安全控制工程培訓(xùn)課件

1、第4章安全控制工程,郭冬云,安全工程,安全控制工程,安全控制工程是應(yīng)用控制論基本原理和方法，研究安全系統(tǒng)的特性及安全控制規(guī)律的學(xué)科。 學(xué)習(xí)和研究安全控制工程是為了運(yùn)用控制論的思想與方法對(duì)研究和解決安全工程問題起到一定的指導(dǎo)作用。,主要內(nèi)容,控制論理論基礎(chǔ) 安全控制工程理論 安全控制的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)危險(xiǎn)控制的基本措施,1 控制論理論基礎(chǔ),1.1 控制論的基本概念 控制論的定義與發(fā)展過程 從20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的控制論科學(xué)，專門研究各類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制的一般規(guī)律，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程、生物、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，促進(jìn)了各科學(xué)的快速發(fā)展。 1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家諾伯特維納專著控制論（或關(guān)于在

2、動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)） 從20世紀(jì)80年代開始，安全工程學(xué)界也開始了對(duì)控制論的研究和應(yīng)用，取得了一些研究成果，豐富了安全科學(xué)的理論體系。,1 控制論理論基礎(chǔ),德國(guó)學(xué)者Kalman在1981年出版的德文版“安全科學(xué)導(dǎo)論”一書中提出控制論和安全科學(xué)這一命題。 1982年，我國(guó)有學(xué)者提出：安全系統(tǒng)屬于人-機(jī)控制系統(tǒng)，可以用控制論進(jìn)行研究； 1988年，在北京“人-機(jī)工程、職業(yè)安全和衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)”國(guó)際會(huì)議上，我國(guó)學(xué)者首次提出：運(yùn)用現(xiàn)代控制理論建立以年度為單位的離散型安全控制論的數(shù)學(xué)模型（以數(shù)量化理論為基礎(chǔ)的），并且運(yùn)用卡爾曼濾波器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)。,1 控制論理論基礎(chǔ),控制論的研究對(duì)象

3、 控制論是以各種系統(tǒng)作為其研究對(duì)象的。 任何一個(gè)系統(tǒng)都是在一定的外部環(huán)境下存在和發(fā)展的，系統(tǒng)與外部環(huán)境之間有著信息、能量和物質(zhì)的交換，系統(tǒng)要對(duì)這些信息、能量和物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和加工。,1 控制論理論基礎(chǔ),調(diào)節(jié)與控制的概念 調(diào)節(jié)及其方式：對(duì)耦合運(yùn)行的系統(tǒng)從數(shù)量上或程度上進(jìn)行調(diào)整，使之適合既定目標(biāo)的要求。 調(diào)節(jié)的主要方式有： （1）平衡偏差的調(diào)節(jié)方式：根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與所需的標(biāo)準(zhǔn)水平的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。 （2）補(bǔ)償干擾的調(diào)節(jié)方式：在調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到干擾影響時(shí)，通過原設(shè)計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償作用，減輕或消除有損于系統(tǒng)耦合運(yùn)行的干擾。 （3）排除干擾的調(diào)節(jié)方式采用一定的裝置來排除外界對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響。 （4）復(fù)合調(diào)

4、節(jié)方式：上述二種或三種方式的組合，吸取各調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)。,1 控制論理論基礎(chǔ),調(diào)節(jié)與控制的概念 控制及其方式：指在各種耦合運(yùn)行的系統(tǒng)中，通過采取一定的手段，保持系統(tǒng)狀態(tài)平衡或不超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為的預(yù)期目的。 控制系統(tǒng)由被控系統(tǒng)和控制器兩大部分組成。 控制的目標(biāo)有兩種：恒值調(diào)節(jié)：在發(fā)生振動(dòng)時(shí)使系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)到給定值，如恒溫調(diào)節(jié)；隨動(dòng)控制：使系統(tǒng)狀態(tài)跟隨某個(gè)變化著的目標(biāo)，如導(dǎo)彈控制。,1 控制論理論基礎(chǔ),控制的基本方式 （1）開環(huán)控制：系統(tǒng)的輸入不受系統(tǒng)輸出的影響，而是按預(yù)先確定的規(guī)律進(jìn)行控制。 （2）閉環(huán)控制：系統(tǒng)的輸入受系統(tǒng)輸出的影響，通過對(duì)輸出取樣消除被控制量與給定目標(biāo)間的偏差。 （3

