DoS攻击下马尔科夫跳变系统的事件触发控制研究
实际物理系统受环境影响、部件故障、执行器失效等因素，结构和参数会发生随机突变。作为一类含有多个子系统和服从马尔科夫过程跳变律的混杂系统，马尔科夫跳变系统可以准确地描绘这种现象。对此，在过去的几十年里马尔科夫跳变系统得到深入研究并广泛应用于航空航天、电力系统、工业互联网等领域。同时，在网络环境中，相比于传统的周期采样策略，事件触发机制(event-triggering scheme,ETS)能够在保证系统性能的同时，减少系统信号采样频率，进而节约网络资源。此外，由于网络通信技术的限制，网络中的传输数据容易受到各种各样的恶意攻击，这些攻击能够使系统性能恶化甚至崩溃。因此，本文针对马尔科夫跳变系统，重点分析拒绝服务(denial-of-service,DoS)攻击下的事件触发控制问题。主要研究内容可总结为： 1.研究DoS攻击下连续马尔科夫跳变系统的事件触发和自触发控制问题。代替静态ETS，采用动态ETS进一步降低系统信号采样频率。由于DoS攻击造成控制器失效，建立切换马尔科夫跳变闭环系统。进而，通过多李雅普诺夫函数方法，得到系统随机稳定的充分条件并给出控制器增益和事件触发参数设计。同时，在动态ETS的基础上给出自触发机制(self-triggering scheme,STS)，该机制能够提前预测下一次触发时间，避免触发条件的实时测量。相比于以往静态ETS下导出的STS，本文提出的STS能够减少更多的信号采样量。 2.考虑系统含有外扰和随机噪声，讨论DoS攻击下连续马尔科夫跳变随机非线性系统的事件触发和自触发L∞控制问题。由于随机噪声可能造成芝诺(Zeno)行为，构造带有数学期望的ETS并借用多李雅普诺夫函数方法得到保证系统L∞性能的充分条件。考虑带有数学期望形式的ETS难以实现，给出可实施基于样本轨迹的STS。在STS下，当系统不含有扰动时，探究几乎必然指数稳定性能。特别地，本文在触发机制中引入指数参数可以进一步减少触发频率。 3.上述内容DoS攻击建模为开环控制，这可能造成系统性能急剧下降，对此，采用零阶保持器(zero-order holder,ZOH)来保持旧的传输数据。在此基础上，研究DoS攻击下连续马尔科夫跳变系统的事件触发L∞控制问题。在ZOH影响下，为了避免外扰和DoS攻击造成Zeno行为，提出固定触发下界的ETS并分析DoS攻击对ETS的影响，估计攻击下新的触发不等式。进一步，通过李雅普诺夫函数方法，协同DoS攻击限制条件获得保证系统L∞性能的充分条件，进而给出状态反馈增益及事件触发参数设计。 4.考虑离散系统同样广泛存在实际物理模型中，进而研究DoS攻击下离散马尔科夫跳变系统的事件触发L2?L∞异步控制问题。在马尔科夫跳变系统的事件触发控制设计中，大多采用模态依赖ETS来降低控制器设计的保守性。上述内容均假设子系统、控制器和ETS同步。但是，由于系统模态信息可能难以获得并且隐藏于控制器，可能导致子系统、控制器和ETS之间的异步问题。为此，采用隐马尔科夫模型(Hidden Markov Model,HMM)描述这样的异步行为。基于HMM，考虑周期DoS攻击的影响，通过李雅普诺夫函数方法和迭代技术，获得保证系统随机稳定和L2?L∞控制性能的充分条件，并给出控制器和事件触发参数设计。 5.由于Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型在非线性和不确定性方面的建模优势，进而研究DoS攻击下离散T-S模糊马尔科夫跳变系统的事件触发H∞控制问题。相比于第4个内容中的周期DoS攻击，引入更一般的非周期DoS攻击。特别地，为了解决模糊控制器和模糊系统隶属度间的不匹配行为造成控制器设计的保守问题，设计包含隶属度函数的ETS。进一步，采用多李雅普诺夫函数方法和迭代技术，给出保证系统H∞性能的充分条件和具体的控制器和事件触发参数设计。
马尔科夫跳变系统;拒绝服务攻击;事件触发机制;L∞控制;李雅普诺夫函数;迭代技术;T-S模糊模型
华南理工大学
博士
控制科学与工程
邓飞其
2021
中文
TP273
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）