基于虛擬引擎的液壓伺服控制仿真實驗室開發及應用

摘要：虛擬現實技術的發展使得傳統液壓伺服實驗室在設備管理運行維護、高效利用、推廣普及等方面的不足愈加凸顯。文章在精準分析實驗室不同用戶需求的基礎上，結合虛擬引擎、三維建模、數據通信技術，開展液壓伺服控制虛擬仿真實驗室的開發，具體研究虛擬實驗室系統框架設計、實驗組件設計和交互設計3方面的技術難點；同時，基于傳感器實時監測、數據反饋，探究了現實實驗和虛擬實現之間的互連關系，實現液壓伺服控制仿真實驗的虛實同步。所開發的虛擬仿真實驗室具有用戶自主學習、自主實驗、答題測試、功能拓展、數據可視化與數據分析等功能，為深入理解“液壓伺服”課程理論知識點、強化液壓伺服實驗操作及實驗推廣普及等方面提供了可移植、可拓展的強大工具。

關鍵詞：液壓伺服；虛擬引擎；虛擬實驗室；應用型高校

中圖分類號： TH137；G642 文獻標志碼： A

0 引言

液壓伺服課程是機械工程、自動化、控制工程等相關專業中的一門主要專業課，既涵蓋流體力學、機械設計、電子控制和數據通信等多學科的理論知識，又對學生提出了較高的操作實踐要求，因此液壓伺服控制實驗是液壓伺服課程的重要組成部分，有助于學生深入理解課程理論、掌握專業技能［1］。液壓伺服控制實驗室是高校進行實驗教學的重要平臺，可根據實際需求設計和測試位置伺服控制、液壓缸加載、電液伺服閥控制等系統，實現系統參數的實時跟蹤測量。但隨著虛擬現實技術的發展，傳統液壓伺服實驗在管理運行、設備維護、高效利用、推廣普及等方面的不足愈加凸顯，具體表現為實驗設備維修、更新迭代、功能拓展成本高，設備運行噪聲大，實驗項目單一且直觀性差，學生參與操作實踐覆蓋率低，自主拓展機會少，教師重復講解冗余度高等。這些困境在一定程度上不利于學生操作能力的訓練和創新思維的培養，因此有必要開發新型的開放性液壓伺服實驗資源，為傳統液壓伺服教學實驗室的升級尋求創新路徑。

近年來，科技發展推動了教育理念的更新，信息技術不斷被遷移應用以滿足新時代教育需求，逐漸形成了一種新型教學形式“虛擬實驗教學”［2］。通過將虛擬現實、增強現實、混合現實及增強虛擬等技術與教學實驗相結合，形成可人機交互的虛擬實驗課堂，受到不同領域學者的關注和研究［3-4］。趙昕玥等［5］針對傳動機械結構裝配課程不夠直觀生動的問題，采用增強現實技術設計了虛擬裝配教學實驗平臺，以實現學生沉浸式體驗裝配過程。林木等［6］基于強化學習、三維建模和虛擬現實技術，搭建機械仿真實驗平臺，實現了減速器虛擬裝配及機械臂智能控制。隨后在電力系統高壓實驗研究領域，劉浩［7］結合三維建模技術、Unity3D開發引擎和Visual Studio平臺開發了包含場景漫游、設備接線操作等功能的高壓實驗教學仿真系統。在此基礎上，林順清［8］將中文語音交互和實驗示意圖生成技術融入三維虛擬實驗，實現了實驗室語音識別和圖形生成功能。張玉婷［9］結合3Ds Max三維建模和照片處理技術，利用虛幻引擎打造校園虛擬現實漫游系統，該技術的提出為虛擬實驗室沉浸漫游提供了參考。周佳樂等［10］針對現有教育資源交互仿真流暢不高的問題，基于點云配準和桌面虛擬現實技術設計交互仿真平臺，最終產品具有更新速度快、流暢性好、交互仿真度高等優點。在實際工程中，混合現實技術和虛擬引擎技術被分別應用于新型電力系統監控［4］、漁業裝備實驗室模擬訓練［11］、水電站系統安全監測［12］。目前，相關技術與液壓實驗室的結合研究鮮有報道，液壓專業領域內的實驗仍以傳統方式進行。

