网络攻击下的弹性滤波器设计.pdf

摘 要 具有通信网络的非线性控制系统应用于生活中的很多领域。除了一般工程系统外，更 是对经济系统和军事系统起着举足轻重的作用。在非线性控制系统建模时，Takagi–Sugeno (T-S) 模糊模型是一类表示非线性动力学系统的有效模型，T-S 模糊模型是将非线性系统 用多个线段近似的表示出来，并用这些线性系统对这个非线性系统进行拟合，也就是把 复杂的非线性问题转化为线性问题来处理。近年来，T-S 模糊模型已广泛应用于非线性控 制系统的滤波器设计中，并已取得了丰硕的理论成果。需要注意的是，由于通信网络的存 在，当数据传输经过网络时，网络攻击引发的安全问题不容忽视。本文针对可能存在的网 络攻击，研究了非线性系统下的安全滤波器设计问题，主要工作内容如下： 首先对于采用 T-S 模糊模型的非线性控制系统适当的做出一些假设，来解决网络通 信引起的隶属函数不匹配的问题。为了提高网络传输质量并减轻网络传输负担，提出了一 种新的事件触发机制 (Event-Triggered Mechanism, ETM)，只有在满足触发条件时数据包 才会被发送，并能丢弃由于系统抖动而产生的虚假数据；并且这个事件触发机制对状态波 动敏感，当系统受到干扰时，能够获得更多的信息，进而可以实现更好的控制性能。同时 还将网络中可能注入的欺骗攻击考虑进来，在此基础上建立滤波误差系统，并对其渐近稳 定性进行证明，最终得到一个安全滤波器。 然后还考虑了多传感器非线性系统在拒绝服务 (Denial-of-Service, DoS) 攻击下的事 件触发滤波器设计问题。从攻击者的角度分析，对 DoS 攻击模型提出以下假设：DoS 攻 击为周期性的且周期固定，周期性区间包括攻击活跃期和攻击休眠期，攻击休眠期的时长 随机且数据能正常传输，攻击活跃期的攻击时长随机但数据无法传输至网络。基于以上 假设，在 DoS 攻击存在的情况下，对每个通道提出新的分布式事件触发机制，用于处理 DoS 攻击的滤波误差系统将根据有无攻击采用切换模型。最后利用一系列稳定性理论得 出了充分的条件以保证滤波误差系统的指数稳定性，且设计出了此环境下的滤波器，并为 非线性滤波器的设计提出了新的安全准则。 最后研究了一种滤波器在非线性系统下遭受混合攻击的情况，混合攻击包括随机出 现的欺骗攻击和 DoS 攻击，使用满足伯努利分布的变量来描述攻击的随机性。提出了一 种事件触发机制来减少数据包的发送，随后在提出的事件触发机制的基础上建立了基于 混合攻击的切换滤波误差系统。利用李雅普诺夫稳定性理论获得了确保切换滤波误差系 统指数稳定性的充分条件，完成了安全滤波器的设计问题。仿真结果表明了理论分析和滤 波器设计方法的有效性。 关键词: T-S 模糊模型；网络攻击；事件触发机制； 模糊滤波器 Resilientfilter design under cyber attacks Abstract Nonlinear control systems with communication networks are used in a variety of environ- ments. Except general engineering systems, it plays a pivotal role in economic and military sys- tems. When modeling a nonlinear control system, the Takagi–Sugeno (T-S) fuzzy model is an effective method to represent a class of nonlinear dynamic systems. The T-S fuzzy model is an approximate representation of a nonlinear system with many line segments, fitting a nonlinear system with many linear systems, that is, a complex nonlinear problem is transformed into a lin- earproblemforprocessing. Inrecent