1.详细讲解PID控制

PID的数学模型

在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法，如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员来讲，应该是足够应对一般研发问题了，而难能可贵的是，在很多控制算法当中，PID控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的，而且是最简单的。PID算法的一般形式：

PID算法通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。这里我们规定（在t时刻）：

1.输入量为

2.输出量为

3.偏差量为

PID算法的数字离散化

假设采样间隔为T，则在第K个T时刻：

偏差=

积分环节用加和的形式表示，即

微分环节用斜率的形式表示，即

PID算法离散化后的式子：

则可表示成为：

其中式中：

比例参数

：控制器的输出与输入偏差值成比例关系。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。特点：过程简单快速、比例作用大，可以加快调节，减小误差；但是使系统稳定性下降，造成不稳定，有余差。

积分参数

：积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程，把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差。

微分参数

：微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。

PID的基本离散表示形式如上。目前的这种表述形式属于位置型PID，另外一种表述方式为增量式PID，由上述表达式可以轻易得到：

那么：

上式就是离散化PID的增量式表示方式，由公式可以看出，增量式的表达结果和最近三次的偏差有关，这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出结果应该为：

输出量 =

+ 增量调节值

目的

PID 的重要性应该无需多说了,这个控制领域的应用最广泛的算法了.

本篇文章的目的是希望通过一个例子展示算法过程,并解释以下概念：

(1)简单描述何为PID, 为何需要PID,PID 能达到什么作用。

(2)理解P(比例环节)作用:基础比例环节。

缺点: 产生稳态误差.

疑问: 何为稳态误差 为什么会产生稳态误差.

(3)理解I(积分环节)作用:消除稳态误差.

缺点: 增加超调

疑问: 积分为何能消除稳态误差?

(4) 理解D(微分环节)作用:加大惯性响应速度,减弱超调趋势

疑问: 为何能减弱超调

(5)理解各个比例系数的作用

何为PID以及为何需要PID？

以下即PID 控制的整体框图,过程描述为:

设定一个输出目标,反馈系统传回输出值,如与目标不一致,则存在一个误差,PID 根据此误差调整输入值,直至输出达到设定值.

疑问:

那么我们为什么需要PID 呢,比如我控制温度,我不能监控温度值,温度值一到就停止吗?

这里必须要先说下我们的目标,因为我们所有的控制无非就是想输出能够达到我们的设定,即如果我们设定了一个目标温度值,那么我们想要一个什么样的温度变化呢.

比如设定目标温度为30度, 目标无非是希望达到图1 希望其能够快速而且没有抖动的达到30度.

那这样大家应该就明白,如果使用温度一到就停止的办法,当然如果要求不高可能也行,当肯定达不到图1 这样的要求,因为温度到了后余温也会让温度继续升高.而且温度自身也会通过空气散热的.

图 系统输出的响应目标

综上所述，我们需要PID的原因无非就是普通控制手段没有办法使输出快速稳定的到达设定值。

控制器的P,I,D项选择

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

(1)、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制;油泵房中间油罐油位控制等。

(2)、比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统;油泵房供油管流量控制系统;退火窑各区温度调节系统等。

(3)、比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。

(4)、例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。

总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

Kp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。一般说来编程时只能设定他们的大概数值，并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序须得能随时修改和记忆这三个参数。

数字PID控制器

（1）模拟PID控制规律的离散化

（2）数字PID控制器的差分方程

参数的自整定

在某些应用场合，比如通用仪表行业，系统的工作对象是不确定的，不同的对象就得采用不同的参数值，没法为用户设定参数，就引入参数自整定的概念。实质就是在首次使用时，通过N次测量为新的工作对象寻找一套参数，并记忆下来作为以后工作的依据。具体的整定方法有三种：临界比例度法、衰减曲线法、经验法。

1、临界比例度法（Ziegler-Nichols）

1.1 在纯比例作用下，逐渐增加增益至产生等副震荡，根据临界增益和临界周期参数得出PID控制器参数，步骤如下：

（1）将纯比例控制器接入到闭环控制系统中（设置控制器参数积分时间常数Ti =∞，实际微分时间常数Td =0）。

（2）控制器比例增益K设置为最小，加入阶跃扰动（一般是改变控制器的给定值），观察被调量的阶跃响应曲线。

（3）由小到大改变比例增益K，直到闭环系统出现振荡。

（4）系统出现持续等幅振荡时，此时的增益为临界增益（Ku），振荡周期（波峰间的时间）为临界周期（Tu）。

（5） 由表1得出PID控制器参数。

表1

1.2 采用临界比例度法整定时应注意以下几点：

（1）在采用这种方法获取等幅振荡曲线时，应使控制系统工作在线性区，不要使控制阀出现开、关的极端状态，否则得到的持续振荡曲线可能是“极限循环”，从线性系统概念上说系统早已处于发散振荡了。

（2）由于被控对象特性的不同，按上表求得的控制器参数不一定都能获得满意的结果。对于无自平衡特性的对象，用临界比例度法求得的控制器参数往住使系统响应的衰减率偏大（ψ＞0.75 ）。而对于有自平衡特性的高阶等容对象，用此法整定控制器参数时系统响应衰减率大多偏小（ψ＜0.75 ）。为此，上述求得的控制器参数，应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。

（3） 临界比例度法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统，但有些系统从安全性考虑不允许进行稳定边界试验，如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数较大的单容对象，用纯比例控制时系统始终是稳定的，对于这些系统也是无法用临界比例度法来进行参数整定的。

（4）只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况下，系统不会出现等幅振荡。

1.3 若求出被控对象的静态放大倍数KP=△y／△u ，则增益乘积KpKu可视为系统的最大开环增益。通常认为Ziegler-Nichols闭环试验整定法的适用范围为：

（1） 当KpKu > 20时，应采用更为复杂的控制算法，以求较好的调节效果。

（2）当KpKu < 2时，应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。

（3）当1.5 <KpKu< 2时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PID控制器，但需要对表1进行修正。在这种情况下，建议采用SMITH预估控制和IMC控制策略。

（4）当KpKu< 1.5时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI控制器，在这种情况下，微分作用已意义不大。

2、衰减曲线法

衰减曲线法与临界比例度法不同的是，闭环设定值扰动试验采用衰减振荡（通常为4:1或10:l），然后利用衰减振荡的试验数据，根据经验公式求取控制器的整定参数。整定步骤如下：

（1）在纯比例控制器下，置比例增益K为较小值，并将系统投入运行。

（2）系统稳定后，作设定值阶跃扰动，观察系统的响应，若系统响应衰减太快，则减小比例增益K；反之，应增大比例增益K。直到系统出现如下图（a）所示的4:1衰减振荡过程，记下此时的比例增益Ks及和振荡周期Ts数值。

（3）利用Ks和Ts值，按下表给出的经验公式，计算出控制器的参数整定值。

（4）10：1衰减曲线法类似，只是用Tr带入计算。

采用衰减曲线法必须注意几点：

（1）加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。

（2）必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得 整定参数。

（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要得到严格的4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。

（4）投运时，先将K放在较小的数值，把Ti减少到整定值，把Td逐步放大到整定值，然后把K拉到整定值（如果在K=整定值的条件下很快地把Td放到整定值，控制器的输出会剧烈变化）。

3、经验整定法

3.1方法一A：

（1）确定比例增益

使PID为纯比例调节,输入设定为系统允许最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

（2）确定积分时间常数

比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。

（3）确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

（4）系统带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

3.2 方法一B：

（1）PI调节

（a）纯比例作用下，把比例度从较大数值逐渐往下降，至开始产生周期振荡（测量值以给定值为中心作有规则得振荡），在产生周期性振荡得情况下，把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。

（b）接下来把积分时间逐渐缩短至产生振荡，此时表示积分时间过短，应把积分时间稍加延长，直至振荡停止。

（2）PID调节

（a）纯比例作用下寻求起振点。

（b）加大微分时间使振荡停止，接着把比例度调得稍小一些，使振荡又产生，加大微分时间，使振荡再停止，来回这样操作，直至虽加大微分时间，但不能使振荡停止，求得微分时间的最佳值，此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。

（c）把积分时间调成和微分时间相同的数值，如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。

3.3 方法二：

另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1/3~1/4）Ti，然后对δ进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，δ的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ti、Td再确定δ的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ti、Td再加以适当调整。

3.4 方法三：

（1）在实际调试中，也可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

压力系统：P（%）30--70， I（分）0.4--3

液位系统：P（%）20--80， I（分）1—5

温度系统：P（%）20--60， I（分）3--10，D（分）0.5--3

（2）以下整定的口诀：

阶跃扰动投闭环，参数整定看曲线；先投比例后积分，最后再把微分加；

理想曲线两个波，振幅衰减4比1；比例太强要振荡，积分太强过程长；

动差太大加微分，频率太快微分降；偏离定值回复慢，积分作用再加强。

4、复杂调节系统的参数整定

以串级调节系统为例来说明复杂调节系统的参数整定方法。由于串级调节系统中，有主、副两组参数，各通道及回路间存在着相互联系和影响。改变主、副回路的任一参数，对整个系统都有影响。特别是主、副对象时间常数相差不大时，动态联系密切，整定参数的工作尤其困难。

在整定参数前，先要明确串级调节系统的设计目的。如果主要是保证主参数的调节质量，对副参数要求不高，则整定工作就比较容易；如果主、副参数都要求高，整定工作就比较复杂。下面介绍“先副后主”两步参数整定法。

第一步：在工况稳定情况下，将主回路闭合，把主控制器比例度放在100%，积分时间放在最大，微分时间放在零。用4：1衰减曲线整定副回路，求出副回路得比例增益K2s和振荡周期T2s。

第二步：把副回路看成是主回路的一个环节，使用4：1衰减曲线法整定主回路，求得主控制器K1s和T1s。

根据K1s、K2s、T1s、T2s按表2经验公式算出串级调节系统主、副回路参数。先放上副回路参数，再放上主回路参数，如果得到满意的过渡过程，则整定工作完毕。否则可进行适当调整。

如果主、副对象时间常数相差不大，按4：1衰减曲线法整定，可能出现“共振”危险，这时，可适当减小副回路比例度或积分时间，以达到减少副回路振荡周期的目的。同理，加大主回路比例度或积分时间，以期增大主回路振荡周期，使主、副回路振荡周期之比加大，避免“共振”。这样做的结果会降低调节质量。

如果主、副对象特性太相近，则说明确定的方案欠妥当，就不能完全依靠参数整定来提高调节质量了。

实际应用体会：

一是利用数字PID控制算法调节直流电机的速度，方案是采用光电开关来获得电机的转动产生的脉冲信号，单片机（MSP430G2553）通过测量脉冲信号的频率来计算电机的转速（具体测量频率的算法是采用直接测量法，定时1s测量脉冲有多少个，本身的测量误差可以有0.5转加减），测量的转速同给定的转速进行比较产生误差信号，来产生控制信号，控制信号是通过PWM调整占空比也就是调整输出模拟电压来控制的（相当于1位的DA，如果用10位的DA来进行模拟调整呢？效果会不会好很多？），这个实验控制能力有一定的范围，只能在30转/秒和150转/秒之间进行控制，当给定值（程序中给定的速度）高于150时，实际速度只能保持在150转，这也就是此系统的最大控制能力，当给定值低于30转时，直流电机转轴实际是不转动的，但由于误差值过大，转速会迅速变高，然后又会停止转动，就这样循环往复，不能达到控制效果。

