网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法，该方法包括：考虑前向通道网络攻击，加性高斯白噪声，数据丢包多种通讯约束，建立了多通讯约束下的离散网络化控制系统模型，基于双自由度控制器，利用互质分解，内外因子分解和Youla参数化方法等工具设计出最优控制器，在保证系统稳定的基础上极大的改善了多输入多输出离散网络化控制系统的最优权衡性能的表达式。本发明专利技术深刻了研究并揭示了网络化控制系统权衡性能与系统本身的特性以及各通讯约束之间的联系，更好地对该类系统的控制器进行最优设计。类系统的控制器进行最优设计。类系统的控制器进行最优设计。

【技术实现步骤摘要】
网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法


[0001]本专利技术涉及网络系统控制领域，具体涉及一种网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法。

技术介绍

[0002]文献“Performance Analysis ofMIMO Information Time
‑
Delay System Under Bandwidth Cyber
‑
Attack and Gaussian White Noise”中介绍了一种系统模型，该控制系统模型为多输入多输出的信息时延系统，研究了具有网络攻击和带宽限制以及加性高斯白噪声(AWGN)网络约束的网络化控制系统的权衡性能，该性能是基于跟踪误差和信道能量限制之间的权衡。网络参数主要包括于反向通道中的网络攻击，带宽约束和加性高斯白噪声(AWGN)。基于双自由度控制器，利用谱分解技术，Youla参数化，选择最优的双参数结构，得到了该系统权衡性能极限的显式表达式。虽然该系统同时考虑了网络攻击，加性高斯白噪声和带宽的约束，但在实际的网络通信信道中，还存在前馈通道受到干扰，丢包等约束，该模型的考虑还不够全面，因此有必要针对上述模型的网络化控制系统的其他权衡性能极限进行更深的研究。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的主要技术问题在于，对考虑多种干扰，丢包等约束的网络化控制系统的其他权衡性能极限进行分析，以根据最优权衡性能对系统进行最优控制。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案如下：
[0005]一种网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法，包括以下步骤：
[0006]建立基于双自由度控制器的多输入多输出离散网络化控制系统模型，所述网络化控制系统模型的控制能量输入为第一表达式：
[0007][0008]所述网络化控制系统模型的系统输出为第二表达式：
[0009][0010]其中，n表示加性高斯白噪声，表示其Z变换，d
r
表示丢包，其概率分布函数为ζ表示丢包的概率，0≤ζ≤1，r表示参考输入，表示r的Z变换，其中v代表参考输入的方向矢量，y和u分别表示系统输出和控制能量输入，分别为y和u对应的Z变换，G为被控对象，表示稳定的、正则的、实有理传递函数或矩阵集合；[K1K2]为两自
由度控制器，其中：由度控制器，其中：表示控制器的集合，和为有理传递函数矩阵(1
‑
ζ)G经过互质分解得到的分别关于零点和极点的因子，N(z)和M(z)为有理传递函数矩阵(1
‑
ζ)G经过另一互质分解得到的分别关于零点和极点的因子，X(z),为分别满足双Bezout等式的矩阵，R,Q为双自由度控制器自由设计的参数；
[0011]跟踪误差为第三表达式：
[0012][0013]定义网络化控制系统模型的跟踪性能指标J为第四表达式：
[0014][0015]其中，E为期望算子，ε为跟踪误差与控制能量输入之间的权衡，满足0≤ε≤1；
[0016]根据第四表达式，得到网络化控制系统模型的最优性能表达式为第五表达式：
[0017][0018]其中，V＝diag(a
12
,...,a
m2
),W＝diag(β
12
,...,β
m2
)，a和β分别为参考输入r和高斯白噪声n的功率谱密度，P为入侵检测系统IDS所消耗的性能；
[0019]基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解，最终得到网络化控制系统的最优权衡性能，以实现最优控制。
[0020]进一步地，在所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解的步骤之前，还包括：
[0021]计算入侵检测系统IDS所消耗的性能P的表达式，具体步骤如下：
[0022]对于网络攻击，当攻击者有n种策略发起一轮攻击时，那么IDS同样也有n种策略来进行检测并应对攻击，令攻击策略为S＝{s1,s2,
…
s
n
}，那么其相应的概率表述为令防御策略为D，同样的即当攻击者使用攻击策略s
j
时，IDS使用应对策略
d
i
，根据贝叶斯纳什均衡得到攻击者和IDS的效用矩阵，即和和和分别表示攻击者和IDS的效用，入侵检测系统IDS所消耗的性能满足：其中l∈R
+
，R
+
为正实数集合，根据通过选择S策略中的一个线性函数使得推导出
