安全工程学7安全控制工程

1、5/1/20221 第七章第七章 安全控制工程安全控制工程.5/1/20222本章主要内容本章主要内容p第一节第一节 控制论理论基础控制论理论基础p第二节第二节 安全控制工程理论安全控制工程理论p第三节第三节 安全控制的实现安全控制的实现p第四节第四节 安全系统控制的基本措施安全系统控制的基本措施.5/1/20223第一节第一节控制论理论基础控制论理论基础定以：定以：安全控制工程是应用控制理论的基本原理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和方法，研究安全系统的特性及安全控制规律的学科。学科。p一、一、控制论的基本概念控制论的基本概念p二、二、系统的状态

2、空间模型系统的状态空间模型.5/1/20224第一节第一节控制论理论基础控制论理论基础p一、一、控制论的基本概念控制论的基本概念u（一）（一）控制论的定义与发展过程控制论的定义与发展过程 控制论控制论(cybernetics)是研究系统的调节与控制的是研究系统的调节与控制的一般规律性的科学。一般规律性的科学。 1948年，美国数学家、生物学家年，美国数学家、生物学家诺伯特诺伯特维纳维纳专专著著控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的科学科学.5/1/20225发展阶段：发展阶段： （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

3、制的基本概念；统控制的基本概念； （2）现代控制理论：现代控制理论：5070年代，通过结合计年代，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成果广泛应用于其它领域 （3）大系统理论：大系统理论：70年代以来年代以来第一节第一节控制论理论基础控制论理论基础.5/1/20226（二）（二）控制论的研究对象控制论的研究对象 控制论是以各种系统作为其研究对象的。控制论是以各种系统作为其研究对象的。系统的五大特性。系统的五大特性。 任何一个系统都是

4、在一定的外部环境下存在和发展的，系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。对这些信息、能量和物质进行转换和加工。.5/1/20227（三）（三）调节与控制的概念调节与控制的概念l 1调节及其方式调节及其方式 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。调整，使之适合既定目标的要求。调节的主要方式有：调节的主要方式有： （1）平衡偏差的调节方式平衡偏差的调节方式根据系统的实际输出值

5、与所需的标准水平的偏差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。进行调节。.5/1/20228（三）（三）调节与控制的概念调节与控制的概念 （2）补偿干扰的调节方式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统的补偿作用，减轻或消除有损于系统耦合运行的干扰。的干扰。 （3）排除干扰的调节方式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。采用一定的装置来排除外界对调节系统的影响。 （4）复合调节方式复合调节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。吸取各调节方

6、式的优点。吸取各调节方式的优点。.5/1/20229l 2、控制及其方式、控制及其方式 1）控制的概念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。系统行为的预期目的。控制系统由控制系统由被控系统和控制器被控系统和控制器两大部分组成。两大部分组成。控制的目标有两种：控制的目标有两种： 恒值调节恒值调节：在发生振动时使系统状态恢复到给：在发生振动时使系统状态恢复到给定值，如恒温调节；定值，如恒温调节； 随动控制随动控制：使系统状态跟随某个变化着的

7、目标，：使系统状态跟随某个变化着的目标，如导弹控制。如导弹控制。（三）（三）调节与控制的概念调节与控制的概念.5/1/202210（三）（三）调节与控制的概念调节与控制的概念 2）控制的基本方式控制的基本方式 （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，如图定的规律进行控制，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，通过对输出取样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。消除被控制量与给定目标间的偏差。 （3）程序控制程序控制在已知系统的状态变量和控制变量的前提

8、下，预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。时间序列沿既定步骤运行。.5/1/202211（三）（三）调节与控制的概念调节与控制的概念 （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状态满足控制目标，使某些性能指标取得使系统状态满足控制目标，使某些性能指标取得最优。最优。 （6）自适应控制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。自身结构和行为参数。.5/1/202212 1、信息方

9、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，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。探寻控制的最佳途径。 2、“黑箱黑箱”辨识方法辨识方法通过外部观测、主动试验，分析通过外部观测、主动试验，分析“黑箱黑箱”的输入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”的运动特征和功能结构。的运动特征和功能结构。 3、功能模拟方法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统原型行为相似的行为，揭示系统原型内在特点和属性。和属性。（四）

10、（四）控制论的研究方法控制论的研究方法.5/1/202213（五）（五）主要研究内容主要研究内容 （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）系统状态估计系统状态估计 （6）系统辨识系统辨识.5/1/202214（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究具有普遍方法对自然科学和社会科学研究具有普遍方法论的意义论的意义 （2）在促进人类社会进步和经济发展方面有重在促进人类社会进步和经济发展方面有重要作用要作用 （3）运用控制理论的原理和方法，有助于提

11、高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，）运用控制理论的原理和方法，提高企业生提高企业生产管理和经营水平产管理和经营水平.5/1/202215二、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是根据系统内物质、能量等守恒的原理列出的是根据系统内物质、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。描述系统内各物理变量间的关系方程。u（二）系统的传递函数（二）系统的传递函数.5/1/202216二、控制系统模型二、控制系统模型u（三）系统的状态空间模型（三）系统

