安全工程 第四章

1、l一、一、 控制論的基本概念控制論的基本概念l二、二、 系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型l（一） 控制論的定義與發(fā)展過(guò)程控制論是研究系統(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)l控制論的發(fā)展階段l（1） 經(jīng)典控制論：4050年代（2） 現(xiàn)代控制理論：5070年代（3） 大系統(tǒng)理論：70年代以來(lái)l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。l1 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

2、上或程度上進(jìn)行調(diào)整，使之適合既定目標(biāo)的要求。l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)。l（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。 l（3） 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。（4） 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)。l1） 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。控制系統(tǒng)由被控系統(tǒng)和控制器兩大部分組成?？刂频哪繕?biāo)有兩種：恒值調(diào)節(jié)：在發(fā)生振

3、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。l2） 控制的基本方式l（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。（3） 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。 l（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)。l1

4、、 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，探尋控制的最佳途徑。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。l（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)l（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

5、（4） 提高企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)水平l1、 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(lái)某一時(shí)刻t1的狀態(tài) l2 系統(tǒng)的狀態(tài)方程l3 系統(tǒng)的輸出方程l4 系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式)(),()1(kukxfkx)(),()(kukxfky)(),()()(),() 1(kukxfkykukxfkxl（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

6、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。l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。l安全控制系統(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 包括人這一最活躍的因素4 受到的隨機(jī)干擾非常顯著，研究更復(fù)雜。 l1 宏觀安全控制系統(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)。l被控系統(tǒng)：各種生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)控制器：各級(jí)安全監(jiān)察管理部門2 微觀安全控制系統(tǒng)被控

7、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l（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 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。l1 首選前饋控制方式。 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。 工作人員的選拔、培訓(xùn)、添置新的安全裝備等。l2 合理使用各種反饋控制方式l（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

8、饋（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)好的職工或部門表?yè)P(yáng)、獎(jiǎng)勵(lì)l3 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。l4 力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制l（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)2 實(shí)行全過(guò)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l建立安全信息網(wǎng)絡(luò)l建立危險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)信息庫(kù)和動(dòng)態(tài)信息庫(kù)l重視人為失誤和管理失誤方面信息積累l（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l（一）