具有网络攻击的非线性网络化系统控制器设计

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网络化控制系统是一种通过计算机网络连接的控制系统,系统中的节点之间的信息交换传输通过网络进行。计算机与通信技术的高速发展给工业系统提供了巨大的帮助,大大提高了生产效率。同时,网络化也因其内在属性,不可避免的会发生时延、测量丢失等问题。另一方面,由于网络系统会暴露给外界,因此还可能会遭受到恶意的网络攻击,这些攻击包括但不限于拒绝服务(Denial of Service,DoS)攻击、注入攻击、重放攻击以及欺骗攻击等。很多时候攻击者为了达到破坏的目的,并不会发动形式单一的攻击,而是发动形式复杂、破坏力更强的混合攻击。除此之外,实际的控制系统往往是非线性的,所以建立系统模型时,非线性也需考虑在内。综上,研究网络攻击环境下的非线性离散时间系统的控制问题是非常有意义的。本文主要研究具有多种网络攻击的非线性离散时间系统,并设计相应的控制器使闭环控制系统能达到稳定或有界的状态,具体内容分为如下几个部分。(1)针对一类具有DoS攻击和测量丢失的非线性时滞系统进行基于静态输出反馈控制的研究。首先,考虑发生在系统状态方程及测量方程中的时变时延,以及控制器到执行器通道中的DoS攻击。随后,基于Lyapunov分析方法得到使闭环控制系统均方指数稳定并且满足H∞性能的充分条件。最后,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)以及线性矩阵不等式方法得出静态输出反馈控制器的增益参数。(2)探讨混合攻击下基于观测器的切换Lurie系统l2-l∞控制问题,其中攻击同时考虑通信信道的DoS攻击以及重放攻击。首先基于Lyapunov分析方法和平均驻留时间法分析闭环控制系统均方指数稳定性,随后给出满足l2-l∞性能的充分条件。最后利用SVD方法结合凸优化方法获得基于观测器的控制器增益参数。(3)针对具有混合攻击的非线性随机系统,研究事件触发机制下基于观测器的PID控制问题。首先,同时考虑发生在传感器到观测器通道的DoS攻击以及控制器到执行器通道的欺骗攻击,并利用事件触发机制降低数据更新的频率,从而减少网络资源的消耗。随后,基于Lyapunov分析方法得到使闭环控制系统均方指数有界的充分条件。最后,基于观测器的PID控制器增益参数可以通过SVD方法以及线性矩阵不等式方法得到。本文针对网络化控制系统,考虑多种形式的网络攻击以及网络化诱导现象产生的影响,并设计相应的控制方案,再结合具有实际背景的仿真案例对其有效性进行验证。因此,本文的研究不仅具有重要的理论价值而且兼具很强的实际意义。
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