5、）程序控制：在已知系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量的前提下，預(yù)先確定出控制變量的時(shí)間序列，保證系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)間序列沿既定步驟運(yùn)行。 （4）跟蹤控制：雷達(dá)跟蹤飛機(jī) （5）最優(yōu)控制：使系統(tǒng)狀態(tài)滿足控制目標(biāo)，使某些性能指標(biāo)取得最優(yōu)。 （6）自適應(yīng)控制：自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境干擾和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，主動(dòng)調(diào)整其自身結(jié)構(gòu)和行為參數(shù)。,1 控制論理論基礎(chǔ),控制論的研究方法 信息方法：從信息及其變換過程方面來研究控制系統(tǒng)的功能，探尋控制的最佳途徑。 “黑箱”辨識(shí)方法：通過外部觀測(cè)、主動(dòng)試驗(yàn)，分析“黑箱”的輸入和輸出關(guān)系及其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過程，據(jù)此掌握“黑箱”的運(yùn)動(dòng)特征和功能結(jié)構(gòu)。 功能模擬方法：對(duì)系統(tǒng)原型的功能進(jìn)行描述的模擬，展現(xiàn)出與系統(tǒng)

6、原型行為相似的行為，揭示系統(tǒng)原型內(nèi)在特點(diǎn)和屬性。,1 控制論理論基礎(chǔ),控制論的主要研究?jī)?nèi)容 （1）控制系統(tǒng)的模型 （2）控制系統(tǒng)的性質(zhì) （3）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （4）系統(tǒng)控制規(guī)律的求解 （5）系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì) （6）系統(tǒng)辨識(shí),1 控制論理論基礎(chǔ),控制論的重要作用 （1）對(duì)自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)研究具有普遍方法論的意義 （2）在促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面有重要作用 （3）有助于提高制定政策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和有效性 （4）提高企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)水平,1 控制論理論基礎(chǔ),1.2 系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型 1、狀態(tài)狀態(tài)是系統(tǒng)在特定時(shí)刻的運(yùn)行狀況的總稱。在任意時(shí)刻，系統(tǒng)的狀態(tài)用狀態(tài)變量xi, i=1, 2, , n

7、來刻劃狀態(tài)變量可以寫成n維列向量，x=(x1,x2,xn)T，稱狀態(tài)向量系統(tǒng)在某一初始時(shí)刻t0的狀態(tài)與從t0時(shí)刻后系統(tǒng)所受作用一起決定系統(tǒng)在未來某一時(shí)刻t1的狀態(tài)。,2系統(tǒng)的狀態(tài)方程 3系統(tǒng)的輸出方程 4系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式,一、安全控制工程的基本概念 （一）安全控制工程的定義 安全控制工程是應(yīng)用控制論的一般原理和方法研究安全控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制規(guī)律的一門學(xué)科。 安全控制系統(tǒng)由各種相互制約和影響的安全要素所組成的，具有一定安全特征和功能的安全整體。 安全要素包括： 1）安全物質(zhì)：工具設(shè)備、能源、危險(xiǎn)物質(zhì)、人員、資金等。 2）安全信息：政策、法規(guī)、指令、情報(bào)等。 安全控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 具有一般技

8、術(shù)系統(tǒng)的全部特征 是其他生產(chǎn)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的保障系統(tǒng) 包括人這一最活躍的因素 受到的隨機(jī)干擾非常顯著，研究更復(fù)雜。,2 安全控制工程理論,（二）安全控制系統(tǒng)的分類 （1）宏觀安全控制系統(tǒng) 各級(jí)行政主管部門，以國(guó)家法律、法規(guī)為依據(jù)，應(yīng)用安全監(jiān)察、檢查、經(jīng)濟(jì)調(diào)控等手段，實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)、部門或企業(yè)的安全生產(chǎn)目標(biāo)的全部活動(dòng)。采用的手段主要有：法制手段、經(jīng)濟(jì)手段和教育手段等。 被控系統(tǒng)：各種生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)系統(tǒng) 反饋手段：各種安全檢查和安全信息統(tǒng)計(jì) 控制器：各級(jí)安全監(jiān)察管理部門 控制目標(biāo)：國(guó)家安全生產(chǎn)方針和安全指標(biāo),2 安全控制工程理論,宏觀安全控制系統(tǒng)模型,宏觀安全控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型,（2）微觀安全控制系統(tǒng)

