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基于事件触发机制的复杂动态网络的分析与控制

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基于事件触发机制的复杂动态网络的分析与控制

作者：周小涛合肥工业大学

学位级别：硕士

复杂动态网络由于其广泛的应用一直受到很多学者的关注。同步作为一种基础的复杂动态网络的动力学行为,在社会学和工程学的各个领域都得到了普遍的研究。针对复杂动态网络的同步问题,事件触发机制由于其在节约系统资源方面具有很大的优... 详细信息

复杂动态网络由于其广泛的应用一直受到很多学者的关注。同步作为一种基础的复杂动态网络的动力学行为,在社会学和工程学的各个领域都得到了普遍的研究。针对复杂动态网络的同步问题,事件触发机制由于其在节约系统资源方面具有很大的优势而被运用于其中。该机制给出了一种有效的方法来控制执行器的更新,即仅当某种特定的事件被触发时才执行相应的操作。尽管基于事件触发机制的复杂动态网络的相关工作已经被部分学者所探讨,然而尚有一些问题有待解决。第一,目前大多数的复杂动态网络同步问题的研究都没有考虑时滞对复杂动态网络同步的影响,然而在实际系统中由于采样、信号传输、控制器计算和网络带宽等因素时滞普遍存在。第二,现有的复杂动态网络同步问题的研究工作中,提出的事件触发机制往往是静态事件触发机制。其在节约系统资源方面不如相应的动态事件触发机制。第三,事件触发机制通常需要配备事件探测器对触发条件进行连续的监控,自触发机制却可以很好的避免这一缺点。然而目前基于自触发机制的复杂动态网络的同步研究工作却很少。针对以上提出的不足之处,本文首先建立了基于事件触发通信的时滞复杂动态网络的数学模型。特别地,给出了一种新的动态事件触发机制。该机制中包含一个内部动态变量,在避免Zeno现象方面起着至关重要的作用。通过构造合适的Lyapunov函数和微分方程的稳定性理论,给出了时滞复杂动态网络达到同步的充分条件。其次,为了避免连续监测触发条件,本文提出了一种有效的自触发机制。利用推广的Gronwall不等式,不仅给出了时滞复杂动态网络达到同步的充分条件,而且明确估计了自触发机制的触发时刻间隔的下界。

关键词：复杂动态网络同步时滞事件触发机制自触发控制

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基于事件触发机制的网络化系统鲁棒故障检测

基于事件触发机制的网络化系统鲁棒故障检测

作者：李尚霖江南大学

学位级别：硕士

网络化控制系统是被控对象和其他部件之间通过共享的通讯网络连接而形成的闭环控制系统。相比传统的控制系统,网络化控制系统具有连接简单、灵活性强、容易扩展、便于维护等优点。但是由于网络的引入,也不可避免地带来了一系列新问题,... 详细信息

