DoS攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法与流程

本发明涉及网络化控制系统技术领域，应用于usv(unmannedsurfacevehicle，水面无人艇)航向控制系统中，尤其涉及一种dos(diskoperatingsystem，磁盘操作系统)攻击下基于观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器的协同设计方法。

背景技术：

近年来，网络控制系统的安全控制问题成为一大研究热点，网络控制系统往往采用分布式控制方式，采集的动态信息以及各类控制信号通过网络通信通道进行传输，随着网络的开放性越来越高以及网络规模的不断扩大，这就势必会增加网络攻击的可能性，如欺骗攻击和拒绝服务攻击等，拒绝服务攻击会占用通信通道，消耗网络带宽，导致正常的通信被阻断；信号传输被阻断就可能导致整个控制系统不稳定，从而给控制理论的研究带来了新的问题。由于网络通信中不可避免的存在传输时延、故障等问题，这也给网络化控制带来了新的挑战。当今世界，各国都在积极追求绿色、智能以及可持续发展，在这种大趋势下，随着国际海洋局势发展的需要，有关水面无人艇控制技术的研究正日渐受到世界各地的普遍重视。水面无人艇作为一种智能化的海上运动平台被广泛应用在水道测量，海洋环境监测、海上搜救、科学探究和现代化军事战争中。而对水面无人艇的滤波和控制是基于网络环境下的岸基或者母船的控制中心来实现的。由于网络的引入会不可避免的产生网络诱导时延、数据包丢失以及故障的发生等，设计一种能适应复杂海洋环境下的无人艇航向控制器以及故障检测滤波器是无人艇运动控制的重要内容之一。因此，对于一个有故障的水面无人艇在受到拒绝服务攻击时，如何建立基于网络的模型具有很大的实际意义，同时，基于网络的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器的协同设计也是眼下急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的缺点和不足，提供一种dos攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法，通过此方法可获得更高的检测成功率和更低的误报警率，具体技术方案如下：

一种dos攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法，所述方法应用于usv航向控制系统，是基于状态观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器之间协同作用的一种设计方法，方法包括以下步骤：

s1：建立遭受执行器故障、dos攻击以及网络延时影响下的基于状态观测器usv控制系统的数学模型；

s2：引入一种与观测器状态相关的事件触发机制，并利用时滞系统理论，建立能同时描述网络传输时延与事件触发机制影响下的usv控制系统模型；

s3：确定usv控制系统模型的事件触发矩阵w，状态观测器增益矩阵l1,l2，故障检测滤波器增益矩阵v1,v2和控制器增益矩阵k；

s4：建立dos攻击下基于状态观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，建立usv的三自由度船舶线性数学模型。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，构建周期性的dos攻击模型，并引入至所述usv控制系统模型中。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，建立基于状态观测器的故障检测滤波器模型。

本发明的进一步改进在于，还包括步骤，构建所述usv控制系统模型的增广模型。

本发明的进一步改进在于，所述事件触发机制由公式确定，其中，并且τ(t)＝t-ikh-lh,t∈tl，同时τ(t)满足表示时延上界，w为待求触发矩阵，是触发器第k次传送给控制器的信号，为传输时刻ik由网络引起的时延。

本发明的dos攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法，应用于usv航向控制系统中，首先建立执行器故障、dos攻击以及网络延时情况下的usv控制系统数学模型，然后引入事件触发机制至控制器中，从而达到节省网络宽带资源的效果；并建立基于状态观测器的故障检测滤波器，将引入了事件触发机制的控制器和基于状态观测建立的故障检测滤波器协同合作用于usv控制系统模型，同时构建周期性的dos攻击模型引入至usv控制系统模型中，从而实现usv控制系统模型可以有效抵御dos攻击；与现有技术相比，本发明能有效抵御dos攻击并且能及时检测出故障，保证系统安全、稳定运行，同时减少了冗余信号的传输量，减轻了网络传输压力，节省了带宽资源以及通信所需的能源。

