TWI619887B

TWI619887B - 最佳化散熱風扇控制參數的方法及其系統

Info

Publication number: TWI619887B
Application number: TW105133159A
Authority: TW
Inventors: 李建明; 童凱煬; 林茂青
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-01
Also published as: TW201814167A

Abstract

最佳化散熱風扇控制參數的方法包含根據散熱風扇在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度設定散熱風扇之溫度操作點，根據溫度操作點控制散熱風扇的工作週期，取得散熱風扇在複數個第二連續時間區間內之溫度變化資料，根據溫度變化資料計算增益參數及頻率參數，根據散熱風扇之增益參數及頻率參數，計算散熱風扇之比例微分積分控制器的比例增益參數、積分時間參數及微分時間參數，其中該些第二連續時間區間在該些第一連續時間區間之後。

Description

最佳化散熱風扇控制參數的方法及其系統

本發明描述了一種最佳化散熱風扇控制參數的方法，尤指一種自動最佳化散熱風扇之比例微分積分控制器所用之控制參數的方法。

由於科技日新月異，各種電子設備已經進入了高性能和電路小型化的電子產品革命時代。電子設備性能的提高和尺寸的縮小將會導致功率消耗變大及熱能的增加。因此，從個人電腦至高端伺服器之系統冷卻以及熱能散逸管理已成為所有高性能電子系統的關鍵任務。大部分電子設備所使用的熱能散逸方式為採用強制對流方式來實現溫度管理。強制對流方式為通過轉移熱源內部及周圍的空氣來提高散熱效能，因此，許多散熱風扇及冷卻風扇的使用也成為一般電子設備排熱的主要手段。

一般的散熱風扇常常會使用比例積分微分控制器(Proportional-Integral-Derivative Controller)控制散熱風扇的運轉狀態。比例積分微分控制器的參數可以影響風扇響應與轉速變更請求的方式，亦可以針對上升時間、峰值超調量、穩態誤差和穩定性分析相關輸出響應。然而，目前散熱風扇的比例積分微分控制器的調校方式，僅能以工程人員透過試誤法進行調整，過程相當繁複而且費時。並且，以人工透過試誤法的方式調整參數並不會達到比例積分微分控制器的最佳化操作狀態。舉例而言，在比例積分微分控制器中，比例增益參數的最佳化有助於實現更快速的響應，但是異常高的數值會導致超調量過高和不穩定。積分時間參數的最佳化可使穩態誤差趨近於零，不過，高積分參數亦會導致超調量過高。微分時間參數的最佳化有助於降低超調量，然而，不適當的微分時間參數卻會放大誤差信號的雜訊(Noise)，因此可能會提高不穩定性。

因此，在散熱風扇之比例積分微分控制器所用之參數設定，若僅使用試誤法以手動方式調整，將無法達到散熱風扇運轉的最佳化，甚至會增加耗能以及散熱風扇在驅動時的不穩定性與抖動行為。

本發明一實施例提出一種最佳化散熱風扇控制參數的方法，包含根據散熱風扇在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度，設定散熱風扇之溫度操作點，根據溫度操作點控制散熱風扇的工作週期，取得散熱風扇在複數個第二連續時間區間內之溫度變化資料，根據溫度變化資料計算增益參數及頻率參數，根據散熱風扇之增益參數及頻率參數，計算散熱風扇之比例微分積分控制器的比例增益參數、積分時間參數及微分時間參數，其中該些第二連續時間區間在該些第一連續時間區間之後。

本發明另一實施例提出一種最佳化散熱風扇控制參數的系統，包含散熱風扇、溫度感測器以及處理元件。散熱風扇根據該些控制參數運轉，用以將電子元件散熱。溫度感測器耦接於電子元件，用以感測電子元件的溫度。處理元件耦接於散熱風扇及溫度感測器，用以產生該些控制參數以驅動散熱風扇。處理元件根據散熱風扇在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度，設定散熱風扇之溫度操作點，處理元件根據溫度操作點控制散熱風扇的工作週期，並取得散熱風扇在複數個第二連續時間區間內之溫度變化資料，且根據溫度變化資料計算增益參數及頻率參數，處理元件根據散熱風扇之增益參數及頻率參數，計算散熱風扇之比例微分積分控制器的比例增益參數、積分時間參數及微分時間參數，且該些第二連續時間區間係在該些第一連續時間區間之後。

