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2019/11/10,1,第七章 安全控制工程,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,2,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 控制論理論基礎(chǔ) 第二節(jié) 安全控制工程理論 第三節(jié) 安全控制的實現(xiàn) 第四節(jié) 安全系統(tǒng)控制的基本措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,3,第一節(jié) 控制論理論基礎(chǔ),定以：安全控制工程是應(yīng)用控制理論的基本原理和方法，研究安全系統(tǒng)的特性及安全控制規(guī)律的學科。 一、 控制論的基本概念 二、 系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,4,第一節(jié) 控制論理論基礎(chǔ),一、 控制論的基本概念 （一） 控制論的定義與發(fā)展過程 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。 1948年，美國數(shù)學家、生物學家諾伯特·維納專著《控制論，或關(guān)于動物和機器中控制和通訊的科學》,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,5,發(fā)展階段： （1） 經(jīng)典控制論：40~50年代，建立了有關(guān)系統(tǒng)控制的基本概念； （2） 現(xiàn)代控制理論：50~70年代，通過結(jié)合計算機控制技術(shù)，使控制理論的應(yīng)用范圍擴大，同時最優(yōu)控制理論取得重大進展，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,第一節(jié) 控制論理論基礎(chǔ),安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,6,（二） 控制論的研究對象,控制論是以各種系統(tǒng)作為其研究對象的。 系統(tǒng)的五大特性。 任何一個系統(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)要對這些信息、能量和物質(zhì)進行轉(zhuǎn)換和加工。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,7,（三） 調(diào)節(jié)與控制的概念,1． 調(diào)節(jié)及其方式 調(diào)節(jié)：對耦合運行的系統(tǒng)從數(shù)量上或程度上進行調(diào)整，使之適合既定目標的要求。 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)的實際輸出值與所需的標準水平的偏差進行調(diào)節(jié)。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,8,（三） 調(diào)節(jié)與控制的概念,（2） 補償干擾的調(diào)節(jié)方式 在調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到干擾影響時，通過原設(shè)計補償系統(tǒng)的補償作用，減輕或消除有損于系統(tǒng)耦合運行的干擾。 （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。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,9,2、控制及其方式 1） 控制的概念 指在各種耦合運行的系統(tǒng)中，通過采取一定的手段，保持系統(tǒng)狀態(tài)平衡或不超出標準范圍，實現(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。 控制的目標有兩種： ①恒值調(diào)節(jié)：在發(fā)生振動時使系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)到給定值，如恒溫調(diào)節(jié)； ②隨動控制：使系統(tǒng)狀態(tài)跟隨某個變化著的目標，如導(dǎo)彈控制。,（三） 調(diào)節(jié)與控制的概念,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,10,（三） 調(diào)節(jié)與控制的概念,2） 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，通過對輸出取樣消除被控制量與給定目標間的偏差。 （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間序列，保證系統(tǒng)狀態(tài)的時間序列沿既定步驟運行。,2019/11/10,11,（三） 調(diào)節(jié)與控制的概念,（4） 跟蹤控制 雷達跟蹤飛機 （5） 最優(yōu)控制 使系統(tǒng)狀態(tài)滿足控制目標，使某些性能指標取得最優(yōu)。 （6） 自適應(yīng)控制 自動適應(yīng)環(huán)境干擾和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，主動調(diào)整其自身結(jié)構(gòu)和行為參數(shù)。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,12,1、 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。 2、 “黑箱”辨識方法 通過外部觀測、主動試驗，分析“黑箱”的輸入和輸出關(guān)系及其動態(tài)轉(zhuǎn)換過程，據(jù)此掌握“黑箱”的運動特征和功能結(jié)構(gòu)。 3、 功能模擬方法 對系統(tǒng)原型的功能進行描述的模擬，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)在特點和屬性。,（四） 控制論的研究方法,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,13,（五） 主要研究內(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 （4） 系統(tǒng)控制規(guī)律的求解 （5） 系統(tǒng)狀態(tài)估計 （6） 系統(tǒng)辨識,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,14,（六） 控制論的重要作用,（1） 對自然科學和社會科學研究具有普遍方法論的意義 （2） 在促進人類社會進步和經(jīng)濟發(fā)展方面有重要作用 （3） 運用控制理論的原理和方法，有助于提高制定政策的科學性、準確性和有效性 （4）運用控制理論的原理和方法， 提高企業(yè)生產(chǎn)管理和經(jīng)營水平,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,15,二、控制系統(tǒng)模型,（一）系統(tǒng)的數(shù)學物理方程 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),安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,16,二、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)在特定時刻的運行狀況的總稱。 