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| 內容簡介： |
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《切换系统的安全控制》主要阐述切换系统安全控制问题的基本内容与方法，介绍国内外相关领域的最新研究成果，主要内容包括：未知扰动下切换系统抗扰动安全控制，输出和切换模式受攻击下切换系统异步被动网络安全控制，基于双触发、弹性触发的切换系统主动网络安全控制，基于受损数据预测的切换系统主动网络安全控制，基于学习和智能算法的切换系统网络安全控制，基于编/解码和差分隐私的切换系统隐私安全控制。
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目录前言符号说明1 绪论 11.1 切换系统概述 21.1.1 切换系统的模型 21.1.2 切换系统的应用背景 41.1.3 切换系统的研究现状 81.1.4 切换系统的网络和隐私安全问题 91.2 切换系统的被动网络安全控制概述 101.2.1 切换系统的被动网络安全控制问题 101.2.2 切换系统的被动网络安全控制研究现状 111.3 切换系统的主动网络安全控制概述 121.3.1 切换系统的主动网络安全控制问题 121.3.2 切换系统的主动网络安全控制研究现状 121.4 切换系统的隐私安全控制概述 131.4.1 切换系统的隐私安全控制问题 131.4.2 切换系统的隐私安全控制研究现状 141.5 小结 142 预备知识 162.1 相关定义 162.2 若干引理 16切换系统的安全控制3 切换系统的抗扰动安全控制 183.1 概述 183.2 未知扰动下数据驱动安全控制 193.2.1 问题描述 193.2.2 主要结果 233.2.3 仿真算例 263.3 未知扰动下自抗扰安全控制 283.3.1 问题描述 283.3.2 主要结果 343.3.3 仿真算例 403.4 小结 434 切换系统的被动网络安全控制 454.1 概述 454.2 DoS攻击下模式-调度双异步被动网络安全控制 464.2.1 问题描述 464.2.2 主要结果 484.2.3 仿真算例 544.3 切换信号受DoS攻击下异步被动网络安全控制 564.3.1 问题描述 564.3.2 主要结果 584.3.3 仿真算例 674.4 小结 695 切换系统的主动网络安全触发控制 715.1 概述 715.2 DoS攻击下双触发主动网络安全控制 725.2.1 问题描述 725.2.2 主要结果 765.2.3 仿真算例 805.3 DoS攻击下弹性触发主动网络安全控制 835.3.1 问题描述 835.3.2 主要结果 865.3.3 仿真算例 925.4 小结 956 切换系统的主动网络安全预测控制 966.1 概述 966.2 单端DoS攻击下主动网络安全模型预测控制 976.2.1 问题描述 976.2.2 主要结果 1006.2.3 仿真算例 1076.3 双端DoS攻击下主动网络安全模型预测控制 1106.3.1 问题描述 1106.3.2 主要结果 1136.3.3 仿真算例 1196.4 小结 1227 切换系统的主动网络安全智能控制 1237.1 概述 1237.2 DoS攻击下自适应动态规划主动网络安全智能控制 1247.2.1 问题描述 1247.2.2 主要结果 1287.2.3 仿真算例 1337.3 DoS攻击下迭代学习主动网络安全智能控制 1367.3.1 问题描述 1367.3.2 主要结果 1407.3.3 仿真算例 1457.4 小结 1488 切换系统的隐私安全控制 1498.1 概述 1498.2 编/解码隐私安全控制 1508.2.1 问题描述 1508.2.2 主要结果 154切换系统的安全控制8.2.3 仿真算例 1588.3 差分隐私安全控制 1608.3.1 问题描述 1608.3.2 主要结果 1688.3.3 仿真算例 1728.4 小结 176参考文献 177
