梁 娜

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100190）

0 引言

國際專利分類號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(xué)或物理—化學(xué)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(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(shù)發(fā)展概況和主要申請人的分布、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、電子等細分工業(yè)行業(yè)中，均必須對溫度、濕度進行嚴格檢測和控制。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(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單控制策略，在實際控制過程中精度偏低、超調(diào)量過大、震蕩明顯，無法達到較為理想的調(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。智能控制是指在無人干預(yù)的情況下自主驅(qū)動智能機器實現(xiàn)控制目標，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，能夠確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

目前，在國內(nèi)外的專利申請案件中，關(guān)于定值開關(guān)控制的技術(shù)方案已很少見，關(guān)于溫、濕度的測控和調(diào)節(jié)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(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)，通過修改上述參數(shù)控制誤差的閉環(huán)控制算法。其優(yōu)點是控制過程連續(xù)，其劣勢是參數(shù)調(diào)整較復(fù)雜，沒有固定的方法可循，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況和經(jīng)驗整定，而對于復(fù)雜的大慣性、大滯后的研究對象，調(diào)節(jié)時間過長。

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、原理簡單、適應(yīng)性強、魯棒性強，其缺點是必須預(yù)先建立控制對象的數(shù)學(xué)模型，對于一些大滯后、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(xiàn)了對蒸汽機的控制。20世紀90年代，歐美國家相繼涌現(xiàn)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(chuàng)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(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的思路，這無疑奠定了我國智能控制發(fā)展的基礎(chǔ)。與此同時，越來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)的專利申請數(shù)量也不斷激增。

總體上來說，我國智能控制技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展相對落后，目前國內(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。

2 溫度、濕度控制的專利分析

2.1 專利申請人類別初步統(tǒng)計分析

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(guān)申請遍布企事業(yè)單位、個人、高等院校及職業(yè)技術(shù)學(xué)校等范圍，并以企事業(yè)單位申請居多，格力空調(diào)、松下電器、美的集團、國家電網(wǎng)、北車集團等是本領(lǐng)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(tǒng)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(tǒng)計2000—2013年的專利申請量，溫度、濕度控制相關(guān)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(guān)專利文獻的分類號進行統(tǒng)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(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控制器，例如預(yù)測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。

通過在CNABS數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)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(guān)專利申請基本來自國內(nèi)，這也間接地反映出國外關(guān)于溫濕度控制的快速發(fā)展，而我國的技術(shù)發(fā)展相對滯后，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)滯后等因素越來越無法滿足各行各業(yè)的應(yīng)用需求。目前，國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)用越來越多的新技術(shù)、新工藝，一種全新的通信技術(shù)——現(xiàn)場總線技術(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。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴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，將扮演愈來愈重要的角色。目前，國內(nèi)技術(shù)發(fā)展相對國外有些滯后，國內(nèi)科研人員活躍在本領(lǐng)域?qū)＠暾埖那熬€，國內(nèi)專利申請數(shù)目不斷增加。相信在未來數(shù)年里，溫、濕度控制市場將會在各個應(yīng)用領(lǐng)域大展拳腳，具有無限廣闊的發(fā)展前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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