根据实测，转速稳态精度在正负3转以内，控制时间为4到5秒。实验只进行到这种程度，思考和分析也只停留在这种深度。

二是利用数字PID控制算法调节直流减速电机的位置，方案是采用与电机同轴转动的精密电位器来测量电机转动的位置和角度，通过测量得到的角度和位置与给定的位置进行比较产生误差信号，然后位置误差信号通过一定关系（此关系纯属根据想象和实验现象来拟定和改善的）转换成PWM信号，作为控制信号的PWM信号是先产生对直流减速电机的模拟电压U，U来控制直流减速电机的力矩（不太清楚），力矩产生加速度，加速度产生速度，速度改变位置，输出量是位置信号，所以之间应该对直流减速电机进行系统建模分析，仿真出直流减速电机的近似系统传递函数，然后根据此函数便可以对PID的参数进行整定了。

两次体会都不是特别清楚PID参数是如何整定的，没有特别清晰的理论指导和实验步骤，对结果的整理和分析也不够及时，导致实验深度和程度都不能达到理想效果。

怎样形象理解PID算法

小明接到这样一个任务：

有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)

要求水面高度维持在某个位置

一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。

几次试验后，确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期。

开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，

但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，几次下来，

发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，

每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了，有时还赶不上漏水的速度。

于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间 。

小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，必须立即将水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。

小明又为难了!于是他又开努脑筋，终于让它想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高多了。

他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间。

拿一个水池水位来说，我们 可以制定一个规则，

把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段;

再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段，并区分趋势的正负;

把输出分为超大幅 度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。

当水位处于中值、趋势处于停顿的时候，不调节;

当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候，也可以暂不调节;

当水位处于较高、趋势缓慢变化 的时候，输出一个微小调节两就够了;

当水位处于中值、趋势较快变化的时候，输出进行叫 大幅度调节……。

如上所述，我们需要制定一个控制规则表，然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋 势的界值、输出幅度的界值。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

根据设备有所不同，比例带一般为2～10%(温度控制)。

但是，仅仅是P控制的话，会产生下面将提到的offset (稳态误差)，所以一般加上积分控制(I)，以消除稳态误差。

比例带与比例控制(P)输出的关系如图所示。用MVp运算式的设定举例:

• 稳态误差(Off set)

比例控制中，经过一定时间后误差稳定在一定值时，此时的误差叫做稳态误差(off set)。

仅用比例控制的时候，根据负载的变动及设备的固有特性不同，会出现不同的稳态误差。

负载特性与控制特性曲线的交点和设定值不一致是产生稳态误差的原因。

比例带小时不会产生。为消除稳态误差，我们设定手动复位值--manual reset值(MR)，以消除控制误差。

手动复位(Manual reset)

如前所述，仅用比例控制不能消除稳态误差。

为此，将MR(manual reset值)设为可变，则可自由整定(即调整)调节器的输出。

只要手动操作输出相当于offset的量，就能与目标值一致。

这就叫做手动复位(manual reset)，通常比例调节器上配有此功能。

在实际的自动控制中，每次发生off set时以手动进行reset的话，这样并不实用。

在后面将叙述的积分控制功能，能自动消除稳态误差。

所谓积分控制(I)，就是在出现稳态误差时自动的改变输出量，使其与手动复位动作的输出量相同，达到消除稳态误差的目的。

当系统存在误差时，进行积分控制，根据积分时间的大小调节器的输出会以一定的速度变化，只要误差还存在，就会不断的进行输出。

积分时间的定义:

当积分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即积分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是积分时间。

微分控制(D)的功能是通过误差的变化率预报误差信号的未来变化趋势。

通过提供超前控制作用，微分控制能使被控过程趋于稳定。

因此，它经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势。

微分时间的定义:

当输入量持续的以一定速率变化时，微分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即微分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是微分时间。

实际中如何使用

我们看一个生活例子，冬天洗热水澡，需要先放掉一段时间的冷水，因为水管里有一段冷水，热水器也需要一个加热过程，等过了这段时间之后水温有些接近目标值后，开始调节水龙头来调节冷、热水之间的比例及出水量，之后再慢慢的微调，在洗浴过程中感觉温度不合适，再一点点的调节。这个过程，其实就是PID算法过程。我们之所以微调，是因为水温的变化速度与我调节的速度不相匹配，存在一个滞后效应，我们需要调节一点点，等一下再感觉一下温度，不够再调节一点点，再感觉，这个过程就叫PID算法，也可以说，滞后效应是引入PID的原因。

失去的能否找回来？能、只是我找回了纽扣，却发现衣服已经不再了。这个就是滞后效应。

负反馈系统，都有滞后效应，但为什么运放、电源这类的却从来不提PID算法呢？这是因为这类系统的滞后延时时间非常短，若考虑这个延时，负反馈引入180度相位，延时恰好引入180度相位，则完全可能引起振荡。问题在于这个延时时间足够短，它的谐振频率点比较高，以运放为例，加入延时加上负反馈引起的谐振点为10MHz，但这片运放的频率响应是1MHz，则在10MHz下完全不可能导致振荡，因为这个芯片的频响特性只有1MHz。我们常用的线性电源IC，比如SOT23封装的LDO，假如输出不加电容，就会输出一个振荡的波形，相对来说电源IC的滞后效应比运放要大，但是，因为电源一般后面都要接大电容的，它的频响特性很低，接近直流0Hz，所以当有电容时候，就无法振荡了。

而工业控制领域，比如温度等，都是滞后效应很严重的，往往都是mS，甚至是10mS级别的，若直接用负反馈，因为激励与反馈的不同步，必然导致强烈的振荡，所以为了解决这个问题，我们需要引入PID算法，来实现这类滞后效应严重系统的负反馈控制，我们以高频感应加热设备加热工件，从常温25度加热到700度为例做说明：

1、25~600度，100%的全功率加热工件，这是因为温差太大，前期要全功率，先加热到靠近目标温度。之所以考虑在600度，是因为滞后效应，若设定太高，当发现接近700度再停下来，但实际上，温度会冲过700度。当然，600度是一个经验值，以下几个温度点都是经验值，根据实际情况而来。

2、600以上，开启P算法，P就是根据测量值与目标值的误差来决定负反馈的大小。P算法公式：反馈=P*(当前温度-目标温度)。但因为负反馈是基于存在误差为前提的，所以P算法导致一个问题，永远到不了想要的值：700度。因为到了700度，反馈值就没有了。P算法的开启，进一步逼近了目标温度，假设稳态下可以达到650度，这样就算因为滞后效应导致的延时，也不会超过700度太多。

3、当达到P算法的稳态极限650度附近的时候，比如640度，就应该开启另外一个算法解决P算法引起的极限误差，那就是I算法。I算法就是为了消除这个P算法导致的误差值，毕竟我们想要的是700度，而不是650度。I算法，本质上讲就是获取一个700度下对应的一个驱动值，之后用这个驱动值来取代P算法，那么我们怎么得到这个驱动值呢，唯一的手段就是把之前的误差都累加起来，最后得到一个期望值，这个期望值就是我们想要的驱动值。因为只要与目标值存在误差，那么把这些误差值积累起来再去反馈控制，就能一步步的逼近目标值，这如同水温不够高，再加一点点热水，不够高再加，这样总能达到想要的水温。值得注意的是，I算法不能接入太高，必须要在P算法的后期介入，不然很容易积累过大。这个时候可以引入一个误差门限，比如误差为60，当作6来处理，误差为50，当作5来处理，消除大的误差值，具体根据项目情况决定。

4、当I算法把工件温度加热到很接近目标温度后，那么可以调节的范围就很小了，最后一点点的微动，让调节的每一次的变化，不要太大，这就是D算法。D算法本质上讲就是反对剧烈的变化，所以适用于达到目标温度的时候。

PID算法其实不复杂，但从目前看，很多人都是因为对这三者的使用条件不了解导致的问题，都是从加热一开始，三个要素都上，结果可想而知。P算法是温度接近目标值的时候用，I算法是在P算法到稳态极限的时候用，D算法是达到目标值附近的时候用。实际项目中，D算法一般不用，效果不大。假如非要找一个现实中对应的实物，那么以开关电源为例，TL431基准电源比较器可以认为是P，输出滤波电容C是I，输出滤波电感是D，两者完全等价。它们各自的应用工作点可以认为：假设目标温度700度，600~800度：P算法；640~760度：I算法；690~710度：D算法。具体值，以实验为准，数据仅供参考。

最后给出一个PID最通俗的解读：我们设计一样东西，一般都是先打个样，这个样跟我们想要的接近，但细节没到位，这就是P，样有差异，所以就要修改，拟合逼近，这就是I，到了定稿，就不允许随便修改了，就算要修改，也是有限制的修改，这就是D。

2.千万不要错过的好文哦~万能算法PID最全总结

PID的数学模型

在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法，如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员来讲，应该是足够应对一般研发问题了，而难能可贵的是，在很多控制算法当中，PID控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的，而且是最简单的。PID算法的一般形式：

PID算法通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。这里我们规定（在t时刻）：

1.输入量为

2.输出量为

3.偏差量为

PID算法的数字离散化

假设采样间隔为T，则在第K个T时刻：

偏差=

积分环节用加和的形式表示，即

微分环节用斜率的形式表示，即

PID算法离散化后的式子：

则可表示成为：

其中式中：

比例参数

：控制器的输出与输入偏差值成比例关系。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。特点：过程简单快速、比例作用大，可以加快调节，减小误差；但是使系统稳定性下降，造成不稳定，有余差。

积分参数

：积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程，把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差。

微分参数

：微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。

PID的基本离散表示形式如上。目前的这种表述形式属于位置型PID，另外一种表述方式为增量式PID，由上述表达式可以轻易得到：

那么：

上式就是离散化PID的增量式表示方式，由公式可以看出，增量式的表达结果和最近三次的偏差有关，这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出结果应该为：

输出量 =

+ 增量调节值

目的

PID 的重要性应该无需多说了,这个控制领域的应用最广泛的算法了.

本篇文章的目的是希望通过一个例子展示算法过程,并解释以下概念：

(1)简单描述何为PID, 为何需要PID,PID 能达到什么作用。

(2)理解P(比例环节)作用:基础比例环节。

缺点: 产生稳态误差.

疑问: 何为稳态误差 为什么会产生稳态误差.

(3)理解I(积分环节)作用:消除稳态误差.

缺点: 增加超调

疑问: 积分为何能消除稳态误差?

(4) 理解D(微分环节)作用:加大惯性响应速度,减弱超调趋势

疑问: 为何能减弱超调

(5)理解各个比例系数的作用

何为PID以及为何需要PID？

以下即PID 控制的整体框图,过程描述为:

设定一个输出目标,反馈系统传回输出值,如与目标不一致,则存在一个误差,PID 根据此误差调整输入值,直至输出达到设定值.

