CN107701483A - 温度控制装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种温度控制方法，适用于服务器，包括：温度感测器取得侦测温度。增益调度(Gain Scheduling)单元从多个参数调度中选择一个参数调度，所述多个参数调度包括初始参数组合、第一参数组合及第二参数组合。在侦测温度大于或等于初始温度且小于第一温度时，增益调度单元选择初始参数组合。在侦测温度大于或等于第一温度且小于第二温度时，增益调度单元选择第一参数组合。在侦测温度大于或等于第二温度时，增益调度单元选择第二参数组合。其中第二温度大于第一温度且第一温度大于初始温度。比例积分微分控制器根据所选的参数组合调整风扇的转速。本发明还公开一种温度控制装置。

Description

温度控制装置及其方法
技术领域
本发明关于一种风扇控制方法，特别是一种具有比例积分微分参数调度的风扇转速控制方法。
背景技术
在服务器的评比之中，最难以衡量的就是散热项目。散热能力强，服务器才能发挥完整的效能，否则过热元件将影响系统的可靠度，甚至让服务器无预警地当机。为了即时排除服务器内部的废热，提高风扇转速带动服务器内外的冷热空气交换是常见的散热做法。然而传统以感测温度对应风扇转速的方式，容易导致冷却过度因而耗费额外电力。为了在服务器即时散热的前提下节省不必要的电力消耗，目前在风扇转速控制方面已经导入回授控制技术。其中又以比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制器最为常见。
PID控制器包括自定义的连续性方程式(continuity equation)与此方程式中对应于比例控制项、微分控制项及积分控制项的多个控制常数，通过调整控制常数可让风扇控制系统达到最佳的控制效果。然而，目前的PID控制器通常仅以一组固定的参数组合配置PID方程式内的多个控制常数。单一组控制参数往往因为调试时的取舍与妥协，而无法同时满足暂态响应区间(transient response)及稳态响应区间(steady-state response)的需求，例如同时满足快速的暂态时间及高稳定性。此外，固定控制参数也可能产生风扇转速的震荡(Oscillation)现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有多阶PID参数配置的温度控制装置及其方法以解决上述问题。
根据本发明一实施例的一种温度控制装置，适用于服务器，包括：风扇、温度感测器、增益调度单元以及比例积分微分控制器。风扇用于驱动气流而调整受控区的温度；温度感测器设置于受控区以取得受控区的侦测温度；增益调度单元电性连接温度感测器，增益调度单元根据侦测温度从多个参数调度中选择一参数调度，其中所述的多个参数调度包括初始参数组合及至少一降温参数组合，所述的至少一降温参数组合至少包括第一参数组合及第二参数组合；在侦测温度大于或等于初始温度且小于第一温度时，增益调度单元选择初始参数组合；在侦测温度大于或等于第一温度且小于第二温度时，增益调度单元选择第一参数组合；在侦测温度大于或等于第二温度时，增益调度单元选择第二参数组合；其中第二温度大于第一温度且第一温度大于初始温度；比例积分微分控制器电性连接于风扇、温度感测器及增益调度单元，比例积分微分控制器选择性地根据初始参数组合或至少一降温参数组合控制风扇。
根据本发明一实施例的一种温度控制方法，适用于服务器，包括：温度感测器取得服务器受控区的侦测温度；增益调度单元根据侦测温度从多个参数调度中选择一参数调度，其中所述的多个参数调度包括初始参数组合及至少一降温参数组合，所述的至少一降温参数组合至少包括第一参数组合及第二参数组合；在侦测温度大于或等于初始温度且小于第一温度时，增益调度单元选择初始参数组合；在侦测温度大于或等于第一温度且小于第二温度时，增益调度单元选择第一参数组合；在侦测温度大于或等于第二温度时，增益调度单元选择第二参数组合；其中第二温度大于第一温度且第一温度大于初始温度；比例积分微分控制器选择性地根据初始参数组合或所述的至少一降温参数组合计算并输出风扇转速信号；以及风扇根据风扇转速信号调整转速。
通过上述结构，本发明所公开的温度控制装置及其控制方法，在不同温度区间以不同参数组合来设定PID控制器的控制参数，可以避免在暂态响应区间内，风扇转速因温度差及控制参数的加乘而急剧攀升进而导致过度冷却的情况，以及降低在稳态响应区间中风扇转速的震荡现象。
以上关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求书更进一步的解释。
附图说明
图1为根据本发明一实施例所绘示的温度控制装置的功能方块图。
图2为根据本发明一实施例所绘示的风扇转速控制方法的流程图。
其中，附图标记：
1 温度控制装置
10 风扇
30 温度感测器
50 增益调度单元
70 PID控制器
S1-S7 步骤
