網絡攻擊下非線性CPSs 的事件觸發自適應控制

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（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變換，將原系統轉化為便于輸出反饋控制設計的新系統。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，而且保證閉環系統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；動態面控制；事件觸發

中圖分類號：TP13 文獻標志碼：A

近年來，信息物理系統（CPSs） 被廣泛用于能源電力系統、醫療系統和智慧城市等領域[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提出了神經網絡自適應控制器，該控制器保證閉環系統在遭受傳感器攻擊時仍然可以達到有限時間穩定。針對遭受執行器攻擊的非線性CPSs，文獻[10] 基于擴展狀態觀測器設計了一種有限時間彈性控制器。當傳感器和執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，因此隨著系統階數的增加，常規的反步法控制將出現“復雜性爆炸”的問題。動態面控制（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，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。 時間觸發控制方案不能使網絡資源得到充分利用，而事件觸發方案通過預先設置事件觸發條件，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策略，該方法可以通過調節飽和機制中的參數，實現跟蹤控制性能與信道傳輸數據量之間的平衡。