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# 气体流量闭环控制系统 # 气体流量控制与阀门开环标定
基于 **MT2-AM8 模拟量采集/输出模块** 的单回路气体流量 PID 闭环控制程序。 本项目基于艾莫迅 **MT2-AM8 模拟量采集/输出模块**，提供两个可独立运行的入口：
程序以 10 Hz 周期读取流量（可选读取压力），经增量式 PID 计算阀门开度，
映射为电机行程后通过 Modbus TCP 下发给执行机构，并在每次运行结束后自动
保存逐周期数据、生成三联曲线图与一次性的控制性能报告。
## 硬件与通讯 - [main.py](main.py)：以 10 Hz 周期运行单回路气体流量增量式 PID 闭环控制；
- [open_loop.py](open_loop.py)：随机扫描阀门开度，采集阀前/阀后的压力与流量，用于开环标定、动态特性观察和临界压力比分析。
- 采集/输出模块：艾莫迅 **MT2-AM8**（Modbus TCP，默认 `192.168.1.12:502`，站号 1） 两个入口都会逐周期保存 CSV，并在运行结束时为有效采样数据生成 PNG 曲线图。闭环程序还会持续进行滑动窗口稳态判定，并在首次达到稳态时输出一次控制性能报告。
- 模拟量输入（AI）：地址 `0x00~0x03`，0~4095 对应 0~10V / 0~20mA
- 模拟量输出（AO）：保持寄存器 `0x00~0x03`
- 流量计量程默认 300 SLM，压力表量程默认 400 kPa
- 电机行程与开度**反向作用**：行程越大开度越小，
`opening=0% → MOTOR_CLOSED_POSITION`，`opening=100% → MOTOR_OPEN_POSITION`
> 所有地址、通道、量程、行程端值均在 [config.py](config.py) 中集中配置， ## 重要安全说明
> 首次连接真实设备前必须核对。
## 架构与模块职责 > 本项目会直接控制真实阀门。首次运行前必须核对 IP、站号、AI/AO 通道、传感器量程、阀门行程方向、压力上限和执行机构的断电/失驱位置，并准备独立的机械或电气急停手段。
| 文件 | 职责 | 闭环与开环程序当前采用不同的退出策略：
| --- | --- |
| [main.py](main.py) | 程序入口：解析参数、装配日志/控制器/记录器/报告器、主循环与安全退出 |
| [flow_control.py](flow_control.py) | 闭环控制层：`读取传感器 → PID → 开度/行程映射 → 下发电机位置`，含全部安全处理 |
| [controllers.py](controllers.py) | 通用增量式 PID 控制器 `IncrementalPID`（输出限幅 + 输出变化率限幅） |
| [config.py](config.py) | 集中配置与 `validate_config()` 启动前校验 |
| [data_logger.py](data_logger.py) | `FlowRunRecorder`：逐周期写 CSV，运行结束生成三联曲线图 |
| [performance_reporter.py](performance_reporter.py) | `PerformanceReporter`：滑窗稳态判定，输出一次性性能报告 |
| [PcControl.py](PcControl.py) | 硬件层：`MT2AM8Client` 等 Modbus 客户端（本项目实际使用 `MT2AM8Client`） |
### 控制回路流程 - **闭环 `main.py`**：启动时不再预先下发关闭位置，PID 内部输出由 `INITIAL_OPENING_PCT=100%` 开始；故障或退出时停止控制并断开 MT2-AM8，不主动下发关阀命令。当前系统按“执行机构失驱后回到全开”设计，现场必须确认实际硬件确实如此。
- **开环 `open_loop.py`**：连接成功后先主动设置 `0%` 开度，实验结束、异常或 `Ctrl+C` 时再次尝试设置 `0%` 开度，然后断开设备。
``` 因此，README 中的“关闭”或“全开”均指当前代码定义的逻辑位置，不能代替现场对阀门真实动作方向的确认。
读取流量/压力 (MT2-AM8)
│ ## 硬件与默认接线
▼
IncrementalPID.update() ──► 开度百分比 0~100% - MT2-AM8：Modbus TCP，默认 `192.168.1.12:502`，站号 `1`；
│ - AI 输入寄存器：地址 `0x00~0x03`；
▼ - AO 保持寄存器：地址 `0x00~0x03`；
opening_to_motor_position() ──► 反向行程 0~1000 - 模拟量原始范围：`0~4095`，传感器物理量换算使用 `819~4095` 对应有效量程；
