遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統的設計

張宏 王殿龍 柴大利 劉振

摘要：遠程虛擬實驗教學系統因其共享性強、人機交互性能良好等優勢，已經成為教育領域的關注熱點。文章結合大連理工大學虛擬仿真實驗室建設需求，以電比例閥特性研究為例設計出一套遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統。該系統可實現學生在遠程客戶端通過Web瀏覽器登錄液壓實驗室網站，操控工程級別的力士樂DS4實驗臺實現液壓系統的實際操作以及液壓回路的虛擬仿真設計，并能獲取真實實驗表象及實驗數據。該虛擬仿真教學系統的設計豐富了液壓實驗教學內容，在突破時間和空間的限制的同時，提高學生的空間想象力，增加了學生與試驗臺視覺近距離接觸的機會。

關鍵詞：液壓實驗;虛擬仿真;遠程控制;實驗教學

中圖分類號：G642.4? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）41-0273-03

液壓實驗課是機械制造及其自動化專業學生的一項重要教學內容，通過實驗環節，學生能夠更好地掌握抽象的理論[1，2]，培養分析和解決問題的能力[3，4]。基于虛擬仿真的實驗不僅可以輔助教師及學校科研工作，而且在授課方面也具有開放性強、安全性高、經濟性好、人機交互界面友好等優點，因此，虛擬仿真實驗教學是當前改革實驗教學模式的必然趨勢[5，6]。

伴隨著虛擬現實技術、人機交互技術以及仿真技術等教育信息化技術的日益發展[7，8]，實驗教學的時間和場地安排困難、實驗內容有限等問題都可以迎刃而解。本文以電液比例閥特性及PID控制實驗為例，設計開發出一套遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統，實現實驗室液壓實驗平臺控制的自動化和智能化，并且能夠獲得更好的實驗體驗[9，10]和更加優化的實驗結果。

一、系統整體方案

用于構建遠程實驗教學系統的模型根據不同的控制方法和數據流方法可分為兩種：C/S（Client/ Server，Client /Server）模型和B/S（Browser/Server）模型。本文選用的B/S體系結構如圖1所示。這是一種基于Web的三層體系結構，主要由客戶端瀏覽器、服務器和實驗設備組成。在該結構中，客戶端僅安裝Web瀏覽器即可，一般無須安裝專門的應用軟件，遠程學生用戶通過Web瀏覽器向實驗室的服務器端發出訪問請求，服務器端做出相應響應，將相關數據返回客戶端即可完成交互和遠程控制。該結構具有開發簡單、共享性強、擴展方便等優勢，更適用于以教學為使用目的的遠程液壓實驗教學系統。

二、硬件平臺設計

本系統采用的硬件主要有四部分，如圖2所示。第一部分為DS4液壓試驗臺。其主要優點是模塊化結構設計和元件的快速安裝組件的德國博世力士樂DS4液壓試驗臺，主要用于液壓技術的教學和培訓[11]。第二部分為檢測元件。由于該系統以電液比例閥特性及PID控制實驗為例，其執行元件為液壓缸，故而采用拉線式位置傳感器作為檢測元件。

第三部分為數據采集與信號輸入及輸出元件。該系統采用NI公司的My RIO。NI my RIO是NI（美國國家儀器有限公司）針對教學而推出的嵌入式系統開發平臺，該控制器除了常見的模擬輸入、模擬輸出、數字I/O之外，還包括I2C總線、SPI總線、PWM、編碼器、UART等接口，是一款強大的嵌入式實時處理器[12]，可同時實現數據采集功能與信號輸入輸出功能。第四部分為用于實時監控的USB攝像頭。

三、基于Lab VIEW平臺的軟件設計

遠程液壓虛擬仿真實驗教學系統的軟件是由Lab VIEW[13，14]軟件開發平臺實現的。用于開發虛擬仿真實驗系統軟件的平臺有三種，即MATLAB/SIMULINK、高級文本語言（如C#、JAVA等）以及Lab VIEW。鑒于Lab VIEW采用圖形化編程語言而非傳統的文本方式來編寫，其編程效率更高，并且其在構建優良的人機交互界面方面具有強大優勢。同時，其在網絡通信方面也非常方便，因此本文選用Lab VIEW作為遠程液壓實驗虛擬仿真系統系統的主要軟件開發平臺。

