安全工程学7安全控制工程ppt课件

1、 第七章第七章 平安控制工程平安控制工程本章主要内容本章主要内容p第一节第一节 控制论实际根底控制论实际根底p第二节第二节 平安控制工程实际平安控制工程实际p第三节第三节 平安控制的实现平安控制的实现p第四节第四节 平安系统控制的根本措施平安系统控制的根本措施第一节第一节控制论实际根底控制论实际根底定以：平安控制工程是运用控制实际的根本原理定以：平安控制工程是运用控制实际的根本原理和方法，研讨平安系统的特性及平安控制规律的和方法，研讨平安系统的特性及平安控制规律的学科。学科。一、一、控制论的根本概念控制论的根本概念二、二、系统的形状空间模型系统的形状空间模型第一节第一节控制论实际根底控制论实际

2、根底p一、一、控制论的根本概念控制论的根本概念p一一控制论的定义与开展过程控制论的定义与开展过程p控制论控制论cybernetics是研讨系统的调理与控制是研讨系统的调理与控制的普通规律性的科学。的普通规律性的科学。p1948年，美国数学家、生物学家诺伯特年，美国数学家、生物学家诺伯特维纳专著维纳专著?控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的科学控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的科学?开展阶段：开展阶段：1经典控制论：经典控制论：4050年代，建立了有关系年代，建立了有关系统控制的根本概念；统控制的根本概念；2现代控制实际：现代控制实际：5070年代，经过结合计年代，经过结合计算机控制技术，

3、使控制实际的运用范围扩展，同算机控制技术，使控制实际的运用范围扩展，同时最优控制实际获得艰苦进展，控制实际的研讨时最优控制实际获得艰苦进展，控制实际的研讨成果广泛运用于其它领域成果广泛运用于其它领域3大系统实际：大系统实际：70年代以来年代以来第一节第一节控制论实际根底控制论实际根底二二控制论的研讨对象控制论的研讨对象 控制论是以各种系统作为其研讨对象的。控制论是以各种系统作为其研讨对象的。系统的五大特性。系统的五大特性。 任何一个系统都是在一定的外部环境下存在和开任何一个系统都是在一定的外部环境下存在和开展的，系统与外部环境之间有着信息、能量和物展的，系统与外部环境之间有着信息、能量和物质的

4、交换，系统要对这些信息、能量和物质进展质的交换，系统要对这些信息、能量和物质进展转换和加工。转换和加工。三三调理与控制的概念调理与控制的概念l 1调理及其方式调理及其方式l 调理：对耦合运转的系统从数量上或程度上进展调理：对耦合运转的系统从数量上或程度上进展调整，使之适宜既定目的的要求。调整，使之适宜既定目的的要求。调理的主要方式有：调理的主要方式有：l 1平衡偏向的调理方式平衡偏向的调理方式根据系统的实践输出值与所需的规范程度的偏向根据系统的实践输出值与所需的规范程度的偏向进展调理。进展调理。三三调理与控制的概念调理与控制的概念 2补偿干扰的调理方式补偿干扰的调理方式在调理系统遭到干扰影响时

5、，经过原设计补偿系在调理系统遭到干扰影响时，经过原设计补偿系统的补偿作用，减轻或消除有损于系统耦合运转统的补偿作用，减轻或消除有损于系统耦合运转的干扰。的干扰。 3排除干扰的调理方式排除干扰的调理方式采用一定的安装来排除外界对调理系统的影响。采用一定的安装来排除外界对调理系统的影响。 4复合调理方式复合调理方式上述二种或三种方式的组合。上述二种或三种方式的组合。汲取各调理方式的优点。汲取各调理方式的优点。l 2、控制及其方式、控制及其方式l 1控制的概念控制的概念l 指在各种耦合运转的系统中，经过采取一定的手指在各种耦合运转的系统中，经过采取一定的手段，坚持系统形状平衡或不超出规范范围，实现段

6、，坚持系统形状平衡或不超出规范范围，实现系统行为的预期目的。系统行为的预期目的。l 控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。控制的目的有两种：控制的目的有两种：l 恒值调理：在发生振动时使系统形状恢复到给恒值调理：在发生振动时使系统形状恢复到给定值，如恒温调理；定值，如恒温调理；l 随动控制：使系统形状跟随某个变化着的目的，随动控制：使系统形状跟随某个变化着的目的，如导弹控制。如导弹控制。三三调理与控制的概念调理与控制的概念三三调理与控制的概念调理与控制的概念 2控制的根本方式控制的根本方式 1开环控制开环控制系统的输入不受系统输出的影响，而是按预先确系

