Schritte, die zur Implementierung und Anpassung des linearen ADRC erforderlich sind, und bietet eine Grundlage für die weitere Erforschung des Themas.KI-Generiert
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AbstractAs the core of all other ADRC variants covered in this book, the linear continuous-time state-space form of active disturbance rejection control is introduced in this chapter. Generalizing the first- and second-order cases considered in Chap. 2, the structure of Nth-order linear ADRC is being discussed, consisting of observer and state-feedback controller. Equations for tuning both observer and controller are derived for the so-called bandwidth parameterization approach. -
Chapter 4. Between Time and Frequency Domains
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PDF-Version jetzt herunterladenDas Kapitel vertieft die Beziehung zwischen Zeit- und Frequenzbereichen in Kontrollsystemen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der aktiven Störungsabwehrkontrolle (ADRC) als State-Space-Controller liegt. Es beginnt damit, die Verbindung zwischen ADRC und klassischer, auf Beobachtern basierender staatlicher Rückkopplungssteuerung mit Störungskompensation herzustellen, wobei die strukturelle Äquivalenz der beiden Ansätze hervorgehoben wird. Das Kapitel leitet dann eine Darstellung der Transferfunktion des ADRC ab, wobei zunächst eine nicht realisierbare und dann eine realisierbare Darstellung präsentiert wird. Diese detaillierte Analyse bietet nicht nur ein tieferes Verständnis des ADRC, sondern ebnet auch den Weg für die praktische Umsetzung, was das Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Steuerungstechniker und Forscher macht.KI-Generiert
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AbstractIn this chapter, we will contextualize ADRC to deliver interpretations from the established field of linear control systems. This will, firstly, involve an interpretation of ADRC in terms of existing state-space control approaches. Secondly, a transition to the frequency domain is being made, as a major part of practical control engineering is performed in this domain. Analyzing and understanding ADRC from a frequency-domain perspective allows for a much easier migration from the PID world of controllers. -
Chapter 5. Visual Tour
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PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel vertieft die praktische Umsetzung der aktiven Störungsabwehrsteuerung (ADRC), wobei der Schwerpunkt auf dem kritischen Verstärkungsparameter b0 liegt. Es wird erklärt, wie man b0 experimentell aus Schrittantworten im Zeitbereich und durch Frequenzdomänenanalyse erhält. Der Text behandelt auch die Abstimmung von ADRC-Parametern, wie der Beobachterbandbreite und den Zuwächsen der Feedback-Controller sowie deren Einfluss auf die Kontrollleistung. Darüber hinaus werden die Auswirkungen pflanzlicher Unsicherheiten, einschließlich Parameterschwankungen und unmodellierter Dynamik, auf die Stabilität und Leistung des ADRC untersucht. Das Kapitel ist reich bebildert mit Beispielen und Bode-Diagrammen, was es zu einer unschätzbaren Ressource für Steuerungstechniker und Automatisierungsspezialisten macht, die ADRC in realen Anwendungen implementieren und verfeinern wollen.KI-Generiert
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AbstractA picture is worth a thousand words. This chapter aims at analyzing and showcasing ADRC in a predominantly visual manner, in both time and frequency domains, going from modeling to tuning and its closed-loop behavior. What can one expect from ADRC regarding tracking performance and disturbance rejection? What is the influence of its modeling and tuning parameters? And what if we set them too low or too high? -
Chapter 6. Extensions and Modifications
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PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel geht auf fortgeschrittene Modifikationen und Erweiterungen des ADRC-Kontrollsystems ein. Es beginnt mit der Diskussion über die Einbeziehung zusätzlicher Modellinformationen zur Leistungsverbesserung, wie etwa die Verwendung eines detaillierteren Anlagenmodells oder eines maßgeschneiderten Störerzeugermodells. Das Kapitel untersucht auch die Verwendung nichtlinearer Komponenten im ADRC, um die Nachverfolgungs- und Beobachtungsqualität zu verbessern. Zusätzlich wird eine fehlerbasierte ADRC-Variante eingeführt, die die Implementierung vereinfacht und einzigartige Vorteile bietet, wie die Fähigkeit, unbekannte Referenzderivate zu rekonstruieren und das Potenzial für echtes 2DOF-Design. Das Kapitel bietet detaillierte Beispiele und Simulationen, um die Vorteile dieser Modifikationen und Erweiterungen zu veranschaulichen.KI-Generiert
