安全工程學(xué)7安全控制工程

第七章平安控制工程2/1/20241本章主要內(nèi)容第一節(jié)

控制論理論根底第二節(jié)

平安控制工程理論第三節(jié)平安控制的實(shí)現(xiàn)第四節(jié)平安系統(tǒng)控制的根本措施2/1/20242.第一節(jié)

控制論理論根底定以：平安控制工程是應(yīng)用控制理論的根本原理和方法，研究平安系統(tǒng)的特性及平安控制規(guī)律的學(xué)科。一、控制論的根本概念二、系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型

2/1/20243.第一節(jié)

控制論理論根底一、控制論的根本概念〔一〕控制論的定義與開(kāi)展過(guò)程控制論(cybernetics)是研究系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制的一般規(guī)律性的科學(xué)。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)于動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)?2/1/20244.開(kāi)展階段：〔1〕經(jīng)典控制論：40~50年代，建立了有關(guān)系統(tǒng)控制的根本概念；〔2〕現(xiàn)代控制理論：50~70年代，通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，使控制理論的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，同時(shí)最優(yōu)控制理論取得重大進(jìn)展，控制理論的研究成果廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域〔3〕大系統(tǒng)理論：70年代以來(lái)第一節(jié)

控制論理論根底2/1/20245.〔二〕

控制論的研究對(duì)象控制論是以各種系統(tǒng)作為其研究對(duì)象的。

系統(tǒng)的五大特性。任何一個(gè)系統(tǒng)都是在一定的外部環(huán)境下存在和開(kāi)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。2/1/20246.〔三〕

調(diào)節(jié)與控制的概念1．調(diào)節(jié)及其方式調(diào)節(jié)：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)。2/1/20247.〔三〕

調(diào)節(jié)與控制的概念〔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(guò)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?！?〕排除干擾的調(diào)節(jié)方式

采用一定的裝置來(lái)排除外界對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響?！?〕復(fù)合調(diào)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)。2/1/20248.2、控制及其方式1〕

控制的概念指在各種耦合運(yùn)行的系統(tǒng)中，通過(guò)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?？刂葡到y(tǒng)由被控系統(tǒng)和控制器兩大局部組成。

控制的目標(biāo)有兩種：①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)；②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。〔三〕

調(diào)節(jié)與控制的概念2/1/20249.〔三〕

調(diào)節(jié)與控制的概念2〕

控制的根本方式〔1〕開(kāi)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，如圖4-2。〔2〕閉環(huán)控制

系統(tǒng)的輸入受系統(tǒng)輸出的影響，通過(guò)對(duì)輸出取樣消除被控制量與給定目標(biāo)間的偏差?！?〕程序控制

在系統(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。2/1/202410.〔三〕

調(diào)節(jié)與控制的概念〔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)?！?〕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)。2/1/202411.1、

信息方法

從信息及其變換過(guò)程方面來(lái)研究控制系統(tǒng)的功能，探尋控制的最正確途徑。2、

“黑箱〞辨識(shí)方法

通過(guò)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(guò)程，據(jù)此掌握“黑箱〞的運(yùn)動(dòng)特征和功能結(jié)構(gòu)。3、

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)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?！菜摹?/p>

控制論的研究方法2/1/202412.〔五〕

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)2/1/202413.〔六〕

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)開(kāi)展方面有重要作用〔3〕運(yùn)用控制理論的原理和方法，有助于提高制定政策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和有效性〔4〕運(yùn)用控制理論的原理和方法，提高企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)水平2/1/202414.二、控制系統(tǒng)模型〔一〕系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理方程是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量等守恒的原理列出的描述系統(tǒng)內(nèi)各物理變量間的關(guān)系方程。〔二〕系統(tǒng)的傳遞函數(shù)2/1/202415.二、控制系統(tǒng)模型〔三〕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來(lái)刻劃，狀態(tài)變量可以寫(xiě)成n維列向量，x=(x1,x2,…xn)T，稱為系統(tǒng)的狀態(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(lái)某一時(shí)刻t1的狀態(tài)。2/1/202416.〔三〕系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型2．

