[发明专利]一种网络攻击下连续搅拌釜式反应器系统的故障估计方法

说明书

本发明公开一种网络攻击下连续搅拌釜式反应器系统的故障估计方法，属于网络化系统领域；首先建立存在网络攻击、扰动和故障情况下的连续搅拌釜式反应器系统模型，然后通过引入中间变量，设计中间观测器实现对状态变量和故障信号的估计；再运用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式分析方法，得到状态估计误差系统一致有界和中间观测器有解的充分条件；最后利用MatlabYALMIP工具箱求解得中间观测器参数，进而实现对状态和故障的同时估计。本发明方法考虑了实际情况下可能发生的网络攻击、外界扰动以及系统故障，能及时有效地估计故障的准确值，适用于一般的网络攻击下连续搅拌釜式反应器系统的故障估计，具有较好的普适性。

技术领域

本发明属于网络化系统领域，涉及一种网络攻击下基于中间观测器的连续搅拌釜式反应器系统的故障估计方法。

背景技术

近年来，随着网络通讯和自动控制技术的速发展与交叉融合，网络化系统逐渐应用于工业自动化的各个领域。网络化系统是一种空间分布式系统，其中传感器、执行器、控制器和估计器等部件之间是通过共享的通讯网络连接的。尽管网络化系统具有灵活性强、安装简单且易于共享等优点，但是将共享网络引入到控制系统的同时，也会带来一些新的问题，如网络诱导延迟、数据包丢失、网路攻击等问题，这些不利因素将会使系统性能恶化并可能诱发系统的不稳定。

连续搅拌釜式反应器是化工生产中广泛使用的反应设备，它是一种促使发酵原料、微生物及其他化学原料完全混合的反应器，目前已在医药、化纤、印染、食品以及合成材料等工业生产中普遍使用。随着化工生产过程信息化程度的日益提高，搅拌釜的反应过程已逐渐形成一个规模庞大的网络化系统，这类系统的信息安全和物理安全对于系统整体的可靠性是至关重要的。因此如何有效防范恶意的网络攻击，并快速检测与估计系统物理过程发生的故障是迫切需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于中间观测器的连续搅拌釜式反应器系统的故障估计方法。考虑了连续搅拌釜式反应器系统遭受的外界扰动、过程故障以及数据传输网络通道中可能存在的恶意攻击情况，通过引入中间变量，设计中间观测器作为残差发生器和故障估计器，当网络通道遭受恶意攻击时，检测系统能够触发报警器产生报警信号，当反应器系统发生故障时，估计器能够及时准确地估计故障信息。

本发明的技术方案：

一种网络攻击下连续搅拌釜式反应器系统的故障估计方法，包括以下步骤：

1)建立存在故障和网络攻击的连续搅拌釜式反应器系统的被控对象模型，连续搅拌釜式反应器的状态空间方程如下：

其中：是系统的状态向量，是系统的输出向量，是系统的输入扰动，是待估计的故障信号，f(k)满足||f(k+1)-f(k)||≤θ₁；d(k)满足||d(k+1)-d(k)||≤θ₂，同时f(k)与d(k)满足系统参数矩阵和是已知的常数矩阵；θ₁，θ₂，δ₂，δ₃是已知的常数，E{·}是数学期望。

考虑到数据通信网络通道可能被攻击，当网络通道遭受恶意攻击时，攻击者会注入虚假数据，位于远程网络节点的中间观测器的输入为：

其中：是恶意攻击者发送的攻击信号，满足||υ(k)||≤δ₃；β_k是Bernoulli随机序列，用来表示每个采样时刻发生网络攻击的概率，当β_k＝1表示通道中有网络攻击，当β_k＝0表示通道中无网络攻击；根据先验知识设

其中，是已知常数，表示网络攻击的数学期望；

2)设计中间观测器：

通过引入中间变量