張宏 王殿龍 柴大利 劉振

摘要：遠程虛擬實驗教學系統(tǒng)因其共享性強、人機交互性能良好等優(yōu)勢，已經(jīng)成為教育領域的關注熱點。文章結(jié)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(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)學生在遠程客戶端通過Web瀏覽器登錄液壓實驗室網(wǎng)站，操控工程級別的力士樂DS4實驗臺實現(xiàn)液壓系統(tǒng)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(shù)據(jù)。該虛擬仿真教學系統(tǒng)的設計豐富了液壓實驗教學內(nèi)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(yè)學生的一項重要教學內(nèi)容，通過實驗環(huán)節(jié)，學生能夠更好地掌握抽象的理論[1，2]，培養(yǎng)分析和解決問題的能力[3，4]?；谔摂M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(jīng)濟性好、人機交互界面友好等優(yōu)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(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)以及仿真技術(shù)等教育信息化技術(shù)的日益發(fā)展[7，8]，實驗教學的時間和場地安排困難、實驗內(nèi)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(fā)出一套遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)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(yōu)化的實驗結(jié)果。

一、系統(tǒng)整體方案

用于構(gòu)建遠程實驗教學系統(tǒng)的模型根據(jù)不同的控制方法和數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一種基于Web的三層體系結(jié)構(gòu)，主要由客戶端瀏覽器、服務器和實驗設備組成。在該結(jié)構(gòu)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?qū)嶒炇业姆掌鞫税l(fā)出訪問請求，服務器端做出相應響應，將相關數(shù)據(jù)返回客戶端即可完成交互和遠程控制。該結(jié)構(gòu)具有開發(fā)簡單、共享性強、擴展方便等優(yōu)勢，更適用于以教學為使用目的的遠程液壓實驗教學系統(tǒng)。

二、硬件平臺設計

本系統(tǒng)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(yōu)點是模塊化結(jié)構(gòu)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(shù)的教學和培訓[11]。第二部分為檢測元件。由于該系統(tǒng)以電液比例閥特性及PID控制實驗為例，其執(zhí)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(shù)據(jù)采集與信號輸入及輸出元件。該系統(tǒng)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(tǒng)開發(fā)平臺，該控制器除了常見的模擬輸入、模擬輸出、數(shù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能與信號輸入輸出功能。第四部分為用于實時監(jiān)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(tǒng)的軟件是由Lab VIEW[13，14]軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)的。用于開發(fā)虛擬仿真實驗系統(tǒng)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(tǒng)的文本方式來編寫，其編程效率更高，并且其在構(gòu)建優(yōu)良的人機交互界面方面具有強大優(yōu)勢。同時，其在網(wǎng)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(tǒng)系統(tǒng)的主要軟件開發(fā)平臺。

Lab VIEW具有強大的通信功能，其內(nèi)置Web服務器可將正在運行的各實驗程序前面板生產(chǎn)的靜態(tài)或動態(tài)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(qū)動，即可通過Web瀏覽器實現(xiàn)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(tǒng)中，對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫的功能，因此需要使用Lab VIEW的Lab SQL工具包來訪問數(shù)據(jù)庫，該方法簡單且實用，且支持所有基于OBDC的數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)依托于大連理工大學液壓實驗室而建立，故而系統(tǒng)可直接使用液壓實驗室的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)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(quán)。此外，主計算機可以控制客戶端用戶的控制權(quán)限。要阻止瀏覽器獲得控制權(quán)，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(quán)。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(wǎng)頁上添加登錄屏幕和實驗參考視頻。

四、網(wǎng)絡通信

（一）網(wǎng)絡通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠程控制系統(tǒng)的控制器在本地端，參與實驗設備閉環(huán)控制，網(wǎng)絡包含在閉環(huán)控制系統(tǒng)外，遠程端僅負責監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在原有控制策略的基礎上，選擇最優(yōu)控制。另外遠程監(jiān)控端與本地端控制器分開，遠程監(jiān)控端因而不必持續(xù)監(jiān)控被控實驗設備運行，減輕了實驗者的工作強度。

（二）網(wǎng)絡通信方案

目前實驗的網(wǎng)絡化遠程通信主要有以下三種方案：

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

2.傳統(tǒng)設備利用接口轉(zhuǎn)換卡進行網(wǎng)絡通信，采用Serial-ENET或GPIB-ENET將傳統(tǒng)設備接入網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制。

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

本設計選用第三種方案實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)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(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議，作為網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，主要幫助數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)在網(wǎng)絡中的傳輸。通過三次握手來建立通信連接，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。超文本傳輸協(xié)議（HTTP）作為應用層協(xié)議，主要規(guī)定了瀏覽器與Web服務器之間的通信規(guī)則，允許超文本標記語言文檔從服務器傳輸?shù)竭h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(tǒng)所能實現(xiàn)的實驗的四部分內(nèi)容，其界面如圖6所示。

系統(tǒng)的第一部分內(nèi)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(shù)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(chuàng)新點在于，該仿真動圖的程序引用了真實的實驗數(shù)據(jù)，保證了仿真動圖的液體流動速度與真實發(fā)生的實驗現(xiàn)象同步。第四部分為實時監(jiān)控部分，由于系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)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(tǒng)將USB攝像頭與My RIO連接進行實時監(jiān)控，幫助學生更好地掌握真實的實驗現(xiàn)象，盡可能減小遠程操作實驗與在實驗室內(nèi)進行操作實驗之間的差距。從實驗結(jié)果來看，該遠程液壓實驗虛擬仿真教學系統(tǒng)較為圓滿地完成了既定任務，在節(jié)約時間和空間的同時，達到了實驗目的。

六、結(jié)論

基于B/S體系結(jié)構(gòu)，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(nèi)現(xiàn)有研究虛擬實驗室優(yōu)點的基礎上，優(yōu)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(jiān)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(diào)節(jié)和測試能力。網(wǎng)絡通信方案通過使用HTTP和TCP/IP協(xié)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(xù)的實驗更新，為軟件的發(fā)展提供了指導。該遠程液壓虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)還添加了一些國內(nèi)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。

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