网络控制系统建模、分析及安全控制

本书论述了网络诱导现象、事件触发机制、网络攻击和外部干扰各要素对系统性能的影响，提出了系统控制策略。为了便于读者理解，本书按照先易后难的原则组织相关材料，把网络仅存在于传感器和控制器之间的控制问题，逐步推广到网络不仅存在于传感器和控制器之间，还存在于控制器与执行器之间的控制问题，且综合考虑网络诱导现象、网络攻击、事件触发机制等多种因素下的控制器设计问题。
本书总结了作者近年来关于网络控制系统方面的研究，可以作为高等院校控制理论与工程、计算机应用技术、信息与计算科学、运筹学与控制论等专业的博士和硕士研究生的专业参考书。

王燕锋，博士，副教授，硕士研究生导师。近年来，主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、湖州市自然科学基金及湖州市公益性应用研究项目各1项；参与国家自然科学基金3项，浙江省公益技术研究计划项目3项，横向项目2项。主持/认定2020年度浙江省线上一 流课程一项；以第 一作者或通讯作者发表学术论文近30篇，其中被SCI收录9篇，EI收录近20篇。以第 一作者出版专著1部、教材3部。

本书主要围绕离散网络控制系统，用有限模态的Markov链描述网络时延，把网络控制系统建模为含有单个或者多个Markov链的控制系统，在Markov链转移概率部分未知的条件下，利用Lyapunov稳定性理论研究了网络控制系统的镇定、故障检测及容错控制、网络攻击下的系统安全等问题，特色如下： （1）本书对复杂网络环境的刻画，充分考虑了网络时延、丢包、量化、复杂攻击行为的因素，能够更加准确地描述网络随机现象的变化规律。 （2）本书旨在解决转移概率部分未知条件下网络控制系统的设计及其故障检测问题，对于完善和丰富相关的网络控制系统理论具有重要的理论和实际意义。 （3）旨在突破基于传感器网络的工业控制系统的两大瓶颈问题（安全与能耗），对包含网络诱导现象及网络攻击的复杂环境进行综合建模，并设计合理的事件触发机制以减少数据传输量进而节约能量。不同于现有大多数文献仅考虑网络攻击下的安全问题，兼顾安全与能耗两大因素的研究是本书的另一特色。

随着信息化与工业化的深度融合，将计算、控制和通信技术综合于一体的网络控制系统（networked control system，NCS）应运而生。网络控制系统根据环境的变化实时调整动态交互方式，解决智能生产、生活的重大需求，实现提高生产效率和改善人们生活质量的目的。正是由于具备上述特性，网络控制系统已被广泛应用于工业生产、智能电网、智能交通等领域。
网络带宽的限制，使得数据的传输不可避免地存在时延、丢包等网络诱导现象，导致系统性能下降甚至使得系统不稳定。并且，网络的开放性，使得控制系统容易遭受网络攻击的影响，产生诸多网络安全隐患。另外，传统的控制系统广泛采用基于时间触发的通信机制来实现数据的传输，这种通信模式意味着各传感器节点在每一固定时刻都要传输、接收并处理数据，不可避免地浪费了节点的能量和带宽。近年来，事件触发机制被提出并引起了众多学者的关注。与时间触发机制不同，在事件触发机制下，是事件而不是固定的时间周期决定了采样数据是否被传输。从系统的观点来看，网络控制系统各要素之间，如网络攻击模式、事件触发机制与网络诱导现象之间，必然存在着相互影响的内在联系，各要素之间的交叉耦合又制约着安全控制器的设计及网络控制系统的性能。
本书论述了网络诱导现象、事件触发机制、网络攻击和外部干扰各要素对系统性能的影响，提出了系统控制策略。主要内容如下：第1章介绍了网络控制系统的研究背景、研究意义及研究的现状；第2章介绍了必备的基础知识；第3~6章及第8章对于网络存在于传感器和控制器之间的网络控制系统，针对时延（丢包）等因素的影响，讨论了网络控制系统的控制器设计方法；第7章基于线性时不变广义被控对象研究了网络控制系统的H∞控制问题；第9章研究了具有S-C（传感器至控制器）和C-A（控制器至执行器）丢包的网络控制系统H∞控制方法；第10章对于具有S-C和C-A时延和丢包的离散网络控制系统，研究了基于观测器的镇定问题；第11章对于具有S-C和C-A时延的网络化Markov（马尔可夫）系统，研究了状态反馈控制器设计问题；第12章对于具有S-C和C-A丢包的网络化Markov系统，研究了具有观测器的控制问题；第13章讨论了同时有Lipschitz（利普希茨）非线性、数据包丢失和受到周期性DoS攻击的网络化Markov跳变系统的基于观测器的控制问题；第14章对具有S-C丢包的网络化Markov跳变系统讨论了故障检测问题；第15章针对具有S-C及C-A两段不确定时延的连续网络化Markov跳变系统，研究了其在执行器故障下的观测器与容错控制器的协同设计问题；第16章针对具有S-C及C-A两段不确定时延的连续网络化Markov跳变系统，研究了基于事件触发机制的观测器与控制器的协同设计问题；第17章针对S-C和C-A之间均具有时延和不确定性的连续Lurie NCS，设计了鲁棒容错控制器，使得系统执行器发生故障时，能够对故障有效地容错并使系统保持稳定；第18章同时考虑事件触发机制及S-C和C-A时延对系统的影响，研究了基于观测器的NCS的故障检测问题；第19章对于受到周期DoS攻击和具有时延的网络化Lurie控制系统，设计了基于事件触发机制的控制器。
本书可以作为高等院校控制理论与工程、计算机应用技术、信息与计算科学、运筹学与控制论等专业的博士和硕士研究生的专业参考书。
本书总结了作者近年来关于网络控制系统方面的研究。由于作者水平有限，对于书中存在的缺点和不足之处，恳请专家和读者不吝赐教！