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1绪论 切换系统是一类重要的混杂系统，可根据不同的工作条件或要求，在不同的模式之间转换[1]。切换动作可由系统状态、输入信号或其他条件决定，也可以根据控制经验人工触发[2]。切换实施体现于选择合适的系统模式以及相应的控制策略和参数配置。通过模式切换，控制系统可以有效应对复杂工作条件和多目标需求，获得更高的性能水平[3]。例如，在机电系统中，可以根据负载变化（容性、感性、电阻、混合等）或运行状态（正常、故障、维护等）切换到不同的工作模式[4]；在飞行器系统中，可以根据飞行阶段（起飞、巡航、着陆等）切换不同的控制模式[5]。目前，切换系统的分析与综合理论主要包含稳定性分析[6]、控制设计[7]、切换律设计[8]及其存在的控制问题等内容。对于切换系统控制，其不可忽视的重要问题是保证安全性，包括内/外部环境未知导致的扰动安全、开放网络导致的网络安全、传输透明导致的隐私安全。这些问题都会对切换系统的稳定性和控制性能造成严重影响，使得直接运用现有理论和方法保证安全性存在一定困难，因此针对性地探索外部扰动抑制、攻击防御、数据补偿及信息隐私防护手段是十分必要的。相关研究领域和方向如下。 （1）外部扰动抑制：为了提高系统的抗扰动能力，采用滤波设计[9]、预测补偿[10]、扰动观测[11]等手段，保证系统的控制精度和安全性。 （2）攻击防御和数据补偿：为了预防和减轻网络攻击对系统的影响，采用入侵检测[12]、攻击事件触发[13]、数据缓冲补偿[14]等网络攻击应对措施，保障数据的完整性和安全性。 （3）信息隐私防护：为了避免信息隐私泄露、虚假信息传播，采用数据编码[15]、差分隐私[16]、K-匿名[17]等信息保护手段，保障数据的隐私性和安全性。 总体而言，安全控制理论涵盖了多种跨学科的研究手段，结合当下先进的抗扰动、攻击防御和隐私保护等技术，来保障系统的控制性能、数据传输安全性和隐私性。 然而，目前有关切换系统安全控制的研究还不充分，许多问题亟须解决。例如，系统反馈信号在复杂环境中受到扰动，需通过抗扰设计来获取真实的反馈信号，以增强系统的鲁棒性；在单/双端网络传输下考虑攻击和延迟导致的数据丢失、乱序、子系统和子控制器获知的切换信息不匹配等问题，需对切换系统进行切换异步和耦合分析；特别地，为遭受恶意窥探的切换系统设计数据隐私安全保护策略，是传统切换系统分析和设计中未涉及的问题，相关理论和方法尚显匮乏。此外，现有切换系统的优化控制研究仍不完善，采用具有自适应和优化能力的控制方法是前沿方向，如自适应动态规划控制、模型预测控制、数据驱动控制等。 本书针对以上问题，结合前沿控制理论和手段，探索切换系统的安全控制系列方法，例如，数据驱动和自抗扰控制设计、基于事件的抗攻击设计、预测抗攻击设计、基于编/解码和差分隐私方法的反馈和模式信息的隐私保护设计等。采用上述研究结果，有望进一步提升切换系统的安全性，有效应对信息安全威胁，并为切换系统及控制领域带来新的问题解决思路。 1.1切换系统概述 切换系统是控制系统中一种重要的功能性系统，能够根据不同的操作需求或环境条件，实现系统在不同工作模式之间的快速、灵活和安全转换。切换系统的设计和实现需考虑安全性、稳定性及控制性能，有时还要确保切换和运行过程的平稳性。切换系统通常包括遍及系统运行范围的多种工作模式以及精确刻画子模式（系统）工作顺序的切换条件。工作模式可以是系统的不同操作状态，如启动、停止、运行等，也可以是不同的控制模式，如自动控制模式、手动控制模式等。切换条件是指系统需要执行相应的指令来完成模式切换。切换的发生反映在控制系统参数、状态或配置的变化上，包括重新初始化系统、重新配置控制器、改变输入输出映射等。