Observer-Based Fault-Tolerant and Resilient Control Under Physical Faults and Integrity Cyberattacks

乘法函数 故障检测与隔离 残余物 弹性(材料科学) 控制理论(社会学) 控制器(灌溉) 计算机科学 方案(数学) 容错 互质整数 鲁棒控制 断层(地质) 探测器 控制工程 工程类 控制系统 实时计算 信号(编程语言) 因式分解 信息物理系统 控制(管理) 信号处理 功能(生物学) 稳健性(进化)
作者
Liutao Zhou,Linlin Li,Steven X. Ding,Chris Louen
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:56 (2): 763-773
标识
DOI:10.1109/tcyb.2025.3618684
摘要

In this article, we investigate fault-tolerant and resilient control approaches for cyber-physical systems within a unified control and detection framework. Particularly, a novel strategy is presented to simultaneously detect and accommodate anomalies in cyber-physical systems subject to multiplicative physical faults and additive integrity cyberattacks. An observer-based cyber-secure system configuration is first analyzed by means of the coprime factorization technique, wherein multiplicative faults are characterized by coprime factor uncertainties. It is revealed that fault- and cyberattack-induced variations possess distinct attributes with respect to the closed-loop dynamics. This observation motivates a collaborative detection scheme to distinguish both types of anomalies. Specifically, a performance-based fault detector is implemented on the plant side, delivering fault detection results to the monitoring and control (MC) side, where an observer-based attack detector operates collaboratively. Subsequently, the local and remote controllers are reconfigured to enhance the fault tolerance and attack resilience against faults and cyberattacks. To provide more independent design freedoms, the residual signal derived from the controller dynamics is incorporated into the Youla parameterization-based stabilizing controller. Finally, the proposed scheme is verified on a leader-follower robot system.
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