CN107859646B - 温度控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温度控制装置，包括风扇、温度感测器、建模运算单元以及比例积分微分控制器，其中比例积分微分控制器连接于风扇、温度感测器以及建模运算单元。风扇用以驱动气流而控制受控区的温度。温度感测器用以取得侦测温度且设置于受控区，而侦测温度用于表示受控区的温度。建模运算单元依据转移函数计算得到至少一降温参数组合。比例积分微分控制器在侦测温度小于第一温度时，依据初始参数组合控制风扇，而在侦测温度大于或等于第二温度时，依据所述至少一降温参数组合控制风扇。其中初始参数组合包括多个初始参数，且初始参数皆等于预设数值。本发明还公开了一种控制方法。

Description

温度控制装置及其控制方法
技术领域
本发明关于一种温度控制装置，特别关于一种具有比例积分微分控制器的温度控制装置。
背景技术
在服务器领域中，传统的温度控制装置由于温度感测及风扇转速调控的时间差，往往产生系统过度冷却的状况，同时导致风扇电力过度地耗费。为了降低电力的消耗，现今的温度控制装置导入回授控制技术，其中以比例积分微分(Proportional-integral-derivative，PID)控制最为常见。
PID控制风扇的效果优劣主要在于控制参数的设计，而目前的控制参数设计通过重复性的设定、实验验证及调校，即通过试误法(Trial and error)以得到参数组合，其缺点在于耗费人力及时间，且测试出的参数组合通常并非为最佳值。另外，现今的PID控制风扇仅以一组固定的参数组合来设定PID控制器内的控制参数。当控制参数设定数值较大时，在暂态响应区间(即温度一开始上升的期间)，风扇转速会因侦测到突然的温度差而急速攀升，造成过度冷却的状况；而当控制参数设定数值较小时，虽可减缓风扇转速在暂态响应区间的反应，然而暂态响应的循迹效果不佳，难以迅速进入稳态响应区间，也因此在进入稳态响应区域前，容易有温度过冲的情况。此外，固定控制参数也易造成在稳态响应区间中风扇转速的震荡(Oscillation)现象。
因此，仅以一组固定的参数组合来设定PID控制器内的控制参数，并无法同时满足暂态响应区间及稳态响应区间的需求。
发明内容
鉴于上述，本发明提供一种温度控制装置及其控制方法以满足上述需求。
依据本发明一实施例的温度控制装置，包括风扇、温度感测器、建模运算单元以及比例积分微分控制器，其中比例积分微分控制器连接于风扇、温度感测器以及建模运算单元。风扇用以驱动气流而控制受控区的温度。温度感测器用以取得侦测温度，且用于设置于受控区，而侦测温度用于表示受控区的温度。建模运算单元则依据转移函数计算得到至少一降温参数组合。比例积分微分控制器在侦测温度小于第一温度时，依据初始参数组合控制风扇，其中初始参数组合包括多个初始参数，且初始参数皆等于一预设数值。而比例积分微分控制器在侦测温度大于或等于第二温度时，依据所述至少一降温参数组合控制风扇。
依据本发明一实施例的控制方法，适用于包括比例积分微分控制器及风扇的温度控制装置，其中温度控制装置用以控制受控区的温度，而所述转速控制方法包括：依据转移函数计算得到至少一降温参数组合；取得侦测温度，其中侦测温度用于表示受控区的温度；当该侦测温度小于第一温度时，设定比例积分微分控制器的多个控制参数为初始参数组合以控制风扇的转速，其中初始参数组合包括与所述控制参数的数量相同的多个初始参数，且所述初始参数皆等于一预设数值；以及当侦测温度大于或等于第一温度时，依据所述至少一降温参数组合设定该比例积分微分控制器的控制参数以控制风扇的转速。
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比例积分微分(Proportional-integral-derivative，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，也可避免在进入稳态响应区域前环境温度过冲的情况，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为依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为依据本发明一实施例所绘示的转速控制方法的流程图。
图3为依据本发明另一实施例所绘示的转速控制方法的流程图。
图4为依据本发明一实施例所绘示的转速控制方法的时间-温度图。