系統(tǒng)的狀態(tài)方程由系統(tǒng)的輸入變量構(gòu)成的列向量，成為系統(tǒng)的輸入變量由系統(tǒng)的輸出變量構(gòu)成的列向量，成為系統(tǒng)的輸出變量

離散時(shí)間系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)2/1/202417.〔三〕系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型3．

系統(tǒng)的輸出方程離散時(shí)間系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)4．

系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式2/1/202418.三、系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性〔一〕概念系統(tǒng)的可控性是指系統(tǒng)的狀態(tài)或輸出能否隨系統(tǒng)的控制變量的改變而改變。系統(tǒng)的可觀測(cè)性是指系統(tǒng)的狀態(tài)能否通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸出觀測(cè)而確定?！捕诚到y(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性的定義2/1/202419.第二節(jié)

平安控制工程理論一、根本概念〔一〕

平安控制工程的定義平安控制工程是應(yīng)用控制論的一般原理和方法研究平安控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制規(guī)律的一門學(xué)科。平安控制系統(tǒng)由各種相互制約和影響的平安要素所組成的，具有一定平安特征和功能的平安整體。平安要素包括：

1．平安物質(zhì)：工具設(shè)備、能源、危險(xiǎn)物質(zhì)、人員、資金等。

2．平安信息：政策、法規(guī)、指令、情報(bào)等。2/1/202420.第二節(jié)

平安控制工程理論平安控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：1．

具有一般技術(shù)系統(tǒng)的全部特征2．

是其他生產(chǎn)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的保障系統(tǒng)3．

包括人這一最活潑的因素4．

受到的隨機(jī)干擾非常顯著，研究更復(fù)雜。2/1/202421.〔二〕

平安控制系統(tǒng)的分類1．

宏觀平安控制系統(tǒng)

指各級(jí)行政主管部門，以國(guó)家法律、法規(guī)為依據(jù)，應(yīng)用平安監(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)的平安生產(chǎn)目標(biāo)的全部活動(dòng)。被控系統(tǒng)：各種生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)反響手段：各種平安檢查和平安信息統(tǒng)計(jì)控制器：各級(jí)平安監(jiān)察管理部門控制目標(biāo)：國(guó)家平安生產(chǎn)方針和平安指標(biāo)2/1/202422.生產(chǎn)平安檢測(cè)危險(xiǎn)分析平安評(píng)價(jià)改進(jìn)方案決策修改設(shè)計(jì)隱患整改管理改進(jìn)人員變動(dòng)教育培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析上級(jí)指示宏觀平安控制系統(tǒng)模型2/1/202423.平安狀況平安檢查社會(huì)生產(chǎn)系統(tǒng)平安決策平安目標(biāo)環(huán)境影響宏觀平安控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型2/1/202424.〔二〕

平安控制系統(tǒng)的分類2．

微觀平安控制系統(tǒng)

微觀平安控制系統(tǒng)是指應(yīng)用工程技術(shù)和平安技術(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)反響手段：平安狀態(tài)檢測(cè)控制器：平安技術(shù)和平安管理控制目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)平安生產(chǎn)2/1/202425.〔三〕平安控制工程的一般分析程序1〕繪制平安系統(tǒng)框圖；2〕建立平安控制系統(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2/1/202426.二、

平安系統(tǒng)的控制方式〔一〕

平安系統(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.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。2/1/202427.〔二〕

平安系統(tǒng)的控制原那么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)的平安?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用如：工作人員的選拔、培訓(xùn)、添置新的平安裝備等。輸出判定決策檢測(cè)輸入干擾系統(tǒng)控制2/1/202428.〔二〕

平安系統(tǒng)的控制原那么2．

合理使用各種反響控制方式〔1〕局部狀態(tài)反響

對(duì)各種狀態(tài)信息實(shí)時(shí)檢測(cè)〔2〕

事故后反響〔3〕負(fù)反響控制

合理、適度使用

對(duì)缺點(diǎn)錯(cuò)誤批評(píng)、懲罰〔4〕正反響控制

對(duì)平安上表現(xiàn)好的職工或部門表?yè)P(yáng)、獎(jiǎng)勵(lì)

2/1/202429.〔二〕

平安系統(tǒng)的控制原那么3．

建立多級(jí)遞階控制體系提高低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(wèn)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

