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随着计算机技术、网络通信技术和控制技术的迅速发展,网络化控制系统(NCS)已逐渐成为工业自动化系统的发展趋势,以实现分布式管理与控制。然而,由于共享网络(特别是因特网和无线网络)的开放性、交互性和分散性等特点,在NCS中传输的反馈和控制信号面临着网络安全攻击的问题。
本文针对工业NCS,主要考虑两类攻击:欺骗攻击和拒绝服务(DoS)攻击。为保证NCS在这两类攻击的作用下仍保持良好的控制性能,本文从网络通信和控制理论角度出发,提出了积极的预防、检测和响应措施。本文的主要工作和贡献有以下几点:
1.为了实现数据在网络化系统中传输的保密性,以及对欺骗攻击的检测和响应,从网络通信的角度出发,综合运用DES算法、MD5算法和时间戳策略,提出了一种安全传输机制(STM)。然后,针对NCS中的欺骗攻击,基于STM设计了一种安全网络化控制系统(SNCS)。最后,为了测试SNCS的性能,建立了两个实验平台:基于因特网的直流电机控制系统和基于无线城域网的一级直线倒立摆控制系统。实验结果验证了STM和SNCS的有效性。
2.为了补偿网络通信约束对NCS产生的不利影响,如随机网络时延、数据包乱序与丢失,提出了一种基于网络环路时延(RTTD)的递推网络化预测控制(RNPC)方法,并基于切换系统理论推导了RNPC闭环系统的稳定性条件。然后,在分析欺骗攻击对SNCS性能影响的基础上,从网络通信和控制理论的角度出发,基于STM和RNPC设计了一种安全网络化预测控制系统(SNPCS)。它可以实现网络传输数据的加密与欺骗攻击的检测,并补偿欺骗攻击和网络通信约束对NCS造成的不利影响。仿真和实验结果验证了RNPC和SNPCS的有效性。
3.将RNPC推广至慢时变非线性NCS,提出了一种基于网络RTTD的通用递推网络化预测控制(GRNPC)方法。然后,根据DoS攻击对NCS影响程度的不同,将其分为弱攻击和强攻击。对于弱DoS攻击和网络通信约束共同引入的网络时延、数据包乱序与丢失,采用GRNPC方法进行补偿；对于针对控制器端和网络通信信道的强DoS攻击,采用基于GRNPC的多控制器切换(MCS)策略进行处理。实验结果验证了GRNPC和MCS的有效性。
4.从功能和安全性两方面,对基于Web的NCS实验室(NCSLab)进行了改进和完善。在功能上,为了能够让用户完全基于Web设计较为复杂的控制系统,提出了一种基于Web的C—MEX S-函数编译和调用方案,使NCSLab具有了功能扩展能力。在安全性上,针对NCSLab各部件所处的网络环境不同,采取不同的安全措施,为NCSLab设计了一套安全防范体系。最后,根据实际工程项目开发的需要,为NCSLab扩展了若干功能模块,以便于用户基于Web快速地进行控制系统的设计与实现。