Практична реалізація та моделювання адаптивного керування надкритичними кіберфізичними системами
DOI:
https://doi.org/10.35681/1560-9189.2026.28.2.363156Ключові слова:
адаптивне керування, кіберфізичні системи, надкритичні режими, керована деградація, живучість, стійкість за Ляпуновим, функціональна безпека, рівняння Ріккаті, імітаційне моделюванняАнотація
Розв’язано науково-прикладну задачу адаптивного керування і управління живучістю надкритичних кіберфізичних систем, що функціонують в умовах деградації ресурсів, часткових відмов і зниження структурної цілісності. На відміну від традиційного підходу функціональної безпеки (ISO 26262, IEC 61508), який приписує негайний перехід у безпечний стан, обґрунтовано, що для автономних транспортних засобів, хірургічних роботів і промислових маніпуляторів миттєва зупин-ка може створювати більший ризик, ніж кероване продовження роботи. Запропоновано парадигму керованої деградації (graceful degradation) зі стабілізацією ключових параметрів і захистом апаратної частини.
Наукова новизна. Вперше формалізовано поняття надкритичного режиму, для якого похідна функції Ляпунова може бути тимчасово додатною за умови гарантованого відновлення, та доведено Теорему 1 про обмеженість еволюції стану. Уперше режимозалежні коефіцієнти зворотного зв’язку отримано як розв’язки сімейства дискретних рівнянь Ріккаті (DARE) з модифікованими ваговими матрицями. Удосконалено ієрархічну архітектуру керування до чотирирівневої структури (L0–L3) з рознесенням за часовими масштабами; набули розвитку моделі деградації — параметризовано чотири реалістичні сценарії відмов (теплової, сенсорної, комунікаційної і багатокомпонентної) на основі задокументованих режимів відмов робототехнічних і автомобільних систем.
Практичну частину реалізовано як модульний C++-фреймворк із JSON-конфігурацією, валідований для роботи в реальному часі на ARM Cortex-M7 (час виконання контуру 42 мкс, пам’ять
48 КБ). Імітаційне моделювання показало, що адаптивні стратегії збільшують час безпечної роботи на 40–76 %, підвищують мінімальну живучість на 0,25–0,68 та забезпечують відновлення з надкритичних станів у 75 % сценаріїв; захист апаратної частини досягнуто у 100 % випадків. Результати формують валідовану інженерну основу для систем адаптивного керування в робототехніці, автономному транспорті та промисловій автоматизації. Табл.: 15. Бібліогр.: 19 найм.
Посилання
J. von Neumann, "Probabilistic logics and the synthesis of reliable organisms from unreliable components," in Automata Studies, C. E. Shannon and J. McCarthy, Eds. Princeton, NJ, USA: Princeton Univ. Press, 1956, pp. 43–98.
D. Zhang, G. Feng, Y. Shi, and D. Srinivasan, "Physical safety and cyber security analysis of multi-agent systems: A survey of recent advances," IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 8, no. 2, pp. 319–333, Feb. 2021. https://doi.org/10.1109/JAS.2021.1003820
D. Ratasich, F. Khalid, F. Geissler, R. Grosu, M. Shafique, and E. Bartocci, "A roadmap toward the resilient Internet of Things for cyber-physical systems," IEEE Access, vol. 7, pp. 13260–13283, 2019. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2891969
S. Colabianchi, F. Costantino, G. Di Gravio, F. Nonino, and R. Patriarca, "Discussing resilience in the context of cyber-physical systems," Computers & Industrial Engineering, vol. 160, Art. No. 107534, Oct. 2021. https://doi.org/10.1016/j.cie.2021.107534
M. Blanke, M. Kinnaert, J. Lunze, and M. Staroswiecki, Diagnosis and Fault-Tolerant Control, 3rd ed. Berlin, Germany: Springer, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-662-47943-8
H. Zhang, Y. Liang, H. Su, and C. Liu, "Event-driven guaranteed cost control design for nonlinear systems with actuator faults via reinforcement learning algorithm," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, vol. 50, no. 11, pp. 4135–4150, Nov. 2020. https://doi.org/10.1109/TSMC.2019.2946857
H. Jiang, H. Zhang, Y. Liu, and J. Han, "Neural-network-based control scheme for a class of nonlinear systems with actuator faults via data-driven reinforcement learning method," Neurocomputing, vol. 239, pp. 1–8, May 2017. https://doi.org/10.1016/j.neucom.2017.02.004
L. Wang, J. Song, R. Zhang, and F. Gao, "Constrained model predictive fault-tolerant control for multi-time-delayed batch processes with disturbances: A Lyapunov–Razumikhin function method," Journal of the Franklin Institute, vol. 358, no. 18, pp. 9483–9509, Dec. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jfranklin.2021.09.028
X. Li, Q. Luo, L. Wang, R. Zhang, and F. Gao, "Off-policy reinforcement learning-based novel model-free minmax fault-tolerant tracking control for industrial processes," Journal of Process Control, vol. 115, pp. 145–156, Jul. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2022.05.006
M.H. Cohen and C. Belta, "Safe exploration in model-based reinforcement learning using control barrier functions," Automatica, vol. 147, Art. no. 110684, Jan. 2023. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2022.110684
M.H. Cohen and C. Belta, "High order robust adaptive control barrier functions and exponentially stabilizing adaptive control Lyapunov functions," in Proceedings of the American Control Conference (ACC), Atlanta, GA, USA, 2022, pp. 2233–2238. https://doi.org/10.23919/ACC53348.2022.9867633
B.T. Lopez and J.-J.E. Slotine, "Universal adaptive control of nonlinear systems," IEEE Control Systems Letters, vol. 6, pp. 1826–1830, 2022. https://doi.org/10.1109/LCSYS.2021.3133359
G.-P. Liu, "Control strategies for digital twin systems," IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 11, no. 1, pp. 170–180, Jan. 2024. https://doi.org/10.1109/JAS.2023.123834
X.Ge, Q.-L. Han, M. Zhong, and X.-M. Zhang, "Distributed Krein space-based attack detection over sensor networks under deception attacks," Automatica, vol. 109, Art. no. 108557, Nov. 2019. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2019.108557
Z. Feng and G. Hu, "Secure cooperative event-triggered control of linear multiagent systems under DoS attacks," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 28, no. 3, pp. 741–752, May 2020. https://doi.org/10.1109/TCST.2019.2892032
Y. Tian, Y. Chang, F. Herrera Arias, C. Nieto-Granda, J. P. How, and L. Carlone, "Kimera-Multi: Robust, distributed, dense metric–semantic SLAM for multi-robot systems," IEEE Transactions on Robotics, vol. 38, no. 4, pp. 2022–2038, Aug. 2022. https://doi.org/10.1109/TRO.2021.3137751
D. Humennyi, O. Humennyi, and Y. Shabala, "The super-critical operational modes in robotic systems," Underwater Technologies, Industrial and Civil Engineering (Pidvodni Tehnologii), iss. 13, pp. 60–66, 2023. https://doi.org/10.32347/uwt.2023.13.1301
D. Humennyi, Ensuring survivability of complex super-critical systems based on hierarchical abstraction model, Ph.D. dissertation, Dept. Cybersecurity, Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, Ukraine, 2024.
H.K. Khalil, Nonlinear Systems, 3rd ed. Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice-Hall, 2002.