在任意時刻，系統(tǒng)的狀態(tài)用狀態(tài)變量xi, i=1, 2, …，n來刻劃，狀態(tài)變量可以寫成n維列向量，x=(x1,x2,…xn)T，稱為系統(tǒng)的狀態(tài)向量。 系統(tǒng)在某一初始時刻t0的狀態(tài)與從t0時刻后系統(tǒng)所受作用一起決定系統(tǒng)在未來某一時刻t1的狀態(tài)。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,17,（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,離散時間系統(tǒng),連續(xù)時間系統(tǒng),安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,18,（三）系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,3． 系統(tǒng)的輸出方程,離散時間系統(tǒng),連續(xù)時間系統(tǒng),4． 系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,19,三、系統(tǒng)的可控性和可觀測性,（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)的可觀測性是指系統(tǒng)的狀態(tài)能否通過對系統(tǒng)的輸出觀測而確定。 （二）系統(tǒng)的可控性和可觀測性的定義,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,20,第二節(jié) 安全控制工程理論,一、 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、危險物質(zhì)、人員、資金等。 2． 安全信息：政策、法規(guī)、指令、情報等。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,21,第二節(jié) 安全控制工程理論,安全控制系統(tǒng)的特點： 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、經(jīng)濟系統(tǒng)的保障系統(tǒng) 3． 包括人這一最活躍的因素 4． 受到的隨機干擾非常顯著，研究更復(fù)雜。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,22,（二） 安全控制系統(tǒng)的分類,1． 宏觀安全控制系統(tǒng) 指各級行政主管部門，以國家法律、法規(guī)為依據(jù)，應(yīng)用安全監(jiān)察、檢查、經(jīng)濟調(diào)控等手段，實現(xiàn)整個社會、部門或企業(yè)的安全生產(chǎn)目標的全部活動。 被控系統(tǒng)：各種生產(chǎn)、經(jīng)營系統(tǒng) 反饋手段：各種安全檢查和安全信息統(tǒng)計 控制器：各級安全監(jiān)察管理部門 控制目標：國家安全生產(chǎn)方針和安全指標,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,23,生產(chǎn),安全檢測,危險分析,安全評價,改進方案,決策,修改設(shè)計 隱患整改 管理改進 人員變動 教育培訓,,,,,,,,,,標準,技術(shù)經(jīng)濟分析,上級指示,,,,宏觀安全控制系統(tǒng)模型,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,24,安全狀況,安全檢查,社會生產(chǎn)系統(tǒng),安全決策,安全目標,,,,,環(huán)境影響,,,,,宏觀安全控制系統(tǒng)簡化模型,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,25,（二） 安全控制系統(tǒng)的分類,2． 微觀安全控制系統(tǒng) 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)營活動中發(fā)生事故的全部活動。 被控系統(tǒng)：具體的生產(chǎn)和經(jīng)營活動 反饋手段：安全狀態(tài)檢測 控制器：安全技術(shù)和安全管理 控制目標：實現(xiàn)安全生產(chǎn),安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,26,（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）對模型進行計算和決策 4）綜合分析與驗證,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,27,二、 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)為由無事故時0至事故時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，無須外部指令，管理機構(gòu)和各子系統(tǒng)自行采取措施，以控制危險的能力。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,28,（二） 安全系統(tǒng)的控制原則,1． 首選前饋控制方式 前饋控制指對系統(tǒng)的輸入進行檢測，以消除有害輸入或針對不同情況采取相應(yīng)的控制措施，以保證系統(tǒng)的安全。 現(xiàn)實應(yīng)用如：工作人員的選拔、培訓、添置新的安全裝備等。,輸出,判定,決策,檢測,輸入,,,,干擾,系統(tǒng),,,控制,,,,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,29,（二） 安全系統(tǒng)的控制原則,2． 合理使用各種反饋控制方式 （1） 局部狀態(tài)反饋 對各種狀態(tài)信息實時檢測 （2） 事故后反饋 （3） 負反饋控制 合理、適度使用 對缺點錯誤批評、懲罰 （4） 正反饋控制 對安全上表現(xiàn)好的職工或部門表揚、獎勵,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,30,（二） 安全系統(tǒng)的控制原則,3． 建立多級遞階控制體系 提高下屬層次的自組織能力，使之具有較高的控制能力。各級管理層的自組織能力表現(xiàn)在： 1）了解下層危險源的有關(guān)事故結(jié)構(gòu)信息 2）掌握危險源的動態(tài)信息 3）熟悉危險分析技術(shù)，善于用之解決問題 4）經(jīng)驗豐富，應(yīng)變能力強 4． 力爭實現(xiàn)閉環(huán)控制,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,31,三 安全控制系統(tǒng)的模型及其求解,（一）安全控制系統(tǒng)狀態(tài)方程 （二）安全控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,32,第三節(jié) 安全控制的實現(xiàn),一、 促進安全管理現(xiàn)代化 （一）建立符合安全控制工程原則的管理體系 1． 安全管理機構(gòu)的設(shè)置 應(yīng)采用多層次的遞階控制結(jié)構(gòu) 2． 