本發(fā)明涉及信息物理系統(tǒng)的安全控制，尤其是涉及一種基于未知輸入觀測(cè)器的液位安全控制方法。

背景技術(shù)：

1、計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)人們的生產(chǎn)生活方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。一類由決策層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層組成的信息物理系統(tǒng)因其在設(shè)備互聯(lián)、智能家居、機(jī)器人、智能導(dǎo)航和智能工廠等場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用而受到各界人士的密切關(guān)注。信息物理系統(tǒng)的決策層主要根據(jù)對(duì)事先設(shè)計(jì)的決策控制規(guī)則和物理世界的感知信息產(chǎn)生控制指令；物理層主要包括執(zhí)行器和傳感器等設(shè)備，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的操控和實(shí)時(shí)感知；網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)來自決策層的控制指令和來自物理層的感知信息的實(shí)時(shí)通訊。

2、如圖2所示，液位控制系統(tǒng)包含決策層、物理層和網(wǎng)絡(luò)層組成。使用通訊網(wǎng)絡(luò)雖然使得信息物理系統(tǒng)的實(shí)施部署降低了對(duì)時(shí)間與空間的要求，但也給信息物理系統(tǒng)的安全控制帶了諸多問題，例如，信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。在工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)容器中，確保安全液位對(duì)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。當(dāng)基于信息物理系統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)，反應(yīng)容器的實(shí)際液位會(huì)逐漸遠(yuǎn)離期望的安全生產(chǎn)液位，易出現(xiàn)容器內(nèi)的生產(chǎn)原料不足或過多溢出的情形，進(jìn)而誘發(fā)生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品合格率低的問題，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)事故、人員傷亡。因此，為確保液位控制系統(tǒng)安全生產(chǎn)、降低網(wǎng)絡(luò)攻擊帶來的經(jīng)濟(jì)損失、避免出現(xiàn)安全事故，提出一種有效的液位安全控制方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的針對(duì)欺騙攻擊下的液位安全控制問題，而提供一種基于未知輸入觀測(cè)器的液位安全控制方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、作為本發(fā)明的第一方面，提供一種基于未知輸入觀測(cè)器的液位安全控制方法，步驟包括：

4、采集液位控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，建立欺騙攻擊下的液位變化的狀態(tài)方程和相應(yīng)的傳感器測(cè)量輸出方程；

5、利用伯努利隨機(jī)變量構(gòu)建執(zhí)行執(zhí)行器和傳感器欺騙攻擊模型；

6、對(duì)傳感器欺騙攻擊信號(hào)進(jìn)行輸出變換，以削弱欺騙攻擊對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)的影響；

7、選取非奇異狀態(tài)變換矩陣進(jìn)行狀態(tài)變換，并設(shè)計(jì)區(qū)間觀測(cè)器；

8、基于區(qū)間觀測(cè)器的輸出信號(hào)，建立未知輸入與液位狀態(tài)之間的代數(shù)重構(gòu)關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器，估計(jì)出液位控制系統(tǒng)的實(shí)際液位狀態(tài)、執(zhí)行器受到的攻擊信號(hào)和傳感器受到的攻擊信號(hào)；

9、基于估計(jì)信號(hào)，設(shè)計(jì)調(diào)整液位狀態(tài)變化的補(bǔ)償控制器，并基于補(bǔ)償控制器進(jìn)行液位控制。

10、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述的欺騙攻擊下的液位變化的狀態(tài)方程表示為：

11、

12、其中，x(k)是n維實(shí)數(shù)向量，表示n個(gè)反應(yīng)容器在第k時(shí)刻與其期望液位的偏差；是第k時(shí)刻m個(gè)執(zhí)行器收到的來自網(wǎng)絡(luò)層的控制輸入；w(k)是第k時(shí)刻外界對(duì)執(zhí)行器輸入的未知干擾，其上下界滿足是對(duì)應(yīng)的增益矩陣。

13、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述傳感器測(cè)量輸出方程表示為：

14、y(k)＝cx(k)+ev(k)

15、其中，y(k)表示第k時(shí)刻決策層收到的傳感器通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的對(duì)物理層中反應(yīng)容器液位的p個(gè)測(cè)量信息；v(k)表示第k時(shí)刻傳感器在網(wǎng)絡(luò)層中受到的q個(gè)欺騙攻擊信號(hào)；是對(duì)應(yīng)的增益矩陣。

16、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述利用伯努利隨機(jī)變量構(gòu)建執(zhí)行執(zhí)行器和傳感器欺騙攻擊模型包括：

