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。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

采集/输出模块：艾莫迅 MT2-AM8（Modbus TCP，默认 192.168.1.12:502，站号 1）
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 中集中配置，首次连接真实设备前必须核对。

架构与模块职责

文件	职责
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	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	通用增量式 PID 控制器 `IncrementalPID`（输出限幅 + 输出变化率限幅）
config.py	集中配置与 `validate_config()` 启动前校验
data_logger.py	`FlowRunRecorder`：逐周期写 CSV，运行结束生成三联曲线图
performance_reporter.py	`PerformanceReporter`：滑窗稳态判定，输出一次性性能报告
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

读取流量/压力 (MT2-AM8)
      │
      ▼
IncrementalPID.update()  ──►  开度百分比 0~100%
      │
      ▼
opening_to_motor_position()  ──►  反向行程 0~1000
      │
      ▼
hardware.set_motor_position()  ──►  Modbus TCP 写 AO

error = setpoint - measurement；PID 输出累加后统一映射为阀门开度百分比，再做行程换算，因此 PID 与执行机构解耦。

快速开始

python main.py --target 50

--target：目标流量（SLM），必须在 [TARGET_FLOW_MIN_SLM, TARGET_FLOW_MAX_SLM] 内。
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

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），日志同时写入 logs/flow_control.log。
逐周期数据：每次运行生成 data/flow_run_<时间戳>.csv。
曲线图：与 CSV 同名的 PNG 三联图（流量响应 / 阀门开度 / 压力）。
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）
- 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，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，滑窗覆盖时长允许一个控制周期的余量。

安全机制

启动前安全关阀：控制开始前先确认阀门已关闭。
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

见 config.py，常用项：

配置	默认值	说明
`MT2AM8_HOST` / `MT2AM8_PORT` / `MT2AM8_SLAVE_ID`	`192.168.1.12` / `502` / `1`	模块地址
`FLOW_INPUT_CHANNEL` / `PRESSURE_INPUT_CHANNEL` / `MOTOR_OUTPUT_CHANNEL`	`1` / `0` / `0`	AI/AO 通道（0 起始）
`FLOW_METER_RANGE_SLM` / `PRESSURE_RANGE_KPA`	`300` / `400`	量程
`CONTROL_PERIOD_S`	`0.1`	控制周期（100 ms，10 Hz）
`PID_KP` / `PID_KI` / `PID_KD`	`0.5` / `0.1` / `0.0`	安全起步 PI 参数，需现场整定
`MOTOR_CLOSED_POSITION` / `MOTOR_OPEN_POSITION`	`1000` / `0`	行程端值
`MAX_PRESSURE_KPA`	`400`	压力上限，须按管路额定压力确认
`STEADY_STATE_WINDOW_S` / `STEADY_STATE_BAND_PCT` / `STEADY_STATE_STD_PCT`	`10.0` / `1.0` / `1.0`	稳态判定参数

依赖

Python 3
pymodbus（PcControl.py 的 Modbus TCP 通讯）
matplotlib（曲线图生成，使用 Agg 后端，无显示器环境也可保存）

项目结构

flow_control/
├── main.py                    # 程序入口
├── flow_control.py            # 闭环控制层
├── controllers.py             # 增量式 PID
├── config.py                  # 集中配置与校验
├── data_logger.py             # CSV 记录 + 曲线图
├── performance_reporter.py    # 稳态判定 + 性能报告
├── PcControl.py               # Modbus 硬件客户端
├── data/                      # 每次运行的 CSV / PNG
└── logs/                      # 运行日志

README.md Unescape Escape

气体流量闭环控制系统