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及图式，本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
本发明提出一种适用于服务器的温度控制装置。所述的温度控制装置用以控制一受控区的温度趋近于额定温度，其中受控区是一空间或是一电子元件，额定温度是指受控区中的电子元件正常工作时的工作温度。
请参考图1，图1为根据本发明一实施例所绘示的温度控制装置的功能方块图。如图1所示，温度控制装置1包含风扇10、温度感测器30、增益调度单元50以及比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制器70(后文以PID控制器70代称)，其中增益调度(Gain Scheduling)单元50电性连接风扇10及PID控制器70，PID控制器70电性连接风扇10。
风扇10通过本身工作带动气流而降低受控区的温度。温度感测器30例如是热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(Resistance temperature detector，RTD)或是集成电路(Integrated circuit，IC)温度感测器，本发明不限制温度感测器30的种类或数量。温度感测器30设置于受控区以取得受控区的侦测温度，所述的侦测温度例如是空间的温度或是指定电子元件的温度。
增益调度(Gain Scheduling)是指用一系列的线性控制器控制非线性系统，设法在不同的系统工作点提供适当的控制。增益调度选用一个或多个可观测的变量(称为调度变量)来判断系统目前工作的条件，以及需要使用哪一个控制器。在本发明一实施例中，增益调度(Gain Scheduling)单元50例如是一微处理器(Microprocessor)或系统单芯片(System on Chip，SoC)，调度变量则是温度感测器30取得的感测温度。总体而言，增益调度单元50根据感测温度值从多个参数调度(parameter schedule)中选择一个参数调度发送给PID控制器70。在另一实施例中，增益调度单元50预先设置一额定温度的预设值，称为设定点(set-point)。再将此设定点与侦测温度值相减，得出一误差值后取绝对值；增益调度单元50据此温度误差的绝对值作为参数调度的判断条件。承上所述，本发明不特别限制调度变量的应用形式，但实务上通常采用侦测温度配合额定温度定义增益，调度单元50从多个参数调度中选择某个参数调度的匹配条件。
前述的多个参数调度包括一初始参数组合及至少一降温参数组合，降温参数组合则至少包括第一参数组合及第二参数组合，故增益调度单元50具有至少三个参数组合，下表为本发明一实施例中，三个参数组合的范例。
设定点91℃ 侦测温度PV(k) Kc Ti Td
第二参数组合 PV(k)≥89℃ 3 14 0.5
第一参数组合 PV(k)≥76℃ 8 36 0.5
初始参数组合 PV(k)≥-109℃ 0 0 0
请参考上表。每个参数组合皆包括三个PID常数：比例项常数Kc、积分项常数Ti以及微分项常数Td。必须特别强调的是：在初始参数组合当中，这些PID常数皆设置为0。另外，第一参数组合的每项常数设定值皆大于第二参数组合的每项设定值。由于降温参数组合具有至少两组参数组合，假设此表新增例如PV(k)≥90的第三参数组合，则第三参数组合的所有常数设定值皆应小于第二参数组合中对应相同栏的常数的设定值。换言之，越接近侦测温度PV(k)的参数组合，其中配置的PID常数设定值越小。这是由于越接近额定温度时，需放缓调整的幅度，使得温度不致于突然剧降，造成额外电力浪费。此外，关于表格中各项PID参数的具体数值设定方式，实务上可自行选定参数或拟定一参数配置公式，并且在服务器的散热系统启动之前预先输入至增益调度单元50之中。
请参考上表数值作为说明示例。当温度感测器30取得的侦测温度大于或等于初始温度(例如：-109℃)但小于第一温度(例如：76℃)时，增益调度单元50选择初始参数组合输出至PID控制器70。由表可知初始参数组合其各项PID常数值皆为0，其设置意义是“不需处理温度变化的暂态状态”。另需提及的是：由于初始温度已设置为远低于额定温度的数值，且实务上服务器运行时几乎不可能低于所设置的初始温度，故侦测温度小于初始温度的情况不在本实施例的考虑范围，相应的PID参数也可皆视为0。请参考上表，在温度感测器30取得的侦测温度大于或等于第一温度(76℃)但小于第二温度(89℃)时，增益调度服务器50选择第一参数。上述相当于当第一参数的温差小于15℃时，以PID参数(8，36，0.5)输入PID控制器70以便开始执行散热。此处需注意的是，在侦测温度超过第一温度之后，为了避免服务器热能在短时间内迅速累积导致超过设定点温度，因此增益调度单元50直接配置最大化的PID参数以通知PID控制器70启动转速最大化的风扇10立刻进行散热。在温度感测器30取得的侦测温度大于或等于第二温度(89℃)时，增益调度服务器50选择第二参数。这代表温度控制即将进入稳态，故降低风扇10转速，减低电力消耗。
