71安全控制工程解析课件

1、 第七章 安全控制工程主讲 ：肖知国河南理工大学安全学院安全工程教研室10/10/20221主讲 ：肖知国10/9/20221本章主要内容第一节 控制论理论基础第二节 安全控制工程理论第三节 安全控制的实现第四节 安全系统控制的基本措施10/10/20222安全第一，预防为主本章主要内容第一节 控制论理论基础10/9/20222安全第一节 控制论理论基础定以：安全控制工程是应用控制理论的基本原理和方法，研究安全系统的特性及安全控制规律的学科。一、 控制论的基本概念二、 系统的状态空间模型10/10/20223安全第一，预防为主第一节 控制论理论基础定以：安全控制工程是应用控制理论的基第一节 控

2、制论理论基础一、 控制论的基本概念（一） 控制论的定义与发展过程控制论(cybernetics)是研究系统的调节与控制的一般规律性的科学。1948年，美国数学家、生物学家诺伯特维纳专著控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的科学10/10/20224安全第一，预防为主第一节 控制论理论基础一、 控制论的基本概念10/9/20发展阶段：（1） 经典控制论：4050年代，建立了有关系统控制的基本概念；（2） 现代控制理论：5070年代，通过结合计算机控制技术，使控制理论的应用范围扩大，同时最优控制理论取得重大进展，控制理论的研究成果广泛应用于其它领域（3） 大系统理论：70年代以来第一节 控制论理论

3、基础10/10/20225安全第一，预防为主发展阶段：第一节 控制论理论基础10/9/20225安全第（二） 控制论的研究对象控制论是以各种系统作为其研究对象的。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发展的，系统与外部环境之间有着信息、能量和物质的交换，系统要对这些信息、能量和物质进行转换和加工。10/10/20226安全第一，预防为主（二） 控制论的研究对象控制论是以各种系统作为其研究对象（三） 调节与控制的概念1 调节及其方式调节：对耦合运行的系统从数量上或程度上进行调整，使之适合既定目标的要求。调节的主要方式有：（1） 平衡偏差的调节方式根据系统的实际输出值与所需的标准

4、水平的偏差进行调节。10/10/20227安全第一，预防为主（三） 调节与控制的概念1 调节及其方式10/9/20（三） 调节与控制的概念（2） 补偿干扰的调节方式在调节系统受到干扰影响时，通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行的干扰。 （3） 排除干扰的调节方式采用一定的装置来排除外界对调节系统的影响。（4） 复合调节方式上述二种或三种方式的组合。吸取各调节方式的优点。10/10/20228安全第一，预防为主（三） 调节与控制的概念（2） 补偿干扰的调节方式在调2、控制及其方式1） 控制的概念指在各种耦合运行的系统中，通过采取一定的手段，保持系统状态平衡或不超出标准范围，

5、实现系统行为的预期目的。控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。控制的目标有两种：恒值调节：在发生振动时使系统状态恢复到给定值，如恒温调节；随动控制：使系统状态跟随某个变化着的目标，如导弹控制。（三） 调节与控制的概念10/10/20229安全第一，预防为主2、控制及其方式（三） 调节与控制的概念10/9/202（三） 调节与控制的概念2） 控制的基本方式（1） 开环控制系统的输入不受系统输出的影响，而是按预先确定的规律进行控制，如图4-2。（2） 闭环控制系统的输入受系统输出的影响，通过对输出取样消除被控制量与给定目标间的偏差。（3） 程序控制在已知系统的状态变量和控制变量的前提下，预先确定

6、出控制变量的时间序列，保证系统状态的时间序列沿既定步骤运行。10/10/202210安全第一，预防为主（三） 调节与控制的概念2） 控制的基本方式10/9/（三） 调节与控制的概念（4） 跟踪控制雷达跟踪飞机（5） 最优控制 使系统状态满足控制目标，使某些性能指标取得最优。（6） 自适应控制自动适应环境干扰和系统结构变化，主动调整其自身结构和行为参数。10/10/202211安全第一，预防为主（三） 调节与控制的概念（4） 跟踪控制雷达跟踪飞机11、 信息方法从信息及其变换过程方面来研究控制系统的功能，探寻控制的最佳途径。2、 “黑箱”辨识方法通过外部观测、主动试验，分析“黑箱”的输入和输出关