本文聚焦液壓伺服課程的配套實驗，以傳統實驗室、試驗臺為參照，在需求分析基礎上，采用三維建模技術和虛擬引擎相結合，開展液壓伺服控制仿真虛擬實驗室的邏輯設計、框架設計、功能設計等研究，利用標準通信協議實現底層數據、模型動作、用戶界面的交互，最終實現液壓伺服控制虛擬仿真實驗室的開發。

1 液壓伺服控制虛擬實驗室需求分析

1.1 用戶需求

（1）學生用戶：能夠在線學習液壓伺服課程所涉及的基本理論及相關應用，進行多種虛擬實驗，加深對液壓伺服系統的理解和掌握；能夠與教師、同學在線交流討論、分享學習心得和經驗；能夠查看個人學習進度和實驗成績。

（2）教師用戶：能夠創建和編輯液壓伺服實驗課程、相關測驗項目，上傳并維護教學資源；能夠查看學生的學習進度和實驗操作，為學生提供實時指導；能夠在線批改實驗報告，為學生提供反饋和建議；能夠與學生在線交流，解答學生的疑問。

（3）管理員用戶：能夠管理用戶賬號，包括創建、修改和刪除用戶信息；能夠管理課程和教學資源，包括創建、修改和刪除課程；能夠監控系統運行狀況，保證系統安全穩定運行；能夠對系統進行維護和更新，以滿足不斷變化的教學需求。

1.2 系統需求

一個直觀、友好的用戶界面是系統運行的首要需求。其次，系統應具有強大的液壓伺服開發功能，包括液壓系統建模、仿真和控制算法的實現，以支持學生對液壓技術的理解；另外，系統還要具備跨平臺特征，能夠在不同終端設備上穩定運行，包括電腦、平板和手機等。該虛擬實驗室系統的具體需求包括但不限于以下幾點：

（1）系統應具備良好的兼容性，支持主流瀏覽器訪問；

（2）系統應具備較高的性能，能夠應對大量用戶同時在線操作；

（3）系統應具備良好的擴展性，能夠高效地擴充新功能和模塊；

（4）系統應具備較強的安全性，確保用戶數據和系統資源不受侵害；

（5）系統應具備穩定的網絡環境，保證用戶在線學習和實驗操作的流暢性。

第6期2025年3月無線互聯科技·技術應用No.6March，2025

第6期2025年3月無線互聯科技·技術應用 No.6March，2025

1.3 功能需求

首先，虛擬實驗室能夠提供液壓伺服的基本原理和相關應用知識介紹，以便學生對液壓控制技術有全面的了解；其次，能夠提供液壓系統的建模和仿真功能，幫助學生通過虛擬實驗深入理解液壓系統的工作原理和特性；最后，系統能夠提供液壓控制算法的實現和調試功能。該虛擬實驗室的功能需求包括但不限于以下幾點：

（1）課程與教學資源管理。支持課程創建、編輯和刪除，支持教學資源上傳、下載和共享，支持課程目錄結構和組織方式；

（2）虛擬實驗與操作。提供完整的液壓伺服控制系統模型，支持實驗場景創建和調整，實時監控實驗過程，采集和處理分析實驗數據；

（3）在線交流與協作。具備在線交流功能，支持發表帖子、回復評論和實時聊天，支持用戶權限管理，確保在線交流的安全性和秩序；

（4）學習進度與成績管理。自動記錄學生學習進度和實驗成果，教師可以查看和評價學生實驗報告，支持成績統計和排名功能；

（5）系統設置與維護。管理員可以管理用戶、課程和系統設置，支持系統日志查看和故障排查，定期對系統進行維護和更新。

2 虛擬仿真實驗室方案設計

2.1 實驗室系統框架設計

虛擬仿真實驗室系統采用分層、分模塊架構設計，如圖1所示為邏輯框架和執行框架的交互及分層模塊。邏輯框架選擇分層設計方案，在職責清晰的基礎上保證了足夠的靈活性，其中，基礎設施層提供數據存儲和元數據管理等基礎功能；引擎層是系統核心，承擔數據處理和運算，為上層提供功能支持；應用服務層承擔業務邏輯處理及一定的傳輸功能，確保系統命令符合預期；用戶界面層提供用戶交互，實現指令輸入和結果采集、輸出。執行框架設計包含設備組件、交互界面、實驗室功能及實驗平臺設計。