作者
2024年10月

第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2NCS的控制2
1.3基于网络的滤波5
1.4NCS的故障检测7
1.5NCS的调度策略10
1.6本书主要内容及框架14
参考文献16

第2章基础知识23
2.1主要符号说明23
2.2Lyapunov 稳定性理论23
2.3网络控制系统（NCS）的建模24
2.4线性矩阵不等式（LMI）24
2.5本章小结25

第3章具有S-C数据包丢失的基于观测器的控制系统容错控制26
3.1问题描述26
3.2控制器设计28
3.3实例仿真30
3.4本章小结31
参考文献31

第4章S-C时延转移概率部分未知的网络控制系统状态反馈控制33
4.1问题描述33
4.2控制器设计35
4.3实例仿真37
4.4本章小结38
参考文献38

第5章具有S-C时延和数据包丢失的网络控制系统控制器设计方法40
5.1状态反馈控制41
5.2输出反馈控制46
5.3网络控制系统H∞控制51
5.4网络控制系统保性能控制57
5.5本章小结60
参考文献61

第6章具有S-C时延基于观测器的网络控制系统输出反馈控制63
6.1问题描述64
6.2控制器设计66
6.3实例仿真69
6.4本章小结69
参考文献70

第7章一类广义网络控制系统的鲁棒控制71
7.1典型广义系统模型71
7.2预备知识72
7.3问题描述73
7.4广义网络控制系统H∞控制75
7.5实例仿真79
7.6本章小结80
参考文献80

第8章具有时延和Markov丢包特性的网络控制系统反馈控制82
8.1问题描述82
8.2控制器设计84
8.3实例仿真86
8.4本章小结87
参考文献87

第9章具有S-C及C-A数据包丢失的网络控制系统H∞控制方法89
9.1问题描述90
9.2主要结论92
9.3实例仿真96
9.4本章小结99
参考文献100

第10章具有S-C及C-A时延和数据包丢失的网络控制系统控制器设计方法102
10.1问题描述103
10.2主要结论105
10.3实例仿真113
10.4本章小结116
参考文献116

第11章具有S-C及C-A时延的网络化Markov系统模态依赖控制器设计方法118
11.1问题描述119
11.2主要结论120
11.3实例仿真125
11.4本章小结127
参考文献128

第12章具有S-C及C-A数据包丢失的网络化Markov跳变系统H∞控制130
12.1系统建模131
12.2主要结论134
12.3实例仿真140
12.4本章小结145
参考文献145

第13章具有数据包丢失和受到DoS攻击的网络化Markov跳变系统H∞控制147
13.1系统建模148
13.2主要结论151
13.3实例仿真157
13.4本章小结159
参考文献159

第14章具有S-C数据包丢失的网络化Markov跳变系统的故障检测161
14.1问题描述162
14.2主要结论164
14.3实例仿真166
14.4本章小结168
参考文献169

第15章具有S-C及C-A时延的连续网络化Markov跳变系统的容错控制170
15.1问题描述171
15.2主要内容173
15.3实例仿真176
15.4本章小结180
参考文献180

第16章具有S-C及C-A时延的连续网络化Markov跳变系统事件触发控制182
16.1问题描述183
16.2主要内容186
16.3实例仿真190
16.4本章小结191
参考文献192

第17章具有S-C及C-A时延的网络化Lurie控制系统的事件触发鲁棒容错控制194
17.1问题描述195
17.2主要结论199
17.3实例仿真204
17.4本章小结208
参考文献208

第18章具有S-C及C-A时延的离散网络控制系统事件触发故障检测210
18.1问题描述211
18.2主要结论213
18.3实例仿真220
18.4本章小结223
参考文献223

第19章具有时延和受到周期DoS攻击的网络化Lurie控制系统事件触发控制225
19.1问题描述226
19.2主要结论231
19.3实例仿真237
19.4本章小结238
参考文献239