一种应用服务器分离式散热结构的智能温控系统及方法与流程

本发明涉及服务器散热温控，尤其是涉及一种应用服务器分离式散热结构的智能温控系统及方法。

背景技术：

1、随着云计算、大数据及人工智能技术的高速发展，应用服务器的运算负载持续提升，芯片功耗密度大幅增加，服务器运行过程中的散热压力显著增大。分离式散热结构凭借内部换热组件体积小、远端散热换热效率高、整机布局灵活的优势，被广泛应用于高功耗服务器的散热系统中。

2、目前服务器分离式散热系统的温控方式多采用传统固定阈值调控或简单比例积分微分调控方式，仅依据芯片表面温度进行单一闭环控制。此类调控方式无法精准捕捉冷凝器内部工质的相变换热状态，难以识别两相区与过冷区的动态边界变化。服务器运行过程中芯片功耗存在频繁波动，瞬时功耗突变易导致冷凝器内部出现气液两相流，引发管路换热不稳定、散热效率下降等问题，严重时会造成散热系统工况紊乱，导致服务器芯片温度超标，影响服务器运行稳定性与使用寿命。

3、同时，传统温控策略未结合散热系统实时热态参数与未来功耗变化趋势，控制调节存在滞后性，冷却泵与冷却风扇常出现无效高转速运行的情况，系统能耗利用率低。常规观测方式无法精准辨识变工况下的冷凝等效热阻，难以实现对散热系统全热态的精准感知，无法满足高负载服务器对散热温控的高精度、高稳定性与低能耗运行需求。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用服务器分离式散热结构的智能温控系统及方法。采用如下技术方案：

2、一种应用服务器分离式散热结构的智能温控方法，包括以下步骤：

3、步骤1，建立包含冷凝器相变界面虚拟节点的热状态空间模型：将冷凝器沿工质流动方向划分为两相区和过冷区，引入表征两相区与过冷区交界位置的虚拟界面节点，虚拟界面节点的状态量为虚拟节点温度；

4、步骤2，实时采集芯片功耗、芯片温度、蒸发器出口压力与温度、冷凝器入口空气温度以及冷却泵和冷却风扇的当前转速；

5、步骤3，将热状态空间模型与采集数据输入自适应观测器，在线估计虚拟节点温度及随工况变化的冷凝等效热阻，获得包含虚拟节点温度的系统全热态；

6、步骤4，以系统全热态为初始状态，利用芯片功耗预测，通过模型预测控制器求解最优控制序列；模型预测控制器的约束条件包括芯片温度上限约束和虚拟界面节点安全区间约束，虚拟界面节点安全区间约束使得所估计的虚拟节点温度始终高于工质饱和温度一安全裕度，以防止冷凝器出口出现气液两相流；

7、步骤5，根据当前芯片功耗的变化率，由前馈补偿器生成前馈控制增量，并叠加至最优控制序列，获得补偿后控制指令；

8、步骤6，将补偿后控制指令中的首个控制量输出至冷却泵和冷却风扇的驱动器，并在下一控制周期返回步骤2滚动执行。

9、可选的，步骤1中，热状态空间模型的状态量至少包括服务器芯片温度、蒸发器温度、冷凝器两相区平均壁温、虚拟节点温度、冷凝器过冷区出口工质温度；虚拟界面节点的构建方式为：采用移动边界法对冷凝器建模，将两相区与过冷区的交界面位置作为时变参数，并定义交界面处工质温度对应的虚拟节点温度为虚拟界面节点的状态变量；虚拟节点温度根据两相区蒸汽侧平均冷凝温度与过冷区壁面温度的加权插值确定。

10、可选的，步骤3中自适应观测器为自适应扩展卡尔曼滤波观测器，状态向量由服务器芯片温度、蒸发器温度、冷凝器两相区平均壁温、虚拟节点温度、冷凝器过冷区出口工质温度以及增广的时变冷凝等效热阻构成；观测向量包括芯片温度、根据蒸发器出口压力确定的工质饱和温度、冷凝器出口工质温度及冷凝器入口空气温度，以在线校正虚拟节点温度及热阻。

