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Active Disturbance Rejection Control

From Principles to Practice

  • Open Access
  • 2025
  • Open Access
  • Buch

Über dieses Buch

Dieser Open-Access-Text bietet die erste umfassende Einführung in die grundlegenden Prinzipien und die praktische Umsetzung von Active Disturbance Rejection Control (ADRC). Auf der Grundlage ihrer jahrelangen Erfahrung sowohl in der Forschung als auch in der Industrie haben die Autoren den Text so konzipiert, dass er Lesern auf jeder Ebene des Wissens und der Erfahrung mit ADRC zugänglich ist. Mehrere Einstiegspunkte und Pfade durch den Text werden definiert, so dass er leicht an ihre spezifischen Bedürfnisse angepasst werden kann. Teil I behandelt die theoretischen Grundlagen des ADRC und vermittelt den Lesern die grundlegenden Informationen in einem in sich abgeschlossenen Tutorialstil. Der Schwerpunkt wird darauf gelegt, zunächst eine Intuition für ADRC durch anschauliche Beispiele zu entwickeln, die von realen Kontrollproblemen inspiriert sind. Die Hauptkonzepte werden dann in formalerer und prägnanterer Art und Weise vorgestellt und anhand von Standardterminologie im Zusammenhang mit Kontrollbereichen erforscht. Teil II zeigt Methoden zur praktischen Anwendung von ADRC durch softwarebasierte Implementierung. Anhand von Labortests zur Nachahmung realer Steuerungsprobleme aus Prozess- und Kontrollbereichen veranschaulichen die Autoren den Einsatz von Software sowohl durch modellbasierte Umgebungen - einschließlich MATLAB / Simulink - als auch durch die Programmiersprache Low-Level C. Häufige Probleme, die bei der Implementierung von Controllern in der realen Welt auftreten können, werden ebenfalls untersucht, und es werden spezifische Lösungen für diese Probleme angeboten, die die Einfachheit der ADRC beibehalten. Dieses Buch kann als Lehrbuch, Handbuch oder Nachschlagewerk verwendet werden und durch seine vielen Einstiegspunkte leicht von Studenten, Praktikern und Wissenschaftlern aufgegriffen werden. In Anbetracht seines einleitenden Charakters sind die Voraussetzungen für das Studium des betrachteten Faches absichtlich nicht sehr streng. Die Leser sollten zumindest grundlegende Kenntnisse über Systeme und Steuerungen sowie ein Verständnis der mathematischen Kernkonzepte von Kalkül, linearer Algebra und Differentialgleichungen mitbringen.

Inhaltsverzeichnis

  1. Foundations

    1. Frontmatter

    2. Chapter 1. Prelude: A Fresh Look

      • Open Access
      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      In 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.
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    3. Chapter 2. First Contact with ADRC

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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    4. Chapter 3. Linear Active Disturbance Rejection Control

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Das 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.
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    5. Chapter 4. Between Time and Frequency Domains

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Das 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.
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    6. Chapter 5. Visual Tour

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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    7. Chapter 6. Extensions and Modifications

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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    8. Chapter 7. Interlude: A Look Around

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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  2. Going Practical

    1. Frontmatter

    2. Chapter 8. Discrete-Time Linear ADRC

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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    3. Chapter 9. Practical Aspects

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      In 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.
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    4. Chapter 10. Software Implementation

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Dieses 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.
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    5. Chapter 11. Application Examples

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Das 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.
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    6. Chapter 12. Postlude: A Look Ahead

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      Gernot Herbst, Rafal Madonski
      Das 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.
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  3. 13. Correction to: Active Disturbance Rejection Control

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    Gernot Herbst, Rafal Madonski
    Das 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.
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Titel
Active Disturbance Rejection Control
Verfasst von
Gernot Herbst
Rafal Madonski
Copyright-Jahr
2025
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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