隐蔽式攻击下的离散系统区间观测器设计

本文研究了隐蔽式攻击下的网络化控制系统的安全估计问题.首先,根据攻击保持隐蔽的条件,得到了攻击信号的上界和下界.其次,基于边界信息设计了一类原坐标系下的区间观测器,并进一步通过坐标变换放宽增益矩阵的设计条件,给出了变换下的区间观测器设计方法.然后,提出了基于H_∞滤波理论计算隐蔽式攻击下的最优观测器增益的方法,并通过求解线性矩阵不等式获得最优增益矩阵.最后,通过仿真算例验证了所提方法的有效性.     

故障系统的状态估计

本文讨论故障系统的状态估计问题.文中给出了在故障检测滤波器误差方程基础上,利用未知输入观测器或逆系统算法,根据输出误差估计状态误差,从而得到故障系统状态的估计方法.文中还给出了一个数字仿真例子.     

具有状态观测器的网络化控制系统的设计

研究存在时变延迟和丢包的非理想网络传输情况下带状态观测器的网络化控制系统设计问题.提出一种基于分级控制结构的、具有本地状态观测器的网络化控制系统的设计方法,证明了基于分级控制结构的网络化控制系统满足分离定理的充分条件.该方法在降低系统设计难度的同时,有效改善了网络化控制系统的控制性能.数值仿真表明了所提出方法的有效性.     

网络化运动控制系统的分布式攻击重构

针对传感器网络下网络化运动控制系统的攻击重构问题,提出一种新的分布式投影中间估计器,以此估计传感器和执行器攻击信号.首先,引入投影算子确定受攻击的信道集,同时设计最小二乘算法减轻观测器在估计过程中的计算负担;然后,引入分布式估计框架以提高算法的可伸缩性和扩展性;最后,通过网络化运动控制系统的实验验证所提出方法的有效性.实验结果表明,所提出算法的估计精度和实时性分别优于现有的扩张状态观测器和梯度下降算法.     

控制领域的故障系统状态估计研究综述

随着系统变得越发复杂和庞大,故障的出现会直接或间接影响系统的性能,因此,针对故障系统的研究越来越引起学者们的关注。针对故障系统的故障特点,将故障系统分为执行器故障系统和传感器故障系统,并进一步分别概括出现有执行器故障系统和传感器故障系统的状态估计方法。针对每种系统的基本特点,分别介绍了相应的状态估计研究进展,适用条件和应用范围。最后综述了故障系统状态估计方法目前诚待解决的问题。     

网络化控制系统的时延观测器设计及其状态反馈控制

研究了一种网络化控制系统,其输出时延和控制时延均大于采样周期,且控制时延服从已知随机分布.基于现今值观测器原理,采用设置缓冲区和带有时戳的传感数据传输方法,给出了一种具有时延补偿功能的时延观测器,并证明了在系统可观的条件下可实现观测器极点的任意配置.之后,基于该观测器设计了状态反馈控制系统,并证明了复合系统的分离性原理.通过仿真验证了所提方法的有效性.     

网络化最优预测状态估计

当网络诱导时延和数据包丢失确定可知时,提出了一种网络化最优预测状态估计器设计方法,能够补偿网络诱导时延和数据包丢失对估计性能的影响,理论分析表明了随着网络诱导时延或数据包丢失的增加,该估计器在获得明显补偿效果的同时预测估计偏差略微递增,并给出了估计系统的稳定性条件,最后通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性和理论分析的正确性.     

