SECURE CONTROL OF CYBER PHYSICAL SYSTEMS

SECURE CONTROL OF CYBER PHYSICAL SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Mutaz_Hamdan_PhD_Dissertation.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 6 October 2020.
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (27MB)

Arabic Abstract

تتعرض الأنظمة الفيزيائية السيبرانية لهجمات تسلل الكترونية ومثال ذلك محطات توليد الطاقة ومحطات تحلية المياه. ومن الممكن أن تهدد هذه الهجمات عمليات التشغيل السليم لمثل هذه الأنظمة دون وجود أي مؤشر على ذلك. وتتطلب هذه المواقف تصميم أنظمة تحكم قادرة على العمل في ظل هذه الهجمات. تهدف هذه الرسالة إلى بناء أنظمة تحكم آمنة للأنظمة الفيزيائية السيبرانية وتتكون من الأجزاء الآتية: أولاً، تم عرض مراجعة أدبية شاملة للجوانب الأمنية في الأنظمة الفيزيائية السيبرانية تشتمل على: كشف الهجمات السيبرانية، والنمذجة والتخمين والتحكم بوجود الهجمات السيبرانية الرئيسية وهي: الحرمان من الخدمات والخداع والتكرار. ثانياً، تم تصميم نظام تحكم آمن قائم على مراقبة الحالة للأنظمة الفيزيائية السيبرانية ذات الوقت المنفصل في ظل هجمات الحرمان من الخدمات والخداع. والمسألة الثالثة التي تمت مناقشتها هي مسألة تخمين الحالة للأنظمة الفيزيائية السيبرانية بوجود الهجمات السيبرانية. في هذه المسائل تمت نمذجة هجمات الحرمان من الخدمات وهجمات الخداع باستخدام متسلسلة توزيع برنولي بيضاء مع احتمالات شرطية متغيرة وقد تم عرض معايير الاستقرار على شكل متراجحات مصفوفية خطية. كما تم عرض تجارب محاكاة مفصلة لأنظمة تمثيلية لبرهنة صلاحية المنهجيات المقترحة. رابعاً، تم فحص الاستقرار في الأنظمة الفيزيائية السيبرانية الموزعة تحت تأثير هجمات الحرمان من الخدمات. في البداية، تم تصميم نظام تحكم مغلق قائم على المخرجات فقط وذلك لتحقيق الاستقرار لنظام موزع مثالي. وقد تم الأخذ بعين الاعتبار سيناريو بسيط ونموذجي حيث يكون تسلسل الاتصال هو راوند روبن فقط وذلك لحساب القيود على تردد ومدة الهجمات والتي يتأكد خلالها استقرار الأنظمة الفيزيائية السيبرانية الموزعة. وفي النهاية، تم عرض مثال رقمي لإظهار جدوى النظام المقترح.

English Abstract

Cyber Physical Systems (CPS) such as power plants, water desalination utilities are just a few examples of systems that may come under stealth attacks. These attacks can threaten the proper operations of such systems without any indication. This problem necessitates the design of a control system that is able to work under such attacks. This dissertation contributes towards building secure control systems for the CPS. First, a comprehensive survey on security aspects of CPS is discussed including, detection of cyber attacks and modeling, estimation, and control of the main cyber attacks, which are: Denial of service (DoS), deception, and replay attacks. Second, a secure observer based controller for discrete-time CPS subject to denial of service (DoS) and deception attacks is designed. And the third issue discussed is the estimation problem of CPS under cyber attacks. In these problems, the occurrences of DoS and deception attacks are modeled as Bernoulli distributed white sequences with variable conditional probabilities. The criteria are presented in terms of linear matrix inequalities. Detailed simulation experiments on representative systems are shown to prove the applicability of the proposed methodologies. Fourth, the stabilization of distributed CPS affected by a denial of service (DoS) attack is examined. In the beginning, a static output feedback controller is designed to achieve the stability of a nominal distributed system. Then, a simple and typical scenario where communication sequence is purely Round-robin is considered and a bound of attack frequency and duration is calculated to ensure the stability of the distributed CPS. Finally, a numerical example is provided to demonstrate the feasibility of the proposed system.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Systems
Divisions: College Of Computer Sciences and Engineering > Systems Engineering Dept
Committee Advisor: Mahmoud, Magdi S.
Committee Members: Selim, Shokri Z. and El-Ferik, Sami and Sheltami, Tarek R. and Baroudi, Uthman A.
Depositing User: Mutaz Hamdan (g200702170)
Date Deposited: 26 Nov 2019 08:50
Last Modified: 26 Nov 2019 08:50
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141015