【摘 要】
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信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)推动着信息数据流与物理主体的高层次融合互动,在工业、国防和民生基础设施等领域有着重要应用。然而,CPS面临着网络攻击、通信资源紧缺等挑战,其物理层亦存在系统非线性、随机扰动和不确定性等问题,影响着CPS的稳定运行。为此,本论文从系统控制的角度出发,开展网络攻击下的信息物理系统事件触发容错控制研究,提升网络资源利用效率,提高CPS系统
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信息物理系统(Cyber-physical system,CPS)推动着信息数据流与物理主体的高层次融合互动,在工业、国防和民生基础设施等领域有着重要应用。然而,CPS面临着网络攻击、通信资源紧缺等挑战,其物理层亦存在系统非线性、随机扰动和不确定性等问题,影响着CPS的稳定运行。为此,本论文从系统控制的角度出发,开展网络攻击下的信息物理系统事件触发容错控制研究,提升网络资源利用效率,提高CPS系统安全性。本论文的主要研究内容与贡献如下:1.针对随机欺骗攻击下的信息物理系统,研究其动态触发预测容错控制问题。首先,提出一种基于输出信息的动态触发策略,引入误差权重矩阵,并与控制器共同求解。进而,构造基于动态输出反馈的预测容错控制器,重构系统状态,最小化攻击影响。随后,给出并证明保证算法递归可行性和控制约束的充分条件,保证闭环系统满足均方H2/H∞性能指标。2.针对动态攻击下的信息物理系统,提出一种动态记忆触发自适应容错控制方法。首先,提出一种动态记忆事件触发机制,引入记忆项以降低触发条件的保守性,给出并证明其完备性和可行性条件。而后,构造一种基于缓存信息的动态攻击模型,涵盖现有多种攻击模式,并对其攻击性和隐蔽性进行定量分析。进而,设计记忆触发自适应容错控制器,引入切换自适应补偿律,更好地抑制动态攻击影响。基于Razumikhin引理和Lyapunov稳定性分析,证明所提触发容错控制方法可保证闭环系统是实际输入至状态稳定的。3.针对拒绝服务(Denial of service,DoS)攻击下的随机非线性信息物理系统,研究其动态记忆触发容错控制问题。首先,提出一种含记忆调节因子的动态记忆触发机制,并对其完备性、优越性和可行性展开讨论。针对Do S攻击、非线性不确定性和随机扰动的共存情况,设计容错观测器,在此基础上构造触发容错控制器,应对Do S导致的传感通信间歇中断问题。基于Lyapunov稳定性分析,证明闭环系统是依概率半全局一致有界稳定的。4.针对执行器攻击下的非线性信息物理系统,提出动态触发快速有限时间容错控制方案。首先,提出一种含分数幂项的动态事件触发策略,使之适用于有限时间稳定性分析,增大触发误差容忍上界。在此基础上,设计快速有限时间容错控制器,引入含分数幂项的自适应调节律,提升对攻击的抑制性能。根据有限时间稳定性分析,证明闭环系统状态在有限时间进入稳定点的邻域内。5.针对执行器攻击下的互联信息物理系统,提出一种分散式动态事件触发容错控制方法。首先,提出一种分散式动态事件触发机制,该触发机制无需被控系统满足输入至状态稳定假设,且不会产生“芝诺”现象。进一步地,设计分散式自适应动态面容错控制器,在控制律与自适应律中引入分数幂项,提高各子系统应对执行器攻击的快速响应性能。基于有限时间稳定性分析,证明闭环系统是实际快速有限时间稳定的。
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