其中，附图标记：
1 温度控制装置
11 风扇
13 温度感测器
15 建模运算单元
17 比例积分微分控制器
I、II、III 阶段
T1 第一温度
T2 第二温度
Tn 额定温度
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，其中受控区可以是一空间或是一电子元件，而额定温度可以是所述受控区中的电子元件或是作为受控区的电子元件具有最佳工作效率的工作温度。
请参考图1，图1为依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包括风扇11、温度感测器13、建模运算单元15以及比例积分微分(Proportional-integral-derivative，PID)控制器17，其中PID控制器17电性连接于风扇11、温度感测器13以及建模运算单元15。
风扇11用以驱动气流而控制受控区的温度。温度感测器13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(Integratedcircuit，IC)温度感测器。温度感测器13用以取得侦测温度并设置于受控区，其中侦测温度可用于表示受控区的温度，也就是说，侦测温度可以是一空间的温度或是特定电子元件的温度。
建模运算单元15例如是芯片或是微控制器，会依据受控区的特性建立出转移函数以作为近似模型，再依据转移函数计算得到至少一降温参数组合，其中转移函数例如是一阶系统加上时间延迟(First order plus time delay，FOPTD)函数。于一实施例中，建模运算单元15依据转移函数计算得到第一参数组合做为前述的至少一降温参数组合；于一实施例中，建模运算单元15除了计算出第一参数组合，还会再依据第一参数组合与预设比例计算得到第二参数组合，并以第一参数组合及第二参数组合作为前述的至少一降温参数组合。
PID控制器17例如是进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,ARM)芯片，会依据多个控制参数产生驱动信号，以控制风扇11的转速。PID控制器17在侦测温度小于第一温度时，会依据初始参数组合以控制风扇11，也就是说，当侦测温度小于第一温度时，PID控制器17会将所述的控制参数设定为初始参数组合；而当侦测温度大于或等于第一温度时，PID控制器17则会依据建模运算单元15所计算出的第一参数组合，以控制风扇11，即将控制参数设定为第一参数组合。此外，于另一实施例中，当建模运算单元15可提供第二参数组合且侦测温度大于第二温度时，PID控制器17会将控制参数设定为第二参数组合。其中，第二温度大于上述的第一温度。
于上述实施例中，第一温度及第二温度皆小于额定温度，而温度控制装置1在第一温度及第二温度所区隔出的多个温度区间分别以不同的控制参数来控制风扇转速。以下将进一步地说明温度控制装置的控制方法及运作，请一并参考图1及图2，其中图2为依据本发明一实施例所绘示的转速控制方法的流程图。
于步骤S21中，温度控制装置1的建模运算单元15会依据转移函数计算得到一组降温参数组合，即第一参数组合。其中，第一参数组合包括与PID控制器17的控制参数数量相同的多个第一参数。如前所述，PID控制器17会依据多个控制参数以产生控制风扇的驱动信号，而控制参数包括了比例参数、积分参数以及微分参数。也就是说，第一参数组合所包括的多个第一参数分别对应于比例参数、积分参数以及微分参数。
于本实施例中，建模运算单元15所使用的转移函数为前述的一阶系统加上时间延迟(FOPTD)，据以构成受控区的近似模型。这一转移函数的数学表示式如下：
其中Kp、D及τ分别为系统增益值(System gain)、时间延迟(Time delay)及时间常数(Time constant)，经系统鉴别(System identification)后可得到以上参数值，再依据齐格勒-尼科尔斯(Ziegler-Nichols，ZN)方法以计算得到包括对应于比例参数、积分参数以及微分参数的第一参数的第一参数组合。如此一来，通过建模运算单元15的计算，无需以试误法(Trial and error)，通过重复性的设定、实验验证及调校来得到参数组合，得以降低人力及时间的成本。
