網絡控制系統(tǒng)建模、分析及安全控制

本書論述了網絡誘導現(xiàn)象、事件觸發(fā)機制、網絡攻擊和外部干擾各要素對系統(tǒng)性能的影響，提出了系統(tǒng)控制策略。為了便于讀者理解，本書按照先易后難的原則組織相關材料，把網絡僅存在于傳感器和控制器之間的控制問題，逐步推廣到網絡不僅存在于傳感器和控制器之間，還存在于控制器與執(zhí)行器之間的控制問題，且綜合考慮網絡誘導現(xiàn)象、網絡攻擊、事件觸發(fā)機制等多種因素下的控制器設計問題。
本書總結了作者近年來關于網絡控制系統(tǒng)方面的研究，可以作為高等院?？刂评碚撆c工程、計算機應用技術、信息與計算科學、運籌學與控制論等專業(yè)的博士和碩士研究生的專業(yè)參考書。

本書主要圍繞離散網絡控制系統(tǒng)，用有限模態(tài)的Markov鏈描述網絡時延，把網絡控制系統(tǒng)建模為含有單個或者多個Markov鏈的控制系統(tǒng)，在Markov鏈轉移概率部分未知的條件下，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論研究了網絡控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定、故障檢測及容錯控制、網絡攻擊下的系統(tǒng)安全等問題，特色如下： （1）本書對復雜網絡環(huán)境的刻畫，充分考慮了網絡時延、丟包、量化、復雜攻擊行為的因素，能夠更加準確地描述網絡隨機現(xiàn)象的變化規(guī)律。 （2）本書旨在解決轉移概率部分未知條件下網絡控制系統(tǒng)的設計及其故障檢測問題，對于完善和豐富相關的網絡控制系統(tǒng)理論具有重要的理論和實際意義。 （3）旨在突破基于傳感器網絡的工業(yè)控制系統(tǒng)的兩大瓶頸問題（安全與能耗），對包含網絡誘導現(xiàn)象及網絡攻擊的復雜環(huán)境進行綜合建模，并設計合理的事件觸發(fā)機制以減少數(shù)據傳輸量進而節(jié)約能量。不同于現(xiàn)有大多數(shù)文獻僅考慮網絡攻擊下的安全問題，兼顧安全與能耗兩大因素的研究是本書的另一特色。

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，將計算、控制和通信技術綜合于一體的網絡控制系統(tǒng)（networked control system，NCS）應運而生。網絡控制系統(tǒng)根據環(huán)境的變化實時調整動態(tài)交互方式，解決智能生產、生活的重大需求，實現(xiàn)提高生產效率和改善人們生活質量的目的。正是由于具備上述特性，網絡控制系統(tǒng)已被廣泛應用于工業(yè)生產、智能電網、智能交通等領域。
網絡帶寬的限制，使得數(shù)據的傳輸不可避免地存在時延、丟包等網絡誘導現(xiàn)象，導致系統(tǒng)性能下降甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。并且，網絡的開放性，使得控制系統(tǒng)容易遭受網絡攻擊的影響，產生諸多網絡安全隱患。另外，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)廣泛采用基于時間觸發(fā)的通信機制來實現(xiàn)數(shù)據的傳輸，這種通信模式意味著各傳感器節(jié)點在每一固定時刻都要傳輸、接收并處理數(shù)據，不可避免地浪費了節(jié)點的能量和帶寬。近年來，事件觸發(fā)機制被提出并引起了眾多學者的關注。與時間觸發(fā)機制不同，在事件觸發(fā)機制下，是事件而不是固定的時間周期決定了采樣數(shù)據是否被傳輸。從系統(tǒng)的觀點來看，網絡控制系統(tǒng)各要素之間，如網絡攻擊模式、事件觸發(fā)機制與網絡誘導現(xiàn)象之間，必然存在著相互影響的內在聯(lián)系，各要素之間的交叉耦合又制約著安全控制器的設計及網絡控制系統(tǒng)的性能。
本書論述了網絡誘導現(xiàn)象、事件觸發(fā)機制、網絡攻擊和外部干擾各要素對系統(tǒng)性能的影響，提出了系統(tǒng)控制策略。主要內容如下：第1章介紹了網絡控制系統(tǒng)的研究背景、研究意義及研究的現(xiàn)狀；第2章介紹了必備的基礎知識；第3~6章及第8章對于網絡存在于傳感器和控制器之間的網絡控制系統(tǒng)，針對時延（丟包）等因素的影響，討論了網絡控制系統(tǒng)的控制器設計方法；第7章基于線性時不變廣義被控對象研究了網絡控制系統(tǒng)的H∞控制問題；第9章研究了具有S-C（傳感器至控制器）和C-A（控制器至執(zhí)行器）丟包的網絡控制系統(tǒng)H∞控制方法；第10章對于具有S-C和C-A時延和丟包的離散網絡控制系統(tǒng)，研究了基于觀測器的鎮(zhèn)定問題；第11章對于具有S-C和C-A時延的網絡化Markov（馬爾可夫）系統(tǒng)，研究了狀態(tài)反饋控制器設計問題；第12章對于具有S-C和C-A丟包的網絡化Markov系統(tǒng)，研究了具有觀測器的控制問題；第13章討論了同時有Lipschitz（利普希茨）非線性、數(shù)據包丟失和受到周期性DoS攻擊的網絡化Markov跳變系統(tǒng)的基于觀測器的控制問題；第14章對具有S-C丟包的網絡化Markov跳變系統(tǒng)討論了故障檢測問題；第15章針對具有S-C及C-A兩段不確定時延的連續(xù)網絡化Markov跳變系統(tǒng)，研究了其在執(zhí)行器故障下的觀測器與容錯控制器的協(xié)同設計問題；第16章針對具有S-C及C-A兩段不確定時延的連續(xù)網絡化Markov跳變系統(tǒng)，研究了基于事件觸發(fā)機制的觀測器與控制器的協(xié)同設計問題；第17章針對S-C和C-A之間均具有時延和不確定性的連續(xù)Lurie NCS，設計了魯棒容錯控制器，使得系統(tǒng)執(zhí)行器發(fā)生故障時，能夠對故障有效地容錯并使系統(tǒng)保持穩(wěn)定；第18章同時考慮事件觸發(fā)機制及S-C和C-A時延對系統(tǒng)的影響，研究了基于觀測器的NCS的故障檢測問題；第19章對于受到周期DoS攻擊和具有時延的網絡化Lurie控制系統(tǒng)，設計了基于事件觸發(fā)機制的控制器。
本書可以作為高等院校控制理論與工程、計算機應用技術、信息與計算科學、運籌學與控制論等專業(yè)的博士和碩士研究生的專業(yè)參考書。
本書總結了作者近年來關于網絡控制系統(tǒng)方面的研究。由于作者水平有限，對于書中存在的缺點和不足之處，懇請專家和讀者不吝賜教！

