补充前馈+增益调度（MFC 结构）的 README 文档

2026-09-01 04:04:34 +08:00
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@@ -1,12 +1,14 @@
 # 气体流量控制与阀门开环标定

-本项目基于艾莫迅 **MT2-AM8 模拟量采集/输出模块**，提供三个可独立运行的入口：
+本项目基于艾莫迅 **MT2-AM8 模拟量采集/输出模块**，提供三个可独立运行的在线入口和两个离线工具：

- [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。
+- [main.py](main.py)：以 10 Hz 周期运行单回路气体流量闭环控制，支持增量式 PID，并可选“前馈反解打底 + PI 修残差”与按阀前压力缩放增益的增益调度；
+- [open_loop.py](open_loop.py)：随机扫描阀门开度，采集阀前/阀后的压力与阀后流量，用于开环标定、动态特性观察和临界压力比分析。
 - [test_valve.py](test_valve.py)：在 Windows 终端中手动切换阀门开度，同时观察并记录流量、压力和电机行程。
+- [identify_valve.py](identify_valve.py)：离线从开环扫点 CSV 拟合阀特性表，产出供前馈使用的 `valve_model.json`。
+- [test_valve_model.py](test_valve_model.py)：阀特性模型与前馈反解的离线自测，不接触硬件。

-三个入口都会持续保存 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。
+三个在线入口都会持续保存 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。

 ## 重要安全说明

@@ -35,10 +37,11 @@
 | --- | ---: | --- |
 | 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` |
+| 阀前压力（前馈/增益调度/开环共用） | `AI2` | `config.PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` / `open_loop.PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` |
 | 电机位置指令 | `AO1` | `config.MOTOR_OUTPUT_CHANNEL` |

