安全控制工程培训课件

第4章安全控制工程郭冬云安全工程安全控制工程安全控制工程是应用控制论基本原理和方法，研究安全系统的特性及安全控制规律的学科。学习和研究安全控制工程是为了运用控制论的思想与方法对研究和解决安全工程问题起到一定的指导作用。主要内容控制论理论基础安全控制工程理论安全控制的实现系统危险控制的基本措施1控制论理论基础1.1控制论的基本概念控制论的定义与发展过程从20世纪40年代发展起来的控制论科学，专门研究各类系统的调节与控制的一般规律，已经广泛应用于工程、生物、社会、经济等各个领域，促进了各科学的快速发展。1948年，美国数学家、生物学家诺伯特·维纳专著《控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学）》从20世纪80年代开始，安全工程学界也开始了对控制论的研究和应用，取得了一些研究成果，丰富了安全科学的理论体系。1控制论理论基础德国学者Kalman在1981年出版的德文版“安全科学导论”一书中提出控制论和安全科学这一命题。1982年，我国有学者提出：安全系统属于人-机控制系统，可以用控制论进行研究；1988年，在北京“人-机工程、职业安全和卫生、环境保护”国际会议上，我国学者首次提出：运用现代控制理论建立以年度为单位的离散型安全控制论的数学模型（以数量化理论为基础的），并且运用卡尔曼滤波器进行系统状态的最优估计。1控制论理论基础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。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。1控制论理论基础调节与控制的概念调节及其方式：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水平的偏差进行调节。（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。1控制论理论基础调节与控制的概念控制及其方式：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，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：

①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；

②随动控制：使系统状态跟随某个变化着的目标，如导弹控制。1控制论理论基础控制的基本方式（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。（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。

（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。1控制论理论基础控制论的研究方法信息方法：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。“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。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。1控制论理论论基础控制论的主主要研究内内容（1）控制系统统的模型（2）控制系统统的性质（3）控制系统统的设计（4）系统控制制规律的求求解（5）系统状态态估计（6）系统辨识识1控制论理论论基础控制论的重重要作用（1）对自然科科学和社会会科学研究究具有普遍遍方法论的的意义（2）在促进人人类社会进进步和经济济发展方面面有重要作作用（3）有助于提提高制定政政策的科学学性、准确确性和有效效性（4）提高企业业生产管理理和经营水水平1控制论理论论基础1.2系统的状态态空间模型型1、状态状状态是系统在特定定时刻的运运行状况的的总称。

