CN114296419B - 一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及远程控制技术。本发明安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，包括控制预测生成器、网络延迟补偿器、观测器、事件触发器1、事件触发器2、安全发送器1、安全发送器2、安全接收器1、安全接收器2、缓存器1、缓存器2和被控对象。安全发送器1接收满足了事件触发器1触发条件的控制预测序列数据，对进行加密后传输给安全接收器1。通过网络延迟补偿器对网络传输时延进行补偿后，安全发送器2接收满足了事件触发器2触发条件的状态预估值数据并对其进行加密后传输给安全接收器2。本发明通过加密算法和IP地址比对机制来保障安全，同时通过事件驱动机制中的事件触发条件来减少需要通过网络传输的数据总量，提升系统的实时性和安全性。

Description

一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法

技术领域

本发明涉及远程控制技术领域，特别涉及通过网络进行控制的技术，具体涉及一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法。

背景技术

网络化控制系统可以广泛应用于各种各样的现代控制场景，如交通管理，机器人控制，远程手术，无人机，移动传感器网络，远程控制等。

实时性和安全性是网络化控制系统最重要的性能要求，即要求被控对象可以实时获得控制信号，并且所获得的控制信号必须确保安全性。

为了提升网络化控制系统的实时性和安全性，文献【Design,Analysis and Real-time Implementation of Networked Predictive Control Systems[J].ZidonghuaXuebao/Acta Automatica Sinica,2013,39(11):1769–1777.】首次提出了网络化预测控制方法，其主要思想就是通过过去的系统状态量来预测未来的系统控制信号。后来很多学者在该控制方法基础上的研究，主要针对网络化控制系统中的不确定时延问题和网络堵塞问题，如文献【Sun X M,Liu K Z,Wen C,et al.Predictive control of nonlinearcontinuous networked control systems with large time-varying transmissiondelays and transmission protocols[J].Automatica,2016,64:76-85.】和文献【Yang H,Xu Y,Xia Y,et al.Networked Predictive Control for Nonlinear Systems WithArbitrary Region Quantizers[J].IEEE Transactions on Cybernetics,2017:1-12.】。

文献【Pang Z H,Liu G P.Design and Implementation of Secure NetworkedPredictive Control Systems Under Deception Attacks[J].IEEE Transactions onControl Systems Technology,2012,20(5):1334-1342.】对网络化预测控制系统中的安全问题进行了进一步的研究。但在实际应用中为了安全性所采取的加密措施有可能进一步造成网络堵塞，同时降低整个网络化预测控制系统的性能，甚至导致系统的不稳定。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，以解决现有技术中安全加密措施可能导致网络化预测控制系统出现网络堵塞现象，降低网络化预测控制系统实时性和安全性的问题，提升系统的实时性和安全性，确保系统稳定性。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制预测生成器根据t时刻的输入信号u(t)和t-τ_oc时刻的状态预估值数据生成t时刻的控制预测序列U(t)，τ_oc为网络后向通道延时；

控制预测序列U(t)经过事件触发器1处理后得到控制预测序列数据U'(t)，控制预测序列数据U'(t)经过安全发送器1加密后通过网络传输到安全接收器1；

安全接收器1通过IP地址比对，确认安全性后对数据进行解密处理，得到t+τ_ca时刻的控制预测序列数据U'(t+τ_ca)，τ_ca为网络前向通道延迟；

网络延迟补偿器对控制预测序列数据U'(t+τ_ca)进行延时补偿，并从中筛选出t时刻的控制信号u'(t)传递给被控对象；

被控对象执行控制信号u'(t)后的输出值y(t)被观测器获得，并由此得到t时刻的状态预估值

缓存器2缓存状态预估值中的IP地址，状态预估值/>通过事件触发器2处理后得到t时刻的状态预估值数据/>状态预估值数据/>经过安全发送器2加密后通过网络传输到安全接收器2；

安全接收器2通过IP地址比对，确认安全性后对数据进行解密处理，再将解密后的数据传输给控制预测生成器，用于下一步的控制预测序列的生成。

进一步的，安全发送器1和安全发送器2信号处理流程相同。

具体的，所述信号处理流程包括：

对接收信号进行打包，得到打包数据D_A，所述接收信号包括数据D和IP地址；

复制所述打包数据D_A后对副本进行一次加密，得到加密数据D_AE；

再将打包数据D_A和加密数据D_AE进行打包得到数据包D_IA；

对数据包D_IA进行二次加密，得到加密数据D_ICA；

将加密数据D_ICA通过网络进行传输。

具体的，所述一次加密采用SHA-2加密算法进行加密处理。

具体的，所述二次加密采用AES加密算法进行加密处理。

进一步的，安全接收器1和安全接收器2信号处理流程相同。

具体的，所述信号处理流程包括：

通过网络接收二次加密数据D_ICA，对二次加密数据D_ICA采用AES解密后得到数据包D_IA；

将数据包D_IA中的数据包D_A进行加密后得到数据包D_AE'，将数据包D_AE'与从数据包D_IA中获取的加密数据D_AE进行比较，如果两者不同，则系统拒绝；否则，将数据包D_A再进行拆分得到数据D和IP地址；