网络化控制系统是被控对象和其他部件之间通过共享的通讯网络连接而形成的闭环控制系统。相比传统的控制系统,网络化控制系统具有连接简单、灵活性强、容易扩展、便于维护等优点。但是由于网络的引入,也不可避免地带来了一系列新问题,如信息传输时延、数据包丢失、量化误差及带宽受限等,从而导致系统的性能下降,严重时会使系统失稳。故障检测是判断系统是否发生故障,它是系统安全运行预警机制建立的重要依据。由于通讯网络的引入,致使传统的故障检测方法很难直接应用于网络化控制系统,因此针对非理想网络因素,研究网络化系统的故障检测方法具有重要的理论意义和应用价值。鉴于目前关于网络化系统故障检测的研究集中于周期触发的离散时间系统,本论文将研究基于事件触发机的连续时间网络化系统的故障检测问题。与常用的周期触发通信方式相比,本论文中所采用的事件触发通讯机制能够实现数据包的按需发送,这可以极大地降低网络负载,节省网络资源。本论文主要研究工作如下:针对通信带宽受限和传感器饱和约束,引入一种有效的基于事件触发机制的传输策略,研究了网络化时不变系统的故障检测问题。首先运用Lyapunov稳定性理论分析滤波误差系统的稳定性,并借助线性矩阵不等式方法得出鲁棒故障检测滤波器存在的充分条件,再使用凸优化方法获取目标故障检测滤波器的参数,然后基于所设计的故障检测滤波器生成残差信号,进而判断系统是否发生故障,最后通过数值仿真验证故障检测方法的有效性。考虑到在工业应用过程中,由于系统元件的磨损或环境的突然变化等因素导致系统参数突变的情况,研究了网络化马尔科夫跳变系统的故障检测问题。所考虑的系统参数变化服从连续时间马尔科夫链,在故障检测滤波器设计过程中,运用随机Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法得到最优故障检测滤波器参数,然后将所设计的故障检测滤波器作为残差发生器,借助残差信号检测系统是否发生故障,最后分别通过数值仿真和垂直起降直升机系统的例子验证所运用的故障检测方法的有效性和实用性。另外,针对某些非线性系统可沿参数轨迹线性化的情况,研究了网络环境线性参数变化系统的故障检测问题。由于LPV系统的状态空间是无穷维特性,在故障检测滤波器设计过程中借助LPV工具箱中的基函数和网格技术求解参数化线性矩阵不等式,将无穷维问题转化为有限维问题,得到故障检测滤波器存在的充分条件,然后通过阈值逻辑法检测系统的故障,最后仿真实例通过波音777所使用的涡轮风扇发动机GE-90系统验证故障检测方法的有效性。

关键词：网络化系统传感器受饱和约束事件触发机制故障检测

DoS攻击下基于事件触发机制的网络化控制系统的量化控制

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DoS攻击下基于事件触发机制的网络化控制系统的量化控制

作者：周义栋南京邮电大学

学位级别：硕士

从目前来看,在网络化控制系统(Network Control Systems,NCSs)中,通信资源的浪费日益严重,这个现象引起了学者们对基于事件触发机制的网络化量化控制系统的探究,这些研究对事件触发机制与量化器在网络化控制系统中的实际应用具有重要的... 详细信息

从目前来看,在网络化控制系统(Network Control Systems,NCSs)中,通信资源的浪费日益严重,这个现象引起了学者们对基于事件触发机制的网络化量化控制系统的探究,这些研究对事件触发机制与量化器在网络化控制系统中的实际应用具有重要的作用,但是基于事件触发机制的网络化量化控制系统很容易受到网络中恶意攻击的影响,进而使得系统不稳定,无法执行任务。基于上述现状,为使得基于事件触发机制的网络化控制系统能够抵消网络中恶意攻击的影响,在文中给出基于事件触发的传输方案的同时,又同时把网络中的恶意攻击考虑在内,该方法不仅能够用来降低网络中的通信成本,减轻通信传输压力,同时又能抵消拒绝服务攻击(Denial-of-Service Attacks,DoS)的影响。具体来说,本文的主要内容为:针对连续时间的线性系统,探究了在拒绝服务攻击下,基于事件触发机制的网络化控制系统的量化控制的问题。首先给出了事件触发机制,然后建立包含事件触发机制、量化器和拒绝服务攻击的切换系统,通过Lyapunov泛函的方法,研究了系统的稳定性并且设计其控制器。针对离散的网络控制系统,探究了在拒绝服务攻击下,在事件触发机制下的离散时间的网络控制系统的量化控制问题。在给出了事件触发机制的同时,又考虑了拒绝服务攻击、事件触发机制与量化器的影响,探究事件触发参数和控制器反馈增益的协同设计的方法,并且拓展研究了在含有系统扰动时,分析模型的稳定性与 H 性能问题,并设计其 H 控制器。最后对全文进行了总结归纳。

关键词：网络化控制系统拒绝服务攻击量化器事件触发机制李雅普诺夫函数

基于事件触发机制的信息物理系统的安全控制研究

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基于事件触发机制的信息物理系统的安全控制研究

作者：王鹏彪东北大学

学位级别：硕士

信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPSs)是一类整合传感、计算、网络通讯和物理过程的多维复杂系统。CPSs的安全问题主要包括信息安全和物理安全。近年来,CPSs的安全问题受到了广泛的关注。本文主要研究了 CPSs分别在周期性拒绝服务... 详细信息

