TW201925969A - 溫度控制裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

一種溫度控制裝置，包含風扇、溫度感測器、參數調整單元及比例積分微分控制器。風扇用以驅動氣流而控制受控區的溫度。溫度感測器用以取得偵測溫度值且設置於受控區，而偵測溫度值用於表示受控區的溫度。參數調整單元依據偵測溫度值、外在環境溫度值及目標溫度值計算出溫度誤差值，並依據溫度誤差值及調變方程式計算出降溫參數組合。比例積分微分控制器在溫度誤差值大於判斷閾值時，依據初始參數組合控制風扇，並在該溫度誤差值等於或小於該判斷閾值時，依據降溫參數組合控制風扇。其中初始參數組合包含多個皆等於預設數值的初始參數。

Description

溫度控制裝置及其方法

本發明係關於一種溫度控制裝置，特別係關於一種具有比例積分微分控制器的溫度控制裝置。

在伺服器領域中，傳統的溫度控制裝置由於溫度感測及風扇轉速調控的時間差，往往產生系統過度冷卻的狀況，同時導致風扇電力過度地耗費。為了降低電力的消耗，現今的溫度控制裝置導入回授控制技術，其中以比例積分微分（Proportional-integral-derivative，PID）控制最為常見。

PID控制風扇的效果優劣主要在於控制參數的設計，而目前的控制參數設計係透過重複性的設定、實驗驗證及調校，即透過試誤法（Trial and error）以得到參數組合，其缺點在於耗費人力及時間，且測試出的參數組合通常並非為最佳值。另外，現今的PID控制風扇僅以一組固定的參數組合來設定PID控制器內的控制參數。當控制參數設定數值較大時，在暫態響應區間（即溫度一開始上升的期間），風扇轉速會因偵測到突然的溫度差而急速攀升，造成過度冷卻的狀況；而當控制參數設定數值較小時，雖可減緩風扇轉速在暫態響應區間的反應，然而暫態響應的循跡效果不佳，難以迅速進入穩態響應區間，也因此在進入穩態響應區域前，容易有溫度過衝的情況。此外，固定控制參數亦易造成在穩態響應區間中風扇轉速的震盪（Oscillation）現象。

因此，以固定的參數組合來設定PID控制器內的控制參數並無法同時滿足暫態響應區間及穩態響應區間的需求。

鑒於上述，本發明提供一種溫度控制裝置及其控制方法以滿足上述需求。

依據本發明一實施例的溫度控制裝置，包含風扇、溫度感測器、參數調整單元及比例積分微分（Proportional-integral-derivative，PID）控制器。風扇用以驅動氣流而控制受控區的溫度。溫度感測器用以取得偵測溫度值且設置於受控區，而偵測溫度值用於表示受控區的溫度。參數調整單元依據偵測溫度值、外在環境溫度值及目標溫度值計算出溫度誤差值，並依據溫度誤差值及調變方程式計算出降溫參數組合。PID控制器在溫度誤差值大於判斷閾值時，依據初始參數組合控制風扇，並在該溫度誤差值等於或小於該判斷閾值時，依據降溫參數組合控制風扇。其中初始參數組合包含多個皆等於預設數值的初始參數。

依據本發明一實施例的溫度控制方法，適用於包含PID控制器及風扇的溫度控制裝置，其中溫度控制裝置係用以控制受控區的溫度。所述轉速控制方法包含：取得偵測溫度值，其中偵測溫度值係用於表示受控區的溫度；依據偵測溫度值、外在環境溫度值及目標溫度值計算得到溫度誤差值；依據溫度誤差值及調變方程式計算得到降溫參數組合；當溫度誤差值大於判斷閾值時，設定PID控制器的多個控制參數為初始參數組合以控制該風扇，其中初始參數組合包含與控制參數數量相同的多個初始參數，且所述初始參數皆等於一預設數值；以及當溫度誤差值等於或小於判斷閾值時，依據降溫參數組合設定PID控制器的控制參數以控制風扇。