7、系及其动态转换过程，据此掌握“黑箱”的运动特征和功能结构。3、 功能模拟方法对系统原型的功能进行描述的模拟，展现出与系统原型行为相似的行为，揭示系统原型内在特点和属性。（四） 控制论的研究方法10/10/202212安全第一，预防为主1、 信息方法从信息及其变换过程方面来研究控制系统的功能（五） 主要研究内容（1） 控制系统的模型（2） 控制系统的性质（3） 控制系统的设计（4） 系统控制规律的求解（5） 系统状态估计（6） 系统辨识10/10/202213安全第一，预防为主（五） 主要研究内容（1） 控制系统的模型10/9/20（六） 控制论的重要作用（1） 对自然科学和社会科学研究具有普遍

8、方法论的意义（2） 在促进人类社会进步和经济发展方面有重要作用（3） 运用控制理论的原理和方法，有助于提高制定政策的科学性、准确性和有效性（4）运用控制理论的原理和方法， 提高企业生产管理和经营水平10/10/202214安全第一，预防为主（六） 控制论的重要作用（1） 对自然科学和社会科学研究二、控制系统模型（一）系统的数学物理方程 是根据系统内物质、能量等守恒的原理列出的描述系统内各物理变量间的关系方程。（二）系统的传递函数10/10/202215安全第一，预防为主二、控制系统模型（一）系统的数学物理方程10/9/20221二、控制系统模型（三）系统的状态空间模型1、 状态状态是系统在特定

9、时刻的运行状况的总称。在任意时刻，系统的状态用状态变量xi, i=1, 2, ，n来刻划，状态变量可以写成n维列向量，x=(x1,x2,xn)T，称为系统的状态向量。系统在某一初始时刻t0的状态与从t0时刻后系统所受作用一起决定系统在未来某一时刻t1的状态。10/10/202216安全第一，预防为主二、控制系统模型（三）系统的状态空间模型10/9/20221（三）系统的状态空间模型2 系统的状态方程由系统的输入变量构成的列向量，成为系统的输入变量由系统的输出变量构成的列向量，成为系统的输出变量离散时间系统连续时间系统10/10/202217安全第一，预防为主（三）系统的状态空间模型2 系统的状

10、态方程离散时间系统连（三）系统的状态空间模型3 系统的输出方程离散时间系统连续时间系统4 系统的状态空间表达式10/10/202218安全第一，预防为主（三）系统的状态空间模型3 系统的输出方程离散时间系统连三、系统的可控性和可观测性（一）概念系统的可控性是指系统的状态或输出能否随系统的控制变量的改变而改变。系统的可观测性是指系统的状态能否通过对系统的输出观测而确定。（二）系统的可控性和可观测性的定义10/10/202219安全第一，预防为主三、系统的可控性和可观测性（一）概念10/9/202219安第二节 安全控制工程理论一、 基本概念（一） 安全控制工程的定义安全控制工程是应用控制论的一般

11、原理和方法研究安全控制系统的调节与控制规律的一门学科。安全控制系统由各种相互制约和影响的安全要素所组成的，具有一定安全特征和功能的安全整体。安全要素包括：1 安全物质：工具设备、能源、危险物质、人员、资金等。2 安全信息：政策、法规、指令、情报等。10/10/202220安全第一，预防为主第二节 安全控制工程理论一、 基本概念10/9/2022第二节 安全控制工程理论安全控制系统的特点：1 具有一般技术系统的全部特征2 是其他生产、社会、经济系统的保障系统3 包括人这一最活跃的因素4 受到的随机干扰非常显著，研究更复杂。10/10/202221安全第一，预防为主第二节 安全控制工程理论安全控制

12、系统的特点：10/9/2（二） 安全控制系统的分类1 宏观安全控制系统指各级行政主管部门，以国家法律、法规为依据，应用安全监察、检查、经济调控等手段，实现整个社会、部门或企业的安全生产目标的全部活动。被控系统：各种生产、经营系统反馈手段：各种安全检查和安全信息统计控制器：各级安全监察管理部门控制目标：国家安全生产方针和安全指标10/10/202222安全第一，预防为主（二） 安全控制系统的分类1 宏观安全控制系统指各生产安全检测危险分析安全评价改进方案决策修改设计隐患整改管理改进人员变动教育培训标准技术经济分析上级指示宏观安全控制系统模型10/10/202223安全第一，预防为主生产安全检测危