接下来，于步骤S22～S23中，温度感测器13取得侦测温度并提供至PID控制器17，PID控制器17判断侦测温度是否小于第一温度，其中第一温度可以是PID控制器17中的预设值。于步骤S24中，当侦测温度小于第一温度时，PID控制器17设定其控制参数为初始参数组合，其中初始参数组合也包括与控制参数的数量相同的多个初始参数，也就是说，所述的多个初始参数分别对应于比例参数、积分参数以及微分参数。此外，这些初始参数皆等于一预设数值，例如零。
实际上，第一温度可以是额定温度的0.63倍，当侦测温度小于第一温度时，表示环境温度或是元件温度与额定温度之间有相当大的温度差，此时PID控制器17将设定其控制参数为零或接近零的数值(即初始参数组合)，如此一来，便能避免在现有的PID控制方法中，因巨大的温度差与控制参数的加乘而急速拉转风扇，进而耗费不必要的电力的情况。
而当环境温度或是元件温度超过或等于第一温度时，如步骤S25所示，PID控制器17便会设定其控制参数为建模运算单元15所计算出的第一参数组合以产生驱动信号来控制风扇11。
上述实施例为两阶段的控制方法，而于另一实施例中，温度感测装置1的控制方法更可以分为三阶段，请一并参考图1及图3，其中图3为依据此实施例所绘示的转速控制方法的流程图。
于步骤S31～S32中，温度控制装置1的建模运算单元15会依据转移函数计算得到第一参数组合，再依据第一参数组合及一预设比例计算得到第二参数组合，并以第一参数组合及第二参数组合作为降温参数组合。其中以转移函数计算出第一参数组合的方式均与前述图2所示的实施例相同，因此不再赘述。而针对第二参数组合，进一步来说，建模运算单元15会将第一参数组合中的第一参数分别与预设比例相乘以得到多个第二参数，而所述第二参数组成第二参数组合。换句话说，第二参数组合包括多个第二参数，且这些第二参数也分别对应于比例参数、积分参数以及微分参数。于此实施例中，以小于1(例如1/2)的数值作为预设比例，也就是说第二参数小于第一参数。
于步骤S33～S35中，温度感测器13取得侦测温度并提供至PID控制器17，PID控制器17接着判断侦测温度是否小于第一温度，当侦测温度小于第一温度时，PID控制器17设定其控制参数为初始参数组合。于此实施例中，步骤S33～S35同于前述图2所示的实施例中的步骤S22～S24，PID控制器17在环境温度或是元件温度与额定温度之间有相当大的温度差时，会将控制参数设定为零或接近零的数值，以避免风扇转速过度提升的情况。
接下来于步骤S36中，当PID控制器17判断侦测温度大于或等于第一温度时，会再判断侦测温度是否小于第二温度。其中，第二温度为PID控制器17中的预设值，例如为额定温度的97％。当侦测温度大于或等于第一温度但小于第二温度时，表示侦测温度与额定温度之间还有一段温度差，此时PID控制器17会以第一参数组合来设定控制参数，如步骤S37所示。而当侦测温度大于或等于第二温度时，表示侦测温度趋近于额定温度，此时PID控制器17会以第二参数组合来设定控制参数以控制风扇转速，如步骤S38所示。
以连续控制来说，请参考图4，图4为依据此实施例所绘示的转速控制方法的时间-温度图。如图4所示，温度控制装置的控制方法可以分为三个阶段I、II及III。当侦测温度位于阶段I时，即侦测温度小于第一温度T1时，PID控制器17可设定控制参数为零。由于此阶段中的受控区的温度远低于目标(即额定温度)，因此无须驱动风扇予以降温，进而达到节能目的，也因此避免风扇转速过度提升而导致过度冷却的现象。接着，当侦测温度到达阶段II时，即侦测温度介于第一温度T1与第二温度T2之间时，PID控制器17设定控制参数为第一参数组合，以避免因控制参数过小而导致环境温度或元件温度过冲的情况。而当侦测温度到达阶段III时，即侦测温度大于第二温度T2且接近于额定温度Tn时，PID控制器17设定控制参数为数值相比较于第一参数组合小的第二参数组合，以降低风扇转速的变化率，进而减少风扇转速的震荡(Oscillation)现象。
通过上述结构，本申请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比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative，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，也可避免在进入稳态响应区域前环境温度或元件温度过冲的情况，以及降低在稳态响应区间中，风扇转速的震荡现象。