第1圖係為最佳化散熱風扇控制參數的系統100之示意圖。在本實施例中，最佳化散熱風扇控制參數係為最佳化散熱風扇之比例微分積分控制器(Proportional-Integral-Derivative Controller，PID Controller)的控制參數。換句話說，系統100的目的為最佳化並自動產生散熱風扇之比例微分積分控制器的控制參數，例如產生比例增益(Propositional Gain)參數、積分時間(Integral Time)參數以及微分時間(Derivative Time)參數。因此，系統100可視為PID控制器之控制參數的產生器，避免了傳統使用手動誤試法產生不適合之PID控制器之參數。在第1圖中，系統100包含處理元件10、散熱風扇11以及溫度感測器12。散熱風扇11可為耦接於電子元件14上的散熱風扇，例如散熱風扇11可為耦接於伺服器之中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、記憶體(Dual In-line Memory Module，DIMM)或顯示卡(Graphic Card)等電子元件的風扇。溫度感測器12耦接於經由散熱風扇11散熱的電子元件14，用以感測電子元件14的溫度。處理元件10可為任何形式的處理元件，例如個人電腦、控制板/晶片、微處理器、可程式化邏輯單元等等。處理元件10耦接於散熱風扇11及溫度感測器12，用以產生PID控制器的控制參數。處理元件10中可包含儲存裝置10，用以儲存溫度感測器12所偵測的溫度變化資料。下文將說明系統100如何實施最佳化散熱風扇100之PID控制器的控制參數的方法。

第2圖係為最佳化散熱風扇100之PID控制器的控制參數的方法之流程圖。最佳化控制參數的方法可視為一種自動學習的演算法，包含步驟S201至步驟S203，如下： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 步驟S201： </td><td> 根據散熱風扇11在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度，設定散熱風扇11之溫度操作點ID； </td></tr><tr><td> 步驟S202： </td><td> 根據溫度操作點ID控制散熱風扇11的工作週期，並取得散熱風扇11在複數個第二連續時間區間內之溫度變化資料，且根據溫度變化資料計算增益參數K<sub>u</sub>及頻率參數P<sub>u</sub>； </td></tr><tr><td> 步驟S203： </td><td> 根據散熱風扇11之增益參數K<sub>u</sub>及頻率參數P<sub>u</sub>，計算散熱風扇11之比例微分積分控制器的比例增益參數K<sub>c</sub>、積分時間參數T<sub>i</sub>及微分時間參數T<sub>d</sub>。 </td></tr></TBODY></TABLE>

第2圖的各步驟會先進行概念性地說明，讓具有一般技藝的人員能夠快速地了解其操作概念。然而，於後文中，各步驟的詳細流程亦會被完整揭露。特此說明，由於散熱風扇11耦接於電子裝置14上，故熱能對流方式係為由電子裝置14透過散熱風扇11產生對流之模式。為了描述方便，下文所稱之散熱風扇11之溫度，實質上係為經由散熱風扇11散熱的電子元件14透過溫度感測器12所偵測之溫度。亦即，溫度感測器12所偵測之電子裝置14的溫度，由於熱能在同樣的對流路徑傳遞，因此其溫度約莫等同於散熱風扇11所導出之熱能溫度。在步驟S201中，散熱風扇11之複數個溫度會在複數個第一連續時間區間內被偵測。實施的方式可為溫度感測器12在一個預設週期內，每隔一段時間對溫度進行取樣，因此步驟S201中之該些溫度可視為在連續時間區間之取樣溫度。處理元件10會根據這些取樣溫度，透過演算法計算出散熱風扇11之溫度操作點ID。溫度操作點ID可視為散熱風扇11在穩定狀態時的對應溫度。在步驟S202中，處理元件10會根據溫度操作點ID控制散熱風扇11的工作週期，並取得散熱風扇11隨後在複數個第二連續時間區間內之溫度變化資料。在此定義，複數個第二連續時間區間為在複數個第一連續時間區間之後。換句話說，步驟S201可利用反饋機制(Relay Feedback)，在複數個第一連續時間區間內取得散熱風扇11的溫度操作點ID，隨後，依據步驟S202，利用溫度操作點ID控制散熱風扇11的工作週期(Duty Cycle)，並同時監測散熱風扇11的溫度變化。步驟S202的操作持續了複數個第二連續時間區間的時間長度後，處理元件10亦會判斷溫度變化資料已經達到充分統計(Sufficient Statistic)量，因此，可根據溫度變化資料計算增益參數K _u及頻率參數P _u。增益參數K _u及頻率參數P _u的定義將於後文詳述。在步驟S203中，處理元件10會根據散熱風扇11之增益參數K _u及頻率參數P _u，計算散熱風扇11之PID控制器的比例增益參數K _c、積分時間參數T _i及微分時間參數T _d。處理元件10可利用各種方式計算出PID控制器之三個參數，例如透過公式法計算出PID控制器之三個參數，此於後文亦會詳加描述。因此，在定義上，本發明之系統100用來自動偵測最佳化的PID控制器之三個參數包含了三個步驟，步驟S201可視為前置處理步驟(Preprocessing Step)，步驟S202可視為系統鑑別步驟(System Identification Step)，而步驟S203可視為PID控制參數計算步驟(PID Parameters Calculation Step)。