信息物理系统(Cyber-Physical Systems,CPSs)是一类整合传感、计算、网络通讯和物理过程的多维复杂系统。CPSs的安全问题主要包括信息安全和物理安全。近年来,CPSs的安全问题受到了广泛的关注。本文主要研究了 CPSs分别在周期性拒绝服务(Denial-of-Service,DoS)攻击和虚假数据注入(False Data Injection,FDI)攻击下的安全控制问题。本文的主要技术贡献包括如下:(1)考虑了一类由线性系统搭建的CPSs在周期性DoS攻击下的安全控制问题。首先,为了节省有限的网络资源,提出一种无奇诺现象的事件触发机制并避免了在周期性DoS攻击区间无效事件的发生;然后,通过构造一个基于预测的事件触发控制框架,给出了与周期性DoS攻击参数相关的预测误差上界;在此基础上,提供了保证闭环系统输入到状态稳定的与周期性DoS攻击参数有关的充分条件。与现有的设计方法相比,当系统遭受相同程度的周期性DoS攻击时,本文所提出的设计方法可以获得更好的系统性能。(2)考虑了一类由参数未知的非线性系统搭建的CPSs受到FDI攻击且存在执行器故障情况下的安全控制问题。本文考虑的一类恶意攻击者可以获取系统状态信息,并利用此信息构建时变攻击模型对系统的真实状态进行修改,且攻击有界。首先,设计了新颖的自适应事件触发机制以节省有限的网络资源,其阈值可以根据系统的变化而不断调整;其次,针对FDI攻击和执行器故障,设计了自适应控制器和自适应律对攻击和故障进行了有效的补偿;最后,证明了系统的跟踪误差可以指数收敛于一个半径可调的紧集之内。与固定阈值的事件触发机制相比,结果表明在保证系统性能的前提下,该触发策略可以明显降低数据包传输次数从而提高了网络资源的利用率,此外,提出的自适应事件触发机制可以退化为已有的固定阈值的事件触发机制。最后,通过仿真例子验证了理论结果的有效性与可行性。

关键词：信息物理系统拒绝服务攻击虚假数据注入攻击事件触发机制安全控制

基于事件触发机制的移动机器人预测控制算法研究

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基于事件触发机制的移动机器人预测控制算法研究

作者：齐荔鹏西安建筑科技大学

学位级别：硕士

移动机器人系统是一类非线性、多约束、强耦合的多输入多输出系统,由于实际工况中模型参数时变特性及外部扰动等诸多不确定因素的存在,获取系统精确的数学模型十分困难。因此,采用常规控制策略一般难以使移动机器人达到期望的控制性能,... 详细信息

移动机器人系统是一类非线性、多约束、强耦合的多输入多输出系统,由于实际工况中模型参数时变特性及外部扰动等诸多不确定因素的存在,获取系统精确的数学模型十分困难。因此,采用常规控制策略一般难以使移动机器人达到期望的控制性能,亟需研究基于先进控制算法的机器人控制策略。模型预测控制凭借其在系统约束和多目标优化问题处理上的优势,在移动机器人控制领域获得了广泛的应用。首先,本文针对现有移动机器人预测控制算法需要占用大量在线计算量和通信资源的问题,开展了有界扰动下基于事件触发机制的移动机器人（轨迹跟踪）模型预测控制算法的研究,提出了基于阈值曲线和基于阈值带等两种更符合机器人控制系统特点的新型事件触发预测控制算法,并通过实验验证了所提出方法的有效性与正确性。其次,针对移动机器人预测控制算法使用连续时间控制信号时需要占用无限带宽的问题,开展带宽受限下基于事件触发机制的预测控制算法研究,提出一种采样-传输-重构的控制策略,设计相应的触发条件,且对优化问题使用状态收紧约束来提高控制系统的鲁棒性,并提出保证系统递归可行性和闭环稳定性的充分条件,同时进一步证明了该系统不存在芝诺（Zeno）现象,最后通过仿真验证了算法的正确性和有效性。最后,利用实际履带式移动机器人实验平台对轨迹跟踪预测控制算法进行实验验证分析。在ROS系统中设计了基于标准预测控制及所提出事件触发预测控制框架的移动机器人轨迹跟踪实验方案。实验结果表明,本文所提出的事件触发策略相较于传统时间触发策略,能够有效地节省计算和通信资源,并具备良好的控制效果。

