1安全控制工程

安全控制工程2本课程主要介绍控制论理论基础，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等内容。课程内容：3本节内容：一、前言二、控制论理论基础4一、前言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。51.1安全控制论发展沿革从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。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。德国学者A·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。61982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。这些理论为安全控制论的研究奠定了基础。71.2安全控制论概述安全控制论的出现,丰富了安全科学的理论体系,也推动了安全管理科学的实践。它最主要的贡献在于运用现代控制理论的方法论、控制机制和数学模型,使安全管理网络以及安全系统工程的各种范畴实现闭环控制。安全控制论作为一种思维方法已广泛应用于安全管理实践中,但基于安全控制论的工程技术方法还较薄弱,在安全管理与工程实践中的应用也不多。8安全控制论是一种现代边缘学科,研究、开发有时须用一些数学知识。我们现阶段学习这门课程，最重要的是,要建立起安全控制论的观点,领会其精神。在实际应用中，对于一般现场工作人员来说，已经开发出的成果,只是一些规程性的准则,一般来说,工作人员只是依法办事即可。二、控制论理论基础2.1控制论的基本概念（一）控制论的定义定义：控制论(cybernetics)是研究系统的调节与控制的一般规律性的科学。1948年，美国数学家、生物学家诺伯特·维纳专著《控制论，或关于动物和机器中控制和通讯的科学》，为这门学科的诞生和发展奠定了基础。N.Wiener10前言自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。(二)控制理论的发展史--自动控制技术与人类进步AutomaticControl&HumanCivilization（1）前期控制(EarlyControl)(1400B.C.–1900A.D.)都江堰1)具有反馈控制原理的控制装置在古代就有了。战国秦昭王时期，蜀郡守李冰于公元前227年创建的都江堰，是中国最古老的水利工程，体现了控制系统的观念。2)公元132年中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪。133)1637年中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图。4)1866年英国格雷（J.M.Gray）设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(GreatEastern)14（2）经典控制论：40~50年代，建立了有关系统控制的基本概念，如系统、信息、黑箱、反馈、调节等；通过使用传递函数和频域分析方法，解决了但输入、单输出的线性定常的分析与控制问题；并为现代控制理论的发展打下了坚实的基础。（3）现代控制理论：50~70年代，通过引入系统的状态空间表示法，并结合计算机控制技术，使控制理论的应用范围扩大大扩展，同时最优控制理论取得重大进展，控制理论的研究成果广泛应用于其它领域。15控制要进行定量分析就必须用数学模型来刻划描述系统，即建立系统的数学模型，这是一个很重要的基础问题。经典控制论中用高阶微分方程来描述系统的运动规律；现代控制论中采用的是状态空间法，就是用一组状态变量的一阶微分方程组作为系统的数学模型。经典控制中，微分方程只描述系统输入与输出关系，不描述系统内部结构及其状态变量，描述一个‘黑箱’系统。现代控制论中的状态空间法不但能描述系统输入与输出的关系，而且还能完全描述内部的结构及其状态变量的关系，它描述的是一个‘白箱’系统。由于能描述更多系统信息，可以实现更好的系统控制。16（4）大系统理论：70年代后，随着研究范围的扩大，所研究的系统的规模也日益增大，出现了专门针对大系统的理论，如系统模型降阶、系统控制的分解协调、多级递阶和分散控制等。什么是大系统？一般认为大系统是由许多子系统组合而成的规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多，并常常带有随机性质的系统。各种社会、经济、生态环境、工业技术系统都是大系统。控制论、信息论、系统论作为独立的学科，各自都有自己的发展方向，同时又有内在的联系。（三）控制论、信息论及系统论系统论将研究对象作为一个整体加以考虑，提出适合于一切系统的模式、原则和规律，强调系统大于个体，有助于说明有组织的系统；控制论研究对象是系统，它对于进一步考察系统内部的组织、控制和调节的功能是不可缺少的；信息是组织系统的一个重要特征，它使系统得以实现自我调节，是系统之间，系统与环境之间联系的主要方式。18系统三大要素：物质、能量和信息。对控制系统而言，信息是最重要，它与控制是不可分的，系统中信息传递、交换和处理均为了系统控制，这正是控制论系统的主要目的。所以，控制系统一定是一个信息系统。192.2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。系统是由相互依赖、相互作用的若干部分结合而成、具有特定功能的有机整体，它具有如下特征。(1)关联性;(2)目的性;(3)整体性;(4)相对性;(5)环境适应性。环境适应性：任何一个系统都是在一定的外部环境下存在和发展的。系统和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。如图1所示。202.3控制及其方式（1）控制的概念概括起来说,所谓控制是指“按给定条件对系统及其发展过程加以调整和影响,使系统处于最佳状态,并达到预期目的的行为”。控制一词具有操纵、调解、管理、指挥……等含义。控制系统由被控系统和控制器两大部分组成。21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。22（2）控制的基本方式控制的基本方式可按不同的角度进行分类。按控制的系统结构可分为：集中控制和分散控制；按控制的功效可分为：单级控制和多级控制；按控制的信息选择可分为：开环控制和闭环控制；按控制过程可分为：程序控制、随动控制、自适应控制和最佳控制。23（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。如图2所示。（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，如图3所示。反馈是控制系统的一个最基本的概念图2开环控制系统24（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。图3闭环控制系统25（4）随动控制炮瞄雷达系统。飞机的位置是输入、高射炮的指向是输出，高射炮的指向随飞机位置的变动而变动。（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。262.4调节及其方式调节：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。27（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。28（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，探寻控制的最佳途径。或者可以理解为是把研究对象看作是一个信息系统，通过分析系统的信息流程来把握事物规律的方法。（2）“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。2.5控制论的研究方法29（3）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。控制论的功能模拟方法在内容上关键在于它是功能的模拟，如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。30（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2.6控制论的主要研究内容31（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）运用控制理论的原理和方法，有助于提高制定政策的科学性、准确性和有效性。（4）运用控制理论的原理和方法，提高企业生产管理和经营水平。2.7控制论的重要作用