第3圖係為第2圖之方法中，前置處理步驟的流程圖。如上所述，前置處理步驟對應了步驟S201，而前置處理步驟中的細節步驟包含步驟S301至步驟S308，如下所示。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 步驟S301： </td><td> 取得N個第一連續時間區間對應之N個溫度T(1)，T(2)，…，T(N)； </td></tr><tr><td> 步驟S302： </td><td> 將N個溫度平均，以產生平均溫度M=<img wi="104" he="22" file="TWI619887B_D0001.tif" img-format="jpg"></img>，並將旗標i初始化為i=0； </td></tr><tr><td> 步驟S303： </td><td> 於N個第一連續時間區間後，取得第k個時間區間的溫度差△T(k)，其中△T(k)=M-T(k)； </td></tr><tr><td> 步驟S304： </td><td> 判斷△T(k)＜ ε是否成立? 若成立，執行步驟S305，若不成立，執行步驟S306； </td></tr><tr><td> 步驟S305： </td><td> 更新索引k=k+1，且更新旗標i=i+1，並執行步驟S307； </td></tr><tr><td> 步驟S306： </td><td> 更新索引k=k+1，且設置旗標i=0，並返回步驟S303； </td></tr><tr><td> 步驟S307： </td><td> 判斷i≧K是否成立? 若成立，執行步驟S308，若不成立，返回步驟S303； </td></tr><tr><td> 步驟S308： </td><td> 將K個溫度中之一個溫度ID設定為散熱風扇11之溫度操作點。 </td></tr></TBODY></TABLE>