+> 控流阀前的流量传感器（原 `AI3`）已删除，`open_loop.FLOW_BEFORE_CHANNEL` 现为 `None`：开环 CSV 的 `flow_before_slm` 列与 PNG 中的 “Flow before valve” 曲线将保持为空。
+
 开度与行程的默认映射为：

 ```text
@@ -143,13 +146,58 @@ NEAR -> FAR ：|error| >= far_threshold，连续满足 10 个采样周期

 运行中修改目标后，模式确认计数会清零。如果尚无有效流量，或新目标相对最后有效流量的误差大于 `near_threshold`，控制器立即回到 `FAR`；若误差仍处于 NEAR 阈值内，则保持当前模式。PID 的累计输出和误差历史不会因修改目标而整体重置，性能报告器则会重置并从新目标重新计时、判稳和统计超调。

+### 前馈 + 增益调度（MFC 结构）
+
+闭环默认仍为纯增量式 PID；在确认阀前压力接线、并用 [identify_valve.py](identify_valve.py) 拟合出阀特性表后，可切换到“前馈反解打底 + PI 修残差”的市面 MFC 结构，并可叠加按阀前压力缩放增益的增益调度。
+
+静态阀特性建模为：
+
+```text
+Q_ss = A_eff(x) · P1_abs · F(r)
+
+F(r) 为压比函数，r = P2_abs / P1_abs：
+  阻塞流（r <= 0.528）时 F = 1；
+  亚声速（0.528 < r < 1）时按 ISO 6358 椭圆平滑衰减；
+  r >= 1 时无正向流，F = 0。
+```
+
+开启前馈后，控制周期内的输出计算变为：
+
+```text
+前馈开度 opening_ff = 反解(目标流量, 阀前压 P1, 阀后压 P2)
+PI 修正量 correction = PI(目标流量 - 实测流量)   # 输出限幅改为对称 ±带
+开度 = clamp(opening_ff + correction, 0, 100)
+```
+
+即前馈把开度送到稳态工作点附近，PI 只负责修正模型残差和动态偏差；PI 输出不再是 `0~100%` 的全行程，而是围绕前馈的小幅修正（限幅由 `FEEDFORWARD_CORRECTION_BAND_PCT` 控制，默认 ±20%）。前馈无法反解时（例如压比下无正向流、压力缺失）会自动退化为纯 PID。
+
+增益调度把 FAR/NEAR 的 Kp、Ki 按阀前绝对压力缩放，摊平 K_x ∝ P1 的非线性：
+
+```text
+scale = GAIN_SCHEDULE_REF_ABS_KPA / max(P1_abs, GAIN_SCHEDULE_FLOOR_ABS_KPA)
+Kp_eff = scale · Kp_base，Ki_eff = scale · Ki_base   # Kd 不调度
+```
+
+`scale` 相对变化超过 `GAIN_SCHEDULE_SCALE_CHANGE_THRESHOLD`（默认 5%）才重算并写入 PID，避免每个周期都更新增益。
+
+三项均通过 `config.py` 中的开关启用，默认全部关闭：
+
+| 开关 | 默认 | 说明 |
+| --- | --- | --- |
+| `FEEDFORWARD_ENABLED` | `False` | 启用前馈反解打底 + PI 修残差 |
+| `GAIN_SCHEDULE_ENABLED` | `False` | 启用按阀前压力缩放 Kp/Ki |
+| `VALVE_MODEL_PATH` | `""` | 阀特性表 JSON 路径（空串 = 关闭前馈） |
+| `PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` | `2` | 阀前压力 P1 的 AI 通道 |
+
+前馈生效需同时满足：`FEEDFORWARD_ENABLED=True`、`VALVE_MODEL_PATH` 指向有效 JSON、`PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` 与 `PRESSURE_INPUT_CHANNEL` 均已配置。任一条件缺失时自动退化为纯 PID，并在启动日志中提示。
+
 ### 运行输出

 每次闭环运行会产生：

 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。
+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；启用前馈时，开度子图会叠加虚线显示前馈开度。
 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。

 闭环 CSV 字段：
@@ -159,7 +207,11 @@ NEAR -> FAR ：|error| >= far_threshold，连续满足 10 个采样周期
 | `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 |
+| `pressure_kpa` | 阀后压力；未启用或读取失败时为空 |
+| `pressure_before_kpa` | 阀前压力 P1；未启用或读取失败时为空 |
+| `feedforward_pct` | 前馈开度；未启用前馈时为空 |
+| `correction_pct` | PI 修正量（±带内）；未启用前馈时为空 |
+| `gain_scale` | 增益调度缩放系数；未启用调度时为 `1.0` |
 | `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 |
@@ -177,10 +229,10 @@ NEAR -> FAR ：|error| >= far_threshold，连续满足 10 个采样周期

 ## 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：
+[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 `5%` 的 21 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
+写入开度 -> 每 0.1 s 采集阀前/阀后压力与阀后流量
         -> 等待阀后流量稳定，或等待满 60 s
         -> 切换到下一个开度
 ```
@@ -207,7 +259,7 @@ 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。
+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。由于阀前流量传感器已删除，“阀前流量”曲线与 `flow_before_slm` 列保持为空。

 压力比按下式计算：

@@ -236,6 +288,29 @@ python test_valve.py

 > 此脚本不会调用 `config.validate_config()`，也没有闭环/开环程序中的流量越限、压力越限或连续读取失败保护。运行前应人工完成配置核对，并确保测试人员能够立即切断气源或执行急停。

+## 阀特性辨识与离线自测
+
+前馈需要一张 `A_eff(x)` 阀特性表。先用 [open_loop.py](open_loop.py) 扫点得到开环 CSV，再用 [identify_valve.py](identify_valve.py) 离线拟合：
+
+```powershell
+python identify_valve.py --csv open_loop_data/open_loop_YYYYMMDD_HHMMSS.csv --out valve_model.json [--tail 20] [--plot]
+```
+
+- 按 `step_index` 分组，每组取末尾 `--tail` 个采样点平均，得到稳态 `(行程 x, 流量 Q, 阀前压 P1, 阀后压 P2)`；
+- 对每个稳态点反解 `A_eff = Q / (P1_abs · F(r))`；
+- 按行程升序构表并做单调性检查；若整体非单调，只保留最长单调连续段，其余点丢弃并给出警告；
+- 用 [valve_model.py](valve_model.py) 存成 JSON，并打印阻塞/亚声速点数等摘要；加 `--plot` 额外生成诊断图。
+
+将 `config.VALVE_MODEL_PATH` 指到该 JSON、确认 `PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` 接线无误、并把 `FEEDFORWARD_ENABLED` 设为 `True` 后，闭环即可启用前馈。
+
+[test_valve_model.py](test_valve_model.py) 是纯计算离线自测，不接触硬件，可在任意环境运行：
+
+```powershell
+python test_valve_model.py
+```
+
+它校验压比函数 `F(r)`、绝对压力换算、`A_eff` 插值与前馈反解互逆，以及 `identify_valve` 端到端辨识。
+
 ## 安全与故障处理

