网络攻击下智能船—水下机器人弹性编队协同控制
这是一篇关于网络攻击,编队控制,弹性容侵控制,滑模控制,自适应控制的论文, 主要内容为为满足远洋深海高效作业需求,以应对日益猖獗的网络安全威胁,性能卓越且具有安全策略支撑的网络编队控制系统已成为海洋工程智能作业中必不可少的关键环节,让智能船-水下机器人设备高效高质的完成编队协同任务成为现实。基于此,本文对易隐匿、低成本和强破坏性的欺骗攻击篡改系统输入造成控制失稳问题的内在关系进行剖析。同时,进一步深挖执行器故障与网络攻击造成的复合型输入异常的内在耦合特质,再对不同类型不同内因影响编队控制效果的随机扰动进行解析。最终,本文聚焦网络攻击事后阶段,从控制角度设计编队弹性控制系统解决相关问题,为海工设备编队作业提供安全有效的控制策略参考。本文以网络攻击对编队控制器输出指令造成的不同程度破坏影响为研究主线,并在此基础上,进一步考虑智能船-水下机器人的编队方案设计、设备故障与随机运动等实际工程问题,由此开展如下研究:首先,利用图论法构建智能船和水下机器人的编队系统通信拓补网络,设计交换机来实现混合通信下的传输分配调节。同时,进一步解析编队设备间的几何关系与运动特征,通过几何变换法建立编队位置几何约束关系,将编队控制问题转换为运动跟踪控制问题。依据海工作业集中管控需求,采用领导-跟随者集中式控制策略,以虚拟引导思想,将期望任务轨迹设计为最高级别虚拟领导者,并把异构模型建立为矩阵型编队状态空间方程,解决不同设备和状态不同阶的不易统一控制调节的问题,有利于多类型海工设备实现编队控制。然后,根据海洋工程的高效作业需求,进一步考虑设备内外因素造成的未知扰动,以及解决隐匿性欺骗攻击对编队控制指令的篡改破坏问题,控制系统需要具有更好的自适应弹性响应调节能力和鲁棒性能。因此,从滑模趋近阶段和滑动阶段入手,依据滑模控制动态特性,设计滑模阻尼器,由此构建变阻尼趋近律,实现大误差快速趋近,小误差减速趋近的动态调控,减弱抖振的同时,提高滑模鲁棒响应;由此,构建可避免奇异问题的新型终端滑模面,实现在滑模面上有限时间收敛,从而以滑模鲁棒响应来应对突发攻击影响的同时,也可快速完成期望的编队任务。此外,结合考虑输入饱和特性的事件触发机制与自适应技术,完成变阻尼终端滑模控制器的设计。其次,针对海上和海下不同类型的风浪流扰动产生的随机干扰问题,以及设备内部由执行结构或通信转换产生的匹配性干扰问题,依据扰动的时间相关性,针对可积扰动设计自适应径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络逼近器,实现在线自适应补偿;进一步考虑到部分网络攻击、脐带缆和风浪流造成的部分不确定影响具有布朗运动特性,基于大系统观,将设备的随机现象定义为编队系统内外部随机激励产生的振动问题,利用广义力分析法建立驱动源随机力模型,并最终构建Stratonovich随机动力学模型,为控制器设计提供模型参考。最后,针对在耦合性欺骗攻击和失效故障同时作用下,系统输入受到复合型异常影响的问题,利用设备的饱和特性设计非线性饱和滤波机制,对控制器输出进行非线性拟合。随之利用拟合后的有界特性,设计解析标准量,并将其与系统输入映射到欧氏空间,利用欧氏距离法,建立弹性饱和解析机制,对耦合性输入异常进行解耦,并在控制器设计中利用RBF神经网络对解耦后的输入异常进行虚拟参数动态逼近,实现对输入异常的在线估计与补偿。本文对所提出的控制算法进行Lyapunov稳定性分析后,证明均可以在有限时间内完成有界一致性收敛。此外,针对相关创新点设计对比用控制算法,由此通过仿真对比验证出本文所提出的算法有效性和优越性。
基于事件触发机制的电力系统负荷频率安全控制研究
