Risk-Informed Model-Free Safe Control of Linear Parameter-Varying Systems

This paper presents a risk-informed data-driven safe control design approach for a class of stochastic uncertain nonlinear discrete-time systems.The nonlinear system is modeled using linear parameter-varying(LPV)systems.A model-based probabilistic safe controller is first designed to guarantee probabilisticλ-contractivity(i.e.,stability and invariance)of the LPV system with respect to a given polyhedral safe set.To obviate the requirement of knowing the LPV system model and to bypass identifying its open-loop model,its closed-loop data-based representation is provided in terms of state and scheduling data as well as a decision variable.It is shown that the variance of the closedloop system,as well as the probability of safety satisfaction,depends on the decision variable and the noise covariance.A minimum-variance direct data-driven gain-scheduling safe control design approach is presented next by designing the decision variable such that all possible closed-loop system realizations satisfy safety with the highest confidence level.This minimum-variance approach is a control-oriented learning method since it minimizes the variance of the state of the closed-loop system with respect to the safe set,and thus minimizes the risk of safety violation.Unlike the certainty-equivalent approach that results in a risk-neutral control design,the minimum-variance method leads to a risk-averse control design.It is shown that the presented direct risk-averse learning approach requires weaker data richness conditions than existing indirect learning methods based on system identification and can lead to a lower risk of safety violation.Two simulation examples along with an experimental validation on an autonomous vehicle are provided to show the effectiveness of the presented approach.

Disturbance Observer-Based Safe Tracking Control for Unmanned Helicopters With Partial State Constraints and Disturbances

In this paper, a disturbance observer-based safe tracking control scheme is proposed for a medium-scale unmanned helicopter with rotor flapping dynamics in the presence of partial state constraints and unknown external disturbances. A safety protection algorithm is proposed to keep the constrained states within the given safe-set. A second-order disturbance observer technique is utilized to estimate the external disturbances. It is shown that the desired tracking performance of the controlled unmanned helicopter can be achieved with the application of the backstepping approach, dynamic surface control technique, and Lyapunov method. Finally, the availability of the proposed control scheme has been shown by simulation results.

Tracking Control for a Cushion Robot Based on Fuzzy Path Planning With Safe Angular Velocity

This study proposes a new nonlinear tracking control method with safe angular velocity constraints for a cushion robot. A fuzzy path planning algorithm is investigated and a realtime desired motion path of obstacle avoidance is obtained. The angular velocity is constrained by the controller, so the planned path guarantees the safety of users. According to Lyapunov theory, the controller is designed to maintain stability in terms of solutions of linear matrix inequalities and the controller's performance with safe angular velocity constraints is derived.The simulation and experiment results confirm the effectiveness of the proposed method and verify that the angular velocity of the cushion robot provided safe motion with obstacle avoidance.

CONTROLLING EROSION OF SAFE BASIN IN NONLINEAR PARAMETRICALLY EXCITED SYSTEMS

This paper considers the dynamical behavior of a Duffing-Mathieu type system with a cubic single-well potential during the principal parametric resonance. Both the cases of constant and time-dependent excitation amplitude are used to observe the variation of the extent and the rate of the erosion in safe basins. It is evident that the appearance of fractal basin boundaries heralds the onset of the losing of structural integrity. The minimum value of control parameter to prevent the basin from erosion is given along with the excitation amplitude varying. The results show the time-dependence of excitation amplitude can be used to control the extent and the rate of the erosion and delay the first occurrence of heteroclinic tangency.

重载机车风源系统智能控制研究

针对重载机车提速运行过程中空气中不断扬起的粉尘对风源系统中处理的空气的质量提出了更高的要求。当压缩空气中粉尘颗粒浓度高或压缩空气湿度过大时,使得制动设备无法正常工作甚至损坏,给重载机车的平安行车带来安全隐患。该文通过设计一套智能重载机车风源控制系统,通过智能采集、检测风源系统中空气的洁净度与湿度参数,自动去除压缩空气中的粉尘和水,得到高质量的合格压缩空气,使得处理后的空气的湿度与洁净度符合机车制动系统管路的要求,当处理后的空气不符合要求时发出报警信号,提示工作人员进行排故处理,避免了计划维修的盲目性,提升了风源系统的有效运行效率,保障了重载机车的安全运输。

