一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，所述网络控制系统包括物理系统、传感器、控制器和执行器，包括以下步骤：1)获取网络控制系统受到的双通道攻击信息，基于该信息建立带有补偿机制的网络攻击模型，所述双通道包括传感器控制器通道和控制器执行器通道；2)建立网络控制系统的事件触发机制模型；3)基于所述网络攻击模型和事件触发机制模型建立闭环系统模型；4)基于所述闭环系统模型，根据网络控制系统的输入到状态的稳定性条件，获得控制器常数矩阵，完成控制器设计。与现有技术相比，本发明专利技术具有降低通讯负担、系统运行稳定等优点。

A Design Method of Networked Control System Controller Based on Event Triggering

The invention relates to a design method of a network control system controller based on event triggering. The network control system includes a physical system, a sensor, a controller and an actuator. It includes the following steps: 1) Obtaining the information of the two-channel attack on the network control system, establishing a network attack model with compensation mechanism based on the information, and the two-channel includes a sensor controller. Channel and controller executor channel; 2) Establish event trigger mechanism model of networked control system; 3) Establish closed-loop system model based on the network attack model and event trigger mechanism model; 4) Based on the closed-loop system model, according to the stability condition of input to state of networked control system, obtain controller constant matrix and complete controller design. Compared with the prior art, the invention has the advantages of reducing the communication burden and stabilizing the operation of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法
本专利技术涉及一种攻击下网络控制系统的控制器设计方法，尤其是涉及一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，使网络控制系统在遭受网络攻击情况下的以一定概率输入到状态稳定。
技术介绍
过去几十年，因网络控制系统在各行各业的应用，如交通管理系统、远程医疗监控、加热控制系统等，其受到越来越多的关注。然而因网络带宽有限，网络控制系统产生了很多问题，如网络时延和数据丢包，这都降低了系统的性能。同时由于网络在传感器和控制器间，以及控制器和执行器间的开放连接使得传输的信息很容易受到外部攻击。目前研究的主要攻击有DoS攻击和虚假攻击。其中，DoS攻击通过发送多余的数据消耗有限的网络资源来不断攻击目标。虚假攻击通过影响数据的完整性来达到目的。重放攻击是一种典型的虚假攻击，攻击者对系统未知，但是依然可以访问、记录和重放传感器数据；错误数据注入攻击是另一种虚假攻击，与重放攻击相比，错误数据注入攻击有完整的系统信息。从防守的角度来看，袭击具有随机性质，这使得攻击的成功在很大程度上取决于检测攻击能力的保护设备或软件、通信协议和网络条件(如网络负载、网络拥塞、网络传输速率)。从攻击者的角度来看，攻击者希望能量无限并且在攻击的过程中不被检测到，但实际上攻击都是能量有限的，并且在发动攻击的过程中能量消耗很快。网络攻击的随机性通过伯努利过程或马尔科夫过程来体现，然而，对更一般的网络控制系统的安全概率研究仍然是一个开放且重要的工作。为了节能，时间触发控制策略是一个传统的选择。根据工程实践，网络能源有限情况下通信协议的选取需要关注以下几点：网络上太频繁的数据交互通可能会带宽超支，从而恶化通信质量；通常情况下，只有一些极其重要的控制或测量数据为控制和估计目的传播；在一个能源有限的环境下，系统组件之间的不必要的通信可能导致资源的浪费。在此情况下，在传输测量或控制信息的过程中，找到新的控制策略来有效的利用网络资源具有理论和实践意义。与基于时间的控制策略相比，事件触发机制能有效的降低通信负担，提高资源利用率。虽然现在已经有对于攻击下网络控制系统的控制器设计的研究，但是这些研究都没有充分的利用通信网络的资源。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，用以确保网络控制系统的安全性能。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，所述网络控制系统包括物理系统、传感器、控制器和执行器，其特征在于，包括以下步骤：1)获取网络控制系统受到的双通道攻击信息，基于该信息建立带有补偿机制的网络攻击模型，所述双通道包括传感器控制器通道和控制器执行器通道；2)建立网络控制系统的事件触发机制模型；3)基于所述网络攻击模型和事件触发机制模型建立闭环系统模型；4)基于所述闭环系统模型，根据网络控制系统的输入到状态的稳定性条件，获得控制器常数矩阵，完成控制器设计。进一步地，所述网络攻击模型具体为：其中，为传感器测量，是网络攻击下控制器接收到的信息，是控制器输出，为执行器输入，是最近事件触发时刻ks传输的信息，和表示攻击者发出的信号，随机变量αk和βk是Bernoulli分布白噪声序列，nx、ny、nu分别是状态变量维数、传感器测量维数和执行器输入维数，k表示时刻；随机变量αk和βk满足下列分布概率：其中，和是两个已知常数；攻击者发出的信号γk和vk的表达为：其中，ξ1k和ξ2k是攻击者发出的任意能量有界的信号，满足是已知正数。进一步地，所述网络攻击模型根据变量αk、βk、ξ1k的不同描述不同的网络攻击形式。进一步地，所述事件触发机制模型具体为：其中，是最近事件触发时刻传输的信息，δ1是一个既定的正数；事件触发的条件为ψ(ek,δ1)＞0。进一步地，所述闭环系统模型具体为：其中，A、B、C、D和E是系统常数矩阵，和分别表示状态变量、传感器测量和执行器输入，wk是方差为1的零均值高斯白噪声序列，是状态估计，且F、L和K是需要设计的控制器矩阵。进一步地，所述步骤4)具体包括：41)根据输入到状态的稳定性条件建立网络控制系统具有一定稳定概率的不等式方程组；42)建立二次型目标函数并获得其上界；43)根据Shur补引理，得到控制器满足的线性矩阵不等式方程组，求解获得控制器常数矩阵。进一步地，所述输入到状态的稳定性条件具体为：给定正数ε，若存在一个正定函数两个类函数ν和三个雷函数和对所有使得下列两个不等式成立，则网络控制系统具有概率1-ε的输入到状态稳定性：其中，表示条件期望中的k时刻条件。进一步地，所述网络控制系统具有一定稳定概率的不等式方程组为：其中，和为正定矩阵，ν、ι、κ和z为正数，进一步地，所述二次型目标函数为：其中，和是两个给定正定权矩阵，是条件期望中的初始条件，N是总时刻；二次型目标函数的上界为：其中，λmax表示最大特征值，λmin表示最小特征值。进一步地，所述控制器满足的线性矩阵不等式方程组为：和其中与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：一、本专利技术以带有补偿机制的网络攻击模型描述网络控制系统受到的双通道攻击，可以实现双通道遭受多种攻击类型的网络控制系统控制器参数设计，普适性高。二、本专利技术利用事件触发传输策略，与传统的时间触发控制策略相比，能在有效利用网络资源的情况下，传输有用的控制信息，网络资源得到更合理的利用。三、本专利技术在分析遭受网络攻击下网络控制系统的稳定性上，采用输入到状态的稳定性分析方法，使得设计的控制器参数能有效满足网络控制系统的运行稳定性。附图说明图1为基于事件触发的网络控制系统组成图；图2为本专利技术方法的流程示意图；图3为无攻击下的系统状态图；图4为攻击下的系统状态图；图5为具有事件触发机制的网络攻击下系统状态图；图6为攻击时刻和事件触发时刻图；图1中，1为执行器，2为物理系统，3为传感器，4为通信网络，5为控制器，6为事件触发机制。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提供一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，适用于双通道遭受攻击情况。如图1所示，网络控制系统包括物理系统2、传感器3、控制器5和执行器1，控制器5通过通信网络4分别连接执行器1和传感器3，传感器3至控制器5间的通信网络4上设置有事件触发机制6。控制器为一动态反馈控制器。如图3、图4、图5分别表示了该系统无攻击下、有攻击下及具有事件触发机制的网络攻击下的系统状态图。如图2所示，本专利技术控制器设计方法的包括以下步骤：(1)建立带有补偿机制的网络攻击模型来描述网络化控制系统所遭受的的双通道攻击，双通道包括传感器控制器通道(S-C端)和控制器执行器通道(C-A端)。网络攻击模型为：其中，为传感器测量，是网络攻击下控制器接收到的信息，是控制器输出，为执行器输入，是最近事件触发时刻传输的信息。和表示攻击者发出的信号，且和ξ2k是攻击者发出的任意能量有界的信号，满足其中是已知正数。随机变量αk和βk是Bernoulli分布白噪声序列，满足下列分布概率：其中，和是两个已知常数。所述网络攻击模型根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，所述网络控制系统包括物理系统、传感器、控制器和执行器，其特征在于，包括以下步骤：1)获取网络控制系统受到的双通道攻击信息，基于该信息建立带有补偿机制的网络攻击模型，所述双通道包括传感器控制器通道和控制器执行器通道；2)建立网络控制系统的事件触发机制模型；3)基于所述网络攻击模型和事件触发机制模型建立闭环系统模型；4)基于所述闭环系统模型，根据网络控制系统的输入到状态的稳定性条件，获得控制器常数矩阵，完成控制器设计。

