一种双热源均温板的热均衡自适应控制方法与流程

本发明涉及热管理控制，具体为一种双热源均温板的热均衡自适应控制方法。

背景技术：

1、随着人工智能与大数据技术的快速发展，服务器及高性能计算设备中的多颗高功耗芯片常被紧凑布局于有限机箱空间内，为提升散热集成度，业界将均温板由单凸台结构改进为双凸台结构，使其能够同时贴合两颗相邻芯片进行散热。然而，在实际运行中，两颗芯片的负载往往高度非对称，现有控制策略大多采用将均温板简化为等温热导体的独立单点温度控制方式，仅依据各凸台的温度阈值独立调节对应区域的风扇转速。此类方案一方面忽略了双凸台共用蒸汽腔所固有的热耦合特性——高温侧热量会通过蒸汽流动与金属壁面传导至低温侧，导致两侧温度相互扰动，独立控制易产生控制冲突，且对低温侧实施过度冷却反而不利于整体热均衡；另一方面，由于均温板的传热过程涉及工质相变、蒸汽流动及毛细回流等多物理场耦合，其热特性参数（如凸台间的交叉热阻）随工况变化而显著漂移，且芯片功耗的瞬态突变难以从温度反馈中及时感知，现有基于固定模型或纯反馈的控制结构在面对此类强耦合、快时变及大扰动的被控对象时，往往面临控制滞后乃至失稳的风险，难以在热冲击等瞬态工况下维持两侧温度的均衡与稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双热源均温板的热均衡自适应控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、一种双热源均温板的热均衡自适应控制方法，包括：

3、获取双凸台均温板散热器的双凸台温度、冷凝区温度、双热源功耗及环境温度，构建双蒸发节点-蒸汽腔耦合节点-冷凝节点的集总参数的热网络模型；

4、基于热网络模型，利用递推最小二乘算法对双凸台间的交叉热阻进行在线辨识，并由交叉热阻的辨识值生成热耦合特征参数；

5、将热耦合特征参数与双热源功耗输入至热均衡状态评估器，由热均衡状态评估器计算热均衡指数，同时对双热源功耗执行时间序列预测，生成热冲击预警信号；

6、当热均衡指数超过预设阈值时，触发协调补偿控制器，协调补偿控制器依据热均衡指数与热耦合特征参数生成非对称补偿指令，非对称补偿指令用于增加高温侧冷却量的同时减少低温侧冷却量；

7、当热冲击预警信号超过预设强度时，触发瞬态前馈通道，瞬态前馈通道将高温侧冷却量预增至预估需求值以上，并对低温侧执行预备升温操作；

8、将非对称补偿指令或瞬态前馈通道的输出叠加至基础温度跟踪控制量，生成双通道协同控制信号，双通道协同控制信号经执行器限幅保护后输出至散热执行器；

9、采集散热执行器动作后的更新后的双凸台温度，并反馈至热网络模型以更新交叉热阻，循环执行上述步骤直至热均衡指数收敛至预设区间。

10、进一步的，获取双凸台均温板散热器的双凸台温度、冷凝区温度、双热源功耗及环境温度，构建双蒸发节点-蒸汽腔耦合节点-冷凝节点的集总参数的热网络模型，包括：

11、将双凸台温度分别映射为双蒸发节点温度，将冷凝区温度映射为冷凝节点温度，并设置蒸汽腔耦合节点，双蒸发节点各自通过相变传热等效热阻连接至蒸汽腔耦合节点，双蒸发节点之间通过交叉热阻直接连接，蒸汽腔耦合节点通过蒸汽流动等效热阻连接至冷凝节点，冷凝节点通过可控对流热阻连接至环境温度；

12、根据双蒸发节点、蒸汽腔耦合节点与冷凝节点之间的热量平衡关系，建立热平衡方程组，热平衡方程组中的各等效热阻初始值由双凸台几何参数与材料物性参数计算得到，其中，交叉热阻的初始值依据双凸台中心间距与均温板下盖等效厚度确定，可控对流热阻的初始值依据散热执行器的额定工作点标定得到；

