一种基于事件触发机制的矿用电车安全状态估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于事件触发的矿用电车安全状态估计方法，属于信息物理系统技术领域，其包括：步骤一：建立未知周期DoS攻击下的矿用电车电机系统的奇异摄动信息物理系统状态估计开环模型；步骤二：基于奇异摄动信息物理系统，依据是否存在DoS攻击对应建立H∞滤波器模型，并设计奇异摄动信息物理切换滤波误差系统；步骤三：引入未知周期DoS攻击影响下的事件触发机制；步骤四：给出确保所述奇异摄动信息物理切换滤波误差系统全局指数稳定的充分性条件，采用切换的Lyapunov函数法，计算事件触发权值矩阵与滤波器增益矩阵，完成滤波器的设计。本发明专利技术实现了在网络攻击下系统的矿用电车安全状态估计。车安全状态估计。车安全状态估计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于事件触发机制的矿用电车安全状态估计方法


[0001]本专利技术涉及一种基于事件触发的矿用电车安全状态估计方法，属于信息物理系统


技术介绍

[0002]在现代煤矿开采过程中，多使用矿用电车进行矿下作业。矿用电车具有安全程度高、效率高、低能耗、零排放等优点，不仅可以改善运输效率，并且能够减少复杂矿井环境中的作业难度。矿井行驶环境复杂，矿用电车需要频繁制动和减速，其控制依赖电机驱动。因此矿用电车电机转速、转矩等输出参数的状态估计的研究是矿用电车电机系统一致性控制的重要前提，对生产效率的提高具有深远的意义。
[0003]随着网络通信技术的不断发展，在矿用电车电机工业生产活动中引入网络通信，可以降低工业成本，使矿用电车电机工业系统具有易部署、易维护等优点，并且能够实现系统资源共享。像这类物理系统结合计算技术、通信技术及控制技术而成的复杂系统是信息物理系统(cyber
‑
physical systems，CPSs)，实现了信息空间与物理空间的有机融合，目前已广泛应用于矿用电车电机控制、智能电网和工业过程等领域。然而，网络通信存在一些缺点，例如，易导致时间延迟、易受外部干扰与网络攻击。针对CPS的网络攻击主要包括三类，即拒绝服务攻击(denial
‑
of
‑
service,DoS)、重放攻击和虚假数据注入攻击。其中，DoS攻击会导致数据传输中断，导致系统性能下降并破坏系统稳定性。
[0004]另一方面，由于通讯受限情况下存在CPS的网络堵塞和时间延迟问题，针对单一时间尺度的CPS的事件触发设计方法用于具有多时间尺度特性的奇异摄动CPS时会出现病态数值问题，而且在现有的事件触发状态估计问题的研究中，忽略了网络传输可能存在的恶意攻击，这会造成数据泄露流失，从而引起不可预估的经济损失。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种未知周期DoS攻击下基于事件触发的矿用电车安全状态估计方法，以解决病态数值问题。
[0006]本专利技术的技术方案如下：本专利技术一种基于事件触发机制的矿用电车安全状态估计方法，其包括：步骤一：建立未知周期DoS攻击下的矿用电车电机系统的奇异摄动信息物理系统状态估计开环模型；步骤二：基于奇异摄动信息物理系统，依据是否存在DoS攻击对应建立H∞滤波器模型，并设计奇异摄动信息物理切换滤波误差系统；步骤三：引入未知周期DoS攻击影响下的事件触发机制；步骤四：给出确保所述奇异摄动信息物理切换滤波误差系统全局指数稳定的充分性条件，采用切换的Lyapunov函数法，计算事件触发权值矩阵与滤波器增益矩阵，完成滤波器的设计。
[0007]进一步地，所述奇异摄动信息物理系统状态估计开环模型为：当DoS攻击处于休眠期时，数据正常传输至滤波器；当DoS攻击处于攻击期时，阻塞传输通道，切换滤波器模型且输入数据为0。
[0008]进一步地，所述矿用电车电机系统的电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式为：其中，R,L分别表示电机电枢回路的电阻和电感，i表示电枢电流，u为电枢电路的输入电压，ω为电机齿轮箱的输出角速度，k
e
为反电动势常数，k
t
为齿轮箱的传动比，J0和J1分别表示电机和齿轮箱的转动惯量，b0和b1分别代表电机和齿轮箱的粘滞摩擦系数，k
m
为电机转矩常数，T
L
为负载转矩，T
e
为电机输出转矩；在上述电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式中，由于输出角速度ω是平滑可微的，所以系统中的其他变量和控制输入都可以用角速度ω及其导数来表示，将输出角速度作为状态变量，即令x1＝ω，则所述电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式可以整理成：其中，为等效惯性力矩，表示等效粘滞阻尼常数；消去其中的电枢电流项i可得：其中，f表示时变扰动；令角加速度电机输出转矩x3＝T
e
，其状态方程可表示为：其中，x＝[x1,x2,x3]T
为状态变量，
[0009]进一步地，所述矿用电车电机系统采用具有多时间尺度特性的奇异摄动系统模型来描述，所述奇异摄动系统模型如下：其中，是系统状态向量；是被控系统的输出向量；是估计信号；是扰动输入，且w(t)∈L2[0,+∞)；是测量噪声，A∈R
n
×
n
，B∈R
n
×1,C∈R
n
×
n
,D∈R
n
×1,L∈R1×
n
是已知的权值矩阵，E(ε)∈R
n
×
n
，且ε是已知的奇异摄动参数；未知周期的Dos攻击模型的数学表达式为：其中，n∈R是攻击频率，g
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的休眠期起始时间，b
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的休眠期持续时间，g
n
‑1+b
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的攻击期起始时间，令定义定义