这是一篇关于电力系统,负荷频率控制,事件触发控制,滑模控制,网络攻击的论文, 主要内容为目前针对电力系统控制分析领域,为了缓解有限网络带宽资源的压力,提高数据利用率,国内外学者们在针对事件触发控制方案的设计方面进行了大量的分析和研究。然而,对于考虑通信时延和网络安全现象的双重影响下,有关此类通信协议的网络化电力系统负荷频率控制的研究还有待进一步补充和丰富。因此,本论文在考虑网络多重约束的影响下,通过不同的控制方法对电力系统负荷频率控制问题进行分析与综合,目的是期望所提出的控制方案,在保证网络攻击下系统的稳定性的同时,也能合理地利用有限的网络带宽资源。具体研究内容如下所示:(1)针对遭受欺骗攻击的单区域电力系统,探究其负荷频率控制器设计问题。首先,为了缓解带宽有限的通信网络中出现的数据通信拥塞现象,在传感器-控制器通信通道中引入一类事件触发控制方案。同时,用伯努利分布来描述欺骗攻击发生的随机性,并建立基于事件安全的闭环系统数学模型。随后,利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论和改进的积分不等式技巧,分析并推导出所建闭环系统的稳定性条件。并且,基于合适的矩阵变换技术来求解这些条件,得到相应的控制器增益。最后,通过对单区域负荷频率控制系统进行仿真验算,从而证明我们理论推导的可行性。(2)针对处于能量有限的拒绝服务攻击下的网络化电力系统,通过采用滑模控制研究策略来讨论基于类切换事件触发控制方案的负荷频率控制器的设计问题。考虑到能量有限的拒绝服务攻击的间歇性,采用类似切换的事件触发机制来弥补拒绝服务攻击带来的数据丢失的不利影响。在类切换事件触发控制方案和滑模控制策略的协同设计下,建立相应的滑模动力学模型。然后,在Lyapunov-Krasovskii稳定性理论的基础上,推导出保证所得闭环系统可以实现渐近稳定的稳定性判据,并且满足L2-L∞性能。在这基础上,通过解决矩阵凸优化问题,设计一种类切换事件触发负荷频率滑模控制律,以保证在滑模面可达的前提下实现理想的系统性能。最后,通过对两区域电力系统进行仿真验算,从而证明所提方法的可行性。(3)针对遭受假数据注入攻击和拒绝服务攻击影响的多区域电力系统,设计一类基于动态事件触发控制方案的H∞负荷频率控制器。为了进一步提高数据的利用率,引入一种阈值参数随系统目标状态变化而变化的动态事件触发控制方案。同时,考虑到混合网络攻击对数据传输过程的影响,建立相应的系统模型。然后,利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论,推导出在给定H∞性能指标γ的情况下保证所建立系统在均方意义下指数稳定的充分条件。此外,通过解决矩阵凸优化问题来获得所设计的控制器增益。最后,通过对一个三区域负荷频率控制系统进行仿真,以验证所提方法的可行性。
分布式控制直流微电网集群的通信网络安全研究
这是一篇关于直流微电网集群,分层控制,分布式控制,网络攻击,网络安全策略的论文, 主要内容为微电网技术更好的解决了分布式可再生能源的整合问题,顺应未来新能源的发展趋势,因此成为现代智能化配电系统的重要组成部分。相较于交流微电网,直流微电网以更少的能量转换环节、更简略的控制环节等优势,逐步成为了研究的热点。并且随着多个直流微电网进一步互联构成集群,从而实现各个网之间的能量互补与分布式能源的最大利用。此外,为了实现集群系统的多目标解耦设计,可采用分层控制策略。其中一次控制作为本地分散式控制,在每个单元都设有控制器;二次与三次控制的实现则需要基于高质量的通信,相较于传统的集中式,分布式通信在网络链路故障时具有可靠的操作性,有效避免单点故障所带来的负面影响。但是在没有中央控制器的情况下分布式通信全局监控的能力被削弱,这将不可避免地使系统的网络层暴露在潜在的安全问题中。另外,分布式通信网络将为攻击的扩散提供条件,进而对整个集群系统产生负面影响,增大检测的难度。因此,针对直流微电网集群通信网络的安全问题,本文将开展直流微电网集群通信网络中攻击检测与攻击恢复的相关研究,完成的主要工作包含以下三个方面。