不确定线性系统有限时间状态估计与故障重构

针对具有外部干扰和执行器故障的不确定线性系统,给出了一种有限时间内估计系统状态及重构执行器故障的方法．首先,通过状态和输出等价变换,得到不受执行器故障和建模不确定信息干扰的降维解耦系统．在此基础上设计有限时间状态估计器,并设置任意小的时延参数,实现对降维系统状态的有限时间估计,从而达到对原系统状态有限时间估计的目的;其次,考虑高增益滑模微分器对系统输出微分进行有限时间估计;之后,在原系统状态和系统输出微分有限时间估计的基础上,提出一种对系统不确定信息和执行器故障同时估计的方法;最后,通过对具有执行器故障的F-16飞行器纵向系统模型进行仿真,验证所提方法的有效性．     

Security distributed state estimation for nonlinear networked systems against DoS attacks

This paper is concerned with security distributed state estimation for nonlinear networked systems against denial‐of‐service attacks. By taking the effects of resource constraints into consideration, an event‐triggered scheme and a quantization mechanism are employed to alleviate the burden of network. A mathematical model of distributed state estimation is constructed for nonlinear networked systems against denial‐of‐service attacks. Sufficient conditions ensuring the exponential stability of the estimation error systems are obtained by utilizing the Lyapunov stability theory. The explicit expressions of the designed state estimators are acquired in terms of the linear matrix inequalities. Finally, a numerical example is used to testify the feasibility of the proposed method.     

拒绝服务攻击下网络化非线性系统的采样数据控制

本文研究了在拒绝服务攻击下网络化非线性系统的采样数据输出反馈控制问题.首先,为了避免使用完整的状态信息,在存在拒绝服务攻击的情况下设计了一种新颖的切换观测器.其次,同时考虑两个采样周期和拒绝服务攻击的影响,建立了一个新的切换增广系统模型,包括系统本身和误差系统.利用该模型和分段Lyapunov-Krasovskii泛函方法推导出保证切换增广系统是指数稳定的充分条件.进一步,利用线性矩阵不等式的解给出了观测器和控制器增益的共同设计方案.最后,通过仿真验证所提出控制方法的有效性.     

Interval observer-based consensus control of discrete-time multi-agent systems under stealthy attacks

In this paper, interval observer-based consensus control is developed for multi-agent systems with unknown input signals, sensor noises, and stealthy attack signals. Compared with the conventional robust observer, the interval observer has more relaxed preconditions for the systems, so the interval observer is more extensive. First, design an interval observer for each subsystem and linearly transform into a form that is easy to obtain the coefficient matrices of the interval observer. Then, based on the upper bound estimation of the observer, design a consensus control protocol, and the $H_{\infty }$ technique is used to suppress the unknown input signals. Finally, a numerical simulation example is presented to illustrate the feasibility and correctness of the developed method.     

DoS攻击下网络化控制系统基于观测器的记忆型事件触发预测控制

本文研究了DoS攻击下网络化控制系统记忆型事件触发预测补偿控制问题. 首先, 由于网络带宽资源有限 和系统状态不完全可观测性, 引入了记忆型事件触发函数, 为观测器提供离散事件触发传输方案. 然后, 分析了网络 传输通道上发生的DoS攻击. 结合上述记忆型事件触发方案, 在控制节点设计一类新颖的预测控制算法, 节省网络 带宽资源并主动补偿DoS攻击. 同时, 建立了基于观测器的记忆型事件触发预测控制的闭环系统, 并且分析稳定性. 通过线性矩阵不等式(LMI)和Lyapunov稳定性理论, 建立了控制器、观测器和记忆型事件触发矩阵的联合设计方案, 并验证了该方案的可行性. 仿真结果表明, 该方案结合记忆型事件触发机制可以有效补偿DoS攻击, 节约网络带宽 资源.     

Stability analysis on networked control systems under double attacks with predictive control

In this paper, stability of a networked control system under denial‐of‐service and false data injection attacks is analyzed with a predictive control method. To model denial‐of‐service attacks on the forward channel of networked control system, game theory is introduced for obtaining balanced results by denial‐of‐service frequency and duration. Then, measurement outputs of the networked control system are maliciously modified in the feedback channel. Under this double attack strategy, the stability of networked control system with predictive control is analyzed using a switched system method. By comparing three types of attack models, advantages of the double attacks are discussed to illustrate the necessity of this research. A numerical simulation is given to demonstrate effectiveness of the proposed methods on a networked control system under double attacks.     