关键词：移动机器人模型预测控制事件触发机制 Lyapunov稳定性

基于事件触发机制的多四旋翼无人机鲁棒自适应滑模姿态控制

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中国科学：信息科学 2023年第1期53卷 66-80页

作者：李鸿一王琰姚得银周琪鲁仁全广东工业大学自动化学院广州510006 广东省智能决策与协同控制重点实验室(广东工业大学) 广州510006

针对一类具有外部干扰的多四旋翼无人机姿态系统,研究其在无向拓扑下的姿态跟踪问题,提出一种基于事件触发机制的鲁棒自适应滑模控制方法.首先,建立多四旋翼无人机的姿态动力学模型,并引入干扰观测器,对系统受到的未知外部干扰进行估计... 详细信息

针对一类具有外部干扰的多四旋翼无人机姿态系统,研究其在无向拓扑下的姿态跟踪问题,提出一种基于事件触发机制的鲁棒自适应滑模控制方法.首先,建立多四旋翼无人机的姿态动力学模型,并引入干扰观测器,对系统受到的未知外部干扰进行估计.其次,为了节约四旋翼无人机的网络传输资源,本文在传感器和控制器之间引入事件触发机制,并结合鲁棒滑模控制算法,设计基于事件触发的鲁棒自适应滑模控制器.此外,通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统中所有信号最终有界,并证明所设计的事件触发机制能够有效避免Zeno行为.最后,仿真结果验证所提控制方法的有效性.

关键词：滑模控制事件触发机制干扰观测器姿态跟踪多四旋翼无人机系统

基于事件触发机制的燃气轮机控制系统滑模容错控制方法研究

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基于事件触发机制的燃气轮机控制系统滑模容错控制方法研究

作者：王稼琪华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

重型燃气轮机是一个高度非线性的综合复杂系统,他的控制系统是燃气轮机稳定安全运行的重要运行系统。随着重型燃气轮机技术的发展,控制系统的复杂性日益增加,如果一个节点发生故障,都可能导致部分系统无法操作或出现整体瘫痪。如果能够... 详细信息

重型燃气轮机是一个高度非线性的综合复杂系统,他的控制系统是燃气轮机稳定安全运行的重要运行系统。随着重型燃气轮机技术的发展,控制系统的复杂性日益增加,如果一个节点发生故障,都可能导致部分系统无法操作或出现整体瘫痪。如果能够提高控制系统的性能,那么对控制系统容错控制设计具有重要意义。本文以某重型燃气轮机为对象,分别针对控制系统执行器和传感器的故障问题展开了一系列研究,主要开展工作如下:（1）构造重型燃气轮机线性模型。考虑燃气轮机内部结构和工作原理,以Rowen模型为基础,分析其热力循环过程,重构了 Rowen模型的参数。以负荷控制系统为例,采用最小二乘拟合法建立燃气轮机负荷控制系统的线性状态空间方程模型。（2）针对燃气轮机负荷控制系统执行器故障问题,提出了一种事件触发滑模容错控制方法。首先,考虑网络迟延、事件触发机制和外部干扰,建立一个包含滑动模态的系统模型。然后,基于李雅普诺夫泛函方法,提出了一个满足H∞性能的线性矩阵不等式的渐近稳定性充分条件,设计了事件触发参数和滑模参数,以此构造了一种基于反馈的滑模容错控制器。最后,给出了燃气轮机系统的仿真结果,以此来表明滑模容错控制方法的有效性。（3）针对燃气轮机负荷控制系统传感器故障问题,提出了一种在动态事件触发下的控制系统的传感器故障估计和滑模容错控制方法。首先,通过滤波将传感器故障等效为系统中的虚拟内部系统故障,构造动态事件触发的故障/状态观测器来观测传感器故障和系统状态。然后,考虑故障、网络时延和外部干扰,建立了一个包含滑动模态和故障/状态误差动态的离散模型。接着,基于李雅普诺夫泛函方法,提出了一个满足H∞性能的线性矩阵不等式的渐近稳定性充分条件,同时给出参数的设计方法。在此基础上,设计滑模容错控制器,并通过程序仿真表明滑模容错控制方法的有效性。（4）基于上述容错控制方法,设计可靠性评价指标,通过蒙特卡洛模拟法分别对带执行器故障和传感器故障的燃气轮机控制系统进行可靠性分析,并验证提出的容错控制方法的可靠性。