12、的状态空间模型 1、状态状态 状态是系统在特定时刻的运行状况的总称。状态是系统在特定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，状态变量可以写成来刻划，状态变量可以写成n维列向量，维列向量，x=(x1,x2,xn)T，称为系统的状态向量。，称为系统的状态向量。 系统在某一初始时刻系统在某一初始时刻t0的状态与从的状态与从t0时刻后系统所时刻后系统所受作用一起决定系统在未来某一时刻受作用一起决定系统在未来某一时刻t1的状态。的状态。.5/1/202217（三）系统的状态空间模型（三）系统的状态空间模型 2 2 系统的状态方

13、程系统的状态方程 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连续时间系统连续时间系统.5/1/202218（三）系统的状态空间模型（三）系统的状态空间模型 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连续时间系统连续时间系统)(),()(kukxfky)(),()(tutxfty)(),()()(),() 1(kukxfkykukxfkx

14、 4系统的状态空间表达式系统的状态空间表达式.5/1/202219三、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）概念系统的可控性是指系统的状态或输出能否随系统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。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。的输出观测而确定。（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.5/1/202220第二节第二节安全控制工程理论安全控制工程理论p一、一、基本概念基本概念u（一）（一）安全控制工程的定义安全控制工程的定

15、义安全控制工程安全控制工程是应用控制论的一般原理和方法研是应用控制论的一般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。究安全控制系统的调节与控制规律的一门学科。安全控制系统安全控制系统由各种相互制约和影响的安全要素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。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：安全要素包括：1安全物质：安全物质：工具设备、能源、危险物质、人工具设备、能源、危险物质、人员、资金等。员、资金等。2安全信息：安全信息：政策、法规、指令、情报等。政策、法规、指令、情报等。.5/1/202221第二节第二节安全控制工程理论安全

16、控制工程理论 安全控制系统的特点：安全控制系统的特点： 1具有一般技术系统的全部特征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。受到的随机干扰非常显著，研究更复杂。.5/1/202222（二）（二）安全控制系统的分类安全控制系统的分类 1宏观安全控制系统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，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，实现整应用安全监察、检查、经济调控等手段，实现整个社会、部门

17、或企业的安全生产目标的全部活动。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控制目标：国家安全生产方针和安全指标.5/1/202223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.5/1/202224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.5/1/202

18、225（二）（二）安全控制系统的分类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微观安全控制系统是指应用工程技术和安全技术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手段，防止在特定生产和经营活动中发生事故的全部活动。全部活动。 被控系统：具体的生产和经营活动被控系统：具体的生产和经营活动 反馈手段：安全状态检测反馈手段：安全状态检测 控制器：安全技术和安全管理控制器：安全技术和安全管理 控制目标：实现安全生产控制目标：实现安全生产.5/1/202226（三）安全控制工程的一般分析程序（三）安全控制工程的一般分析程序 1）绘制安全系统框图；）绘

19、制安全系统框图； 2）建立安全控制系统模型）建立安全控制系统模型 3）对模型进行计算和决策）对模型进行计算和决策 4）综合分析与验证）综合分析与验证.5/1/202227二、二、安全系统的控制方式安全系统的控制方式u（一）（一）安全系统的控制特性安全系统的控制特性 1.状态的触发性和不可逆性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系统的状态常表现为由无事故时0至事故时至事故时1的突的突然跃变。然跃变。系统从系统从0变到变到1后，状态是不可逆的后，状态是不可逆的 2.随机性随机性事故的发生具有极大的偶然性。事故的发生具有极大的偶然性。 3.系统的自组织性系统的自组织性在系统状态发生异常

20、情况时，无须外部指令，管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，以控制危险的理机构和各子系统自行采取措施，以控制危险的能力。能力。.5/1/202228（二）（二）安全系统的控制原则安全系统的控制原则 1首选前馈控制方式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。证系统的安全。 现实应用如：工作人员的选拔、培训、添置新的现实应用如：工作人员的选拔、培训、添置新的安全装备等。安全装备等。输出判定决策检测输入干扰系

21、统控制.5/1/202229（二）（二）安全系统的控制原则安全系统的控制原则 2合理使用各种反馈控制方式合理使用各种反馈控制方式 （1）局部状态反馈局部状态反馈对各种状态信息实时检测对各种状态信息实时检测 （2）事故后反馈事故后反馈 （3）负反馈控制负反馈控制合理、适度使用合理、适度使用对缺点错误批评、惩罚对缺点错误批评、惩罚 （4）正反馈控制正反馈控制对安全上表现好的职工或部门表扬、奖励对安全上表现好的职工或部门表扬、奖励.5/1/202230（二）（二）安全系统的控制原则安全系统的控制原则 3建立多级递阶控制体系建立多级递阶控制体系提高下属层次的自组织能力，使之具有较高的控提高下属层次的自

22、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：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）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）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）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）经验丰富，应变能力强 4力争实现闭环控制力争实现闭环控制.5/1/202231三三安全控制系统的模型及其求解安全控制系统的模型及其求解 （一）安全控制系统状态方程（一）安全控制系统状态方程 （二）安全控制系统的参数辨识（二）安全控制系统的参数辨识.5/1/202232第三节