将得到的IP地址与从缓存器中获得的IP地址进行比较，如果两者不同，则系统拒绝；否则，认为该数据D即为可信任的数据D_S。

进一步的，所述控制预测生成器控制律满足下列表达式：

其中，u(t|t-τ_oc)为系统根据t-τ_oc时刻的状态预估值所预测的t时刻控制预测生成器的输入信号，为系统根据t-τ_oc-1时刻的状态预估值所预测的t-τ_oc时刻的状态预估值，u(t-τ_oc+j-1)为t-τ_oc+j-1时刻的系统输入信号，y(t-τ_oc)为t-τ_oc时刻的系统输出信号，τ_oc为网络后向通道延迟，A、B和C为系统矩阵，E为增益矩阵，G为状态反馈矩阵，j为循环次数。

进一步的，所述事件触发器1触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，M为非负整数，1+M为事件触发器1的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，U(t)为事件触发器1接收到的控制预测序列，也是t时刻的控制预测序列，U(t_δ)为t_δ时刻的控制预测序列，T代表矩阵的转置运算。

进一步的，所述事件触发器2触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，N为非负整数，1+N为事件触发器2的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，为事件触发器2接收到的状态预估值，也是t时刻的状态预估值，/>为t_δ时刻的状态预估值，T代表矩阵的转置运算。

根据本发明技术方案及其在某些实施例中进一步改进的技术方案，本发明具有如下有益效果：

通过加密算法和IP地址比对机制来实现网络化预测控制系统的安全保障，同时在安全传输协议的基础上，通过事件驱动机制中的事件触发条件来减少需要通过网络传输的数据总量，从而有效解决网络化预测控制系统的易堵塞、不安全问题，同时保证系统具有预期的性能表现，提升系统的实时性和安全性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明安全的事件驱动网络化预测控制系统结构示意图；

图2为安全发送器1和安全发送器2的结构示意图；

图3为安全接收器1和安全接收器2的结构示意图；

图4为数据完整性实现过程示意图；

图5为数据保密性实现过程示意图；

图6为数据真实性实现过程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明安全的事件驱动网络化预测控制系统控，包括控制预测生成器、网络延迟补偿器、观测器、事件触发器1、事件触发器2、安全发送器1、安全发送器2、安全接收器1、安全接收器2、缓存器1、缓存器2和被控对象。

安全发送器1接收满足了事件触发器1触发条件的控制预测序列数据U'(t)，对U'(t)进行加密后传输给安全接收器1。通过网络延迟补偿器对网络传输时延进行补偿后，安全发送器2接收满足了事件触发器2触发条件的状态预估值数据并对其进行加密后传输给安全接收器2。

控制预测生成器控制过程如下：

如图1所示，控制预测生成器根据t时刻的输入信号u(t)和t-τ_oc时刻的状态预估值数据生成t时刻的控制预测序列U(t)，τ_oc为网络后向通道延时。

控制预测序列U(t)经过事件触发器1处理后得到控制预测序列数据U'(t)，经过安全发送器1加密后通过网络传输到安全接收器1。

安全接收器1通过缓存器2中缓存的IP地址进行比对，确认数据安全性后对数据进行解密处理，得到t+τ_ca时刻的控制预测序列数据U'(t+τ_ca)，τ_ca为网络前向通道延迟。

网络延迟补偿器对控制预测序列数据U'(t+τ_ca)进行延时补偿，并从中筛选出t时刻的控制信号u'(t)传递给被控对象。

被控对象执行控制信号u'(t)后的输出值y(t)被观测器获得，并由此得到t时刻的状态预估值

经由缓存器2缓存状态预估值中的IP地址后，状态预估值/>通过事件触发器2处理后得到t时刻的状态预估值数据/>状态预估值数据/>传输给安全发送器2进行加密后通过网络传输到安全接收器2。

