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事件触发通信机制下的弹性控制及其应用

陈小莉  
【摘要】:网络化控制系统(Networked control systems,NCSs)由于通信资源的约束性及通信网络具有链路开放性高等特点,更易遭到窃听、数据篡改、拦截等恶意攻击,其在安全方面面临更大的挑战。因此,对恶意攻击下的NCSs的攻击-容忍(或弹性)控制问题研究十分重要。本文针对资源受限的NCSs,重点考虑上行/下行链路量化、网络传输延时、事件触发和拒绝服务(Denial-of-service,DoS)攻击对系统的影响,开展弹性控制研究。此外,本文还将以非线性直流微电网系统为应用对象,完成理论成果的仿真验证研究。本论文主要内容包括:针对周期DoS攻击下含参数不确定性和上行/下行链路量化的线性NCSs,建立一种依赖固定攻击周期的弹性离散事件触发通信机制。利用分段李雅普诺夫泛函方法(Piecewise Lyapunov-Krasovskii function,PLKF)、切换系统方法和线性矩阵不等式(linear matrix inequalities,LMIs)技术,得到系统采样周期、攻击周期和系统PLKF的收敛率和发散率参数之间的显式关系及系统指数稳定性条件,提出弹性控制器和触发参数的联合设计方法。针对同时存在非周期DoS攻击、上行链路量化及外部有界扰动的线性NCSs,引入一种新的非周期DoS攻击模型,该模型由平均驻留时间、休眠时间的一致下界和攻击时间的一致上界所刻画。基此,建立一种依赖非周期攻击时刻的弹性离散事件触发机制。采用PLKF方法和LMIs技术,建立系统采样周期、攻击约束参数、系统PLKF的收敛率和发散率参数与系统H∞性能参数之间的定量关系,获得保证系统指数稳定且同时满足一定H∞性能水平的条件,提出弹性H∞控制器和事件触发通信机制的联合设计方法。针对非周期DoS攻击下非线性NCSs,采用T-S(Takagi-Sugeno)模糊系统、时滞系统和切换系统建模方法,构建DoS攻击下网络化T-S模糊跟踪误差切换控制系统模型。利用PLKF方法和LMIs技术,建立系统采样周期、攻击约束参数、系统PLKF的收敛率和发散率参数与系统H∞跟踪性能参数之间的定量关系,获得保证跟踪误差系统指数稳定且同时满足一定H∞跟踪性能水平的条件,提出触发通信机制参数和跟踪控制器参数的联合设计方法。针对非周期DoS攻击下具有恒定功率负载(Constant power loads,CPLs)的网络化非线性直流微电网(Direct current mircrogrids,DC mircrogrids)系统,引入基于攻击频率和攻击持续时间约束的非周期DoS攻击模型,建立基于T-S模糊模型的非线性直流微网切换模糊系统模型。利用模糊系统理论、PLKF方法和LMIs技术,建立确保T-S模糊切换系统稳定的DoS攻击频率和持续时间所满足的条件,提出模糊控制器增益和触发参数的联合设计方法。


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