各步驟描述於下，於步驟S301中，溫度感測器12會取得散熱風扇11在N個第一連續時間區間對應之N個溫度，舉例而言，溫度感測器12會偵測溫度T(1)，T(2)，…，T(N)。溫度T(1)，T(2)，…，T(N)即可視為溫度感測器12進行取樣的N個取樣溫度。在本發明中，N為任何使用者自訂之大於2的正整數。當N很大時，表示取樣點較多，系統的可靠度較佳，但是所花費的處理時間亦會較多。隨後，根據步驟S302，處理元件10會將N個溫度T(1)，T(2)，…，T(N)取平均值，例如處理元件10會依據線性平均法，計算出平均溫度M並符合M= 的公式。並且，處理元件10會將旗標i初始化為零(i=0)。特此說明，本發明的計算數量方式可透過任何種類的演算法或是計算機制實施，例如透過旗標(Flag)加總的方式計算數量，亦可透過計數器(Counter)的方式計算數量。然而為了描述簡化，實施例中均使用以旗標的方式計算數量。在N個第一連續時間區間之N個溫度被取樣，且取樣的平均溫度M也被計算出來後，依據步驟S303，溫度感測器12會繼續地偵測溫度，並取得第k個時間區間的溫度差△T(k)，其中k表示第k個時間區間的索引，且溫度差△T(k)符合的△T(k)=M-T(k)式子。舉例而言，在N個第一連續時間區間之後，溫度感測器12會取得T(k=1)的溫度(接下來的第一個時間區間的取樣溫度)，接著，處理元件10會利用△T(k=1)= M-T(k=1)的式子，計算接下來的第一個時間區間的溫度差△T(k=1)。同理，處理元件10可利用△T(k=2)= M-T(k=2)的式子，計算接下來的第二個時間區間的溫度差△T(k=2)。然而，為了一般性，於步驟S303中，第k個時間區間的溫度差使用△T(k)來表示。並且，由上述可知，溫度差△T(k)的物理意義為平均溫度M與瞬間溫度T(k)的差距。在步驟S304中，處理元件10會判斷△T(k)＜ ε是否成立? 若成立，執行步驟S305，若不成立，執行步驟S306，其中ε為使用者自訂或是系統內建的誤差值，例如0.01。步驟S304的目的為要判斷散熱風扇11之溫度是否達到穩定狀態，判斷的手段為觀察溫度差△T(k)的大小。若是溫度差△T(k)過大，超過了誤差值ε，意即 △T(k)＜ ε不成立，表示散熱風扇11之溫度還未達到穩定狀態。因此將會依據步驟S306，將旗標i設定在零的數值，並且將索引k加一，返回步驟S303繼續計算下一個時間區間的溫度差。反之，若是溫度差△T(k)在誤差範圍內，意即△T(k)＜ ε成立，表示散熱風扇11之溫度達到穩定狀態。因此將會依據步驟S305，將旗標i的數值加一(i=i+1)，並且將索引k加一，執行步驟S307。換言之，旗標i之數值的物理意義為散熱風扇11在連續的時間區間內達到穩定狀態的次數。因此，於步驟S307中，處理元件10會判斷i≧K是否成立? 若成立，執行步驟S308，若不成立，返回步驟S303。K為使用者自訂之大於2的正整數。換句話說，在連續時間區間內，當K個溫度差(例如△T(k=1)至△T(k=K))皆小於誤差值ε時，表示散熱風扇11之溫度連續達到K次的穩定狀態，此時，依據步驟S308，處理元件10會將K個溫度差對應之K個溫度之其中的一個溫度(或是K個平均溫度)ID設定為散熱風扇11之溫度操作點。為了描述方便，散熱風扇11之溫度操作點之代號，在後文中皆用ID表示。反之，當散熱風扇11之溫度尚未達到K次的穩定狀態，則返回步驟S303，繼續計算下一個時間區間的溫度差。

上述之前置處理步驟使用了反饋機制(Relay Feedback)的演算法，其概念在於，若連續時間之K個溫度差皆小於誤差值ε，則表示散熱風扇11的溫度趨近於穩定狀態，處理元件10即可決定溫度操作點ID。反之，若連續時間之K個溫度差只要有一個以上出現大於等於誤差值ε的情況，表示散熱風扇11的溫度並不穩定，因此溫度感測器12將會重新對溫度進行取樣，一直取樣至連續時間之K個溫度差皆小於誤差值ε為止。因此，透過步驟S301至步驟S308的流程，處理元件10最終可決定溫度操作點ID。

第4圖係為第2圖之方法中，系統鑑別步驟的流程圖。如上所述，系統鑑別步驟對應了步驟S202，而系統鑑別步驟中的細節步驟包含步驟S401至步驟S410，如下所示。 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 步驟S401： </td><td> 取得散熱風扇11之溫度操作點ID； </td></tr><tr><td> 步驟S402： </td><td> 將溫度操作點ID減去偏移量ω，以產生初始化溫度操作點TID，其中TID=ID-ω； </td></tr><tr><td> 步驟S403： </td><td> 設定散熱風扇11之高轉速工作週期F<sub>high</sub>及低轉速工作週期F<sub>low</sub>，其中F<sub>high</sub>= F+(α×F)且F<sub>low</sub>= F-(β×F)，並將旗標j初始化為j=0； </td></tr><tr><td> 步驟S404： </td><td> 取得散熱風扇11在第二連續時間區間之第p個時間區間的溫度T(p)； </td></tr><tr><td> 步驟S405： </td><td> 判斷T(p) ≦ TID是否成立? 若成立，執行步驟S406；若不成立，執行步驟S407； </td></tr><tr><td> 步驟S406： </td><td> 將散熱風扇11的工作週期設定在低轉速工作週期F<sub>low</sub>，並執行步驟S408； </td></tr><tr><td> 步驟S407： </td><td> 將散熱風扇11的工作週期設定在高轉速工作週期F<sub>high</sub>，並執行步驟S408； </td></tr><tr><td> 步驟S408： </td><td> 將溫度變化資料儲存於儲存裝置13，並更新旗標j=j+1； </td></tr><tr><td> 步驟S409： </td><td> 判斷j=Q是否成立? 若成立，執行步驟S410；若不成立，返回步驟S404； </td></tr><tr><td> 步驟S410： </td><td> 依據溫度變化資料，計算增益參數K<sub>u</sub>及頻率參數P<sub>u</sub>。 </td></tr></TBODY></TABLE>

