溫度、濕度控制的發展概況及專利分析

梁 娜

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京100190）

0 引言

國際專利分類號G05D——非電變量的控制或調節系統，包括速度或加速度、力、壓力、動力、機械振動的控制；流量、液位、比率的控制；溫度、濕度、黏度、化學或物理—化學變量、光強度的控制；兩個或兩個以上變量的同時控制等。其中，“非電變量”這一技術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節系統”這一技術主題下，目前專利文獻量最多的是溫度、濕度的控制，次之為流量、液位的控制，以及兩個或兩個以上變量的同時控制。下文主要針對大組G05D23/＋（溫度的控制）、G05D22/＋（濕度的控制）下的中外專利文獻進行研究和解讀，剖析其技術發展概況和主要申請人的分布、關鍵技術。

1 溫度、濕度控制的技術發展

1.1 溫度、濕度控制的發展階段

溫度和濕度作為重要的環境因素，在全球的生產活動和人類生活中起著不可忽視的重要作用，特別是在工業生產中，這兩個因子是最基本、最重要的工藝參數。在化工、電力、金屬、電子等細分工業行業中，均必須對溫度、濕度進行嚴格檢測和控制。在日常生活領域，溫濕度體現了人們所處環境的舒適度指數。由此可知，現如今溫濕度的調節和控制尤為重要。隨著相關技術的不斷發展，溫度和濕度已是在控制系統集成設計和制定綜合控制策略時被一同考慮、檢測和控制的量。

溫度和濕度控制技術經歷了定值開關控制、PID 調節控制、智能控制三個發展階段。定值開關控制是一種忽略了溫濕度變化的滯后性和慣性的簡單控制策略，在實際控制過程中精度偏低、超調量過大、震蕩明顯，無法達到較為理想的調節效果。PID 控制是目前各行各業中應用最廣泛的控制方式，其包括比例、積分、微分三個環節。一般情況下，PID 控制的溫濕度系統可以取得較好的調節效果。智能控制是指在無人干預的情況下自主驅動智能機器實現控制目標，智能溫濕度控制將神經網絡控制、模糊控制、專家系統等加以應用，能夠確保控制系統的穩定性和精度。

目前，在國內外的專利申請案件中，關于定值開關控制的技術方案已很少見，關于溫、濕度的測控和調節的專利申請多以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 是通過調整比例、積分、微分環節的系數，得出合適的輸出控制參數，通過修改上述參數控制誤差的閉環控制算法。其優點是控制過程連續，其劣勢是參數調整較復雜，沒有固定的方法可循，需要根據現場實際情況和經驗整定，而對于復雜的大慣性、大滯后的研究對象，調節時間過長。

基于模糊控制理論的PID 參數整定方法是將PID 與模糊控制相結合的一種兼備兩者控制優點的整定方式，即在普通PID 控制系統的基礎之上，增設模糊控制規則環節。

PID 控制使用方便、原理簡單、適應性強、魯棒性強，其缺點是必須預先建立控制對象的數學模型，對于一些大滯后、多變量的系統，難以收獲滿意的控制效果。20世紀70年代，英國的E.H.Mamdani首次使用模糊邏輯和模糊推理算法實現了對蒸汽機的控制。20世紀90年代，歐美國家相繼涌現了多篇智能控制方面的文章并申請了專利。1965年，美國的L.A.Zadeh創立了模糊集合論；同年，我國的傅京孫教授也首先提出了把人工智能中的直覺推理方法用于學習控制系統的思路，這無疑奠定了我國智能控制發展的基礎。與此同時，越來越多的科研人員也開始關注智能控制技術，關于溫、濕度智能控制技術的專利申請數量也不斷激增。

總體上來說，我國智能控制技術的應用發展相對落后，目前國內成熟的溫、濕度控制系統仍以常規PID 以及各種改進PID 的控制為主，在智能控制算法和控制軟件的開發方面還需改進。

2 溫度、濕度控制的專利分析

2.1 專利申請人類別初步統計分析

溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）作為“非電變量的控制或調節系統”小類之下申請較多的大組，其申請人的分布比較廣泛。其中，溫、濕度控制相關申請遍布企事業單位、個人、高等院校及職業技術學校等范圍，并以企事業單位申請居多，格力空調、松下電器、美的集團、國家電網、北車集團等是本領域較為常見的申請人。

2.2 專利申請量總體分析

在CNABS 庫中統計溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）大組下的專利申請量，共有9 372 件。分別統計2000—2013年的專利申請量，溫度、濕度控制相關專利申請自2002年起大體呈上漲趨勢，并于2013年達到峰值。

對溫度、濕度控制部分相關專利文獻的分類號進行統計，其中，申請量較大的幾個小組分別為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生電或磁性質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控制器，例如預測溫度變化的溫度控制），可見以上幾部分是本領域的主要研究方向，并處于不斷發展之中。

通過在CNABS數據庫中統計溫度控制（G05D23/＋）、濕度控制（G05D22/＋）大組下的專利申請情況，得知國外申請更多地集中在2009年以前，2009年以后的相關專利申請基本來自國內，這也間接地反映出國外關于溫濕度控制的快速發展，而我國的技術發展相對滯后，亟需快速、穩步地提升本領域的研究水平。

3 溫度、濕度控制的發展前景

在現代科技的飛速發展之下，溫度、濕度控制廣泛應用于諸如工業、農業、制造業、交通運輸、大型設備、家用電器等方面。現有的控制技術因精度不足、響應滯后等因素越來越無法滿足各行各業的應用需求。目前，國際上的新型溫濕度傳感器正從模擬式向數字式、從集成化向智能化和網絡化的方向快速發展，模擬集成溫、濕度傳感器也將是未來溫、濕度控制的重要選擇。溫度和濕度控制領域將應用越來越多的新技術、新工藝，一種全新的通信技術——現場總線技術也代表著控制系統今后的發展方向。

溫、濕度控制領域技術正在穩步發展中，新的應用領域也在不斷增長。隨著應用領域的逐步擴大和控制要求的逐步提升，溫、濕度控制作為調節、控制領域的重要科研分支，將扮演愈來愈重要的角色。目前，國內技術發展相對國外有些滯后，國內科研人員活躍在本領域專利申請的前線，國內專利申請數目不斷增加。相信在未來數年里，溫、濕度控制市場將會在各個應用領域大展拳腳，具有無限廣闊的發展前景和巨大的發展潛力。

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