关键词：燃气轮机控制系统滑模容错控制信号重构事件触发机制可靠性

拒绝服务攻击下基于事件触发机制的马尔可夫跳变系统的控制与滤波

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拒绝服务攻击下基于事件触发机制的马尔可夫跳变系统的控制与滤波

作者：姜震韬南京邮电大学

学位级别：硕士

如今,随着通信与信息技术、计算机技术和控制理论等的日益发展,由计算机网络、自动控制技术结合而成的网络化控制系统已逐渐地应用在工业化生产中。马尔可夫跳变系统（MJS）是一种具有多个模态的混杂动态系统,它通过一组马尔科夫链来表... 详细信息

如今,随着通信与信息技术、计算机技术和控制理论等的日益发展,由计算机网络、自动控制技术结合而成的网络化控制系统已逐渐地应用在工业化生产中。马尔可夫跳变系统（MJS）是一种具有多个模态的混杂动态系统,它通过一组马尔科夫链来表述系统在多个不同的模态之间跳变的过程。实际工业化生产中系统的一些结构和参数可能会产生随机的跳变,因此它们通常以马尔可夫跳变系统为模型。近几年来,马尔可夫跳变系统在电力系统、控制工程系统、机器人系统、生态系统、经济系统、交通等领域有着广泛的应用。有关于该系统的控制器与滤波器设计问题虽然取得了一系列的成果,但仍有些许不足之处:第一,目前多数学者考虑的触发机制都是基于时间触发,该触发会大量的浪费通信信道,从而大大降低网络通信的效率。第二,在实际的工业现场中使用的网络通信技术除了会遭遇一些网络丢包,传送时延等问题,还有可能遭受恶意网络攻击的影响,它会直接影响系统稳定性从而对工业进程产生不可估量的影响。对于网络攻击下的马尔可夫跳变系统的性能研究鲜有文献涉及,而网络安全是一个在实际工业中不可忽视的问题。因此,基于上述问题的分析,将网络攻击与事件触发机制结合起来研究马尔可夫跳变系统的稳定性具有着十分深刻的实际意义和理论价值。基于对上述问题的分析,本文在基于事件触发机制的马尔可夫跳变系统的框架之下,引入未知周期的拒绝服务攻击（Do S Attacks）,提出了对应的控制器与滤波器设计的方法。论文的主要研究工作可以概括如下:针对非周期型拒绝服务攻击,引入事件触发机制,研究马尔可夫跳变系统的H∞滤波器的构造方法。首先定义一个非周期拒绝服务攻击的信号模型,根据攻击信号的性质,结合滤波器的输入信号,推导出攻击模型下的滤波信号输入方程。然后建立事件触发机制的数学模型,并同时考虑两者对系统产生的影响,建立起马尔可夫跳变系统的滤波误差方程,再使用分段李雅普诺夫函数,研究此系统的性能和均方指数稳定的条件,并通过线性矩阵不等式（LMI）技术求解出滤波增益矩阵。最后,通过一实际仿真案例,表明了理论的实际可行性。针对非周期型拒绝服务攻击,引入事件触发机制,研究马尔可夫跳变系统的H∞控制器的构造方法。首先使用相同方法建立起马尔可夫跳变系统的控制器方程,再使用李雅普诺夫函数泛函法,研究此系统均方指数稳定的条件,最后给出系统控制器的设计方法。针对非周期拒绝服务攻击问题,研究了基于事件触发机制的马尔可夫跳变系统的量化H∞滤波。定义一个非周期拒绝服务攻击的信号模型,根据攻击信号的性质,结合基于对数量化器的滤波输入信号,然后建立事件触发机制的数学模型,并同时考虑事件触发机制、拒绝服务攻击和对数量化器三者对系统产生的影响,建立起跳变系统的滤波误差方程,再使用分段李雅普诺夫函数,研究此系统达到均方指数稳定的充分条件,证明理论的可行性。

