網(wǎng)絡(luò)攻擊下非線性CPSs 的事件觸發(fā)自適應(yīng)控制

摘要：本文研究了網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(zhuǎn)化為便于輸出反饋控制設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)。采用Nussbaum 增益函數(shù)方法克服未知的控制系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)攻擊所帶來的設(shè)計(jì)困難?；谟^測(cè)器狀態(tài)和受攻擊的測(cè)量輸出信號(hào)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近方法，提出了一種新的事件觸發(fā)自適應(yīng)輸出反饋控制策略。該控制策略不但大大降低數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)面控制方法可以克服反步法設(shè)計(jì)中慣有的“復(fù)雜性爆炸”問題。最后，通過機(jī)械手系統(tǒng)驗(yàn)證所提出控制方法的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：非線性CPSs；網(wǎng)絡(luò)攻擊；自適應(yīng)控制；動(dòng)態(tài)面控制；事件觸發(fā)

中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)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(lǐng)域[1]，其安全問題引起了廣泛的重視。網(wǎng)絡(luò)攻擊已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)攻擊的主要形式。目前對(duì)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的CPSs的研究成果相當(dāng)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(shí)遭受傳感器攻擊和執(zhí)行器攻擊的情況。文獻(xiàn)[5] 通過引入一種新的滑模函數(shù)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(shí)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(xiàn)[7] 為減輕傳感器攻擊和執(zhí)行器攻擊對(duì)線性CPSs 的影響，提出了一種基于自適應(yīng)框架的安全控制策略。近年來，許多學(xué)者開始研究遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的非線性CPSs 控制問題。文獻(xiàn)[9] 針對(duì)一類不確定非線性系統(tǒng)提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器，該控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)在遭受傳感器攻擊時(shí)仍然可以達(dá)到有限時(shí)間穩(wěn)定。針對(duì)遭受執(zhí)行器攻擊的非線性CPSs，文獻(xiàn)[10] 基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)了一種有限時(shí)間彈性控制器。當(dāng)傳感器和執(zhí)行器受到攻擊從而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不可用及控制信號(hào)不可靠時(shí)，上述文獻(xiàn)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(shè)計(jì)輸出反饋控制策略。

反步法（Backstepping） 是一種常見的構(gòu)造控制器的方法，用于解決多類非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制問題。然而，反步法控制器往往需要對(duì)虛擬控制函數(shù)進(jìn)行重復(fù)的微分，因此隨著系統(tǒng)階數(shù)的增加，常規(guī)的反步法控制將出現(xiàn)“復(fù)雜性爆炸”的問題。動(dòng)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(fù)雜性爆炸”的問題?；跁r(shí)間觸發(fā)，文獻(xiàn)[11] 采用DSC 方法研究了CPSs 的自適應(yīng)彈性控制問題。

此外，CPSs 往往通過共享的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。 時(shí)間觸發(fā)控制方案不能使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用，而事件觸發(fā)方案通過預(yù)先設(shè)置事件觸發(fā)條件，來決定數(shù)據(jù)包是否需要傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率[12]。文獻(xiàn)[13] 結(jié)合固定閾值策略與相對(duì)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(hào)約束，但該切換閾值策略需要設(shè)計(jì)多個(gè)控制律，這在實(shí)際控制中具有局限性。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[14] 提出了包含飽和機(jī)制的事件觸發(fā)策略，該方法可以通過調(diào)節(jié)飽和機(jī)制中的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤控制性能與信道傳輸數(shù)據(jù)量之間的平衡。