疑问:

那么我们为什么需要PID 呢,比如我控制温度,我不能监控温度值,温度值一到就停止吗?

这里必须要先说下我们的目标,因为我们所有的控制无非就是想输出能够达到我们的设定,即如果我们设定了一个目标温度值,那么我们想要一个什么样的温度变化呢.

比如设定目标温度为30度, 目标无非是希望达到图1 希望其能够快速而且没有抖动的达到30度.

那这样大家应该就明白,如果使用温度一到就停止的办法,当然如果要求不高可能也行,当肯定达不到图1 这样的要求,因为温度到了后余温也会让温度继续升高.而且温度自身也会通过空气散热的.

图 系统输出的响应目标

综上所述，我们需要PID的原因无非就是普通控制手段没有办法使输出快速稳定的到达设定值。

控制器的P,I,D项选择

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

(1)、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制;油泵房中间油罐油位控制等。

(2)、比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统;油泵房供油管流量控制系统;退火窑各区温度调节系统等。

(3)、比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。

(4)、例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。

总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

Kp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。一般说来编程时只能设定他们的大概数值，并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序须得能随时修改和记忆这三个参数。

数字PID控制器

（1）模拟PID控制规律的离散化

（2）数字PID控制器的差分方程

参数的自整定

在某些应用场合，比如通用仪表行业，系统的工作对象是不确定的，不同的对象就得采用不同的参数值，没法为用户设定参数，就引入参数自整定的概念。实质就是在首次使用时，通过N次测量为新的工作对象寻找一套参数，并记忆下来作为以后工作的依据。具体的整定方法有三种：临界比例度法、衰减曲线法、经验法。

1、临界比例度法（Ziegler-Nichols）

1.1 在纯比例作用下，逐渐增加增益至产生等副震荡，根据临界增益和临界周期参数得出PID控制器参数，步骤如下：

（1）将纯比例控制器接入到闭环控制系统中（设置控制器参数积分时间常数Ti =∞，实际微分时间常数Td =0）。

（2）控制器比例增益K设置为最小，加入阶跃扰动（一般是改变控制器的给定值），观察被调量的阶跃响应曲线。

（3）由小到大改变比例增益K，直到闭环系统出现振荡。

（4）系统出现持续等幅振荡时，此时的增益为临界增益（Ku），振荡周期（波峰间的时间）为临界周期（Tu）。

（5） 由表1得出PID控制器参数。

表1

1.2 采用临界比例度法整定时应注意以下几点：

（1）在采用这种方法获取等幅振荡曲线时，应使控制系统工作在线性区，不要使控制阀出现开、关的极端状态，否则得到的持续振荡曲线可能是“极限循环”，从线性系统概念上说系统早已处于发散振荡了。

（2）由于被控对象特性的不同，按上表求得的控制器参数不一定都能获得满意的结果。对于无自平衡特性的对象，用临界比例度法求得的控制器参数往住使系统响应的衰减率偏大（ψ＞0.75 ）。而对于有自平衡特性的高阶等容对象，用此法整定控制器参数时系统响应衰减率大多偏小（ψ＜0.75 ）。为此，上述求得的控制器参数，应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。

（3） 临界比例度法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统，但有些系统从安全性考虑不允许进行稳定边界试验，如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数较大的单容对象，用纯比例控制时系统始终是稳定的，对于这些系统也是无法用临界比例度法来进行参数整定的。

（4）只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况下，系统不会出现等幅振荡。

1.3 若求出被控对象的静态放大倍数KP=△y／△u ，则增益乘积KpKu可视为系统的最大开环增益。通常认为Ziegler-Nichols闭环试验整定法的适用范围为：

（1） 当KpKu > 20时，应采用更为复杂的控制算法，以求较好的调节效果。

（2）当KpKu < 2时，应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。

（3）当1.5 <KpKu< 2时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PID控制器，但需要对表1进行修正。在这种情况下，建议采用SMITH预估控制和IMC控制策略。

（4）当KpKu< 1.5时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI控制器，在这种情况下，微分作用已意义不大。

2、衰减曲线法

衰减曲线法与临界比例度法不同的是，闭环设定值扰动试验采用衰减振荡（通常为4:1或10:l），然后利用衰减振荡的试验数据，根据经验公式求取控制器的整定参数。整定步骤如下：

（1）在纯比例控制器下，置比例增益K为较小值，并将系统投入运行。

（2）系统稳定后，作设定值阶跃扰动，观察系统的响应，若系统响应衰减太快，则减小比例增益K；反之，应增大比例增益K。直到系统出现如下图（a）所示的4:1衰减振荡过程，记下此时的比例增益Ks及和振荡周期Ts数值。

（3）利用Ks和Ts值，按下表给出的经验公式，计算出控制器的参数整定值。

（4）10：1衰减曲线法类似，只是用Tr带入计算。

采用衰减曲线法必须注意几点：

（1）加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。

（2）必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得 整定参数。

（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要得到严格的4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。

（4）投运时，先将K放在较小的数值，把Ti减少到整定值，把Td逐步放大到整定值，然后把K拉到整定值（如果在K=整定值的条件下很快地把Td放到整定值，控制器的输出会剧烈变化）。

3、经验整定法

3.1方法一A：

（1）确定比例增益

使PID为纯比例调节,输入设定为系统允许最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

（2）确定积分时间常数

比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。

（3）确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

（4）系统带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

3.2 方法一B：

（1）PI调节

（a）纯比例作用下，把比例度从较大数值逐渐往下降，至开始产生周期振荡（测量值以给定值为中心作有规则得振荡），在产生周期性振荡得情况下，把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。

（b）接下来把积分时间逐渐缩短至产生振荡，此时表示积分时间过短，应把积分时间稍加延长，直至振荡停止。

（2）PID调节

（a）纯比例作用下寻求起振点。

（b）加大微分时间使振荡停止，接着把比例度调得稍小一些，使振荡又产生，加大微分时间，使振荡再停止，来回这样操作，直至虽加大微分时间，但不能使振荡停止，求得微分时间的最佳值，此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。

（c）把积分时间调成和微分时间相同的数值，如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。

3.3 方法二：

另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1/3~1/4）Ti，然后对δ进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，δ的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ti、Td再确定δ的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ti、Td再加以适当调整。

3.4 方法三：

（1）在实际调试中，也可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

压力系统：P（%）30--70， I（分）0.4--3

液位系统：P（%）20--80， I（分）1—5

温度系统：P（%）20--60， I（分）3--10，D（分）0.5--3

（2）以下整定的口诀：

阶跃扰动投闭环，参数整定看曲线；先投比例后积分，最后再把微分加；

理想曲线两个波，振幅衰减4比1；比例太强要振荡，积分太强过程长；

动差太大加微分，频率太快微分降；偏离定值回复慢，积分作用再加强。

4、复杂调节系统的参数整定

以串级调节系统为例来说明复杂调节系统的参数整定方法。由于串级调节系统中，有主、副两组参数，各通道及回路间存在着相互联系和影响。改变主、副回路的任一参数，对整个系统都有影响。特别是主、副对象时间常数相差不大时，动态联系密切，整定参数的工作尤其困难。

在整定参数前，先要明确串级调节系统的设计目的。如果主要是保证主参数的调节质量，对副参数要求不高，则整定工作就比较容易；如果主、副参数都要求高，整定工作就比较复杂。下面介绍“先副后主”两步参数整定法。

第一步：在工况稳定情况下，将主回路闭合，把主控制器比例度放在100%，积分时间放在最大，微分时间放在零。用4：1衰减曲线整定副回路，求出副回路得比例增益K2s和振荡周期T2s。

第二步：把副回路看成是主回路的一个环节，使用4：1衰减曲线法整定主回路，求得主控制器K1s和T1s。

根据K1s、K2s、T1s、T2s按表2经验公式算出串级调节系统主、副回路参数。先放上副回路参数，再放上主回路参数，如果得到满意的过渡过程，则整定工作完毕。否则可进行适当调整。

如果主、副对象时间常数相差不大，按4：1衰减曲线法整定，可能出现“共振”危险，这时，可适当减小副回路比例度或积分时间，以达到减少副回路振荡周期的目的。同理，加大主回路比例度或积分时间，以期增大主回路振荡周期，使主、副回路振荡周期之比加大，避免“共振”。这样做的结果会降低调节质量。

如果主、副对象特性太相近，则说明确定的方案欠妥当，就不能完全依靠参数整定来提高调节质量了。

实际应用体会：

一是利用数字PID控制算法调节直流电机的速度，方案是采用光电开关来获得电机的转动产生的脉冲信号，单片机（MSP430G2553）通过测量脉冲信号的频率来计算电机的转速（具体测量频率的算法是采用直接测量法，定时1s测量脉冲有多少个，本身的测量误差可以有0.5转加减），测量的转速同给定的转速进行比较产生误差信号，来产生控制信号，控制信号是通过PWM调整占空比也就是调整输出模拟电压来控制的（相当于1位的DA，如果用10位的DA来进行模拟调整呢？效果会不会好很多？），这个实验控制能力有一定的范围，只能在30转/秒和150转/秒之间进行控制，当给定值（程序中给定的速度）高于150时，实际速度只能保持在150转，这也就是此系统的最大控制能力，当给定值低于30转时，直流电机转轴实际是不转动的，但由于误差值过大，转速会迅速变高，然后又会停止转动，就这样循环往复，不能达到控制效果。

根据实测，转速稳态精度在正负3转以内，控制时间为4到5秒。实验只进行到这种程度，思考和分析也只停留在这种深度。

二是利用数字PID控制算法调节直流减速电机的位置，方案是采用与电机同轴转动的精密电位器来测量电机转动的位置和角度，通过测量得到的角度和位置与给定的位置进行比较产生误差信号，然后位置误差信号通过一定关系（此关系纯属根据想象和实验现象来拟定和改善的）转换成PWM信号，作为控制信号的PWM信号是先产生对直流减速电机的模拟电压U，U来控制直流减速电机的力矩（不太清楚），力矩产生加速度，加速度产生速度，速度改变位置，输出量是位置信号，所以之间应该对直流减速电机进行系统建模分析，仿真出直流减速电机的近似系统传递函数，然后根据此函数便可以对PID的参数进行整定了。

两次体会都不是特别清楚PID参数是如何整定的，没有特别清晰的理论指导和实验步骤，对结果的整理和分析也不够及时，导致实验深度和程度都不能达到理想效果。

怎样形象理解PID算法

小明接到这样一个任务：

有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)

要求水面高度维持在某个位置

一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。

几次试验后，确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期。

开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，

但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，几次下来，

发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，

每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了，有时还赶不上漏水的速度。

于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间 。

小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，必须立即将水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。

小明又为难了!于是他又开努脑筋，终于让它想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高多了。

他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间。

拿一个水池水位来说，我们 可以制定一个规则，

把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段;

再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段，并区分趋势的正负;

把输出分为超大幅 度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。

当水位处于中值、趋势处于停顿的时候，不调节;

当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候，也可以暂不调节;

当水位处于较高、趋势缓慢变化 的时候，输出一个微小调节两就够了;