2/1/202430.三平安控制系統(tǒng)的模型及其求解〔一〕平安控制系統(tǒng)狀態(tài)方程〔二〕平安控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)2/1/202431.第三節(jié)平安控制的實(shí)現(xiàn)一、促進(jìn)平安管理現(xiàn)代化〔一〕建立符合平安控制工程原那么的管理體系1．

平安管理機(jī)構(gòu)的設(shè)置

應(yīng)采用多層次的遞階控制結(jié)構(gòu)2．

實(shí)行全過(guò)程平安控制

將平安控制貫穿于系統(tǒng)生命周期的各個(gè)階段2/1/202432.一、促進(jìn)平安管理現(xiàn)代化〔二〕

建立完善的平安信息系統(tǒng)信息是控制的根底，計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)〔MIS〕正被推廣應(yīng)用。建立平安信息網(wǎng)絡(luò)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2/1/202433.二、平安計(jì)量〔一〕平安計(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。平安計(jì)量是平安工作中非常重要但又十分困難的問(wèn)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〕dow化學(xué)法〔二〕平安控制理論的計(jì)量方法1.危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)指數(shù)2.控制能力系數(shù)2/1/202434.三、平安評(píng)價(jià)在對(duì)企業(yè)進(jìn)行定量平安評(píng)價(jià)時(shí)，一般以某種平安指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，從平安控制角度看，平安度取決于危險(xiǎn)，也取決于控制能力，二者成互為抵消關(guān)系。2/1/202435.四、平安控制的根本策略從控制理論角度分析平安問(wèn)題可以得出的幾點(diǎn)結(jié)論：〔1〕系統(tǒng)不平安狀態(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)平安可控的前提下，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧墒瓜到y(tǒng)控制在平安狀態(tài)〔4〕平安控制系統(tǒng)中人是最重要的因素2/1/202436.四、平安控制的根本策略〔一〕

建立本質(zhì)平安型系統(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)?！捕?/p>

消除人的不平安因素

〔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)平安教育與訓(xùn)練。

〔3〕

充分發(fā)揮平安信息的作用

2/1/202437.第四節(jié)系統(tǒng)危險(xiǎn)控制的根本措施一、降低事故發(fā)生概率的措施二、降低事故嚴(yán)重度的措施前兩局部已經(jīng)在平安方法論講過(guò)三、加強(qiáng)平安管理的措施2/1/202438.第一節(jié)本質(zhì)平安化方法一、降低事故發(fā)生概率的措施二、降低事故嚴(yán)重度的措施2/1/202439.一、降低事故發(fā)生概率的措施1．提高設(shè)備的可靠性1〕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2/1/202440.一、降低事故發(fā)生概率的措施1．提高設(shè)備的可靠性2〕增加備用系統(tǒng)例：設(shè)備A發(fā)生故障的概率為0.05,那么用兩套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.舉例：礦山主要通風(fēng)機(jī)有兩臺(tái)，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。注意:對(duì)于某些關(guān)鍵性的重要設(shè)備應(yīng)做到瞬時(shí)、自動(dòng)切換2/1/202441.1．提高設(shè)備的可靠性3〕對(duì)于惡劣環(huán)境下運(yùn)行的設(shè)備采取平安保護(hù)措施舉例：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(kāi)。對(duì)于井下的設(shè)備，應(yīng)控制溫度、濕度和風(fēng)速。4〕加強(qiáng)預(yù)防性維修一、降低事故發(fā)生概率的措施2/1/202442.一、降低事故發(fā)生概率的措施2．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(guò)可靠的工藝技術(shù)可以控制感度。舉例：放炮時(shí)使用水炮泥，打眼時(shí)采用濕式打眼等。2/1/202443.一、降低事故發(fā)生概率的措施3．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。舉例：煤礦下的隔爆巖棚、水棚和風(fēng)電閉鎖裝置、采區(qū)獨(dú)立通風(fēng)、工作面有雙出口等2/1/202444.4．減少人為失誤加強(qiáng)平安知識(shí),平安技能,平安態(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)接口的平安狀態(tài)5．加強(qiáng)監(jiān)督及檢查建立健全各種機(jī)制、制度，加強(qiáng)平安檢查工作一、降低