23、第三节安全控制的实现安全控制的实现p一、一、 促进安全管理现代化促进安全管理现代化u（一）建立符合安全控制工程原则的管理体系（一）建立符合安全控制工程原则的管理体系 1 1 安全管理机构的设置安全管理机构的设置 应采用多层次的递阶控制结构应采用多层次的递阶控制结构 2 2 实行全过程安全控制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将安全控制贯穿于系统生命周期的各个阶段.5/1/202233一、一、促进安全管理现代化促进安全管理现代化u（二）（二）建立完善的安全信息系统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（信息是控制的基础，计算机信息管理系统（MIS）正被

24、推广应用。正被推广应用。 建立安全信息网络建立安全信息网络 建立危险源结构信息库和动态信息库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重视人为失误和管理失误方面信息积累.5/1/202234二、安全计量二、安全计量 （一）安全计量的概念（一）安全计量的概念 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。安全计量是安全工作中非常重要但又十分困度。安全计量是安全工作中非常重要但又十分困难的问题。难的问题。 1）以美国国防部标准）以美国国防部标准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

25、分为5级。级。 2）dow化学法化学法 （二）安全控制理论的计量方法（二）安全控制理论的计量方法 1.危险源的危险指数危险源的危险指数2.控制能力系数控制能力系数.5/1/202235三、安全评价三、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，二者成互为抵取决于危险，也取决于控制能力，二者成互为抵消关系。消关系。.5/1/202236四、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从控制理论角度分析安全问题可以

26、得出的几点结论：论： （1）系统不安全状态是系统内在结构、系统输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；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安全控制系统中人是最重要的因素.5/1/202237四、四、安全控制的基本策略 （一）（一）建立本质安全型系统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，且能承指系统的内在结构上具有不

27、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。后具有自我保护能力的系统。 （二）（二）消除人的不安全因素消除人的不安全因素（1）对特殊岗位工作人员职业适应性测评对特殊岗位工作人员职业适应性测评（2）加强安全教育与训练。加强安全教育与训练。（3）充分发挥安全信息的作用充分发挥安全信息的作用.5/1/202238第四节第四节系统危险控制的基本措施系统危险控制的基本措施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前两部分已经在安全方法论讲过前两部分已经在安全方

28、法论讲过n三、加强安全管理的措施三、加强安全管理的措施.5/1/202239第一节第一节本质安全化方法本质安全化方法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.5/1/202240一、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1 1）提高元件的可靠性）提高元件的可靠性选用结构性能好、可靠性高的元器件选用结构性能好、可靠性高的元器件严格检修、合理使用、定期更换元器件严格检修、合理使用、定期更换元器件.5/1/202241一、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

29、的可靠性提高设备的可靠性2）增加备用系统）增加备用系统例：设备例：设备A A发生故障的概率为发生故障的概率为0.05,0.05,则用两套则用两套A A设备分别作为主用和备用设备分别作为主用和备用, ,那么两套设备同时发那么两套设备同时发生故障的概率为生故障的概率为:0.0025:0.0025，大大提高了可靠性，大大提高了可靠性. .矿山主要通风机有两台，一台工作，一矿山主要通风机有两台，一台工作，一台备用。台备用。对于某些关键性的重要设备应做到瞬时、对于某些关键性的重要设备应做到瞬时、自动切换自动切换.5/1/202242u1 1提高设备的可靠性提高设备的可靠性3）对于恶劣环境下运行的设备采取

30、安全保护措）对于恶劣环境下运行的设备采取安全保护措施施举例：对于处于腐蚀环境下的化工设备，可在上举例：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、湿度和风隔开。对于井下的设备，应控制温度、湿度和风速。速。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.5/1/202243一、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，降低危险因素选用可靠的工艺技术，降低危险因素感度感度感度：是危险因素转化成为事故的难易程度。：是危险因

31、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。通过可靠的工艺技术可以控制感度。放炮时使用水炮泥，打眼时采用湿式放炮时使用水炮泥，打眼时采用湿式打眼等。打眼等。.5/1/202244一、降低事故发生概率的措施一、降低事故发生概率的措施u3提高系统抗灾能力提高系统抗灾能力抗灾能力：抗灾能力：当系统受到自然灾害和外界事物的干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。范围内能力。 举例：煤矿下的隔爆岩棚、水棚和风电闭锁装置、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、工作面有双出口等采区独立通风、工作面有双出口等.5/1/202245u4减少人为失误减少人为失误 加强安全知识加强安全知识,安全技能安全技能,安全态度等方面的教育安全态度等方面的教育和训练和训练 以人为中心以人为中心,改善工作环境改善工作环境 提高机械化程度，以机器代替人，减少现场的工提高机械化程度，以机器代替人，减少现场的工作人员。作人员。 改善人机接口的安全状态改善人机接口的安全状态u5加强监督及检查加强监督及检查 建立健全各种机制、制度，加强