当水位处于中值、趋势较快变化的时候，输出进行叫 大幅度调节……。

如上所述，我们需要制定一个控制规则表，然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋 势的界值、输出幅度的界值。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

根据设备有所不同，比例带一般为2～10%(温度控制)。

但是，仅仅是P控制的话，会产生下面将提到的offset (稳态误差)，所以一般加上积分控制(I)，以消除稳态误差。

比例带与比例控制(P)输出的关系如图所示。用MVp运算式的设定举例:

• 稳态误差(Off set)

比例控制中，经过一定时间后误差稳定在一定值时，此时的误差叫做稳态误差(off set)。

仅用比例控制的时候，根据负载的变动及设备的固有特性不同，会出现不同的稳态误差。

负载特性与控制特性曲线的交点和设定值不一致是产生稳态误差的原因。

比例带小时不会产生。为消除稳态误差，我们设定手动复位值--manual reset值(MR)，以消除控制误差。

手动复位(Manual reset)

如前所述，仅用比例控制不能消除稳态误差。

为此，将MR(manual reset值)设为可变，则可自由整定(即调整)调节器的输出。

只要手动操作输出相当于offset的量，就能与目标值一致。

这就叫做手动复位(manual reset)，通常比例调节器上配有此功能。

在实际的自动控制中，每次发生off set时以手动进行reset的话，这样并不实用。

在后面将叙述的积分控制功能，能自动消除稳态误差。

所谓积分控制(I)，就是在出现稳态误差时自动的改变输出量，使其与手动复位动作的输出量相同，达到消除稳态误差的目的。

当系统存在误差时，进行积分控制，根据积分时间的大小调节器的输出会以一定的速度变化，只要误差还存在，就会不断的进行输出。

积分时间的定义:

当积分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即积分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是积分时间。

微分控制(D)的功能是通过误差的变化率预报误差信号的未来变化趋势。

通过提供超前控制作用，微分控制能使被控过程趋于稳定。

因此，它经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势。

微分时间的定义:

当输入量持续的以一定速率变化时，微分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即微分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是微分时间。

实际中如何使用

我们看一个生活例子，冬天洗热水澡，需要先放掉一段时间的冷水，因为水管里有一段冷水，热水器也需要一个加热过程，等过了这段时间之后水温有些接近目标值后，开始调节水龙头来调节冷、热水之间的比例及出水量，之后再慢慢的微调，在洗浴过程中感觉温度不合适，再一点点的调节。这个过程，其实就是PID算法过程。我们之所以微调，是因为水温的变化速度与我调节的速度不相匹配，存在一个滞后效应，我们需要调节一点点，等一下再感觉一下温度，不够再调节一点点，再感觉，这个过程就叫PID算法，也可以说，滞后效应是引入PID的原因。

失去的能否找回来？能、只是我找回了纽扣，却发现衣服已经不再了。这个就是滞后效应。

负反馈系统，都有滞后效应，但为什么运放、电源这类的却从来不提PID算法呢？这是因为这类系统的滞后延时时间非常短，若考虑这个延时，负反馈引入180度相位，延时恰好引入180度相位，则完全可能引起振荡。问题在于这个延时时间足够短，它的谐振频率点比较高，以运放为例，加入延时加上负反馈引起的谐振点为10MHz，但这片运放的频率响应是1MHz，则在10MHz下完全不可能导致振荡，因为这个芯片的频响特性只有1MHz。我们常用的线性电源IC，比如SOT23封装的LDO，假如输出不加电容，就会输出一个振荡的波形，相对来说电源IC的滞后效应比运放要大，但是，因为电源一般后面都要接大电容的，它的频响特性很低，接近直流0Hz，所以当有电容时候，就无法振荡了。

而工业控制领域，比如温度等，都是滞后效应很严重的，往往都是mS，甚至是10mS级别的，若直接用负反馈，因为激励与反馈的不同步，必然导致强烈的振荡，所以为了解决这个问题，我们需要引入PID算法，来实现这类滞后效应严重系统的负反馈控制，我们以高频感应加热设备加热工件，从常温25度加热到700度为例做说明：

1、25~600度，100%的全功率加热工件，这是因为温差太大，前期要全功率，先加热到靠近目标温度。之所以考虑在600度，是因为滞后效应，若设定太高，当发现接近700度再停下来，但实际上，温度会冲过700度。当然，600度是一个经验值，以下几个温度点都是经验值，根据实际情况而来。

2、600以上，开启P算法，P就是根据测量值与目标值的误差来决定负反馈的大小。P算法公式：反馈=P*(当前温度-目标温度)。但因为负反馈是基于存在误差为前提的，所以P算法导致一个问题，永远到不了想要的值：700度。因为到了700度，反馈值就没有了。P算法的开启，进一步逼近了目标温度，假设稳态下可以达到650度，这样就算因为滞后效应导致的延时，也不会超过700度太多。

3、当达到P算法的稳态极限650度附近的时候，比如640度，就应该开启另外一个算法解决P算法引起的极限误差，那就是I算法。I算法就是为了消除这个P算法导致的误差值，毕竟我们想要的是700度，而不是650度。I算法，本质上讲就是获取一个700度下对应的一个驱动值，之后用这个驱动值来取代P算法，那么我们怎么得到这个驱动值呢，唯一的手段就是把之前的误差都累加起来，最后得到一个期望值，这个期望值就是我们想要的驱动值。因为只要与目标值存在误差，那么把这些误差值积累起来再去反馈控制，就能一步步的逼近目标值，这如同水温不够高，再加一点点热水，不够高再加，这样总能达到想要的水温。值得注意的是，I算法不能接入太高，必须要在P算法的后期介入，不然很容易积累过大。这个时候可以引入一个误差门限，比如误差为60，当作6来处理，误差为50，当作5来处理，消除大的误差值，具体根据项目情况决定。

4、当I算法把工件温度加热到很接近目标温度后，那么可以调节的范围就很小了，最后一点点的微动，让调节的每一次的变化，不要太大，这就是D算法。D算法本质上讲就是反对剧烈的变化，所以适用于达到目标温度的时候。

PID算法其实不复杂，但从目前看，很多人都是因为对这三者的使用条件不了解导致的问题，都是从加热一开始，三个要素都上，结果可想而知。P算法是温度接近目标值的时候用，I算法是在P算法到稳态极限的时候用，D算法是达到目标值附近的时候用。实际项目中，D算法一般不用，效果不大。假如非要找一个现实中对应的实物，那么以开关电源为例，TL431基准电源比较器可以认为是P，输出滤波电容C是I，输出滤波电感是D，两者完全等价。它们各自的应用工作点可以认为：假设目标温度700度，600~800度：P算法；640~760度：I算法；690~710度：D算法。具体值，以实验为准，数据仅供参考。

最后给出一个PID最通俗的解读：我们设计一样东西，一般都是先打个样，这个样跟我们想要的接近，但细节没到位，这就是P，样有差异，所以就要修改，拟合逼近，这就是I，到了定稿，就不允许随便修改了，就算要修改，也是有限制的修改，这就是D。

3.被称为万能算法的PID，你会用吗？一文了解下

PID的数学模型

在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法，如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程，对于一般的研发人员来讲，应该是足够应对一般研发问题了，而难能可贵的是，在很多控制算法当中，PID控制算法又是最简单，最能体现反馈思想的控制算法，可谓经典中的经典。经典的未必是复杂的，经典的东西常常是简单的，而且是最简单的。PID算法的一般形式：

PID算法通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。这里我们规定（在t时刻）：

1.输入量为

2.输出量为

3.偏差量为

PID算法的数字离散化

假设采样间隔为T，则在第K个T时刻：

偏差=

积分环节用加和的形式表示，即

微分环节用斜率的形式表示，即

PID算法离散化后的式子：

则可表示成为：

其中式中：

比例参数

：控制器的输出与输入偏差值成比例关系。系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。特点：过程简单快速、比例作用大，可以加快调节，减小误差；但是使系统稳定性下降，造成不稳定，有余差。

积分参数

：积分环节主要是用来消除静差，所谓静差，就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值，积分环节实际上就是偏差累计的过程，把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差。

微分参数

：微分信号则反应了偏差信号的变化规律，或者说是变化趋势，根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节，从而增加了系统的快速性。

PID的基本离散表示形式如上。目前的这种表述形式属于位置型PID，另外一种表述方式为增量式PID，由上述表达式可以轻易得到：

那么：

上式就是离散化PID的增量式表示方式，由公式可以看出，增量式的表达结果和最近三次的偏差有关，这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出结果应该为：

输出量 =

+ 增量调节值

目的

PID 的重要性应该无需多说了,这个控制领域的应用最广泛的算法了.

本篇文章的目的是希望通过一个例子展示算法过程,并解释以下概念：

(1)简单描述何为PID, 为何需要PID,PID 能达到什么作用。

(2)理解P(比例环节)作用:基础比例环节。

缺点: 产生稳态误差.

疑问: 何为稳态误差 为什么会产生稳态误差.

(3)理解I(积分环节)作用:消除稳态误差.

缺点: 增加超调

疑问: 积分为何能消除稳态误差?

(4) 理解D(微分环节)作用:加大惯性响应速度,减弱超调趋势

疑问: 为何能减弱超调

(5)理解各个比例系数的作用

何为PID以及为何需要PID？

以下即PID 控制的整体框图,过程描述为:

设定一个输出目标,反馈系统传回输出值,如与目标不一致,则存在一个误差,PID 根据此误差调整输入值,直至输出达到设定值.

疑问:

那么我们为什么需要PID 呢,比如我控制温度,我不能监控温度值,温度值一到就停止吗?

这里必须要先说下我们的目标,因为我们所有的控制无非就是想输出能够达到我们的设定,即如果我们设定了一个目标温度值,那么我们想要一个什么样的温度变化呢.

比如设定目标温度为30度, 目标无非是希望达到图1 希望其能够快速而且没有抖动的达到30度.

那这样大家应该就明白,如果使用温度一到就停止的办法,当然如果要求不高可能也行,当肯定达不到图1 这样的要求,因为温度到了后余温也会让温度继续升高.而且温度自身也会通过空气散热的.

