基于事件触发和网络攻击的网络化系统的分析与设计

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网络控制系统(Networked Control System,NCS)是一个由通讯网络组成的空间分布式控制系统,是传感器技术、通信技术和计算机技术共同开发和集成的产物。它连接网络空间和物理空间,并可以通过系统之外的节点实现远程数据共享和多任务执行。还具有组件模块化和信息共享的特点,有效地降低了系统的复杂性和安装维护成本,提高了信息资源的利用率,同时使系统结构布局更加方便。此外,NCS还广泛应用于航空航天、智能家居、交通控制和外层空间探索等多个领域。值得注意的是,NCS也存在许多棘手的问题,例如,无线通信网络中的信道拥塞,数据冗余,网络诱导延迟和数据包丢失。更为严重的是,由于网络的开放,系统可能会面临潜在的安全风险,例如,攻击者可能会通过无线通信网络窃听,阻碍甚至篡改传输数据,从而破坏系统信息的私密性,可用性和完整性。因此,NCS的节能问题和安全问题备受关注,特别地,国内外学者对该问题的稳定性分析,控制和状态估计等相关研究投入了大量精力。围绕着网络控制系统的节能和安全问题,本文引入事件触发方案(Event-triggered Scheme,ETS),并结合控制理论等相关技术与方法,研究了网络系统对抗恶意攻击的估计和控制问题。具体内容包括以下几个方面:第二章针对遭受随机发生的欺骗攻击影响的网络化系统,研究了如何设计基于事件触发的滤波器。对于网络带宽受限,利用ETS来节约有限的网络资源。为刻画随机发生的欺骗攻击,引入两组满足伯努利分布的随机变量(Bernoulli Distri-buted Random Variables,BDRVs),其中一组用来刻画两种类型的欺骗攻击的切换规律,另一组用来描述经通讯信道的数据是否受到欺骗攻击。随后,将待估对象,ETS,随机发生的欺骗攻击和滤波器系统纳入一个统一框架,并建立相应的数学模型(增广系统)。接下来,考虑上述系统的稳定性并设计相应的滤波器,进一步给出事件触发方案和滤波器的协同设计方案。第三章研究了混合网络攻击下基于事件触发的时滞神经网络的滤波器设计问题。通讯信道会遭受可能发生的欺骗攻击的影响之外,还考虑了拒绝服务(Denial-of-service,Do S)攻击对通讯信道的影响,即混合网络攻击。基于滤波系统,并结合Do S攻击的行动特点,建立一个切换的滤波系统来刻画通讯信道是否受到Do S攻击。然后,将时滞神经网络,混合网络攻击,ETS和滤波系统统一建模。随后分析了该系统的指数均方稳定性和H∞性能,并给出了确保系统满足上述性能的充分条件。进一步给出滤波器设计的相关方法。第四章研究了带有执行器饱和的马尔可夫跳变神经网络抗混合网络攻击的事件触发控制。基于事件触发控制器,并结合Do S攻击的行动特点,建立一个切换的控制器来刻画通讯信道是否受到Do S攻击。将被控对象,数据调度策略和混合网络攻击模型建模为一个闭环系统。然后,相继进行该系统的稳定性分析和控制器设计,其结果为线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)形式的充分条件。此外,给定一个参考集,并结合上述充分条件,建立相应的优化问题。通过求解LMI形式的充分条件,得到控制增益和事件触发方案的权重矩阵,通过求解优化问题,得到收敛域的最大估计。第五章通过动态输出反馈控制器(Dynamic Output Feedback Controller,DOFC)研究了带有随机非线性的NCS在执行器饱和下自适应事件触发控制问题。首先,建立了一个在执行器饱和与自适应ETS下带有随机非线性的网络闭环控制系统。然后,结合稳定性理论,以LMI的方式呈现了确保该闭环系统稳定的充分条件。继而,给出了DOFC和自适应ETS的协同设计方法。
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