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欺骗攻击下弹性自触发模型预测控制

控制理论与应用 2023年第5期40卷 865-873页

作者：贺宁马凯沈超徐中显钱成西安建筑科技大学机电工程学院陕西西安710055 西安交通大学网络空间安全学院陕西西安710049

针对在欺骗攻击下自触发模型预测控制系统的安全控制问题,本文提出一种基于关键数据保护的弹性自触发模型预测控制(MPC)策略.对比现有的自触发MPC,该方法仅需对少量关键控制样本进行保护,则可保证闭环系统稳定运行,从而有效节省系统资源... 详细信息

针对在欺骗攻击下自触发模型预测控制系统的安全控制问题,本文提出一种基于关键数据保护的弹性自触发模型预测控制(MPC)策略.对比现有的自触发MPC,该方法仅需对少量关键控制样本进行保护,则可保证闭环系统稳定运行,从而有效节省系统资源.首先,基于自触发MPC和欺骗攻击的特征推导标称系统与被攻击系统状态之间的误差上界,从而定量分析出欺骗攻击对系统的损害.然后,通过所获得误差上界和李雅普诺夫定理建立关键数据的选取条件并对其实施保护.最后,严格证明了在仅对关键控制样本实施保护后,被控系统仍可在欺骗攻击下保持稳定.此外,基于移动机器人和弹簧小车系统对所提算法进行了仿真实验,结果表明所提算法能够显著节省保护资源,验证了算法的有效性.

关键词：信息物理融合系统模型预测控制自触发机制弹性控制欺骗攻击

欺骗攻击环境下具有执行器故障的跳变耦合信息物理系统的同步控制

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控制理论与应用 2020年第4期37卷 863-870页

作者：王士贤李军毅张斌广东工业大学自动化学院广东广州510006

针对一类离散Markov跳变耦合信息物理系统(CPS)的同步控制问题,在考虑系统参数跳变、耦合参数跳变、控制信息不完全和人为攻击的情况下,设计同步控制器实现CPS的同步.首先,给出具有随机欺骗攻击和执行器故障的Markov跳变耦合CPS模型.其... 详细信息

针对一类离散Markov跳变耦合信息物理系统(CPS)的同步控制问题,在考虑系统参数跳变、耦合参数跳变、控制信息不完全和人为攻击的情况下,设计同步控制器实现CPS的同步.首先,给出具有随机欺骗攻击和执行器故障的Markov跳变耦合CPS模型.其次,基于矩阵Kronecker积,得到同步误差系统,将CPS的同步控制问题转化为同步误差系统的稳定性分析问题.再次,通过构造合适的Lyapunov-Krasovskii泛函,并利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法得到使同步误差系统稳定的充分条件,在此基础上,设计同步控制器实现对Markov跳变耦合CPS的同步控制.最后,通过数值仿真例子说明该同步控制器设计方法的有效性.

关键词：信息物理系统欺骗攻击执行器故障 Markov跳变同步控制

欺骗攻击下异构多智能体的编队跟踪异步脉冲控制

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控制理论与应用 2024年

作者：周林娜叶红梅马磊王国庆张莹赵伟杨春雨中国矿业大学信息与控制工程学院江苏自动化研究所

针对异构多智能体编队中的网络通信不可靠问题,设计一种基于攻击信号补偿器的弹性分布式编队控制器.首先,构造一种基于异步脉冲通信的攻击信号补偿器,各智能体通过异步独立的补偿器与邻居进行信息交互,实时估计领导者信息、补偿欺骗攻... 详细信息

针对异构多智能体编队中的网络通信不可靠问题,设计一种基于攻击信号补偿器的弹性分布式编队控制器.首先,构造一种基于异步脉冲通信的攻击信号补偿器,各智能体通过异步独立的补偿器与邻居进行信息交互,实时估计领导者信息、补偿欺骗攻击造成的不良影响并且有效地提高通信资源利用率.通过将补偿信号引入编队控制器,使系统在受到欺骗攻击的情况下仍然能保证跟踪性能.然后,基于跟随者状态信息、补偿器补偿信息和编队形状信息,构造一种新的弹性分布式编队控制器.给出分布式编队控制器的设计方法,并证明编队跟踪误差动态的一致有界性.最后,通过仿真验证所设计的分布式编队控制器的有效性.

