温度、湿度控制的发展概况及专利分析

梁 娜

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100190）

0 引言

国际专利分类号G05D——非电变量的控制或调节系统，包括速度或加速度、力、压力、动力、机械振动的控制；流量、液位、比率的控制；温度、湿度、黏度、化学或物理—化学变量、光强度的控制；两个或两个以上变量的同时控制等。其中，“非电变量”这一技术名称限定了包括上述变量以及上述定义中未提及的诸多变量种类，覆盖了除电变量以外的较为宽泛的变量范围。

在“非电变量的控制或调节系统”这一技术主题下，目前专利文献量最多的是温度、湿度的控制，次之为流量、液位的控制，以及两个或两个以上变量的同时控制。下文主要针对大组G05D23/＋（温度的控制）、G05D22/＋（湿度的控制）下的中外专利文献进行研究和解读，剖析其技术发展概况和主要申请人的分布、关键技术。

1 温度、湿度控制的技术发展

1.1 温度、湿度控制的发展阶段

温度和湿度作为重要的环境因素，在全球的生产活动和人类生活中起着不可忽视的重要作用，特别是在工业生产中，这两个因子是最基本、最重要的工艺参数。在化工、电力、金属、电子等细分工业行业中，均必须对温度、湿度进行严格检测和控制。在日常生活领域，温湿度体现了人们所处环境的舒适度指数。由此可知，现如今温湿度的调节和控制尤为重要。随着相关技术的不断发展，温度和湿度已是在控制系统集成设计和制定综合控制策略时被一同考虑、检测和控制的量。

温度和湿度控制技术经历了定值开关控制、PID 调节控制、智能控制三个发展阶段。定值开关控制是一种忽略了温湿度变化的滞后性和惯性的简单控制策略，在实际控制过程中精度偏低、超调量过大、震荡明显，无法达到较为理想的调节效果。PID 控制是目前各行各业中应用最广泛的控制方式，其包括比例、积分、微分三个环节。一般情况下，PID 控制的温湿度系统可以取得较好的调节效果。智能控制是指在无人干预的情况下自主驱动智能机器实现控制目标，智能温湿度控制将神经网络控制、模糊控制、专家系统等加以应用，能够确保控制系统的稳定性和精度。

目前，在国内外的专利申请案件中，关于定值开关控制的技术方案已很少见，关于温、湿度的测控和调节的专利申请多以PID 控制和智能控制为主体思路。

1.2 温度、湿度控制的基本原理

PID控制即比例、积分、微分控制。PID 是通过调整比例、积分、微分环节的系数，得出合适的输出控制参数，通过修改上述参数控制误差的闭环控制算法。其优点是控制过程连续，其劣势是参数调整较复杂，没有固定的方法可循，需要根据现场实际情况和经验整定，而对于复杂的大惯性、大滞后的研究对象，调节时间过长。

基于模糊控制理论的PID 参数整定方法是将PID 与模糊控制相结合的一种兼备两者控制优点的整定方式，即在普通PID 控制系统的基础之上，增设模糊控制规则环节。

PID 控制使用方便、原理简单、适应性强、鲁棒性强，其缺点是必须预先建立控制对象的数学模型，对于一些大滞后、多变量的系统，难以收获满意的控制效果。20世纪70年代，英国的E.H.Mamdani首次使用模糊逻辑和模糊推理算法实现了对蒸汽机的控制。20世纪90年代，欧美国家相继涌现了多篇智能控制方面的文章并申请了专利。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；同年，我国的傅京孙教授也首先提出了把人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统的思路，这无疑奠定了我国智能控制发展的基础。与此同时，越来越多的科研人员也开始关注智能控制技术，关于温、湿度智能控制技术的专利申请数量也不断激增。

总体上来说，我国智能控制技术的应用发展相对落后，目前国内成熟的温、湿度控制系统仍以常规PID 以及各种改进PID 的控制为主，在智能控制算法和控制软件的开发方面还需改进。

2 温度、湿度控制的专利分析

2.1 专利申请人类别初步统计分析

温度控制（G05D23/＋）、湿度控制（G05D22/＋）作为“非电变量的控制或调节系统”小类之下申请较多的大组，其申请人的分布比较广泛。其中，温、湿度控制相关申请遍布企事业单位、个人、高等院校及职业技术学校等范围，并以企事业单位申请居多，格力空调、松下电器、美的集团、国家电网、北车集团等是本领域较为常见的申请人。

2.2 专利申请量总体分析

在CNABS 库中统计温度控制（G05D23/＋）、湿度控制（G05D22/＋）大组下的专利申请量，共有9 372 件。分别统计2000—2013年的专利申请量，温度、湿度控制相关专利申请自2002年起大体呈上涨趋势，并于2013年达到峰值。

对温度、湿度控制部分相关专利文献的分类号进行统计，其中，申请量较大的几个小组分别为G05D23/19（以使用电装置为特征的温度控制）、G05D23/20（具有随温度变化而产生电或磁性质变化的传感元件特征的温度控制）、G05D23/00（温度的控制）、G05D23/24（具有随温度变化的 导磁性的传感元件，例如热敏电阻的温度控制）、G05D23/30（具有影响传感元件的辅助加热装置的自动控制器，例如预测温度变化的温度控制），可见以上几部分是本领域的主要研究方向，并处于不断发展之中。

通过在CNABS数据库中统计温度控制（G05D23/＋）、湿度控制（G05D22/＋）大组下的专利申请情况，得知国外申请更多地集中在2009年以前，2009年以后的相关专利申请基本来自国内，这也间接地反映出国外关于温湿度控制的快速发展，而我国的技术发展相对滞后，亟需快速、稳步地提升本领域的研究水平。

3 温度、湿度控制的发展前景

在现代科技的飞速发展之下，温度、湿度控制广泛应用于诸如工业、农业、制造业、交通运输、大型设备、家用电器等方面。现有的控制技术因精度不足、响应滞后等因素越来越无法满足各行各业的应用需求。目前，国际上的新型温湿度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向快速发展，模拟集成温、湿度传感器也将是未来温、湿度控制的重要选择。温度和湿度控制领域将应用越来越多的新技术、新工艺，一种全新的通信技术——现场总线技术也代表着控制系统今后的发展方向。

温、湿度控制领域技术正在稳步发展中，新的应用领域也在不断增长。随着应用领域的逐步扩大和控制要求的逐步提升，温、湿度控制作为调节、控制领域的重要科研分支，将扮演愈来愈重要的角色。目前，国内技术发展相对国外有些滞后，国内科研人员活跃在本领域专利申请的前线，国内专利申请数目不断增加。相信在未来数年里，温、湿度控制市场将会在各个应用领域大展拳脚，具有无限广阔的发展前景和巨大的发展潜力。

［1］吕小红.电阻炉智能温度控制系统的设计和应用［D］.武汉：武汉科技大学，2008.

［2］林叶锦，熊红斌.浅析智能温湿度控制系统发展［J］.黑龙江科技信息，2013（14）：100.

［3］库尔班江玉素因.机电一体化系统中智能控制的应用浅析［J］.科技资讯，2015（1）：82.

［4］刘凯.智能控制的发展及其系统简介［J］.科技咨询导报，2007（7）：4.