安全接收器2同样通过缓存器1中缓存的IP地址进行比对确认后对数据进行解密处理，再将解密后的数据传输给控制预测生成器用于下一步的控制预测序列的生成。

控制预测生成器控制律由如下表达式描述：

其中，u(t|t-τ_oc)为系统根据t-τ_oc时刻的状态预估值所预测的t时刻控制预测生成器的输入信号，为系统根据t-τ_oc-1时刻的状态预估值所预测的t-τ_oc时刻的状态预估值，u(t-τ_oc+j-1)为t-τ_oc+j-1时刻的系统输入信号，y(t-τ_oc)为t-τ_oc时刻的系统输出信号，τ_oc为网络后向通道延迟，A、B和C为系统矩阵，E为增益矩阵，G为状态反馈矩阵，j为循环次数。

控制预测生成器控制律表达式可以看作由3部分组成：第1部分为用作系统状态反馈律，实现网络化控制系统对被控对象的状态跟踪；第2部分为/>用作控制输入补偿；第3部分为用作输出反馈律，实现网络控制系统对被控对象的输出跟踪。

事件触发器1和事件触发器2的触发条件用于对将要通过网络进行传输的数据进行筛选，由此降低网络传输的数据量。

事件触发器1触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，M为非负整数，1+M为事件触发器1的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，U(t)为事件触发器1接收到的控制预测序列，也是t时刻的控制预测序列，U(t_δ)为t_δ时刻的控制预测序列，T代表矩阵的转置运算。

事件触发器2触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，N为非负整数，1+N为事件触发器2的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，为事件触发器2接收到的状态预估值，也是t时刻的状态预估值，/>为t_δ时刻的状态预估值，T代表矩阵的转置运算。

本发明中，安全发送器1和安全发送器2处理的信号不同，但处理流程相同。安全发送器1处理的信号为U'(t)，其中包括数据和IP地址；安全发送器2处理的信号为其中也包括数据和IP地址。

安全发送器1和安全发送器2信号处理流程参见图2所示，接收到数据D和IP地址，将其打包后得到数据包D_A，将D_A进行复制后对副本采用SHA-2加密算法加密获得数据D_AE，再将D_A和D_AE进行打包得到数据包D_IA。对数据包D_IA采用AES加密算法加密得到数据D_ICA并将其通过网络进行传输。

本发明中，安全接收器1和安全接收器2处理的信号不同，但处理流程相同。安全接收器1处理的信号为U'(t+τ_ca)，其中包括数据和IP地址；安全接收器2处理的信号为其中包括数据和IP地址。

安全接收器1和安全接收器2信号处理流程参见图3所示，通过网络接收到数据包D_ICA，将其解密后得到数据包D_IA，并将数据包D_IA中的D_A进行加密后得到数据包D_AE'。将D_AE'与从数据包D_IA中获取的D_AE进行比较，如果两者不同，则该数据无法保证安全性，遭到系统拒绝，否则将其作为可以初步信任的数据包D_A再进行拆分得到数据D和IP地址，将IP地址与从缓存器中获得的IP地址(图3中表示为IP_B)进行比较，如果两者不同，则数据D遭到系统拒绝，否则认为该数据D即为满足安全传输协议的数据D_S。

本发明中，安全发送器1、2和安全接收器1、2的安全传输实现过程可看作由3部分组成，每部分在接收到数据后，通过对该数据的处理来保证安全传输过程中各部分的实现：

第1部分为数据完整性实现过程，如图4所示，将数据D进行复制后对副本加密获得数据D_E，再将D和D_E进行打包得到数据包D_I，通过网络传输后，接收方将获得的数据包D_I进行拆分，并将得到的数据D再次进行加密后得到D_E',再将D_E'和D_E进行比较，当两者相同时，则认为该数据的完整性得到了保证，否则系统将拒绝该数据；

第2部分为数据保密性实现过程，如图5所示，对数据D进行加密得到D_C，通过网络传输后，接收方将获得的D_C再通过对称密钥进行解密，解密后得到的数据D则被认为具备数据保密性；

第3部分为数据真实性实现过程，如图6所示，将数据D与发送方IP地址打包后得到数据包D_A，通过网络传输后，接收方将接收到的数据包D_A进行拆分获得其中的IP地址，并将其与从缓存器中获得的IP地址进行比较，当两者相同时，则认为该数据D的真实性得到了保证，否则系统将拒绝该数据。

控制预测生成器的证明

根据上述设计的事件驱动控制预测生成器，选取该基于安全传输协议的事件驱动网络化预测控制系统的Lyapunov备选函数为：

V(t)＝δ^T(t)Pδ(t)