关键词：异构多智能体系统异步脉冲控制欺骗攻击分布式编队控制器

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欺骗攻击下事件触发多智能体系统一致性分析

欺骗攻击下事件触发多智能体系统一致性分析

作者：张德坤安徽工程大学

学位级别：硕士

多智能体系统在神经网络、交通运输、无人机、无线通信等领域有着广泛的应用,受到了众多研究者们的关注。多智能体系统的一致性控制是多智能体研究的一个主要方向,其常见的控制方法包括:采样控制、脉冲控制、间歇控制等。一致性控制的... 详细信息

多智能体系统在神经网络、交通运输、无人机、无线通信等领域有着广泛的应用,受到了众多研究者们的关注。多智能体系统的一致性控制是多智能体研究的一个主要方向,其常见的控制方法包括:采样控制、脉冲控制、间歇控制等。一致性控制的关键在于设计有效的控制策略,使得经过充分的信息交互,具有或不具有领导者的多智能体系统中所有智能体的动态特征都能够趋于一致。连续性的信息交互可以提升信息交互的及时性与信息量。然而,这势必会对通信设备的性能提出较高要求且可能造成一些不必要的资源消耗。于是,事件触发控制策略被提出以有效节省网络通信资源。另一方面,事件触发控制器在运行时可能遭到不同程度的外部攻击,导致控制强度发生变化,最终影响受控系统的稳定性。因此,有必要对常见的外部攻击进行分析,并在此基础上研究系统的一致性控制。对于外部攻击的研究可以降低甚至消除攻击带来的不利影响,从而在很大程度上确保控制效果。常见的外部攻击主要包括欺骗攻击和拒绝服务攻击,其中欺骗攻击的隐匿性使得欺骗攻击相较于其他攻击更具威胁性。综上,本文针对欺骗攻击下基于事件触发机制的多智能体系统一致性问题展开研究。基于Lyapunov稳定性理论、图论、矩阵理论,设计有效的事件触发控制协议,获得了攻击背景下多智能体系统实现一致性需要满足的充分条件,同时证明了所提出的事件触发规则不会引发奇诺现象。本文的主要内容如下:第1章,阐述了欺骗攻击下基于事件触发机制的多智能体系统一致性问题的研究背景与意义;介绍了基于事件触发机制的多智能体系统一致性问题的国内外研究现状。第2章,陈述了与本文研究内容相关的主要理论知识,并且给出了一些必要的定义及概念。第3章,对于一类非线性多智能体系统,设计了相应的事件触发控制协议,基于Lyapunov函数方法结合不等式缩放技巧,得到若干多智能体系统一致性的稳定性判据,同时证明了所设计的事件触发函数不会发生奇诺现象。第4章,引入一类欺骗攻击作为受控多智能体系统的外部干扰,在约束攻击时间和合理设置事件触发机制的基础上,研究得出了欺骗攻击下确保多智能体系统实现一致性的充分性条件。第5章,总结本文的研究内容,对研究过程中存在的一些缺陷和不足之处进行概括,针对性提出几点可能的改进方向并在未来的研究工作中予以落实。

关键词：事件触发多智能体系统欺骗攻击一致性

欺骗攻击下两类非线性信息物理系统的自适应控制算法

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欺骗攻击下两类非线性信息物理系统的自适应控制算法

作者：陈文娣山东师范大学

学位级别：硕士

随着计算机科学、人工智能及自动化技术的发展与交叉融合,由网络和物理组件组成的非线性信息物理系统(CPSs)在实际中得到了广泛应用,这使得对其研究具有十分重要的实际和理论意义。另一方面,非线性系统的自适应控制已经成为控制领域的... 详细信息

