网络攻击下的T-S模糊系统的控制问题研究

T-S fuzzy control methods have been widely used for the control problem of nonlinear systems, but they have rarely been applied to the study for the security control problem of Cyber-Physical Systems (CPSs) under cyber attack. The reason is shown as follows: because of the attack, the fuzzy rule weights are influenced and the information of the premise variables cannot be utilized efficiently so that the conventional fuzzy control methods are invalid for CPSs. Additionally, due to the multi-modal feature of the attack, the difficulty of the study for the problem will be further increased. Therefore, to solve the afore-mentioned problem, this project aims to seek for an efficient method to describe the relationship among the attack signal, premise variables and the rule weights. Then, by combining with the fuzzy technology, a novel security control fuzzy scheme, which can make full use of premise variables undamaged by the attack, is proposed and the corresponding optimal design conditions will be presented. At the same time, we study the relationship between the attack in the limited frequency domain space, in time domain space and the system performance, and the relationship will be applied to the security control design so that a more effective optimal design method can be proposed. The key problems and difficulties of this project are how to apply the fuzzy technology to provide a control scheme, which can take full advantage of the information of premise variables uninfluenced by attack, meantime, how to use the relationship between the attack in the limited frequency domain space and the time domain space and the system performance to obtain an effective optimal design is also important. The successful implementation of the project will promote the development of control field of T-S systems, and it will provide new ideas for nonlinear CPSs security control field.

T-S模糊控制方法广泛应用于非线性系统的控制问题，却很少用在网络攻击下的非线性信息物理系统（CPS）的安全控制研究，主要原因是传统模糊控制方法不能有效处理因攻击引起权重失效和前件变量难以有效利用的问题，此外攻击的多模式特征，进一步增加了问题的研究难度。为此本项目将研究网络攻击下基于T-S模糊模型的CPS的安全控制问题，拟研究有效刻画攻击信号与前件变量、规则权重的关联方法，结合模糊技术提出能充分利用未被攻击影响前件变量的安全控制新方案。同时研究攻击在有限频域和不同时域空间与系统性能的关系并应用于安全控制设计，给出有效的优化设计方法。该项目的难点和关键问题是如何使用模糊技术构造能充分利用未受攻击前件变量信息的控制方案以及如何使用在有限频域和不同时域空间的攻击与系统性能的关系来获得有效的优化设计方法。项目的成功实施将促进T-S模糊控制领域的自身发展，同时为非线性CPS安全控制领域的研究拓展思路。

近年来，国内外针对信息物理系统（CPS）安全控制问题被广泛地研究，并取得了许多重要的成果。然而，网络攻击下的T-S模糊CPS却鲜有研究。主要原因是传统模糊控制方法不能有效解决因攻击引起权重失效和前件变量难以有效利用的问题。此外攻击的多模式特征，进一步增加了问题的研究难度。本项目针对具有网络攻击的T-S模糊模型的CPS，通过结合模糊技术，研究了能有效刻画攻击信号与前件变量、规则权重的关联方法，提出了一套能充分利用未被攻击影响的前件变量的安全控制新方案。针对含有网络攻击的基于T-S模糊模型的CPS，考虑传感器信息从多个网络通道传输到控制端，并且由于攻击能力的限制，攻击者仅可以对部分通道进行攻击。利用未受网络攻击通道传送的传感器数据，分别基于静态和动态反馈给出了安全控制器设计技术。针对在远程控制端装备滤波器的CPS，根据攻击信号在通过滤波器后只能在固定频段对系统有影响的特点，对欺骗攻击信号的频率进行划分，考虑其在有限频域下的安全控制问题。借鉴模糊系统中输入输出信号频率刻画技术，探求攻击信号频率、幅值等对系统性能的作用机制，给出了一套安全控制器优化设计方法。针对信息物理系统常见的攻击/异常检测器，根据检测原理将欺骗攻击信号空间划分为可检测和不可检测攻击信号空间，研究划分后各个空间的特点和性质，分别针对检测到的和未被检测的攻击信号设计控制器，并利用检测器的残差输出信号给出了一套保证系统稳定性和性能的切换控制方案。在基金资助下，项目组成员共发表SCI检索论文48篇，特别在国际重要学术期刊IEEE Transactions系列上共发表高水平论文16篇；发表EI检索会议论文3篇。在人才培养方面，2019-2022年共培养博士生14人，硕士生36人。该项目提出了一系列新的非线性CPS抵御网络攻击的控制策略，有效地克服了现有方法中因网络攻击引起权重失效和前件变量难以有效利用的不足，并且一些成果已经被国内外同行应用，相信该项目所取得的成果能有力地推动非线性CPS安全控制及其应用的发展。