在任意意时刻，系系统的状态态用状态变变量xi,i=1,2,…,n来刻划状态态变量可以以写成n维列向量，，x=(x1,x2,…xn)T，称状态向向量系统在在某一初始始时刻t0的状态与从从t0时刻后系统统所受作用用一起决定定系统在未未来某一时时刻t1的状态。2．系统的状状态方程3．系统的输输出方程4．系统的状状态空间表表达式一、安全控控制工程的的基本概念念（一）安全全控制工程程的定义安全控制工工程是应用控制制论的一般般原理和方方法研究安安全控制系系统的调节节与控制规规律的一门门学科。安全控制系系统由各种相互互制约和影影响的安全全要素所组组成的，具具有一定安安全特征和和功能的安安全整体。。安全要素包包括：1）安全物质：工具设备备、能源、、危险物质质、人员、、资金等。。2）安全信息：政策、法法规、指令令、情报等等。安全控制系系统的特点点：具有一般技技术系统的的全部特征征是其他生产产、社会、、经济系统统的保障系系统包括人这一一最活跃的的因素受到到的的随随机机干干扰扰非非常常显显著著，，研研究究更更复复杂杂。。2安全全控控制制工工程程理理论论（二二））安安全全控控制制系系统统的的分分类类（1）宏宏观观安安全全控控制制系系统统各级级行行政政主主管管部部门门，，以以国国家家法法律律、、法法规规为为依依据据，，应应用用安安全全监监察察、、检检查查、、经经济济调调控控等等手手段段，，实实现现整整个个社社会会、、部部门门或或企企业业的的安安全全生生产产目目标标的的全全部部活活动动。。采采用用的的手手段段主主要要有有：：法法制制手手段段、、经经济济手手段段和和教教育育手手段段等等。。被控控系系统统：：各各种种生生产产、、经经营营系系统统反馈馈手手段段：：各各种种安安全全检检查查和和安安全全信信息息统统计计控制制器器：：各各级级安安全全监监察察管管理理部部门门控制制目目标标：：国国家家安安全全生生产产方方针针和和安安全全指指标标2安全全控控制制工工程程理理论论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观安安全全控控制制系系统统模模型型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观安安全全控控制制系系统统简简化化模模型型（2）微微观观安安全全控控制制系系统统微观观安安全全控控制制系系统统是是指指应应用用工工程程技技术术和和安安全全技技术术手手段段，，防防止止在在特特定定生生产产和和经经营营活活动动中中发发生生事事故故的的全全部部活活动动。。被控控系系统统：：具具体体的的生生产产和和经经营营活活动动反馈馈手手段段：：安安全全状状态态检检测测控制制器器：：安安全全技技术术和和安安全全管管理理控制制目目标标：：实实现现安安全全生生产产2安全全控控制制工工程程理理论论（三三））安安全全控控制制工工程程的的一一般般分分析析程程序序1）绘绘制制安安全全系系统统框框图图；；2）建建立立安安全全控控制制系系统统模模型型；；3）对对模模型型进进行行计计算算和和决决策策；；4）综综合合分分析析与与验验证证。。2安全全控控制制工工程程理理论论二、、安安全全系系统统的的控控制制方方式式（一一））安安全全系系统统的的控控制制特特性性1.状态态的的触触发发性性和和不不可可逆逆性性：：系统统的的状状态态常常表表现现为为由由无无事事故故时时0至事事故故时时1的突突然然跃跃变变。。系系统统从从0变到到1后，，状状态态是是不不可可逆逆的的。。2.随机机性性：：事故故的的发发生生具具有有极极大大的的偶偶然然性性。。3.系统统的的自自组组织织性性：：在系系统统状状态态发发生生异异常常情情况况时时，，无无须须外外部部指指令令，，管管理理机机构构和和各各子子系系统统自自行行采采取取措措施施，，以以控控制制危危险险的的能能力力。。2安全全控控制制工工程程理理论论二、、安安全全系系统统的的控控制制方方式式（二二））安全全系系统统的的控控制制原原则则1．首首选选前前馈馈控控制制方方式式前馈馈控控制制指指对对系系统统的的输输入入进进行行检检测测，，以以消消除除有有害害输输入入或或针针对对不不同同情情况况采采取取相相应应的的控控制制措措施施，，以以保保证证系系统统的的安安全全。。现实实应应用用如如：：工工作作人人员员的的选选拔拔、、培培训训、、添添置置新新的的安安全全装装备备等等。。2安全全控控制制工工程程理理论论输出判定决策检测输入干扰系统控制2．合合理理使使用用各各种种反反馈馈控控制制方方式式（1）局局部部状状态态反反馈馈对对各各种种状状态态信信息息实实时时检检测测。。（2）事故故后后反反馈馈目的的是是为为了了防防止止事事故故的的重重复复发发生生。。（3）负负反反馈馈控控制制合合理理、、适适度度使使用用。。对对缺缺点点错错误误批批评评、、惩惩罚罚。。