本發(fā)明涉及電子散熱，尤其涉及一種基于模型預(yù)測控制的液態(tài)金屬散熱器散熱控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子器件朝著微型化、集成化以及高頻化的方向發(fā)展，電子設(shè)備熱流密度日趨增加，高溫導(dǎo)致的電子器件熱失效問題嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品工作可靠性。電子器件溫升過程中常形成局部高溫區(qū)域(即熱點(diǎn))，易導(dǎo)致電子器件性能下降、老化、壽命縮短等問題。

2、目前，熱點(diǎn)的消除辦法主要是采用熱電制冷片和控制系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)地控制熱點(diǎn)溫度，但該模式主要適用于小型器件且熱電制冷過程中冷熱端溫差小的情況下會(huì)導(dǎo)致制冷能力不足，從而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

3、而液態(tài)金屬液滴具有高導(dǎo)熱性能，能夠快速有效地傳輸電子器件產(chǎn)生的熱量。此外，液態(tài)金屬液滴具有良好的形狀可適應(yīng)性，由于其液體狀態(tài)的流動(dòng)性，可以靈活適應(yīng)不規(guī)則表面和微小間隙，確保更好的熱接觸。但要想解決熱點(diǎn)問題，需要對液態(tài)金屬液滴移動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。作為一種先進(jìn)的控制策略，模型預(yù)測控制(model?predictive?control，mpc)基于對系統(tǒng)行為的模型進(jìn)行預(yù)測，并通過在線優(yōu)化來調(diào)整控制輸入，以使系統(tǒng)在未來的一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到最優(yōu)性能。mpc控制在處理多變量系統(tǒng)和考慮多個(gè)約束條件時(shí)具有顯著的優(yōu)勢，能夠處理系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性和不確定性，通過不斷的在線優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)。因此，本發(fā)明提出一種基于mpc的液態(tài)金屬液滴靶向電子散熱控制方法，對液態(tài)金屬液滴移動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，達(dá)到靶向消除熱點(diǎn)的目的，從而提高散熱器效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于模型預(yù)測控制的液態(tài)金屬散熱器散熱控制方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于模型預(yù)測控制的液態(tài)金屬散熱器散熱控制方法，所述控制方法包括如下步驟：

4、步驟s1：獲取熱力分布圖和液態(tài)金屬密度分布；

5、步驟s2：通過熱力分布圖規(guī)劃液態(tài)金屬液滴的路徑，通過液態(tài)金屬密度分布確認(rèn)液態(tài)金屬液滴的位置；

6、步驟s3：根據(jù)基于mpc的電場控制系統(tǒng)將液態(tài)金屬液滴的當(dāng)前位置信息與設(shè)定路徑進(jìn)行對比，得到液態(tài)金屬液滴運(yùn)動(dòng)路徑的偏差；

7、步驟s4：運(yùn)用二次規(guī)劃求解出修正所需的最小偏差值，并以最小偏差值為修正值，將此修正值反饋至基于mpc的電場控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。

8、具體的，所述步驟s1具體包括：

9、通過熱成像儀獲取熱力分布圖；

10、通過液態(tài)金屬的光學(xué)性質(zhì)或者著色處理獲取液態(tài)金屬密度分布圖。

11、具體的，所述步驟s2具體包括：

12、將液態(tài)金屬散熱器每個(gè)區(qū)塊的溫度最高點(diǎn)作為參考規(guī)劃路徑，采用增量式路徑規(guī)劃算法規(guī)劃每個(gè)溫度最高點(diǎn)之間的路徑，具體過程如下：

13、計(jì)算從起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)s的實(shí)際代價(jià)：

14、

15、其中，xs為節(jié)點(diǎn)s的橫坐標(biāo)，ys為節(jié)點(diǎn)s的縱坐標(biāo)，xstar為起點(diǎn)的橫坐標(biāo)，ystar為起點(diǎn)的縱坐標(biāo)，temp(s)為節(jié)點(diǎn)s的溫度值，temp(star)為起點(diǎn)的溫度值，ktem表示代價(jià)函數(shù)的偏向值；

16、計(jì)算從起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)s的預(yù)期代價(jià)：

17、rhs(s)＝min(c(s′,s)+g?s′))rhs(s)