 ### 闭环
@@ -283,6 +358,14 @@ python test_valve.py
 | `PID_MODE_SWITCH_CONFIRM_CYCLES` | `10` | 模式切换条件需连续满足的采样周期数（当前约 1 秒） |
 | `MOTOR_CLOSED_POSITION` / `MOTOR_OPEN_POSITION` | `1000` / `800` | 当前反向控制区间；打开端为机械死区边界 |
 | `INITIAL_OPENING_PCT` | `100` | 闭环 PID 内部初始输出 |
+| `PRESSURE_BEFORE_CHANNEL` | `2` | 阀前压力 P1 的 AI 通道（前馈/增益调度/开环共用）；可设为 `None` |
+| `VALVE_MODEL_PATH` | `""` | 阀特性表 JSON 路径；空串关闭前馈 |
+| `FEEDFORWARD_ENABLED` | `False` | 是否启用前馈反解打底 + PI 修残差 |
+| `FEEDFORWARD_CORRECTION_BAND_PCT` | `20` | 前馈开启时 PI 修正量的对称限幅（±%） |
+| `GAIN_SCHEDULE_ENABLED` | `False` | 是否启用按阀前压力缩放 Kp/Ki |
+| `GAIN_SCHEDULE_REF_ABS_KPA` | `501.325` | 满压调好基准增益对应的绝对压力（400 + 101.325） |
+| `GAIN_SCHEDULE_FLOOR_ABS_KPA` | `60` | 绝对压力下限，防止 P1 很低时增益爆炸 |
+| `GAIN_SCHEDULE_SCALE_CHANGE_THRESHOLD` | `0.05` | scale 相对变化超过此值才重算增益 |
 | `FLOW_VALID_MIN_SLM` / `FLOW_VALID_MAX_SLM` | `0` / `300` | 流量安全范围 |
 | `MAX_PRESSURE_KPA` | `500` | 压力安全上限，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 |
@@ -294,13 +377,16 @@ python test_valve.py
 | 文件 | 职责 |
 | --- | --- |
 | [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 |
+| [flow_control.py](flow_control.py) | 闭环控制层、传感器读取、开度/行程映射、前馈与增益调度、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 |
+| [data_logger.py](data_logger.py) | 闭环逐周期 CSV 与三联曲线图（含前馈/修正/增益调度列） |
 | [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 |
+| [open_loop.py](open_loop.py) | 独立开环扫点、传感器记录和压力比分析 |
 | [test_valve.py](test_valve.py) | Windows 终端手动开度测试、每秒采样、CSV 与三联图 |
+| [valve_model.py](valve_model.py) | 静态阀特性模型 `Q_ss = A_eff(x)·P1_abs·F(r)` 与前馈反解（纯计算） |
+| [identify_valve.py](identify_valve.py) | 从开环扫点 CSV 拟合 `A_eff(x)` 表，输出 `valve_model.json` |
+| [test_valve_model.py](test_valve_model.py) | 阀特性模型与前馈反解的离线自测 |
 | [PcControl.py](PcControl.py) | Modbus 硬件客户端；本项目三个入口实际使用 `MT2AM8Client` |

 ## 项目结构
@@ -315,10 +401,14 @@ flow_control/
 ├── config.py
 ├── data_logger.py
 ├── performance_reporter.py
+├── valve_model.py         # 静态阀特性模型与前馈反解
+├── identify_valve.py      # 从开环 CSV 拟合阀特性表
+├── test_valve_model.py    # 阀特性模型离线自测
 ├── PcControl.py
 ├── 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）
 ├── test_valve_data/       # 手动阀门测试 CSV / PNG
+├── valve_model.json       # identify_valve.py 产出的阀特性表（供前馈使用）
 └── logs/                  # flow_control.log / open_loop.log
 ```