（4）正正反反馈馈控控制制对对安安全全上上表表现现好好的的职职工工或或部部门门表表扬扬、、奖奖励励。。3．建建立立多多级级递递阶阶控控制制体体系系提高高下下属属层层次次的的自自组组织织能能力力，，使使之之具具有有较较高高的的控控制制能能力力。。各各级级管管理理层层的的自自组组织织能能力力表表现现在在：：1）了了解解下下层层危危险险源源的的有有关关事事故故结结构构信信息息2）掌掌握握危危险险源源的的动动态态信信息息3）熟熟悉悉危危险险分分析析技技术术，，善善于于用用之之解解决决问问题题4）经经验验丰丰富富，，应应变变能能力力强强4．力力争争实实现现闭闭环环控控制制闭环环控控制制系系统统是自自动动控控制制的的核核心心。。安安全全管管理理工工作作部部署署应应当当设设法法形形成成一一种种自自动动反反馈馈机机制制，，以以提提高高工工作作效效率率。。三、、安安全全控控制制系系统统的的模模型型及及其其求求解解宏观观安安全全管管理理中中所所使使用用的的一一种种安安全全控控制制系系统统模模型型（一一））安安全全控控制制系系统统状状态态方方程程根据据近近年年发发展展起起来来的的大大系系统统理理论论,采用变量量集结法法，输出出变量为为年度““千人人伤亡率率”Y(k)，系统的的输入变变量为危危险指数数H（k）和控制制作用C（k）。因此,下列差分分方程成成立:Y(k)=Y(k)––Y(k-1)=-C(k)Y(k-1)+H(k)(1)2安全控制制工程理理论进一步整整理式(1)则有Y(k)=[1-C(k)]Y(k-1)+H(k)(2)这便是安安全控制制论的状状态方程程。（二）安安全控制制系统参参数辨识识根据系统统的输出出反推系系统参数数，这就就是所谓谓系统参参数辨识识问题。。若在一段段时间内内C、H保持不变变,对式(2)进行Z变换,得通解为为:Y(k)=H/C+[Y(0)-H/C](1-C)k(3)令1-C=e-b经变换得得:Y(k)=Y(0)e-bk+(H/C)(1-e-bk)(4)从式(4)可以看到到:一、促进安全全管理现现代化（一）建建立符合合安全控控制工程程原则的的管理体体系1）安全管管理机构构的设置置应采用多多层次的的递阶控控制结构构,各层次之之间及同同层次部部门之间间步调一一致协同同工作。。2）实行全全过程安安全控制制将安全控控制贯穿穿于系统统生命周周期的各各个阶段段。3安全控制的的实现（二）建立立完善的安安全信息系系统信息是控制制的基础，，计算机信信息管理系系统（MIS(ManagementInformationSystem)）正被推广广应用。建立安全信信息网络；；安全信息的的形式分为为两类：一一类是通过过安全检测测设备、仪仪器检测出出来的各种种信息；另另一类是报报告、报表表的形式。。建立危险源源结构信息息库和动态态信息库；；重视人为失失误和管理理失误方面面信息积累累。其实,安全控制论论的主要贡贡献于:“用现代控制制理论的方方法论、数数学模型和和控制机制制,使安全管理理网络以及及安全系统统工程各种种范畴的实实施,实现闭环控控制。”可以使使安全管理理向现代化化迈进一大大步,实现一次质质的飞跃,大大提高系系统的控制制能力,减少伤亡事事故。二、安全计计量（一）安全全计量的概概念指用定量的方法评价价危险发生生的概率和和危险严重重度。安全全计量是安安全工作中中非常重要要但又十分分困难的问问题。1）以美国国国防部标准准882为代表，严严重度定性性分为4级，发生概概率定量分分为5级。2）以美国DOW化学法和英英国帝国化化学公司（（ICI）的蒙特（（Mond）厂为代表表，提出危危险指数的的概念和计计算方法。。3安全控制的的实现（二）安全全控制理论论的计量方方法1）危险源的的危险指数数（H）危险指数H可看作是一一种概率的的表达形式式，它受下下列因素的的影响：采用的工艺艺、装置的的本质安全全化水平；；工人在危险险区域的工工作时间；；设计、工程程质量存在在的缺陷；；作业环境中中的不安全全条件等。。因此，有有H=hsE（1+k1）（1+k2）（（5）2）控制能能力系数数(C)三、安全全评价在对企业业进行定定量安全全评价时时，一般般以某种种安全指指标作为为评价依依据，从从安全控控制角度度看，安安全度取取决于危危险，也也取决于于控制能能力，二二者成互为抵消消关系。从逻辑上上看，安安全度的的提高会会降低负负伤率。。