│ - 默认流量量程：`300 SLM`；默认压力量程：`400 kPa`；
▼ - 电机行程范围：`0~1000`，且行程与阀门开度反向作用。
hardware.set_motor_position() ──► Modbus TCP 写 AO
默认通道如下，通道编号均从 `0` 开始：
| 用途 | 通道 | 配置位置 |
| --- | ---: | --- |
| 闭环/阀后压力 | `AI0` | `config.PRESSURE_INPUT_CHANNEL` |
| 闭环/阀后流量 | `AI1` | `config.FLOW_INPUT_CHANNEL` |
| 开环阀前压力 | `AI2` | `open_loop.PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` |
| 开环阀前流量 | `AI3` | `open_loop.FLOW_BEFORE_CHANNEL` |
| 电机位置指令 | `AO1` | `config.MOTOR_OUTPUT_CHANNEL` |
开度与行程的默认映射为：
```text
opening = 0% -> motor_position = 1000（关闭）
opening = 100% -> motor_position = 0（全开）
``` ```
`error = setpoint - measurement`；PID 输出累加后统一映射为阀门开度百分比， 所有闭环通道、量程和行程端值集中在 [config.py](config.py)；开环新增的阀前通道和实验参数位于 [open_loop.py](open_loop.py) 顶部。
再做行程换算，因此 PID 与执行机构解耦。
## 快速开始 ## 环境与依赖
```bash 项目使用 Python 3，直接依赖：
- `pymodbus`：Modbus TCP/RTU 通讯；
- `matplotlib`：使用 `Agg` 后端生成 PNG，无显示器环境也可运行。
示例安装：
```powershell
python -m venv .venv
.\.venv\Scripts\Activate.ps1
python -m pip install pymodbus matplotlib
```
仓库当前没有锁定依赖版本。若 `PcControl.py` 导入 `pymodbus.payload` 或调用 `slave=` 参数时报错，请使用与现有 [PcControl.py](PcControl.py) API 兼容的 `pymodbus` 版本。
## 闭环控制
### 运行
先在 [config.py](config.py) 中完成现场参数核对，再执行：
```powershell
python main.py --target 50 python main.py --target 50
``` ```
- `--target`：目标流量（SLM），必须在 `[TARGET_FLOW_MIN_SLM, TARGET_FLOW_MAX_SLM]` 内。 `--target` 的单位为 SLM，必须位于 `TARGET_FLOW_MIN_SLM~TARGET_FLOW_MAX_SLM`（当前为 `0~300`）范围内。按 `Ctrl+C` 停止；默认 `AUTO_STOP_ON_STEADY=False`，所以达到稳态后仍会继续控制。如需首次达到稳态后自动结束，将该配置改为 `True`。
- 启动流程：连接 MT2-AM8 → 确认阀门关闭 → 读取初始流量 → 启动闭环。
- 停止：`Ctrl+C`；控制故障、未处理异常同样会触发安全关阀并断开设备。
## 运行输出 启动流程为：
1. **终端/日志**：周期状态行（状态、目标/实际流量、压力、开度、行程、实际 dt）， ```text
日志同时写入 [logs/flow_control.log](logs/flow_control.log)。 校验配置 -> 连接 MT2-AM8 -> 读取一次初始流量
2. **逐周期数据**：每次运行生成 `data/flow_run_<时间戳>.csv`。 -> PID 输出初始化为 INITIAL_OPENING_PCT
3. **曲线图**：与 CSV 同名的 PNG 三联图（流量响应 / 阀门开度 / 压力）。 -> 进入周期控制（启动阶段不主动写入关闭位置）
4. **性能报告**：首次达到稳态时打印一次，包含： ```
- 本次 PID 参数（Kp / Ki / Kd） 单个控制周期为：
- 调节时间（至稳态，秒）
- 超调量（绝对 SLM + 相对目标百分比）
- 本次控制范围
稳态判定为两个条件**同时**满足：滑窗均值落在目标 ±`STEADY_STATE_BAND_PCT`% 误差带内， ```text
