1、第4章 安全控制工程,郭冬云,安全工程,安全控制工程,安全控制工程是应用控制论基本原理和方法，研究安全系统的特性及安全控制规律的学科。 学习和研究安全控制工程是为了运用控制论的思想与方法对研究和解决安全工程问题起到一定的指导作用。,主要内容,控制论理论基础 安全控制工程理论 安全控制的实现 系统危险控制的基本措施,1 控制论理论基础,1.1 控制论的基本概念 控制论的定义与发展过程 从20世纪40年代发展起来的控制论科学，专门研究各类系统的调节与控制的一般规律，已经广泛应用于工程、生物、社会、经济等各个领域，促进了各科学的快速发展。 1948年，美国数学家、生物学家诺伯特维纳专著控制论（或关于
2、在动物和机器中控制和通讯的科学） 从20世纪80年代开始，安全工程学界也开始了对控制论的研究和应用，取得了一些研究成果，丰富了安全科学的理论体系。,1 控制论理论基础,德国学者Kalman在1981年出版的德文版“安全科学导论”一书中提出控制论和安全科学这一命题。 1982年，我国有学者提出：安全系统属于人-机控制系统，可以用控制论进行研究； 1988年，在北京“人-机工程、职业安全和卫生、环境保护”国际会议上，我国学者首次提出：运用现代控制理论建立以年度为单位的离散型安全控制论的数学模型（以数量化理论为基础的），并且运用卡尔曼滤波器进行系统状态的最优估计。,1 控制论理论基础,控制论的研究对
3、象 控制论是以各种系统作为其研究对象的。 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，系统要对这些信息、能量和物质进行转换和加工。,1 控制论理论基础,调节与控制的概念 调节及其方式：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。 调节的主要方式有： （1）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进行调节。 （2）补偿干扰的调节方式：在调节系统受到干扰影响时，通过原设计补偿系统的补偿作用，减轻或消除有损于系统耦合运行的干扰。 （3）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。 （4）复合
4、调节方式：上述二种或三种方式的组合，吸取各调节方式的优点。,1 控制论理论基础,调节与控制的概念 控制及其方式：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，实现系统行为的预期目的。 控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。 控制的目标有两种： 恒值调节：在发生振动时使系统状态恢复到给定值，如恒温调节； 随动控制：使系统状态跟随某个变化着的目标，如导弹控制。,1 控制论理论基础,控制的基本方式 （1）开环控制：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。 （2）闭环控制：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。
5、 （3）程序控制：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，保证系统状态的时间序列沿既定步骤运行。 （4）跟踪控制：雷达跟踪飞机 （5）最优控制：使系统状态满足控制目标，使某些性能指标取得最优。 （6）自适应控制：自动适应环境干扰和系统结构变化，主动调整其自身结构和行为参数。,1 控制论理论基础,控制论的研究方法 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，探寻控制的最佳途径。 “黑箱”辨识方法：通过外部观测、主动试验，分析“黑箱”的输入和输出关系及其动态转换过程，据此掌握“黑箱”的运动特征和功能结构。 功能模拟方法：对系统原型的功能进行描述的模拟，展现出
6、与系统原型行为相似的行为，揭示系统原型内在特点和属性。,1 控制论理论基础,控制论的主要研究内容 （1）控制系统的模型 （2）控制系统的性质 （3）控制系统的设计 （4）系统控制规律的求解 （5）系统状态估计 （6）系统辨识,1 控制论理论基础,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论的意义 （2）在促进人类社会进步和经济发展方面有重要作用 （3）有助于提高制定政策的科学性、准确性和有效性 （4）提高企业生产管理和经营水平,1 控制论理论基础,1.2 系统的状态空间模型 1、状态 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xi, i=1, 2
7、, , n来刻划状态变量可以写成n维列向量，x=(x1,x2,xn)T，称状态向量系统在某一初始时刻t0的状态与从t0时刻后系统所受作用一起决定系统在未来某一时刻t1的状态。,2系统的状态方程 3系统的输出方程 4系统的状态空间表达式,一、安全控制工程的基本概念 （一）安全控制工程的定义 安全控制工程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。 安全控制系统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。 安全要素包括： 1）安全物质：工具设备、能源、危险物质、人员、资金等。 2）安全信息：政策、法规、指令、情报等。 安全控制系统的特点：
