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专利号: 2023103477204
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多信道攻击下单臂机械手的动态事件触发与量化控制方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、根据单臂机械手的力学模型,建立服从Markov跳变的状态空间方程;

S2、根据步骤S1中建立的状态空间方程,针对多信道随机欺骗攻击设计基于动态事件触发机制和量化策略的异步输出反馈控制器;

S3、根据S2设计的异步输出反馈控制器,建立单臂机械手的闭环控制系统;基于李雅普诺夫理论,建立确保单臂机械手的闭环控制系统随机稳定性和严格耗散性能的充分条件,求解控制器增益矩阵;

S4、将步骤S3得出的控制器增益矩阵代入异步输出反馈控制器中,并在多信道攻击下利用异步输出反馈控制器来控制单臂机械手的输出角和输出角速度,使得单臂机械手的闭环控制系统是随机稳定的,满足严格耗散性能;

步骤S1中所述的建立服从Markov跳变的状态空间方程的方法具体如下:根据单臂机械手的力学模型,建立单臂机械手的动态方程如下:其中θ是输出角,Q是转动惯量,D(t)为关节转动的黏性摩擦系数,Mglsin(θ)为单连杆机械臂的重力项,u为单连杆机械臂的控制力矩,M为有效载荷的质量,g为重力加速度,l为臂的长度;

选取x1(t)=θ为单臂机械手的输出角, 为输出角速度,且满足选择x(t)为系统状态,y(t)为输出位置信号,u(t)为控制输入,ω(t)为外部扰动,则单臂机械手状态方程为:其中,x(t)、A、B、C、D、D0定义为:进一步,考虑系统的测量输出后,可得服从Markov跳变的状态空间方程为:其中,z(t)是测量输出;λ(t),t>0表示定义在完备概率空间上的Markov过程,在有限集中取值,转移概率矩阵 其转移概率为:其中,当Δt≥0, ραl表示系统在t时刻α模态转移到t+Δt时刻l模态的转移率,

步骤S2所述的针对多信道随机欺骗攻击设计基于动态事件触发机制和量化策略的异步输出反馈控制器,具体方法如下:动态事件触发机制设计为:

其中, y(tkh)、kh、tkh分别为

被传输的采样数据、采样时刻以及最新触发时刻;J1(λ(t))>0,J2(λ(t))>0是模态依赖的权重矩阵,v>0为给定常量,δ(λ(t))∈(0,1)为给定的模态依赖阈值参数;内部动态变量η(t)满足: 且η(t0)=η0≥0;

此外,由于通信信道带宽有限,被传输信号先经过量化器的量化处理,从而减轻信号的传输负担,步骤S2中由动态事件触发机制释放的输出信号即采样数据y(tkh)在传输到执行器之前先经过量化器,量化所用的对数量化器为:其中, 对于任意的量化误差,通过扇形界方法得到量化输出表达式为:其中,

定义

采用多信道传输策略,同时,考虑每个传输信道都可能受到不同的网络攻击,一个基于HMM的传输调度器 ft表示传输信道的总数,调度器π(t)满足预先已知的条件概率矩阵 表示为:

其中, 且 基于系统的模态信息,在每一个传输时刻,调度器仅选择一个信道传输数据;

在网络通信中,经常会发生欺骗攻击,攻击信号被注入传感器到控制器之间的信道,替换原来的信号信息,假设攻击者可以捕获系统动态并以随机方式释放攻击性信号,受攻击信号影响下的控制器获取的系统信息如下:基于HMM的异步输出反馈控制器为:

u(t)=Kv{q(y(tkh))+βr(t)[‑q(y(tkh))+ar(y(t))]}  (10)其中,Kv为控制器增益矩阵,βr(t)∈{0,1}表示Bernoulli过程,用于刻画欺骗攻击在t时刻是否发生,ar(y(t))表示以随机方式释放的攻击信号,q(y(tkh))表示捕获的系统动态,此外ρ(t),t≥0是一个Markov过程,满足条件概率矩阵 且条件概率描述如下:其中,

将(10)代入(3)中,得到含有动态事件触发与量化的多信道攻击下的Markov跳变的单臂机械手的闭环控制系统如下:步骤S3中提及的设计单臂机械手的随机稳定性如下:满足该条件,则当ω(t)≡0时,闭环控制系统是随机稳定的;

同样的,步骤S3中提及的设计单臂机械手耗散性能如下:满足该条件,则闭环控制系统是满足严格耗散性能的;

T T T

其中,J(z(t),ω(t))=zψ1z(t)+2zψ2ω(t)+ω (t)ψ3ω(t),ψ1、ψ2、ψ3为实矩阵,γ为耗散性能指标。

2.根据权利要求1所述的一种多信道攻击下单臂机械手的动态事件触发与量化控制方法,其特征在于,基于李雅普诺夫理论,建立确保Markov跳变单臂机械手的闭环控制系统的随机稳定性且满足严格耗散的充分条件,采用MATLAB的LMI工具箱求解控制器增益,具体过程如下:基于李雅普诺夫理论,确保闭环控制系统的随机稳定性且满足严格耗散性能的充分条件如下:对于给定参数τM>0,δα∈[0,1), 和实矩阵若存在矩阵Pα>0,R>0,Q>0,H>0,J1α>0,J2α>0,Wavr>0,N,Y,对于任意的使得公式(14)、公式(15)、公式(16)成立:其中,

则闭环控制系统是随机稳定的,且满足严格耗散性能;

依据线性矩阵不等式,求解控制器增益,过程如下:对于给定的参数τM>0,δα∈[0,1), 和实矩阵若存在矩阵Pα>0,R>0,Q>0,H>0,J1α>0,J2α>0,Wavr>0,N,Y,Zυ,χυ,参数ε>0,对于任意的 使得不等式公式(14)、公式(15)以及下式成立:其中

控制器增益矩阵可得:

则闭环控制系统是随机稳定的,且满足严格耗散性能。