图 系统输出的响应目标

综上所述，我们需要PID的原因无非就是普通控制手段没有办法使输出快速稳定的到达设定值。

控制器的P,I,D项选择

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下：

(1)、比例控制规律P：采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如：金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制;油泵房中间油罐油位控制等。

(2)、比例积分控制规律(PI)：在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如：在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统;油泵房供油管流量控制系统;退火窑各区温度调节系统等。

(3)、比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如：加热型温度控制、成分控制。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。如：大窑玻璃液位的控制。

(4)、例积分微分控制规律(PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

鉴于D规律的作用，我们还必须了解时间滞后的概念，时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括：测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡，如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的，在工业上，大多的纯滞后是由于物料传输所致，如：大窑玻璃液位，在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。

总之，控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取，决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能，不分场合都采用是不明智的。如果这样做，只会给其它工作增加复杂性，并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求，则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

Kp,Ti,Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。一般说来编程时只能设定他们的大概数值，并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序须得能随时修改和记忆这三个参数。

数字PID控制器

（1）模拟PID控制规律的离散化

（2）数字PID控制器的差分方程

参数的自整定

在某些应用场合，比如通用仪表行业，系统的工作对象是不确定的，不同的对象就得采用不同的参数值，没法为用户设定参数，就引入参数自整定的概念。实质就是在首次使用时，通过N次测量为新的工作对象寻找一套参数，并记忆下来作为以后工作的依据。具体的整定方法有三种：临界比例度法、衰减曲线法、经验法。

1、临界比例度法（Ziegler-Nichols）

1.1 在纯比例作用下，逐渐增加增益至产生等副震荡，根据临界增益和临界周期参数得出PID控制器参数，步骤如下：

（1）将纯比例控制器接入到闭环控制系统中（设置控制器参数积分时间常数Ti =∞，实际微分时间常数Td =0）。

（2）控制器比例增益K设置为最小，加入阶跃扰动（一般是改变控制器的给定值），观察被调量的阶跃响应曲线。

（3）由小到大改变比例增益K，直到闭环系统出现振荡。

（4）系统出现持续等幅振荡时，此时的增益为临界增益（Ku），振荡周期（波峰间的时间）为临界周期（Tu）。

（5） 由表1得出PID控制器参数。

表1

1.2 采用临界比例度法整定时应注意以下几点：

（1）在采用这种方法获取等幅振荡曲线时，应使控制系统工作在线性区，不要使控制阀出现开、关的极端状态，否则得到的持续振荡曲线可能是“极限循环”，从线性系统概念上说系统早已处于发散振荡了。

（2）由于被控对象特性的不同，按上表求得的控制器参数不一定都能获得满意的结果。对于无自平衡特性的对象，用临界比例度法求得的控制器参数往住使系统响应的衰减率偏大（ψ＞0.75 ）。而对于有自平衡特性的高阶等容对象，用此法整定控制器参数时系统响应衰减率大多偏小（ψ＜0.75 ）。为此，上述求得的控制器参数，应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。

（3） 临界比例度法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统，但有些系统从安全性考虑不允许进行稳定边界试验，如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数较大的单容对象，用纯比例控制时系统始终是稳定的，对于这些系统也是无法用临界比例度法来进行参数整定的。

（4）只适用于二阶以上的高阶对象，或一阶加纯滞后的对象，否则，在纯比例控制情况下，系统不会出现等幅振荡。

1.3 若求出被控对象的静态放大倍数KP=△y／△u ，则增益乘积KpKu可视为系统的最大开环增益。通常认为Ziegler-Nichols闭环试验整定法的适用范围为：

（1） 当KpKu > 20时，应采用更为复杂的控制算法，以求较好的调节效果。

（2）当KpKu < 2时，应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。

（3）当1.5 <KpKu< 2时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PID控制器，但需要对表1进行修正。在这种情况下，建议采用SMITH预估控制和IMC控制策略。

（4）当KpKu< 1.5时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI控制器，在这种情况下，微分作用已意义不大。

2、衰减曲线法

衰减曲线法与临界比例度法不同的是，闭环设定值扰动试验采用衰减振荡（通常为4:1或10:l），然后利用衰减振荡的试验数据，根据经验公式求取控制器的整定参数。整定步骤如下：

（1）在纯比例控制器下，置比例增益K为较小值，并将系统投入运行。

（2）系统稳定后，作设定值阶跃扰动，观察系统的响应，若系统响应衰减太快，则减小比例增益K；反之，应增大比例增益K。直到系统出现如下图（a）所示的4:1衰减振荡过程，记下此时的比例增益Ks及和振荡周期Ts数值。

（3）利用Ks和Ts值，按下表给出的经验公式，计算出控制器的参数整定值。

（4）10：1衰减曲线法类似，只是用Tr带入计算。

采用衰减曲线法必须注意几点：

（1）加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。

（2）必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得 整定参数。

（3）对于反应快的系统，如流量、管道压力和小容量的液位调节等，要得到严格的4：1衰减曲线较困难，一般以被调参数来回波动两次达到稳定，就近似地认为达到4：1衰减过程了。

（4）投运时，先将K放在较小的数值，把Ti减少到整定值，把Td逐步放大到整定值，然后把K拉到整定值（如果在K=整定值的条件下很快地把Td放到整定值，控制器的输出会剧烈变化）。

3、经验整定法

3.1方法一A：

（1）确定比例增益

使PID为纯比例调节,输入设定为系统允许最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益逐渐减小至系统振荡消失，记录此时的比例增益，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

（2）确定积分时间常数

比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。

（3）确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。

（4）系统带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。

3.2 方法一B：

（1）PI调节

（a）纯比例作用下，把比例度从较大数值逐渐往下降，至开始产生周期振荡（测量值以给定值为中心作有规则得振荡），在产生周期性振荡得情况下，把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。

（b）接下来把积分时间逐渐缩短至产生振荡，此时表示积分时间过短，应把积分时间稍加延长，直至振荡停止。

（2）PID调节

（a）纯比例作用下寻求起振点。

（b）加大微分时间使振荡停止，接着把比例度调得稍小一些，使振荡又产生，加大微分时间，使振荡再停止，来回这样操作，直至虽加大微分时间，但不能使振荡停止，求得微分时间的最佳值，此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。

（c）把积分时间调成和微分时间相同的数值，如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。

3.3 方法二：

另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值，如果需要微分，则取Td=（1/3~1/4）Ti，然后对δ进行试凑，也能较快地达到要求。实践证明，在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值，可以得到同样衰减比的曲线，就是说，δ的减少，可以用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响调节过程的质量。所以，这种情况，先确定Ti、Td再确定δ的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想，可用Ti、Td再加以适当调整。

3.4 方法三：

（1）在实际调试中，也可以先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1

压力系统：P（%）30--70， I（分）0.4--3

液位系统：P（%）20--80， I（分）1—5

温度系统：P（%）20--60， I（分）3--10，D（分）0.5--3

（2）以下整定的口诀：

阶跃扰动投闭环，参数整定看曲线；先投比例后积分，最后再把微分加；

理想曲线两个波，振幅衰减4比1；比例太强要振荡，积分太强过程长；

动差太大加微分，频率太快微分降；偏离定值回复慢，积分作用再加强。

4、复杂调节系统的参数整定

以串级调节系统为例来说明复杂调节系统的参数整定方法。由于串级调节系统中，有主、副两组参数，各通道及回路间存在着相互联系和影响。改变主、副回路的任一参数，对整个系统都有影响。特别是主、副对象时间常数相差不大时，动态联系密切，整定参数的工作尤其困难。

在整定参数前，先要明确串级调节系统的设计目的。如果主要是保证主参数的调节质量，对副参数要求不高，则整定工作就比较容易；如果主、副参数都要求高，整定工作就比较复杂。下面介绍“先副后主”两步参数整定法。

第一步：在工况稳定情况下，将主回路闭合，把主控制器比例度放在100%，积分时间放在最大，微分时间放在零。用4：1衰减曲线整定副回路，求出副回路得比例增益K2s和振荡周期T2s。

第二步：把副回路看成是主回路的一个环节，使用4：1衰减曲线法整定主回路，求得主控制器K1s和T1s。

根据K1s、K2s、T1s、T2s按表2经验公式算出串级调节系统主、副回路参数。先放上副回路参数，再放上主回路参数，如果得到满意的过渡过程，则整定工作完毕。否则可进行适当调整。

如果主、副对象时间常数相差不大，按4：1衰减曲线法整定，可能出现“共振”危险，这时，可适当减小副回路比例度或积分时间，以达到减少副回路振荡周期的目的。同理，加大主回路比例度或积分时间，以期增大主回路振荡周期，使主、副回路振荡周期之比加大，避免“共振”。这样做的结果会降低调节质量。

如果主、副对象特性太相近，则说明确定的方案欠妥当，就不能完全依靠参数整定来提高调节质量了。

实际应用体会：

一是利用数字PID控制算法调节直流电机的速度，方案是采用光电开关来获得电机的转动产生的脉冲信号，单片机（MSP430G2553）通过测量脉冲信号的频率来计算电机的转速（具体测量频率的算法是采用直接测量法，定时1s测量脉冲有多少个，本身的测量误差可以有0.5转加减），测量的转速同给定的转速进行比较产生误差信号，来产生控制信号，控制信号是通过PWM调整占空比也就是调整输出模拟电压来控制的（相当于1位的DA，如果用10位的DA来进行模拟调整呢？效果会不会好很多？），这个实验控制能力有一定的范围，只能在30转/秒和150转/秒之间进行控制，当给定值（程序中给定的速度）高于150时，实际速度只能保持在150转，这也就是此系统的最大控制能力，当给定值低于30转时，直流电机转轴实际是不转动的，但由于误差值过大，转速会迅速变高，然后又会停止转动，就这样循环往复，不能达到控制效果。

根据实测，转速稳态精度在正负3转以内，控制时间为4到5秒。实验只进行到这种程度，思考和分析也只停留在这种深度。

二是利用数字PID控制算法调节直流减速电机的位置，方案是采用与电机同轴转动的精密电位器来测量电机转动的位置和角度，通过测量得到的角度和位置与给定的位置进行比较产生误差信号，然后位置误差信号通过一定关系（此关系纯属根据想象和实验现象来拟定和改善的）转换成PWM信号，作为控制信号的PWM信号是先产生对直流减速电机的模拟电压U，U来控制直流减速电机的力矩（不太清楚），力矩产生加速度，加速度产生速度，速度改变位置，输出量是位置信号，所以之间应该对直流减速电机进行系统建模分析，仿真出直流减速电机的近似系统传递函数，然后根据此函数便可以对PID的参数进行整定了。

两次体会都不是特别清楚PID参数是如何整定的，没有特别清晰的理论指导和实验步骤，对结果的整理和分析也不够及时，导致实验深度和程度都不能达到理想效果。

怎样形象理解PID算法

小明接到这样一个任务：

有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)

要求水面高度维持在某个位置

一旦发现水面高度低于要求位置，就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边，时间长就觉得无聊，就跑到房里看小说了，每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快，每次小明来检查时，水都快漏完了，离要求的高度相差很远，小明改为每3分钟来检查一次，结果每次来水都没怎么漏，不需要加水，来得太频繁做的是无用功。

几次试验后，确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期。

开始小明用瓢加水，水龙头离水缸有十几米的距离，经常要跑好几趟才加够水，于是小明又改为用桶加，一加就是一桶，跑的次数少了，加水的速度也快了，

但好几次将缸给加溢出了，不小心弄湿了几次鞋，小明又动脑筋，我不用瓢也不用桶，老子用盆，几次下来，

发现刚刚好，不用跑太多次，也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了，有时会高过要求位置比较多，还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法，在水缸上装一个漏斗，

每次加水不直接倒进水缸，而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了，但加水的速度又慢了，有时还赶不上漏水的速度。

于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度，最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间 。

小明终于喘了一口，但任务的要求突然严了，水位控制的及时性要求大大提高，一旦水位过低，必须立即将水加到要求位置，而且不能高出太多，否则不给工钱。

小明又为难了!于是他又开努脑筋，终于让它想到一个办法，常放一盆备用水在旁边，一发现水位低了，不经过漏斗就是一盆水下去，这样及时性是保证了，但水位有时会高多了。

他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔，再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间。