8、具有一般技术系统的全部特征 是其他生产、社会、经济系统的保障系统 包括人这一最活跃的因素 受到的随机干扰非常显著，研究更复杂。,2 安全控制工程理论,（二）安全控制系统的分类 （1）宏观安全控制系统 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，实现整个社会、部门或企业的安全生产目标的全部活动。采用的手段主要有：法制手段、经济手段和教育手段等。 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 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,2 安全控制工程理论,宏观安全控制系统模型,宏观安全控制系统简化模型,（2）微观安全
9、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手段，防止在特定生产和经营活动中发生事故的全部活动。,被控系统：具体的生产和经营活动 反馈手段：安全状态检测 控制器：安全技术和安全管理 控制目标：实现安全生产,2 安全控制工程理论,（三）安全控制工程的一般分析程序 1）绘制安全系统框图； 2）建立安全控制系统模型； 3）对模型进行计算和决策； 4）综合分析与验证。,2 安全控制工程理论,二、安全系统的控制方式 （一）安全系统的控制特性 1. 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0至事故时1的突然跃变。系统从0变到1后，状态是不可逆的。 2. 随机性：事故的发生具有极大的偶然
10、性。 3.系统的自组织性：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，以控制危险的能力。,2 安全控制工程理论,二、安全系统的控制方式 （二）安全系统的控制原则 1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。 现实应用如：工作人员的选拔、培训、添置新的安全装备等。,2 安全控制工程理论,2合理使用各种反馈控制方式 （1） 局部状态反馈 对各种状态信息实时检测。 （2） 事故后反馈 目的是为了防止事故的重复发生。 （3）负反馈控制 合理、适度使用。对缺点错误批评、惩罚。 （4） 正反馈控制 对安全
11、上表现好的职工或部门表扬、奖励。,3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 2）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 4）经验丰富，应变能力强 4力争实现闭环控制 闭环控制系统是自动控制的核心。安全管理工作部署应当设法形成一种自动反馈机制，以提高工作效率。,三、安全控制系统的模型及其求解 宏观安全管理中所使用的一种安全控制系统模型 （一）安全控制系统状态方程 根据近年发展起来的大系统理论,采用变量集结法，输出变量为年度“ 千人伤亡率” Y (k) ，系统的输入变量为危险
12、指数H（k）和控制作用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 安全控制工程理论,进一步整理式( 1) 则有 Y ( k) = 1- C( k ) Y( k- 1) + H ( k) (2) 这便是安全控制论的状态方程。 （二）安全控制系统参数辨识 根据系统的输出反推系统参数，这就是所谓系统参数辨识问题。 若在一段时间内C、 H 保持不变, 对式(2) 进行Z 变换,得通解为: Y ( k) = H / C+ Y( 0) - H / C ( 1- C)k ( 3) 令1-C=e-b经变换得: Y(
13、 k) = Y( 0) e-bk+ ( H / C) ( 1- e-bk) (4) 从式( 4)可以看到:,一、 促进安全管理现代化 （一）建立符合安全控制工程原则的管理体系 1）安全管理机构的设置 应采用多层次的递阶控制结构, 各层次之间及同层次部门之间步调一致协同工作。 2）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。,3 安全控制的实现,（二）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（MIS(Management Information System)）正被推广应用。 建立安全信息网络； 安全信息的形式分为两类：一类是通过安全检测设备、仪器检测出来的各
14、种信息；另一类是报告、报表的形式。 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。,其实, 安全控制论的主要贡献于:“用现代控制理论的方法论、数学模型和控制机制,使安全管理网络以及安全系统工程各种范畴的实施,实现闭环控制。” 可以使安全管理向现代化迈进一大步, 实现一次质的飞跃, 大大提高系统的控制能力, 减少伤亡事故。,二、安全计量,（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度。安全计量是安全工作中非常重要但又十分困难的问题。 1）以美国国防部标准882为代表，严重度定性分为4级，发生概率定量分为5级。 2）以美国DOW化学法和英国帝国化学公司