各步驟描述於下，於步驟S401中，處理元件10取得散熱風扇11之溫度操作點ID，而取得溫度操作點ID的方法可用第3圖中之步驟S301至步驟S308完成。接著，於步驟S402中，處理元件10將溫度操作點ID減去偏移量ω，以產生初始化溫度操作點TID，其中TID=ID-ω。偏移量ω可為任何使用者自訂的參數，例如偏移量ω可設定為0.01。後文將詳述溫度操作點ID減去偏移量ω的作用。接下來，於步驟S403中，處理元件10將設定散熱風扇11之高轉速工作週期F _high及低轉速工作週期F _low，其中F _high= F+(α×F)且F _low= F-(β×F)，並將旗標j初始化為j=0。於此，F定義為散熱風扇11的初始化週期，高轉速工作週期F _high可定義為初始化週期F加上一個特定比率α的工作週期。舉例而言，散熱風扇11的初始化週期F可為50%的工作週期(Duty Cycle)，α可設定為10%，導致高轉速工作週期F _high可設定為50%+(10%×50%)=55%的數值。低轉速工作週期F _low可定義為初始化週期F減上一個特定比率β的工作週期。舉例而言，散熱風扇11的初始化週期F可為50%的工作週期(Duty Cycle)，β可設定為10%，導致低轉速工作週期F _low可設定為50%-(10%×50%)=45%的數值。於此，特定比率α與β可為使用者自訂的兩數值，可藉於3%至10%之間。接著，於步驟S404中，溫度感測器12會取得散熱風扇11在第二連續時間區間之第p個時間區間的溫度T(p)，其中p表示第p個時間區間的索引。舉例而言，溫度感測器12會取得散熱風扇11在第二連續時間區間之第1個時間區間的溫度T(p=1)，溫度感測器12會取得散熱風扇11在第二連續時間區間之第2個時間區間的溫度T(p=2)，依此類推。然而，為了一般性，於步驟S404中，第p個時間區間的溫度使用T(p)來表示。接著，依據步驟S405，處理元件10會判斷T(p) ≦ TID是否成立? 若成立，執行步驟S406；若不成立，執行步驟S407。換句話說，初始化溫度操作點TID於此視為一個門檻值(Threshold)，若溫度感測器12所偵測到的溫度T(p)過高，使T(p) ≦ TID不成立，則表示散熱風扇11的散熱能力不足，需要加強散熱風扇11的散熱能力，因此，會依據步驟S407，將散熱風扇11的工作週期設定在高轉速工作週期F _high。反之，溫度感測器12所偵測到的溫度T(p)正常，符合T(p) ≦ TID的條件，則表示散熱風扇11的散熱能力充足，可以降低散熱風扇11的散熱能力以節省能源消耗，因此，會依據步驟S406，將散熱風扇11的工作週期設定在低轉速工作週期F _low。無論散熱風扇被設定在高轉速工作週期F _high或是低轉速工作週期F _low，溫度感測器12都會依據步驟S408，連續地偵測散熱風扇11的溫度變化，並將溫度變化資料儲存於儲存裝置13，同時將旗標j加一(j=j+1)。接著，依據步驟S409，處理元件10會判斷j=Q是否成立? 若成立，執行步驟S410；若不成立，返回步驟S404。Q可為使用者自訂或是系統內建的數值。特此說明，由於本發明之系統鑑別步驟需要一定數量的溫度統計資料才可進行分析，因此旗標j的數值可視為溫度感測器12所取樣的次數，當旗標j足夠大(例如j=Q成立)，表示溫度變化資料的取樣點已經達到充分統計(Sufficient Statistic)量，因此處理元件10可透過步驟S410，根據溫度變化資料計算增益參數K _u及頻率參數P _u。反之，若溫度變化資料的取樣點尚未達到充分統計量(j=Q不成立，原因為j＜Q)，則返回步驟S404，溫度感測器12繼續對散熱風扇11的溫度進行偵測並取樣，這個動作會持續到溫度變化資料的取樣點達到充分統計量為止。

