7.1安全控制工程

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（二） 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， 统与外部环境之间有着信息、能量和物质的交换， 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。
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修改设计 隐患整改 管理改进 人员变动 教育培训
宏观安全控制系统模型
生产
安全检测
决策
改进方案
安全评价
危险分析
上级指示
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技术经济分析
标准
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环境影响 安全目标 安全决策 社会生产系统 安全状况
安全检查 宏观安全控制系统简化模型
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（三） 调节与控制的概念
• （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 ） 自动适应环境干扰和系统结构变化， 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。 自身结构和行为参数。
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（三）系统的状态空间模型
• 3． 系统的输出方程 ．
离散时间系统
y (k ) = f ( x(k ), u (k ))
连续时间系统
y (t ) = f ( x(t ), u (t ))
• 4． 系统的状态空间表达式 ．
x(k + 1) = f ( x(k ), u (k )) y (k ) = f ( x(k ), u (k ))
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第一节 控制论理论基础
一、 控制论的基本概念 （一） 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、生物学家诺伯特·维纳专 诺伯特· 年 美国数学家、生物学家诺伯特 维纳专 控制论， 著《控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的 科学》 科学》
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（三） 调节与控制的概念
2、控制及其方式 、 • 1） 控制的概念 ） 指在各种耦合运行的系统中， 指在各种耦合运行的系统中，通过采取一定的手 保持系统状态平衡或不超出标准范围， 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。 控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。 被控系统和控制器两大部分组成 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： 控制的目标有两种： • ①恒值调节：在发生振动时使系统状态恢复到给 恒值调节： 定值，如恒温调节； 定值，如恒温调节； • ②随动控制：使系统状态跟随某个变化着的目标， 随动控制：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。
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Hale Waihona Puke 第二节 安全控制工程理论一、 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 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。 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 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。 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：工具设备、能源、危险物质、人 ． 安全物质：工具设备、能源、危险物质、 资金等。 员、资金等。 2． 安全信息：政策、法规、指令、情报等。 ． 安全信息：政策、法规、指令、情报等。
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二、控制系统模型
（一）系统的数学物理方程 是根据系统内物质、 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系方程。 （二）系统的传递函数
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二、控制系统模型
• • • （三）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。 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, 在任意时刻，系统的状态用状态变量 i=1, 2, …， n来刻划，状态变量可以写成 维列向量， 来刻划， 维列向量， 来刻划 状态变量可以写成n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t 的状态与从t 系统在某一初始时刻 0的状态与从 0时刻后系统所 受作用一起决定系统在未来某一时刻t 的状态。 受作用一起决定系统在未来某一时刻 1的状态。
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第二节 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 ． 2． 是其他生产、社会、经济系统的保障系统 ． 是其他生产、社会、 3． 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。
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第一节 控制论理论基础
发展阶段： 发展阶段： • （1） 经典控制论：40~50年代，建立了有关系 年代， ） 经典控制论： 年代 统控制的基本概念； 统控制的基本概念； • （2） 现代控制理论：50~70年代，通过结合计 年代， ） 现代控制理论： 年代 算机控制技术，使控制理论的应用范围扩大， 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， 成果广泛应用于其它领域 • （3） 大系统理论：70年代以来 ） 大系统理论： 年代以来
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（三） 调节与控制的概念
• 2） 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， 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4-2。 定的规律进行控制，如图 。 • （2） 闭环控制 ） 系统的输入受系统输出的影响， 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。 消除被控制量与给定目标间的偏差。 • （3） 程序控制 ） 在已知系统的状态变量和控制变量的前提下， 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， 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。
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•
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（三）系统的状态空间模型
• 2． 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， 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， 出变量
离散时间系统
连续时间系统
x ( k + 1) = f ( x ( k ), u ( k )) dx ( t ) x ' (t ) = = f ( x ( t ), u ( t )) dt
安全控制 控制工程 第七章 安全控制工程
主讲 ：肖知国 河南理工大学安全学院安全工程教研室
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本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 控制论理论基础 安全控制工程理论 安全控制的实现 安全系统控制的基本措施
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第一节 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 和方法，研究安全系统的特性及安全控制规律的 和方法， 学科。 学科。 一、 控制论的基本概念 二、 系统的状态空间模型
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（五） 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 ）
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（六） 控制论的重要作用
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（二） 安全控制系统的分类
• 2． 微观安全控制系统 ． 微观安全控制系统是指应用工程技术和安全技术 手段， 手段，防止在特定生产和经营活动中发生事故的 全部活动。 全部活动。 • 被控系统：具体的生产和经营活动 被控系统： • 反馈手段：安全状态检测 反馈手段： • 控制器：安全技术和安全管理 控制器： • 控制目标：实现安全生产 控制目标：
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三、系统的可控性和可观测性
（一）概念 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 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
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（四） 控制论的研究方法
• 1、 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”辨识方法 黑箱” 、 通过外部观测、主动试验，分析“黑箱” 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” 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。 的运动特征和功能结构。 • 3、 功能模拟方法 、 对系统原型的功能进行描述的模拟， 对系统原型的功能进行描述的模拟，展现出与系 统原型行为相似的行为， 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。