随着信息技术的发展和产业规模的增大,将信息通讯网络与物理对象紧密联系的信息物理系统（Cyber-Physical Systems,CPSs）广泛应用在现代工业中,并在其中占据至关重要的地位。它们的出现吸引了诸多研究领域的关注,比如电力系统,供水系统和交通运输系统。信息网络的广泛应用使得信息物理系统更容易受到恶意攻击的侵害,进而造成物理对象受到严重破坏,而传统的网络安全技术难以解决这一问题。例如,伊朗核电站事故与乌克兰大规模停电事故都造成了严重的经济财产损失。因此,基于控制理论分析数据攻击的攻击行为和检测方法,对于提高信息物理的安全性和可靠性至关重要。在信息物理系统中,数据攻击,比如重放攻击和虚假数据注入攻击,通常会发生在传感器与控制器,控制器与执行器之间的通信频道,并往往要求在破坏系统的同时保持对系统检测机制的隐身性。因此,本文从控制理论的角度,研究数据攻击者的攻击行为、特点和对于潜在攻击的检测方法。虽然已经有很多这方面的研究,但其中都存在一定的局限性:数据攻击的设计方法由于扰动的存在而需要一定程度的减小攻击能量来保证隐身性;重放攻击检测所采用的noisy控制方法由于在控制器中加入随机信号而导致控制性能的下降;虚假数据注入攻击的检测所采用的编码方案,由于要求编码矩阵信息无法被攻击者获取,因此需要设计时变编码,这对于网络通信的可靠性和实时性都是一大挑战。本文主要研究了一类基于H∞/H性能指标的自适应协作攻击设计、针对重放攻击的随机编码检测方案和针对虚假数据注入攻击的SUM检测器。主要创新如下:1)本文提出了一种基于模型知识的,包含偏差信号与自适应信号的自适应协作攻击策略。通过这种攻击方案,攻击者能在不被系统检测的情况下降低系统性能。结合H∞/H性能指标,偏差信号的相关参数可以通过LMI技术精确设计。不同于现有研究,一种自适应信号也被设计来补偿可能存在的外部扰动,进而使攻击者可以提高攻击能量。此外,一些H∞/H攻击设计中的难点也通过LMI技术被解决。2)重放攻击记录并覆盖传感器收发者之间的传输数据,进而达到影响系统性能的目的。为了检测重放攻击,本文提出了一种随机编码检测方案来使得系统中的某些特定数据产生方差的变化。不同于现有方法,这种检测不需要牺牲系统未受攻击情况下的性能。基于编码方案,提出了两种检测器来分别检测残差数据和传感器输出数据的方差变化。此外,基于输出数据的检测器比基于残差数据的检测器具有更小的设计计算量。3)虚假数据注入攻击通过修改传感器数据来破坏系统稳定性并保持对χ2检测器的隐身性。为了保证系统安全性,提出了一种新型的SUM检测器来针对虚假数据注入攻击报警。不同于χ2检测器,SUM检测器不仅利用了当前受攻击信息,而且利用了全部历史时刻的信息来检测潜在威胁。并且它可以在白噪声和能量有界的扰动存在的情况下避免误警。进一步,在现有研究基础上,提出了一种改进的带有变增量系数的虚假数据注入攻击,并同时验证了 SUM检测器对传统和改进攻击的有效性。