其中δ(t)＝(x(t),e(t-τ_ca-τ_oc))^T，同时可以得到δ(t+1)＝A'δ(t)+B'r(t)，于是，根据定理得到：当给定时间延迟τ_ca,τ_oc，矩阵G,E和事件触发参数λ∈[0,1)时，如果存在矩阵P>0满足/>则该闭环系统满足渐近稳定，其中/>再根据整个网络控制系统闭环系统方程，对Lyapunov函数的变化进行分析，最终可得到：△V(t)≤-σ||δ(t)||²＜0对于任意η≠0时均成立，表明本发明的基于安全传输协议的事件驱动网络化预测控制系统可以有效解决网络化预测控制系统的易堵塞、不安全问题，显著减少通过网络传输的数据量的同时保证系统具有预期的性能表现，提升了系统的实时性和安全性，且保证了系统的稳定。

Claims (10)

1.一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制预测生成器根据t时刻的输入信号u(t)和t-τ_oc时刻的状态预估值数据生成t时刻的控制预测序列U(t)，τ_oc为网络后向通道延时；

控制预测序列U(t)经过事件触发器1处理后得到控制预测序列数据U'(t)，控制预测序列数据U'(t)经过安全发送器1加密后通过网络传输到安全接收器1；

安全接收器1通过IP地址比对，确认安全性后对数据进行解密处理，得到t+τ_ca时刻的控制预测序列数据U'(t+τ_ca)，τ_ca为网络前向通道延迟；

网络延迟补偿器对控制预测序列数据U'(t+τ_ca)进行延时补偿，并从中筛选出t时刻的控制信号u'(t)传递给被控对象；

被控对象执行控制信号u'(t)后的输出值y(t)被观测器获得，并由此得到t时刻的状态预估值

缓存器2缓存状态预估值中的IP地址，状态预估值/>通过事件触发器2处理后得到t时刻的状态预估值数据/>状态预估值数据/>经过安全发送器2加密后通过网络传输到安全接收器2；

安全接收器2通过IP地址比对，确认安全性后对数据进行解密处理，再将解密后的数据传输给控制预测生成器，用于下一步的控制预测序列的生成。

2.根据权利要求1所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，安全发送器1和安全发送器2信号处理流程相同。

3.根据权利要求2所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述安全发送器1和安全发送器2信号处理流程包括：

对接收信号进行打包，得到打包数据D_A，所述接收信号包括数据D和IP地址；

复制所述打包数据D_A后对副本进行一次加密，得到加密数据D_AE；

再将打包数据D_A和加密数据D_AE进行打包得到数据包D_IA；

对数据包D_IA进行二次加密，得到加密数据D_ICA；

将加密数据D_ICA通过网络进行传输。

4.根据权利要求3所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述一次加密采用SHA-2加密算法进行加密处理。

5.根据权利要求3所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述二次加密采用AES加密算法进行加密处理。

6.根据权利要求5所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，安全接收器1和安全接收器2信号处理流程相同。

7.根据权利要求6所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述安全接收器1和安全接收器2信号处理流程包括：

通过网络接收二次加密数据D_ICA，对二次加密数据D_ICA采用AES解密后得到数据包D_IA；

将数据包D_IA中的数据包D_A进行加密后得到数据包D_AE'，将数据包D_AE'与从数据包D_IA中获取的加密数据D_AE进行比较，如果两者不同，则系统拒绝；否则，将数据包D_A再进行拆分得到数据D和IP地址；

将得到的IP地址与从缓存器中获得的IP地址进行比较，如果两者不同，则系统拒绝；否则，认为该数据D即为可信任的数据D_S。

8.根据权利要求1所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述控制预测生成器控制律满足下列表达式：

其中，u(t|t-τ_oc)为系统根据t-τ_oc时刻的状态预估值所预测的t时刻控制预测生成器的输入信号，为系统根据t-τ_oc-1时刻的状态预估值所预测的t-τ_oc时刻的状态预估值，u(t-τ_oc+j-1)为t-τ_oc+j-1时刻的系统输入信号，y(t-τ_oc)为t-τ_oc时刻的系统输出信号，τ_oc为网络后向通道延迟，A、B和C为系统矩阵，E为增益矩阵，G为状态反馈矩阵，j为循环次数。

9.根据权利要求1所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述事件触发器1触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，M为非负整数，1+M为事件触发器1的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，U(t)为事件触发器1接收到的控制预测序列，也是t时刻的控制预测序列，U(t_δ)为t_δ时刻的控制预测序列，T代表矩阵的转置运算。

10.根据权利要求1所述的一种安全的事件驱动网络化预测控制系统控制方法，其特征在于，所述事件触发器2触发条件为：

其中，t_δ+1为时刻t_δ后第一次触发的时刻，t_δ为时刻t前最后一次触发的时刻，N为非负整数，1+N为事件触发器2的最大触发区间，Φ为对称正定矩阵，λ为一个标量，为事件触发器2接收到的状态预估值，也是t时刻的状态预估值，/>为t_δ时刻的状态预估值，T代表矩阵的转置运算。