FDI攻击下互联电力系统的分布式安全状态估计

针对虚假数据注入(FDI)攻击下的多区域互联电力系统安全状态估计问题,提出一种分布式中间观测器,同时对各区域电力系统的状态、虚假数据注入攻击信号以及负载偏差进行估计.首先,通过将电力系统的状态和虚假数据注入攻击进行增广,得到等价的区域电力系统状态空间模型;然后,基于等价系统模型构建分布式中间观测器,对各个电力子系统分别进行安全状态估计,并设计补偿控制策略以降低虚假数据注入攻击及负载偏差带来的影响;最后,通过算例仿真验证所提出方法的可行性和有效性.     

Resilient control for networked control systems with dynamic quantization and DoS attacks

In this article, the resilient control for networked control systems in the presence of denial-of-service (DoS) attacks is investigated in a sampled-data and dynamic quantization scheme. A novel dynamic quantization strategy is designed for signal transmissions from encoding systems to decoding systems, in which the quantized states are transmitted through networks with a risk of DoS attacks. An estimator is introduced to the design of control laws. Some sufficient conditions in terms of quantization levels, DoS attack duration and frequencies are given for the asymptotic stability of networked control systems. Furthermore, an event-triggered communication scheme is designed for signal transmissions in control channels to reduce network resource consumption. The Zeno behavior is excluded in the designed event-triggered communication scheme. The quantization levels can be adaptively adjusted according to real-time situations. Finally, the effectiveness of the proposed strategy is illustrated by simulations.     

混合攻击下直流微电网的FDI估计与模糊控制联合设计

研究基于T-S模糊模型的直流微电网(DC-MG)系统在拒绝服务(DoS)和虚假数据注入(FDI)混合攻击下的协同估计控制框架.考虑网络化T-S模糊模型和并行分布补偿(PDC)模糊控制规则中的非均匀时间尺度,建立DC-MG系统的T-S模型.为了放宽现有的DoS攻击模型通常假定攻击的频率和持续时间均有限的要求,在攻击信号的休眠和活跃期的已知范围内提出一种新的DoS攻击模型.同时,构造一个切换脉冲观测器来估计由外部动态系统产生的未知FDI攻击信号.然后,利用依赖于攻击参数的时变Lyapunov函数方法,导出系统在混合攻击下的指数稳定性判据.此外,基于线性矩阵不等式给出了模糊控制器和FDI攻击观测器的联合设计方法.最后,通过案例研究验证了所提出理论结果的有效性.     

网络攻击下的信息物理系统安全状态估计研究综述

近年来,信息物理系统在工业界的广泛应用引起了人们对系统安全问题的极大关注.信息物理系统对通信网络的深度依赖,使得网络攻击成为其中最为严峻的威胁之一,特别是那些能够干扰系统状态认知的攻击,因此,安全状态估计(即在遭受攻击时正确估计系统状态)已成为各界广泛关注的安全问题之一.此文旨在总结网络攻击下信息物理系统安全状态估计研究的进展.首先,介绍典型的网络攻击,并详细阐述在稀疏攻击下的安全状态估计问题.其次,探讨集中式安全状态估计和分布式安全状态估计的研究现状.在考虑稀疏攻击下安全状态估计问题的难点时,关键在于如何快速找到受到攻击的信道集合(这可能涉及到高计算复杂度).因此,将安全状态估计方法分为遍历搜索和非遍历搜索两大类,并对现有方法的优缺点进行归纳总结和详细阐述.然后,介绍稀疏攻击下信息物理系统安全状态能观性分析的研究现状.现有的研究结果表明:增加检测机制或先验知识可以缓解在稀疏攻击下安全状态估计所需的基础冗余度要求;同时,通过区分攻击和故障,也能有效降低传感器冗余度要求.最后,对信息物理系统安全状态估计仍然存在的问题进行展望,并提出一些可能的解决方向.