13、在热平衡方程组中引入双热源功耗作为热输入项，并将双蒸发节点温度、冷凝区温度与环境温度作为已知边界条件，形成可在线辨识的模型结构。

14、进一步的，热平衡方程组通过公式（1）表示，公式（1）如下：

15、；

16、公式（1）中，为第一个双蒸发节点温度，为第二个双蒸发节点温度，为蒸汽腔耦合节点温度，为冷凝节点温度，为第一个双热源芯片结温，为第二个双热源芯片结温，为环境温度，为第一个双蒸发节点热容，为第二个双蒸发节点热容，为蒸汽腔耦合节点热容，为冷凝节点热容，为第一个双蒸发节点与对应热源之间的传导热阻，为第二个双蒸发节点与对应热源之间的传导热阻，为双蒸发节点与蒸汽腔耦合节点之间的第一个相变传热等效热阻，为双蒸发节点与蒸汽腔耦合节点之间的第二个相变传热等效热阻，为双蒸发节点之间的交叉热阻，为蒸汽腔耦合节点与冷凝节点之间的蒸汽流动等效热阻，为冷凝节点与环境温度之间的可控对流热阻。

17、进一步的，基于热网络模型，利用递推最小二乘算法对双凸台间的交叉热阻进行在线辨识，并由交叉热阻的辨识值生成热耦合特征参数，包括：

18、将热平衡方程组离散化，并将双蒸发节点的热平衡方程改写为线性回归形式，以双热源功耗与双蒸发节点温度变化率的组合作为回归输出，以双蒸发节点温度差及双蒸发节点与蒸汽腔耦合节点的温度差构造回归向量，对回归向量执行带遗忘因子的递推最小二乘辨识，得到交叉热阻的实时辨识值及相变传热等效热阻的实时辨识值；

19、监测交叉热阻的实时辨识值的变化趋势，当交叉热阻的实时辨识值持续偏离其初始值且偏离幅度超过预设偏差阈值时，判定双凸台之间的导热路径发生状态改变，生成结构退化预警信号；

20、将交叉热阻的实时辨识值映射为热耦合特征参数，热耦合特征参数与交叉热阻的实时辨识值负相关。

21、进一步的，将双蒸发节点的热平衡方程按采样周期执行前向欧拉离散化，得到离散化方程，离散化方程通过公式（2）表示，公式（2）如下：

22、；

23、公式（2）中，为当前采样周期的热源输入功率，为采样周期，为采样周期序号，为第一蒸发节点热容，为当前采样周期的第一蒸发节点温度，为上一采样周期的第一蒸发节点温度，为当前采样周期的蒸汽腔耦合节点温度，为当前采样周期的第二蒸发节点温度，为第一蒸发节点与蒸汽腔耦合节点之间的相变传热等效热阻，为交叉热阻；