11、可选的，步骤4中虚拟界面节点安全区间约束具体为：

12、；其中为虚拟节点温度，为根据蒸发器出口压力实时确定的工质饱和温度，为预设防气蚀安全裕度。

13、可选的，步骤5中前馈补偿器生成前馈控制增量的公式为：

14、；

15、其中为当前第k周期的芯片功耗，为第周期的芯片功耗，为前馈增益矩阵，前馈增益矩阵基于热状态空间模型中冷凝器两相区长度对风扇转速的灵敏度以及虚拟节点温度对蒸汽流量的响应特性离线计算，以实现针对芯片功耗突变的预冷却。

16、可选的，步骤4中模型预测控制器的优化目标函数为最小化控制时域内的冷却泵功耗和冷却风扇功耗之和，并引入对虚拟节点温度超过安全下限的松弛变量的惩罚项；约束条件还包含冷却泵转速不超出高效运行区间、冷却风扇转速约束以及虚拟界面节点安全区间约束。

17、可选的，步骤2中还在冷凝器管壁沿程不同位置布置至少两个温度传感器，用于获取冷凝器壁面温度分布；步骤3中自适应观测器利用冷凝器壁面温度分布与模型预测值的偏差，对虚拟节点温度进行加权校正。

18、可选的，当步骤3估计的虚拟节点温度进入预警区间时，即但高于饱和温度，强制将冷却风扇转速提高至预设最大转速，直至虚拟节点温度重新高于。

19、可选的，步骤4中芯片功耗预测通过离线训练的长短期记忆神经网络，根据服务器当前任务队列信息及历史功耗数据实时生成未来预测时域内的功耗趋势序列。

20、一种应用服务器分离式散热结构的智能温控系统，用于实现一种应用服务器分离式散热结构的智能温控方法，系统包括分离式散热结构、传感器模块、虚拟界面节点观测器模块、功耗预测模块、模型预测控制器、前馈补偿器、执行驱动模块；

21、分离式散热结构包括设置于服务器内部的蒸发器、通过蒸汽管路和回液管路连接的远端冷凝器、驱动工质循环的冷却泵以及为冷凝器换热的冷却风扇；传感器模块用于采集芯片功耗、芯片温度、蒸发器出口压力、冷凝器入口空气温度、冷凝器出口工质温度、冷凝器管壁沿程温度以及冷却泵和冷却风扇的转速虚拟界面节点观测器模块，内置热状态空间模型执行自适应扩展卡尔曼滤波算法，在线估计虚拟节点温度和冷凝等效热阻，输出系统全热态；功耗预测模块根据芯片功耗历史序列和服务器任务队列信息预测未来功耗趋势；模型预测控制器接收系统全热态和功耗趋势，在包含虚拟界面节点安全区间约束的条件下求解最优控制序列；前馈补偿器根据当前芯片功耗变化率生成前馈控制增量并与最优控制序列叠加；执行驱动模块将叠加后的首个控制量输出至冷却泵和冷却风扇的驱动器。

22、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

23、本发明能提供一种应用服务器分离式散热结构的智能温控系统及方法，通过构建含冷凝器相变界面虚拟节点的热状态空间模型，结合自适应观测器实现散热系统全热态与变工况热阻的精准在线估计，有效解决了传统技术无法精准识别冷凝器相变边界状态的问题，提升了散热系统热态感知精度。

24、通过引入虚拟界面节点安全区间约束，可有效规避冷凝器出口气液两相流现象，保障分离式散热系统工质循环与换热过程的稳定性，从根源上避免散热工况紊乱引发的服务器高温故障。

25、结合神经网络功耗预测与模型预测控制策略，能够提前预判芯片功耗变化趋势，实现散热系统的超前调控，消除传统温控方式的调节滞后缺陷。搭配功耗变化率前馈补偿机制，可快速响应芯片功耗突变，大幅提升温控系统的动态响应性能。

26、以冷却系统总功耗最小化为优化目标，结合设备运行区间约束实现最优控制，在保障服务器芯片温度稳定可控、散热系统安全运行的前提下，有效降低冷却泵与冷却风扇的无效能耗，提升服务器散热系统的节能水平与运行经济性。