实务上，PID控制器70例如是进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,ARM)芯片，PID控制器70根据增益调度单元50所选择的参数组合中的参数代入PID算法的离散化演算式以计算出风扇10转速并据以控制风扇10。所述的离散化演算式如下：
e(k)＝r-PV(k)
Up＝Kc×e(k)
Utotal＝-(Up+UI+UD)
其中，r为额定温度；PV(k)为侦测温度；Kc为比例项常数；Ti为积分项常数；Td为微分项常数；Up为比例项风扇转速计算输出；UI为积分项风扇转速计算输出；UD：为微分项风扇转速计算输出；Umin为最小风速输出；Umax为最大风速输出；Utotal为总风速输出；Δt为系统取样时间。
请参考图2，图2为绘示本发明一实施例中的温度控制方法，所述的温度控制方法适用于一服务器。如步骤S1所示，首先由温度感测器30取得受控区的侦测温度。请参考步骤S3，根据此侦测温度，增益调度单元50从多个参数调度选择其中之一者。请参考步骤S5，PID控制器70根据所选的参数调度计算得出风扇转速信号并且输出此风扇转速信号。请参考步骤S7，风扇10根据风扇转速信号调整转速以控制受控区的温度。然后回到步骤S1，持续对受控区的温度进行侦测以便即时根据侦测温度修正参数调度，使得受控区的温度得以进入稳态区间，使得温度控制与电力消耗两者得以取得较佳的平衡点。
综合以上所述，本发明提出一种风扇控制的方法，特别是一种具有PID参数调度的控制风扇转速的方法，借此节省PID参数调校的时间与人力成本，同时满足暂态及稳态的性能需求。PID参数可在线自动调校，并且在侦测温度未达一调度中的默认温度误差数值时不调整当前风扇转速控制量，借此达到减少风扇耗电量的功效。
虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书。

Claims (7)

1.一种温度控制装置，适用于一服务器，其特征在于，包括：
一风扇，用于驱动气流而调整一受控区的温度；
一温度感测器，设置于该受控区以取得该受控区的一侦测温度；
一增益调度单元，电性连接该温度感测器，该增益调度单元根据该侦测温度从多个参数调度中选择一参数调度，其中该些参数调度包括一初始参数组合及至少一降温参数组合，该至少一降温参数组合至少包括一第一参数组合及一第二参数组合；在该侦测温度大于或等于一初始温度且小于该第一温度时，该增益调度单元选择该初始参数组合；在该侦测温度大于或等于该第一温度且小于该第二温度时，该增益调度单元选择该第一参数组合；在该侦测温度大于或等于该第二温度时，该增益调度单元选择该第二参数组合；其中该第二温度大于该第一温度且该第一温度大于该初始温度；以及
一比例积分微分控制器，电性连接于该风扇及该增益调度单元，该比例积分微分控制器选择性地根据该初始参数组合或该至少一降温参数组合控制该风扇。
2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该温度控制装置用于控制一环境温度或一元件温度于一额定温度以下，该温度感测器根据该环境温度或该元件温度取得该侦测温度，且该该额定温度大于或等于该第二温度。
3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该初始参数组合中具有多个初始参数，且该些初始参数的值均为0。
4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该第一参数组合及该第二参数组合中各自具有多个降温参数，且该第一参数组合中的该些降温参数各自大于所对应的该第二参数组合中的该些降温参数。
5.一种温度控制方法，适用于一服务器，其特征在于，包括：
以一温度感测器取得该服务器的一受控区的一侦测温度；
以一增益调度单元根据该侦测温度从多个参数调度中选择一参数调度，其中该些参数调度包括一初始参数组合及至少一降温参数组合，该至少一降温参数组合至少包括一第一参数组合及一第二参数组合；在该侦测温度大于或等于一初始温度且小于该第一温度时，该增益调度单元选择该初始参数组合；在该侦测温度大于或等于该第一温度且小于该第二温度时，该增益调度单元选择该第一参数组合；在该侦测温度大于或等于该第二温度时，该增益调度单元选择该第二参数组合；其中该第二温度大于该第一温度且该第一温度大于该初始温度；
以一比例积分微分控制器选择性地根据该初始参数组合或该至少一降温参数组合计算并输出一风扇转速信号；以及
以一风扇根据该风扇转速信号调整转速。
6.根据权利要求5所述的温度控制方法，其特征在于，该初始参数组合中具有多个初始参数，且该些初始参数的值均为0。
7.根据权利要求5所述的温度控制方法，其特征在于，该第一参数组合及该第二参数组合中各自具有多个降温参数，且该第一参数组合中的该些降温参数各自大于所对应的该第二参数组合中的该些降温参数。
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