答辩博士：夏玉德
指导老师：林相泽教授
论文题目：非完整信息下切换随机系统有限时间有界分析
答辩委员会：
主席：
沈浩 教授/博导 安徽工业大学
委员：
丁世宏 教授/博导 江苏大学
都海波 教授/博导 合肥工业大学
徐焕良 教授/博导 南京农业大学
郑恩来 教授/博导 南京农业大学
张保华 教授/博导 南京农业大学
秘书：
王瑶 南京农业大学
答辩时间：2025年8月29日14点30分
答辩地点：滨江校区12号楼A827
论文简介：
在新一轮科技革命和产业变革深入推进的背景下，智能化控制系统已广泛应用于国防装备、工业制造、能源网络与智慧农业等战略关键领域，构建起以信息驱动、系统融合与安全保障为核心的新型控制体系。随着系统结构日趋复杂，运行环境愈加不确定，诸如模态动态切换、随机扰动与通信受限等问题日益突出，导致状态信息获取不完整，严重制约系统稳定性和实时响应能力，成为当前智能控制领域亟需突破的核心挑战。为精准刻画复杂运行机制与不确定扰动耦合下的动态行为，本文引入切换随机系统建模框架，系统性分析其在网络化控制架构中所面临的非完整信息问题，并从主动优化与被动受扰两个层面展开研究。在主动控制层面，分别从信息传输频率与容量出发，设计事件触发采样机制与加权尝试一次丢弃协议，缓解通信负载、提升资源利用效率；在被动信息缺失方面，聚焦网络攻击所引发的数据缺失与失真问题，构建具备鲁棒性与安全性的状态反馈控制器。进一步地，基于随机有限时间有界性理论，结合线性矩阵不等式与凸优化技术，本文提出统一的控制器设计与性能分析框架，为多场景复杂系统在通信受限与扰动频发条件下的安全运行，提供可行的理论支撑与技术路径。
研究的主要内容和成果包括：
一、针对虚假信息注入攻击下切换随机系统的随机有限时间非周期采样控制问题展开研究。区别于传统基于矩估计的有限时间分析方法，本文构建了概率驱动的有限时间有界性分析框架，实现对系统暂态行为的精准刻画。综合分析由事件触发机制和注入攻击所造成的数据缺失及破坏问题，设计具有抗扰动能力的状态反馈控制器，通过建立Lyapunov函数，给出保证切换随机系统随机有限时间有界的充分条件。特别地，通过建立参数化线性矩阵不等式条件，将原问题转化为具有凸结构特征的优化问题，通过固定相关参数便于控制增益矩阵的高效求解。仿真结果验证了所提方法的有效性。
二、针对混合攻击下基于动态采样切换随机系统的随机有限时间有界安全控制问题展开研究。突破传统研究范畴，将混合网络攻击(包括拒绝服务攻击和虚假数据注入攻击)纳入研究框架，系统性地解决由动态事件触发机制导致的信息缺失与网络攻击引发的数据破坏问题。针对上述不完整信息，设计具有扰动抑制能力的鲁棒状态反馈控制器，通过构建切换模态相关的Lyapunov函数，严格证明闭环切换随机系统在有限时间内同时满足随机有界性、安全约束条件及其L2增益。仿真结果通过数值示例和农机车辆悬挂系统，验证了所提方法的有效性。
三、针对混合攻击下切换随机系统的有限时间有界性及其L2增益分析展开研究。为突破现有保守性约束，设计具有模态依赖特性的Lyapunov函数，有效融合平均驻留时间切换特征与攻击强度参数，推导出具有更低保守性的有界性判据。在通信优化方面，提出基于历史状态信息的动态记忆型事件触发机制，在保证系统暂态性能的前提下，降低触发次数。基于上述不完整信息，设计状态反馈控制器以满足随机有限时间有界性，并成功实现有限时间L2增益。通过将充分条件转化为凸优化问题，便于求解。最后，通过对比数值算例和RLC串联电路实例，验证了理论结果的有效性。
四、针对拒绝服务攻击下模糊切换随机系统的有限时间有界性及其L2增益分析展开研究。利用Takagi-Sugeno模糊模型，通过多个局部线性子系统近似描述系统的非线性特性。与对拒绝服务攻击的一般假设不同，关注攻击在一段时间内高频发生的情况。攻击频率与系统的切换特性相结合，形成一种由持续驻留时间切换规则支配的异步切换结构。此外，提出一种自适应事件触发机制，通过在攻击和非攻击期间采用与攻击模态相关的触发阈值，减少触发次数。随后，通过构造切换Lyapunov函数并分析凸优化问题，推导出保证模糊切换随机系统随机有限时间有界性的充分条件。最后，通过数值算例和隧道二极管电路系统验证了所提方法的实用性和有效性。
五、针对基于观测器的Takagi-Sugeno模糊马尔可夫跳变系统的量化有限时间安全问题展开研究。为缓解带宽压力，采用加权尝试一次丢弃协议来调度受注入攻击影响的量化信号传输。随后，基于上述不完整信息，设计非并行分布式补偿控制方法，结合随机系统理论和有限时间方法，推导出保证误差系统随机有限时间有界性并具有l2增益的充分条件。最后，通过示例验证了所提方法的有效性。
主要创新点如下：
【创新点1】随着网络化系统的快速发展，控制理论与计算机网络技术的深度融合为系统设计开辟了新途径。然而，网络数据传输不仅消耗大量有限的通信资源，还可能因信道拥堵引发时延加剧、数据丢包等问题，严重威胁被控系统的鲁棒性与运行可靠性。为优化计算与通信资源利用率，降低设备间冗余信息交互，事件触发非周期采样机制已成为研究热点。尽管该机制已得到广泛研究，但在切换随机系统有限时间有界控制领域，如何设计能够适应复杂工况并保障系统性能的事件触发策略仍存在显著挑战。针对这一问题，本研究创新性地引入动态触发阈值设计方法，通过充分利用历史信息并综合考虑攻击模态特征，为切换随机系统的有限时间有界控制问题提供了新的解决方案。
【创新点2】当前，切换随机系统的有限时间有界性研究成果主要集中在均方期望意义下的分析。然而，这种基于数学期望的分析框架与有限时间有界性的本质内涵存在一定偏差：其核心矛盾在于，实际系统状态轨迹可能以较高概率或较长时间运行于预设边界之外，却仍满足均方期望意义下的有界性条件。这一局限性导致现有方法难以满足实际工程中对状态边界保障的精确需求。针对这一问题，本研究旨在概率意义下定量分析切换随机系统的有限时间有界性综合控制问题，在更严密的概率框架下刻画系统行为，显著提升理论分析的严谨性，并为工程应用提供更具操作性的定量依据。
【创新点3】当前，网络攻击已成为威胁信息安全的关键因素，尤以拒绝服务(DoS)攻击和虚假信息注入(FDI)攻击最为典型。DoS攻击通过资源耗尽或通信链路干扰阻断合法用户对目标系统的访问；FDI攻击则通过篡改数据破坏其完整性与可靠性，进而诱导系统生成错误决策。与传统网络延迟或随机扰动不同，网络攻击具有明确的针对性和破坏性特征。为此，本研究基于不同切换规则构建多类DoS攻击模型，并将其与FDI攻击相融合，从而更全面地刻画复杂攻击场景下切换随机系统的动态特性。这一研究框架不仅提升了系统在混合攻击模式下的可靠性分析能力，也为相关安全防御策略的设计提供了新的理论支撑。