随着计算机科学、人工智能及自动化技术的发展与交叉融合,由网络和物理组件组成的非线性信息物理系统(CPSs)在实际中得到了广泛应用,这使得对其研究具有十分重要的实际和理论意义。另一方面,非线性系统的自适应控制已经成为控制领域的一个研究热点,特别是针对非线性CPSs如何构造有效的自适应控制策略更是获得了众多学者的研究兴趣。由于通信网络高度的开放性,非线性CPSs不可避免地存在一些安全隐患,例如拒绝服务攻击,欺骗攻击,重放攻击等。因此,如何消除欺骗攻击的影响并保证非线性CPSs的稳定性是一个十分具有挑战性的课题。本文研究了欺骗攻击下两类非线性CPSs,通过提出新颖的坐标变换技术并利用攻击后的状态设计相应的控制器,构建了自适应控制算法,实现了非线性CPSs的安全控制。具体工作如下:(1)针对一类具有欺骗攻击和执行器故障的非线性严格反馈CPSs,提出了两种新的自适应容错安全控制方案。首先,由于欺骗攻击改变了系统真实状态,使得实现欺骗攻击下非线性CPSs的跟踪控制是一个十分困难的问题,并且相关成果较少。因此,提出了一个防御欺骗攻击的自适应容错跟踪控制算法。通过设计将参考信号和攻击增益同时考虑在内的新颖坐标变换,确保了系统的跟踪控制和稳定性。介绍Nussbaum技术来消除欺骗攻击对非线性CPSs的影响并释放了攻击增益符号的限制。通过backstepping过程可以得到闭环系统内的全部信号都是有界的,同时系统的输出可以跟踪上期望的参考信号。其次,对欺骗攻击提出了更一般假设,设计了一个新的自适应容错安全控制方案,保证了遭受攻击系统的稳定性以及闭环系统中的所有信号都是有界的。最后,所提出两个算法的有效性都被仿真实验所验证。(2)针对一类带有欺骗攻击、执行器故障和时变时滞的非严格反馈非线性CPSs,提出了一种基于事件触发策略的自适应控制方案。首先,针对欺骗攻击介绍合理的假设,并给出改进的坐标变换方法,消除了欺骗攻击给控制设计带来的困难。通过在backstepping过程中设计自适应律,有效的解决了执行器故障的影响。其次,分别采用LyapunovKrasovskii函数和神经网络逼近技术补偿未知时滞项和处理建模的不确定性。进一步的,介绍相对阈值事件触发策略,利用被攻击的状态构造一种新的事件触发控制器,确保通信资源仅在满足触发条件时才会被传输,从而节省网络带宽。理论结果表明,所提出的控制策略可以确保信号在闭环系统内是半全局有界的。最后,仿真实验证明了所提出策略的有效性和实用性。

关键词：非线性信息物理系统欺骗攻击自适应容错控制事件触发策略神经网络技术

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欺骗攻击和脉冲干扰下的符号网络二分同步

广西大学学报（自然科学版） 2022年第1期47卷 154-163页

作者：卢月张小美盛苏英南通大学信息科学技术学院江苏南通226019 南通大学电气工程学院江苏南通226019

针对有向符号图下含Lipschitz型节点动态的多智能体系统,在考虑同时具有正、负通信连接的时滞交互作用、具有随机脉冲强度的脉冲干扰和欺骗攻击的共同影响下,研究其二分同步问题。假设欺骗攻击随机发生在各脉冲时刻,并假设通讯图是结构... 详细信息

针对有向符号图下含Lipschitz型节点动态的多智能体系统,在考虑同时具有正、负通信连接的时滞交互作用、具有随机脉冲强度的脉冲干扰和欺骗攻击的共同影响下,研究其二分同步问题。假设欺骗攻击随机发生在各脉冲时刻,并假设通讯图是结构平衡的且含有生成树。借助规范变换、Lyapunov函数方法、Halanay微分不等式和线性矩阵不等式技术,得到实现抗脉冲干扰和欺骗攻击的二分同步的充分条件。通过混沌网络的二分同步的2个例子说明理论结果的有效性。

关键词：二分同步符号图时滞交互作用脉冲干扰欺骗攻击

欺骗攻击下基于集员估计的网络化多智能体安全一致性控制策略研究

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欺骗攻击下基于集员估计的网络化多智能体安全一致性控制策略研究

作者：刘行上海师范大学

学位级别：硕士

近几年,随着通信技术的发展和工业规模的复杂化,网络化智能体的安全一致性越来越受到人们的关注。然而,网络传输环境中的干扰以及网络攻击严重威胁着网络化智能体系统的安全一致性,尤其是更具隐蔽性和破坏力的欺骗攻击。因此,如何在欺... 详细信息