9、微觀安全控制系統(tǒng)是指應(yīng)用工程技術(shù)和安全技術(shù)手段，防止在特定生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中發(fā)生事故的全部活動(dòng)。,被控系統(tǒng)：具體的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)活動(dòng) 反饋手段：安全狀態(tài)檢測(cè) 控制器：安全技術(shù)和安全管理 控制目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn),2 安全控制工程理論,（三）安全控制工程的一般分析程序 1）繪制安全系統(tǒng)框圖； 2）建立安全控制系統(tǒng)模型； 3）對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算和決策； 4）綜合分析與驗(yàn)證。,2 安全控制工程理論,二、安全系統(tǒng)的控制方式 （一）安全系統(tǒng)的控制特性 1. 狀態(tài)的觸發(fā)性和不可逆性：系統(tǒng)的狀態(tài)常表現(xiàn)為由無(wú)事故時(shí)0至事故時(shí)1的突然躍變。系統(tǒng)從0變到1后，狀態(tài)是不可逆的。 2. 隨機(jī)性：事故的發(fā)生具有極大的偶然性。 3.

10、系統(tǒng)的自組織性：在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生異常情況時(shí)，無(wú)須外部指令，管理機(jī)構(gòu)和各子系統(tǒng)自行采取措施，以控制危險(xiǎn)的能力。,2 安全控制工程理論,二、安全系統(tǒng)的控制方式 （二）安全系統(tǒng)的控制原則 1首選前饋控制方式 前饋控制指對(duì)系統(tǒng)的輸入進(jìn)行檢測(cè)，以消除有害輸入或針對(duì)不同情況采取相應(yīng)的控制措施，以保證系統(tǒng)的安全。 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用如：工作人員的選拔、培訓(xùn)、添置新的安全裝備等。,2 安全控制工程理論,2合理使用各種反饋控制方式 （1） 局部狀態(tài)反饋 對(duì)各種狀態(tài)信息實(shí)時(shí)檢測(cè)。 （2）事故后反饋 目的是為了防止事故的重復(fù)發(fā)生。 （3）負(fù)反饋控制合理、適度使用。對(duì)缺點(diǎn)錯(cuò)誤批評(píng)、懲罰。 （4） 正反饋控制 對(duì)安全上表現(xiàn)好的職工

11、或部門表?yè)P(yáng)、獎(jiǎng)勵(lì)。,3建立多級(jí)遞階控制體系 提高下屬層次的自組織能力，使之具有較高的控制能力。各級(jí)管理層的自組織能力表現(xiàn)在： 1）了解下層危險(xiǎn)源的有關(guān)事故結(jié)構(gòu)信息 2）掌握危險(xiǎn)源的動(dòng)態(tài)信息 3）熟悉危險(xiǎn)分析技術(shù)，善于用之解決問題 4）經(jīng)驗(yàn)豐富，應(yīng)變能力強(qiáng) 4力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 閉環(huán)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制的核心。安全管理工作部署應(yīng)當(dāng)設(shè)法形成一種自動(dòng)反饋機(jī)制，以提高工作效率。,三、安全控制系統(tǒng)的模型及其求解 宏觀安全管理中所使用的一種安全控制系統(tǒng)模型 （一）安全控制系統(tǒng)狀態(tài)方程 根據(jù)近年發(fā)展起來的大系統(tǒng)理論,采用變量集結(jié)法，輸出變量為年度“ 千人傷亡率” Y (k) ，系統(tǒng)的輸入變量為危險(xiǎn)指數(shù)H（k）和

12、控制作用C（k）。 因此,下列差分方程成立: Y(k) = Y(k) Y(k-1) = - C(k) Y(k- 1) + H (k) ( 1),2 安全控制工程理論,進(jìn)一步整理式( 1) 則有 Y ( k) = 1- C( k ) Y( k- 1) + H ( k) (2) 這便是安全控制論的狀態(tài)方程。 （二）安全控制系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí) 根據(jù)系統(tǒng)的輸出反推系統(tǒng)參數(shù)，這就是所謂系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)問題。 若在一段時(shí)間內(nèi)C、 H 保持不變, 對(duì)式(2) 進(jìn)行Z 變換,得通解為: Y ( k) = H / C+ Y( 0) - H / C ( 1- C)k ( 3) 令1-C=e-b經(jīng)變換得: Y( k) = Y