為了描述更為明瞭，以下將以實際的例子描述系統鑑別步驟的流程。第5A圖為溫度變化曲線C1與散熱風扇11之工作週期的示意圖。如前述提及，在系統鑑別步驟之前的前置處理步驟中，處理元件10最後會將出風扇系統11之穩定溫度的數值設定為溫度操作點ID。因此，若直接以溫度操作點ID當作判斷工作週期增加或減少的門檻值(Threshold)，則會因為溫度為穩定狀態而風扇系統11不會有任何改變工作週期的動作(亦即，即時溫度約莫等於溫度操作點ID的情況)。因此，為了測試風扇系統11在不同工作週期的溫度變化情況，會依據步驟S402，將溫度操作點ID減去偏移量ω，使溫度操作點ID的對應水平線L1變更為初始化溫度操作點TID的對應水平線L2。因此，由於初始化溫度操作點TID在穩定溫度之操作點ID之下，且初始化溫度操作點TID於步驟S405被設定為控制散熱風扇11之高轉速工作週期F _high及低轉速工作週期F _low的門檻值，故散熱風扇11在T1的時間內，工作週期經過微小的延遲(Delay)後，處理元件10將立刻判斷初始化溫度操作點TID比實際的溫度變化曲線(一開始為穩定的溫度ID)C1要低，使T(p) ≦ TID不成立，因此根據步驟S407，散熱風扇11的工作週期將於T1時間內被設定在高轉速工作週期F _high。由於散熱風扇11的工作週期於T1時間內被設定在高轉速工作週期F _high，散熱風扇11的散熱能力被加強，因此導致溫度下降。當溫度下降到低於初始化溫度操作點TID時，滿足了步驟S405的T(p) ≦ TID式子，因此根據步驟S406，散熱風扇11的工作週期將於T2時間內被設定在低轉速工作週期F _low。由於散熱風扇11的工作週期於T2時間內被設定在低轉速工作週期F _low，散熱風扇11的散熱能力被弱化，因此導致溫度上升。當溫度上升到到高於初始化溫度操作點TID時，使T(p) ≦ TID不成立，因此根據步驟S407，散熱風扇11的工作週期將在T3時間內被設定在高轉速工作週期F _high。依此類推，散熱風扇11的工作週期以時間軸(X軸)觀之可為類似脈波調變信號C2(Pulse Width Modulation)的波形。而散熱風扇11之溫度變化曲線C1在穩定狀態趨近於正弦波函數(Sinusoidal Function)的波形。

第5B圖係為溫度變化曲線C1的振幅計算之示意圖。此圖輔助說明了上述步驟S410，依據溫度變化資料，計算增益參數K _u及頻率參數P _u的方法。由於散熱風扇11之溫度變化曲線C1在穩定狀態趨近於正弦波函數。因此在步驟S410中，頻率參數P _u的定義即為正弦波函數的頻率，單位可為赫茲。而增益參數K _u會滿足以下公式： K _u=(4×h)/(π×a)

其中h為高轉速工作週期F _high及低轉速工作週期F _low與初始化週期F之差距。舉例而言，在上述實施例中，初始化週期F可被設定為50%的數值，高轉速工作週期F _high可被設定為50%+(10%×50%)=55%的數值，低轉速工作週期F _low可被設定為50%-(10%×50%)=45%的數值。因此，數值h即為5%的預定常數。π為圓周率，可用3.1415926逼近。a為正弦波函數的平均振幅。請參閱第5B圖，由於溫度變化曲線C1在穩定狀態趨近於正弦波函數，因此正弦波函數的每一個振幅亦可被計算出來，舉例而言，若取樣次數被設定為100(例如數值Q被設定為100)，由溫度變化資料內可觀察到8至10個正弦波，因此每一個正弦波對應的振幅亦可被計算出來。例如在第5B圖中，振幅d ₁至d ₅的數值可分別被計算出來。特此說明，由於取樣誤差，振幅d ₁至d ₅的數值未必會完全相同，因此為了將取樣標準差(Sample Variance)最小化，處理元件10可將振幅d ₁至d ₅做平均，意即滿足。因此，當數值h以及數值a被計算出來後，帶入增益參數K _u的公式即可得到增益參數K _u。