24、将公式（2）改写为线性回归形式，线性回归形式通过公式（3）表示，公式（3）如下：

25、；

26、公式（3）中，，为回归向量，，为待辨识参数向量，为建模误差；

27、对回归向量执行带遗忘因子的递推最小二乘辨识，带遗忘因子的递推最小二乘辨识通过公式（4）表示，公式（4）如下：

28、；

29、公式（4）中，为增益向量，为协方差矩阵，为遗忘因子，为当前采样周期的参数估计值，为上一采样周期的参数估计值，为单位矩阵；

30、由参数估计值中的第三项分量取倒数，得到交叉热阻的实时辨识值，并由参数估计值中的第二项分量取倒数，得到相变传热等效热阻的实时辨识值。

31、进一步的，将热耦合特征参数与双热源功耗输入至热均衡状态评估器，由热均衡状态评估器计算热均衡指数，包括：

32、计算双凸台温度的实时温差，对实时温差执行中心差分运算得到温差变化率，并计算各热源温度与其安全阈值之间的安全裕度比值；

33、将实时温差除以预设最大允许温差得到第一归一化分量，将温差变化率除以预设最大允许温差变化率得到第二归一化分量，将安全裕度比值中的较大值作为第三归一化分量；

34、对第一归一化分量、第二归一化分量与第三归一化分量分别执行平方运算后，按预设权重系数加权求和，生成热均衡指数。

35、进一步的，对双热源功耗执行时间序列预测，生成热冲击预警信号，包括：

36、采集双热源功耗的历史序列，利用自回归滑动平均模型对历史序列执行在线参数辨识，得到预测模型；

37、利用预测模型向前预测预设步长，得到热负荷预测值，计算热负荷预测值与当前热源功耗实测值之间的差值绝对值，作为热冲击强度指标；

38、统计最近预设数量控制周期内预测模型的预测误差标准差，由预测误差标准差生成预测置信度指标；

39、当热冲击强度指标超过预设冲击阈值且预测置信度指标超过预设置信度阈值时，生成热冲击预警信号。

40、进一步的，协调补偿控制器依据热均衡指数与热耦合特征参数生成非对称补偿指令，包括：

41、以预设目标均衡温差为参考值，计算双凸台温度的实时温差与预设目标均衡温差的偏差，作为热均衡误差；

42、对热均衡误差执行比例积分运算，得到基础均衡补偿量，同时计算双热源功耗之差并乘以预设前馈增益，得到前馈补偿量，将基础均衡补偿量与前馈补偿量叠加，得到初始均衡补偿量；

43、利用热耦合特征参数对初始均衡补偿量进行增益调整，热耦合特征参数越大则增益调整幅度越大，得到协调补偿量；

44、将协调补偿量分别施加至高温侧与低温侧，对高温侧施加正向补偿，对低温侧施加负向补偿，负向补偿的幅值由低温侧实时功耗动态约束，生成非对称补偿指令。

45、进一步的，协调补偿控制器依据热均衡指数与热耦合特征参数生成非对称补偿指令，包括：

46、获取低温侧热源的实时功耗，计算实时功耗与低温侧热源额定功耗的比值，作为低温侧负载率；

47、当低温侧负载率低于预设低负载阈值时，将负向补偿幅值约束系数设定为第一数值，允许对低温侧施加较大幅值的负向补偿；

48、当低温侧负载率高于预设高负载阈值时，将负向补偿幅值约束系数设定为第二数值，第二数值小于第一数值，限制对低温侧施加的负向补偿幅值；

49、当低温侧负载率处于预设低负载阈值与预设高负载阈值之间时，将负向补偿幅值约束系数设定为随低温侧负载率增大而线性递减的数值；

50、将协调补偿量乘以负向补偿幅值约束系数，得到施加至低温侧的负向补偿量，生成非对称补偿指令。

51、进一步的，将非对称补偿指令或瞬态前馈通道的输出叠加至基础温度跟踪控制量，生成双通道协同控制信号，包括：

52、对双凸台温度分别执行与各自目标温度的偏差运算，得到双路温度跟踪误差，对双路温度跟踪误差分别执行增量式比例积分微分运算，得到基础温度跟踪控制量；

53、当热冲击预警信号未触发时，将非对称补偿指令中的正向补偿量叠加至高温侧基础温度跟踪控制量，将非对称补偿指令中的负向补偿量叠加至低温侧基础温度跟踪控制量，得到双通道协同控制信号；

54、当热冲击预警信号触发时，将瞬态前馈通道的输出叠加至高温侧基础温度跟踪控制量，同时对低温侧基础温度跟踪控制量施加预备升温削减量，得到双通道协同控制信号。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种双热源均温板的热均衡自适应控制方法，利用双凸台温度、冷凝区温度、双热源功耗及环境温度构建双蒸发节点-蒸汽腔耦合节点-冷凝节点的集总参数热网络模型，据此在线辨识双凸台间的交叉热阻并生成热耦合特征参数，将热耦合特征参数与双热源功耗输入热均衡状态评估器计算热均衡指数，并对双热源功耗执行时间序列预测生成热冲击预警信号，热均衡指数超限时触发协调补偿控制器生成非对称补偿指令，热冲击预警信号超限时触发瞬态前馈通道；将非对称补偿指令或瞬态前馈通道的输出叠加至基础温度跟踪控制量生成双通道协同控制信号，输出至散热执行器并反馈更新交叉热阻，实现了双热源主动热均衡与热冲击前瞻性抑制。