[发明专利]一种带有量化的网络化运动控制系统的安全控制方法

说明书

一种网络化运动控制系统在受到量化影响下的安全控制方法，包括以下步骤：对网络化控制系统进行建模，建立状态方程和输出方程；对网络化控制系统状态方程进行扩维；设计中间观测器；设计线性矩阵不等式求解估计增益矩阵L并设计控制器。本发明能够同时检测执行器和传感器的攻击并通过调节特定参数抑制量化作用，并根据估计值设计容侵控制器，使得闭环系统的状态一致最终有界，保障系统的安全运行。

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，具体涉及一种网络化运动控制系统在受到量化影响下的安全控制方法，它能够同时检测执行器和传感器的攻击并通过调节特定参数抑制量化作用，并根据估计值设计容侵控制器，使得闭环系统的状态一致最终有界，保障系统的安全运行。

背景技术

随着近年来计算机控制技术的进步和电子硬件设备的快速更替，网络化控制系统得到繁荣的发展，并广泛应用于工业实践的过程中。工业以太网的成熟应用为运动控制系统带来巨大进步，运动轴之间的高精度协同运动是实现复杂功能的必要基础。网络化运动控制系统改进了传统控制系统的可靠性和安全性问题，但也正是由于网络环境的开放性，基于网络化的控制系统将会面临更高的安全威胁。例如今年11月印度Kudankulam核电站受到了来自朝鲜的黑客攻击，导致反应堆意外关闭，诸如此类的工业控制网络受到攻击的例子数见不鲜，网络化控制系统的安全问题已经引起了社会各界的广泛关注。

目前的攻击检测主要关注攻击是否发生以及攻击发生的时间，这类方法主要有基于数据驱动的攻击检测方法和基于残差分析的攻击检测方法。在攻击辨识中为了跟踪到攻击信号的具体大小和波形，需要设计安全估计器和控制率来重构攻击信号，对攻击信号进行在线估计，并在估计的基础上进一步完成安全控制。由于网络中必然存在不确定性，在设备交换信息和数据采样的过程中需要经过量化处理，这会导致信号失真，使得观测器难以对系统参数做出精确的估计。鉴于量化影响不可避免，且量化的存在必然导致系统稳定性能下降，这些因素必然会使执行器攻击和传感器攻击的估计准确性受到严重影响。目前尚无针对带有量化的网络化运动控制系统安全控制问题的有效解决方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种针对量化环境下的网络化运动控制系统的安全控制方法，该方法先对运动控制系统进行建模，考虑执行器和传感器同时受到攻击，构建中间观测器，对执行器攻击和传感器攻击进行估计，并根据估计值设计容侵控制器，使得闭环系统的状态一致最终有界。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种带有量化的网络化运动控制系统的安全控制方法,所述方法包括以下步骤：

1)对网络化控制系统进行建模，建立状态方程和输出方程；过程如下：

1.1)首先确定网络化控制系统为离散系统，并如(1)式建模运动系统的状态方程：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

式(1)中x(k)为系统的状态量，在这里的状态量x₁和x₂分别表示位移和速度；k表示当前的离散时刻，k+1表示下一离散时刻，u(k)是设计的控制输入，A、B为给定的适当维度的常数矩阵，其中A为状态转移矩阵，B为输入矩阵；

由于控制中心和物理层之间的信息交换需要通过网络层，在这一过程中会受到量化作用的影响，因此考虑控制输入被影响为式(2)：

v(k)＝(1+Δ_p)u(k) (2)

其中用来表示执行器受到的量化影响，ρ为系统的量化密度，u(k)为设计的控制输入，v(k)表示执行器实际接收到的输入；

考虑到控制中心和物理层的执行器之间需要通过网络层传输信息，在这一过程中会受到来自外部的网络攻击影响，则状态方程建模为式(3)：