首先,本文分析了直流微电网集群的系统架构,分别对物理层与网络层进行研究。其次,对直流微电网集群的分层控制结构进行分析,网内的分散式的一次控制与分布式二次控制实现本地的电压稳定与能量分配,为互联提供基础;网间的双层分布式三次控制实现集群整体的能量管理,产生各个直流微电网的电压设定点,从而实现整体负荷的均衡。并通过Matlab/Simulink仿真验证了分层控制策略下直流微电网集群运行的稳定性。其次,基于网络安全的需求,针对单个直流微电网与直流微电网集群分别提出网络安全策略。对于单个直流微电网通信网络异常情况,本文基于卡尔曼滤波器实现攻击的检测;整个集群的通信网络通过所提出的网络安全策略来检测网络攻击的存在并在攻击持续时间恢复系统的稳定可靠运行。此外考虑了虚假数据注入攻击的分类条件,得到隐身攻击的设计要求。并且基于直流微电网集群仿真对所提出网络安全策略进行了验证。最后,以包含三个互联直流微电网的集群系统为验证模型,分别搭建了硬件在环实时仿真实验平台与全物理硬件实验平台,分别给出了直流微电网集群正常运行状态下的实验波形。为了验证所得提出基于备选量的集群检测策略与恢复策略的有效性,完成了网络攻击对集群的影响与网络安全策略作用下集群受到攻击后的相关实验与波形采集。实验结果表明,所提出的直流微电网集群网络安全策略能够有效检测出受到攻击的节点,并且集群在恢复策略的作用下仍然能够保持稳定运行。
基于事件触发机制的电力系统负荷频率安全控制研究
这是一篇关于电力系统,负荷频率控制,事件触发控制,滑模控制,网络攻击的论文, 主要内容为目前针对电力系统控制分析领域,为了缓解有限网络带宽资源的压力,提高数据利用率,国内外学者们在针对事件触发控制方案的设计方面进行了大量的分析和研究。然而,对于考虑通信时延和网络安全现象的双重影响下,有关此类通信协议的网络化电力系统负荷频率控制的研究还有待进一步补充和丰富。因此,本论文在考虑网络多重约束的影响下,通过不同的控制方法对电力系统负荷频率控制问题进行分析与综合,目的是期望所提出的控制方案,在保证网络攻击下系统的稳定性的同时,也能合理地利用有限的网络带宽资源。具体研究内容如下所示:(1)针对遭受欺骗攻击的单区域电力系统,探究其负荷频率控制器设计问题。首先,为了缓解带宽有限的通信网络中出现的数据通信拥塞现象,在传感器-控制器通信通道中引入一类事件触发控制方案。同时,用伯努利分布来描述欺骗攻击发生的随机性,并建立基于事件安全的闭环系统数学模型。随后,利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论和改进的积分不等式技巧,分析并推导出所建闭环系统的稳定性条件。并且,基于合适的矩阵变换技术来求解这些条件,得到相应的控制器增益。最后,通过对单区域负荷频率控制系统进行仿真验算,从而证明我们理论推导的可行性。(2)针对处于能量有限的拒绝服务攻击下的网络化电力系统,通过采用滑模控制研究策略来讨论基于类切换事件触发控制方案的负荷频率控制器的设计问题。考虑到能量有限的拒绝服务攻击的间歇性,采用类似切换的事件触发机制来弥补拒绝服务攻击带来的数据丢失的不利影响。在类切换事件触发控制方案和滑模控制策略的协同设计下,建立相应的滑模动力学模型。然后,在Lyapunov-Krasovskii稳定性理论的基础上,推导出保证所得闭环系统可以实现渐近稳定的稳定性判据,并且满足L2-L∞性能。在这基础上,通过解决矩阵凸优化问题,设计一种类切换事件触发负荷频率滑模控制律,以保证在滑模面可达的前提下实现理想的系统性能。最后,通过对两区域电力系统进行仿真验算,从而证明所提方法的可行性。(3)针对遭受假数据注入攻击和拒绝服务攻击影响的多区域电力系统,设计一类基于动态事件触发控制方案的H∞负荷频率控制器。为了进一步提高数据的利用率,引入一种阈值参数随系统目标状态变化而变化的动态事件触发控制方案。同时,考虑到混合网络攻击对数据传输过程的影响,建立相应的系统模型。然后,利用Lyapunov-Krasovskii稳定性理论,推导出在给定H∞性能指标γ的情况下保证所建立系统在均方意义下指数稳定的充分条件。此外,通过解决矩阵凸优化问题来获得所设计的控制器增益。最后,通过对一个三区域负荷频率控制系统进行仿真,以验证所提方法的可行性。
