网络化控制系统状态与故障的联合区间估计

作     者：李进 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜顺

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：网络化控制系统 区间观测器 隐蔽式攻击 虚假数据注入攻击 未知测量延迟 

摘      要：网络化控制系统引入了开放共享的通信网络给系统带来了连接简单、容易扩展、便于维护等优点的同时也给系统带来了一系列新问题,如数据传输延迟,数据包丢失及遭受网络攻击等,从而导致系统的性能下降。故障诊断和与容错控制技术为提高系统的安全性和可靠性提供了重要的理论支撑,故障估计为设计容错控制策略提供了所需的故障幅值及变化规律。传统的故障点估计方法通常需要假设干扰和噪声满足特定的概率分布,然而在实际系统中干扰和噪声可能有界但却难以描述其统计特性。在此背景下,本课题主要研究网络化控制系统状态与故障的联合区间估计问题,主要研究内容如下:针对传感器通道遭受隐蔽式攻击的网络化控制系统,提出并设计了一种能够对系统状态与故障进行联合区间估计的区间观测器。首先设计区间观测器获取隐蔽式攻击信号的区间估计,然后将执行器故障视为增广状态,并构建与受攻击系统等价的增广系统,基于该增广系统和隐蔽式攻击信号的区间估计设计了TNL型区间观测器。利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)方法得到区间观测器的参数矩阵,使得误差系统满足给定的L性能指标。TNL型区间观测器增加了观测器的设计自由度,且所有待设计参数矩阵均可转化为LMI进行求解,使得观测器的估计性能得到保障。该观测器得到的结果为后续设计容错控制器提供了故障幅值和系统状态等信息。针对传感器通道和执行器通道同时遭受虚假数据注入攻击的网络化控制系统,提出了一种能够对系统状态与故障进行联合区间估计的集员估计方法。通过将传感器故障视为增广状态,在此基础上设计增广状态观测器并运用Lyapunov稳定性理论和LMI方法得到观测器的参数,然后利用中心对称多胞体技术得到误差信号的区间估计,根据增广状态观测器获取的点估计和误差信号的区间估计得到增广状态的区间估计,从而获得状态与故障的区间估计。该方法通过引入H优化技术使得求得的估计结果更加准确,且得到的故障与状态信息可用于后续设计主动容错控制器。针对未知测量延迟下网络化控制系统状态与故障的联合区间估计问题,考虑未知但有界的过程干扰和有界的未知测量延迟,在执行器发生故障的情况下,探索TNL型区间观测器在未知测量延迟网络化控制系统中的应用。首先通过建模分析得到未知测量延迟的明确数学表达式并假设其有界,然后构建增广状态包含系统状态和执行器故障的增广系统,针对该增广系统设计TNL型区间观测器。通过Lyapunov函数借助LMI方法得到区间观测器的参数矩阵,使得误差系统满足给定的H性能指标。该观测器得到的故障和状态信息为后续实施主动容错控制策略奠定了基础。