[0010]进一步地，所述事件触发机制是检测系统传输数据是否满足所设计的事件触发条件，如果满足条件则释放触发数据。
[0011]进一步地，当没有攻击干扰时，所述事件触发条件的数学表达式为：[y(t
k
h+jh)
‑
y(t
k
h)]T
W[y(t
k
h+jh)
‑
y(t
k
h)]＞σy
T
(t
k
h)Wy(t
k
h)其中，σ∈(0,1)是事件触发阈值，W是事件触发权值矩阵，t
k
h表示最后一次更新的事件触发瞬间，t
k
h+jh表示后续采样时刻；所述H∞滤波器数学模型为：其中，是滤波器状态向量，z
f
(t)是z(t)估计值，是滤波器实际输入；当Dos攻击处于休眠期时，滤波器增益为当Dos攻击处于攻击期时，滤波器增益为定义R
k,n
＝[t
k,n
h,t
k+1,n
h)；当t∈G
1,n
时，系统可以稳定运行；当t∈G
2,n
时，系统不能稳定，其稳定性此时取决于事件触发瞬间t
k,n
h、滤波器增益Dos攻击频率和持续时间；其中，滤波器实际输入在没有Dos攻击的情况下或者Dos攻击处于休眠期，可以正常传输，否则为零，其滤波器实际输入的表达式：
其中，k是事件触发周期次数，t
k,n
h是数据成功传输的时刻h是采样周期，且t
k,n
h≤g
n
+b
n
，t
k+1,n
h≥g
n
+b
n
，令事件触发间隔R
k,n
按采样周期次序如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发机制的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，其包括：步骤一：建立未知周期DoS攻击下的矿用电车电机系统的奇异摄动信息物理系统状态估计开环模型；步骤二：基于奇异摄动信息物理系统，依据是否存在DoS攻击对应建立H∞滤波器模型，并设计奇异摄动信息物理切换滤波误差系统；步骤三：引入未知周期DoS攻击影响下的事件触发机制；步骤四：给出确保所述奇异摄动信息物理切换滤波误差系统全局指数稳定的充分性条件，采用切换的Lyapunov函数法，计算事件触发权值矩阵与滤波器增益矩阵，完成滤波器的设计。2.根据权利要求1所述的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，所述奇异摄动信息物理系统状态估计开环模型为：当DoS攻击处于休眠期时，数据正常传输至滤波器；当DoS攻击处于攻击期时，阻塞传输通道，切换滤波器模型且输入数据为0。3.根据权利要求2所述的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，所述矿用电车电机系统的电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式为：其中，R,L分别表示电机电枢回路的电阻和电感，i表示电枢电流，u为电枢电路的输入电压，ω为电机齿轮箱的输出角速度，k
e
为反电动势常数，k
t
为齿轮箱的传动比，J0和J1分别表示电机和齿轮箱的转动惯量，b0和b1分别代表电机和齿轮箱的粘滞摩擦系数，k
m
为电机转矩常数，T
L
为负载转矩，T
e
为电机输出转矩；在上述电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式中，由于输出角速度ω是平滑可微的，所以系统中的其他变量和控制输入都可以用角速度ω及其导数来表示，将输出角速度作为状态变量，即令x1＝ω，则所述电机牵引系统的电压、转矩平衡方程式可以整理成：其中，为等效惯性力矩，表示等效粘滞阻尼常数；消去其中的电枢电流项i可得：其中，
f表示时变扰动；令角加速度电机输出转矩x3＝T
e
，其状态方程可表示为：其中，x＝[x1,x2,x3]
T
为状态变量，4.根据权利要求3所述的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，所述矿用电车电机系统采用具有多时间尺度特性的奇异摄动系统模型来描述，所述奇异摄动系统模型如下：其中，是系统状态向量；是被控系统的输出向量；是估计信号；是扰动输入，且w(t)∈L2[0,+∞)；是测量噪声，A∈R
n
×
n
，B∈R
n
×1,C∈R
n
×
n
,D∈R
n
×1,L∈R1×
n
是已知的权值矩阵，E(ε)∈R
n
×
n
，且ε是已知的奇异摄动参数；未知周期的Dos攻击模型的数学表达式为：其中，n∈R是攻击频率，g
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的休眠期起始时间，b
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的休眠期持续时间，g
n
‑1+b
n
‑1是第n
‑
1次Dos攻击的攻击期起始时间，令定义定义5.根据权利要求1所述的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，所述事件触发机制是检测系统传输数据是否满足所设计的事件触发条件，如果满足条件则释放触发数据。6.根据权利要求5所述的矿用电车安全状态估计方法，其特征在于，当没有攻击干扰时，所述事件触发条件的数学表达式为：[y(t
k
h+jh)
‑
y(t
k
h)]
T
W[y(t
k
h+jh)
‑
y(t
k
h)]＞σy
T
(t
k
h)Wy(t
k
h)其中，σ∈(0,1)是事件触发阈值，W是事件触发权值矩阵，t
k
h表示最后一次更新的事件触发瞬间，t
k
h+jh表示后续采样时刻；所述H∞滤波器数学模型为：
其中，是滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：马磊，刘虹羽，王国庆，周林娜，褚众，张莹，杨春雨，代伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：