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AbstractADRC is not a fixed set of equations and hence should not be viewed as a magical set of formulae that, once implemented on the real system, will do wonders. It should instead be understood as a modular, flexible framework that could be tailored to specific applications. This, however, requires a bit of a different mindset—one that is open to change. In this chapter, we show potential extensions and modifications to the ADRC scheme which take into account practical scenarios where certain actionable information is available about the governed system and/or acting disturbance. We also show how the performance of ADRC can be increased, for the price of additional tuning, by incorporating some nonlinear components. We will also introduce a so-called error-based variant of the ADRC scheme which is considered a bare-bones version and has some interesting practical characteristics. -
Chapter 7. Interlude: A Look Around
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PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel mit dem Titel "Interlude: A Look Around" bietet einen detaillierten Rückblick auf die ersten sechs Kapitel des Buches, in dem die aktive Störungskontrolle (ADRC) vorgestellt wurde. Der Autor vertieft sich in die Literaturhinweise und den historischen Kontext des ADRC und bietet einen umfassenden Überblick über seine Entwicklung und Schlüsselbeiträge. Das Kapitel ist so strukturiert, dass es dort Anerkennung verdient, wo es hingehört, und benennt bahnbrechende Werke und ihre Autoren und erklärt die Bedeutung jedes Kapitels im Buch. Außerdem wird die Entwicklung der ADRC von ihren nichtlinearen Ursprüngen zu der linearen Variante diskutiert, die im Mittelpunkt des Buches steht. Das Kapitel zielt darauf ab, den Lesern eine Pause vom technischen Inhalt zu geben, damit sie über das bisher präsentierte Material reflektieren und den breiteren Kontext der ADRC verstehen können. Es ist eine Pflichtlektüre für jeden, der sich für die Geschichte und die theoretischen Grundlagen der ADRC interessiert.KI-Generiert
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AbstractEquipped with an essential understanding of ADRC, one could confidently move to the second part of the book, which deals with its practical implementation. But for those wishing to get a wider look at the topic of ADRC and get a bit more context than what has been provided in the book so far, we use this chapter to take a quick pause and look around. Here we recall what we covered so far in the first part, put things in historical perspective, and provide relevant bibliographical support. We also briefly touch on some of the topics in the area of ADRC, which, although interesting and horizon-broadening, go beyond the scope of this book, which is focused on fundamentals. Finally, we discuss what is to come in Part II.
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Going Practical
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Frontmatter
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Chapter 8. Discrete-Time Linear ADRC
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PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel untersucht den Übergang von kontinuierlicher Zeit zu diskreter linearer aktiver Störungsabwehr (ADRC) anhand von Zustandsraum- und Transferfunktionsformen. Die Ableitung umfasst das Design von Controllern und Beobachtern sowie Abstimmungsmethoden wie Haltäquivalenz der Null-Ordnung und die Zuordnung von Pole und Zero Mapping. Das Kapitel führt auch fehlerbasierte ADRC in diskreten Zeitformen ein und liefert praktische Rezepte für die Umsetzung. Die Diskussion behandelt den rechnerischen Fußabdruck und den Vergleich verschiedener ADRC-Varianten mit diskreter Zeit, wobei ihre Vorteile und Grenzen hervorgehoben werden. Das Kapitel schließt mit einem Ausblick auf zukünftige Kapitel, die sich mit praktischen Anwendungen und Softwareimplementierungen der ADRC befassen werden.KI-Generiert
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AbstractWe have now reached an important milestone in the book, and with this chapter we are moving from the theoretical foundations of ADRC to its applications. Putting ADRC in practice will almost always be in the form of a software-based implementation, be it in embedded systems or on PLC. Given the inherent discrete-time nature of the underlying target processor systems, it is obvious that the continuous-time variants of ADRC discussed so far are not yet the answer when asking for an actual implementation. To cross the line between “theory” and “practice” that has been established in the subtitle of this book, we will therefore present several discrete-time variants of linear ADRC with different feature sets in this chapter. All of them are ready for use in industrial practice and range from state-space to transfer function forms optimized for a low computational footprint. -
