安全控制工程培训课件.pptx

安全工程第4章　安全控制工程郭冬云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：①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；②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。（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, …, 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2 安全控制工程理论一、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