温度控制装置及其方法与流程

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(trialanderror)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，固定控制参数亦易造成在稳态响应区间中风扇转速的震荡(oscillation)现象。

因此，以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。

技术实现要素：

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、参数调整单元及比例积分微分(proportional-integral-derivative，pid)控制器。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值且设置于受控区，而侦测温度值用于表示受控区的温度。参数调整单元依据侦测温度值、外在环境温度值及目标温度值计算出温度误差值，并依据温度误差值及调变方程式计算出降温参数组合。pid控制器在温度误差值大于判断阈值时，依据初始参数组合控制风扇，并在该温度误差值等于或小于该判断阈值时，依据降温参数组合控制风扇。其中初始参数组合包括多个皆等于预设数值的初始参数。

依据本发明一实施例的温度控制方法，适用于包括pid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。所述转速控制方法包括：取得侦测温度值，其中侦测温度值用于表示受控区的温度；依据侦测温度值、外在环境温度值及目标温度值计算得到温度误差值；依据温度误差值及调变方程式计算得到降温参数组合；当温度误差值大于判断阈值时，设定pid控制器的多个控制参数为初始参数组合以控制该风扇，其中初始参数组合包括与控制参数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；以及当温度误差值等于或小于判断阈值时，依据降温参数组合设定pid控制器的控制参数以控制风扇。

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，在受控区初启动时以初始参数组合控制风扇，并在温度误差值等于或小于判断阈值时，依据温度误差值及调变方程式动态地调整pid控制器的控制参数，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。此外，通过温度控制装置自动运算取得pid控制参数的控制方式，不仅可以达到优化控制，还降低由操作人员执行参数调校的人力成本。

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温度控制方法的流程图。

图3a为根据本发明一实施例及现有技术所绘示的温度控制方法的时间-风扇占空比图。

图3b为根据本发明一实施例及现有技术所绘示的温度控制方法的时间-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

15参数调整单元

17比例积分微分控制器

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。

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包括风扇11、温度感测器13、参数调整单元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以及参数调整单元15。

风扇11用以驱动气流而控制受控区的温度。详细来说，温度控制装置1的风扇11会受控以控制受控区的温度趋近于目标温度值，其中受控区可以是一空间或是一电子元件，而目标温度值可以指示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。

温度感测器13例如是热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(resistancetemperaturedetector，rtd)或是集成电路(integratedcircuit，ic)温度感测器。温度感测器13用以取得侦测温度值并设置于受控区，其中侦测温度值可用于表示受控区的温度，也就是说，侦测温度值可以表示一空间的温度或是特定电子元件的温度。

参数调整单元15例如是芯片或是微控制器，依据侦测温度值、外在环境温度值及目标温度值计算得到温度误差值。其中侦测温度值是由温度感测器13所测得受控区的内在环境温度，而外在环境温度值例如是由设置于受控区之外的第二温度感测器所测得的温度值。举例来说，当受控区为一服务器时，侦测温度值表示服务器内部的环境温度，而外在环境温度值表示服务器的入风口的温度。于另一实施例中，外在环境温度值也可由使用者于参数调整单元15进行设定。而目标温度值如前所述，为指示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。目标温度值可以是参数调整单元15自受控区取得其电子元件特性据以设定，或是由使用者进行设定。参数调整单元15依据上述三个温度值进行计算以取得温度误差值，再依据温度误差值及调变方程式计算得到降温参数组合，其中关于温度误差值的计算方法以及调变方程式的详细内容将于后描述。

pid控制器17例如是进阶精简指令集机器(advancedriscmachine,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在温度误差值大于判断阈值时，会依据初始参数组合以控制风扇11，也就是说，当温度误差值大于判断阈值时，pid控制器17会将所述的控制参数设定为初始参数组合；而当温度误差值等于或小于判断阈值时，pid控制器17则会依据参数调整单元15所计算出的降温参数组合，以控制风扇11，即将控制参数设定为降温参数组合。

接下来将进一步地说明温度控制装置的温度控制方法及工作，请一并参考图1及图2，其中图2为根据本发明一实施例所绘示的温度控制方法的流程图。

于步骤s21～s22中，温度控制装置1的参数调整单元15自温度感测器13取得受控区的侦测温度值(即内在环境温度值)，并依据侦测温度值、外在环境温度值及目标温度值以计算得到温度误差值。详细来说，参数调整单元15将三个温度值进行正规化，将目标温度值与侦测温度值的差值及目标温度值与外在环境温度值的差值进行除法运算，以得到温度误差值，如下列公式所示：