Lab VIEW具有強大的通信功能，其內置Web服務器可將正在運行的各實驗程序前面板生產的靜態或動態圖像嵌入HTML文檔中，使得遠程客戶端的用戶通過Web瀏覽器即可遠程查看和控制實驗程序。

服務器端的上位機上運行著各實驗子模塊的程序，而客戶端上只需安裝跟服務器端的Lab VIEW同版本的Lab VIEW Run Time Engine驅動，即可通過Web瀏覽器實現對Lab VIEW編寫的實驗程序的實時控制。

在遠程虛擬仿真液壓實驗教學系統中，對數據庫的訪問是用戶的信息管理的必要步驟，但本文所使用的Lab VIEW軟件平臺不具備訪問數據庫的功能，因此需要使用Lab VIEW的Lab SQL工具包來訪問數據庫，該方法簡單且實用，且支持所有基于OBDC的數據庫。該系統依托于大連理工大學液壓實驗室而建立，故而系統可直接使用液壓實驗室的數據庫、網站以及服務器等資源。

對于遠程客戶端和服務器，其中只有一個可以同時擁有Lab VIEW程序的控制權。此外，主計算機可以控制客戶端用戶的控制權限。要阻止瀏覽器獲得控制權，只需右鍵單擊上部計算機頁面中的“鎖定控制”按鈕即可鎖定實驗程序的控制權。而選擇“解鎖控制”即可恢復遠程客戶端的控制。對于Lab VIEW生成的HTML頁面，使用HTML5和JavaScript對其進行編程。將頁面修改為圖4中所示的樣式。在網頁上添加登錄屏幕和實驗參考視頻。

四、網絡通信

（一）網絡通信系統結構

遠程控制系統的控制器在本地端，參與實驗設備閉環控制，網絡包含在閉環控制系統外，遠程端僅負責監控。根據現場實際情況，在原有控制策略的基礎上，選擇最優控制。另外遠程監控端與本地端控制器分開，遠程監控端因而不必持續監控被控實驗設備運行，減輕了實驗者的工作強度。

（二）網絡通信方案

目前實驗的網絡化遠程通信主要有以下三種方案：

1.基于以太網直接進行網絡通信，這種基于網絡的測量采集儀器自身帶有網絡接口，設置地址后即可直接聯網通信。

2.傳統設備利用接口轉換卡進行網絡通信，采用Serial-ENET或GPIB-ENET將傳統設備接入網絡實現遠程控制。

3.客戶端計算機利用網絡與服務器端計算機通信，服務器端計算機通過USB、以太網、GPIB等總線控制實驗設備。

本設計選用第三種方案實現網絡通信。上位機通過My RIO控制液壓實驗設備，客戶端計算機利用網絡與上位機進行通信，從而遠程控制設備進行實驗。TCP/IP即傳輸控制協議/互聯網絡協議，作為網絡層和傳輸層協議，主要幫助數據信息實現在網絡中的傳輸。通過三次握手來建立通信連接，以確保數據傳輸的準確性。超文本傳輸協議（HTTP）作為應用層協議，主要規定了瀏覽器與Web服務器之間的通信規則，允許超文本標記語言文檔從服務器傳輸到遠程客戶端瀏覽器。

五、應用實例

液壓實驗課分為液壓缸順序動作、液壓泵性能實驗、液壓缸負載特性實驗以及電液比例閥特性實驗。其中，電液比例閥特性實驗是本校液壓教學的重中之重。由此，本文以電液比例閥特性及PID控制實驗為例，在實驗中學生須了解比例方向閥的工作原理以及比例方向閥的流量特性等。該軟件的四個部分分別為該系統所能實現的實驗的四部分內容，其界面如圖6所示。

