TW201925968A - 溫度控制裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

一種溫度控制方法，適用於伺服器，包括：溫度感測器取得偵測溫度。增益排程單元從多個參數排程中選擇一個參數排程，所述多個參數排程包括初始參數組合、第一參數組合及第二參數組合。在偵測溫度大於或等於初始溫度且小於第一溫度時時，增益排程單元選擇初始參數組合。在偵測溫度大於或等於第一溫度且小於第二溫度時，增益排程單元選擇第一參數組合。在偵測溫度大於或等於第二溫度時，增益排程單元選擇第二參數組合。其中第二溫度大於第一溫度且第一溫度大於初始溫度。比例積分微分控制器根據所選的參數組合調整風扇的轉速。

Description

溫度控制裝置及其方法

本發明係關於一種風扇控制方法，特別是一種具有比例積分微分參數排程的風扇轉速控制方法。

在伺服器的評比之中，最難以衡量的就是散熱項目。散熱能力強，伺服器才能發揮完整的效能，否則過熱元件將影響系統的可靠度，甚至讓伺服器無預警地當機。為了即時排除伺服器內部的廢熱，提高風扇轉速帶動伺服器內外的冷熱空氣交換是常見的散熱作法。然而傳統以感測溫度對應風扇轉速的方式，容易導致冷卻過度因而耗費額外電力。為了在伺服器即時散熱的前提下節省不必要的電力消耗，目前在風扇轉速控制方面已經導入回授控制技術。其中又以比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器最為常見。

PID控制器包括自定義的連續性方程式（continuity equation）與此方程式中對應於比例控制項、微分控制項及積分控制項的多個控制常數，透過調整控制常數可讓風扇控制系統達到最佳的控制效果。然而，目前的PID控制器通常僅以一組固定的參數組合配置PID方程式內的多個控制常數。單一組控制參數往往因為調試時的取捨與妥協，而無法同時滿足暫態響應區間(transient response)及穩態響應區間(steady-state response)的需求，例如同時滿足快速的暫態時間及高穩定性。此外，固定控制參數亦可能產生風扇轉速的震盪（Oscillation）現象。

有鑒於此，本發明提供一種具有多階PID參數配置的溫度控制裝置及其方法以解決上述問題。

依據本發明一實施例的一種溫度控制裝置，適用於伺服器，包括：風扇、溫度感測器、增益排程單元以及比例積分微分控制器。風扇用於驅動氣流而調整受控區的溫度；溫度感測器設置於受控區以取得受控區之偵測溫度；增益排程單元電性連接溫度感測器，增益排程單元根據偵測溫度從多個參數排程中選擇一參數排程，其中所述的多個參數排程包括初始參數組合及至少一降溫參數組合，所述的至少一降溫參數組合至少包括第一參數組合及第二參數組合；在偵測溫度大於或等於初始溫度且小於第一溫度時，增益排程單元選擇初始參數組合；在偵測溫度大於或等於第一溫度且小於第二溫度時，增益排程單元選擇第一參數組合；在偵測溫度大於或等於第二溫度時，增益排程單元選擇第二參數組合；其中第二溫度大於第一溫度且第一溫度大於初始溫度；比例積分微分控制器電性連接於風扇、溫度感測器及增益排程單元，比例積分微分控制器選擇性地根據初始參數組合或至少一降溫參數組合控制風扇。

依據本發明一實施例的一種溫度控制方法，適用於伺服器，包括：溫度感測器取得伺服器受控區的偵測溫度；增益排程單元根據偵測溫度從多個參數排程中選擇一參數排程，其中所述的多個參數排程包括初始參數組合及至少一降溫參數組合，所述的至少一降溫參數組合至少包括第一參數組合及第二參數組合；在偵測溫度大於或等於初始溫度且小於第一溫度時，增益排程單元選擇初始參數組合；在偵測溫度大於或等於第一溫度且小於第二溫度時，增益排程單元選擇第一參數組合；在偵測溫度大於或等於第二溫度時，增益排程單元選擇第二參數組合；其中第二溫度大於第一溫度且第一溫度大於初始溫度；比例積分微分控制器選擇性地根據初始參數組合或所述的至少一降溫參數組合計算並輸出風扇轉速訊號；以及風扇根據風扇轉速訊號調整轉速。

藉由上述結構，本案所揭示的溫度控制裝置及其控制方法，在不同溫度區間以不同參數組合來設定PID控制器的控制參數，可以避免在暫態響應區間內，風扇轉速因溫度差及控制參數的加乘而急遽攀升進而導致過度冷卻的情況，以及降低在穩態響應區間中風扇轉速的震盪現象。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

本發明提出一種適用於伺服器的溫度控制裝置。所述的溫度控制裝置用以控制一受控區的溫度趨近於額定溫度，其中受控區係一空間或是一電子元件，額定溫度係指受控區中的電子元件正常運作時的工作溫度。

