拒绝服务攻击下基于事件触发机制的网络化系统中H_∞滤波器设计

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现今,计算机科学与技术、网络通信技术和控制科学与理论等的日益成熟,由网络通信技术构建的网络控制系统也逐渐被应用在大型工业中。网络控制系统就是利用通信网络将系统中的传感器、控制器、滤波器和执行器等连接形成闭环系统。网络化系统的优势主要有:成本低,方便安装,易于维护,性能高等。但是,将网络通信技术应用到大型工业中,也会存在一些传统网络问题,如信道资源受限、网络攻击、传输时延、丢包等,这会导致系统的性能下降。因此,解决信道资源受限和网络攻击等问题,提高网络化系统性能,具有很大的发展前景和实际应用价值。本文研究基于攻击下的网络化系统滤波器设计问题。有关网络化系统中滤波器技术虽取得了一定的成果,但仍有不足之处:第一,目前所提出的滤波器设计方法基本上都是针对传统网络问题,例如:传输时延、丢包等;关于网络攻击问题很少有文献涉及,但网络安全是目前不可避免的一个问题,有很大研究前景。第二,目前大部分的触发机制都是时间触发,时间触发会频繁的发送不必要数据,占用通信通道,影响通信效率。事件触发机制首先检测数据是否需要发送,从而大大降低信道占用率。但是如何将事件触发机制与网络攻击结合起来的问题,更具有意义和挑战性。为弥补不足之处,有必要研究和改善目前已有的滤波器设计问题。在本文中,针对网络攻击问题,分别引入相应的攻击信号,提出对应的处理滤波器设计的方法。本文的主要内容概括如下:针对特殊情况下的攻击即周期攻击问题,研究了网络化系统H∞滤波器设计方法。首先,给出一个周期攻击信号,根据攻击信号特性,重新定义滤波器输入信号;然后给出一个新颖的事件触发机制,之后同时考虑网络攻击和事件触发机制的影响,构建切换滤波器误差系统模型,使用李雅普诺夫泛函和自由加权矩阵方法,分析基于此模型的稳定性和H∞性能稳定所需条件,最后通过解线性矩阵不等式设计H∞滤波器。针对一般情况下的攻击即未知周期攻击问题,研究了事件触发H∞滤波器设计方法。首先,给出一个未知周期攻击信号,并对其做一定的频率或周期限制;给出一个新的事件触发机制检测传感器信号是否需要被传输,以减轻滤波器设计的通信负担;之后在未知周期攻击信号影响下,事件触发机制滤波误差系统被建立,是一个切换系统。利用分段Lyapunov泛函方法,分析得出系统指数稳定和H∞性能稳定的条件,最终使用线性矩阵不等式求解出滤波器增益矩阵。针对一类非线性网络化系统,研究了在未知周期攻击信号下事件触发H∞滤波器设计方法。首先给出一个未知周期攻击信号,在攻击影响下调整滤波器输入信号;之后给出一个新的事件触发机制检测传感器信号是否需要被传输;同时考虑攻击信号和事件触发机制这两者,建立滤波误差系统,是一个切换系统。运用分段Lyapunov泛函方法,线性矩阵不等式技术和矩阵凸性,推导出基于T-S模糊模型的系统稳定性和H∞性能稳定的条件,最后设计出H∞滤波器。
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