Delta算子網絡化控制系統(tǒng)優(yōu)化與安全問題研究.pdf

1、與傳統(tǒng)點對點的本地控制模式相比，網絡化控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)可以大大減少系統(tǒng)布線，能夠節(jié)省系統(tǒng)設計成本，增強系統(tǒng)交互性、可維護性和故障診斷能力，已應用于眾多領域。近十年中，網絡化控制已成為國際控制界研究的熱點課題之一。同時，NCSs中存在著很多待解決的問題和挑戰(zhàn)。由于網絡的接入，打破了原有控制系統(tǒng)的封閉性，網絡化控制系統(tǒng)中存在網絡誘導時延、數據包丟失、數據包亂序、通信帶寬受限以及采樣傳輸方式

2、等問題。隨著網絡技術的迅猛發(fā)展和互聯網的廣泛使用，網絡化在增強控制系統(tǒng)的可移動性和可移植性的同時也使得控制系統(tǒng)受到網絡攻擊的可能性增加。網絡攻擊條件下網絡控制系統(tǒng)的設計與分析是一個新興的交叉研究領域，相關研究還處于摸索階段，其分析和設計的很多問題目前尚未開展研究。
　　本文主要研究了NCSs存在隨機時延、丟包和外界擾動時的控制器設計問題。采用Delta算子對NCSs進行建模，主要用博弈論的方法實現復雜NCSs各子系統(tǒng)的性能最優(yōu)控制

3、。并且針對NCSs遭受網絡攻擊時進行建模，設計攻擊策略和防御策略，保證系統(tǒng)在遭受DoS(Denial of Service)攻擊時安全運行。主要的研究成果如下：
　　首先，提出在考慮有擾動情況下NCSs的多任務控制結構。通過Delta算子的方法考慮在動態(tài)網路環(huán)境時，建立非一致采樣周期的NCSs模型。采用ε-納什均衡的方法來實現在有外界擾動情況下對NCSs的控制。通過博弈論的方法給出NCSs多任務結構下的控制策略和黎卡提方程。通過給

4、出的估計上界來保證系統(tǒng)的魯棒性。通過二區(qū)域負荷頻率控制系統(tǒng)仿真驗證我們提出算法的優(yōu)勢。
　　其次，研究了帶有多源擾動和未知非線性的控制系統(tǒng)。為了克服高頻采樣時的數值缺陷，我們采用Delta算子的方法來建立控制系統(tǒng)模型。設計了觀測器來估計由外源系統(tǒng)產生的擾動。基于擾動觀測器的前饋補償，設計了最優(yōu)的控制器來優(yōu)化系統(tǒng)性能。當考慮觀測誤差，非匹配擾動和未知的非線性時，通過估計ε-optimum的上界值來保證系統(tǒng)的魯棒性。將上面的控制器設計

5、方法運用到了一個二區(qū)域負荷頻率控制系統(tǒng)中，來說明算法的有效性。同時，用球桿系統(tǒng)證明擾動觀測器的有效性。
　　再次，考慮無線NCSs的安全問題。無線系統(tǒng)較有線系統(tǒng)具有更高的不確定性，安全問題尤為重要。攻擊者發(fā)射干擾信號對NCSs中的信息傳輸者進行攻擊。先對網絡層進行建模，引入信噪比(Signal Interference Noise Ratio,SINR)作為通信性能指標，攻擊者和傳輸者都以實現自己的最大收益為目標。網絡層通信質量會

6、影響到控制層的數據包傳輸，利用這種耦合關系，考慮帶有執(zhí)行器飽和的NCSs在受到網絡攻擊后的穩(wěn)定性問題。通過仿真驗證，證明了算法的有效性。
　　最后，考慮了在DoS攻擊下，NCSs的容侵控制問題，采用聯合博弈的方式進行求解。由于攻擊者的惡意行為，會給NCSs帶來額外的約束，比如數據丟包使通信阻塞。所以在這部分內容中，考慮了NCSs中由于攻擊引起的數據丟包。給出了多任務控制結構和集中式控制結構下基于Delta域博弈論的控制策略。在這兩