121 lines
5.8 KiB
Markdown
121 lines
5.8 KiB
Markdown
# 气体流量闭环控制系统
|
||
|
||
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](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](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
|
||
|
||
```
|
||
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
|
||
|
||
```bash
|
||
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
|
||
|
||
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），
|
||
日志同时写入 [logs/flow_control.log](logs/flow_control.log)。
|
||
2. **逐周期数据**：每次运行生成 `data/flow_run_<时间戳>.csv`。
|
||
3. **曲线图**：与 CSV 同名的 PNG 三联图（流量响应 / 阀门开度 / 压力）。
|
||
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）
|
||
- 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](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](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）
|
||
|
||
## 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
|
||
```
|