城市轨道交通超长隧道双车追踪模式下火灾烟气控制与人员安全疏散研究

[目的]城市轨道交通发车间隔一般较短,在超长隧道内会出现同方向行驶两列列车的情况,一旦发生火灾容易造成重大财产损失和人员伤亡,因此需对超长隧道双车追踪模式下的火灾烟气蔓延规律和人员安全疏散策略进行研究。[方法]采用FDS(火灾动力学模拟)软件和Path-finder软件,建立超长隧道火灾模型和人员安全疏散模型,对双车追踪模式下的火灾烟气蔓延规律,以及人员疏散进行仿真分析。[结果及结论]双车追踪模式下,前车尾部着火,通过临界风速纵向通风可保证前车火灾安全;火源下游烟气前锋的蔓延速度为3.20 m/s,至600 s时烟气蔓延至后车,620 s时烟气可完全覆盖后车;烟气温度沿隧道纵向衰减很快,且温度衰减符合双指数模型规律。双车追踪模式下,减小联络通道间距可减少人员疏散总时间,对人员疏散时离开列车的时间影响不大;开启列车端门和疏散平台一侧车门,可显著减少人员疏散时间。在超长隧道双车追踪的最不利火灾场景下,人员疏散存在困难,可通过减小联络通道间距保障人员疏散安全。

基于车路协同的快速路合流区可变限速控制方法

针对快速路合流区通行效率低的问题,利用车路协同环境下实时信息采集与交互技术,基于Gipps安全距离模型,对METANET模型进行改进;将动态安全距离融入可变限速控制中,建立起主线可变限速的控制方法和模型,引导匝道车辆利用主线可插间隙汇入,提高了快速路合流区的通行效率和匝道汇入的成功率;利用VISSIM与MATLAB联合搭建仿真控制环境,在不同流量下对所提出的控制策略进行仿真评估。研究结果表明:在中、高流量下,可变限速的控制策略使得速度分别提升了8.75%、 9.28%,密度分别降低了9.45%、 9.77%,行程时间分别降低了9.29%、 8.88%;延误分别降低了9.21%、 8.84%;证明了该可变限速控制策略能提升合流区通行效率,改善交通流运行状态。

具有输入输出约束的无人直升机预设性能安全跟踪控制

针对无人直升机姿态与高度系统存在未知外部干扰、输入饱和、姿态与高度约束等问题,本文提出一种具有输入输出约束的预设性能安全跟踪控制方法.首先,针对无人直升机的姿态与高度约束,通过设计一类边界保护算法,构建了新的安全期望跟踪信号.为了保证系统对于安全期望跟踪信号的跟踪性能,将预设性能函数与边界保护算法进行结合,并对跟踪误差进行转换.针对系统的输入饱和现象,使用Sigmoid函数进行逼近;同时,针对饱和函数的逼近误差与未知外部干扰构成的复合干扰,采用参数自适应方法对其上界进行逼近.然后,结合反步控制方法设计了安全跟踪控制器,并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有信号的收敛性,保证了无人直升机的安全跟踪性能.最终,通过数值仿真验证了所提控制方法的有效性.

矿用本安型防爆布控球

在以智能化矿山建设为要求的背景下,针对井下环境复杂、光照轻度差、存在易燃易爆气体、以及矿难发生后,原有的有线视频监控体系会受到破坏等问题。设计出一种矿用防爆型布控球,该设备以高通Cortex-A53芯片作为中央控制单元,采用CMOS图像传感器作为视频采集单元,并配有红外补光。设备采用本质安全电路的电源为设备供电。该布控球具有红外夜视距离远、成像质量高、功耗低的特点。支持TCP/IP、ONVIF、GB28181等协议。可广泛应用于井下安全生产领域。经测试,布控球黑暗环境下可视距离达20 m。

