多性能指标下信息物理系统的PID安全控制问题研究
批准号:
62103281
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
赵迪
依托单位:
学科分类:
控制理论与技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵迪
中文摘要
本项目面向网络攻击情形下的信息物理系统,致力于研究其多性能指标下PID控制问题。首先,以实际需求为导向,综合考虑网络攻击的随机性、智能性以及信息物理系统固有的复杂特性,从不同视角定义新的性能指标及相应的代价函数以揭示系统的安全性边界或其他可容忍性能指标的边界。然后,正视网络攻击造成的数据不可靠性、通信协议造成的数据不完整性以及编码解码机制造成的数据失真的内在特征,分别提出网络攻击和通信协议联合影响下、网络攻击与数据编码解码机制联合影响下的PID安全控制器设计方案,定量地评价数据不完整/不可靠/失真对控制性能的影响,提供可供工程应用的性能边界,以实现网络服务质量与系统安全性能之间的权衡。最后,将所获得的理论结果在移动机器人定位平台进行验证。项目研究源于信息物理系统安全控制的前沿热点,挖掘出具有开拓性的关键科学问题,潜在的研究成果具有重要的理论价值和引领性。
英文摘要
This project is concerned with the PID control problem under multi-performance indices for a class of cyber-physical systems subject to cyber-attacks. First, considering the randomness and intelligence of cyber-attacks and the inherent complexity of cyber-physical systems, combined with the application requirements in actual systems, some novel multi-performance indices and the corresponding objective functions are formulated from various sights to reveal the security boundary of the system or the boundary of other tolerable performance indices. Then, for the intrinsic characteristics of data unreliability, incompleteness and distortion caused by cyber-attacks, communication protocols and encoding-decoding mechanism, the PID security control schemes are developed, respectively, under the joint influence from the cyber-attacks and communication protocols, the cyber-attacks and data encoding-decoding mechanism. The impact from unreliable and incomplete information on system performance analysis and controller synthesis is quantitatively evaluated and the performance boundaries for engineering applications are disclosed so as to achieve a trade-off between the network service quality and the security performance. Finally, the validity of the obtained theoretical results is verified on the mobile robot positioning platform. The project is one of the research hotspots of security control for cyber-physical systems and consists of many pioneering scientific issues. The potential research results have important theoretical values and guidance.
信息技术的发展有力地推动了信息物理系统(简称CPS)在现代工业领域的应用。CPS的安全可靠运行是其获得广泛应用的重要理论前提,成为目前备受关注的前沿热点问题。然而,CPS自身固有的复杂结构和各类网络诱导的复杂性使得直接应用传统比例积分微分(简称PID)控制理论及状态估计理论难以获得满意的控制/估计效果,需要提出复杂网络环境下满足CPS多种性能需求的控制/估计方法。本项目考虑了CPS中网络攻击、通信协议、网络诱导现象等网络诱导复杂性,分析了各类网络诱导复杂性的机理及特征,设计了贴合工程实际的综合性能指标及相应的代价函数;在此基础上发展了现有分析方法来精准描述网络带宽、系统参数、数据传输机制参数等要素间的耦合关系;提出满足给定性能指标的PID控制器与比例积分观测器设计方案,定量分析数据不可靠/不完整/失真对算法收敛性、鲁棒性等性能的影响。
国内基金
海外基金