综上，切换系统可更准确地描述物理过程，还可提高控制性能，已在控制系统中扮演着重要的角色[18-24]。 1.1.1切换系统的模型 切换系统的模型常用于描述具有多种工作模式、参数变化、多目标等物理对象，通常由多个子系统按照特定的切换规则组成。该模型的稳定性受到子系统的稳定性、切换规则以及控制策略等因素的综合影响。切换规则决定了切换系统在不同子系统之间切换的方式和顺序。当所有子系统都保持稳定时，若搭配不合适的切换规则，整个切换系统有可能不稳定。相反，如果存在不稳定的子系统，切换系统在合适的切换规则下也可能会稳定。切换规则的设计需要考虑到系统的特性和需求，以确保切换过程的稳定性。对于切换系统，其一般数学模型为 式中，为系统状态；为控制输入；为系统输出；和为外部扰动；切换信号表示为，当i时，切换到第i个子系统。为常数矩阵。简单的切换系统结构如图1.1所示。 图1.1切换系统示意图 其中，切换信号.()t可根据时间或系统的状态变量、输出变量、外部扰动信号以及其本身的历史值等进行设计，每一时刻有且仅有一个子系统被激活。此外，切换信号.()t在有限时间内的切换次数是有限的。切换信号的存在，使得切换系统与一般系统相比具有特殊性，如下例。 例1.1考虑如下切换线性系统： 求解切换系统的两个子系统矩阵A1和A2的极点均为-1±31.6228i，在复平面的左半边平面，由**控制理论可知，子系统1和2均为稳定的。然而，不同的切换规则却会给稳定性带来不同的影响。例如，当时，切换到第二个子12系统；当时，切换到第一个子系统。按此切换规则，从任意初始状态12出发，切换系统可被镇定。但如果选择切换规则为，当时，切换到12第一个子系统；当时，切换到第二个子系统，则会产生截然不同的效12果，此时从任意初始状态出发，切换系统都是不稳定的。 1.1.2切换系统的应用背景 切换系统的来源广泛，可以有效地描述许多工业过程。下面列举四个实际例子来说明切换系统的应用。 例1.2航空发动机控制系统[25]。 航空发动机是典型的切换控制系统，主要原因是发动机需要在飞行器不同的任务模式下实现不同的推进控制目标，通常包括机动性、燃油经济性、安全性等，切换控制为航空发动机控制提供了一种非常有效的方法。文献[25]对航空发动机切换控制结构（图1.2）和数学模型进行了详细描述，其数学模型为 式中，为系统状态；为控制输入；为系统输出。所采用的模型为90k级涡扇航空发动机模型，选取，风扇的转子转速，为核心发动机的转子转速，WFR为燃油流量。 图1.2航空发动机切换控制结构 利用循环平台数据与系统辨识的构建方法，建立航空发动机的切换模型如下。 子系统1： 子系统2： 上述两个子系统表示的是发动机两种工作模式下的线性模型。 例1.3风力发电系统[26]。 如图1.3所示，风力发电系统由非受控二极管整流器将风力发电机组的三相交流输出电压转换为直流电压，然后连接升压转换器以实现风力发电机组直流电压的输出调节。 图1.3风力发电系统 （1）子系统1（模式1：开启升压转换器）：S=1。 如图1.4所示，升压转换器的输入功率P可以被定义为 式中，E是电源电压；是电感；是通过电感器的电流。根据基尔霍夫电压定律，有。 图1.4切换状态S=1的等效电路 （2）子系统2（模式2：关闭升压转换器）：S=0。 如图1.5所示，升压转换器的输入功率P可以被定义为 式中，U是电压。根据基尔霍夫电压定律，有。 图1.5切换状态S=0的等效电路 综合考虑情况（1）和（2），在升压转换器的整个工作过程中，功率P的动态状态方程可以定义为如下切换形式： 例1.4车辆模型[27]。在文献[27]中，使用不确定切换连续时间模型对具有不确定性和受干扰的车辆系统进行建模，可描述为 式中， 分别表示横向偏差及其导数； .分别表示横摆角和横摆角速度；表示车轮转向角； 表示道路坡度；表示切换信号；
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