DoS攻击条件下网络化控制系统最优控制研究

发布时间：2020-09-12 08:07

　　 网络化控制系统是将原有的控制系统与通信网络相结合。因此,网络化控制系统具有布线简单、安装成本低、便于维护、共享资源、可移动性以及可移植性强等众多特点,被广泛地应用在各个领域的实际工业控制系统当中,成为控制系统发展的必然趋势。然而,通信网络的存在破坏了原有控制系统的封闭性,使控制系统容易遭受到恶意攻击,对控制系统的正常运行带来严重的影响。针对控制系统的恶意攻击种类很多,其中最容易实现并且危害最严重的是拒绝服务攻击。本文在考虑遭受到拒绝服务攻击的情况下,对网络化控制系统进行建模。利用博弈论进行攻击策略以及防御策略的设计,同时进行了最优控制器的设计,保证网络化控制系统在遭受到拒绝服务攻击时仍可以稳定运行且性能最优。主要的研究成果如下:首先,研究了带有执行器饱和的网络化控制系统在遭受到拒绝服务攻击时的最优控制问题。在通信网络中引入入侵检测系统,并利用博弈论来描述入侵检测系统与拒绝服务攻击之间的关系。同时给出纳什均衡策略的存在性以及唯一性,得到最优的递包率。在已知递包率的情况下,采用迭代自适应动态规划算法得到了带有执行器饱和网络化控制系统的最优控制器和最优性能指标。其次,在考虑遭受到拒绝服务攻击时,进行了分布式网络化控制系统的最优控制研究。考虑每个子系统都存在执行器饱和、测量噪声、随机扰动以及耦合概率约束,并将耦合概率约束转化成了确定性约束。同时设计了防御策略,降低了拒绝服务攻击对分布式网络化控制系统造成的影响。给出了最优控制器的设计方法,保证分布式网络化控制系统在所有约束满足的条件下的稳定运行。然后,进行了无线网络化控制系统的安全问题分析研究。引入信噪比的概念,并将其作为拒绝服务攻击者的性能指标。同时利用合作博弈设计了最优的攻击策略,使得拒绝服务攻击对无线网络化控制系统的攻击效果最大。进而,在攻击效果最大的情况下,设计了最优控制器。保证了无线网络化控制系统在最大攻击下仍可以稳定运行,并且性能最优。最后,搭建了直线倒立摆网络化实验平台。介绍了NetCon系统以及直线倒立摆系统,并对直线倒立摆系统进行了建模。在遭受到拒绝服务攻击的情况下,采用线性二次型控制器不仅可以使系统稳定,还可以保证系统的性能最优。利用搭建的直线倒立摆网络化实验平台进行了验证。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP393.08;TP273

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本文编号：2817388