且滑窗标准差低于 `STEADY_STATE_STD_PCT`% 目标流量阈值。考虑采样时间戳抖动， 读取流量/压力
滑窗覆盖时长允许一个控制周期的余量。 |
v
IncrementalPID.update()
error = target - measurement
|
v
开度百分比 0~100%（输出限幅 + 变化率限幅）
|
v
opening_to_motor_position()
|
v
反向行程 1000~0 -> MT2-AM8 AO1
```
## 安全机制 增量 PID 的输出直接定义为阀门开度，因此控制器本身不包含电机行程或死区映射。目标流量不高于 `ZERO_FLOW_THRESHOLD_SLM`（当前 `0.5 SLM`）时，程序跳过常规 PID 更新并直接命令 `0%` 开度。
- **启动前安全关阀**：控制开始前先确认阀门已关闭。 ### 运行输出
- **流量/压力越限关阀**：读数超出 `FLOW_VALID_*` 或超过 `MAX_PRESSURE_KPA` 立即关阀。
- **连续读取失败关阀**：短暂读取失败保持上一输出；连续达到阈值后关阀。
- **控制循环超时保护**：实际周期超过 `MAX_CONTROL_DT_S` 判定超时。
- **输出变化率限幅**：`MAX_OPENING_RATE_PCT_S` 限制开度变化速度，防止阀门阶跃冲击。
- **退出安全关阀**：任何退出路径（含异常）都会再次尝试关阀并断开设备。
## 关键配置项 每次闭环运行会产生：
见 [config.py](config.py)，常用项： 1. **终端与日志**：约每秒输出一次状态；非 `OK` 状态立即输出。日志保存到 `logs/flow_control.log`。
2. **逐周期 CSV**：默认保存为 `data/flow_run_YYYYMMDD_HHMMSS.csv`，每行写入后立即刷新到磁盘。现有 `data/日期/实验说明/` 子目录是历史数据的人工归档方式，不是程序自动创建的层级。
3. **三联曲线图**：结束时保存同名 PNG，依次显示目标/实际流量、阀门开度和压力。
4. **性能报告**：首次达到稳态时写入终端和日志；若整个运行过程未达到稳态，只输出未达到稳态的提示。
| 配置 | 默认值 | 说明 | 闭环 CSV 字段：
| 字段 | 含义 |
| --- | --- |
| `time_s` / `timestamp` | 相对运行时间 / Unix 时间戳 |
| `target_flow_slm` / `measured_flow_slm` | 目标流量 / 实测流量 |
| `opening_pct` / `motor_position` | 阀门开度 / 电机行程 |
| `pressure_kpa` | 压力；未启用或读取失败时为空 |
| `error_slm` | `目标流量 - 实测流量` |
| `actual_dt_s` | 实际控制周期 |
| `status` | `OK` 或传感器读取重试状态 |
### 稳态判定与性能报告
判稳只使用状态为 `OK` 的有效流量样本。滑窗至少覆盖 `STEADY_STATE_WINDOW_S - CONTROL_PERIOD_S`，以容纳真实采样时间戳抖动，并要求下列条件同时成立：
```text
|窗口均值 - 目标流量| <= STEADY_STATE_BAND_PCT / 100 * 目标流量
窗口总体标准差 <= STEADY_STATE_STD_PCT / 100 * 目标流量
```
当前默认使用 10 秒窗口、±1% 均值误差带和 1% 标准差阈值。报告内容包括 PID 参数、目标与控制范围、调节时间、窗口均值、窗口标准差、稳态误差（目标减窗口均值）、初始流量，以及按初始变化方向计算的峰值/谷值超调量。
## 开环扫点实验
[open_loop.py](open_loop.py) 不参与闭环反馈，也不会被 `main.py` 导入。默认将 `0%~100%`、间隔 `10%` 的 11 个开度按固定随机种子 `42` 打乱，然后逐点执行：
```text
写入开度 -> 每 0.1 s 采集阀前/阀后压力与流量
-> 等待阀后流量稳定，或等待满 60 s
-> 切换到下一个开度
```
运行默认实验或自定义扫描范围：
```powershell
python open_loop.py
python open_loop.py --seed 7
python open_loop.py --min 0 --max 100 --step 5
```
- `--min`、`--max`：扫描开度上下限，必须满足 `0 <= min < max <= 100`；
- `--step`：开度间隔，必须大于 `0`；不能整除区间时会额外包含 `max` 端点；
- `--seed`：打乱顺序的随机种子；相同参数和种子会得到相同顺序。