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，所述网络控制系统包括物理系统、传感器、控制器和执行器，其特征在于，包括以下步骤：1)获取网络控制系统受到的双通道攻击信息，基于该信息建立带有补偿机制的网络攻击模型，所述双通道包括传感器控制器通道和控制器执行器通道；2)建立网络控制系统的事件触发机制模型；3)基于所述网络攻击模型和事件触发机制模型建立闭环系统模型；4)基于所述闭环系统模型，根据网络控制系统的输入到状态的稳定性条件，获得控制器常数矩阵，完成控制器设计。2.根据权利要求1所述的基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，其特征在于，所述网络攻击模型具体为：其中，为传感器测量，是网络攻击下控制器接收到的信息，是控制器输出，为执行器输入，是最近事件触发时刻ks传输的信息，和表示攻击者发出的信号，随机变量αk和βk是Bernoulli分布白噪声序列，nx、ny、nu分别是状态变量维数、传感器测量维数和执行器输入维数，k表示时刻；随机变量αk和βk满足下列分布概率：其中，和是两个已知常数；攻击者发出的信号γk和vk的表达为：其中，ξ1k和ξ2k是攻击者发出的任意能量有界的信号，满足是已知正数。3.根据权利要求2所述的基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，其特征在于，所述网络攻击模型根据变量αk、βk、ξ1k的不同描述不同的网络攻击形式。4.根据权利要求2所述的基于事件触发的网络控制系统控制器设计方法，其特征在于，所述事件触发机制模型具体为：其中，是最近事件触发时刻传输的信息，δ1是一个既定的正数；事件触发的条件为ψ(ek,δ1)＞0。5.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：严怀成，王江宁，张皓，彭艳，蒲华燕，罗均，谢少荣，王曰英，李郅辰，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31