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，提供两个可独立运行的入口：

• 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：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。

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。

重要安全说明

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。

闭环与开环程序当前采用不同的退出策略：

• 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。

硬件与默认接线

• 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；
• 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。

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：

opening =   0%  -> motor_position = 1000（关闭）
opening = 100%  -> motor_position =    0（全开）

所有闭环通道、量程和行程端值集中在 config.py；开环新增的阀前通道和实验参数位于 open_loop.py 顶部。

环境与依赖

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：

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 API 兼容的 pymodbus 版本。

闭环控制

运行

先在 config.py 中完成现场参数核对，再执行：

python main.py --target 50

--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。

运行中切换目标流量

闭环运行过程中无需重启即可切换目标流量：在终端按 S（TARGET_SWITCH_KEY）进入输入模式，屏幕会提示当前目标并等待输入，输入数字后按回车生效，按 Esc 取消。输入模式期间：

• 控制循环照常运行，原目标流量继续生效，直到回车确认新值；
• 终端输出整体静默（状态行、性能报告均不打印），避免与输入回显混在一起；
• 逐周期 CSV 与 logs/flow_control.log 照常写入，不丢数据。

新目标生效后会重置稳态判定（PerformanceReporter.reset()），因此切换后的目标仍会重新判稳并输出一次性能报告。目标值需位于 TARGET_FLOW_MIN_SLM~TARGET_FLOW_MAX_SLM 范围内，非法或超范围输入会被拒绝并提示，不影响控制。

该热键仅在真实控制台（Windows 的 msvcrt）下可用；Ctrl+C 无论是否处于输入模式都会停止控制。

启动流程为：

校验配置 -> 连接 MT2-AM8 -> 读取一次初始流量
        -> PID 输出初始化为 INITIAL_OPENING_PCT
        -> 进入周期控制（启动阶段不主动写入关闭位置）

单个控制周期为：

读取流量/压力
      |
      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

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。

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。
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：

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：

|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 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：

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：

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：

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：

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	通讯参数
FLOW_INPUT_CHANNEL / PRESSURE_INPUT_CHANNEL	1 / 0	闭环 AI 通道；压力可设为 None
MOTOR_OUTPUT_CHANNEL	1	电机 AO 通道
FLOW_METER_RANGE_SLM / PRESSURE_RANGE_KPA	300 / 400	传感器量程
TARGET_FLOW_MIN_SLM / TARGET_FLOW_MAX_SLM	0 / 300	允许的目标范围
TARGET_SWITCH_KEY	s	运行中按此键进入"输入新目标流量"模式
CONTROL_PERIOD_S / MAX_CONTROL_DT_S	0.1 / 0.3	目标周期 / 超时阈值
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
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

模块职责

文件	职责
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	闭环控制层、传感器读取、开度/行程映射和故障处理
controllers.py	通用增量式 PID，含输出限幅和输出变化率限幅
config.py	闭环集中配置和启动前校验
data_logger.py	闭环逐周期 CSV 与三联曲线图
performance_reporter.py	闭环滑窗判稳和一次性性能报告
open_loop.py	独立开环扫点、四传感器记录和压力比分析
PcControl.py	Modbus 硬件客户端；本项目两个入口实际使用 MT2AM8Client

项目结构

flow_control/
├── main.py
├── open_loop.py
├── flow_control.py
├── controllers.py
├── config.py
├── data_logger.py
├── performance_reporter.py
├── 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）
└── logs/                  # flow_control.log / open_loop.log