网络攻击下智能船—水下机器人弹性编队协同控制
这是一篇关于网络攻击,编队控制,弹性容侵控制,滑模控制,自适应控制的论文, 主要内容为为满足远洋深海高效作业需求,以应对日益猖獗的网络安全威胁,性能卓越且具有安全策略支撑的网络编队控制系统已成为海洋工程智能作业中必不可少的关键环节,让智能船-水下机器人设备高效高质的完成编队协同任务成为现实。基于此,本文对易隐匿、低成本和强破坏性的欺骗攻击篡改系统输入造成控制失稳问题的内在关系进行剖析。同时,进一步深挖执行器故障与网络攻击造成的复合型输入异常的内在耦合特质,再对不同类型不同内因影响编队控制效果的随机扰动进行解析。最终,本文聚焦网络攻击事后阶段,从控制角度设计编队弹性控制系统解决相关问题,为海工设备编队作业提供安全有效的控制策略参考。本文以网络攻击对编队控制器输出指令造成的不同程度破坏影响为研究主线,并在此基础上,进一步考虑智能船-水下机器人的编队方案设计、设备故障与随机运动等实际工程问题,由此开展如下研究:首先,利用图论法构建智能船和水下机器人的编队系统通信拓补网络,设计交换机来实现混合通信下的传输分配调节。同时,进一步解析编队设备间的几何关系与运动特征,通过几何变换法建立编队位置几何约束关系,将编队控制问题转换为运动跟踪控制问题。依据海工作业集中管控需求,采用领导-跟随者集中式控制策略,以虚拟引导思想,将期望任务轨迹设计为最高级别虚拟领导者,并把异构模型建立为矩阵型编队状态空间方程,解决不同设备和状态不同阶的不易统一控制调节的问题,有利于多类型海工设备实现编队控制。然后,根据海洋工程的高效作业需求,进一步考虑设备内外因素造成的未知扰动,以及解决隐匿性欺骗攻击对编队控制指令的篡改破坏问题,控制系统需要具有更好的自适应弹性响应调节能力和鲁棒性能。因此,从滑模趋近阶段和滑动阶段入手,依据滑模控制动态特性,设计滑模阻尼器,由此构建变阻尼趋近律,实现大误差快速趋近,小误差减速趋近的动态调控,减弱抖振的同时,提高滑模鲁棒响应;由此,构建可避免奇异问题的新型终端滑模面,实现在滑模面上有限时间收敛,从而以滑模鲁棒响应来应对突发攻击影响的同时,也可快速完成期望的编队任务。此外,结合考虑输入饱和特性的事件触发机制与自适应技术,完成变阻尼终端滑模控制器的设计。其次,针对海上和海下不同类型的风浪流扰动产生的随机干扰问题,以及设备内部由执行结构或通信转换产生的匹配性干扰问题,依据扰动的时间相关性,针对可积扰动设计自适应径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络逼近器,实现在线自适应补偿;进一步考虑到部分网络攻击、脐带缆和风浪流造成的部分不确定影响具有布朗运动特性,基于大系统观,将设备的随机现象定义为编队系统内外部随机激励产生的振动问题,利用广义力分析法建立驱动源随机力模型,并最终构建Stratonovich随机动力学模型,为控制器设计提供模型参考。最后,针对在耦合性欺骗攻击和失效故障同时作用下,系统输入受到复合型异常影响的问题,利用设备的饱和特性设计非线性饱和滤波机制,对控制器输出进行非线性拟合。随之利用拟合后的有界特性,设计解析标准量,并将其与系统输入映射到欧氏空间,利用欧氏距离法,建立弹性饱和解析机制,对耦合性输入异常进行解耦,并在控制器设计中利用RBF神经网络对解耦后的输入异常进行虚拟参数动态逼近,实现对输入异常的在线估计与补偿。本文对所提出的控制算法进行Lyapunov稳定性分析后,证明均可以在有限时间内完成有界一致性收敛。此外,针对相关创新点设计对比用控制算法,由此通过仿真对比验证出本文所提出的算法有效性和优越性。