18、其中，rhs(s)是節(jié)點(diǎn)s的預(yù)期代價(jià)，即從起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)s的最小代價(jià)估計(jì)值，s′是節(jié)點(diǎn)s的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，c(s′,s)是從前驅(qū)節(jié)點(diǎn)s′到節(jié)點(diǎn)s的實(shí)際移動(dòng)代價(jià)，g?s′)是從起點(diǎn)到前驅(qū)節(jié)點(diǎn)s′的實(shí)際代價(jià)。

19、具體的，所述步驟s3具體包括以下步驟：

20、步驟s31：根據(jù)液態(tài)金屬所受到的運(yùn)動(dòng)物理公式以及受到的物理約束建立非線性模型；

21、步驟s32：采用泰勒公式將非線性模型線性化，得到輸出矩陣變化率誤差函數(shù)；對輸出矩陣變化率誤差函數(shù)中的線性數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，得到離散化方程；

22、步驟s33：對離散化方程中的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到預(yù)測矩陣；

23、步驟s34：將所述歷史數(shù)據(jù)輸入到基于mpc的電場控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理，通過預(yù)測矩陣獲得未來一段時(shí)間的狀態(tài)變量；

24、步驟s35：通過液態(tài)金屬密度分布圖采集當(dāng)前液態(tài)金屬液滴位置信息，同時(shí)傳感器采集液態(tài)金屬液滴的實(shí)時(shí)物理信息，并將液態(tài)金屬當(dāng)前位置信息和實(shí)時(shí)物理信息反饋到基于mpc的電場控制系統(tǒng)中進(jìn)行對比。

25、具體的，所述步驟s31的具體過程如下:

26、在xoy坐標(biāo)系下建立液態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)非線性模型；

27、設(shè)液態(tài)金屬的縱向速度為vy,橫向速度為vx，其中，縱向速度vy由電場控制，電場是變化的縱向速度是關(guān)于電場強(qiáng)度e的函數(shù)為vy(e)，橫向速度vx為一個(gè)常數(shù):

28、

29、其中，縱向速度vy由電場控制，電場是變化的縱向速度是關(guān)于電場強(qiáng)度e的函數(shù)為vy(e)，橫向速度vx為一個(gè)常數(shù)。

30、具體的，所述步驟s32中采用泰勒公式將非線性模型線性化，得到輸出矩陣變化率誤差函數(shù)的具體過程如下:

31、確定輸入矩陣和輸出矩陣：

32、輸入矩陣輸出矩陣并設(shè)為系統(tǒng)給規(guī)劃路徑的理想?yún)⒖紶顟B(tài)，其中，x為液態(tài)金屬液滴在橫軸方向的實(shí)際坐標(biāo)，y為液態(tài)金屬液滴在縱軸方向的實(shí)際坐標(biāo)，vyr為液態(tài)金屬液滴的參考速度，xr為液態(tài)金屬液滴在橫軸方向的參考坐標(biāo)，yr為液態(tài)金屬液滴在縱軸方向的參考坐標(biāo)；

33、運(yùn)用泰勒公式將非線性模型線性化，其定義如下：

34、

35、其中，ur為理想系統(tǒng)規(guī)劃路徑的理想控制量，f(ξr，u)是理想?yún)⒖紶顟B(tài)的導(dǎo)數(shù)，設(shè)輸出矩陣變化率誤差函數(shù)則：

36、

37、其中，a為輸出矩陣誤差的系數(shù)矩陣，b為輸入矩陣誤差的系數(shù)矩陣；其定義如下：

38、

39、從而完成對輸出矩陣變化率誤差函數(shù)的線性化。

40、具體的，所述步驟s32中對輸出矩陣變化率誤差函數(shù)中的線性數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，得到離散化方程的具體過程如下：

41、設(shè)定采樣周期為t，第k個(gè)采樣周期液態(tài)金屬的參考狀態(tài)為ξ(k)，第k個(gè)采用周期的當(dāng)前控制量為u(k)，采用前向歐拉公式,進(jìn)行離散化:

42、

43、其中，δξ(k)為第k個(gè)采樣周期液態(tài)的輸出矩陣變化率誤差函數(shù)，δξ(k+1)第k+1個(gè)采樣周期液態(tài)的輸出矩陣變化率誤差函數(shù)，δu(k)為第k個(gè)采用周期的當(dāng)前控制量誤差，為離散化后的輸出矩陣誤差的系數(shù)矩陣，為離散化后的輸入矩陣誤差的系數(shù)矩陣。