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 (10)

1.一种温度控制装置，该温度控制装置适用于服务器领域，其特征在于，包括：
一风扇，用以驱动气流而控制一受控区的温度；
一温度感测器，取得一侦测温度，其中该温度感测器用于设置于该受控区，而该侦测温度用于表示该受控区的该温度；
一建模运算单元，依据一转移函数计算得到至少一降温参数组合；以及
一比例积分微分控制器，连接于该风扇、该温度感测器及该建模运算单元，该比例积分微分控制器在该侦测温度小于一第一温度时，依据一初始参数组合控制该风扇，且在该侦测温度大于或等于该第一温度时，该比例积分微分控制器依据该至少一降温参数组合控制该风扇；
其中该初始参数组合包括多个初始参数，且所述多个初始参数皆等于一预设数值。
2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，用于控制一环境温度或一元件温度于一额定温度以下，该温度感测器依据该环境温度或该元件温度取得该侦测温度，且该第一温度小于该额定温度。
3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该预设数值为零。
4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该建模运算单元计算得到的该至少一降温参数组合为一第一参数组合，且在该侦测温度大于或等于该第一温度时，该比例积分微分控制器依据该第一参数组合控制该风扇。
5.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于，该建模运算单元计算得到的该至少一降温参数组合为一第一参数组合及一第二参数组合，该建模运算单元依据该第一参数组合与一预设比例计算得到该第二参数组合，在该侦测温度大于或等于该第一温度但小于一第二温度时，该比例积分微分控制器依据该第一参数组合控制该风扇，该侦测温度大于或等于该第二温度时，该比例积分微分控制器依据该第二参数组合控制该风扇，其中该第二温度大于该第一温度。
6.一种控制方法，其特征在于，适用于包括一比例积分微分控制器及一风扇的一温度控制装置，该温度控制装置适用于服务器领域，该温度控制装置用以控制一受控区的温度，且该控制方法包括：
依据一转移函数计算得到至少一降温参数组合；
取得一侦测温度，其中该侦测温度用于表示该受控区的该温度；
当该侦测温度小于一第一温度时，设定该比例积分微分控制器的多个控制参数为一初始参数组合以控制该风扇的转速，其中该初始参数组合包括与所述多个控制参数的数量相同的多个初始参数，且所述多个初始参数皆等于一预设数值；以及
当该侦测温度大于或等于该第一温度时，依据该至少一降温参数组合设定该比例积分微分控制器的所述多个控制参数以控制该风扇的该转速。
7.根据权利要求6所述的控制方法，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，该侦测温度与该环境温度或该元件温度相关，且该第一温度小于该额定温度。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该预设数值为零。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该至少一降温参数组合为一第一参数组合，且当该侦测温度大于或等于该第一温度时，依据该至少一降温参数组合设定该比例积分微分控制器的所述多个控制参数以控制该风扇的该转速包括：
设定该比例积分微分控制器的多个控制参数为该第一参数组合。
10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，依据一转移函数计算得到至少一降温参数组合包括：
依据一转移函数计算得到一第一参数组合；以及
依据该第一参数组合与一预设比例计算得到一第二参数组合；
且当该侦测温度大于或等于该第一温度时，依据该至少一降温参数组合设定该比例积分微分控制器的所述多个控制参数以控制该风扇的该转速包括：
当该侦测温度小于一第二温度时，以该第一参数组合设定该比例积分微分控制器以控制该风扇的该转速；以及
当该侦测温度大于或等于该第二温度时，以该第二参数组合设定该比例积分微分控制器以控制该风扇的该转速；
其中该第二温度大于该第一温度。
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