藉由上述結構，本案所揭示的溫度控制裝置及其控制方法，在受控區初啟動時以初始參數組合控制風扇，並在溫度誤差值等於或小於判斷閾值時，依據溫度誤差值及調變方程式動態地調整PID控制器的控制參數，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，亦可避免在進入穩態響應區域前環境溫度過衝的情況，以及降低在穩態響應區間中，風扇轉速的震盪現象。此外，透過溫度控制裝置自動運算取得PID控制參數的控制方式，不僅可以達到最佳化控制，亦降低由操作人員執行參數調校的人力成本。

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。

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11、溫度感測器13、參數調整單元15以及比例積分微分（Proportional-integral-derivative，PID）控制器17，其中PID控制器17電性連接於風扇11、溫度感測器13以及參數調整單元15。

風扇11係用以驅動氣流而控制受控區的溫度。詳細來說，溫度控制裝置1的風扇11會受控以控制受控區的溫度趨近於目標溫度值，其中受控區可以係一空間或是一電子元件，而目標溫度值可以指示所述受控區中的電子元件或是作為受控區的電子元件具有最佳工作效率的工作溫度。

溫度感測器13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。溫度感測器13用以取得偵測溫度值並設置於受控區，其中偵測溫度值可用於表示受控區的溫度，意即，偵測溫度值可以表示一空間的溫度或是特定電子元件的溫度。

參數調整單元15例如是晶片或是微控制器，依據偵測溫度值、外在環境溫度值及目標溫度值計算得到溫度誤差值。其中偵測溫度值係由溫度感測器13所測得受控區的內在環境溫度，而外在環境溫度值例如係由設置於受控區之外的第二溫度感測器所測得的溫度值。舉例來說，當受控區係一伺服器時，偵測溫度值表示伺服器內部的環境溫度，而外在環境溫度值表示伺服器的入風口的溫度。於另一實施例中，外在環境溫度值亦可由使用者於參數調整單元15進行設定。而目標溫度值如前所述，係指示受控區中的電子元件或是作為受控區的電子元件具有最佳工作效率的工作溫度。目標溫度值可以係參數調整單元15自受控區取得其電子元件特性據以設定，或是由使用者進行設定。參數調整單元15依據上述三個溫度值進行計算以取得溫度誤差值，再依據溫度誤差值及調變方程式計算得到降溫參數組合，其中關於溫度誤差值的計算方法以及調變方程式的詳細內容將於後描述。

PID控制器17例如是進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine, ARM）晶片，會依據多個控制參數產生驅動訊號，以控制風扇11的轉速。PID控制器17在溫度誤差值大於判斷閾值時，會依據初始參數組合以控制風扇11，也就是說，當溫度誤差值大於判斷閾值時，PID控制器17會將所述的控制參數設定為初始參數組合；而當溫度誤差值等於或小於判斷閾值時，PID控制器17則會依據參數調整單元15所計算出的降溫參數組合，以控制風扇11，即將控制參數設定為降溫參數組合。

接下來將進一步地說明溫度控制裝置的溫度控制方法及運作，請一併參考圖1及圖2，其中圖2係依據本發明一實施例所繪示的溫度控制方法的流程圖。

於步驟S21～S22中，溫度控制裝置1的參數調整單元15自溫度感測器13取得受控區的偵測溫度值（即內在環境溫度值），並依據偵測溫度值、外在環境溫度值及目標溫度值以計算得到溫度誤差值。詳細來說，參數調整單元15將三個溫度值進行正規化，將目標溫度值與偵測溫度值的差值及目標溫度值與外在環境溫度值的差值進行除法運算，以得到溫度誤差值，如下列公式所示：

，其中為溫度誤差值；為目標溫度值；為偵測溫度值；為外在環境溫度值。

再來於步驟S23中，參數調整單元15依據溫度誤差值以及調變方程式計算得到降溫參數組合，其中降溫參數組合包含了多個降溫參數分別對應於PID控制器17的控制參數，即比例參數、積分參數以及微分參數。於一實施例中，調變方程式指示溫度誤差值與第一參數值及第二參數值的差值相乘，再加上第二參數值以得到對應於比例參數、積分參數或微分參數的降溫參數的數值，如下列方程式：

，其中K為降溫參數的數值；K1為第一參數值；K2為第二參數值。

一般而言，PID控制參數係利用Tyreus-Luyben方法或是Ziegler-Nichols方法來取得。其中Tyreus-Luyben方法係一種強健性系統的參數控制方法，其定義的溫度系統如下列方程式表示：

