安全工程学7安全控制工程.ppt
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1、 第七章第七章 安全控制工程安全控制工程4/10/20231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4/10/20232安全第一,预防为主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4/10/20233安全第一,预防为主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4/10/20234安全第一,预防为主发展阶段:发展阶段:(1)经典控制论:经典控制论:4050年代,建立
3、了有关系年代,建立了有关系统控制的基本概念;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4/10/20235安全第一,预防为主(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
4、大特性。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。4/10/20236安全第一,预防为主(三)(三)调节与控制的概念调节与控制的概念l1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
5、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。4/10/20237安全第一,预防为主(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
6、上述二种或三种方式的组合。上述二种或三种方式的组合。吸取各调节方式的优点。吸取各调节方式的优点。4/10/20238安全第一,预防为主l2、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,
7、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4/10/20239安全第一,预防为主(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
8、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。4/10/202310安全第一,预防为主(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
9、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。4/10/202311安全第一,预防为主1、信息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,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
10、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)(四)控制论的研究方法控制论的研究方法4/10/202312安全第一,预防为主(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4/10/202313安全第一,预防为主(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)
11、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4/10/202314安全第一,预防为主二、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
12、系方程。u(二)系统的传递函数(二)系统的传递函数4/10/202315安全第一,预防为主二、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
13、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。4/10/202316安全第一,预防为主(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离散时间系统离散时间系统离散时间系统离散时间系统连续时间系统连续时间系统连续时间系统连续时间系统4/10/202317安全第一,预防为主(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
14、离散时间系统离散时间系统离散时间系统连续时间系统连续时间系统连续时间系统连续时间系统4系统的状态空间表达式系统的状态空间表达式4/10/202318安全第一,预防为主三、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4/10/202319安全第一,预防为主
15、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
16、:安全信息:政策、法规、指令、情报等。政策、法规、指令、情报等。4/10/202320安全第一,预防为主第二节第二节安全控制工程理论安全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。4/10/202321安全第一,预防为主(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
17、,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4/10/202322安全第一,预防为主生产生产安全检测安全检测危险分析危险分析安全评价安全评价改进方案改进方案决策决策修改设
18、计修改设计隐患整改隐患整改管理改进管理改进人员变动人员变动教育培训教育培训标准标准技术经济分析技术经济分析上级指示上级指示宏观安全控制系统模型宏观安全控制系统模型4/10/202323安全第一,预防为主安全状况安全状况安全检查安全检查社会生产系统社会生产系统安全决策安全决策安全目标安全目标环境影响环境影响宏观安全控制系统简化模型宏观安全控制系统简化模型4/10/202324安全第一,预防为主(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
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