Chapter 9. Practical Aspects
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenIn diesem Kapitel werden praktische Aspekte der Begrenzung der Steuerleistung und des Schutzes vor Ausspülungen in Regelkreisen behandelt. Darin werden die Herausforderungen untersucht, Aktoren über ihre Grenzen hinaus zu treiben, und das Phänomen des Integrator-Windup untersucht. Der Autor stellt einfache Ad-hoc-Lösungen zum Schutz von Windup in PID-Controllern vor und stellt eine effektive beobachtergestützte Technik für ADRC vor. Zusätzlich behandelt das Kapitel die Größen- und Geschwindigkeitsbegrenzung von Steuersignalen, die holprige Übertragung von der manuellen zur automatischen Steuerung und holprige Parameteränderungen. Außerdem werden die Auswirkungen von Messlärm diskutiert und Strategien zu seiner Abmilderung vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einem Blick auf die Steuerung von Anlagen mit Totzeit und bietet praktische Lösungen, um den Beobachter mit der zeitverzögerten Anlage zu synchronisieren. Das Kapitel bietet ausführliche Beispiele und Simulationen zur Veranschaulichung der Konzepte und Lösungen und ist damit eine wertvolle Ressource für Steuerungstechniker und Automatisierungsspezialisten.KI-Generiert
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AbstractTuning a controller is not always the hardest part. Its implementation in a real-world control loop requires additional efforts: One might have to be able to (gracefully) turn the controller on or off, modify its parameters while in operation, and deal with unwanted behaviors such as measurement noise, actuator limitations, or time delays in the control loop. This is usually easier said than done. In this chapter, we examine some of these issues and try to offer solutions that maintain the simplicity we consider a vital part of the “ADRC spirit.” -
Chapter 10. Software Implementation
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDieses Kapitel befasst sich mit der Implementierung von Active Disturbance Rejection Control (ADRC) in der Programmiersprache MATLAB / Simulink und C. Es beginnt mit einer detaillierten Anleitung zur Erstellung einer benutzerdefinierten Simulink-Implementierung von ADRC, wobei Blockdiagramme und Gleichungen aus dem Buch verwendet werden. Das Kapitel geht dann zu einem C-Programmierungsbeispiel über, das zeigt, wie man die diskrete Zeit-Raum-Form des ADRC implementiert, einschließlich praktischer Aspekte wie der Begrenzung der Output-Größenordnung und Anti-Windup-Maßnahmen. Zusätzlich stellt das Kapitel eine Variante der Übertragungsfunktion von ADRC vor, die seine Implementierung im C-Quellcode darstellt. Im gesamten Kapitel wird die Bedeutung von Anpassungen und praktischen Überlegungen betont, was es zu einer unschätzbaren Ressource für Fachleute macht, die robuste Kontrollsysteme sowohl in modellbasierten als auch in eingebetteten Umgebungen implementieren wollen.KI-Generiert
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AbstractThe “cooking recipes” in this book shall provide guidance and encouragement for custom ADRC implementations. To demonstrate that the transition from principles to practice is immediately possible based on the results from previous chapters, we will implement discrete-time variants in software form in this chapter; both using a model-based environment and using manual C language coding. -
Chapter 11. Application Examples
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PDF-Version jetzt herunterladenDas Kapitel beginnt mit einem Anwendungsbeispiel für die Temperaturregelung mit dem Temperature Control Lab (TCLab), einem erschwinglichen und kommerziell erhältlichen Arduino-basierten Modul. Das TCLab emuliert eine echte Prozesssteuerung mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen, wobei das Ziel darin besteht, die Temperatur eines Heizgeräts zu steuern und gleichzeitig den Einfluss des zweiten Heizgeräts als externe Störung zu behandeln. Das Kapitel beschreibt die Anlagenmodellierung, das Design von ADRC und die Validierung durch Simulation und Experimente. Das zweite Anwendungsbeispiel konzentriert sich auf die DC-DC-Wandlerspannungsregelung, ein weiteres praktisches Szenario, in dem ADRC implementiert ist. Das Kapitel behandelt die Modellierung des DC-DC-Wandlers, das Design des ADRC-Controllers und die Validierung durch Simulation und reale Experimente. Beide Beispiele unterstreichen die Effektivität und Robustheit der ADRC-Kontrollstrategie und machen das Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Praktiker, die fortschrittliche Kontrollsysteme in industriellen Umgebungen implementieren möchten.KI-Generiert
