多源网络攻击下网络化系统安全控制与滤波问题研究

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随着信息技术与控制理论的飞速发展,具有低成本、高可靠性、维护方便等优点的网络化控制系统已经融入生产生活的方方面面,并占据着重要的地位。但带来便利的同时,由于引入通信网络打破了控制系统原有的封闭性,同时通信网络自身的脆弱性与开放性,使得网络化控制系统面临恶意网络攻击的威胁。因此如何实现网络攻击环境下网络化系统的安全控制受到了学者们的普遍关注。目前,针对多源网络攻击下网络化系统的安全控制与滤波问题研究仍然处在一个初始阶段,特别是考虑多源网络攻击情况下如何合理分配网络通信资源,在保证系统安全控制的前提下提高系统的控制性能还有待深入研究。因此,本文研究了多源网络攻击下网络化系统的安全控制策略与滤波算法问题。主要研究内容包括以下三个方面:1)针对存在随机拒绝服务攻击和重放攻击的网络化控制系统,研究了网络化系统鲁棒H∞滤波算法设计问题。通过静态量化机制来缓解通信网络带宽受限的压力,提高系统的计算精度;并引入两个相互独立的伯努利变量分别来描述拒绝服务攻击和重放攻击是否发生,建立了一类具有多源网络攻击和外部扰动等多种约束的网络化控制系统模型;利用李雅普诺夫稳定性理论和随机分析方法,给出滤波误差系统均方指数稳定的充分条件,进而在静态量化器的基础上设计了鲁棒H∞滤波器。最后,通过不间断电源系统和云辅助车辆悬架系统验证了所设计滤波算法的实用性。2)针对具有随机拒绝服务攻击和重放攻击的网络化控制系统,研究了基于事件触发的H∞动态输出反馈控制问题。为了降低网络通信负担,采用动态事件触发通信机制对传感器量测信息进行传输;考虑到网络攻击的随机特性,建立了包含拒绝服务攻击和重放攻击模式特征的网络化系统模型;基于李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式技术,给出闭环系统均方稳定的充分条件,进而在动态事件触发机制下设计了H∞动态输出反馈控制策略。最后,通过数值算例和无人自主水下机器人系统验证了所提出控制策略的有效性。3)针对具有周期性拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击的网络化控制系统,研究了基于动态事件触发的保性能控制问题。将周期性拒绝服务攻击造成的数据包丢失与通信网络固有数据包丢失建模为伯努利随机分布过程,同时将虚假数据注入攻击作为一类特殊的外部扰动,在此基础上借助状态反馈控制律给出了闭环网络化系统模型;利用李雅普诺夫稳定理论和矩阵分解理论给出了闭环系统稳定的充分条件,进而基于事件触发机制设计了且具有给定性能水平的状态反馈控制策略。最后,通过RLC电路模型验证了所设计控制方案的有效性。最后,对全文主要的研究工作及贡献做了总结,并对未来的研究工作重点进行了展望。
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