第1章
绪论

爱因斯坦在《物理学的进化》中提到：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要，因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技巧。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度看问题，需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”随着科学技术的进一步发展，各学科之间以大跨度、多角度的方式进行交叉融合，形成了许多新的交叉学科。学科的交叉点往往是科学的新生长点，会促使科学发生革命性的变化，同时也会出现新的难题，需要人们从新的角度去发现、去解决这些难题。网络控制系统就是一门新兴的交叉学科。

网络技术、计算机技术、嵌入式技术和控制技术的发展，构成了现代网络控制技术的核心内容，产生了一种新型的控制系统结构，即传感器、控制器、执行器之间通过网络进行数据的交换，这种新型的控制系统称为网络控制系统（Networked Control System，NCS）。控制系统经历了模拟控制系统、数字控制系统、集散控制系统到网络控制系统的发展过程。网络控制系统将自动控制技术和网络技术结合在一起，能实现企业决策、管理、计划、调度的优化，以及现场控制的一体化，可满足企业高效益、高生产率的要求，在汽车、智能楼宇、大规模制造系统、智慧交通、城市公共设施、企业供应和物流链等领域得到了广泛的应用。可以预计，网络控制系统必将深刻地影响控制系统的理论及应用，推动人类社会的信息化进程。在促进信息系统与传统工业系统的结合，以及可持续发展方面，网络与控制学科交叉是一个强有力的新生长点。网络控制系统一方面反映了先进工业过程控制系统的发展方向，另一方面反映了控制学科与其他学科之间进一步互相结合的发展趋势，已成为国际控制领域的热点。

现代计算机数据处理技术和新一代通信技术的迅速发展与有机结合成为人类社会第五次信息技术革命的开端。互联网（Internet）的广泛应用是第五次信息技术革命的重要组成部分。1969年，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）建立了第一个阿帕网（ARPANET）。1992年，互联网开始用于商业。目前，互联网已经连接160多个国家和地区，成为世界上信息资源最丰富的计算机网络，可提供电子邮件、网上聊天、文件传输、网上购物等服务。

制造业是一个国家综合实力的根本，是立国之本、强国之基，从根本上决定一个国家的综合实力和国际竞争力。控制系统是制造业中的支柱与核心，在现代制造业中，以计算机相关技术为基础的自动控制、辅助管理及其有机结合形成的计算机集成控制已成为现代生产的标志。将计算机相关技术、网络技术与我国制造产业进行整合，是我国制造业实现现代化，走出国门、走向世界必经之路。在科技竞争日益严峻的今天，以信息技术、计算机技术、网络技术和控制技术为基础的控制系统，在制造业中的地位尤显重要。现代控制技术主要采用计算机或嵌入式芯片，通过程序对机械设备进行自动控制，使新一代控制系统的技术有了大幅度的提高，在促进了控制技术蓬勃发展的同时，也促进了制造技术的蓬勃发展。

近年来，千兆以太网（1 Gbit/s）、万兆以太网（10 Gbit/s）中的大吞吐量交换设备、路由设备越来越多地部署在互联网中，使互联网链路的服务质量（Quality of Service，QoS）有了质的飞跃，网络控制系统的应用领域也悄然发生了变化。相对于传统控制系统，基于互联网的网络控制系统具有接入方便、部署范围广等优势，在汽车工业、航空航天、远程医疗、智慧家居、灾害救援和林业资源管理等领域有广阔的应用前景。

网络控制系统的组件（如传感器、控制器和执行器等）通过网络来传输数据，从而可以有效降低系统的复杂性，减少系统的设备开支。同时，由于数据是共享的，因此控制系统可以收集多个方面的数据并做出恰当的决策。网络控制系统的结构简单清晰，采用模块化的结构，可以方便地增加或减少各个组件。更重要的是，网络控制系统连接了信息世界和物理世界，可以远程访问并执行任务，在太空探索、地心探索、工业自动化、工厂监控、远程诊断、故障处理、高危环境工作、家庭机器人、医院护理等场合得到了广泛应用。

从系统的功能来看，网络控制系统可分为传感器网络、执行器网络和控制器网络三部分；从传输媒介的角度来看，网络控制系统的连接方式包括点对点的有线专用网络，以及开放性的无线通信网络；从数据处理的方式来看，网络控制系统的数据处理方式包括集中式处理、分散式处理，以及维护成本更低的分布式处理。在集中式处理方式和分散式处理方式中，网络控制系统需要在数据汇聚中心处理数据。集中式处理方式是协同控制的初级阶段，采取集中式数据处理方式的网络控制系统有一个数据汇聚中心。采用分散式数据处理方式的网络控制系统中可能有多个数据汇聚中心，这些数据汇聚中心独立地对局部数据进行处理，如各传感器独立地对自身测量的数据进行估计和滤波。与分散式处理方式不同，分布式处理方式允许网络控制系统的组件通过网络与其他系统的组件进行数据交换（特别是允许在控制器之间进行数据交换），进而对数据进行处理。