拿一个水池水位来说，我们 可以制定一个规则，

把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段;

再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段，并区分趋势的正负;

把输出分为超大幅 度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。

当水位处于中值、趋势处于停顿的时候，不调节;

当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候，也可以暂不调节;

当水位处于较高、趋势缓慢变化 的时候，输出一个微小调节两就够了;

当水位处于中值、趋势较快变化的时候，输出进行叫 大幅度调节……。

如上所述，我们需要制定一个控制规则表，然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋 势的界值、输出幅度的界值。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

根据设备有所不同，比例带一般为2～10%(温度控制)。

但是，仅仅是P控制的话，会产生下面将提到的offset (稳态误差)，所以一般加上积分控制(I)，以消除稳态误差。

比例带与比例控制(P)输出的关系如图所示。用MVp运算式的设定举例:

• 稳态误差(Off set)

比例控制中，经过一定时间后误差稳定在一定值时，此时的误差叫做稳态误差(off set)。

仅用比例控制的时候，根据负载的变动及设备的固有特性不同，会出现不同的稳态误差。

负载特性与控制特性曲线的交点和设定值不一致是产生稳态误差的原因。

比例带小时不会产生。为消除稳态误差，我们设定手动复位值--manual reset值(MR)，以消除控制误差。

手动复位(Manual reset)

如前所述，仅用比例控制不能消除稳态误差。

为此，将MR(manual reset值)设为可变，则可自由整定(即调整)调节器的输出。

只要手动操作输出相当于offset的量，就能与目标值一致。

这就叫做手动复位(manual reset)，通常比例调节器上配有此功能。

在实际的自动控制中，每次发生off set时以手动进行reset的话，这样并不实用。

在后面将叙述的积分控制功能，能自动消除稳态误差。

所谓积分控制(I)，就是在出现稳态误差时自动的改变输出量，使其与手动复位动作的输出量相同，达到消除稳态误差的目的。

当系统存在误差时，进行积分控制，根据积分时间的大小调节器的输出会以一定的速度变化，只要误差还存在，就会不断的进行输出。

积分时间的定义:

当积分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即积分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是积分时间。

微分控制(D)的功能是通过误差的变化率预报误差信号的未来变化趋势。

通过提供超前控制作用，微分控制能使被控过程趋于稳定。

因此，它经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势。

微分时间的定义:

当输入量持续的以一定速率变化时，微分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同，即微分作用重复了一次比例作用时所花费的时间，就是微分时间。

实际中如何使用

我们看一个生活例子，冬天洗热水澡，需要先放掉一段时间的冷水，因为水管里有一段冷水，热水器也需要一个加热过程，等过了这段时间之后水温有些接近目标值后，开始调节水龙头来调节冷、热水之间的比例及出水量，之后再慢慢的微调，在洗浴过程中感觉温度不合适，再一点点的调节。这个过程，其实就是PID算法过程。我们之所以微调，是因为水温的变化速度与我调节的速度不相匹配，存在一个滞后效应，我们需要调节一点点，等一下再感觉一下温度，不够再调节一点点，再感觉，这个过程就叫PID算法，也可以说，滞后效应是引入PID的原因。

失去的能否找回来？能、只是我找回了纽扣，却发现衣服已经不再了。这个就是滞后效应。

负反馈系统，都有滞后效应，但为什么运放、电源这类的却从来不提PID算法呢？这是因为这类系统的滞后延时时间非常短，若考虑这个延时，负反馈引入180度相位，延时恰好引入180度相位，则完全可能引起振荡。问题在于这个延时时间足够短，它的谐振频率点比较高，以运放为例，加入延时加上负反馈引起的谐振点为10MHz，但这片运放的频率响应是1MHz，则在10MHz下完全不可能导致振荡，因为这个芯片的频响特性只有1MHz。我们常用的线性电源IC，比如SOT23封装的LDO，假如输出不加电容，就会输出一个振荡的波形，相对来说电源IC的滞后效应比运放要大，但是，因为电源一般后面都要接大电容的，它的频响特性很低，接近直流0Hz，所以当有电容时候，就无法振荡了。

而工业控制领域，比如温度等，都是滞后效应很严重的，往往都是mS，甚至是10mS级别的，若直接用负反馈，因为激励与反馈的不同步，必然导致强烈的振荡，所以为了解决这个问题，我们需要引入PID算法，来实现这类滞后效应严重系统的负反馈控制，我们以高频感应加热设备加热工件，从常温25度加热到700度为例做说明：

1、25~600度，100%的全功率加热工件，这是因为温差太大，前期要全功率，先加热到靠近目标温度。之所以考虑在600度，是因为滞后效应，若设定太高，当发现接近700度再停下来，但实际上，温度会冲过700度。当然，600度是一个经验值，以下几个温度点都是经验值，根据实际情况而来。

2、600以上，开启P算法，P就是根据测量值与目标值的误差来决定负反馈的大小。P算法公式：反馈=P*(当前温度-目标温度)。但因为负反馈是基于存在误差为前提的，所以P算法导致一个问题，永远到不了想要的值：700度。因为到了700度，反馈值就没有了。P算法的开启，进一步逼近了目标温度，假设稳态下可以达到650度，这样就算因为滞后效应导致的延时，也不会超过700度太多。

3、当达到P算法的稳态极限650度附近的时候，比如640度，就应该开启另外一个算法解决P算法引起的极限误差，那就是I算法。I算法就是为了消除这个P算法导致的误差值，毕竟我们想要的是700度，而不是650度。I算法，本质上讲就是获取一个700度下对应的一个驱动值，之后用这个驱动值来取代P算法，那么我们怎么得到这个驱动值呢，唯一的手段就是把之前的误差都累加起来，最后得到一个期望值，这个期望值就是我们想要的驱动值。因为只要与目标值存在误差，那么把这些误差值积累起来再去反馈控制，就能一步步的逼近目标值，这如同水温不够高，再加一点点热水，不够高再加，这样总能达到想要的水温。值得注意的是，I算法不能接入太高，必须要在P算法的后期介入，不然很容易积累过大。这个时候可以引入一个误差门限，比如误差为60，当作6来处理，误差为50，当作5来处理，消除大的误差值，具体根据项目情况决定。

4、当I算法把工件温度加热到很接近目标温度后，那么可以调节的范围就很小了，最后一点点的微动，让调节的每一次的变化，不要太大，这就是D算法。D算法本质上讲就是反对剧烈的变化，所以适用于达到目标温度的时候。

PID算法其实不复杂，但从目前看，很多人都是因为对这三者的使用条件不了解导致的问题，都是从加热一开始，三个要素都上，结果可想而知。P算法是温度接近目标值的时候用，I算法是在P算法到稳态极限的时候用，D算法是达到目标值附近的时候用。实际项目中，D算法一般不用，效果不大。假如非要找一个现实中对应的实物，那么以开关电源为例，TL431基准电源比较器可以认为是P，输出滤波电容C是I，输出滤波电感是D，两者完全等价。它们各自的应用工作点可以认为：假设目标温度700度，600~800度：P算法；640~760度：I算法；690~710度：D算法。具体值，以实验为准，数据仅供参考。

最后给出一个PID最通俗的解读：我们设计一样东西，一般都是先打个样，这个样跟我们想要的接近，但细节没到位，这就是P，样有差异，所以就要修改，拟合逼近，这就是I，到了定稿，就不允许随便修改了，就算要修改，也是有限制的修改，这就是D。

来源：转自网络，感谢原作者辛苦分享

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4.2024年中国十大白色家电企业一览：格力正开发“不要电”空调，距离商业化落地还有多远？

图片来源：摄图网

白色家电简称白电，是家用电器的一种。白色家电主要指空调、冰箱以及洗衣机等用于替代人力劳动的家电。随着消费者生活水平的提高，他们对家电产品的需求也更加注重品质、智能化和节能环保。高端智能家电产品受到越来越多消费者的青睐，如智能冰箱、智能空调等成为市场的热门产品。同时，随着环保意识的增强，节能环保型家电也备受关注。另外，线上线下的融合发展也成为白色家电市场的新趋势，消费者可以通过线上渠道选购产品，并享受到更多的优惠和便利服务。

日前，格力电器在河北召开“格力冰洗生活电器战略发布会”，董事长兼总裁董明珠在会上透露，格力正在开发一款“不要电”的空调。这项技术的开发始于2012年，并经历了十几年的创新与改进。董明珠指出，当前的光伏发电系统通常需要通过逆变器来转换电能，但格力的创新之处在于无需逆变器，直接将光伏系统与空调对接，实现了发电与制冷的一体化。

此外，随着技术的不断升级，格力现已推出光储空系统，彻底摆脱了对城市电网的依赖。格力在家庭别墅中做了一个全新的样板，通过光伏能源、储能系统和夜间的峰谷电与空调结合，确保满足整个家庭的用电需求，包括家电和照明，真正实现了0电费。

据前瞻产业研究院统计分析，白色家电上游原材料与零部件供应企业代表有东方电热、三花智控、盾安环境等;中游整机制造企业代表有美的集团、格力电器、海尔智家、海信家电等;下游线上销售渠道有淘宝、京东、苏宁易购等，线下销售渠道有苏宁易购、国美电器、红星美凯龙等。

根据前瞻整理得出，2024年中国十大白色家电企业汇总如下(注：排名不分先后)：

综合来看，中国白色家电行业头部企业主要有格力、美的、海尔、海信、长虹等。

格力电器

珠海格力电器股份有限公司(简称“格力电器”)，成立于1991年，是一家集研发、生产、销售、服务于一体的国际化家电企业，拥有格力、TOSOT、晶弘三大品牌，主营家用空调、中央空调、空气能热水器、手机、生活电器、冰箱等产品。

今年4月，格力电器发布2023年年报。2023年，公司实现营业总收入2050.18亿元，较上年同期增长7.82%;归属于上市公司股东的净利润290.17亿元，较上年同期增长18.41%;基本每股收益5.22元，同比增长17.83%。经营指标持续向好，格力电器以高分硬核的答卷实现了2023年度的完美收官。其中，2023年空调业务在格力的营收占比达到了74.14%，远高于生活电器、工业制品、绿色能源等其他业务。

2023年度，格力以超200亿元的市场规模取得了中央空调行业主流品牌销售规模第一的成绩，连续12年在中央空调市场中拔得头筹。

在格力电器2023年年度股东大会上，董明珠表示，未来，格力空调是看家的，要做到最好。增长点在冰箱和洗衣机。

据企查猫显示，珠海格力电器股份有限公司成立于1989年12月13日，注册资本601,573.0878万人民币，法定代表人董明珠，公司经营范围包括：家用制冷电器具，家用空气调节器及相关零部件;中央空调、制冷、空调设备、洁净空调、采暖设备、通风设备;空气源热泵热风机、热泵热水机、空调热水一体产品、燃气采暖热水炉设备、燃气供暖热水设备、热能节能设备、机电设备产品及相关零部件等。