其中、及分別為系統增益值（System gain）、時間延遲（Time delay）及時間常數（Time constant）。此溫度系統經系統鑑別（System identification）極限增益常數Ku₁ 及極限週期常數Pu₁ 後，可依據下列關係式分別取得比例參數P₁ 、積分參數I₁ 以及微分參數D₁ 。

P₁ =Ku₂ /2.2

I₁ =Pu₁ /0.45

D₁ =Pu₁ /6.3

而Ziegler-Nichols方法則係一種穩定系統的參數控制方法，且定義溫度系統以下列方程式表示：

其中參數符號同上述Ziegler-Nichols方法中的參數符號，於此不再贅述。同樣地，此溫度系統經系統鑑別極限增益常數Ku₂ 及極限週期常數Pu₂ 後，可依據下列關係式分別取得比例參數P₂ 、積分參數I₂ 以及微分參數D₂ 。

P₂ =Ku₂ /1.7

I₂ =Pu₂ /2

D₂ =Pu₂ /8

比較上述兩方法所取得的PID控制參數，Tyreus-Luyben方法所取得的PID控制參數在大部分的溫度區間內皆可以達到穩定的控制，但其控制過程耗能；而Ziegler-Nichols方法所取得的PID控制參數僅可在小範圍的線性區間，即平衡點（set-point）附近穩定地控制風扇11。

因此，於本發明的一實施例中，參數調整單元15可將Tyreus-Luyben方法所取得的PID控制參數的其中之一的數值作為第一參數值，並將Ziegler-Nichols方法所取得的PID控制參數的其中之一的數值作為第二參數值以計算出降溫參數組合中的降溫參數的數值。舉例來說，參數調整單元15可以依據Tyreus-Luyben方法所取得的比例參數及Ziegler-Nichols方法所取得的比例參數計算得到降溫參數組合中對應於比例參數的降溫參數，而對應於積分參數及微分參數的降溫參數亦同理可得。隨著溫度誤差值的減少（即偵測溫度值越來越接近目標溫度值），降溫參數組合中的降溫參數越接近Ziegler-Nichols方法所取得的PID控制參數。如此一來，參數調整單元15可以依據溫度誤差值適應性地調整降溫參數，以達到穩定且低耗能的控制過程。

接下來，於步驟S24中， PID控制器17自參數調整單元15取得溫度誤差值，並判斷溫度誤差值是否大於判斷閾值，其中判斷閾值可以係PID控制器17中的預設值或由使用者進行設定，例如為0.3。於步驟S25中，當溫度誤差值大於判斷閾值時，PID控制器17設定其控制參數為初始參數組合，其中初始參數組合包含分別對應於比例參數、積分參數以及微分參數的多個初始參數，且這些初始參數皆等於一預設數值，例如為零或近似零的數值。如此一來，可以避免在受控區初啟動時，風扇11的轉速因巨大的溫度差及控制參數的加乘而急遽攀升，導致過度冷卻且耗費不必要的電力的情況。而當溫度誤差值大於判斷閾值時，如步驟S26所示，PID控制器17便會依據前述參數調整單元15所計算出的降溫參數組合來設定控制參數以控制風扇11。

比較上述實施例所述的溫度控制方法以及習知的溫度控制方法，請參考圖3A及3B，其中圖3A係依據本發明一實施例及習知技術所繪示的溫度控制方法的時間-風扇占空比圖，而圖3B係依據本發明一實施例及習知技術所繪示的溫度控制方法的時間-溫度圖。如圖3A及3B所示，在受控區初啟動的階段，此時溫度誤差值相當大，以習知的溫度控制方法控制風扇將使其占空比大幅上升。而本發明的實施例所提供的溫度控制方法，在此階段可以判斷溫度誤差值大於判斷閾值因而設定PID控制參數為零，降低過度的耗能，亦避免風扇轉速劇烈提升而導致受控區過度冷卻的情況。再來，當溫度誤差值等於或小於判斷閾值時，本發明的實施例所提供的溫度控制方法便依據溫度誤差值以及調變方程式動態地調整PID控制參數，以減少風扇轉速的震盪（Oscillation）現象，平穩地進入穩態響應區域。

