CN112068691B - 一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统 - Google Patents

一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统，本发明通过引入功率算法，当服务器在恒定压力下运行时，采用增量式PID控制算法进行风扇转速的计算，而当在服务器突然加压时，利用功率的变化量计算得到风扇转速增量，并与PID控制算法计算得到的风扇转速增量进行相加求和，将风扇转速的总增量输出，从而实现避免风扇依靠PID调控导致的滞后启动，避免温度过冲带来的服务器安全隐患，有效降低风扇最高转速，实现系统的节能降噪。

Description

一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统
技术领域
本发明涉及服务器散热技术领域，特别是一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统。
背景技术
现有服务器产品调控策略大都采用温度PID的调控方法，PID调控方法属于非常节能的一种调控方式，较为有效的控制风扇转速，实现风扇功耗的节省，在数据中心机房也得到了非常好的应用。该方法是控制芯片温度接近芯片Tjmax温度时，才允许风扇逐步的增加转速，最终将芯片温度稳定在Tsp，两者关系为Tsp＝Tjmax-10。
但是，PID控制算法最大的问题在于Tsp通常与Tjmax只有10C的余量，当芯片功耗增加非常迅速时，风扇无法及时提升转速，导致芯片温度过冲到或超过Tjmax，从而导致系统温度高温报警，甚至影响芯片的性能发挥。
业界通常的做法，只能是将Tsp降低，例如Tjmax-15或更低，这样虽然可以避免温度过冲，但节能效果就会非常差，不利于机房应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统，旨在解决现有技术中传统依靠PID调控导致在突然加压时风扇无法及时提升转速的问题，实现服务器的节能降噪。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种引入功率算法的风扇转速调控方法，所述方法包括以下操作：
每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
优选地，所述功率变化量引起的风扇转速增量的计算公式如下：
ΔSp＝K1*(P1-P2)+K2*(P1-2*P2+P3)
式中，P1为当前芯片功率，P2为前一次芯片功率，P3为上上次的芯片功率，K1、K2为功率算子。
优选地，所述PID控制得到风扇转速增量的计算公式如下：
ΔSd＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
式中，Kp、KI、KD分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。
优选地，所述时间间隔为自定义设置。
本发明还提供了一种引入功率算法的风扇转速调控系统，所述系统包括：
芯片功率记录模块，用于每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
加压转速计算模块，用于若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
非加压转速计算模块，用于若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
优选地，所述功率变化量引起的风扇转速增量的计算公式如下：
ΔSp＝K1*(P1-P2)+K2*(P1-2*P2+P3)
式中，P1为当前芯片功率，P2为前一次芯片功率，P3为上上次的芯片功率，K1、K2为功率算子。
优选地，所述PID控制得到风扇转速增量的计算公式如下：
ΔSd＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
式中，Kp、KI、KD分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。
优选地，所述时间间隔为自定义设置。
本发明还提供了一种引入功率算法的风扇转速调控设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
本发明还提供了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过引入功率算法，当服务器在恒定压力下运行时，采用增量式PID控制算法进行风扇转速的计算，而当在服务器突然加压时，利用功率的变化量计算得到风扇转速增量，并与PID控制算法计算得到的风扇转速增量进行相加求和，将风扇转速的总增量输出，从而实现避免风扇依靠PID调控导致的滞后启动，避免温度过冲带来的服务器安全隐患，有效降低风扇最高转速，实现系统的节能降噪。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种引入功率算法的风扇转速调控方法流程图；
图2为本发明实施例中所提供的未引入功率算法的芯片温度以及风扇转速曲线示意图；