實行全過程安全控制 將安全控制貫穿于系統(tǒng)生命周期的各個階段,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,33,一、 促進安全管理現(xiàn)代化,（二） 建立完善的安全信息系統(tǒng) 信息是控制的基礎(chǔ)，計算機信息管理系統(tǒng)（MIS）正被推廣應(yīng)用。 建立安全信息網(wǎng)絡(luò) 建立危險源結(jié)構(gòu)信息庫和動態(tài)信息庫 重視人為失誤和管理失誤方面信息積累,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,34,二、安全計量,（一）安全計量的概念 指用定量的方法評價危險發(fā)生的概率和危險嚴重度。安全計量是安全工作中非常重要但又十分困難的問題。 1）以美國國防部標準882為代表，嚴重度定性分為4級，發(fā)生概率定量分為5級。 2）dow化學法 （二）安全控制理論的計量方法 1. 危險源的危險指數(shù) 2.控制能力系數(shù),安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,35,三、安全評價,在對企業(yè)進行定量安全評價時，一般以某種安全指標作為評價依據(jù)，從安全控制角度看，安全度取決于危險，也取決于控制能力，二者成互為抵消關(guān)系。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,36,四、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?shù)目刂拼胧墒瓜到y(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,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,37,四、安全控制的基本策略,（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)生后具有自我保護能力的系統(tǒng)。 （二） 消除人的不安全因素 （1） 對特殊崗位工作人員職業(yè)適應(yīng)性測評 （2） 加強安全教育與訓練。 （3） 充分發(fā)揮安全信息的作用,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,38,第四節(jié) 系統(tǒng)危險控制的基本措施,一、降低事故發(fā)生概率的措施 二、降低事故嚴重度的措施 前兩部分已經(jīng)在安全方法論講過 三、加強安全管理的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,39,第一節(jié) 本質(zhì)安全化方法,一、降低事故發(fā)生概率的措施 二、降低事故嚴重度的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,40,一、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 嚴格檢修、合理使用、定期更換元器件,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,41,一、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,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：礦山主要通風機有兩臺，一臺工作，一臺備用。 注意: 對于某些關(guān)鍵性的重要設(shè)備應(yīng)做到瞬時、自動切換,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,42,1．提高設(shè)備的可靠性 3）對于惡劣環(huán)境下運行的設(shè)備采取安全保護措施 舉例：對于處于腐蝕環(huán)境下的化工設(shè)備，可在上面覆蓋各種保護層，把被保護設(shè)備與腐蝕性介質(zhì)隔開。對于井下的設(shè)備，應(yīng)控制溫度、濕度和風速。 4）加強預(yù)防性維修,一、降低事故發(fā)生概率的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,43,一、降低事故發(fā)生概率的措施,2．選用可靠的工藝技術(shù)，降低危險因素感度 感度：是危險因素轉(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。 舉例：放炮時使用水炮泥，打眼時采用濕式打眼等。,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,44,一、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：當系統(tǒng)受到自然災(zāi)害和外界事物的干擾時，自動抵抗而不發(fā)生事故的能力或指系統(tǒng)中出現(xiàn)某危險事件時，系統(tǒng)自動將事態(tài)控制在一定范圍內(nèi)能力。 舉例：煤礦下的隔爆巖棚、水棚和風電閉鎖裝置、采區(qū)獨立通風、工作面有雙出口等,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,45,4．減少人為失誤 加強安全知識,安全技能,安全態(tài)度等方面的教育和訓練 以人為中心,改善工作環(huán)境 提高機械化程度，以機器代替人，減少現(xiàn)場的工作人員。 改善人機接口的安全狀態(tài) 5．加強監(jiān)督及檢查 建立健全各種機制、制度，加強安全檢查工作,一、降低事故發(fā)生概率的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,46,事故嚴重度:事故造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡的嚴重程度，其大小取決于系統(tǒng)中危險因素轉(zhuǎn)化為事故時釋放的能量。 1、限制能量或分散風險 限制能量：限流、限壓、限速等， 舉例：井下瓦斯?jié)舛群头蹓m濃度的限定； 分散風險：把大的事故損失劃分為小的事故損失，舉例：把串聯(lián)通風方式改造成工作面或采區(qū)并聯(lián)通風方式。,二、降低事故嚴重度的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,47,2、防止能量逸散的措施 設(shè)法把有毒、有害、有危險的能量源貯存在有限允許范圍內(nèi)，而不影響其他區(qū)域的安全， 舉例：密閉墻、密閉火區(qū)、防暴外殼等。 3、加裝緩沖能量的裝置 能量釋放速度減慢的裝置稱為緩沖能量裝置。 如：汽車、輪船上裝備的緩沖設(shè)備、緩沖阻車器，防滑鏈以及各種安全帶、安全閥等。,二、降低事故嚴重度的措施,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,48,二、降低事故嚴重度的措施,4、避免人身傷亡的措施 1）防止人身傷害； 如：采用遙控裝置，提高機械化水平，使用整體或個體防護措施等。 2）一旦發(fā)生人身傷害時，采取相應(yīng)的急救措施 如：即使撤離人員，應(yīng)急救援體系，做好救護工作和工人互救 等,安全第一，預(yù)防為主,2019/11/10,49,三、加強安全管理的措施,（一）建立安全權(quán)利機構(gòu) （二）建立安全生產(chǎn)責任制 （三）編制安全技術(shù)措施計劃，制定安全操作規(guī)程 （四）加強安全監(jiān)督和檢查 （五）加強職工安全教育,