据企查猫股权穿透图显示，格力电器对外投资企业共92家，包括珠海格力电工有限公司、格力电器(赣州)有限公司、合肥晶弘电器有限公司、湖南绿色再生资源有限公司等。其中，公司投资企业布局主要分布在广东、安徽、江西、湖南、湖北、四川、江苏等。

截至2024年7月，格力累计申请专利122148件，其中发明专利66061件;累计获得国内外发明专利授权23414件。是唯一一家连续七年进入中国发明专利授权量前十的家电企业。

格力电器的多元化转型战略中，冰洗业务成为重要的发展方向。冰洗产品实现技术创新+多sku的布局，为消费者提供更好的产品体验。

美的集团

美的消费电器业务板块，以空调、冰箱、洗衣机、厨房电器及各类小家电为优势产品。在中国市场，美的微波炉、压力锅、电饭煲、电暖器、热水器等多个品类在行业中占据优势。美的集团白色家电业务包含空调、冰箱、洗衣机三大主要产品类型，同时也涵盖洗碗机、干衣机、热水器、微波炉等其他白色家电产品，产品线丰富、受众广泛。

从收入结构来看，美的业务分为智能家居业务(To C)和商业及工业解决方案(To B)两大板块。财报信息显示，2023年美的暖通空调、消费电器的营业收入总额为2759.19亿元，占据了总营收的79.51%。事实上，白色家电业务始终是美的集团的销售支撑。不过，尽管家电业务营收规模巨大，但其增长速度缓慢。2022年至2023年，上述家电业务的营收增速分别为-1.6%、-1%。

8月1日,美的空调战略新品首发活动在河南郑州隆重举办。本次活动围绕“美好空气 为家而定”的主题，聚焦全屋智慧空气解决方案，强势发布美的鲜净感空气机T3和美的新风探索家中央空调两大战略新品，满满的科技含量和智慧元素备受市场瞩目。

据企查猫显示，美的集团股份有限公司成立于2000年04月07日，注册资本702,169.88万人民币，法定代表人方洪波，公司经营范围包括：生产经营家用电器、电机及其零部件;中央空调、采暖设备、通风设备、热泵设备、照明设备、燃气设备、压缩机及相关通用设备、专用设备、家用空调设备及其零部件的研发、制造、销售、安装、维修及售后服务等

海尔智家

海尔智家目前拥有海尔Haier、卡萨帝Casarte、Leader、GE Appliances、Fisher & Paykel、AQUA、Candy等七大全球化高端品牌。为适应全球各市场不同层次用户的需求，海尔智家在不同区域采取以用户为中心的差异化的多品牌策略，实现了广泛而深入的用户覆盖。如在中国市场：通过卡萨帝、海尔、Leader等三个品牌分别实现对高端、主流、细分市场人群的覆盖;在美国市场，通过Monogram、Café、GE Profile、GE、Haier、Hotpoint等六大品牌，全方位覆盖高中低端各细分市场，以满足不同类型客户的喜好和需求。

海尔除在中国市场取得成功外，于海外市场亦表现强劲。海尔的这一经营策略帮助公司建立了多品牌、跨产品、跨区域的研发、制造、营销三位一体及自建、互联及协同的运作模式。海尔目前在全球拥有30个工业园、122个制造中心、108个营销中心，全球销售网络遍布200多个国家和地区。

2024年，海尔冰箱全空间保鲜科技再升级：全球首创全空间智慧保鲜舱，AI智净系统主动辨别1300多种食材异味，并自主杀菌;食材标签打印机智慧管理食材，提醒及时食用;多模态交互算法为用户定制健康食谱。

在科技成果方面，海尔冰箱表现卓越。2024年全空间保鲜科技荣获国家科技进步奖，这是2023 年度家电行业唯一牵头获奖的企业，也是冰箱行业二十年来唯一获此奖项的品牌，更是目前唯一获得国家科技进步奖的家用保鲜技术。2023 年全球专利实现6连冠，2018年，全空间保鲜科技荣获冰箱行业至今唯一一枚中国专利金奖。

据企查猫显示，海尔智家股份有限公司成立于1994年03月31日，注册资本944,625.3758万人民币，法定代表人李华刚，公司经营范围包括：电器、电子产品、机械产品、通讯设备及相关配件、工业自动化控制设备、计算机软硬件及辅助设备的研发与制造;家用电器及电子产品技术咨询服务;进出口业务(按外经贸部核准范围经营);批发零售：国内商业(国家禁止商品除外)等

海信家电

经过历年发展，海信家电集团现已成为全球超大规模以家电制造为主的企业，主营业务涵盖了电冰箱、家用空调、中央空调、特种空调、洗衣机、厨房电器、环境电器、商用冷链、模具等领域产品的研发、制造、营销和售后服务，产品涵盖海信、科龙、容声、日本“HITACHI”、美国“YORK”(中国区域)、gorenje古洛尼、ASkO、三电“SANDEN”八大品牌。

公司生产基地分布于山东青岛、广东顺德、广东江门、江苏扬州、浙江湖州、四川成都等多个国内城市，具备年产电冰箱1350万台、家用空调1800万套、中央空调360万台、洗衣机340万台、冷柜340万台，产品销往全球130多个国家和地区。

在市场化维度，据奥维云网线下新风空调市场监测数据显示，2024年第一季度，海信新风空调占有率稳居行业TOP2，海信新风空调璀璨C310在新风柜机细分市场位于行业第一。2024年第14周，海信洗衣机线下占有率创造历史最高水平，同比增长3.43个点;同一时期，海信TOP单品排名表现优异，其中活水洗L3洗烘一体机突破历史，打榜行业TOP2单品，同时登顶山东省行业年累TOP1，L3、M36H、L5三款明星产品同时登榜行业TOP20，罗马假日洗烘一体机进入行业TOP50。

据企查猫显示，海信家电集团股份有限公司成立于1997年04月21日，注册资本138,814.73万人民币，法定代表人代慧忠，公司经营范围包括：一般项目：家用电器研发;家用电器制造;家用电器销售;家用电器零配件销售;家用电器安装服务;制冷、空调设备制造;制冷、空调设备销售;家居用品销售;日用家电零售;日用电器修理;智能家庭消费设备制造等。

四川长虹

目前，长虹主营“以电视、冰箱、空调、洗衣机等为代表的家用电器业务，以冰箱压缩机为代表的部品业务，以IT产品分销和专业IT解决方案提供为代表的IT综合服务业务，以电子制造(EMS)为代表的精益制造服务业务以及其他相关特种业务”等。

去年8月，据“长虹公司”官方公众号消息，首台搭载长虹自主芯方案的洗衣机成功在合肥下线，标志着长虹自主芯方案完成了冰箱、空调、洗衣机三大白电整机业务线的全面应用。

白色家电(冰箱、空调、洗衣机等)业务则主要为四川长虹旗下长虹美菱(000521.SZ)相关业务，去年也是整体经营良性向上。2023年，长虹美菱归母净利润达到7.41亿元，同比增长203.04%，再创历史新高。而今年一季度长虹美菱实现营收59.4亿元，同比增长18.2%;实现归母净利润1.56亿元，同比增长26.93%。

长虹美菱表示，公司主营冰箱(柜)、空调、洗衣机、小家电及厨卫等产业均取得了较好的经营业绩。国际冰洗业务海运费下降，接单及发货大幅增加，推动渠道转型及客户精细化管理等，改善提升经营质量。同时，大宗原材料价格同比下降，并享受增值税加计抵减优惠政策。

据企查猫显示，四川长虹电器股份有限公司成立于1993年04月08日，注册资本461,624.44万人民币，法定代表人柳江，公司经营范围包括：一般项目：家用电器制造;家用电器销售;日用电器修理;智能车载设备制造;智能车载设备销售;电子产品销售;家用电器零配件销售;通信设备制造;通信设备销售;通用设备修理;通信传输设备专业修理;照明器具制造;照明器具销售;家居用品制造等。

澳柯玛

以“打造世界一流企业”为目标，近年来，澳柯玛由以冷柜为主的传统家电企业，向以全冷链产品为基础的冷链物联网企业转型，推出并实施了“互联网+全冷链”战略，致力于为有温度需求的客户提供从最先一公里到最后一公里，从产地到餐桌的全冷链系统解决方案。

澳柯玛拥有全球领先的制冷核心技术。公司在低温制冷、绿色节能、智慧物联等十几项技术领域拥有专利2000余项，历年获得国家级产品奖项300余项，800多个规格型号的产品经鉴定达到国际领先水平。成功推出了风冷无霜冷柜、AI智能无人售货柜、被动式疫苗储存箱ARKTEK、元冰箱等众多首创产品。

在产品创新层面，澳柯玛瞄准用户需求，精准实现产品升级。如针对家庭高端食材保鲜，推出的首款-40℃、-60℃深冷速冻系列冷柜，可让食物保质期限延长3倍以上;针对冷柜结霜，推出首款风冷无霜冷柜，解决了用户冷柜除霜痛点。

由国统大数据研究实验室(CSISC)发布的《2023年度家用冷柜品牌口碑报告》近日揭晓。本期报告筛选20个家用冷柜品牌进行研究。报告显示，澳柯玛再次以口碑总指数第一的成绩夺冠，这也是该品牌连续十年获此殊荣。其中，在质量认可度等单项排名中，澳柯玛以7.42的高分居首。

据企查猫显示，澳柯玛股份有限公司成立于1998年12月28日，注册资本79,801.48万人民币，法定代表人张斌，公司经营范围包括：一般项目:家用电器研发;家用电器制造;家用电器销售;家用电器零配件销售;制冷、空调设备销售;日用家电零售;厨具卫具及日用杂品研发;厨具卫具及日用杂品批发;厨具卫具及日用杂品零售等。

小米集团

早在2019年，小米集团组织架构调整，通知中提到：“成立大家电事业部，任命集团高级副总裁王川为大家电事业部总裁，负责除电视之外的空调、冰箱、洗衣机等大家电品类的业务开展和团队管理，向雷军汇报。

如今，小米白电业务进入高速发展的阶段。其中小米空调在今年618大促表现优异。在京东平台的《家电竞速榜》上，小米空调的累计销量仅次于空调行业的两大巨头美的、格力，位列第三，成功超越华凌、海尔等品牌。奥维云网数据显示，2024年1-4月，小米空调在线上市场已经跻身销量前三，销售额前四的位置。

而冰箱、洗衣机业务也呈现出高速增长的态势。在小米发布的2024一季报中，小米大家电收入同比增长46%，空调出货量同比增长63%，冰箱、洗衣机出货量分别同比增长52%、47%。增速远超包含美的、海尔、格力在内的传统家电品牌。

业内人士表示，尽管小米白电的高增速的前提是较小的基数，但在中国成熟的白电市场中仍然收获高速增长，也表明小米的白电业务板块正在成长。

据企查猫显示，小米科技有限责任公司成立于2010年03月03日，注册资本185,000万人民币，法定代表人雷军，公司经营范围包括：玩具销售;体育用品及器材零售;体育用品及器材批发;文具用品零售;文具用品批发;鞋帽批发;鞋帽零售;服装服饰批发;服装服饰零售;钟表销售;眼镜销售(不含隐形眼镜);针纺织品销售;家用电器销售;日用家电零售;家具销售等。