作者
2024年10月

第1章緒論1
1.1研究背景與意義1
1.2NCS的控制2
1.3基于網絡的濾波5
1.4NCS的故障檢測7
1.5NCS的調度策略10
1.6本書主要內容及框架14
參考文獻16

第2章基礎知識23
2.1主要符號說明23
2.2Lyapunov 穩(wěn)定性理論23
2.3網絡控制系統(tǒng)（NCS）的建模24
2.4線性矩陣不等式（LMI）24
2.5本章小結25

第3章具有S-C數(shù)據包丟失的基于觀測器的控制系統(tǒng)容錯控制26
3.1問題描述26
3.2控制器設計28
3.3實例仿真30
3.4本章小結31
參考文獻31

第4章S-C時延轉移概率部分未知的網絡控制系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制33
4.1問題描述33
4.2控制器設計35
4.3實例仿真37
4.4本章小結38
參考文獻38

第5章具有S-C時延和數(shù)據包丟失的網絡控制系統(tǒng)控制器設計方法40
5.1狀態(tài)反饋控制41
5.2輸出反饋控制46
5.3網絡控制系統(tǒng)H∞控制51
5.4網絡控制系統(tǒng)保性能控制57
5.5本章小結60
參考文獻61

第6章具有S-C時延基于觀測器的網絡控制系統(tǒng)輸出反饋控制63
6.1問題描述64
6.2控制器設計66
6.3實例仿真69
6.4本章小結69
參考文獻70

第7章一類廣義網絡控制系統(tǒng)的魯棒控制71
7.1典型廣義系統(tǒng)模型71
7.2預備知識72
7.3問題描述73
7.4廣義網絡控制系統(tǒng)H∞控制75
7.5實例仿真79
7.6本章小結80
參考文獻80

第8章具有時延和Markov丟包特性的網絡控制系統(tǒng)反饋控制82
8.1問題描述82
8.2控制器設計84
8.3實例仿真86
8.4本章小結87
參考文獻87

第9章具有S-C及C-A數(shù)據包丟失的網絡控制系統(tǒng)H∞控制方法89
9.1問題描述90
9.2主要結論92
9.3實例仿真96
9.4本章小結99
參考文獻100

第10章具有S-C及C-A時延和數(shù)據包丟失的網絡控制系統(tǒng)控制器設計方法102
10.1問題描述103
10.2主要結論105
10.3實例仿真113
10.4本章小結116
參考文獻116

第11章具有S-C及C-A時延的網絡化Markov系統(tǒng)模態(tài)依賴控制器設計方法118
11.1問題描述119
11.2主要結論120
11.3實例仿真125
11.4本章小結127
參考文獻128

第12章具有S-C及C-A數(shù)據包丟失的網絡化Markov跳變系統(tǒng)H∞控制130
12.1系統(tǒng)建模131
12.2主要結論134
12.3實例仿真140
12.4本章小結145
參考文獻145

第13章具有數(shù)據包丟失和受到DoS攻擊的網絡化Markov跳變系統(tǒng)H∞控制147
13.1系統(tǒng)建模148
13.2主要結論151
13.3實例仿真157
13.4本章小結159
參考文獻159

第14章具有S-C數(shù)據包丟失的網絡化Markov跳變系統(tǒng)的故障檢測161
14.1問題描述162
14.2主要結論164
14.3實例仿真166
14.4本章小結168
參考文獻169

第15章具有S-C及C-A時延的連續(xù)網絡化Markov跳變系統(tǒng)的容錯控制170
15.1問題描述171
15.2主要內容173
15.3實例仿真176
15.4本章小結180
參考文獻180

第16章具有S-C及C-A時延的連續(xù)網絡化Markov跳變系統(tǒng)事件觸發(fā)控制182
16.1問題描述183
16.2主要內容186
16.3實例仿真190
16.4本章小結191
參考文獻192

第17章具有S-C及C-A時延的網絡化Lurie控制系統(tǒng)的事件觸發(fā)魯棒容錯控制194
17.1問題描述195
17.2主要結論199
17.3實例仿真204
17.4本章小結208
參考文獻208

第18章具有S-C及C-A時延的離散網絡控制系統(tǒng)事件觸發(fā)故障檢測210
18.1問題描述211
18.2主要結論213
18.3實例仿真220
18.4本章小結223
參考文獻223

第19章具有時延和受到周期DoS攻擊的網絡化Lurie控制系統(tǒng)事件觸發(fā)控制225
19.1問題描述226
19.2主要結論231
19.3實例仿真237
19.4本章小結238
參考文獻239