7、统的输入不受系统输出的影响，而是按预先确定的规律进展控制，如图定的规律进展控制，如图4-2。 2闭环控制闭环控制系统的输入受系统输出的影响，经过对输出取样系统的输入受系统输出的影响，经过对输出取样消除被控制量与给定目的间的偏向。消除被控制量与给定目的间的偏向。 3程序控制程序控制在系统的形状变量和控制变量的前提下，预先确在系统的形状变量和控制变量的前提下，预先确定出控制变量的时间序列，保证系统形状的时间定出控制变量的时间序列，保证系统形状的时间序列沿既定步骤运转。序列沿既定步骤运转。三三调理与控制的概念调理与控制的概念 4跟踪控制跟踪控制雷达跟踪飞机雷达跟踪飞机 5最优控制最优控制 使系统形状

8、满足控制目的，使某些性能目的获使系统形状满足控制目的，使某些性能目的获得最优。得最优。 6自顺应控制自顺应控制自动顺应环境干扰和系统构造变化，自动调整其自动顺应环境干扰和系统构造变化，自动调整其本身构造和行为参数。本身构造和行为参数。 1、信息方法信息方法从信息及其变换过程方面来研讨控制系统的功能，从信息及其变换过程方面来研讨控制系统的功能，探寻控制的最正确途径。探寻控制的最正确途径。 2、“黑箱辨识方法黑箱辨识方法经过外部观测、自动实验，分析经过外部观测、自动实验，分析“黑箱的输入黑箱的输入和输出关系及其动态转换过程，据此掌握和输出关系及其动态转换过程，据此掌握“黑箱黑箱的运动特征和功能构造

9、。的运动特征和功能构造。 3、功能模拟方法功能模拟方法对系统原型的功能进展描画的模拟，展现出与系对系统原型的功能进展描画的模拟，展现出与系统原型行为类似的行为，提示系统原型内在特点统原型行为类似的行为，提示系统原型内在特点和属性。和属性。四四控制论的研讨方法控制论的研讨方法五五主要研讨内容主要研讨内容 1控制系统的模型控制系统的模型 2控制系统的性质控制系统的性质 3控制系统的设计控制系统的设计 4系统控制规律的求解系统控制规律的求解 5系统形状估计系统形状估计 6系统辨识系统辨识六六控制论的重要作用控制论的重要作用 1对自然科学和社会科学研讨具有普遍方法对自然科学和社会科学研讨具有普遍方法论

10、的意义论的意义 2在促进人类社会提高和经济开展方面有重在促进人类社会提高和经济开展方面有重要作用要作用 3运用控制实际的原理和方法，有助于提高运用控制实际的原理和方法，有助于提高制定政策的科学性、准确性和有效性制定政策的科学性、准确性和有效性 4运用控制实际的原理和方法，运用控制实际的原理和方法，提高企业消提高企业消费管理和运营程度费管理和运营程度二、控制系统模型二、控制系统模型u一系统的数学物理方程一系统的数学物理方程u是根据系统内物质、能量等守恒的原理列出是根据系统内物质、能量等守恒的原理列出的描画系统内各物理变量间的关系方程。的描画系统内各物理变量间的关系方程。u二系统的传送函数二系统的

11、传送函数二、控制系统模型二、控制系统模型u三系统的形状空间模型三系统的形状空间模型u1、形状形状u形状是系统在特定时辰的运转情况的总称。形状是系统在特定时辰的运转情况的总称。u在恣意时辰，系统的形状用形状变量在恣意时辰，系统的形状用形状变量xi,i=1,2,，n来刻划，形状变量可以写成来刻划，形状变量可以写成n维列向量，维列向量，x=x1,x2,xnT，称为系统的形状向量。，称为系统的形状向量。u系统在某一初始时辰系统在某一初始时辰t0的形状与从的形状与从t0时辰后系统时辰后系统所受作用一同决议系统在未来某一时辰所受作用一同决议系统在未来某一时辰t1的形状。的形状。三系统的形状空间模型三系统的

12、形状空间模型 2 2 系统的形状方程系统的形状方程 由系统的输入变量构成的列向量，成为系统的输由系统的输入变量构成的列向量，成为系统的输入变量入变量 由系统的输出变量构成的列向量，成为系统的输由系统的输出变量构成的列向量，成为系统的输出变量出变量)(),()1(kukxfkx)(),()()( tutxfdttdxtx离散时间系统离散时间系统延续时间系统延续时间系统三系统的形状空间模型三系统的形状空间模型 3系统的输出方程系统的输出方程离散时间系统离散时间系统延续时间系统延续时间系统)(),()(kukxfky)(),()(tutxfty)(),()()(),() 1(kukxfkykukxf