基于降维机理模型的储能电池安全充电在线控制技术

大倍率充电会引起储能电池负极析锂,进一步可能会诱发电池热失控并导致安全事故。而析锂副反应与电池负极电位直接相关,通过模型精确预测负极电位,传输至储能电池管理系统调整充电工况,可以有效抑制负极析锂。因此,文中提出一种基于降维机理简化伪二维(simplified pseudo two-dimensional,SP2D)模型的储能电池安全充电在线控制技术。首先,对伪二维(pseudo two-dimensional,P2D)模型中部分偏微分方程进行降维简化,建立SP2D模型,同时采用不同的方法获取相应的模型参数。其次,使用实验数据的端电压和负极电位对模型进行验证,结果表明模型在不同倍率恒流工况下精度较高。再次,基于SP2D模型结合比例控制器开展电池无析锂安全充电的仿真工作,结果表明,电池经过1895 s充电即达到截止电压4.3 V,且充电过程中负极电位均处于无析锂安全电位区间。最后,对仿真得到的充电策略进行循环和拆解验证,结果表明提出的充电方法能够实现电池无析锂安全充电。

太湖流域水利安全生产风险管控“六项机制”建设探索与展望

太湖流域管理局苏州管理局于2023年启动“六项机制”试点建设,以安全生产基础工作为依托,融合数字孪生平台建设,探索形成可复制、可推广的经验做法。在对“六项机制”建设定位进行深入思考的基础上,梳理了“六项机制”试点建设实施基本情况,以及强化风险“查找”能力、延伸风险“研判”机制、提升风险“预警”时效、指导风险“防范”重点、提高风险“处置”水平、精确风险“责任”匹配等创新内容。总结了构建“四横三纵”分层管理架构,增加风险管控责任层级,以及理顺机制脉络,将“板块化”+“链条化”理念贯穿于安全生产风险管控全过程等经验做法。提出了将“六项机制”建设融入安全生产管理基础工作、与“数字孪生”建设同步推进等建议思考。

110t转炉倾动控制系统改造优化

不锈钢110 t转炉自动化控制系统采用西门子S7-300PLC进行启动、停止、故障等逻辑控制,2套交流西门子变频器完成电机的闭环动态调节,2台电机采用主从控制方式保证负荷平衡。2台变频器与PLC之间采用Profibus-DP通信。主要针对转炉倾动系统运行过程中存在的问题,重点阐述了倾动变频控制系统升级优化改造方案,基于西门子新一代变频器S120为核心升级转炉倾动控制系统,通过组建新的控制方式解决双驱动倾动系统运行中相互拖拽、抱闸控制方式不可靠、转炉点头等问题,提升控制精度,达到增强设备安全稳定运行的目的。实践表明改造优化后的转炉倾动控制系统动态响应速度快,系统安全性更高,能够满足转炉冶炼工艺对于安全性、稳定性、可靠性、高效性、精确性控制的要求。

公共空间电子屏安全播控模式探索

公共空间电子屏正成为城市舆论宣传的重要手段,已广泛应用于多个领域,呈现主体多元化、终端网联化、技术创新化的趋势,催生了公共空间电子屏对联播联控业态的需求。通过对平台系统、传输网络、固件应用等实施对应安全策略,共同构建安全防线,确保联网联播的可管可控。同时管理部门应从多个维度建立配套机制,共同维护公共空间的意识形态安全和播出秩序。

化工企业安全风险管控体系的建设路径

在化工企业安全管理过程中,由于对生产过程中存在的安全风险辨识不清、不全,安全风险管控措施落实不彻底,员工对岗位安全风险不了解等原因,导致企业生产安全事故发生的情况比比皆是。文章从安全风险辨识、风险分级评估、安全风险管控等几个方面,提出了企业安全风险管控体系的建设路径。

接收方发起的电站数据上报控制方法研究

传统的数据上报,大多采用发送方作为客户端,向上级服务器发起连接请求,采用主动推送的方式完成数据传输。当电站数量巨大且上报数据种类和通信条件都不尽相同时,这种方式无疑为上级服务器打开了一个后门,带来了一定的安全隐患。提出了一种接收方发起的电站数据传输控制方法,由上级数据中心发起请求、电站响应并完成数据传送的反向拉动模式,使得中心侧不再暴露通讯端口,降低了中心侧网络遭受攻击的可能性。有此,设计了配套的应用层数据可靠传输协议ADRTP(Application-layer Data Reliable Transport Protocol),通过一系列控制机制和调整最大数据包长度L_(max),提高数据传输的效率。

