DoS攻击和欺骗攻击下网络化控制系统的安全控制

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随着通信与信息技术的迅猛发展,具有灵活性高、成本低、安装/配置/维护方便等优点的网络化控制系统已经渗透到现代社会。但带来便利的同时由于通信网络的引入破坏了传统控制系统的封闭性,使得网络化控制系统面临网络攻击的威胁。因此如何实现网络化控制系统在网络攻击下的安全控制受到了越来越多的关注,其中具有多模态特性的网络化切换系统以及具有双闭环特点的网络化串级控制系统是网络化控制系统的重要分支。目前,现有文献对于网络化控制系统在欺骗攻击或拒绝服务攻击下的安全控制问题研究尚不完善,特别是欺骗攻击中具有代表性的重放攻击下系统的安全控制器设计问题、利用博弈论思想部署防御者主动抵抗攻击的问题以及系统遭受混合网络攻击下的安全控制问题都亟待解决。因此,本文针对上述问题开展研究,主要工作概述如下:针对遭受重放攻击的网络化控制系统的安全控制问题开展研究。首先建立了一个攻击者可以连续发起攻击且每次攻击都可能失败的重放攻击模型。值得一提的是,重放攻击可以存在于传感器、控制器和执行器之间的两个信道中。然后,基于上述模型把受到重放攻击的网络化控制系统建模为一种新型的类切换系统。接下来使用多Lyapunov函数等理论和LMIs技术,获得了系统均方指数稳定的充分条件,并设计了安全控制器。最后,通过卫星控制系统验证了理论结果的有效性。针对拒绝服务攻击下网络化切换系统的多目标安全控制问题开展研究。在网络层部署的入侵检测系统作为防御者来主动抵抗拒绝服务(DoS)攻击对物理层切换系统的影响。考虑到每个切换子系统的属性和由m个DoS攻击者组成的攻击者组的特征,首先构造了防御者和m个攻击者的代价函数。接下来基于斯特克伯格博弈框架研究了攻防双方能量分配的策略集。此外把切换系统建模为一个多目标优化问题,即包含两个优化目标:切换次数和性能指标。基于网络层的均衡条件,设计了切换系统的控制输入。然后,提出了切换信号的编码和解码策略,并基于此给出了利用多目标人工蜂群(MOABC)算法解决切换系统多目标优化问题的流程。最后,利用数值模拟和网络化化工生产系统验证了理论策略的有效性。针对DoS攻击和欺骗攻击共同作用下网络化串级控制系统的安全控制问题开展研究。通过事件触发机制来缓解通信网络的负担,并引入两个互相独立的伯努利变量分别来描述欺骗攻击和DoS攻击的成败。利用Lyapunov泛函理论和随机分析方法对遭受上述两种攻击的网络化串级系统开展研究,获得了网络化串级系统满足H∞控制性能的充分条件,并基于线性矩阵不等式技术给出了主从控制器的设计方案。最后利用一个燃气轮机系统验证了设计方案的有效性。
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