15、（ICI）的蒙特（Mond）厂为代表，提出危险指数的概念和计算方法。,3 安全控制的实现,（二）安全控制理论的计量方法 1）危险源的危险指数 （H） 危险指数H可看作是一种概率的表达形式，它受下列因素的影响： 采用的工艺、装置的本质安全化水平； 工人在危险区域的工作时间； 设计、工程质量存在的缺陷； 作业环境中的不安全条件等。因此，有 H=hsE（1+k1） （1+k2） （5） 2）控制能力系数(C),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，二者成互为抵消关系。 从逻辑上看，安全度的提高会降低负伤率。 因
16、此，安全度S与负伤率Y之间满足如下微分方程： dS=dY/Y 其解为： S=Gln（1/Y）,3 安全控制的实现,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论： （1） 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； （2） 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。,3 安全控制的实现,（一）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。以此相关的措施有：
17、 防止危险产生的条件； 降低危险的危害程度； 防止已存在危险的释放； 改变危险源中危险释放的速率或空间分布； 改变危险的相关基本特性； 增加被保护对性对危险的耐受能力。 将危险源和需要保护的对象从时间和空间上隔开。 在危险源于被保护对象之间设置物质屏障。 稳定、修护和复原被破坏的物体。,（二）消除人的不安全因素 切实做到“时时讲安全、处处想安全、事事先安全、人人能安全”。 （1）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； （3）充分发挥安全信息的作用。 信息是控制的基础，没有信息就谈不上控制。 安全信息分为两类： 通过安全检测设备、仪器检测出来的各种新，多用于微观控制中；
18、报告、报表的形式，多用于宏观控制中。,一、降低事故发生概率的措施 二、降低事故严重度的措施 三、加强安全管理的措施,4 系统危险控制的基本措施,一、降低事故发生概率的措施,（一）提高设备的可靠性 提高元件的可靠性 选用结构性能好、可靠性高的元器件； 严格检修、合理使用、定期更换元器件。 增加备用系统 例：设备A发生故障的概率为0.05,则用两套A设备分别作为主用和备用,那么两套设备同时发生故障的概率为:0.0025，大大提高了可靠性。 对于恶劣环境下运行的设备采取安全保护措施 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隔开。对于井下的设备，应控制温度、湿
19、度和风速。 4）加强预防性维修,4 系统危险控制的基本措施,（二）选用可靠的工艺技术，降低危险因素感度 感度：是危险因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。 例：放炮时使用水炮泥，煤矿用火药中加入消焰剂、井巷工程中打眼时采用湿式打眼等。 （三）提高系统抗灾能力 抗灾能力：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。 例：提高煤矿生产系统的抗灾能力，应该建立隔爆岩水棚和风电闭锁装置、采区独立通风；矿井主要设备实行双回路供电，选择备用设备等。,（四）减少人为失误 加强安全知识,安全技能,安全态度
20、等方面的教育和训练以人为中心,改善工作环境。提高机械化程度，以机器代替人，减少现场的工作人员。改善人机接口的安全状态。 （五）加强监督及检查 建立健全各种机制、制度，加强安全检查工作。,二、降低事故严重度的措施,事故严重度: 事故造成的财产损失和人员伤亡的严重程度，其大小取决于系统中危险因素转化为事故时释放的能量和系统本身的抗灾能力。降低事故严重度可采取如下措施： 1）限制能量或分散风险 限制能量：限流、限压、限速等. 分散风险：把大的事故损失划分为小的事故损失， 例：把串联通风方式改造成工作面或采区并联通风方式。,4 系统危险控制的基本措施,2）防止能量逸散的措施 设法把有毒、有害、有危险的
21、能量源贮存在有限允许范围内，而不影响其他区域的安全， 举例：密闭墙、密闭火区、防暴外壳等。 3）加装缓冲能量的装置 缓冲能量装置：使能量释放速度减慢的装置。 如：汽车、轮船上装备的缓冲设备、缓冲阻车器，防滑链以及各种安全带、安全阀等。,4） 避免人身伤亡的措施 1）防止人身伤害； 如：采用遥控装置，提高机械化水平，使用整体或个体防护措施等。 2）一旦发生人身伤害时，采取相应的急救措施 如：及时撤离人员，应急救援体系，做好救护工作和工人互救 等,三、加强安全管理的措施,安全管理的作用是对生产过程中的各种事故及其隐患进行控制、处理，以便把安全工作提高到一个新水平。 要控制事故发生概率和事故后果的严重度，必须以最优化安全管理做保证，控制事故的各种技术措施的制定与实施也必须以合理的安全管理措施为前提。,4 系统危险控制的基本措施,（一）建立健全安全管理机构 （二）建立健全安全生产责任制 （三）编制安全技术措施计划，制定安全操作规程 （四）加强安全监督和检查 （五）加强职工安全教育 职工安全教育的主要内容，主要包括政治思想教育、劳动纪律教育、方针政策教育、法制教育、安全技术培训以及典型经验和事故教训的教育等。,