13、kx 4系统的形状空间表达式系统的形状空间表达式三、系统的可控性和可观测性三、系统的可控性和可观测性u一概念一概念u系统的可控性是指系统的形状或输出能否随系统系统的可控性是指系统的形状或输出能否随系统的控制变量的改动而改动。的控制变量的改动而改动。u系统的可观测性是指系统的形状能否经过对系统系统的可观测性是指系统的形状能否经过对系统的输出观测而确定。的输出观测而确定。u二系统的可控性和可观测性的定义二系统的可控性和可观测性的定义第二节第二节平安控制工程实际平安控制工程实际p一、一、根本概念根本概念p一一平安控制工程的定义平安控制工程的定义p平安控制工程是运用控制论的普通原理和方法研平安控制工程

14、是运用控制论的普通原理和方法研讨平安控制系统的调理与控制规律的一门学科。讨平安控制系统的调理与控制规律的一门学科。p平安控制系统由各种相互制约和影响的平安要素平安控制系统由各种相互制约和影响的平安要素所组成的，具有一定平安特征和功能的平安整体。所组成的，具有一定平安特征和功能的平安整体。平安要素包括：平安要素包括：1平安物质：工具设备、能源、危险物质、人平安物质：工具设备、能源、危险物质、人员、资金等。员、资金等。2平安信息：政策、法规、指令、情报等。平安信息：政策、法规、指令、情报等。第二节第二节平安控制工程实际平安控制工程实际 平安控制系统的特点：平安控制系统的特点： 1具有普通技术系统的

15、全部特征具有普通技术系统的全部特征 2是其他消费、社会、经济系统的保证系统是其他消费、社会、经济系统的保证系统 3包括人这一最活泼的要素包括人这一最活泼的要素 4遭到的随机干扰非常显著，研讨更复杂。遭到的随机干扰非常显著，研讨更复杂。二二平安控制系统的分类平安控制系统的分类 1宏观平安控制系统宏观平安控制系统指各级行政主管部门，以国家法律、法规为根据，指各级行政主管部门，以国家法律、法规为根据，运用平安监察、检查、经济调控等手段，实现整运用平安监察、检查、经济调控等手段，实现整个社会、部门或企业的平安消费目的的全部活动。个社会、部门或企业的平安消费目的的全部活动。 被控系统：各种消费、运营系统

16、被控系统：各种消费、运营系统 反响手段：各种平安检查和平安信息统计反响手段：各种平安检查和平安信息统计 控制器：各级平安监察管理部门控制器：各级平安监察管理部门 控制目的：国家平安消费方针和平安目的控制目的：国家平安消费方针和平安目的消费平安检测危险分析平安评价改良方案决策修正设计隐患整改管理改良人员变动教育培训规范技术经济分析上级指示宏观平安控制系统模型平安情况平安检查社会消费系统平安决策平安目的环境影响宏观平安控制系统简化模型二二平安控制系统的分类平安控制系统的分类 2微观平安控制系统微观平安控制系统微观平安控制系统是指运用工程技术和平安技术微观平安控制系统是指运用工程技术和平安技术手段，

17、防止在特定消费和运营活动中发惹事故的手段，防止在特定消费和运营活动中发惹事故的全部活动。全部活动。 被控系统：详细的消费和运营活动被控系统：详细的消费和运营活动 反响手段：平安形状检测反响手段：平安形状检测 控制器：平安技术和平安管理控制器：平安技术和平安管理 控制目的：实现平安消费控制目的：实现平安消费三平安控制工程的普通分析程序三平安控制工程的普通分析程序 1绘制平安系统框图；绘制平安系统框图； 2建立平安控制系统模型建立平安控制系统模型 3对模型进展计算和决策对模型进展计算和决策 4综合分析与验证综合分析与验证二、二、平安系统的控制方式平安系统的控制方式u一一平安系统的控制特性平安系统的

18、控制特性u1.形状的触发性和不可逆性形状的触发性和不可逆性系统的形状常表现为由无事故时系统的形状常表现为由无事故时0至事故时至事故时1的忽的忽然跃变。然跃变。系统从系统从0变到变到1后，形状是不可逆的后，形状是不可逆的u2.随机性随机性事故的发生具有极大的偶尔性。事故的发生具有极大的偶尔性。u3.系统的自组织性系统的自组织性在系统形状发生异常情况时，无须外部指令，管在系统形状发生异常情况时，无须外部指令，管理机构和各子系统自行采取措施，以控制危险的理机构和各子系统自行采取措施，以控制危险的才干。才干。二二平安系统的控制原那么平安系统的控制原那么 1首选前馈控制方式首选前馈控制方式 前馈控制指对