17、利用伯努利變量構(gòu)建傳感器的攻擊模型：

18、

19、利用伯努利變量構(gòu)建執(zhí)行器的攻擊模型：

20、

21、其中，和是欺騙攻擊信號(hào)，α(k)和β(k)的期望分別為和θ(k)是滿足設(shè)定上下限的未知信號(hào)；

22、則液位控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程改寫表示為：

23、x(k+1)＝ax(k)+bu(k)+bd(k)

24、y(k)＝cx(k)+ev(k)

25、其中，未知輸入滿足d＝w，u和由執(zhí)行器器件本身的物理參數(shù)得到。

26、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述對(duì)傳感器欺騙攻擊信號(hào)進(jìn)行輸出變換，以削弱欺騙攻擊對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)的影響，具體如下：

27、

28、其中，是e的moore-penrose逆，滿足

29、則液位控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程進(jìn)一步改寫為：

30、

31、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述選取非奇異狀態(tài)變換矩陣進(jìn)行狀態(tài)變換，具體步驟如下：

32、選取非奇異狀態(tài)變換矩陣變換后的狀態(tài)為則液位控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為：

33、

34、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述的區(qū)間觀測(cè)器設(shè)計(jì)如下：

35、

36、其中，和ζ(k)分別是上界區(qū)間觀測(cè)器和下界區(qū)間觀測(cè)器的狀態(tài)，是的第i行、第j列元素，表示變換矩陣的逆矩陣。

37、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所設(shè)計(jì)的未知輸入觀測(cè)器具體包括實(shí)際液位狀態(tài)觀測(cè)器、未知輸入重構(gòu)和傳感器欺騙攻擊信號(hào)估計(jì)：

38、

39、其中，和分別是實(shí)際液位狀態(tài)x(k)和未知輸入d(k)的估計(jì)值；l是待設(shè)計(jì)的未知輸入觀測(cè)器增益矩陣；γ(k)＝[γ1(k)γ2(k)…γp(k)]，當(dāng)時(shí)γi(k)＝1，否則γi(k)＝0，表示是第i個(gè)元素，i＝1,2,…,p；

40、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述的補(bǔ)償控制器采用用于調(diào)整液位狀態(tài)變化的pid控制，基于未知輸入觀測(cè)器的pid補(bǔ)償控制律為：

41、

42、其中，分別是待設(shè)計(jì)的比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)的增益矩陣，l是積分項(xiàng)的積分時(shí)間區(qū)間長度。

43、作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述基于所述的補(bǔ)償控制器進(jìn)行液位控制，據(jù)圖如下：

44、在所述基于未知輸入觀測(cè)器的pid補(bǔ)償控制律作用下，定義如下符號(hào)：

45、

46、進(jìn)而，得到增廣系統(tǒng)為：

47、

48、

49、選取lyapunov函數(shù)為：

50、v(ψ(k))＝v1(ψ(k))+v2(ψ(k))

51、其中，

52、根據(jù)lyapunov函數(shù)，得到液位安全控制的穩(wěn)定性條件：

53、

54、其中，是待計(jì)算的矩陣，是正定對(duì)稱矩陣，

55、根據(jù)液位安全控制的穩(wěn)定性條件，計(jì)算未知輸入觀測(cè)器的增益矩陣為：

56、

57、基于未知輸入觀測(cè)器的pid補(bǔ)償控制器的增益矩陣為：

58、

59、其中，w11是根據(jù)液位安全控制的穩(wěn)定性條件計(jì)算出來的可逆矩陣。

60、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

61、1)本發(fā)明針對(duì)欺騙攻擊下液位信息物理系統(tǒng)安全控制問題，首先對(duì)未知的欺騙攻擊信號(hào)進(jìn)行未知代數(shù)重構(gòu)，建立和實(shí)際液位狀態(tài)之間的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)未知輸入觀測(cè)器得到未知輸入重構(gòu)、和傳感器攻擊信號(hào)估計(jì)，并基于未知輸入觀測(cè)器的估計(jì)信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)的pid補(bǔ)償控制器，以降低網(wǎng)絡(luò)攻擊和未知干擾等對(duì)系統(tǒng)的影響，確保液位控制系統(tǒng)安全生產(chǎn)。

62、2)本發(fā)明對(duì)執(zhí)行器欺騙攻擊信號(hào)進(jìn)行代數(shù)重構(gòu)，進(jìn)而補(bǔ)償控制，避免了欺騙攻擊對(duì)液位系統(tǒng)造成不可恢復(fù)的事故；對(duì)比傳統(tǒng)的增廣狀態(tài)和傳感器攻擊信號(hào)的方法，對(duì)傳感器攻擊信號(hào)進(jìn)行輸出變換進(jìn)而獲得估計(jì)信息，在不增廣系統(tǒng)維度的情況下解耦了系統(tǒng)未知輸入，從而降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。