附图说明

图1为本发明所述故障检测滤波器与控制器的协同设计方法的流程示意图；

图2为本发明所述usv上舵机与艏摇‐横摇的耦合关系图；

图3为本发明所述usv航向控制系统的结构组成示意图；

图4为本发明所述事件触发器的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图2和图4，其中，图2为本发明中usv的舵机与艏摇‐横摇的耦合关系图，图4为设置有本发明中所述事件触发机制的事件触发器的工作原理图；从中可知，在本发明实施例中，usv是通过控制台远程控制的，控制台包括基于状态观测器的故障检测滤波器和事件触发控制器组成，由于控制台通过无线网络控制无人艇的航向，在此过程中，usv控制系统会受到网络攻击和网络延时的影响；结合图1和图3，本发明提供了一种dos攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法，应用于usv航向控制系统，是基于状态观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器之间协同作用的一种设计方法，具体的，方法包括以下步骤：

s1：建立遭受执行器故障、dos攻击以及网络延时影响下的基于状态观测器usv控制系统的数学模型；

实际情况中，由于usv的运动包括艏摇、横摇、横荡、纵荡、垂荡、纵摇六个自由度运动；本发明研究usv的故障检测与航向控制问题，只需考虑艏摇、横摇、横荡三个自由度，将纵荡、垂荡、纵摇的影响视为干扰；为了更好的描述usv的具体运动情况，本发明基于公式建立艏摇、横摇、横荡三自由度船舶线性数学模型，其中，υ(s),ψ(s),φ(s),δ(s)分别是υ(t),ψ(t),φ(t),δ(t)的拉普拉斯函数，而υ(t),ψ(t),φ(t),δ(t)分别表示由舵单独引起的速度、航向角、横摇角，舵角；ωψ(s),ωφ(s)分别是海浪对横摇和艏摇的扰动；tυ和tr表示时间的传递函数；kυr,kυp,kdυ,kdr,kdp表示增益；和ωn分别表示阻尼系数和自然频率；基于上述建立三自由度船舶线性数学模型的公式可以得到usv控制系统的状态方程式中，x(t)＝[υ(t)r(t)ψ(t)p(t)φ(t)]^t且x(t)∈rⁿ；υ(t)表示由舵引起的横荡速度，r(t),ψ(t),p(t),φ(t)分别表示艏摇速度、航向角、横摇速度及横摇角；δ(t)∈rm表示舵角；海浪引起的外界干扰ω(t)＝[ωψ(t)ωφ(t)]^t且ω(t)∈l2[t0,∞)；x0∈rⁿ表示系统的初始状态；a、b、e1可由下列参数：

和求得。

本发明实施例为了充分了解执行器故障、dos攻击和网络延时对usv控制系统的影响，通过建立数学模型的方式，实现在执行器故障、dos攻击和网络延时情况下系统的一些具体情况，其建立的具体过程如下：

首先，在上述usv控制系统中考虑执行器故障的影响，系统的状态方程为：其中y(t)∈r^l表示测量输出，f(t)∈r^q表示执行器的故障信号；e2,c是已知的适当维数的矩阵，假设c行满秩，并且(a,c)可观测。

其次，考虑dos攻击的影响，建立周期dos攻击模型，并将dos攻击引入至usv控制系统中，具体的，dos攻击信号是一组能量有限的攻击信号，会占用有限通道阻断通信，通过公式来表示；其中，n∈n表示周期数，t是攻击的长度，集合表示无dos攻击的区间，此时信号正常传输；而表示有dos攻击的区间，此时信号被阻断，没有数据包传输。

由于usv控制系统的各个状态并不是都可以得到的，因此考虑周期的dos攻击的影响，设计基于状态观测器的故障检测滤波器(fdf)和控制器，通过如下公式表示：

式中，r(t)∈rq分别是观测器的状态、观测器输出、控制输入以及fdf的残差信号；l1,l2,v1,v2是增益矩阵；本发明通过引入周期性的dos攻击可以保证usv控制系统的网络安全性，可以有效抵御dos攻击，保证系统可以稳定运行。

