Delta算子網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)優(yōu)化與安全問(wèn)題研究.pdf

1、與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的本地控制模式相比，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)可以大大減少系統(tǒng)布線(xiàn)，能夠節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)交互性、可維護(hù)性和故障診斷能力，已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。近十年中，網(wǎng)絡(luò)化控制已成為國(guó)際控制界研究的熱點(diǎn)課題之一。同時(shí)，NCSs中存在著很多待解決的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。由于網(wǎng)絡(luò)的接入，打破了原有控制系統(tǒng)的封閉性，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包亂序、通信帶寬受限以及采樣傳輸方式

2、等問(wèn)題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，網(wǎng)絡(luò)化在增強(qiáng)控制系統(tǒng)的可移動(dòng)性和可移植性的同時(shí)也使得控制系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性增加。網(wǎng)絡(luò)攻擊條件下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是一個(gè)新興的交叉研究領(lǐng)域，相關(guān)研究還處于摸索階段，其分析和設(shè)計(jì)的很多問(wèn)題目前尚未開(kāi)展研究。
　　本文主要研究了NCSs存在隨機(jī)時(shí)延、丟包和外界擾動(dòng)時(shí)的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。采用Delta算子對(duì)NCSs進(jìn)行建模，主要用博弈論的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜NCSs各子系統(tǒng)的性能最優(yōu)控制

3、。并且針對(duì)NCSs遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)攻擊策略和防御策略，保證系統(tǒng)在遭受DoS(Denial of Service)攻擊時(shí)安全運(yùn)行。主要的研究成果如下：
　　首先，提出在考慮有擾動(dòng)情況下NCSs的多任務(wù)控制結(jié)構(gòu)。通過(guò)Delta算子的方法考慮在動(dòng)態(tài)網(wǎng)路環(huán)境時(shí)，建立非一致采樣周期的NCSs模型。采用ε-納什均衡的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)在有外界擾動(dòng)情況下對(duì)NCSs的控制。通過(guò)博弈論的方法給出NCSs多任務(wù)結(jié)構(gòu)下的控制策略和黎卡提方程。通過(guò)給

4、出的估計(jì)上界來(lái)保證系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)二區(qū)域負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證我們提出算法的優(yōu)勢(shì)。
　　其次，研究了帶有多源擾動(dòng)和未知非線(xiàn)性的控制系統(tǒng)。為了克服高頻采樣時(shí)的數(shù)值缺陷，我們采用Delta算子的方法來(lái)建立控制系統(tǒng)模型。設(shè)計(jì)了觀(guān)測(cè)器來(lái)估計(jì)由外源系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)。基于擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的前饋補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了最優(yōu)的控制器來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能。當(dāng)考慮觀(guān)測(cè)誤差，非匹配擾動(dòng)和未知的非線(xiàn)性時(shí)，通過(guò)估計(jì)ε-optimum的上界值來(lái)保證系統(tǒng)的魯棒性。將上面的控制器設(shè)計(jì)

5、方法運(yùn)用到了一個(gè)二區(qū)域負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)中，來(lái)說(shuō)明算法的有效性。同時(shí)，用球桿系統(tǒng)證明擾動(dòng)觀(guān)測(cè)器的有效性。
　　再次，考慮無(wú)線(xiàn)NCSs的安全問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)較有線(xiàn)系統(tǒng)具有更高的不確定性，安全問(wèn)題尤為重要。攻擊者發(fā)射干擾信號(hào)對(duì)NCSs中的信息傳輸者進(jìn)行攻擊。先對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行建模，引入信噪比(Signal Interference Noise Ratio,SINR)作為通信性能指標(biāo)，攻擊者和傳輸者都以實(shí)現(xiàn)自己的最大收益為目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)層通信質(zhì)量會(huì)

6、影響到控制層的數(shù)據(jù)包傳輸，利用這種耦合關(guān)系，考慮帶有執(zhí)行器飽和的NCSs在受到網(wǎng)絡(luò)攻擊后的穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)仿真驗(yàn)證，證明了算法的有效性。
　　最后，考慮了在DoS攻擊下，NCSs的容侵控制問(wèn)題，采用聯(lián)合博弈的方式進(jìn)行求解。由于攻擊者的惡意行為，會(huì)給NCSs帶來(lái)額外的約束，比如數(shù)據(jù)丟包使通信阻塞。所以在這部分內(nèi)容中，考慮了NCSs中由于攻擊引起的數(shù)據(jù)丟包。給出了多任務(wù)控制結(jié)構(gòu)和集中式控制結(jié)構(gòu)下基于Delta域博弈論的控制策略。在這兩