近几年,随着通信技术的发展和工业规模的复杂化,网络化智能体的安全一致性越来越受到人们的关注。然而,网络传输环境中的干扰以及网络攻击严重威胁着网络化智能体系统的安全一致性,尤其是更具隐蔽性和破坏力的欺骗攻击。因此,如何在欺骗攻击下找到有效的估计方法,并估计系统的真实状态,对网络化智能体安全一致性研究至关重要。传统的卡尔曼估计等方法需要提前知道攻击信号的均值、方差等先验知识,集员估计仅假设欺骗攻击为未知但有界（unknown but bounded,UBB）信号,避免了对攻击信号先验知识的假设且形式简单。因此,本课题基于集员估计方法实现了欺骗攻击下单智能体系统的跟踪控制和领导者-跟随者多智能系统的安全一致性控制。本文以单智能体的安全一致性为切入点,首先研究欺骗攻击下单智能体系统的跟踪控制问题。数据传输通道中遭受的欺骗攻击被建模为未知但有界信号,并提出了一种基于新型集员估计的跟踪控制框架,系统真实状态和任意估计状态都存在于椭球估计集中。然后,将跟踪控制问题进一步转化为误差闭环系统的稳定性分析,结合Lyapunov函数,得到使其稳定的充分条件和基于线性矩阵不等式的估计器和控制器的求解算法。最后使用凸优化方法获得最佳的估计集。数值仿真证明了本文所提出的方法可以实现单智能体系统对参考系统的有效跟踪。针对多个跟随者智能体对领导者智能体的跟踪控制问题,进一步可看做多智能体系统的安全一致性。由于位置移动、通信断连存在,故本文考虑时变的拓扑结构。每个跟随者的传感器到控制器和控制器到执行器之间遭受的欺骗攻击被建模为未知但有界信号,提出了一种分布式集员估计控制策略,单个子系统的控制器会接收自身和相邻估计器的任意估计值。每个跟随者的椭球估计集中同时包含系统状态的任意估计值和真实值。通过Lyapunov函数和随机控制方法得到估计器和控制器存在的充分条件,并使用凸优化方法获得最优椭球估计集。数值仿真验证了本文的控制算法可以有效实现欺骗攻击下多智能体系统的安全一致性。综上所述,本文提出的新型集员估计方法只需知道攻击的上界和下界,估计结果使用估计集代替估计点,在欺骗攻击下单智能体系统和多智能体系统的安全一致性问题中,结合随机控制理论,有效保证了系统的安全一致性。

关键词：集员估计多智能体系统（multi-agent systems,MASs）安全一致性欺骗攻击

欺骗攻击下多Euler-Lagrange系统的一致性控制

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欺骗攻击下多Euler-Lagrange系统的一致性控制

作者：王礼章南京邮电大学

学位级别：硕士

作为基于能量守恒定理建立的动力学系统模型,Euler-Lagrange系统能够用来表示几乎所有的物理以及力学系统的结构和运动特征,比如无人机、移动机器人、自动车辆等。相对于单个Euler-Lagrange系统,机动性、灵活性、可操作性和可执行性是多... 详细信息

作为基于能量守恒定理建立的动力学系统模型,Euler-Lagrange系统能够用来表示几乎所有的物理以及力学系统的结构和运动特征,比如无人机、移动机器人、自动车辆等。相对于单个Euler-Lagrange系统,机动性、灵活性、可操作性和可执行性是多Euler-Lagrange系统所具备的主要特征,多Euler-Lagrange系统的一致性控制可以应用于如航天器交会对接、卫星姿态调整、多机械臂协调等用途。因此,对多Euler-Lagrange系统的一致性控制的研究有着很重要的科学意义以及巨大的潜在应用价值。本文主要针对多Euler-Lagrange系统可能遭受到的来自外部攻击者的未知欺骗攻击以及不确定通信时延的情况进行研究,提出了相关的控制算法以及结论。论文主要工作概括为如下几个方面:第一,研究多Euler-Lagrange系统在进行网络通信时,传递的输出信息遭受到未知欺骗攻击时的无领导者一致性控制。利用神经网络估计系统非线性不确定性部分,同时使用脉冲控制减弱欺骗攻击的影响,从而实现多Euler-Lagrange系统无领导者有界一致性。第二,考虑欺骗攻击发生在系统之间的通信信道中,假设多Euler-Lagrange系统收到的是带有服从伯努利分布的非线性攻击信号,利用事件触发机制与攻击信号协同考虑,消除攻击对数据传输的影响,并实现跟随动态领导者一致性。第三,考虑多Euler-Lagrange系统个体之间通信时,遭受到欺骗攻击以及存在通信时变时延的情况,通过对未知攻击信号上界的估计,设计自适应滤波器,对攻击信号以及时滞进行补偿,然后利用分布式观测器观测领导者的状态,并通过自适应控制保证多Euler-Lagrange系统跟随领导者状态一致。

