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基于混沌数据加密的切换系统最优控制与隐私保护

已有 324 次阅读 2026-9-28 16:31 |系统分类:博客资讯

引用本文

齐义文, 乔鑫鑫, 邓飞其, 王云龙. 基于混沌数据加密的切换系统最优控制与隐私保护. 自动化学报, 2026, 52(7): 1360−1371 doi: 10.16383/j.aas.c250636

Qi Yi-Wen, Qiao Xin-Xin, Deng Fei-Qi, Wang Yun-Long. Optimal control and privacy preserving of switched systems based on chaotic data encryption. Acta Automatica Sinica, 2026, 52(7): 1360−1371 doi: 10.16383/j.aas.c250636

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250636

关键词

切换系统，隐私保护，自适应动态规划，主−从混沌系统，粒子群优化算法

摘要

针对控制系统中数据经网络传输存在的隐私泄露以及隐私保护导致的性能损失问题, 本文研究一种具有隐私保护的切换系统最优控制方法. 首先, 根据混沌系统的非周期性及不可预测性, 开发一种基于混沌系统的数据加密方法. 将主混沌系统生成的伪随机序列添加到切换系统输出数据中, 能避免其经非理想网络传输时隐私的泄露. 其次, 设计一种基于粒子群优化算法的混沌形态同步控制器, 降低不确定项的影响, 保障主−从混沌系统的同步性, 确保解密后数据的可用性. 然后, 利用自适应动态规划算法对采用解密后数据构造的代价函数进行优化, 将预更新最优子系统的更新规则作为候选切换律. 通过对比候选切换律与当前切换律作用下系统的性能, 将性能好的切换律作为控制策略的一部分, 确保切换系统性能最优. 最后, 通过仿真对所提方法的可行性进行验证.

文章导读

切换系统作为一类特殊的混合系统, 其由多个子系统组成, 并且运行模式可以根据切换律进行切换[1]. 在实际运用中, 许多系统具有复杂的结构和可变的特性, 这使得单一系统难以描述其特征[2]. 切换系统由于其切换机制, 在设计时更加灵活, 这一特点使其在许多领域得到广泛的应用, 如航空发动机[3]、无人机[4]、无人船[5]等. 文献[6]研究一类单输入连续时间切换线性系统的稳定性问题. 文献[7]研究一类切换非线性时滞系统的状态稳定性问题. 文献[8]考虑状态依赖的控制器, 保证非线性脉冲切换系统的稳定性. 文献[9]研究触发学习下不确定切换系统的自抗扰控制, 设计一个基于自抗扰控制的切换律, 加快系统跟踪误差的收敛. 然而, 现有的文献对切换系统的研究主要为稳定性分析、控制策略设计、切换律设计等, 对于切换系统的隐私性研究尚存在不足.

本文针对切换系统的性能与数据安全, 设计综合考虑最优性和隐私性的方法. 首先, 基于ADP算法设计一个考虑控制输入和性能依赖的切换律, 保证系统的性能最优; 其次, 设计一种基于混沌系统的隐私保护方法, 保证系统的隐私性; 最后, 采用粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)对同步控制器中的参数进行优化, 减少隐私性对最优性的影响. 本文的贡献可以概括为三个方面:

1)本文设计一种基于主−从混沌系统的隐私保护方法. 主混沌系统生成伪随机序列对系统进行加密, 从混沌系统生成与主混沌系统几乎一致的伪随机序列实现解密, 这种方法可以有效保障切换系统的数据安全. 与差分隐私[24]、匿名[25]等方法相比, 该方法能够在实现隐私保护的同时, 保证数据的可用性, 即几乎不会影响系统的控制性能. 与同态加密[26]相比, 该方法计算效率更高, 实时性更好, 更加符合控制系统的实时通信要求.

2)本文提出一种适用于切换系统的ADP控制策略更新方法. 在ADP算法迭代过程中, 控制策略综合考虑控制输入和性能依赖的候选切换律. 将预更新的下一次迭代中最优子系统的更新规则作为候选切换律, 通过对比其与当前迭代的切换律作用下系统的性能, 选取最优切换律作为下一次迭代的切换律, 确保迭代过程中控制性能的最优.

3)本文设计一种智能群体算法优化的形态同步控制器. 通过粒子群算法对主−从混沌系统中形态同步控制器的不确定项相关参数进行优化, 得到一组最优的参数组合, 确保形态同步控制器的最优性. 在该控制器作用下, 从混沌系统几乎完全跟踪主混沌系统, 能够有效降低隐私保护对系统性能的影响.

本文的内容安排如下: 第1节介绍问题描述以及控制框架; 第2节给出基于ADP算法的最优控制策略设计; 第3节设计基于混沌系统的隐私保护方法以及基于粒子群算法的参数优化; 第4节使用仿真算例证明本文方法的可行性; 第5节对本文进行总结.

图1 PSO优化下最优切换系统的混沌数据加密

图2 PSO优化过程中的适应度值

图3 切换系统的状态轨迹

本文提出一种基于混沌数据加密的切换系统最优控制与隐私保护, 解决了最优切换系统的数据在非理想网络传输过程中的隐私泄露问题. 首先, 利用PSO算法对混沌形态同步控制器参数进行优化, 确保主−从混沌系统在有限时间内达到状态同步, 以减小加解密对原数据可用性的影响; 其次, 利用基于策略迭代的ADP算法, 生成一个考虑候选切换律的控制策略, 以保证切换系统的最优性能; 然后, 分别证明了ADP算法的收敛性和最优性以及主−从混沌系统误差的稳定性; 最后, 仿真实验验证了以上所提方法的可行性, 证明了所提方法能够在保护系统隐私的同时不影响系统数据的可用性.