其中en为温度误差值；r为目标温度值；y(t)为侦测温度值；tinlet为外在环境温度值。

接下来于步骤s23中，参数调整单元15依据温度误差值以及调变方程式计算得到降温参数组合，其中降温参数组合包括了多个降温参数分别对应于pid控制器17的控制参数，即比例参数、积分参数以及微分参数。于一实施例中，调变方程式指示温度误差值与第一参数值及第二参数值的差值相乘，再加上第二参数值以得到对应于比例参数、积分参数或微分参数的降温参数的数值，如下列方程式：

k＝(k1-k2)en+k2，其中k为降温参数的数值；k1为第一参数值；k2为第二参数值。

一般而言，pid控制参数利用泰瑞斯-勒本(tyreus-luyben)方法或是齐格勒-尼科尔斯(ziegler-nichols)方法来取得。其中tyreus-luyben方法是一种强健性系统的参数控制方法，其定义的温度系统如下列方程式表示：

其中kp、d及τ分别为系统增益值(systemgain)、时间延迟(timedelay)及时间常数(timeconstant)。此温度系统经系统鉴别(systemidentification)极限增益常数ku1及极限周期常数pu1后，可依据下列关系式分别取得比例参数p1、积分参数i1以及微分参数d1。

p1＝ku2/2.2

i1＝pu1/0.45

d1＝pu1/6.3

而ziegler-nichols方法则是一种稳定系统的参数控制方法，且定义温度系统以下列方程式表示：

其中参数符号同上述ziegler-nichols方法中的参数符号，于此不再赘述。同样地，此温度系统经系统鉴别极限增益常数ku2及极限周期常数pu2后，可依据下列关系式分别取得比例参数p2、积分参数i2以及微分参数d2。

p2＝ku2/1.7

i2＝pu2/2

d2＝pu2/8

比较上述两方法所取得的pid控制参数，tyreus-luyben方法所取得的pid控制参数在大部分的温度区间内皆可以达到稳定的控制，但其控制过程耗能；而ziegler-nichols方法所取得的pid控制参数仅可在小范围的线性区间，即平衡点(set-point)附近稳定地控制风扇11。

因此，于本发明的一实施例中，参数调整单元15可将tyreus-luyben方法所取得的pid控制参数的其中之一的数值作为第一参数值，并将ziegler-nichols方法所取得的pid控制参数的其中之一的数值作为第二参数值以计算出降温参数组合中的降温参数的数值。举例来说，参数调整单元15可以依据tyreus-luyben方法所取得的比例参数及ziegler-nichols方法所取得的比例参数计算得到降温参数组合中对应于比例参数的降温参数，而对应于积分参数及微分参数的降温参数亦同理可得。随着温度误差值的减少(即侦测温度值越来越接近目标温度值)，降温参数组合中的降温参数越接近ziegler-nichols方法所取得的pid控制参数。如此一来，参数调整单元15可以依据温度误差值适应性地调整降温参数，以达到稳定且低耗能的控制过程。

接下来，于步骤s24中，pid控制器17自参数调整单元15取得温度误差值，并判断温度误差值是否大于判断阈值，其中判断阈值可以是pid控制器17中的预设值或由使用者进行设定，例如为0.3。于步骤s25中，当温度误差值大于判断阈值时，pid控制器17设定其控制参数为初始参数组合，其中初始参数组合包括分别对应于比例参数、积分参数以及微分参数的多个初始参数，且这些初始参数皆等于一预设数值，例如为零或近似零的数值。如此一来，可以避免在受控区初启动时，风扇11的转速因巨大的温度差及控制参数的加乘而急剧攀升，导致过度冷却且耗费不必要的电力的情况。而当温度误差值大于判断阈值时，如步骤s26所示，pid控制器17便会依据前述参数调整单元15所计算出的降温参数组合来设定控制参数以控制风扇11。

比较上述实施例所述的温度控制方法以及现有的温度控制方法，请参考图3a及3b，其中图3a为根据本发明一实施例及现有技术所绘示的温度控制方法的时间-风扇占空比图，而图3b为根据本发明一实施例及现有技术所绘示的温度控制方法的时间-温度图。如图3a及3b所示，在受控区初启动的阶段，此时温度误差值相当大，以现有的温度控制方法控制风扇将使其占空比大幅上升。而本发明的实施例所提供的温度控制方法，在此阶段可以判断温度误差值大于判断阈值因而设定pid控制参数为零，降低过度的耗能，也避免风扇转速剧烈提升而导致受控区过度冷却的情况。此外，当温度误差值等于或小于判断阈值时，本发明的实施例所提供的温度控制方法便依据温度误差值以及调变方程式动态地调整pid控制参数，以减少风扇转速的震荡(oscillation)现象，平稳地进入稳态响应区域。

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，在受控区初启动时以初始参数组合控制风扇，并在温度误差值等于或小于判断阈值时，依据温度误差值及调变方程式动态地调整pid控制器的控制参数，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。此外，通过温度控制装置自动运算取得pid控制参数的控制方式，不仅可以达到优化控制，还降低由操作人员执行参数调校的人力成本。

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。