图3为本发明实施例中所提供的引入功率算法后的芯片温度以及风扇转速曲线示意图；
图4为本发明实施例中所提供的一种引入功率算法的风扇转速调控系统框图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种引入功率算法的风扇转速调控方法及系统进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种引入功率算法的风扇转速调控方法，所述方法包括以下操作：
每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
本发明通过引入功率因子，使得风扇随温度升高同步启动，避免风扇依靠PID调控的滞后启动，避免温度过冲所带来的服务器安全隐患。
当服务器系统处于恒定压力运行时，由于芯片功耗基本上没有变化，功率算法不会影响PID算法，此时风扇采用PID调控算法进行风扇转速的调控。
PID调控算法能够对服务器风扇的转速实现更加精确的控制，使其在电源电压波动或者有负载变化不大的情况下，保持风扇转速不变，通过设定的调节温度计算出风扇的电机转速，送入PID控制器进行运算，得到使误差最快减为零的PWM占空比，采用定时器中断产生相应的PWM脉冲实现对风扇电机转速的控制，达到电机转速与给定转速误差为0的目的。
在本发明实施例中采用增量式PID控制算法，其PID控制器的公式为：
ΔSd＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
式中，Kp、KI、KD分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。其中比例项可以使得转速误差迅速做出反应，积分项可以使风扇电机转速达到设定转速，消除风扇转速的静差，微分项根据误差率预测下个周期的输出情况，可提高系统动态响应的速度。
当服务器系统从低压力状态，突然加压运行时，由于芯片功耗会瞬间变化，功率算法在短时间内主导调速，并拉升风扇转速，使得系统安全运转。在服务器运行过程中每隔固定时间采集一次芯片功率，为精确计算结果，间隔时间可设置为0.1s，若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，将计入功率引起的转速变化：
ΔSp＝K1*(P1-P2)+K2*(P1-2*P2+P3)
式中，P1为当前芯片功率，P2为前一次芯片功率，P3为上上次的芯片功率，K1、K2为功率算子，根据经验来定。
计算风扇转速总增量：
ΔS＝ΔSp+ΔSd
式中，ΔSp为功率引起的转速增量，ΔSd为PID控制器的转速增量。
由此，当芯片突然加压运行，由于加入功率算法引入的转速增量，风扇转速得以最快拉升，避免芯片过热。
当服务器系统从高压力状态，突然或逐步卸载压力运行时，PID算法可以顺利主导系统散热，不会存在散热风险，功率算法不生效，此时服务器系统仍然可以安全运转。即若当前芯片功率小于前一次芯片功率时，此时风扇采用PID调控算法进行风扇转速的调控，也即前文所述的增量式PID控制算法，在此不做赘述。
如图2、3，引入功率算法后的芯片温度以及风扇转速曲线图相比没有引入功率算法的芯片温度以及风扇转速曲线，芯片的最高温度以及风扇的最高转速均降低，从而实现服务器节能降噪。
本发明实施例通过引入功率算法，当服务器在恒定压力下运行时，采用增量式PID控制算法进行风扇转速的计算，而当在服务器突然加压时，利用功率的变化量计算得到风扇转速增量，并与PID控制算法计算得到的风扇转速增量进行相加求和，将风扇转速的总增量输出，从而实现避免风扇依靠PID调控导致的滞后启动，避免温度过冲带来的服务器安全隐患，有效降低风扇最高转速，实现系统的节能降噪。
如图4所示，本发明实施例还公开了引入功率算法的风扇转速调控系统，所述系统包括：
芯片功率记录模块，用于每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
加压转速计算模块，用于若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
非加压转速计算模块，用于若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
当服务器系统处于恒定压力运行时，由于芯片功耗基本上没有变化，功率算法不会影响PID算法，此时风扇采用PID调控算法进行风扇转速的调控。
PID调控算法能够对服务器风扇的转速实现更加精确的控制，使其在电源电压波动或者有负载变化不大的情况下，保持风扇转速不变，通过设定的调节温度计算出风扇的电机转速，送入PID控制器进行运算，得到使误差最快减为零的PWM占空比，采用定时器中断产生相应的PWM脉冲实现对风扇电机转速的控制，达到电机转速与给定转速误差为0的目的。
在本发明实施例中采用增量式PID控制算法，其PID控制器的公式为：
ΔSd＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
式中，Kp、KI、KD分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。其中比例项可以使得转速误差迅速做出反应，积分项可以使风扇电机转速达到设定转速，消除风扇转速的静差，微分项根据误差率预测下个周期的输出情况，可提高系统动态响应的速度。