19、系统的输入进展检测，以消除有害前馈控制指对系统的输入进展检测，以消除有害输入或针对不同情况采取相应的控制措施，以保输入或针对不同情况采取相应的控制措施，以保证系统的平安。证系统的平安。 现实运用如：任务人员的选拔、培训、添置新的现实运用如：任务人员的选拔、培训、添置新的平安配备等。平安配备等。输出断定决策检测输入干扰系统控制二二平安系统的控制原那么平安系统的控制原那么 2合理运用各种反响控制方式合理运用各种反响控制方式 1部分形状反响部分形状反响对各种形状信息实时检测对各种形状信息实时检测 2事故后反响事故后反响 3负反响控制负反响控制合理、适度运用合理、适度运用对缺陷错误批判、惩罚对缺陷错误

20、批判、惩罚 4正反响控制正反响控制对平安上表现好的职工或部门表扬、奖励对平安上表现好的职工或部门表扬、奖励二二平安系统的控制原那么平安系统的控制原那么 3建立多级递阶控制体系建立多级递阶控制体系 提高低属层次的自组织才干，使之具有较高的提高低属层次的自组织才干，使之具有较高的控制才干。各级管理层的自组织才干表如今：控制才干。各级管理层的自组织才干表如今： 1了解下层危险源的有关事故构造信息了解下层危险源的有关事故构造信息 2掌握危险源的动态信息掌握危险源的动态信息 3熟习危险分析技术，擅长用之处理问题熟习危险分析技术，擅长用之处理问题 4阅历丰富，应变才干强阅历丰富，应变才干强 4力争实现闭环

21、控制力争实现闭环控制三三平安控制系统的模型及其求解平安控制系统的模型及其求解 一平安控制系统形状方程一平安控制系统形状方程 二平安控制系统的参数辨识二平安控制系统的参数辨识第三节第三节平安控制的实现平安控制的实现p一、一、 促进平安管理现代化促进平安管理现代化p一建立符合平安控制工程原那么的管理体系一建立符合平安控制工程原那么的管理体系p1 1 平安管理机构的设置平安管理机构的设置 应采用多层次的递阶控制构造应采用多层次的递阶控制构造p2 2 实行全过程平安控制实行全过程平安控制 将平安控制贯穿于系统生命周期的各个阶段将平安控制贯穿于系统生命周期的各个阶段一、一、促进平安管理现代化促进平安管理

22、现代化u二二建立完善的平安信息系统建立完善的平安信息系统u信息是控制的根底，计算机信息管理系统信息是控制的根底，计算机信息管理系统MIS正被推行运用。正被推行运用。u建立平安信息网络建立平安信息网络u建立危险源构造信息库和动态信息库建立危险源构造信息库和动态信息库u注重人为失误和管理失误方面信息积累注重人为失误和管理失误方面信息积累二、平安计量二、平安计量 一平安计量的概念一平安计量的概念 指用定量的方法评价危险发生的概率和危险严重指用定量的方法评价危险发生的概率和危险严重度。平安计量是平安任务中非常重要但又非常困度。平安计量是平安任务中非常重要但又非常困难的问题。难的问题。 1以美国国防部规

23、范以美国国防部规范882为代表，严重度定性分为代表，严重度定性分为为4级，发生概率定量分为级，发生概率定量分为5级。级。 2dow化学法化学法 二平安控制实际的计量方法二平安控制实际的计量方法 1.危险源的危险指数危险源的危险指数2.控制才干系数控制才干系数三、平安评价三、平安评价 在对企业进展定量平安评价时，普通以某种平安在对企业进展定量平安评价时，普通以某种平安目的作为评价根据，从平安控制角度看，平安度目的作为评价根据，从平安控制角度看，平安度取决于危险，也取决于控制才干，二者成互为抵取决于危险，也取决于控制才干，二者成互为抵消关系。消关系。四、平安控制的根本战略四、平安控制的根本战略 从

24、控制实际角度分析平安问题可以得出的几点结从控制实际角度分析平安问题可以得出的几点结论：论： 1系统不平安形状是系统内在构造、系统输系统不平安形状是系统内在构造、系统输入、环境干扰等要素综协作用结果；入、环境干扰等要素综协作用结果； 2系统的可控性是系统的固有特性系统的可控性是系统的固有特性 3在系统平安可控的前提下，采取适当的控在系统平安可控的前提下，采取适当的控制措施，可使系统控制在平安形状制措施，可使系统控制在平安形状 4平安控制系统中人是最重要的要素平安控制系统中人是最重要的要素四、平安控制的根本战略四、平安控制的根本战略 一一建立本质平安型系统建立本质平安型系统指系统的内在构造上具有不