最后，得到遭受执行器故障、dos攻击以及网络延时影响下的基于状态观测器usv控制系统的数学模型：

系统模型为：

以及基于状态观测器的故障检测滤波器模型：

式中，且x(t)∈rⁿ表示系统状态，υ(t)表示由舵引起的横荡速度，ψ(t),p(t),φ(t)分别表示艏摇速度、航向角、横摇速度及横摇角，ω(t)＝[ωψ(t)ωφ(t)]^t且ω(t)∈l2[t0,∞)，f(t)∈r^q，y(t)∈r^l分别是海浪引起的外界干扰、执行器的故障信号和系统的测量输出，ωψ(t),ωφ(t)分别是海浪对横摇和艏摇的扰动，x0∈rⁿ表示系统的初始状态，a,b,c,e1,e2是已知的适当维数的矩阵；r(t)∈rq别是观测器的状态以及故障检测滤波器的残差信号；l1,l2,v是增益矩阵；其中a、b、e1与上述usv控制系统的状态方程中的a、b、e1的求解方式相同，均为已知的适当维数矩阵；h1,n＝[nt,nt+toff)，h2,n＝[nt+toff,(n+1)t)，t为dos攻击周期，toff为无攻击区间长度。

s2：引入一种与观测器状态相关的事件触发机制，并利用时滞系统理论，建立能同时描述网络传输时延与事件触发机制影响下的usv控制系统模型；

在本发明的实施例中，所用到的事件触发机制是通过公式来确定的，其中，并且τ(t)＝t-ikh-lh,t∈tl，同时τ(t)满足表示时延上界，w为待求触发矩阵，是触发器第k次传送给控制器的信号，为传输时刻ik由网络引起的时延。

具体的，本发明针对攻击设计如下的事件触发机制，保证水面无人艇航向控制系统在控制器的作用下渐进稳定的同时，减少网络通讯压力；在无dos攻击时刻，事件触发机制保证水面无人艇网络控制系统渐进稳定，事件触发条件为通过公式表示，式中，k,l为正整数，w是具有适当维数的正定加权矩阵，σ是有界正实数，是当前采样信号，是触发器上一次传送给控制器的信号；当时，系统的控制输入通过式表示，并定义其中令τ(t)＝t-ikh-lh,t∈tl，则其中时延上界所以令则此外，控制台的观测误差通过公式表示，增广状态由和re(t)＝r(t)-f(t)表示，由此可得到最终的控制系统的增广模型，最终的控制系统增广模型通过公式t∈rk∩h1,n和t∈h2,n表示；其中d＝[0-i]。

本发明通过引入基于观测器的事件触发机制，能够有效的节省宽带资源，减少网络的传输压力，这样就可以在有限的宽带资源内实现功能的最大化。

s3：确定usv控制系统模型的事件触发矩阵w，状态观测器增益矩阵l1,l2，故障检测滤波器增益矩阵v1,v2和控制器增益矩阵k；

在本发明实施例中，对给定的dos攻击的周期t、无攻击区间长度toff和扰动抑制水平γ＞0以及可调参数αi,μi,σ,τm,βi,εi,θi，如果存在正定对称矩阵xi,w和适当维数的矩阵满足下列线性矩阵不等式:

其中，

公式中，i为适当维数的单位矩阵，*是矩阵中与之对应的转置项。

根据上述线性矩阵不等式可以计算出事件触发矩阵w、观测器增益矩阵滤波器增益矩阵以及控制器增益矩阵

s4：建立dos攻击下基于状态观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器。

dos攻击下，在usv控制系统中，协同设计基于状态观测器的故障检测滤波器和弹性事件触发控制器，保证usv控制系统可以在执行器故障、dos攻击及网络延时下安全、稳定运行；具体的通过式表示滤波器残差信号，通过式表示控制器。

本发明的dos攻击下的故障检测滤波器和控制器的协同设计方法，应用与usv航向控制系统中，首先建立执行器故障、dos攻击以及网络延时情况下的usv控制系统数学模型，然后引入事件触发机制至控制器中，从而达到节省网络宽带资源的效果；并建立基于状态观测器的故障检测滤波器，将引入了事件触发机制的控制器和基于状态观测建立的故障检测滤波器协同合作用于usv控制系统模型，同时构建周期性的dos攻击模型引入至usv控制系统模型中，从而实现usv控制系统模型可以有效抵御dos攻击；与现有技术相比，本发明能有效抵御dos攻击并且能及时检测出故障，保证系统安全、稳定运行，同时减少了冗余信号的传输量，减轻了网络传输压力，节省了带宽资源以及通信所需的能源。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。