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AbstractHaving already introduced various extensions and modifications of the ADRC structure and its discrete-time variants for software-based implementation, we are ready to put it to work! To show how ADRC performs in actual applications, here we consider two laboratory testbeds representative of a spectrum of real control problems one can encounter in engineering practice. For those application examples, custom-made ADRC-based solutions are devised, designed, and deployed. We make an arbitrary choice to use the previously derived discrete-time state-space ADRC in the first example and its transfer function form for the implementation in the second example. For each of the considered cases, we will show similar steps including a brief plant description, formulation of the control problem, implementation and commissioning of the selected ADRC (based on already introduced “cooking recipes”), initial validation in simulation, and finally physical validation on target hardware. The examples will differ vastly regarding not only their dynamics but also the method chosen for plant modeling, covering both an experimentally driven approach and a case based on theoretical and numerical analyses. -
Chapter 12. Postlude: A Look Ahead
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDas Kapitel "Postlude: A Look Ahead" untersucht die Zukunft der aktiven Störungsabwehrkontrolle (ADRC) und betont ihre Reife und breite Akzeptanz innerhalb der Kontrollgemeinschaft. Sie argumentiert, dass ADRC zwar keine universelle Lösung, aber robuste und anpassungsfähige Kontrollverhalten bietet, was sie zu einer verlässlichen Wahl für praktische Anwendungen macht. Das Kapitel beschreibt die Kernmerkmale des ADRC, einschließlich seiner einfachen Abstimmung, seines integrierten Abwurfschutzes und seines geringen Rechenaufwandes. Es bietet auch eine schrittweise Anleitung zur Nutzung von ADRC, von der Modellierung von Pflanzen bis hin zur Anpassung, um sicherzustellen, dass die Leser in der Lage sind, diese Technologie effektiv einzusetzen. Das Kapitel schließt mit dem Hinweis, dass die ADRC eine bedeutende Rolle in der Zukunft der Kontrollsysteme spielen wird, insbesondere angesichts der zunehmenden Bedeutung datengestützter Methoden.KI-Generiert
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AbstractHere we deal with the future, both nearest and that a bit further. First, supported by the body of knowledge we have put forward with this book, we make a case for using ADRC in the future. Then, we provide key takeaways on how to use ADRC moving forward and how this book can facilitate that. And even though we are heading toward the end of Part II, this is not the end of the book yet. We explain what substantial information is still coming and why it can be especially useful to returning readers. Here we also gather and list all the “cooking recipes” which are ready-to-use procedures to tune and implement all ADRC variants covered in the book. Finally, we take a look at ADRC in a broader sense and discuss possible avenues for its further development.
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13. Correction to: Active Disturbance Rejection Control
- Open Access
PDF-Version jetzt herunterladenDas Kapitel "Correction to: Active Disturbance Rejection Control" behandelt mehrere kritische Fehler, die nach der abschließenden Rezension des Autors versehentlich in das Buch aufgenommen wurden. Zu den wichtigsten Korrekturen gehören die korrekte Platzierung von "Teil II: Praktisch" im Inhaltsverzeichnis, die Wiederherstellung eines fehlenden Omega-Symbols in Gleichung (3.20) und die Beseitigung von Fremdwörtern in einem bestimmten Rezept. Darüber hinaus korrigiert das Kapitel die verminderte Qualität der Zahlen in den Kapiteln 10 und 11 sowie in Anhang B und korrigiert die falsche Abschnittsnummerierung in Anhang B. Diese Korrekturen sind unerlässlich, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der in dem Buch präsentierten Informationen zu gewährleisten, was es zu einer entscheidenden Ressource für Fachleute auf diesem Gebiet macht.KI-Generiert
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- Titel
- Active Disturbance Rejection Control
- Verfasst von
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Gernot Herbst
Rafal Madonski
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-72687-3
- Print ISBN
- 978-3-031-72686-6
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-72687-3
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