溫度、濕度控制的發(fā)展概況及專利分析

梁 娜

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100190）

0 引言

國(guó)際專利分類號(hào)G05D——非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括速度或加速度、力、壓力、動(dòng)力、機(jī)械振動(dòng)的控制；流量、液位、比率的控制；溫度、濕度、黏度、化學(xué)或物理—化學(xué)變量、光強(qiáng)度的控制；兩個(gè)或兩個(gè)以上變量的同時(shí)控制等。其中，“非電變量”這一技術(shù)名稱限定了包括上述變量以及上述定義中未提及的諸多變量種類，覆蓋了除電變量以外的較為寬泛的變量范圍。

在“非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)”這一技術(shù)主題下，目前專利文獻(xiàn)量最多的是溫度、濕度的控制，次之為流量、液位的控制，以及兩個(gè)或兩個(gè)以上變量的同時(shí)控制。下文主要針對(duì)大組G05D23/＋（溫度的控制）、G05D22/＋（濕度的控制）下的中外專利文獻(xiàn)進(jìn)行研究和解讀，剖析其技術(shù)發(fā)展概況和主要申請(qǐng)人的分布、關(guān)鍵技術(shù)。

1 溫度、濕度控制的技術(shù)發(fā)展

1.1 溫度、濕度控制的發(fā)展階段

溫度和濕度作為重要的環(huán)境因素，在全球的生產(chǎn)活動(dòng)和人類生活中起著不可忽視的重要作用，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，這兩個(gè)因子是最基本、最重要的工藝參數(shù)。在化工、電力、金屬、電子等細(xì)分工業(yè)行業(yè)中，均必須對(duì)溫度、濕度進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)和控制。在日常生活領(lǐng)域，溫濕度體現(xiàn)了人們所處環(huán)境的舒適度指數(shù)。由此可知，現(xiàn)如今溫濕度的調(diào)節(jié)和控制尤為重要。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度和濕度已是在控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和制定綜合控制策略時(shí)被一同考慮、檢測(cè)和控制的量。

溫度和濕度控制技術(shù)經(jīng)歷了定值開關(guān)控制、PID 調(diào)節(jié)控制、智能控制三個(gè)發(fā)展階段。定值開關(guān)控制是一種忽略了溫濕度變化的滯后性和慣性的簡(jiǎn)單控制策略，在實(shí)際控制過(guò)程中精度偏低、超調(diào)量過(guò)大、震蕩明顯，無(wú)法達(dá)到較為理想的調(diào)節(jié)效果。PID 控制是目前各行各業(yè)中應(yīng)用最廣泛的控制方式，其包括比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)。一般情況下，PID 控制的溫濕度系統(tǒng)可以取得較好的調(diào)節(jié)效果。智能控制是指在無(wú)人干預(yù)的情況下自主驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，智能溫濕度控制將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)等加以應(yīng)用，能夠確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

目前，在國(guó)內(nèi)外的專利申請(qǐng)案件中，關(guān)于定值開關(guān)控制的技術(shù)方案已很少見，關(guān)于溫、濕度的測(cè)控和調(diào)節(jié)的專利申請(qǐng)多以PID 控制和智能控制為主體思路。

1.2 溫度、濕度控制的基本原理

PID控制即比例、積分、微分控制。PID 是通過(guò)調(diào)整比例、積分、微分環(huán)節(jié)的系數(shù)，得出合適的輸出控制參數(shù)，通過(guò)修改上述參數(shù)控制誤差的閉環(huán)控制算法。其優(yōu)點(diǎn)是控制過(guò)程連續(xù)，其劣勢(shì)是參數(shù)調(diào)整較復(fù)雜，沒(méi)有固定的方法可循，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)整定，而對(duì)于復(fù)雜的大慣性、大滯后的研究對(duì)象，調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

基于模糊控制理論的PID 參數(shù)整定方法是將PID 與模糊控制相結(jié)合的一種兼?zhèn)鋬烧呖刂苾?yōu)點(diǎn)的整定方式，即在普通PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，增設(shè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。

PID 控制使用方便、原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)，其缺點(diǎn)是必須預(yù)先建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于一些大滯后、多變量的系統(tǒng)，難以收獲滿意的控制效果。20世紀(jì)70年代，英國(guó)的E.H.Mamdani首次使用模糊邏輯和模糊推理算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)蒸汽機(jī)的控制。20世紀(jì)90年代，歐美國(guó)家相繼涌現(xiàn)了多篇智能控制方面的文章并申請(qǐng)了專利。1965年，美國(guó)的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；同年，我國(guó)的傅京孫教授也首先提出了把人工智能中的直覺(jué)推理方法用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的思路，這無(wú)疑奠定了我國(guó)智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，越來(lái)越多的科研人員也開始關(guān)注智能控制技術(shù)，關(guān)于溫、濕度智能控制技術(shù)的專利申請(qǐng)數(shù)量也不斷激增。