> 当前 `open_loop.py --help` 的帮助文本存在 `%` 格式化问题，会触发 `ValueError`；上面的正常运行命令及参数解析不受影响。
开环没有目标值，其稳态条件仅依据阀后流量的滑窗总体标准差：
```text
std <= max(STEADY_STATE_STD_PCT / 100 * |窗口均值|, MIN_ABS_STD_SLM)
```
默认窗口为 10 秒，绝对标准差下限为 `0.05 SLM`。阀后流量连续 5 次读取失败会中止实验；其他通道读取失败会在对应 CSV 字段中留空。
输出保存到 `open_loop_data/open_loop_YYYYMMDD_HHMMSS.csv/.png`，日志保存到 `logs/open_loop.log`。PNG 包含三张子图：阀前/阀后压力、阀前/阀后流量、阀后绝对压力与阀前绝对压力之比。
压力比按下式计算：
```text
P_abs_ratio = (阀后表压 + 101.325 kPa) / (阀前表压 + 101.325 kPa)
```
CSV 同时记录 `is_ratio_smaller_than_0.528`：压力比小于临界值 `0.528` 时为 `Y`，否则为 `N`；任一压力缺失或分母非法时两个压力比字段留空。图中会绘制 `0.528` 参考线，并标出各开度切换时刻。
## 安全与故障处理
### 闭环
- 配置在连接硬件前由 `validate_config()` 校验；
- 流量超出 `FLOW_VALID_MIN_SLM~FLOW_VALID_MAX_SLM` 或压力高于 `MAX_PRESSURE_KPA` 时停止控制并报故障；
- 短暂的流量/压力读取失败保持上一输出，不下发新位置；连续达到各自阈值后停止控制；
- 实际控制周期超过 `MAX_CONTROL_DT_S` 时停止控制；
- PID 输出限制在 `0~100%`，`MAX_OPENING_RATE_PCT_S` 限制每秒最大开度变化；
- 电机命令写入异常或返回失败时停止控制；
- 所有退出路径都会尝试断开设备，但当前闭环代码不会主动下发关阀命令。
### 开环
- 启动和收尾均主动下发 `0%` 开度；
- 任一有效流量读数越界、任一有效压力读数超过上限时中止；
- 阀后流量连续读取失败达到阈值时中止；
- 写入开度失败时中止；
- 中止后仍会尽力关阀、断开连接并保留已经写入的 CSV。
## 关键配置默认值
| 配置 | 当前默认值 | 说明 |
| --- | --- | --- | | --- | --- | --- |
| `MT2AM8_HOST` / `MT2AM8_PORT` / `MT2AM8_SLAVE_ID` | `192.168.1.12` / `502` / `1` | 模块地址 | | `MT2AM8_HOST` / `MT2AM8_PORT` / `MT2AM8_SLAVE_ID` | `192.168.1.12` / `502` / `1` | 通讯参数 |
| `FLOW_INPUT_CHANNEL` / `PRESSURE_INPUT_CHANNEL` / `MOTOR_OUTPUT_CHANNEL` | `1` / `0` / `0` | AI/AO 通道（0 起始） | | `FLOW_INPUT_CHANNEL` / `PRESSURE_INPUT_CHANNEL` | `1` / `0` | 闭环 AI 通道；压力可设为 `None` |
| `FLOW_METER_RANGE_SLM` / `PRESSURE_RANGE_KPA` | `300` / `400` | 量程 | | `MOTOR_OUTPUT_CHANNEL` | `1` | 电机 AO 通道 |
| `CONTROL_PERIOD_S` | `0.1` | 控制周期（100 ms，10 Hz） | | `FLOW_METER_RANGE_SLM` / `PRESSURE_RANGE_KPA` | `300` / `400` | 传感器量程 |
| `PID_KP` / `PID_KI` / `PID_KD` | `0.5` / `0.1` / `0.0` | 安全起步 PI 参数，需现场整定 | | `TARGET_FLOW_MIN_SLM` / `TARGET_FLOW_MAX_SLM` | `0` / `300` | 允许的目标范围 |
| `MOTOR_CLOSED_POSITION` / `MOTOR_OPEN_POSITION` | `1000` / `0` | 行程端值 | | `CONTROL_PERIOD_S` / `MAX_CONTROL_DT_S` | `0.1` / `0.3` | 目标周期 / 超时阈值 |