13、险分析安全评价改进方案决策修改设计标准技术经济安全状况安全检查社会生产系统安全决策安全目标环境影响宏观安全控制系统简化模型10/10/202224安全第一，预防为主安全状况安全检查社会生产系统安全决策安全目标环境影响宏观安全（二） 安全控制系统的分类2 微观安全控制系统微观安全控制系统是指应用工程技术和安全技术手段，防止在特定生产和经营活动中发生事故的全部活动。被控系统：具体的生产和经营活动反馈手段：安全状态检测控制器：安全技术和安全管理控制目标：实现安全生产10/10/202225安全第一，预防为主（二） 安全控制系统的分类2 微观安全控制系统微观（三）安全控制工程的一般分析程序1）绘制安全

14、系统框图；2）建立安全控制系统模型3）对模型进行计算和决策4）综合分析与验证10/10/202226安全第一，预防为主（三）安全控制工程的一般分析程序1）绘制安全系统框图；10/二、 安全系统的控制方式（一） 安全系统的控制特性1. 状态的触发性和不可逆性系统的状态常表现为由无事故时0至事故时1的突然跃变。系统从0变到1后，状态是不可逆的2. 随机性事故的发生具有极大的偶然性。3.系统的自组织性在系统状态发生异常情况时，无须外部指令，管理机构和各子系统自行采取措施，以控制危险的能力。10/10/202227安全第一，预防为主二、 安全系统的控制方式（一） 安全系统的控制特性10（二） 安全系统

15、的控制原则1 首选前馈控制方式前馈控制指对系统的输入进行检测，以消除有害输入或针对不同情况采取相应的控制措施，以保证系统的安全。 现实应用如：工作人员的选拔、培训、添置新的安全装备等。输出判定决策检测输入干扰系统控制10/10/202228安全第一，预防为主（二） 安全系统的控制原则1 首选前馈控制方式输出判（二） 安全系统的控制原则2 合理使用各种反馈控制方式（1） 局部状态反馈对各种状态信息实时检测（2） 事故后反馈（3） 负反馈控制合理、适度使用对缺点错误批评、惩罚（4） 正反馈控制对安全上表现好的职工或部门表扬、奖励10/10/202229安全第一，预防为主（二） 安全系统的控制原则2

16、 合理使用各种反馈控制方（二） 安全系统的控制原则3 建立多级递阶控制体系 提高下属层次的自组织能力，使之具有较高的控制能力。各级管理层的自组织能力表现在：1）了解下层危险源的有关事故结构信息2）掌握危险源的动态信息3）熟悉危险分析技术，善于用之解决问题4）经验丰富，应变能力强4 力争实现闭环控制10/10/202230安全第一，预防为主（二） 安全系统的控制原则3 建立多级递阶控制体系1三 安全控制系统的模型及其求解（一）安全控制系统状态方程（二）安全控制系统的参数辨识10/10/202231安全第一，预防为主三 安全控制系统的模型及其求解（一）安全控制系统状态方程10第三节 安全控制的实现

17、一、 促进安全管理现代化（一）建立符合安全控制工程原则的管理体系1 安全管理机构的设置 应采用多层次的递阶控制结构2 实行全过程安全控制 将安全控制贯穿于系统生命周期的各个阶段10/10/202232安全第一，预防为主第三节 安全控制的实现一、 促进安全管理现代化10/9/20一、 促进安全管理现代化（二） 建立完善的安全信息系统 信息是控制的基础，计算机信息管理系统（MIS）正被推广应用。建立安全信息网络建立危险源结构信息库和动态信息库重视人为失误和管理失误方面信息积累10/10/202233安全第一，预防为主一、 促进安全管理现代化（二） 建立完善的安全信息系统1二、安全计量（一）安全计量