44、具體的，所述步驟s33的具體過程如下：

45、定義當(dāng)前控制量與參考值的誤差與上一時(shí)刻的控制量與參考值的誤差之間的偏差為δ2u；已知當(dāng)前控制量為當(dāng)前控制量的參考值，上一時(shí)刻的控制量與參考值的誤差的歷史數(shù)據(jù)，則當(dāng)前反饋輸入偏差的最優(yōu)解δ2u(k)為：

46、δ2u(k)＝δu(k)-δu(k-1)

47、其中，k為k時(shí)刻，δu(k)為k時(shí)刻當(dāng)前控制量與參考值的誤差，δu(k-1)為k-1時(shí)刻的控制量與參考值的誤差；

48、又令：

49、

50、其中，x(k+1)為k+1時(shí)刻的輸出δξ(k+1)和當(dāng)前時(shí)刻的誤差δu(k)的整合矩陣，將離散化方程整理為：

51、

52、從而完成對離散數(shù)據(jù)的整合；

53、通過有限個(gè)x(k)的前向歐拉方程，得到預(yù)測矩陣，即：

54、d＝ψε(k)+θu(k)

55、其中，

56、

57、其中，np為矩陣行數(shù)和列數(shù)，d為預(yù)測矩陣的整合矩陣，ψ為離散化后的輸出矩陣誤差的系數(shù)矩陣的整合矩陣，ε(k)為k時(shí)刻狀態(tài)變量x(k)的整合矩陣，u(k)為k個(gè)采用周期的當(dāng)前控制量誤差的整合矩陣，θ為離散化后的輸出矩陣誤差的系數(shù)矩陣與離散化后的輸出矩陣誤差的系數(shù)矩陣的整合矩陣，x(k+np-1)表示k+np-1時(shí)刻的狀態(tài)變量，x(k)表示k時(shí)刻的狀態(tài)變量，δu(k+np-1)表示k+np-1時(shí)刻的所需要的狀態(tài)增量，表示矩陣的平方，表示矩陣的np次方。

58、具體的，所述步驟s4的具體過程如下：

59、將求取預(yù)測矩陣d滿足約束的最小值問題轉(zhuǎn)換為求預(yù)測矩陣d加權(quán)平方和的最小值，可列方程：

60、f[u(k)]＝dtqd+u(k)tru(k)

61、令v＝ψε(k)，則代入d＝ψε(k)+θu(k)中得：

62、d＝v+θu(k)

63、則：

64、f[u(k)]＝vtqv+[θu(k)]tq[θu(k)]+2vtqθu(k)+u(k)tru(k)

65、其中，q為d矩陣的加權(quán)矩陣，r為u矩陣的加權(quán)矩陣，vtqv在反饋過程中為常數(shù)，則求出并反饋滿足約束的修正所需的最小偏差值：

66、g[u(k)]＝[θu(k)]tq[θu(k)]+2vtq[θu(k)]+u(k)tru(k)

67、＝u(k)t(θtqθ+r)u(k)+2vtqθu(k)

68、其中，g[u(k)]由液態(tài)金屬的物理約束作為u(k)的上下界約束。

69、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果如下：

70、本發(fā)明提供的一種基于模型預(yù)測控制的液態(tài)金屬散熱器散熱控制方法，通過熱力分布圖規(guī)劃液態(tài)金屬液滴的路徑，通過液態(tài)金屬密度分布確認(rèn)液態(tài)金屬液滴的位置；根據(jù)基于mpc的電場控制系統(tǒng)將液態(tài)金屬液滴的當(dāng)前位置信息與設(shè)定路徑進(jìn)行對比，得到液態(tài)金屬液滴運(yùn)動(dòng)路徑的偏差；運(yùn)用二次規(guī)劃求解出修正所需的最小偏差值，并以最小偏差值為修正值，將此修正值反饋至基于mpc的電場控制系統(tǒng)，基于mpc的電場控制系統(tǒng)根據(jù)修正值修正液態(tài)金屬的縱向流動(dòng)路徑，增加熱點(diǎn)附近的液態(tài)金屬濃度，從而強(qiáng)化傳熱，進(jìn)而提高了電子散熱器的散熱效率，有效解決熱點(diǎn)溫度過高問題。