[发明专利]一种基于滑模的切换网络化控制系统安全控制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模的切换网络化控制系统安全控制方法，涉及在非线性和虚假数据注入(False data inject，FDI)攻击下切换网络化控制系统模型建立以及基于滑模的安全控制方法设计。本发明针对切换网络化控制系统中出现的非线性和FDI攻击问题，公开了一种基于滑模的安全控制方法。本发明的技术方案包括：系统切换、非线性和FDI攻击的建模、控制系统的降节处理、滑模函数设计、滑模动态分析、滑模参数求解、滑模控制器设计以及闭环系统稳定性证明。本发明能够有效解决切换网络化控制系统中出现的非线性和FDI攻击问题，提高系统的安全性，保证系统的稳定运行。

技术领域

本发明属于攻击下切换网络化控制系统技术领域，涉及在非线性和FDI攻击下切换网络化控制系统的建模以及基于滑模的安全控制方法设计更为具体地讲，更为具体的讲，涉及一种基于滑模的切换网络化控制系统安全控制方法。

背景技术

切换系统是一种混合系统，其系统参数或系统结构是随机变化的。由于切换系统在建模系统结构变化，系统拓扑变化，系统节点或组件故障等方面表现出明显的优势，因此切换系统被广泛用于各个工业控制中。然而，在切换系统中，由于系统的切换特性，使得受控系统可能变得不稳定或控制性能降低。特别地，对于切换网络化控制系统，系统不仅会受到一些常见问题的影响，例如系统非线性、不确定性、未建模动态、干扰等。而且网络攻击也给网络化控制系统带来了巨大的威胁。最近，网络安全控制问题引起了广泛关注，各种网络攻击事件被频繁报道。尤其是FDI攻击，对手可以将虚假的数据注入传感器和执行器，或者篡改所传输的数据，从而破坏系统的控制性能，使受控系统不稳定或瘫痪。文献[“Distributed secure state estimation for cyber–physical systems under sensorattacks”(Liwei An，Guang-Hong Yang，Automatica，2019，107:526–538)]针对具有传感器FDI攻击的多智能体系统，提出了一种基于分布式优化的状态估计方法来防御攻击，保证了多智能体系统在攻击下的一致性。文献[“State estimation under false datainjection attacks:Security analysis and system protection”(Liang Hu,ZidongWang,Qing-Long Han,Xiaohui Liu,Automatica,2018，87:176-183)]针对具有FDI攻击的网络化控制系统，研究了状态估计问题，讨论了安全性分析，并给出了系统的不安全条件。然而，到目前为止，关于安全控制问题的研究还处于起步阶段，大多数报道的文献都集中在攻击检测，过滤和状态估计上，缺乏有效的安全防御策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对切换网络化控制系统中出现的非线性和FDI攻击问题，提供一种基于滑模的切换网络化控制系统安全控制方法，以提高系统的安全性，保证系统的稳定运行。

为实现上述发明目的，本发明基于滑模的切换网络化控制系统安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、针对具有非线性和FDI攻击的切换网络化控制系统的建模问题，设计了一个半马尔科夫切换信号来描述系统的切换特性，同时分别设计了非线性时变函数来描述系统的非线性特性和黑客注入的虚假数据；

(2)、针对系统中的传感器虚假数据注入攻击问题，对系统进行了降节处理，设计了一种滑模函数，得到了一个滑模动态系统；

(3)、针对滑模函数中参数求解问题，设计了一个切换李雅普诺夫函数，得到了滑模动态系统的稳定条件，并采用线性矩阵不等式技术求解出滑模函数中的参数；

(4)、针对系统中的非线性和执行器虚假数据注入攻击问题，设计了一种滑模控制器。