因此，安安全度S与负伤率率Y之间满足足如下微微分方程程：dS=dY/Y其解为：：S=Gln（1/Y）3安全控制制的实现现四、安全全控制的的基本策策略从控制理理论角度度分析安安全问题题可以得得出的几几点结论论：（1）系统不安安全状态态是系统统内在结结构、系系统输入入、环境境干扰扰等因素素综合作作用结果果；（2）系统的可可控性是是系统的的固有特特性；（3）在系统安安全可控控的前提提下，采采取适当当的控制制措施，，可使系系统控制制在安全全状态；；（4）安全控制制系统中中人是最重要要的因素素。3安全控制制的实现现（一）建建立本质质安全型型系统指系统的的内在结结构上具具有不易易发生事事故，且且能承受受人为操操作失误误，部件件失效的的影响，，在事故故发生后后具有自自我保护护能力的的系统。。以此相相关的措措施有：：防止危险险产生的的条件；；降低危险险的危害害程度；；防止已存存在危险险的释放放；改变危险险源中危危险释放放的速率率或空间间分布；；改变危险险的相关关基本特特性；增加被保保护对性性对危险险的耐受受能力。。将危险源源和需要要保护的的对象从从时间和和空间上上隔开。。在危险源源于被保保护对象象之间设设置物质质屏障。。稳定、修修护和复复原被破破坏的物物体。（二）消消除人的的不安全全因素切实做到到“时时讲安安全、处处处想安安全、事事事先安安全、人人人能安安全”。（1）对特殊殊岗位工工作人员员职业适适应性测测评；（2）加强安安全教育育与训练练；（3）充分发发挥安全全信息的的作用。。信息是控控制的基基础，没没有信息息就谈不不上控制制。安全信息息分为两两类：通过安全全检测设设备、仪仪器检测测出来的的各种新新，多用用于微观观控制中中；报告、报报表的形形式，多多用于宏宏观控制制中。一、降低低事故发发生概率率的措施施二、降低低事故严严重度的的措施三、加强强安全管管理的措措施4系统危险险控制的的基本措措施一、降低低事故发发生概率率的措施施（一）提提高设备备的可靠靠性提高元件件的可靠靠性选用结构构性能好好、可靠靠性高的的元器件件；严格检修修、合理理使用、、定期更更换元器器件。增加备用用系统例：设备备A发生故障障的概率率为0.05,则用两套套A设备分别别作为主主用和备备用,那么两套套设备同同时发生生故障的的概率为为:0.0025，大大提提高了可可靠性。。对于恶劣劣环境下下运行的的设备采采取安全全保护措措施例：对于于处于腐腐蚀环境境下的化化工设备备，可在在上面覆覆盖各种种保护层层，把被被保护设设备与腐腐蚀性介介质隔开开。对于于井下的的设备，，应控制制温度、、湿度和和风速。。4）加强预预防性维维修4系统危险险控制的的基本措措施（二二））选选用用可可靠靠的的工工艺艺技技术术，，降降低低危危险险因因素素感感度度感度度：是是危危险险因因素素转转化化成成为为事事故故的的难难易易程程度度。。通通过过可可靠靠的的工工艺艺技技术术可可以以控控制制感感度度。。例：：放炮炮时时使使用用水水炮炮泥泥，，煤煤矿矿用用火火药药中中加加入入消消焰焰剂剂、、井井巷巷工工程程中中打打眼眼时时采采用用湿湿式式打打眼眼等等。。（三三））提提高高系系统统抗抗灾灾能能力力抗灾灾能能力力：：当当系系统统受受到到自自然然灾灾害害和和外外界界事事物物的的干干扰扰时时，，自自动动抵抵抗抗而而不不发发生生事事故故的的能能力力或或指指系系统统中中出出现现某某危危险险事事件件时时，，系系统统自自动动将将事事态态控控制制在在一一定定范范围围内内能能力力。。例：：提提高高煤煤矿矿生生产产系系统统的的抗抗灾灾能能力力，，应应该该建建立立隔隔爆爆岩岩水水棚棚和和风风电电闭闭锁锁装装置置、、采采区区独独立立通通风风；；矿矿井井主主要要设设备备实实行行双双回回路路供供电电，，选选择择备备用用设设备备等等。。（四））减少少人为为失误误加强安安全知知识,安全技技能,安全态态度等等方面面的教教育和和训练练以人人为中中心,改善工工作环环境。。提高高机械械化程程度，，以机机器代代替人人，减减少现现场的的工作作人员员。改改善人人机接接口的的安全全状态态。（五））加强强监督督及检检查建立健健全各各种机机制、、制度度，加加强安安全检检查工工作。。二、降降低事事故严严重度度的措措施事故严严重度度:事故造造成的的财产产损失失和人人员伤伤亡的的严重重程度度，其其大小小取决决于系系统中中危险险因素素转化化为事事故时时释放放的能量和系统统本身身的抗灾能能力。降低低事故故严重重度可可采取取如下下措施施：1）限制制能量量或分分散风风险限制能能量：限流流、限限压、、限速速等.分散风风险：把大大的事事故损损失划划分为为小的的事故故损失失，例：把把串联联通风风方式式改造造成工工作面面或采采