两类攻击下网络化切换系统的事件触发控制

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网络化控制系统建立了物理空间与网络空间的联系,突破了系统组件在空间上的限制,实现了资源共享,推动了实际系统向大规模化、网络化、智能化的方向发展。但在实际系统中,存在生产需求改变、系统元器件失效与恢复等因素造成系统动态发生突变的情况,导致传统的网络化控制系统难以适用。而网络化切换系统因允许多个子系统基于通信网络依序切换,能够较好地建模与描述上述复杂情况,可通信网络中固有的时延、数据包乱序等不确定性因素,则会增加其分析与设计的难度。同时,通信网络的开放性使得网络化切换系统容易遭受网络攻击,即攻击者通过入侵通信网络来破坏数据信息的可用性或可靠性,造成数据信息丢失、控制器非匹配等现象,导致网络化切换系统的性能下降或不稳定。在网络攻击发生的情况下,现有文献主要针对传统的非切换网络化控制系统进行稳定性分析及控制器设计,对具有混杂特性的网络化切换系统研究尚不完善,例如未考虑网络攻击阻碍切换信号传输,甚至篡改切换信号的行为;缺少在网络资源受限时事件触发机制和控制律的协同设计。由于存在上述不足,难以满足网络化切换系统对稳定运行的基本需求,故本文有必要开展如下工作:当网络化切换系统遭受拒绝服务攻击时,考虑能量有限的攻击行为有限次连续阻碍数据传输,建模此类系统为切换时变时滞系统,并构造一种混合事件触发机制。该混合事件触发机制由基于攻击行为的周期时间触发条件和正常通信的连续事件触发条件所组成,利用周期时间触发提高通信频率来消耗攻击能量,并建立连续阻碍数据传输次数与触发条件中采样周期、调节参数之间的关系,以获得此类攻击下系统稳定的条件。最后,设计依赖于输入时滞的平均驻留时间切换信号和事件触发控制器用于镇定系统。针对网络化切换系统中拒绝服务攻击造成控制器切换滞后于子系统切换所产生的异步输入问题,构造一类虚拟切换信号用于描述子系统与控制器之间同步/异步的关系。该切换信号利用拒绝服务攻击的发生次数与持续时长,给出事件触发切换系统在遭受攻击时处于同步/异步模态的时长,无需对最大触发间隔进行假设。通过设计依赖于攻击频率、持续时长以及采样周期的平均驻留时间切换信号和事件触发H∞控制器,使得切换系统是指数稳定的且具有H∞性能指标。针对网络化随机切换系统中欺骗攻击同时篡改采样状态与切换信号的问题,给出事件触发控制器的设计方法,所构造的事件触发机制依赖于系统状态、切换信号以及攻击行为,根据系统状态变化与攻击行为来自适应地调节阈值参数,从而减少欺骗攻击对系统影响。并在此基础上,考虑通信带宽受限等因素造成部分采样状态不可用的情况,利用同伦算法设计具有约束结构的事件触发控制器,使得切换系统具有输入–状态均方指数实用稳定性。所提方法适用于解决部分采样状态不可用下网络化系统的控制综合问题。进一步考虑通信网络中拒绝服务攻击和欺骗攻击共存的情况,针对两类攻击下网络化切换系统的事件触发控制问题,利用两类攻击行为造成数据传输失败的概率特征来设计平均驻留时间切换信号,提出构造基于李雅普诺夫函数的事件触发控制器,并允许在切换时刻更新控制输入以避免非匹配问题,从而获得此类切换系统几乎必然渐近稳定的充分条件。此外,研究上述两类攻击下基于不同事件触发机制的网络化奇异系统控制问题,根据拒绝服务攻击造成零输入和欺骗攻击造成非线性扰动的情况,建模此类系统为一类依赖于攻击行为的切换奇异系统。在周期事件触发控制中调整触发参数来降低攻击影响,并获得指数镇定奇异系统的充分条件;在自触发控制中构造基于奇异系统降阶模型的触发间隔表达式,并利用最小触发间隔以适应攻击造成的传输间隔变化,为网络化奇异系统采用自触发控制提供可行方法。
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