13、( 0) e-bk+ ( H / C) ( 1- e-bk) (4) 從式( 4)可以看到:,一、 促進(jìn)安全管理現(xiàn)代化 （一）建立符合安全控制工程原則的管理體系 1）安全管理機(jī)構(gòu)的設(shè)置 應(yīng)采用多層次的遞階控制結(jié)構(gòu), 各層次之間及同層次部門之間步調(diào)一致協(xié)同工作。 2）實(shí)行全過程安全控制 將安全控制貫穿于系統(tǒng)生命周期的各個(gè)階段。,3 安全控制的實(shí)現(xiàn),（二）建立完善的安全信息系統(tǒng) 信息是控制的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)（MIS(Management Information System)）正被推廣應(yīng)用。 建立安全信息網(wǎng)絡(luò)； 安全信息的形式分為兩類：一類是通過安全檢測(cè)設(shè)備、儀器檢測(cè)出來的各種信息；另一類

14、是報(bào)告、報(bào)表的形式。 建立危險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)信息庫(kù)和動(dòng)態(tài)信息庫(kù)； 重視人為失誤和管理失誤方面信息積累。,其實(shí), 安全控制論的主要貢獻(xiàn)于:“用現(xiàn)代控制理論的方法論、數(shù)學(xué)模型和控制機(jī)制,使安全管理網(wǎng)絡(luò)以及安全系統(tǒng)工程各種范疇的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?！?可以使安全管理向現(xiàn)代化邁進(jìn)一大步, 實(shí)現(xiàn)一次質(zhì)的飛躍, 大大提高系統(tǒng)的控制能力, 減少傷亡事故。,二、安全計(jì)量,（一）安全計(jì)量的概念 指用定量的方法評(píng)價(jià)危險(xiǎn)發(fā)生的概率和危險(xiǎn)嚴(yán)重度。安全計(jì)量是安全工作中非常重要但又十分困難的問題。 1）以美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)882為代表，嚴(yán)重度定性分為4級(jí)，發(fā)生概率定量分為5級(jí)。 2）以美國(guó)DOW化學(xué)法和英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）的蒙

15、特（Mond）廠為代表，提出危險(xiǎn)指數(shù)的概念和計(jì)算方法。,3 安全控制的實(shí)現(xiàn),（二）安全控制理論的計(jì)量方法 1）危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)指數(shù) （H） 危險(xiǎn)指數(shù)H可看作是一種概率的表達(dá)形式，它受下列因素的影響： 采用的工藝、裝置的本質(zhì)安全化水平； 工人在危險(xiǎn)區(qū)域的工作時(shí)間； 設(shè)計(jì)、工程質(zhì)量存在的缺陷； 作業(yè)環(huán)境中的不安全條件等。因此，有 H=hsE（1+k1） （1+k2） （5） 2）控制能力系數(shù)(C),三、安全評(píng)價(jià),在對(duì)企業(yè)進(jìn)行定量安全評(píng)價(jià)時(shí)，一般以某種安全指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，從安全控制角度看，安全度取決于危險(xiǎn)，也取決于控制能力，二者成互為抵消關(guān)系。 從邏輯上看，安全度的提高會(huì)降低負(fù)傷率。 因此，安全度S與

16、負(fù)傷率Y之間滿足如下微分方程： dS=dY/Y 其解為： S=Gln（1/Y）,3 安全控制的實(shí)現(xiàn),四、安全控制的基本策略,從控制理論角度分析安全問題可以得出的幾點(diǎn)結(jié)論： （1） 系統(tǒng)不安全狀態(tài)是系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)輸入、環(huán)境 干擾等因素綜合作用結(jié)果； （2） 系統(tǒng)的可控性是系統(tǒng)的固有特性； （3） 在系統(tǒng)安全可控的前提下，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，可使系統(tǒng)控制在安全狀態(tài)； （4） 安全控制系統(tǒng)中人是最重要的因素。,3 安全控制的實(shí)現(xiàn),（一）建立本質(zhì)安全型系統(tǒng) 指系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)上具有不易發(fā)生事故，且能承受人為操作失誤，部件失效的影響，在事故發(fā)生后具有自我保護(hù)能力的系統(tǒng)。以此相關(guān)的措施有： 防止危險(xiǎn)產(chǎn)生

