网络攻击下半马尔科夫切换系统的控制研究

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随着网络技术的发展和工业生产的进步,传统的点对点式控制系统已经不再满足实际需求。作为新一代的智能控制系统,网络化控制系统通过网络和物理资源的协调,大大提高了交互端口的开放性。目前,已经在设备制造、运输和智能建筑等重要的工业领域得到了广泛应用。然而,系统的安全问题仍然是一个巨大的挑战。攻击者针对与国民经济和民生相关的主要基础设施,利用信息安全漏洞突破网络防御,对工业控制网络构成了严重的安全威胁,其中典型的网络攻击主要包括拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击。另一方面,传统的马尔科夫随机过程要求驻留时间服从几何分布或指数分布,使得越来越多的实际系统不能简单地建模为马尔科夫切换系统。为了摆脱这一限制,半马尔科夫切换系统得到了普及和应用。基于此,本文利用滑模控制和事件触发控制的相关理论,研究了网络攻击下半马尔科夫切换系统的控制问题。主要研究内容如下:第一,研究了随机拒绝服务攻击下离散时间半马尔科夫切换系统的滑模控制问题。首先,考虑在理想网络环境下,设计了模态依赖的滑模函数,在等效控制律下得到了系统σ-误差均方稳定的充分条件;构造了离散时间滑模控制律,保证了滑模动态的有限时间可达性。其次,考虑系统遭受随机发生的拒绝服务(denial-ofservice,Do S)攻击,基于离散时间半马尔科夫核方法,建立了一个网络化半马尔科夫切换系统模型,该模型包括系统参数的不确定性和随机发生的Do S攻击;为了抵消攻击对系统状态信息的负面影响,设计了相应的攻击补偿策略和一个Do S攻击概率相关的滑模函数,并利用Lyapunov函数得到了系统σ-误差均方稳定的充分条件;构造了离散时间滑模控制律,保证了滑模动态可以在有限时间内被驱动到平衡点附近的滑动域内。最后,通过F-404飞行器模型和电子节气门模型仿真验证了所述滑模控制策略的优越性。第二,研究了虚假数据注入攻击下半马尔科夫切换系统的有限时间事件触发控制问题。首先,基于离散事件触发机制,建立了半马尔科夫切换系统模型来描述遭受虚假数据注入(false data injection,FDI)攻击的网络化控制系统;然后,利用Wirtinger积分不等式和基于自由权矩阵的积分不等式,设计了一个FDI攻击概率相关的事件触发状态反馈控制器。同时,基于Lyapunov泛函理论,提出了闭环网络化半马尔科夫切换系统随机有限时间稳定性的充分条件;最后,通过垂直起降直升机模型的实例仿真,验证了上述事件触发控制策略的有效性。
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