2.2 實驗設備組件設計

實驗設備組件設計包括虛擬實驗室的場地、機械設備、控制設備、顯示設備、虛擬模塊的三維建模、排布和相互之間的通信。其中，實驗場地、機械設備、控制設備根據學校實際實驗室現有設備進行現場測量，結合其銘牌型號等信息，通過三維建模進行還原、裝配，如圖2所示為部分設備組件三維模型與實物對比，如圖3所示為閥控缸工作臺裝配體模型與實物對比。

隨后，將這些三維模型通過虛擬引擎支持的格式導入引擎開發平臺，進一步對模型的材質、顏色、場景光線進行調整，使設備在虛擬平臺中具有較高的環境貼合度。如圖4所示為虛擬實驗室中的液壓站和伺服閥控缸工作臺，主要實現液壓伺服系統的控制仿真。在虛擬實驗室的墻面設置多個顯示模塊，支持PPT演示、視頻播放、答題測試等功能。其中，PPT模塊和視頻模塊可整合實驗資料、優質慕課等教學資源，供用戶自主學習。

實驗室設置了液壓元件展示臺，用于擺放電機、泵、多路閥塊、電磁閥、液壓缸等元件，對每一元件配置了用于展示結構細節的虛擬現實模塊，如圖5所示。

2.3 實驗室系統交互界面設計

實驗室系統交互界面設計主要包含系統登錄界面設計、知識回顧界面設計、液壓伺服仿真實驗交互界面設計。登錄界面是用戶與系統交互的第一接觸點，此處設置“學生登錄、教師登錄、管理員登錄”3個子模塊；學生登錄成功后，自動進入“知識回顧”界面，可對課堂所學理論知識進行復習、了解并掌握實驗內容和要求；液壓伺服控制仿真實驗交互界面是用戶和實驗設備之間的溝通媒介，用戶可在該界面輸入控制參數，虛擬實驗系統據此執行相關動作，將重要參數信息以動態圖線或單個數據的形式反饋到交互界面上，供用戶查看和分析。以位置伺服控制特性實驗交互界面為例，交互界面包含控制參數輸入、傳感器反饋信息顯示、系統參數實時跟蹤及操作按鈕等模塊，通過模塊化的界面設計和后期的數據顯示，可實現實驗過程的直觀呈現，輔助用戶全面掌握伺服系統的運行狀態。

3 虛擬仿真實驗功能設計

依托實驗組件、實驗室系統功能模塊和虛擬引擎功能，設計液壓伺服虛擬仿真實驗的具體功能，包含基于數據鏈接的虛實交互功能、液壓伺服控制實時仿真模擬功能和數據可視化與分析功能。通過傳感器監測、反饋及標準通信協議，實現虛擬試驗臺與真實硬件之間的互聯、數據的傳遞和用戶界面的交互；在此基礎上設計液壓伺服控制實時仿真功能，能夠進行電液伺服閥靜態特性實驗、液壓缸位置伺服系統靜態特性實驗、液壓缸位置伺服控制階躍實驗、正弦曲線位置跟蹤實驗等；同時，用戶可根據個人興趣和知識儲備進行虛擬實驗的拓展開發。實驗臺按照實際設備樣式搭建并提供原理性演示，包括實驗過程中管道內油液的流向、伺服閥芯的運動、液壓缸活塞的動作等，液壓系統實時動態如圖6所示，通過傳感器反饋的數據可形成實時變化的曲線、散點圖并提供數據的統計、篩選、排序功能，幫助用戶深入理解、把握實驗過程中液壓系統的介質、元件狀態變化，定量探索分析系統參數和性能指標的動態規律，為多維度理解液壓系統、伺服控制等方面提供強大的工具支持。