关键词：马尔可夫跳变系统事件触发机制拒绝服务攻击线性矩阵不等式李雅普诺夫函数

基于事件触发机制的离散系统输出反馈控制与故障检测

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基于事件触发机制的离散系统输出反馈控制与故障检测

作者：赵祯浙江理工大学

学位级别：硕士

网络控制系统（networked control systems,NCSs）是集通信、计算和控制于一体的闭环分布式控制系统,通过共享网络传递信息,能够降低系统安装与维护的难度和成本。然而,NCSs中各节点或不同系统之间数据通信较为频繁时,则会产生时延、丢... 详细信息

网络控制系统（networked control systems,NCSs）是集通信、计算和控制于一体的闭环分布式控制系统,通过共享网络传递信息,能够降低系统安装与维护的难度和成本。然而,NCSs中各节点或不同系统之间数据通信较为频繁时,则会产生时延、丢包、错序等现象。为解决这一问题,学者们提出了事件触发机制（event-triggered scheme,ETS）,该机制能有效降低网络中数据传输频率,减轻网络拥堵,对于维护系统稳定有着重要意义。NCSs中经常发生传感器偏置、漂移等故障,为维持系统正常运转,故障检测（fault detection,FD）不可或缺。将ETS引入FD,能减少数据传输,提高FD效率。但ETS会导致信息丢失,影响检测精度。如何克服ETS的缺点,从而提升FD精度,值得深入探索。人们享受网络给生活带来便利性的同时,也承受着由安全隐患造成的风险,因网络攻击影响整个网络化系统的正常运行,甚至导致事故产生。因此网络攻击问题值得深入研究。本文针对ETS下的NCSs进行分析,并给出相应的研究方案,主要内容如下:（1）介绍NCSs与ETS的研究背景、目的与意义。并针对基于ETS的NCSs中存在的时延、量化误差、故障检测以及网络攻击等问题,分析国内外研究现状,总结研究方法。（2）针对离散 NCSs,研究动态输出反馈控制（dynamic output feedback control,DOFC）问题。在输出端设置ETS,用Markov过程对时延建模,模拟随机时延对系统的影响。在传感器-控制器、控制器-执行器信道上设置量化器,量化器的密度为时延的函数。构造Lyapunov-Krasovskii泛函,获得随机稳定性判据,以及ETS与DOFC的联合设计方案。（3）针对具有未知输入的离散NCSs,提出一种权衡事件触发优化故障检测方案。针对测量输出,设计一种新的ETS,构建故障检测与隔离（fault detection and isolation,FDI）模块,其残差生成器能实现对故障的敏感性和对扰动的鲁棒性,并利用在线残差和时变阈值判断是否产生故障。该ETS能够克服由传统ETS造成的信息丢失的缺点,提高FD精度,降低漏检率（missed detection rate,MDR）。（4）针对欺骗攻击下的离散Markov跳变系统,提出DOFC策略。在具有欺骗攻击的双通道上设置独立的ETS以减少数据和控制器应对攻击的动作次数,并设置双量化器,深入优化网络传输。构造Lyapunov-Krasovskii泛函,获得稳定性判据,以及ETS与DOFC的联合设计方案,实现对网络资源的节省和对网络攻击下系统的安全控制。（5）总结研究内容,确定未来的研究工作方向。

关键词：事件触发机制输出反馈控制故障检测欺骗攻击