惠而浦

目前，惠而浦(中国)旗下拥有惠而浦、帝度品牌，涵盖冰箱、洗衣机、洗碗机、干衣机以及厨房电器、生活电器等产品线，致力于成为最好的洗衣和厨房解决方案供应商。

惠而浦APEX高端热泵洗干护一体机，荣膺“2023艾普兰优秀产品奖”;

惠而浦W9系列嵌入式冰箱被评为“2023中国冰箱行业全嵌健康美学典范产品”;

惠而浦超薄平嵌系列冰箱荣获“嵌入式电冰箱嵌装等级认证”一级认证，荣获“好家电”荣誉;

专为中国厨房定制的欧诺娜系列洗碗机荣获首批中家院认证中心(CHCT)“新中式厨房洗碗机性能认证”，并荣获2023中国洗碗机行业消费普及活动“‘洗碗机进万家’优选产品”。

在合肥惠而浦智能洗碗机工厂，生产一只能容纳109件餐具的洗碗机内桶需要多久？惠而浦给出的答案是26秒。值得一提的是，洗碗机内桶组件环节中，惠而浦智能洗碗机工厂还采用了滚铆专利技术，这是目前全世界领先的生产工艺之一，对比传统的焊接工艺，该方式更加环保且密封性最优。

据企查猫显示，惠而浦(中国)股份有限公司成立于2000年03月30日，注册资本76,643.9万人民币，法定代表人梁惠强，公司经营范围包括：洗衣机、冰箱、微波炉、洁身器、空气净化器及其它相关产品、电子程控器、离合器、电机、控制器、电磁炉、电烤箱、电饭煲、烤面包机、面包机、咖啡机、浓缩咖啡机、电饼铛等。

老板电器

杭州老板电器股份有限公司创立于1979年，专业生产吸油烟机、集成油烟机、蒸箱、灶具、消毒柜、电烤箱、微波炉、洗碗机、净水器、燃气热水器等家用厨房电器产品。经过45年的发展与壮大，老板电器现已成为中国厨房电器行业发展历史、市场份额、生产规模、产品类别、销售区域都排在前列的，社会公认的领导品牌。

2023年财报数据显示，老板电器家电厨卫业务毛利率为50.72%，同比上升1.02个百分点。其中，第一品类群仍是老板电器的营收主力。2023年，吸油烟机、燃气灶、消毒柜等产品为老板电器带来了约75%的营业收入，达到约84.63亿元。其中，吸油烟机和燃气灶产品营业收入分别较2022年同期增长了10.13%和8.71%。

具体来看，在线上市场中，老板电器的品牌厨电套餐零售额市场占有率为31.5%，较2022年同期提升1个百分点。在线下市场中，老板电器的吸油烟机、燃气灶、嵌入式洗碗机零售额市场占有率分别为31%、30%、19.6%，保持行业龙头地位。

据企查猫显示，杭州老板电器股份有限公司申请一项名为“一种洗碗机的控制方法、装置、厨房电器及存储介质“，公开号CN202410716814.9，申请日期为2024年6月。专利摘要显示，本发明实施例提供了一种洗碗机的控制方法、装置、厨房电器及存储介质，该方法首先利用红外测量模块获取洗碗机腔体内部当前目标分子浓度值;然后根据洗碗机腔体内部当前目标分子浓度值和预设目标分子浓度值，控制洗碗机内外空气流通，最后根据调整结束时的目标分子浓度值，更新预设目标分子浓度值。

据企查猫显示，杭州老板电器股份有限公司成立于2000年11月07日，注册资本94,902.406万人民币，法定代表人任建华，公司经营范围包括：一般项目：家用电器制造;厨具卫具及日用杂品研发;厨具卫具及日用杂品批发;日用玻璃制品销售;家用电器销售;家用电器安装服务;家用电器研发;家居用品销售;日用品销售;日用木制品制造;日用家电零售;日用电器修理;电热食品加工设备销售等。

华帝股份

华帝股份有限公司自1992年创立至今，专注厨电领域。为全面服务更多家庭的厨卫及家居定制需求，华帝股份目前已实现华帝、百得、华帝家居三大品牌运营。产品涵盖集成烹饪中心、抽油烟机、燃气灶具、燃气热水器、电热水器、壁挂炉、洗碗机、蒸烤一体机、消毒柜、净水器、集成灶、集成洗碗机，以及全屋定制等多个品类。

立足“白科技”和“净时尚”两大价值基点，华帝推出“巨能洗”系列洗碗机，通过对内部空间优化、碗篮重新设计，华帝巨能洗洗碗机容量有了显著提升，其中爆品B8拥有19套超大容量，能洗碗也能洗锅，更符合中国厨房的清洁需求。

同时，华帝巨能洗系列洗碗机的面板增加了纳米涂层，不易被油污附着，更好清洁。内胆则使用了全钢咬合工艺，配合内置的三重精滤系统、水路一键自清洁程序，可实现内部自清洁，达成长效干燥抑菌的优良餐具储存环境。

据企查猫显示，华帝股份有限公司取得一项名为“一种洗碗机“，授权公告号 CN221430998U，申请日期为2023年12月。专利摘要显示，本申请涉及一种洗碗机，属于家电技术领域。投影操作装置将操作显示投影到地面，用户可以在站立在洗碗机前方，也能俯视查看到洗碗机运行状态;用户在距离洗碗机较远处，也能通过投影操作装置投射光束，判断整机运行状态;通过脚在投影区域晃动对洗碗机操控，实现了操作的多样性，用户操作更便捷。

据企查猫显示，华帝股份有限公司成立于1992年04月08日，注册资本84,765.359万人民币，法定代表人潘叶江，公司经营范围包括：生产、批发、零售：燃气具系列产品，太阳能及类似能源器具，家庭厨房用品，家用电器、橱柜、烟雾净化器、净水器、卫浴及配件;家用电器的修理，自产产品的售后服务;商业营业用房、办公用房、工业用房出租等。

白色家电未来发展将主要集中在智能化、节能环保和个性化定制方面。随着科技的不断进步，智能家电将成为主流，包括智能冰箱、智能洗衣机等将更好地满足消费者的需求。同时，节能环保将成为未来白色家电发展的重要方向，推动更多的环保型产品的研发和推广。另外，个性化定制也将成为未来的趋势，消费者对于个性化定制的需求将推动家电行业更加注重产品的差异化和个性化。

白色家电行业发展情况

——白色家电行业发展历程

从中国国民经济规划中白色家电相关政策演变来看，“十五”计划期间提出，积极发展新型家用电器;“十一五”期间提出，鼓励家用电器行业开发新产品，提高技术含量和质量;“十二五”期间则提出，推动智能化家电技术产业化;“十三五”期间提出，制造业实现重点领域向中高端群体性突破;“十四五”期间指出，实现家电行业智能化、高端化、绿色化发展，尤其在绿色化发展方面指出，健全废旧家电回收处理体系，建立统一的绿色产品标准、认证、标识体系。从政策历程来看，我国白色家电行业经历了规模化、科技化、高端化、智能化、绿色化的发展历程，行业整体发展路径明确，发展状况良好。

——白色家电产量增长较为可观

根据国家统计局数据显示，2012-2023年，以冰箱、空调、洗衣机为代表的中国白色家电产量呈现波动上升趋势。2023年全年，全国家用电冰箱产量9632.3万台，同比增长14.5%;房间空气调节器产量24487.0万台，同比增长13.5%;家用洗衣机产量10458.3万台，同比增长19.3%。

2024年上半年，全国冰箱累计产量5051.0万台，同比增长9.7%;空调累计产量15705.6万台，同比增长13.8%;洗衣机产量5311.6万台，同比增长6.8%。

注：2024年数据截至6月。

——高端白电产品需求提高

从中国高端白色家电线下市场零售额占比及同比状况来看，2024年上半年，中国白色家电主要产品高端零售额占比都相比去年同期有所提升。其中冰箱、干衣机、洗碗机同比提升较大，占比分别达到了42.1%、31.8%及59%，高端白色家电产品需求逐渐增长。

注：高端定义：冰箱：10000+;冰柜：4000+;洗衣机、独立式干衣机：10000+;空调：8000+;电热、燃热5000+。

从中国高端白色家电线上市场零售额占比及同比状况来看，2024年上半年，中国高端白色家电线上市场零售额占比相比线下市场较小，高端产品占比较去年同期变动不大，不同产品之间呈现出了不同的变化情况。这主要由于消费者的线上购物需求及消费偏好不利于高端产品的线上销售。对于高价值产品，消费者更倾向于线下购买。但从新兴白色家电产品洗碗机来看，线上高端销售占比已达到11.7%。

注：高端定义：冰箱：10000+;冰柜：4000+;洗衣机、独立式干衣机：10000+;空调：8000+;电热、燃热5000+。

——白色家电产品均价有所下跌

2024年上半年，由于下游消费疲软，大多数白色家电主要产品线上价格有所下跌。其中，冰箱零售均价为2342元/台，同比增长1.9%;冰柜零售均价985元/台，同比下跌6.7%;洗衣机零售均价1505元/台，同比下跌4.6%;独立式干衣机零售均价2795元/台，同比下跌1.6%;空调零售均价2721元/台，同比下跌4.8%。

——中国白色家电企业竞争格局

根据中国家用电器研究院《2022-2023年度中国家用电器行业品牌评价结果》，其中空调类上榜品牌有格力、美的、海尔、海信等;冰箱类上榜品牌有海尔、美的、美的、西门子等;洗衣机类上榜品牌有海尔、小天鹅、美的、西门子等;洗碗机类上榜品牌有西门子、美的、方太、老板、海尔。

——白色家电行业发展趋势预测

随着时代发展、科技进步，我国白色家电行业早已度过了一味增产能、扩规模的阶段。现如今，在“双碳”及智能制造背景下，白色家电行业绿色化转型、智能化、高端化升级已成必然趋势。具体而言，白色家电行业主要体现出以下发展趋势：

前瞻产业研究院分析认为，2022年，经济持续复苏，但由于疫情反复，消费端持续承压。家电成本压力有望得以改善，无论是对生产端还是需求端均形成利好。行业经历软周期，主要需求转为存量换新。2022全年市场规模将小幅增长至3400亿元左右。之后随着我国白色家电行业智能化、绿色化、高端化转型升级成效显现，市场规模将继续增大，2027年中国白色家电市场规模有望超过4000亿元。

同时，前瞻产业研究院认为，随着社会的不断发展和居民消费能力的不断提高，家电行业呈现出高端化发展的趋势，智能化已然成为近年来家电市场的热门词汇。同时，在强烈需求的刺激下，绿色健康也将成为全球家电行业发展的一个重要方向。

前瞻经济学人APP资讯组

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国白色家电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

同时前瞻产业研究院还提供产业新赛道研究、投资可行性研究、产业规划、园区规划、产业招商、产业图谱、产业大数据、智慧招商系统、行业地位证明、IPO咨询/募投可研、专精特新小巨人申报等解决方案。在招股说明书、公司年度报告等任何公开信息披露中引用本篇文章内容，需要获取前瞻产业研究院的正规授权。

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