4 結語

本文基于三維建模和虛擬引擎技術對液壓伺服課程配套的液壓伺服控制實驗及實驗室開展了虛實結合的技術創新研究，得到以下3點結論：

（1）在對用戶進行多維需求分析的基礎上，提出了分層、分模塊的虛擬仿真實驗室系統邏輯框架和執行框架設計，保證了職責清晰和靈活性兼具特征；

（2）開展實驗場地、機械設備、控制設備、顯示設備測繪建模，搭建液壓伺服控制虛擬仿真實驗室，能夠實現學生自主學習、實驗操作、答題測試等功能；

（3）設計開發模塊化的實驗交互界面，借助在線實時監測和數據通信實現虛擬實驗和實際硬件之間 的互聯，在實驗執行的同時可對系統狀態參數進行監控、統計、篩選和初步分析。

參考文獻

［1］趙勁松，姚靜，張陽.基于能力矩陣的教學模式改革與實踐：燕山大學液壓伺服與比例控制系統國家級精品課程［J］.教育教學論壇，2016（32）：141-142.

［2］李偉.虛擬仿真在初中物理實驗教學中的應用研究［D］.北京：中央民族大學，2021.

［3］溫瑩，苗志剛，曹瑩，等.基于VR技術的虛擬實驗教學平臺研究［J］.江蘇科技信息，2020（5）：72-74.

［4］李春來.以新能源為主體的新型電力系統關鍵技術和裝備［J］.新能源科技，2022（10）：25-27.

［5］趙昕玥，何再興，劉振宇，等.基于增強現實的工程圖學裝配引導沉浸式教學實驗平臺設計［J］.實驗技術與管理，2022（3）：195-199.

［6］林木，張永春，單麗君.基于強化學習和虛擬現實技術的機械仿真教學系統研究［J］.中國設備工程，2020（11）：228-229.

［7］劉浩.基于虛擬現實的高壓實驗教學項目仿真系統關鍵技術研究［D］.焦作：河南理工大學，2020.

［8］林順清.增強三維虛擬實驗學習效率的研究［D］.廣州：廣東工業大學，2021.

［9］張玉婷.基于虛擬現實技術的三維校園漫游系統設計與實現［J］.無線互聯科技，2023（14）：91-93.

［10］周佳樂，王文，袁子龍，等.基于桌面虛擬現實技術的課程教育資源交互仿真平臺設計［J］.無線互聯科技，2024（21）：76-78.

［11］陳李萍.基于混合現實技術的現代漁業裝備虛擬實驗室設計及開發［D］.舟山：浙江海洋大學，2022.

［12］劉文元，張揚，三梅英，等.基于水電站監測系統的BIM與虛擬引擎技術融合應用研究［J］.陜西水利，2023（9）：122-124，127.

（編輯 沈 強編輯）

Development and application of hydraulic servo control simulation laboratory

based on virtual engine

CHEN "Yu XU "Xiaotong ZHU "Muzhi CHEN "Jiayi DAI "Wanying

（1.School of Mechanical Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China;

2.School of Computer Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： "With the rapid advancement of virtual reality technology， the limitations of traditional hydraulic servo laboratories in terms of equipment management， operation and maintenance， efficient utilization， and widespread accessibility have become increasingly apparent. The article accurately analyzes various demands from different users in the laboratory. Subsequently， a virtual laboratory for simulating hydraulic servo control is developed， integrating cuttingedge technologies such as virtual engines， threedimensional modeling， and data communication. Attentions are paid on the design of framework， experimental component and their interactions. Additionally， leveraging realtime monitoring and feedback from sensors， the article explores the correlation between realworld experiments and their virtual counterparts， thereby facilitating the synchronization of hydraulic servo control simulations. Finally， the virtual simulation lab is established with the functions of supporting individual learning， experiment， and exam for users， as well as data visualization and analysis. This platform offers a portable and extensible tool that significantly enhances the understanding of theoretical concepts in “Hydraulic Servo” courses， improves experimental operations， and promotes the accessibility of hydraulic experiments.

Key words： hydraulic servo; virtual engine; virtual laboratory; applied university