一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法

技术领域

本发明属于网络化系统控制领域，涉及一种离散时间下网络化系统的控制方法，具体涉及一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法。

背景技术

网络化系统的低耗能、便维护、快传输等优点使得其在军事、交通、航天等领域被广泛应用，对于网络化系统的控制问题研究也是关注的焦点。

信号在传输中的延迟是在网络化系统中不可避免的一种现象，并且为了减少占用网络带宽，信号在传输过程中经常需要量化处理，与此同时，通过网络传输信号给攻击者带来了便利，网络化系统可能会受到虚假数据注入攻击，因此，设计一种能够同时应对这些负面影响的控制方法是极具意义的。

现有的控制方法不能在主动补偿传输延时的情形下，同时处理信号量化传输以及可能受到虚假数据注入攻击对系统的影响，并且控制器的鲁棒性较差，导致控制性能降低，甚至不能控制系统状态使其稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法，该方法解决了现有控制方法不能在信号需量化后同时补偿具有传输延迟、随机发生网络攻击的网络化系统，导致数据传输不准确、控制系统低下甚至系统不稳定的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法，包括如下步骤：

步骤一、建立通讯延迟下的网络化控制系统模型；

步骤二、依照步骤一所建立的网络化控制系统模型设计匹配的观测器结构；

步骤三、根据步骤二所设计的观测器，构造基于均匀量化和虚假数据攻击的预测控制器结构；

步骤四、获得保证网络化控制系统均方意义下输入-状态稳定的判别依据；

步骤五、求解观测器增益参数和预测控制器增益参数；

步骤六、将所求的观测器增益矩阵和预测控制器增益矩阵分别代入步骤二中的观测器和步骤三中的预测控制器中，保证网络化控制系统在均方意义下的输入-状态稳定性。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明针对具有传输延迟和虚假数据注入攻击的网络化控制系统，在均匀量化现象下提出一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法，同时考虑了信号量化和虚假数据注入攻击对预测控制性能的影响，与现有的网络化预测控制方法相比，本发明的非脆弱预测控制方法在补偿传输延迟的基础上，进一步处理了量化误差和网络攻击对系统稳定性的影响，并且增强了控制器的鲁棒性，具有一定的抗干扰能力。

2、本发明借助于李亚普诺夫稳定性定理，以线性矩阵不等式的形式给出观测器增益参数和非脆弱预测控制器增益参数的设计方法，为控制系统的观测器和控制器的设计提供了方法，可保证系统在均方意义下的输入-状态稳定性。

3、本发明实现了良好的控制效果，在本发明实验中，即使虚假数据注入攻击发生概率为50％，仍可保证系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明保安全的非脆弱网络化预测控制方法的流程图。

图2是下开环系统的状态轨迹图，其中，“——”为系统状态η

图3是未补偿传输延迟下的闭环系统状态轨迹图，其中，“——”为系统状态η

图4是在情形一下

图5是在情形一下

图6是在情形二下

图7是在情形二下

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种保安全的非脆弱网络化预测控制方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤一、建立通讯延迟下的网络化控制系统模型。

本步骤中，网络化控制系统模型为：

η(m+1)＝Aη(m)+Bu(m) (1)

ξ(m)＝Cη(m) (2)

式中，η(m+1)和η(m)表示为在m+1时刻与m时刻的状态信息，u(m)为m时刻的控制输入，ξ(m)表示在m时刻所获得的量测输出信息，A、B和C分别为状态转移矩阵、控制输入矩阵和量测输出矩阵，并且B为列满秩的矩阵。

步骤二、依照步骤一所建立的网络化控制系统模型设计匹配的观测器结构。

本步骤中，观测器的具体结构为：

式中，

步骤三、根据步骤二所设计的观测器，构造基于均匀量化和虚假数据攻击的预测控制器结构。具体步骤如下：

设计基于步骤一中网络化控制系统模型和步骤二中观测器的预测公式：

式中，j表示预测过程的步长，j的取值为2,3,…,δ，

均匀量化器形式为：

式中，

受到攻击后的量化预测值为：

其中，

基于均匀量化和虚假数据攻击的预测控制器结构为：

式中，K表示待确定的控制器增益参数，D和E分别表示控制器增益摄动中的左侧系数矩阵和右侧系数矩阵，时变矩阵F(m)表示m时刻增益摄动中的不确定性。

步骤四、获得保证网络化控制系统均方意义下输入-状态稳定的判别依据。

本步骤中，在量化和虚假数据攻击下网络化控制系统在均方意义下输入-状态稳定的判别依据为：

式中，

本步骤中，获得稳定性判别条件时利用了李雅普诺夫稳定性定理。

步骤五、求解观测器增益参数和预测控制器增益参数。

本步骤中，按照下述方法计算观测器增益参数和预测控制器增益参数：

式中，正交矩阵V是矩阵B的奇异值分解的右侧矩阵，满足

本步骤中，求解预测控制器增益参数时使用了矩阵的奇异值分解。

步骤六、将步骤五所求的观测器增益矩阵和预测控制器增益矩阵分别代入步骤二中的观测器和步骤三中的预测控制器中，保证网络化控制系统在均方意义下的输入-状态稳定性。

本步骤中，将观测器增益矩阵和预测控制器增益矩阵分别代入步骤二中的观测器和步骤三中的预测控制器中得到的观测器和预测控制器的具体形式分别是：

通过(11)观测系统的状态值，经预测模型(4)预测状态信息，再经均匀量化器(5)进行传输信号，即使虚假数据注入攻击，预测控制器(12)仍可保证网络化控制系统(1)在均方意义下是输入-状态稳定的。

实施例：

本实施例以具有传输延迟和网络攻击的网络化系统为例，采用本发明所述方法进行如下仿真：

具有传输延迟和网络攻击的网络化系统的状态转移矩阵、控制输入矩阵和量测矩阵参数分别为：

其他参数及初始值为：网络传输延迟为δ＝4，控制器中的增益摄动项中的参数为

情形1：

情形2：

控制效果：由图2、图3、图4、图5、图6、图7可见，开环系统是不稳定的，如果为对传输时滞进行补偿，闭环系统仍然是不稳定的，针对具有传输延迟、量化和网络攻击的网络化控制系统，所发明的非脆弱预测控制器设计方法可有效地应对量化误差和虚假数据注入攻击对系统的影响，并且使得控制系统稳定。