請參考圖1，圖1係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制裝置的功能方塊圖。如圖1所示，溫度控制裝置1包含風扇10、溫度感測器30、增益排程單元50以及比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制器70（後文以PID控制器70代稱），其中增益排程單元50電性連接風扇10及PID控制器70， PID控制器70電性連接風扇10。

風扇10透過本身運作帶動氣流而降低受控區的溫度。溫度感測器30例如是熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（Resistance temperature detector，RTD）或是積體電路（Integrated circuit，IC）溫度感測器，本發明不限制溫度感測器30的種類或數量。溫度感測器30設置於受控區以取得受控區的偵測溫度，所述的偵測溫度例如是空間的溫度或是指定電子元件的溫度。

增益排程（Gain Scheduling）係指用一系列的線性控制器控制非線性系統，設法在不同的系統工作點提供適當的控制。增益排程選用一個或多個可觀測的變數（稱為排程變數）來判斷系統目前工作的條件，以及需要使用哪一個控制器。在本發明一實施例中，增益排程（Gain Scheduling）單元50例如係一微處理器（Microprocessor）或系統單晶片（System on Chip，SoC），排程變數則係溫度感測器30取得的感測溫度。總體而言，增益排程單元50根據感測溫度值從多個參數排程中選擇一個參數排程發送給PID控制器70。在另一實施例中，增益排程單元50預先設置一額定溫度的預設值，稱為設定點（set-point）。再將此設定點與偵測溫度值相減，得出一誤差值後取絕對值；增益排程單元50據此溫度誤差之絕對值作為參數排程的判斷條件。承上所述，本發明不特別限制排程變數的應用形式，但實務上通常採用偵測溫度配合額定溫度定義增益 排程單元50從多個參數排程中選擇某個參數排程的匹配條件。

前述的多個參數排程包括一初始參數組合及至少一降溫參數組合，降溫參數組合則至少包括第一參數組合及第二參數組合，故增益排程單元50具有至少三個參數組合，下表為本發明一實施例中，三個參數組合的範例。

請參考上表。每個參數組合皆包括三個PID常數：比例項常數K_c 、積分項常數T_i 以及微分項常數T_d 。必須特別強調的是：在初始參數組合當中，這些PID常數皆設置為0。另外，第一參數組合的每項常數設定值皆大於第二參數組合的每項設定值。由於降溫參數組合具有至少兩組參數組合，假設此表新增例如PV(k) ≥ 90的第三參數組合，則第三參數組合的所有常數設定值皆應小於第二參數組合中對應相同欄位的常數的設定值。換言之，愈接近偵測溫度PV(k)的參數組合，其中配置的PID常數設定值愈小。這是由於愈接近額定溫度時，需放緩調整的幅度，使得溫度不致於突然劇降，造成額外電力浪費。此外，關於表格中各項PID參數的具體數值設定方式，實務上可自行選定參數或擬定一參數配置公式，並且在伺服器的散熱系統啟動之前預先輸入至增益排程單元50之中。

請參考上表數值作為說明示例。當溫度感測器30取得的偵測溫度大於或等於初始溫度（例如：-109℃）但小於第一溫度（例如：76℃）時，增益排程單元50選擇初始參數組合輸出至PID控制器70。由表可知初始參數組合其各項PID常數值皆為0，其設置意義係「不需處理溫度變化的暫態狀態」。另需提及的是：由於初始溫度已設置為遠低於額定溫度之數值，且實務上伺服器運行時幾乎不可能低於所設置的初始溫度， 故偵測溫度小於初始溫度的情況不在本實施例之考慮範圍，相應的PID參數亦可皆視為0。請參考上表，在溫度感測器30取得的偵測溫度大於或等於第一溫度（76℃）但小於第二溫度（89℃）時，增益排程伺服器50選擇第一參數。上述相當於當第一參數的溫差小於15℃時，以PID參數（8，36，0.5）輸入PID控制器70以便開始執行散熱。此處需注意的是，在偵測溫度超過第一溫度之後，為了避免伺服器熱能在短時間內迅速累積導致超過設定點溫度，因此增益排程單元50直接配置最大化的PID參數以通知PID控制器70致動轉速最大化的風扇10立刻進行散熱。在溫度感測器30取得的偵測溫度大於或等於第二溫度（89℃）時，增益排程伺服器50選擇第二參數。這代表溫度控制即將進入穩態，故降低風扇10轉速，減低電力消耗。

實務上，PID控制器70例如是進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine, ARM）晶片，PID控制器70依據增益排程單元50所選擇的參數組合中的參數代入PID演算法的離散化演算式以計算出風扇10轉速並據以控制風扇10。所述的離散化演算式如下：