系統的第一部分內容為相關文字和圖表介紹，主要包括電液比例閥工作原理信息、PID控制、液壓試驗臺、液壓實驗回路、實驗注意事項等信息。第二部分為學生操作模塊，主要涉及大量信號輸入與顯示控件，如PID控制的三個主要參數Kp、Ki、Kd的輸入控件、液壓缸的速度隨時間變化的圖表等。第三部分為虛擬仿真部分，該部分為平面的虛擬液壓回路仿真動圖，其突出的創新點在于，該仿真動圖的程序引用了真實的實驗數據，保證了仿真動圖的液體流動速度與真實發生的實驗現象同步。第四部分為實時監控部分，由于系統采用的數據采集模塊—NI My RIO同時具備USB接口來采集圖像信息，所以該系統將USB攝像頭與My RIO連接進行實時監控，幫助學生更好地掌握真實的實驗現象，盡可能減小遠程操作實驗與在實驗室內進行操作實驗之間的差距。從實驗結果來看，該遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統較為圓滿地完成了既定任務，在節約時間和空間的同時，達到了實驗目的。

六、結論

基于B/S體系結構，以DS4實驗臺、Lab VIEW為主要手段的虛擬液壓實驗室，在維持國內現有研究虛擬實驗室優點的基礎上，優化了實驗的同步性以及對比的可視化性能。軟件界面上的相關文字和圖表、操作模塊、虛擬仿真、實時監控4個部分也有利于學生更好地掌握相關的液壓知識，通過液壓傳動實驗，學生對液壓回路有初步的調節和測試能力。網絡通信方案通過使用HTTP和TCP/IP協議的形式實施，方便了后臺人員的管理，在線工具包有助于后續的實驗更新，為軟件的發展提供了指導。該遠程液壓虛擬仿真實驗教學系統還添加了一些國內目前較為新穎的液壓實驗教學項目，解決實驗教學的時間和場地安排困難等問題的同時，幫助學生自主利用實驗室資源，獨立進行液壓實驗。

參考文獻：

[1]聶春燕，吉淑嬌.基于LabVIEW的《自動控制原理》教學平臺設計與實現[J].長春大學學報，2012，（8）：923-925.

[2]李立，孫龍建.基于Lab VIEW和NI my RIO的智能避障小車設計[J].電子器件，2018，（2）.

[3]梁莉娟.學生創新能力的培養和高校實驗教學改革[J].高教學刊，2017，（3）：114-115.

[4]萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011，v.30;No.180（3）：397-400.

[5]張文倩，熊佳瑋，陳思雨，等.IGRIP開放性實驗平臺設計與開發[J].實驗技術與管理，2017，（12）：114-116.

[6]彭慧.基于虛擬實驗室的高校實驗教學改革[J].赤峰學院學報（自然科學版），2016，32（6）：264-265.

[7]馬馳，王開宇，姜艷紅，等.電工電子虛擬仿真實驗教學中心建設與發展淺析[J].工業和信息化教育，2018，（1）.

[8]孫雋，楊延梅.高校實驗課分層教學的改革探索[J].實驗技術與管理，2016，33（7）：200-204.

[9]趙宏偉，秦昌明.基于B/S 3層體系結構的軟件設計方法研究[J].實驗室研究與探索，2011，30（7）：64-66.

[0]趙磊，趙國生，張艷芳.基于B/S結構的實驗中心管理平臺設計[J].微型機與應用，2011，30（18）：1-2.

[1]王佳慶，彭芳.基于PLC的博世力士樂液壓實驗臺的改造及應用[J].機床與液壓，2013，（20）：149-153.

[12]明仲，蔡茂國，朱安民.虛實結合建設高水平虛擬仿真實驗教學中心[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：146-150.

[13]郭潤蘭，康艷萍，楊東亞.機械原理虛擬仿真實驗室資源共享平臺建設[J].實驗室研究與探索，2017，36（06）：108-110.

[14]陳敏捷，羊榮金，沈孟鋒.虛擬現實技術在液壓傳動實驗教學中的應用研究[J].實驗技術與管理，2018，35（04）：136-139.