关键词：多Euler-Lagrange系统一致性控制欺骗攻击时变时延

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欺骗攻击环境下的无人船自适应事件触发控制

欺骗攻击环境下的无人船自适应事件触发控制

作者：董相君大连海事大学

学位级别：硕士

无人船因具有智能化、高效化的工业优势已经成为热点研究问题之一。近年来,随着对无人船(USV)智能航行控制理论研究的不断深入,无人船智能控制系统也不断应用于各种实际复杂场景中,如海洋环境监测、海事搜救作业、军事作战巡逻和海上牧... 详细信息

无人船因具有智能化、高效化的工业优势已经成为热点研究问题之一。近年来,随着对无人船(USV)智能航行控制理论研究的不断深入,无人船智能控制系统也不断应用于各种实际复杂场景中,如海洋环境监测、海事搜救作业、军事作战巡逻和海上牧场等。然而在无人船智能控制理论体系迅猛发展的同时,由于无人船控制系统具备一般信息物理系统的网络互联特性,使得无人船在智能控制理论体系研究中仍存在一些挑战。例如信息欺骗攻击恶意更改系统信号、系统通信资源受限、外界海洋环境扰动和不确定非线性模型。而这些问题可能会导致无人船路径跟踪鲁棒性降低甚至导致整个系统不稳定。本文针对无人船路径跟踪控制系统在自主航行任务中面临的挑战,设计了鲁棒自适应控制算法。并利用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论进一步验证了无人船控制系统是半全局一致最终有界(SGUUB)稳定的。此外,在模拟海洋环境下进行了控制算法的仿真试验,有效验证了所提算法的反信息攻击性能和鲁棒性。本文的主要创新工作分为以下2点:(1)针对执行机构存在未知增益、外界海洋环境时变扰动和网络信息欺骗攻击的欠驱动无人船,提出了基于双层逻辑虚拟小船(DLVS)制导的自适应事件触发路径跟踪控制算法。在DLVS制导单元中,开发设计了自适应虚拟小船(AVS)来获取无人船的平滑参考路径。自适应虚拟小船的引入能够有效地缓解执行机构信号的抖振现象。在DLVS制导策略框架下,采用一种融合事件触发机制(ETM)和自适应Backstepping补偿技术的思路设计了无人船的鲁棒自适应控制器。在运动学控制器设计部分中,通过构造欺骗攻击的自适应参数,可以保证无人船在位置姿态信息受到欺骗攻击的情况下获得良好的控制性能。这对于提高无人船路径跟踪闭环系统的控制精度和稳定性至关重要。此外,由于基于输入端的事件触发机制优势,缓解了控制信息从控制器到执行器间传输的通信信道负担。最后,利用Lyapunov定理验证了所提控制算法的理论稳定性,并在MATLAB仿真平台进行数值模拟实验得到了较好的控制性能效果。(2)针对信息欺骗攻击环境下,无人船路径跟踪控制任务中存在的模型结构未知、未知控制方向增益和通信资源受限等问题,在导引-动态虚拟小船(GVS-DVS)制导框架下,提出一种基于Nussbaum函数的反信息欺骗攻击事件触发路径跟踪控制算法。该算法采用径向基神经网络(RBF-NNs)对无人船模型的非线性结构实现有效逼近。同时在鲁棒神经阻尼和动态面控制(DSC)技术的双重激励下,避免了对神经网络权重的频繁学习更新,节省了控制算法的计算负载。进一步设计了Nussbaum增益函数来处理由于欺骗攻击而引起执行机构中存在未知控制方向增益的问题。此外,设计了一种基于输入端的事件触发机制,以此解决从控制器和执行器之间的通道堵塞和资源浪费问题。通过Lyapunov稳定性理论分析表明,无人船闭环跟踪系统中相关误差变量满足半全局一致最终有界收敛。通过在模拟海洋环境干扰下进行计算机仿真实验,验证了所提出算法具有良好的反信息欺骗攻击控制性能和鲁棒性。本文主要从制导和控制两方面对无人船路径跟踪展开研究,在制导方面,无人船基于航路点的航行局面设计制导律;在控制方面,解决了无人船在路径跟踪过程中面临的信息欺骗攻击恶意更改系统信息、通信信道资源受限等问题,对加快无人船的工程应用具有重要意义。

关键词：无人船路径跟踪控制 Nussbaum类型函数事件触发欺骗攻击