接下來，系統100要執行如前述第2圖中步驟S203的PID控制參數計算步驟。散熱風扇11之PID控制器包含了三個控制參數，分別為比例增益參數K _c、積分時間參數T _i以及微分時間參數T _d。三個控制參數的計算方式可依據公式法推導，如下： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> K<sub>c</sub>= K<sub>u</sub>/2.2 </td></tr><tr><td> </td><td> T<sub>i</sub>= P<sub>u</sub>/0.45 </td></tr><tr><td> </td><td> T<sub>d</sub>= P<sub>u</sub>/6.3 </td></tr></TBODY></TABLE>

而K _u與P _u的定義如同前文的定義，K _u係為增益參數而P _u係為頻率參數。因此，系統100透過了前置處理步驟、系統鑑別步驟以及PID控制參數計算步驟之後，最終可以得出PID控制器之三個最佳化的控制參數。

綜上所述，本發明描述了一種最佳化散熱風扇控制參數的方法及其系統，具有自動調整、學習並搜尋出最佳化之PID控制參數的功能。並且，由於本發明之最佳化散熱風扇控制參數所用的演算法中，使用了溫度取樣之統計數據，並設定其統計量為充分統計(Sufficient Statistic)狀態時才會進行下一步的計算，因此最終計算出來的PID控制參數具有非常高的可靠度。相較於傳統PID控制參數需要利用手動的試誤法慢慢調整，本發明搜尋出最佳化之PID控制參數的方法具有更高的可靠度以及便利性。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧系統

10‧‧‧處理元件

11‧‧‧散熱風扇

12‧‧‧溫度感測器

13‧‧‧儲存裝置

14‧‧‧電子元件

S201至S203‧‧‧步驟

S301至S308‧‧‧步驟

S401至S410‧‧‧步驟

ID‧‧‧溫度操作點

TID‧‧‧初始化溫度操作點

T(p)‧‧‧溫度

L1及L2‧‧‧線段

ω‧‧‧偏移量

F_high‧‧‧高轉速工作週期

F_low‧‧‧低轉速工作週期

F‧‧‧初始化工作週期

T1至T4‧‧‧時間

C1及C2‧‧‧波形

d₁至d₅‧‧‧振幅

第1圖係為本發明之最佳化散熱風扇控制參數的系統之示意圖。第2圖係為本發明之最佳化散熱風扇控制參數的方法之流程圖。第3圖係為第2圖之方法中，前置處理步驟的流程圖。第4圖係為第2圖之方法中，系統鑑別步驟的流程圖。第5A圖係為溫度變化曲線與散熱風扇之工作週期的示意圖。第5B圖係為溫度變化曲線的振幅計算之示意圖。

