網絡攻擊下非線性CPSs 的事件觸發(fā)自適應控制

摘要：本文研究了網絡攻擊下一類控制方向未知的非線性信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystems， CPSs） 的自適應輸出反饋控制問題。通過引入合適的線性狀態(tài)變換，將原系統(tǒng)轉化為便于輸出反饋控制設計的新系統(tǒng)。采用Nussbaum 增益函數方法克服未知的控制系數和網絡攻擊所帶來的設計困難。基于觀測器狀態(tài)和受攻擊的測量輸出信號，采用神經網絡逼近方法，提出了一種新的事件觸發(fā)自適應輸出反饋控制策略。該控制策略不但大大降低數據的傳輸量，而且保證閉環(huán)系統(tǒng)是半全局一致最終有界的。另外，采用基于非線性濾波器的動態(tài)面控制方法可以克服反步法設計中慣有的“復雜性爆炸”問題。最后，通過機械手系統(tǒng)驗證所提出控制方法的有效性和實用性。

關鍵詞：非線性CPSs；網絡攻擊；自適應控制；動態(tài)面控制；事件觸發(fā)

中圖分類號：TP13 文獻標志碼：A

近年來，信息物理系統(tǒng)（CPSs） 被廣泛用于能源電力系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)和智慧城市等領域[1]，其安全問題引起了廣泛的重視。網絡攻擊已經成為CPSs 安全的主要威脅[2]，其中傳感器攻擊和執(zhí)行器攻擊是網絡攻擊的主要形式。目前對受到網絡攻擊的CPSs的研究成果相當一部分僅考慮傳感器攻擊[3-4] 或執(zhí)行器攻擊[5-6] 的情況，而沒有考慮同時遭受傳感器攻擊和執(zhí)行器攻擊的情況。文獻[5] 通過引入一種新的滑模函數以抵御執(zhí)行器攻擊。也有一部分研究成果考慮線性CPSs 同時遭受這兩種攻擊的情況[7-8]，并沒有考慮非線性CPSs 的情況。文獻[7] 為減輕傳感器攻擊和執(zhí)行器攻擊對線性CPSs 的影響，提出了一種基于自適應框架的安全控制策略。近年來，許多學者開始研究遭受網絡攻擊的非線性CPSs 控制問題。文獻[9] 針對一類不確定非線性系統(tǒng)提出了神經網絡自適應控制器，該控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)在遭受傳感器攻擊時仍然可以達到有限時間穩(wěn)定。針對遭受執(zhí)行器攻擊的非線性CPSs，文獻[10] 基于擴展狀態(tài)觀測器設計了一種有限時間彈性控制器。當傳感器和執(zhí)行器受到攻擊從而導致測量信號不可用及控制信號不可靠時，上述文獻中提出的狀態(tài)反饋控制策略不再適用，因此非常有必要設計輸出反饋控制策略。

反步法（Backstepping） 是一種常見的構造控制器的方法，用于解決多類非線性系統(tǒng)的自適應控制問題。然而，反步法控制器往往需要對虛擬控制函數進行重復的微分，因此隨著系統(tǒng)階數的增加，常規(guī)的反步法控制將出現“復雜性爆炸”的問題。動態(tài)面控制（Dynamic Surface Control， DSC） 方法通過引入濾波器，可以較好地解決“復雜性爆炸”的問題。基于時間觸發(fā)，文獻[11] 采用DSC 方法研究了CPSs 的自適應彈性控制問題。

此外，CPSs 往往通過共享的通信網絡進行信息交換。 時間觸發(fā)控制方案不能使網絡資源得到充分利用，而事件觸發(fā)方案通過預先設置事件觸發(fā)條件，來決定數據包是否需要傳輸到網絡中，從而提高網絡資源利用率[12]。文獻[13] 結合固定閾值策略與相對閾值策略，提出了切換閾值策略，該方法兼顧系統(tǒng)性能和信號約束，但該切換閾值策略需要設計多個控制律，這在實際控制中具有局限性。針對此問題，文獻[14] 提出了包含飽和機制的事件觸發(fā)策略，該方法可以通過調節(jié)飽和機制中的參數，實現跟蹤控制性能與信道傳輸數據量之間的平衡。