| `MAX_PRESSURE_KPA` | `400` | 压力上限，须按管路额定压力确认 | | `PID_KP` / `PID_KI` / `PID_KD` | `0.5` / `0.5` / `0.0` | 当前 PI 参数，需按现场继续整定 |
| `STEADY_STATE_WINDOW_S` / `STEADY_STATE_BAND_PCT` / `STEADY_STATE_STD_PCT` | `10.0` / `1.0` / `1.0` | 稳态判定参数 | | `OPENING_MIN_PCT` / `OPENING_MAX_PCT` | `0` / `100` | PID 输出开度范围 |
| `MAX_OPENING_RATE_PCT_S` | `20` | 每秒最大开度变化百分比 |
| `MOTOR_CLOSED_POSITION` / `MOTOR_OPEN_POSITION` | `1000` / `0` | 反向行程端值 |
| `INITIAL_OPENING_PCT` | `100` | 闭环 PID 内部初始输出 |
| `FLOW_VALID_MIN_SLM` / `FLOW_VALID_MAX_SLM` | `0` / `300` | 流量安全范围 |
| `MAX_PRESSURE_KPA` | `400` | 压力上限，须按实际管路额定压力确认 |
| `MAX_CONSECUTIVE_FLOW_FAILURES` / `MAX_CONSECUTIVE_PRESSURE_FAILURES` | `3` / `3` | 闭环连续读取失败阈值 |
| `STEADY_STATE_WINDOW_S` / `STEADY_STATE_BAND_PCT` / `STEADY_STATE_STD_PCT` | `10` / `1` / `1` | 闭环稳态判定参数 |
| `AUTO_STOP_ON_STEADY` | `False` | 达到稳态后是否自动结束闭环 |
## 依赖 ## 模块职责
- Python 3 | 文件 | 职责 |
- [pymodbus](https://pymodbus.readthedocs.io/)（`PcControl.py` 的 Modbus TCP 通讯） | --- | --- |
- [matplotlib](https://matplotlib.org/)（曲线图生成，使用 `Agg` 后端，无显示器环境也可保存） | [main.py](main.py) | 闭环入口：参数解析、日志、控制循环、记录器、性能报告与收尾 |
| [flow_control.py](flow_control.py) | 闭环控制层、传感器读取、开度/行程映射和故障处理 |
| [controllers.py](controllers.py) | 通用增量式 PID，含输出限幅和输出变化率限幅 |
| [config.py](config.py) | 闭环集中配置和启动前校验 |
| [data_logger.py](data_logger.py) | 闭环逐周期 CSV 与三联曲线图 |
| [performance_reporter.py](performance_reporter.py) | 闭环滑窗判稳和一次性性能报告 |
| [open_loop.py](open_loop.py) | 独立开环扫点、四传感器记录和压力比分析 |
| [PcControl.py](PcControl.py) | Modbus 硬件客户端；本项目两个入口实际使用 `MT2AM8Client` |
## 项目结构 ## 项目结构
``` ```text
flow_control/ flow_control/
├── main.py # 程序入口 ├── main.py
├── flow_control.py # 闭环控制层 ├── open_loop.py
├── controllers.py # 增量式 PID ├── flow_control.py
├── config.py # 集中配置与校验 ├── controllers.py
├── data_logger.py # CSV 记录 + 曲线图 ├── config.py
├── performance_reporter.py # 稳态判定 + 性能报告 ├── data_logger.py
├── PcControl.py # Modbus 硬件客户端 ├── performance_reporter.py
├── data/ # 每次运行的 CSV / PNG ├── PcControl.py
└── logs/ # 运行日志 ├── README.md
├── data/ # 闭环 CSV / PNG；历史数据可能已人工分组
├── open_loop_data/ # 开环 CSV / PNG（首次运行时创建）
└── logs/ # flow_control.log / open_loop.log
``` ```