17、的條件； 降低危險(xiǎn)的危害程度； 防止已存在危險(xiǎn)的釋放； 改變危險(xiǎn)源中危險(xiǎn)釋放的速率或空間分布； 改變危險(xiǎn)的相關(guān)基本特性； 增加被保護(hù)對(duì)性對(duì)危險(xiǎn)的耐受能力。 將危險(xiǎn)源和需要保護(hù)的對(duì)象從時(shí)間和空間上隔開。 在危險(xiǎn)源于被保護(hù)對(duì)象之間設(shè)置物質(zhì)屏障。 穩(wěn)定、修護(hù)和復(fù)原被破壞的物體。,（二）消除人的不安全因素 切實(shí)做到“時(shí)時(shí)講安全、處處想安全、事事先安全、人人能安全”。 （1）對(duì)特殊崗位工作人員職業(yè)適應(yīng)性測(cè)評(píng)； （2）加強(qiáng)安全教育與訓(xùn)練； （3）充分發(fā)揮安全信息的作用。 信息是控制的基礎(chǔ)，沒有信息就談不上控制。 安全信息分為兩類： 通過安全檢測(cè)設(shè)備、儀器檢測(cè)出來的各種新，多用于微觀控制中； 報(bào)告、報(bào)表的形

18、式，多用于宏觀控制中。,一、降低事故發(fā)生概率的措施 二、降低事故嚴(yán)重度的措施 三、加強(qiáng)安全管理的措施,4 系統(tǒng)危險(xiǎn)控制的基本措施,一、降低事故發(fā)生概率的措施,（一）提高設(shè)備的可靠性 提高元件的可靠性 選用結(jié)構(gòu)性能好、可靠性高的元器件； 嚴(yán)格檢修、合理使用、定期更換元器件。 增加備用系統(tǒng) 例：設(shè)備A發(fā)生故障的概率為0.05,則用兩套A設(shè)備分別作為主用和備用,那么兩套設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的概率為:0.0025，大大提高了可靠性。 對(duì)于惡劣環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備采取安全保護(hù)措施 例：對(duì)于處于腐蝕環(huán)境下的化工設(shè)備，可在上面覆蓋各種保護(hù)層，把被保護(hù)設(shè)備與腐蝕性介質(zhì)隔開。對(duì)于井下的設(shè)備，應(yīng)控制溫度、濕度和風(fēng)速。 4

19、）加強(qiáng)預(yù)防性維修,4 系統(tǒng)危險(xiǎn)控制的基本措施,（二）選用可靠的工藝技術(shù)，降低危險(xiǎn)因素感度 感度：是危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)化成為事故的難易程度。通過可靠的工藝技術(shù)可以控制感度。 例：放炮時(shí)使用水炮泥，煤礦用火藥中加入消焰劑、井巷工程中打眼時(shí)采用濕式打眼等。 （三）提高系統(tǒng)抗災(zāi)能力 抗災(zāi)能力：當(dāng)系統(tǒng)受到自然災(zāi)害和外界事物的干擾時(shí)，自動(dòng)抵抗而不發(fā)生事故的能力或指系統(tǒng)中出現(xiàn)某危險(xiǎn)事件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將事態(tài)控制在一定范圍內(nèi)能力。 例：提高煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，應(yīng)該建立隔爆巖水棚和風(fēng)電閉鎖裝置、采區(qū)獨(dú)立通風(fēng)；礦井主要設(shè)備實(shí)行雙回路供電，選擇備用設(shè)備等。,（四）減少人為失誤 加強(qiáng)安全知識(shí),安全技能,安全態(tài)度等方面的教育和訓(xùn)練以人為中心,改善工作環(huán)境。提高機(jī)械化程度，以機(jī)器代替人，減少現(xiàn)場(chǎng)的工作人員。改善人機(jī)接口的安全狀態(tài)。 （五）加強(qiáng)監(jiān)督及檢查 建立健全各種機(jī)制、制度，加強(qiáng)安全檢查工作。,二、降低事故嚴(yán)重度的措施,事故嚴(yán)重度: 事故造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的嚴(yán)重程度，其大小取決于系統(tǒng)中危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)化為事故時(shí)釋放的能量和