其中，r為額定溫度；PV(k)為偵測溫度；K_c 為比例項常數；T_i 為積分項常數；T_d 為微分項常數；U_p 為比例項風扇轉速計算輸出；U_I 為積分項風扇轉速計算輸出；U_D ：為微分項風扇轉速計算輸出；U_min 為最小風速輸出；U_max 為最大風速輸出；U_total 為總風速輸出；∆t為系統取樣時間。

請參考圖2，圖2係繪示本發明一實施例中的溫度控制方法，所述的溫度控制方法適用於一伺服器。如步驟S1所示，首先由溫度感測器30取得受控區的偵測溫度。請參考步驟S3，根據此偵測溫度，增益排程單元50從多個參數排程選擇其中之一者。請參考步驟S5，PID控制器70根據所選的參數排程計算得出風扇轉速訊號並且輸出此風扇轉速訊號。請參考步驟S7，風扇10根據風扇轉速訊號調整轉速以控制受控區的溫度。然後回到步驟S1，持續對受控區的溫度進行偵測以便即時根據偵測溫度修正參數排程，使得受控區的溫度得以進入穩態區間，使得溫度控制與電力消耗兩者得以取得較佳的平衡點。

綜合以上所述，本發明提出一種風扇控制的方法，特別是一種具有PID參數排程的控制風扇轉速的方法，藉此節省PID參數調校的時間與人力成本，同時滿足暫態及穩態的性能需求。PID參數可線上自動調校，並且在偵測溫度未達一排程中的預設溫度誤差數值時不調整當前風扇轉速控制量，藉此達到減少風扇耗電量之功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧溫度控制裝置

10‧‧‧風扇

30‧‧‧溫度感測器

50‧‧‧增益排程單元

70‧‧‧PID控制器

S1-S7‧‧‧步驟

圖1係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制裝置的功能方塊圖。 圖2 係依據本發明一實施例所繪示的風扇轉速控制方法的流程圖。

Claims (7)

1. 一種溫度控制裝置，適用於一伺服器，包括：一風扇，用於驅動氣流而調整一受控區的溫度；一溫度感測器，設置於該受控區以取得該受控區之一偵測溫度；一增益排程單元，電性連接該溫度感測器，該增益排程單元根據該偵測溫度從多個參數排程中選擇一參數排程，其中該些參數排程包括一初始參數組合及至少一降溫參數組合，該至少一降溫參數組合至少包括一第一參數組合及一第二參數組合；在該偵測溫度大於或等於一初始溫度且小於該第一溫度時，該增益排程單元選擇該初始參數組合；在該偵測溫度大於或等於該第一溫度且小於該第二溫度時，該增益排程單元選擇該第一參數組合；在該偵測溫度大於或等於該第二溫度時，該增益排程單元選擇該第二參數組合；其中該第二溫度大於該第一溫度且該第一溫度大於該初始溫度；以及一比例積分微分控制器，電性連接於該風扇及該增益排程單元，該比例積分微分控制器選擇性地根據該初始參數組合或該至少一降溫參數組合控制該風扇。
2. 如請求項1所述之溫度控制裝置，該溫度控制裝置用於控制一環境溫度或一元件溫度於一額定溫度以下，該溫度感測器依據該環境溫度或該元件溫度取得該偵測溫度，且該該額定溫度大於或等於該第二溫度。
3. 如請求項1所述之溫度控制裝置，其中該初始參數組合中具有多個初始參數，且該些初始參數之值均為0。
4. 如請求項1所述之溫度控制裝置，其中該第一參數組合及該第二參數組合中各自具有多個降溫參數，且該第一參數組合中的該些降溫參數各自大於所對應的該第二參數組合中的該些降溫參數。
5. 一種溫度控制方法，適用於一伺服器，包括：以一溫度感測器取得該伺服器的一受控區之一偵測溫度；以一增益排程單元根據該偵測溫度從多個參數排程中選擇一參數排程，其中該些參數排程包括一初始參數組合及至少一降溫參數組合，該至少一降溫參數組合至少包括一第一參數組合及一第二參數組合；在該偵測溫度大於或等於一初始溫度且小於該第一溫度時，該增益排程單元選擇該初始參數組合；在該偵測溫度大於或等於該第一溫度且小於該第二溫度時，該增益排程單元選擇該第一參數組合；在該偵測溫度大於或等於該第二溫度時，該增益排程單元選擇該第二參數組合；其中該第二溫度大於該第一溫度且該第一溫度大於該初始溫度；以一比例積分微分控制器選擇性地根據該初始參數組合或該至少一降溫參數組合計算並輸出一風扇轉速訊號；以及以一風扇根據該風扇轉速訊號調整轉速。
6. 如請求項5所述之溫度控制方法，其中該初始參數組合中具有多個初始參數，且該些初始參數之值均為0。
7. 如請求項5所述之溫度控制方法，其中該第一參數組合及該第二參數組合中各自具有多個降溫參數，且該第一參數組合中的該些降溫參數各自大於所對應的該第二參數組合中的該些降溫參數。