Claims

一種最佳化散熱風扇控制參數的方法，包含：根據一散熱風扇在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度，設定該散熱風扇之一溫度操作點，將該溫度操作點減去一偏移量，以產生一初始化溫度操作點；設定該散熱風扇之一高轉速工作週期(High Duty Cycle)及一低轉速工作週期(Low Duty Cycle)；取得該散熱風扇在該些第二連續時間區間之每一時間區間之一溫度；若該溫度小於等於該初始化溫度操作點，將該散熱風扇的該工作週期設定在該低轉速工作週期，並將該溫度變化資料儲存於一儲存裝置中；若該溫度大於該初始化溫度操作點，將該散熱風扇的該工作週期設定在該高轉速工作週期，並將該溫度的變化資料儲存於該儲存裝置中，依據該散熱風扇在該些第二連續時間區間的該溫度變化資料，計算該增益參數及該頻率參數；及根據該散熱風扇之該增益參數及該頻率參數，計算該散熱風扇之一比例微分積分控制器(Proportional-Integral-Derivative Controller)的一比例增益參數、一積分時間參數及一微分時間參數；其中該些第二連續時間區間係在該些第一連續時間區間之後。
如請求項1所述之方法，其中根據該散熱風扇在該些第一連續時間區間對應之該些溫度，設定該散熱風扇之該溫度操作點包含：取得該散熱風扇在N個第一連續時間區間對應之N個溫度，並將該N個溫度平均以產生一平均溫度；取得該散熱風扇在該N個第一連續時間區間之後的K個第一連續時間區間對應的K個溫度差，其中該K個溫度差中之一第k個時間區間的溫度差係為該平均溫度減掉一第k個時間區間的溫度，且N及K係為一大於2的正整數；及若該K個溫度差皆小於一誤差值，將該K個溫度中之一溫度設定為該散熱風扇之該溫度操作點。
如請求項1所述之方法，其中根據該散熱風扇在該些第一連續時間區間對應之該些溫度，設定該散熱風扇之該溫度操作點包含：取得該散熱風扇在N個第一連續時間區間對應之N個溫度，並將該N個溫度平均以產生一平均溫度；取得該散熱風扇在該N個第一連續時間區間之後的K個第一連續時間區間對應的K個溫度差，其中該K個溫度差中之一第k個時間區間的溫度差係為該平均溫度減掉一第k個時間區間的溫度，且N及K係為一大於2的正整數；若該K個溫度差中至少一個溫度差大於等於一誤差值，將該散熱風扇的溫度重新取樣；及若重新取樣後的K個第一連續時間區間之K個溫度差皆小於該誤差值，將該K個溫度中之一溫度設定為該散熱風扇之該溫度操作點。
如請求項1所述之方法，其中該高轉速工作週期係為F+(α×F)，α係為0.03至0.1之間的一數值，且F係為一初始化工作週期。
如請求項1所述之方法，其中該低轉速工作週期係為F-(β×F)，β係為0.03至0.1之間的一數值，且F係為一初始化工作週期。
如請求項1所述之方法，其中該溫度變化資料內之一溫度變化曲線趨近於一正弦波函數(Sinusoidal Function)，及該頻率參數係為該正弦波函數的一頻率。
如請求項6所述之方法，其中該增益參數係為(4×h)/(π×a)，h係為一預定常數，且a係為該正弦波函數的一平均振幅。
如請求項1所述之方法，其中該散熱風扇之該比例微分積分控制器的該比例增益參數係為K_u/2.2、該積分時間參數係為P_u/0.45及該微分時間參數係為P_u/6.3，K_u係為該增益參數且P_u係為該頻率參數。
一種最佳化散熱風扇控制參數的系統，包含：一散熱風扇，根據複數個控制參數運轉，用以將一電子元件散熱；一溫度感測器，耦接於該電子元件，用以感測該電子元件的一溫度；及一處理元件，耦接於該散熱風扇及該溫度感測器，用以產生該些控制參數以驅動該散熱風扇；其中該處理元件根據該散熱風扇在複數個第一連續時間區間對應之複數個溫度，設定該散熱風扇之一溫度操作點，將該溫度操作點減去一偏移量，以產生一初始化溫度操作點，設定該散熱風扇之一高轉速工作週期(High Duty Cycle)及一低轉速工作週期(Low Duty Cycle)，取得該散熱風扇在該些第二連續時間區間之每一時間區間之一溫度，若該溫度小於等於該初始化溫度操作點，將該散熱風扇的該工作週期設定在該低轉速工作週期，並將該溫度變化資料儲存於一儲存裝置中，若該溫度大於該初始化溫度操作點，將該散熱風扇的該工作週期設定在該高轉速工作週期，並將該溫度的變化資料儲存於該儲存裝置中，依據該散熱風扇在該些第二連續時間區間的該溫度變化資料，計算該增益參數及該頻率參數，該處理元件根據該散熱風扇之該增益參數及該頻率參數，計算該散熱風扇之一比例微分積分控制器(Proportional-Integral-Derivative Controller)的一比例增益參數、一積分時間參數及一微分時間參數，且該些第二連續時間區間係在該些第一連續時間區間之後。