网络化非线性系统典型攻击检测与容侵输出跟踪控制

Most of the available results on networked control systems and their security issues are focused on linear systems. Furthermore, their effectiveness is critically dependent on the accuracy of the system model. Thus the above two facts severely hinder their further applications in practical engineering. Therefore, from the practical perspective, general nonlinear discrete-time systems are considered in this project. Their measurement data and control commands are transmitted through networks, which thus are confronted not only with attacks injected from malicious attackers, but also with network-induced communication constraints. For such systems, the following contents will be studied in this project: 1) by using false data injection (FDI) attacks against network channels as breakthroughs, the problems of modeling, design, and detection of FDI attacks will be investigated for networked nonlinear systems by using a data-driven approach; 2) the FDI attacks and the communication constraints such as random network-induced delays and packet dropouts are considered simultaneously, and the attack-tolerant output tracking control problem will be investigated for networked nonlinear systems by using a data-driven approach; and 3) the effectiveness and feasibility of the proposed methods will be illustrated through numerical simulations, practical experiments, as well as practical applications. As a result, the research will contribute to the development of theories of secure networked control systems, as well as the improvement of their practical applications.

现有的网络化控制系统及其安全性问题的研究成果多是针对线性系统提出的，且其效果高度依赖于系统模型的精度，大大限制了其实际工程应用。本项目源于工业网络化控制系统的实际需求，考虑一般非线性离散时间系统，其测量数据和控制数据通过网络传输时，既面临网络外部注入的恶意攻击，又存在网络本身引入的通信约束，这些不利因素将影响系统的控制性能，甚至导致系统失稳。针对此类系统，本项目开展如下研究：1）以针对网络通道的虚假数据注入攻击为突破口，采用数据驱动方法，研究网络化非线性系统的虚假数据注入攻击建模、设计与检测问题；2）同时考虑虚假数据注入攻击和网络诱导时延、数据包丢失等通信约束，采用数据驱动方法，研究网络化非线性系统的容侵输出跟踪控制问题；3）通过数值仿真、实际实验和工程应用验证所提出的理论和方法的有效性。通过本项目的研究，可进一步发展和丰富安全网络化控制理论和方法，并推动其实际工程应用。

在网络化控制系统（NCS）中，测量数据和控制数据通过通信网络进行传输时，既要面临网络外部注入的恶意攻击，又存在网络诱导时延、数据包丢失等通信约束，这些不利因素将会影响系统的控制性能，甚至导致系统失稳。因此，为保证NCS的控制性能和安全性，本项目开展了如下研究：.1）分别采用基于数据和模型的方法，设计了针对全部测量输出和部分测量输出的虚假数据注入（FDI）攻击，分析了其隐蔽性和对闭环系统的破坏性；然后，针对隐蔽FDI攻击和重放攻击，设计了相应的检测方法，包括主动修改数据方法、随机编码方法和输出编码方法；最后，针对隐蔽攻击，将K-L散度作为检测约束条件，给出了可到达集合无界的充要条件。.2）针对网络化非线性系统，采用等价动态线性化技术，设计了数据驱动网络化预测控制（NPC）方法，以主动补偿随机通信约束的影响；然后，针对紧格式无模型自适应控制方法响应慢的局限性，提出了一种具有时变比例积分作用的数据驱动控制方法；最后，针对紧格式和偏格式模型参数无明确物理意义的局限性，提出了一种新型数据驱动自适应控制方法。.3）针对离散时间线性系统，分别基于输入输出模型和状态空间模型，设计了多种NPC策略；然后，针对现有NPC方法闭环稳定性与随机通信约束相关的局限性，在预测模型中采用实际控制输入以代替预测控制输入，提出了一种新型NPC方法；最后，将新型NPC方法推广至网络化多智能体系统，提出了网络化多智能体预测控制方法及新型防碰撞方法。.4）为了验证所提出的理论和方法，建设了3个NCS实验平台，包括网络化无人机控制平台、网络化智能小车控制平台和网络化直流电机控制平台；本项目部分成果已经过这些平台进行了实验验证，而且，所提数据驱动网络化控制方法已成功应用于实际臭氧工业污水处理系统中，取得了良好的控制效果。.通过本项目的研究，进一步发展和丰富了安全网络化控制理论和方法，以推动其实际工程应用。