自主式绝缘台升降过程避障控制方法研究

为提高自主式绝缘台在升降过程中的稳定性,针对升降过程避障控制方法进行了研究。首先从结构角度展开分析。控制系统的两个主要结构为AM600-CPU1608TP型可编程逻辑控制器(PLC)和伺服电机。两者相互配合完成避障控制。为维持控制系统的平稳运行,需约束伺服电机的工作状态,确保电流脉动系数保持在0.67以下,使伺服驱动器保持平稳状态。基于此,通过一级和二级调平计算升降过程中人工势场函数,调整绝缘升降台的姿势和轨迹,并建立补偿函数弥补升降过程中的不稳定颤动,以判断障碍物位置并实现避障控制。试验结果表明,该方法能够有效地完成绝缘台的升降避障任务,具有避障误差小、避障过程中调平性能好、绝缘台升降状态稳定的优点。该方法具有良好的控制效果。

光催化氧化绿色合成医用化学发光试剂

光催化氧化较传统氧化反应更具有安全可控、条件温和、绿色环保的优点,已成为化学前沿中的研究热点之一,并受到广泛关注。目前,受实验条件和设备的限制,光催化氧化反应在本科教学实验中较为缺乏。本实验利用实验室常规仪器组装出简易光反应装置,以高效低能的钠灯为光源催化氧化磷酸盐中间体,实现了1,2-二氧环乙烷类医用化学发光试剂的实验室微量化制备,丰富了光化学反应在实验教学中的应用。本实验使用的原料和试剂便宜易得,操作简便,产物收率高,实验既可实现单瓶独立操作,又可进行多瓶串联反应。本文综合考虑实验成本、实验与教学效率,以两瓶串联方式展开分组实验教学,在实现教学形式多样化的同时,培养学生合作意识,适合本科实验教学,帮助学生提高全面综合的实验操作能力,加深对自由基加成等反应机理的理解。

Bow-tie技术在CCUS项目注入系统的应用

二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是实现化石能源低碳化利用的重要技术手段。但CCUS全流程存在二氧化碳泄漏、冻伤、窒息以及物体打击等风险,特别是注入系统涉及高压、低温及二氧化碳多相态变化等,易造成二氧化碳腐蚀、泄漏。通过Bow-tie技术对某CCUS项目注入系统开展风险识别、分析和控制,重点对设备设施及作业活动危害因素分析并制定有效管控措施,研究结果可为CCUS注入系统长期安全平稳高效运行提供技术支持。

供电企业关于人的不安全行为闭环管控研究

人是生产力中最活跃的因素,在导致事故发生的种种原因中,人的不安全因素是重要的核心原因,为了搞好安全生产,防止事故发生,必须及时矫正各种不良心理,消除不安全行为。因此,以南方电网超高压输电公司为例,结合企业安全生产工作,对人的不安全行为进行研究,建立不安全行为标准,构建不安全行为闭环管控体系,并进行试点应用及总结。通过对人的不安全行为闭环管控研究,持续提升了安全生产水平,控制一切风险,消除一切隐患,预防一切事故。

气田工艺控制与安全联锁系统应用典型问题及对策建议

在信息化、数字化大背景条件下,油气田企业逐步实现了自动化生产,而工艺控制与安全联锁是实现自动化生产、保障安全的重要手段,应用越来越广泛。结合油气田企业生产管理模式和安全风险特点,提出工艺控制与安全联锁系统存在控制层级冗余、功能定位不清晰、关键设备可靠性较低以及报警数据闭环管理不到位等典型问题,通过控制单元对象来明确控制层级,“油公司”扁平化管理功能需求优化组态画面,关键设备控制元件冗余设置,提高设备可靠性能,以及报警数据从参数设置、状态动态抑制、设备故障状态的循环分析处理,解决生产报警洪流现象,制定气田工艺控制与安全联锁系统统一的层级划分规则以及控制逻辑思路,建立报警数据收集、分析、处置推荐流程,提升工艺控制与安全联锁系统性能,降低报警率,提高安全生产可靠性,为数字化气田深化建设和生产管理应用提供借鉴。