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输出跟踪控制系统的虚假数据注入攻击设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 信息物理系统概述

1.1.1 信息物理系统的定义

1.1.2 信息物理系统的发展

1.1.3 信息物理系统的应用前景

1.2 研究背景

1.3 研究目的和意义

1.4 相关领域国内外研究综述

1.5 主要工作

1.6 各章节安排

第二章 输出跟踪控制系统的设计

2.1 卡尔曼滤波器

2.2 输出跟踪控制系统

2.3 线性二次型高斯最优控制

2.4 欧几里德检测器

2.5 输出跟踪控制系统的仿真结果

2.6 小结

第三章 针对传感器数据的虚假数据注入攻击

3.1 针对传感器数据的虚假数据注入攻击设计

3.2 稳定性分析

3.2.1 虚假跟踪误差ea(k)趋于零的稳定性分析

3.2.2 实际跟踪误差e(k)趋于无穷的稳定性分析

3.3 仿真结果

3.3.1 A稳定仿真结果

3.3.2 A不稳定仿真结果

3.4 小结

第四章 针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击

4.1 针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击设计

4.2 稳定性分析

4.2.1 虚假跟踪误差ea(k)趋于零的稳定性分析

4.2.2 真实跟踪误差e(k)趋于无穷的稳定性分析

4.3 仿真结果

4.3.1 A和F都是稳定的仿真结果

4.3.2 A稳定,F不稳定仿真结果

4.3.3 A不稳定,F是任意方阵仿真结果

4.4 小结

第五章 实验验证

5.1 实验平台概述

5.1.1 被控对象

5.1.2 控制器

5.2 直流电机建模

5.3 基于Simulink的程序框图及仿真结果

5.3.1 针对传感器数据的虚假数据注入攻击仿真结果

5.3.2 针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击仿真结果

5.4 基于Simulink的程序框图及实验结果

5.4.1 针对传感器数据的虚假数据注入攻击实验结果

5.4.2 针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击实验结果

5.5 小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢

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摘要

信息物理系统是计算资源与物理资源的紧密集成和深度协作。信息物理系统具有广泛的应用领域,包括:环境监测和控制、智能交通、智能电网、航空信息系统、国防信息系统、关键基础设施(水、天然气、通信和核能)和智能机器人等,随着信息物理系统的广泛应用,使得信息物理系统的安全成为亟待解决的问题。信息物理系统中的控制指令和传感器数据通过网络进行传播,使得控制指令和传感器数据在网络中极易受到攻击者的破坏,攻击者可以设计出虚假数据注入攻击、重放攻击等欺骗攻击和拒绝服务攻击来破坏控制系统。本文是从控制系统安全角度研究虚假数据注入攻击,设计了虚假数据攻击序列,旨在破坏控制系统性能时,不被检测器检测到。
  本文研究的输出跟踪控制系统动态模型是线性离散时不变高斯控制系统,输出跟踪误差作为一个附加状态与增量状态构成增广状态,增量输出作为增广系统的输出,由此构成增广控制系统。在输出跟踪控制器中设计了基于卡尔曼滤波器的增量状态观测器和基于线性二次型高斯最优控制的增广状态反馈控制策略,文中采用欧几里德检测器来检测虚假数据注入攻击。基于控制器与传感器和控制器与执行器之间的两条通信信道,设计出两种不同的虚假数据注入攻击,分别为针对传感器数据的虚假数据注入攻击、针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击,这两种攻击可以成功破坏输出跟踪控制系统的性能,而不被欧几里德检测器检测到。通过对每种攻击做出理论分析和仿真结果,验证了设计的虚假数据攻击序列的成功性。最后,针对传感器数据和控制指令的虚假数据注入攻击,采用基于永磁无刷直流电机的网络化控制系统平台做出实验结果,进一步证实了设计的虚假数据攻击序列的成功性。

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