作为第四次工业革命的核心,信息物理融合系统将物理对象和计算资源紧密地结合在一起并呈现出持续地协调融合。作为一个新颖的多学科交叉载体,随着人们对其日益深刻的认知发展,逐步形成了以控制、计算、通信、云以及感知五个要素为核心的具有高度自治与协作的智能交互系统,在车辆运输、医疗健康、电力传输以及机器人等领域得到广泛应用。然而,信息物理融合系统的网络开放固有属性能够导致信息窃取,隐私侵犯,服务中断进而对从网络层映射到自然世界的物理过程造成恶意影响。从控制与系统的角度出发,鉴于防御安全性是信息物理融合系统的首要前提保证,故需要探索行之有效的安全防御控制策略来保障物理过程在遭受恶意网络威胁时仍能呈现理想的性能。本论文将关注阻塞传输数据流来破坏信号时效性的拒绝服务攻击以及通过妨碍传输的数据包来破坏信号可信度的虚假数据注入攻击,关注信息物理融合系统在网络攻击影响下进行防御控制设计的关键和难点科学问题,通过运用滑模控制、鲁棒控制以及优化理论等基本方法,依托复杂动态系统的分析与设计思想,旨在解决攻击弹性自主防御控制与安全估计设计问题。本论文的主要研究内容概述如下:1.第二章考虑在控制器-执行器传输通道中存在拒绝服务攻击影响的控制系统,设计基于耗散性的滑模防御控制策略。依托更具普适性的攻击频率和持续时间模型,对于连续时间被控对象运用滑模控制方法保证闭环动态在连续的有无攻击交替变化过程中的整体稳定性并设计出行之有效的切换采样逻辑。同时考虑到耗散性对复杂工业过程的意义,将稳定性及耗散性指标协同纳入到对攻击弹性的刻画分析过程中。2.第三章考虑遭受恶意拒绝服务攻击的滤波过程,设计攻击弹性鲁棒滤波策略。对于离散时间控制系统,依托攻击的频率和持续时间确定性描述,将滤波动态系统刻画为在有无攻击模态间持续交替变化的双模态参数切换过程,进而通过系统动态分析刻画出主动防御机制下对理想滤波性能的保证以及攻击序列的弹性宽容条件。最后通过半定规划求解得到待确定的滤波器参数。3.第四章考虑同时遭受稀疏执行器和传感器虚假数据注入攻击影响的控制系统,设计基于切换阻塞蛮力搜索的安全估计策略,用来有效地保证估计状态的收敛性以及组合入口模态的在线自主决策定位,同时能够阻塞抑制攻击信号对于控制系统的不利影响。此外,考虑到组合问题的“指数灾难”计算负担,讨论并分析应用集合包含策略在保证估计收敛性的同时能够降低搜索模态数目的潜在适用性。4.第五章考虑同时遭受稀疏执行器和传感器虚假数据注入攻击影响的控制系统,分别设计基于切换阻塞广义全阶和降阶滑模观测器的安全估计策略。借助于建立新颖的自适应在线搜索逻辑,使得推导并建立保证实时状态估计与攻击重构的收敛性以及实现组合入口模态的在线自主决策定位的充分条件,进而能够通过凸规划求解确定待设计的观测器增益。该策略能够通过攻击重构来实现有效的检测与识别。5.第六章考虑同时遭受稀疏执行器和传感器虚假数据注入攻击影响的分布式控制系统,分别设计分布式投影Heavy-Ball估计器以及分布式投影类Luenberger安全观测器算法。从优化理论出发,通过多个次梯度下降步与单个投影步及时间前向更新步之间的交替变化,有效地刻画估计代价的衰减从而保证估计的收敛性。同时提出了拓展的组合投票定位策略来分别实现对组合入口模态的自主决策以及对投影算子的分布式实现,在保证估计有效性的同时潜在加快收敛速度提升算法的性能。