当服务器系统从低压力状态，突然加压运行时，由于芯片功耗会瞬间变化，功率算法在短时间内主导调速，并拉升风扇转速，使得系统安全运转。在服务器运行过程中每隔固定时间采集一次芯片功率，为精确计算结果，间隔时间可设置为0.1s，若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，将计入功率引起的转速变化：
ΔSp＝K1*(P1-P2)+K2*(P1-2*P2+P3)
式中，P1为当前芯片功率，P2为前一次芯片功率，P3为上上次的芯片功率，K1、K2为功率算子，根据经验来定。
计算风扇转速总增量：
ΔS＝ΔSp+ΔSd
式中，ΔSp为功率引起的转速增量，ΔSd为PID控制器的转速增量。
由此，当芯片突然加压运行，由于加入功率算法引入的转速增量，风扇转速得以最快拉升，避免芯片过热。
当服务器系统从高压力状态，突然或逐步卸载压力运行时，PID算法可以顺利主导系统散热，不会存在散热风险，功率算法不生效，此时服务器系统仍然可以安全运转。即若当前芯片功率小于前一次芯片功率时，此时风扇采用PID调控算法进行风扇转速的调控，也即前文所述的增量式PID控制算法，在此不做赘述。
本发明实施例还公开了一种引入功率算法的风扇转速调控设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
本发明实施例还公开了一种可读存储介质，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种引入功率算法的风扇转速调控方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
所述功率变化量引起的风扇转速增量的计算公式如下：
Figure 876756DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 214196DEST_PATH_IMAGE002
为当前芯片功率，
Figure 421449DEST_PATH_IMAGE003
为前一次芯片功率，
Figure 22195DEST_PATH_IMAGE004
为上上次的芯片功率，
Figure 79012DEST_PATH_IMAGE005
为功率算子；
若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
2.根据权利要求1所述的一种引入功率算法的风扇转速调控方法，其特征在于，所述PID控制得到风扇转速增量的计算公式如下：
Figure 688985DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 452542DEST_PATH_IMAGE007
分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。
3.根据权利要求1所述的一种引入功率算法的风扇转速调控方法，其特征在于，所述时间间隔为自定义设置。
4.一种引入功率算法的风扇转速调控系统，其特征在于，所述系统包括：
芯片功率记录模块，用于每隔一定的时间间隔，记录芯片功率，判断当前功率是否大于前次芯片功率；
加压转速计算模块，用于若当前芯片功率大于前一次芯片功率时，分别计算功率变化量引起的风扇转速增量以及PID控制得到风扇转速增量，通过两者相加得到风扇转速总增量，输出风扇的转速；
所述功率变化量引起的风扇转速增量的计算公式如下：
Figure 53550DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 535347DEST_PATH_IMAGE002
为当前芯片功率，
Figure 683431DEST_PATH_IMAGE003
为前一次芯片功率，
Figure 363811DEST_PATH_IMAGE004
为上上次的芯片功率，
Figure 571939DEST_PATH_IMAGE005
为功率算子；
非加压转速计算模块，用于若当前芯片功率不大于前一次芯片功率时，计算PID控制得到风扇转速增量，输出风扇的转速。
5.根据权利要求4所述的一种引入功率算法的风扇转速调控系统，其特征在于，所述PID控制得到风扇转速增量的计算公式如下：
Figure 541032DEST_PATH_IMAGE006
式中，
Figure 791010DEST_PATH_IMAGE007
分别为PID控制器的比例项、积分项、微分项；e为转速误差。
6.根据权利要求4所述的一种引入功率算法的风扇转速调控系统，其特征在于，所述时间间隔为自定义设置。
7.一种引入功率算法的风扇转速调控设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序，以实现根据权利要求1-3任意一项所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
8.一种可读存储介质，其特征在于，用于保存计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1-3任意一项所述的引入功率算法的风扇转速调控方法。
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