藉由上述結構，本案所揭示的溫度控制裝置及其控制方法，在受控區初啟動時以初始參數組合控制風扇，並在溫度誤差值等於或小於判斷閾值時，依據溫度誤差值及調變方程式動態地調整PID控制器的控制參數，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，亦可避免在進入穩態響應區域前環境溫度過衝的情況，以及降低在穩態響應區間中，風扇轉速的震盪現象。此外，透過溫度控制裝置自動運算取得PID控制參數的控制方式，不僅可以達到最佳化控制，亦降低由操作人員執行參數調校的人力成本。

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

11‧‧‧風扇

13‧‧‧溫度感測器

15‧‧‧參數調整單元

17‧‧‧比例積分微分控制器

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溫度控制方法的流程圖。 圖3A係依據本發明一實施例及習知技術所繪示的溫度控制方法的時間-風扇占空比圖。 圖3B係依據本發明一實施例及習知技術所繪示的溫度控制方法的時間-溫度圖。

Claims (10)

1. 一種溫度控制裝置，包含：一風扇，用以驅動氣流而控制一受控區的溫度；一溫度感測器，取得一偵測溫度值，其中該溫度感測器係用於設置於該受控區，而該偵測溫度值係用於表示該受控區的該溫度；一參數調整單元，電性連接於該溫度感測器，依據該偵測溫度值、一外在環境溫度值及一目標溫度值計算得到一溫度誤差值，並依據該溫度誤差值及一調變方程式計算得到一降溫參數組合；以及一比例積分微分（PID）控制器，連接於該風扇、該溫度感測器及該參數調整單元，該PID控制器在該溫度誤差值大於一判斷閾值時，依據一初始參數組合控制該風扇，且在該溫度誤差值等於或小於該判斷閾值時，該PID控制器依據該降溫參數組合控制該風扇；其中該初始參數組合包含多個初始參數，且該些初始參數皆等於一預設數值。
2. 如請求項1所述的溫度控制裝置，用於控制一內在環境溫度或一元件溫度於該目標溫度以下，且該溫度感測器依據該內在環境溫度或該元件溫度取得該偵測溫度值。
3. 如請求項1所述的溫度控制裝置，更包含一第二溫度感測器，用於設置於該受控區之外以取得該外在環境溫度。
4. 如請求項1所述的溫度控制裝置，其中該預設數值為零。
5. 如請求項1所述的溫度控制裝置，其中該參數調整單元將該目標溫度值與該偵測溫度值的差值及該目標溫度值與該外在環境溫度值的差值進行除法運算以得到該溫度誤差值。
6. 一種溫度控制方法，適用於包含一PID控制器及一風扇的一溫度控制裝置，該溫度控制裝置係用以控制一受控區的溫度，且該轉速控制方法包含：取得一偵測溫度值，其中該偵測溫度值係用於表示該受控區的該溫度；依據該偵測溫度值、一外在環境溫度值及一目標溫度值計算得到一溫度誤差值；依據該溫度誤差值及一調變方程式計算得到一降溫參數組合；當該溫度誤差值大於一判斷閾值時，設定該PID控制器的多個控制參數為一初始參數組合以控制該風扇，其中該初始參數組合包含與該些控制參數的數量相同的多個初始參數，且該些初始參數皆等於一預設數值；以及當該溫度誤差值等於或小於該判斷閾值時，依據該降溫參數組合設定該PID控制器的該些控制參數以控制該風扇。
7. 如請求項6所述的溫度控制方法，其中該預設數值為零。
8. 如請求項6所述的溫度控制方法，其中該溫度誤差值係由該目標溫度值與該偵測溫度值的差值及該目標溫度值與該外在環境溫度值的差值進行除法運算而得到。
9. 如請求項6所述的溫度控制方法，其中該調變方程式指示該溫度誤差值與一第一參數值及一第二參數值之差值相乘，再加上該第二參數值以得到該降溫參數組合的多個降溫參數的其中之一的數值。
10. 如請求項6所述的溫度控制方法，其中該第一參數值係依據Ziegler-Nichols方法所取得的多個PID控制參數的其中之一，且該第二參數值係依據Tyreus-Luyben方法所取得的多個PID控制參數的其中之一。