网络攻击下智能船—水下机器人弹性编队协同控制
这是一篇关于网络攻击,编队控制,弹性容侵控制,滑模控制,自适应控制的论文, 主要内容为为满足远洋深海高效作业需求,以应对日益猖獗的网络安全威胁,性能卓越且具有安全策略支撑的网络编队控制系统已成为海洋工程智能作业中必不可少的关键环节,让智能船-水下机器人设备高效高质的完成编队协同任务成为现实。基于此,本文对易隐匿、低成本和强破坏性的欺骗攻击篡改系统输入造成控制失稳问题的内在关系进行剖析。同时,进一步深挖执行器故障与网络攻击造成的复合型输入异常的内在耦合特质,再对不同类型不同内因影响编队控制效果的随机扰动进行解析。最终,本文聚焦网络攻击事后阶段,从控制角度设计编队弹性控制系统解决相关问题,为海工设备编队作业提供安全有效的控制策略参考。本文以网络攻击对编队控制器输出指令造成的不同程度破坏影响为研究主线,并在此基础上,进一步考虑智能船-水下机器人的编队方案设计、设备故障与随机运动等实际工程问题,由此开展如下研究:首先,利用图论法构建智能船和水下机器人的编队系统通信拓补网络,设计交换机来实现混合通信下的传输分配调节。同时,进一步解析编队设备间的几何关系与运动特征,通过几何变换法建立编队位置几何约束关系,将编队控制问题转换为运动跟踪控制问题。依据海工作业集中管控需求,采用领导-跟随者集中式控制策略,以虚拟引导思想,将期望任务轨迹设计为最高级别虚拟领导者,并把异构模型建立为矩阵型编队状态空间方程,解决不同设备和状态不同阶的不易统一控制调节的问题,有利于多类型海工设备实现编队控制。然后,根据海洋工程的高效作业需求,进一步考虑设备内外因素造成的未知扰动,以及解决隐匿性欺骗攻击对编队控制指令的篡改破坏问题,控制系统需要具有更好的自适应弹性响应调节能力和鲁棒性能。因此,从滑模趋近阶段和滑动阶段入手,依据滑模控制动态特性,设计滑模阻尼器,由此构建变阻尼趋近律,实现大误差快速趋近,小误差减速趋近的动态调控,减弱抖振的同时,提高滑模鲁棒响应;由此,构建可避免奇异问题的新型终端滑模面,实现在滑模面上有限时间收敛,从而以滑模鲁棒响应来应对突发攻击影响的同时,也可快速完成期望的编队任务。此外,结合考虑输入饱和特性的事件触发机制与自适应技术,完成变阻尼终端滑模控制器的设计。其次,针对海上和海下不同类型的风浪流扰动产生的随机干扰问题,以及设备内部由执行结构或通信转换产生的匹配性干扰问题,依据扰动的时间相关性,针对可积扰动设计自适应径向基(Radial Basis Function,RBF)神经网络逼近器,实现在线自适应补偿;进一步考虑到部分网络攻击、脐带缆和风浪流造成的部分不确定影响具有布朗运动特性,基于大系统观,将设备的随机现象定义为编队系统内外部随机激励产生的振动问题,利用广义力分析法建立驱动源随机力模型,并最终构建Stratonovich随机动力学模型,为控制器设计提供模型参考。最后,针对在耦合性欺骗攻击和失效故障同时作用下,系统输入受到复合型异常影响的问题,利用设备的饱和特性设计非线性饱和滤波机制,对控制器输出进行非线性拟合。随之利用拟合后的有界特性,设计解析标准量,并将其与系统输入映射到欧氏空间,利用欧氏距离法,建立弹性饱和解析机制,对耦合性输入异常进行解耦,并在控制器设计中利用RBF神经网络对解耦后的输入异常进行虚拟参数动态逼近,实现对输入异常的在线估计与补偿。本文对所提出的控制算法进行Lyapunov稳定性分析后,证明均可以在有限时间内完成有界一致性收敛。此外,针对相关创新点设计对比用控制算法,由此通过仿真对比验证出本文所提出的算法有效性和优越性。
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