18、的概念指用定量的方法评价危险发生的概率和危险严重度。安全计量是安全工作中非常重要但又十分困难的问题。1）以美国国防部标准882为代表，严重度定性分为4级，发生概率定量分为5级。2）dow化学法（二）安全控制理论的计量方法1. 危险源的危险指数 2.控制能力系数10/10/202234安全第一，预防为主二、安全计量（一）安全计量的概念10/9/202234安全第三、安全评价在对企业进行定量安全评价时，一般以某种安全指标作为评价依据，从安全控制角度看，安全度取决于危险，也取决于控制能力，二者成互为抵消关系。10/10/202235安全第一，预防为主三、安全评价在对企业进行定量安全评价时，一般以某种

19、安全指标作四、安全控制的基本策略从控制理论角度分析安全问题可以得出的几点结论：（1） 系统不安全状态是系统内在结构、系统输入、环境干扰等因素综合作用结果；（2） 系统的可控性是系统的固有特性（3） 在系统安全可控的前提下，采取适当的控制措施，可使系统控制在安全状态（4） 安全控制系统中人是最重要的因素10/10/202236安全第一，预防为主四、安全控制的基本策略从控制理论角度分析安全问题可以得出的几四、安全控制的基本策略（一） 建立本质安全型系统指系统的内在结构上具有不易发生事故，且能承受人为操作失误，部件失效的影响，在事故发生后具有自我保护能力的系统。（二） 消除人的不安全因素（1） 对特

20、殊岗位工作人员职业适应性测评（2） 加强安全教育与训练。（3） 充分发挥安全信息的作用10/10/202237安全第一，预防为主四、安全控制的基本策略（一） 建立本质安全型系统指系统第四节 系统危险控制的基本措施一、降低事故发生概率的措施二、降低事故严重度的措施前两部分已经在安全方法论讲过三、加强安全管理的措施10/10/202238安全第一，预防为主第四节 系统危险控制的基本措施一、降低事故发生概率的措施10第一节 本质安全化方法一、降低事故发生概率的措施二、降低事故严重度的措施10/10/202239安全第一，预防为主第一节 本质安全化方法一、降低事故发生概率的措施10/9/2一、降低事故

21、发生概率的措施 1提高设备的可靠性1）提高元件的可靠性选用结构性能好、可靠性高的元器件严格检修、合理使用、定期更换元器件10/10/202240安全第一，预防为主一、降低事故发生概率的措施 1提高设备的可靠性10/9/2一、降低事故发生概率的措施1提高设备的可靠性2）增加备用系统例：设备A发生故障的概率为0.05,则用两套A设备分别作为主用和备用,那么两套设备同时发生故障的概率为:0.0025，大大提高了可靠性.举例：矿山主要通风机有两台，一台工作，一台备用。注意: 对于某些关键性的重要设备应做到瞬时、自动切换10/10/202241安全第一，预防为主一、降低事故发生概率的措施1提高设备的可靠

22、性10/9/201提高设备的可靠性3）对于恶劣环境下运行的设备采取安全保护措施 举例：对于处于腐蚀环境下的化工设备，可在上面覆盖各种保护层，把被保护设备与腐蚀性介质隔开。对于井下的设备，应控制温度、湿度和风速。4）加强预防性维修一、降低事故发生概率的措施10/10/202242安全第一，预防为主1提高设备的可靠性一、降低事故发生概率的措施10/9/20一、降低事故发生概率的措施2选用可靠的工艺技术，降低危险因素感度感度：是危险因素转化成为事故的难易程度。通过可靠的工艺技术可以控制感度。举例：放炮时使用水炮泥，打眼时采用湿式打眼等。10/10/202243安全第一，预防为主一、降低事故发生概率的

23、措施2选用可靠的工艺技术，降低危险因一、降低事故发生概率的措施3提高系统抗灾能力抗灾能力：当系统受到自然灾害和外界事物的干扰时，自动抵抗而不发生事故的能力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范围内能力。举例：煤矿下的隔爆岩棚、水棚和风电闭锁装置、采区独立通风、工作面有双出口等10/10/202244安全第一，预防为主一、降低事故发生概率的措施3提高系统抗灾能力10/9/204减少人为失误加强安全知识,安全技能,安全态度等方面的教育和训练以人为中心,改善工作环境提高机械化程度，以机器代替人，减少现场的工作人员。改善人机接口的安全状态 5加强监督及检查建立健全各种机制、制度，加强安全检查工作一、降