總體上來(lái)說(shuō)，我國(guó)智能控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展相對(duì)落后，目前國(guó)內(nèi)成熟的溫、濕度控制系統(tǒng)仍以常規(guī)PID 以及各種改進(jìn)PID 的控制為主，在智能控制算法和控制軟件的開發(fā)方面還需改進(jìn)。

2 溫度、濕度控制的專利分析

2.1 專利申請(qǐng)人類別初步統(tǒng)計(jì)分析

溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）作為“非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)”小類之下申請(qǐng)較多的大組，其申請(qǐng)人的分布比較廣泛。其中，溫、濕度控制相關(guān)申請(qǐng)遍布企事業(yè)單位、個(gè)人、高等院校及職業(yè)技術(shù)學(xué)校等范圍，并以企事業(yè)單位申請(qǐng)居多，格力空調(diào)、松下電器、美的集團(tuán)、國(guó)家電網(wǎng)、北車集團(tuán)等是本領(lǐng)域較為常見的申請(qǐng)人。

2.2 專利申請(qǐng)量總體分析

在CNABS 庫(kù)中統(tǒng)計(jì)溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）大組下的專利申請(qǐng)量，共有9 372 件。分別統(tǒng)計(jì)2000—2013年的專利申請(qǐng)量，溫度、濕度控制相關(guān)專利申請(qǐng)自2002年起大體呈上漲趨勢(shì)，并于2013年達(dá)到峰值。

對(duì)溫度、濕度控制部分相關(guān)專利文獻(xiàn)的分類號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中，申請(qǐng)量較大的幾個(gè)小組分別為G05D23/19（以使用電裝置為特征的溫度控制）、G05D23/20（具有隨溫度變化而產(chǎn)生電或磁性質(zhì)變化的傳感元件特征的溫度控制）、G05D23/00（溫度的控制）、G05D23/24（具有隨溫度變化的 導(dǎo)磁性的傳感元件，例如熱敏電阻的溫度控制）、G05D23/30（具有影響傳感元件的輔助加熱裝置的自動(dòng)控制器，例如預(yù)測(cè)溫度變化的溫度控制），可見以上幾部分是本領(lǐng)域的主要研究方向，并處于不斷發(fā)展之中。

通過(guò)在CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)計(jì)溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）大組下的專利申請(qǐng)情況，得知國(guó)外申請(qǐng)更多地集中在2009年以前，2009年以后的相關(guān)專利申請(qǐng)基本來(lái)自國(guó)內(nèi)，這也間接地反映出國(guó)外關(guān)于溫濕度控制的快速發(fā)展，而我國(guó)的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，亟需快速、穩(wěn)步地提升本領(lǐng)域的研究水平。

3 溫度、濕度控制的發(fā)展前景

在現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展之下，溫度、濕度控制廣泛應(yīng)用于諸如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、交通運(yùn)輸、大型設(shè)備、家用電器等方面?，F(xiàn)有的控制技術(shù)因精度不足、響應(yīng)滯后等因素越來(lái)越無(wú)法滿足各行各業(yè)的應(yīng)用需求。目前，國(guó)際上的新型溫濕度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展，模擬集成溫、濕度傳感器也將是未來(lái)溫、濕度控制的重要選擇。溫度和濕度控制領(lǐng)域?qū)?yīng)用越來(lái)越多的新技術(shù)、新工藝，一種全新的通信技術(shù)——現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也代表著控制系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。

溫、濕度控制領(lǐng)域技術(shù)正在穩(wěn)步發(fā)展中，新的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷增長(zhǎng)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大和控制要求的逐步提升，溫、濕度控制作為調(diào)節(jié)、控制領(lǐng)域的重要科研分支，將扮演愈來(lái)愈重要的角色。目前，國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展相對(duì)國(guó)外有些滯后，國(guó)內(nèi)科研人員活躍在本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的前線，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)目不斷增加。相信在未來(lái)數(shù)年里，溫、濕度控制市場(chǎng)將會(huì)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域大展拳腳，具有無(wú)限廣闊的發(fā)展前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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