[0023]进一步地，所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解的步骤，包括：
[0024]定义分别为第六、第七、第八表达式：
[0025][0026][0027][0028]其中，为最优性能表达式的第一部分，为最优性能表达式的第二部分，为最优性能表达式的第三部分。
[0029]进一步地，所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表
达式进行求解的步骤，包括：计算
[0030]被控对象有全通分解N(z)＝L(z)N
m
(z)和L(z)和B(z)为全通因子，分别包含了被控对象的非最小相位零点s
i
(i＝1,...,N
s
)和不稳定极点p
i
(i＝1,...,N
p
)，N
m
和M
m
为最小相位因子，L(z)可以分解为因此所述最优性能表达式的第一部分化简为为第九表达式：
[0031][0032]进一步地，根据进一步地，根据为Hilbert空间的子空间，定义和有其中为第十表达式：
[0033][0034]为第十一表达式：
[0035][0036]进一步地，根据第十一表达式计算
[0037]定义内外分解其中设其中ΨΨ
H
＝I，可以计算出带入得：
[0038][0039]其中：
[0040][0041][0042]经过计算可以得到：经过计算可以得到：令又因为那么可分开计算得到：
[0043][0044]其中，δ(jw)＝B(e
jw
)
‑
2(1
‑
ε)2Re{f(e
jw
)}+(1
‑
ε)2f(1)，f(1)，
[0045]计算W2，因为那么：
[0046][0047]其中因为A(z)+B(z)＝1
‑
ε，那么进一步计算得：
[0048][0049]那么计算出了为第十二表达式：
[0050][0051]进一步地，所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：建立基于双自由度控制器的多输入多输出离散网络化控制系统模型，所述网络化控制系统模型的控制能量输入为第一表达式：所述网络化控制系统模型的系统输出为第二表达式：其中，n表示加性高斯白噪声，表示其Z变换，d
r
表示丢包，其概率分布函数为ζ表示丢包的概率，0≤ζ≤1，r表示参考输入，表示r的Z变换，其中v代表参考输入的方向矢量，y和u分别表示系统输出和控制能量输入，分别为y和u对应的Z变换，G为被控对象，表示稳定的、正则的、实有理传递函数或矩阵集合；[K
1 K2]为两自由度控制器，其中：自由度控制器，其中：表示控制器的集合，和为有理传递函数矩阵(1
‑
ζ)G经过互质分解得到的分别关于零点和极点的因子，N(z)和M(z)为有理传递函数矩阵(1
‑
ζ)G经过另一互质分解得到的分别关于零点和极点的因子，为分别满足双Bezout等式的矩阵，R,Q为双自由度控制器自由设计的参数；跟踪误差为第三表达式：定义网络化控制系统模型的跟踪性能指标J为第四表达式：其中，E为期望算子，ε为跟踪误差与控制能量输入之间的权衡，满足0≤ε≤1；根据第四表达式，得到网络化控制系统模型的最优性能表达式为第五表达式：其中，a和β分别为参考输入r和高斯白噪声n的功率谱密度，P为入侵检测系统IDS所消耗的性能；基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式
以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解，最终得到网络化控制系统的最优权衡性能，以实现最优控制。2.如权利要求1所述的网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法，其特征在于，在所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解的步骤之前，还包括：计算入侵检测系统IDS所消耗的性能P的表达式，具体步骤如下：对于网络攻击，当攻击者有n种策略发起一轮攻击时，那么IDS同样也有n种策略来进行检测并应对攻击，令攻击策略为S＝{s1,s2,
…
s
n
}，那么其相应的概率表述为令防御策略为D，同样的即当攻击者使用攻击策略s
j
时，IDS使用应对策略d
i
，根据贝叶斯纳什均衡得到攻击者和IDS的效用矩阵，即和和和分别表示攻击者和IDS的效用，入侵检测系统IDS所消耗的性能满足：其中l∈R
+
，R
+
为正实数集合，根据通过选择S策略中的一个线性函数使得推导出3.如权利要求1所述的网络攻击下离散网络化控制系统权衡性能评估方法，其特征在于，所述基于有理传递函数矩阵的互质分解双Bezout等式
以及双自由度控制器的Youla参数化形式对最优性能表达式进行求解的步骤，包括：定义分别为第六、第七、第八表达式：分别为第六、第七、第八表达式：分别为第六、第七、第八表达式：其中，为最优性能表达式的第一部分，为最优性能表达式的第二部分，为最优性能表达式的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晓伟，任馨雨，张文涵，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：