25、易发惹事故，且能接指系统的内在构造上具有不易发惹事故，且能接受人为操作失误，部件失效的影响，在事故发生受人为操作失误，部件失效的影响，在事故发生后具有自我维护才干的系统。后具有自我维护才干的系统。 二二消除人的不平安要素消除人的不平安要素1对特殊岗位任务人员职业顺应性测评对特殊岗位任务人员职业顺应性测评2加强平安教育与训练。加强平安教育与训练。3充分发扬平安信息的作用充分发扬平安信息的作用第四节第四节系统危险控制的根本措施系统危险控制的根本措施n一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施n二、降低事故严重度的措施二、降低事故严重度的措施n前两部分曾经在平安方法论讲过前两部分曾经在平安

26、方法论讲过n三、加强平安管理的措施三、加强平安管理的措施第一节第一节本质平安化方法本质平安化方法n一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施n二、降低事故严重度的措施二、降低事故严重度的措施一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施u 1 1提高设备的可靠性提高设备的可靠性u1 1提高元件的可靠性提高元件的可靠性u选用构造性能好、可靠性高的元器件选用构造性能好、可靠性高的元器件u严厉检修、合理运用、定期改换元器件严厉检修、合理运用、定期改换元器件一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施u1 1提高设备的可靠性提高设备的可靠性u2 2添加备用系统添加备用系统u例：

27、设备例：设备A A发生缺点的概率为发生缺点的概率为0.05,0.05,那么用两套那么用两套A A设设备分别作为主用和备用备分别作为主用和备用, ,那么两套设备同时发生缺点那么两套设备同时发生缺点的概率为的概率为:0.0025:0.0025，大大提高了可靠性，大大提高了可靠性. .u举例：矿山主要通风机有两台，一台任务，一台备举例：矿山主要通风机有两台，一台任务，一台备用。用。u留意留意: : 对于某些关键性的重要设备应做到瞬时、自动对于某些关键性的重要设备应做到瞬时、自动切换切换u1 1提高设备的可靠性提高设备的可靠性u3 3对于恶劣环境下运转的设备采取平安维护措对于恶劣环境下运转的设备采取平

28、安维护措施施u 举例：对于处于腐蚀环境下的化工设备，可在举例：对于处于腐蚀环境下的化工设备，可在上面覆盖各种维护层，把被维护设备与腐蚀性介上面覆盖各种维护层，把被维护设备与腐蚀性介质隔开。对于井下的设备，应控制温度、湿度和质隔开。对于井下的设备，应控制温度、湿度和风速。风速。u4 4加强预防性维修加强预防性维修一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施u2选用可靠的工艺技术，降低危险要素感度选用可靠的工艺技术，降低危险要素感度u感度：是危险要素转化成为事故的难易程度。感度：是危险要素转化成为事故的难易程度。u经过可靠的工艺技术可以控

29、制感度。经过可靠的工艺技术可以控制感度。u举例：放炮时运用水炮泥，打眼时采用湿式打眼举例：放炮时运用水炮泥，打眼时采用湿式打眼等。等。一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施u3提高系统抗灾才干提高系统抗灾才干u抗灾才干：当系统遭到自然灾祸和外界事物的干抗灾才干：当系统遭到自然灾祸和外界事物的干扰时，自动抵抗而不发惹事故的才干或指系统中扰时，自动抵抗而不发惹事故的才干或指系统中出现某危险事件时，系统自动将事态控制在一定出现某危险事件时，系统自动将事态控制在一定范围内才干。范围内才干。u举例：煤矿下的隔爆岩棚、水棚和风电闭锁安装、举例：煤矿下的隔爆岩棚、水棚和风电闭锁安装、采区独立通风、任务面有双出口等采区独立通风、任务面有双出口等u4减少人为失误减少人为失误u加强平安知识加强平安知识,平安技艺平安技艺,平安态度等方面的教育平安态度等方面的教育和训练和训练u以人为中心以人为中心,改善任务环境改善任务环境u提高机械化程度，以机器替代人，减少现场的任提高机械化程度，以机器替代人，减少现场的任务人员。务人员。u改善人机接口的平安形状改善人机接口的平安形状u5加强监视及检查加强监视及检查u建立健全各种机制、制度，加强平安检查任务建立健