摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)液壓伺服實(shí)驗(yàn)室在設(shè)備管理運(yùn)行維護(hù)、高效利用、推廣普及等方面的不足愈加凸顯。文章在精準(zhǔn)分析實(shí)驗(yàn)室不同用戶需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬引擎、三維建模、數(shù)據(jù)通信技術(shù)，開展液壓伺服控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，具體研究虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)組件設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)3方面的技術(shù)難點(diǎn)；同時(shí)，基于傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)反饋，探究了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)現(xiàn)之間的互連關(guān)系，實(shí)現(xiàn)液壓伺服控制仿真實(shí)驗(yàn)的虛實(shí)同步。所開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室具有用戶自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)、答題測(cè)試、功能拓展、數(shù)據(jù)可視化與數(shù)據(jù)分析等功能，為深入理解“液壓伺服”課程理論知識(shí)點(diǎn)、強(qiáng)化液壓伺服實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)推廣普及等方面提供了可移植、可拓展的強(qiáng)大工具。

關(guān)鍵詞：液壓伺服；虛擬引擎；虛擬實(shí)驗(yàn)室；應(yīng)用型高校

中圖分類號(hào)： TH137；G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

液壓伺服課程是機(jī)械工程、自動(dòng)化、控制工程等相關(guān)專業(yè)中的一門主要專業(yè)課，既涵蓋流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子控制和數(shù)據(jù)通信等多學(xué)科的理論知識(shí)，又對(duì)學(xué)生提出了較高的操作實(shí)踐要求，因此液壓伺服控制實(shí)驗(yàn)是液壓伺服課程的重要組成部分，有助于學(xué)生深入理解課程理論、掌握專業(yè)技能［1］。液壓伺服控制實(shí)驗(yàn)室是高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要平臺(tái)，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)和測(cè)試位置伺服控制、液壓缸加載、電液伺服閥控制等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)液壓伺服實(shí)驗(yàn)在管理運(yùn)行、設(shè)備維護(hù)、高效利用、推廣普及等方面的不足愈加凸顯，具體表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)備維修、更新迭代、功能拓展成本高，設(shè)備運(yùn)行噪聲大，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一且直觀性差，學(xué)生參與操作實(shí)踐覆蓋率低，自主拓展機(jī)會(huì)少，教師重復(fù)講解冗余度高等。這些困境在一定程度上不利于學(xué)生操作能力的訓(xùn)練和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，因此有必要開發(fā)新型的開放性液壓伺服實(shí)驗(yàn)資源，為傳統(tǒng)液壓伺服教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的升級(jí)尋求創(chuàng)新路徑。

近年來，科技發(fā)展推動(dòng)了教育理念的更新，信息技術(shù)不斷被遷移應(yīng)用以滿足新時(shí)代教育需求，逐漸形成了一種新型教學(xué)形式“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)”［2］。通過將虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)虛擬等技術(shù)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，形成可人機(jī)交互的虛擬實(shí)驗(yàn)課堂，受到不同領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注和研究［3-4］。趙昕玥等［5］針對(duì)傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配課程不夠直觀生動(dòng)的問題，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生沉浸式體驗(yàn)裝配過程。林木等［6］基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)、三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了減速器虛擬裝配及機(jī)械臂智能控制。隨后在電力系統(tǒng)高壓實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，劉浩［7］結(jié)合三維建模技術(shù)、Unity3D開發(fā)引擎和Visual Studio平臺(tái)開發(fā)了包含場(chǎng)景漫游、設(shè)備接線操作等功能的高壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，林順清［8］將中文語音交互和實(shí)驗(yàn)示意圖生成技術(shù)融入三維虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室語音識(shí)別和圖形生成功能。張玉婷［9］結(jié)合3Ds Max三維建模和照片處理技術(shù)，利用虛幻引擎打造校園虛擬現(xiàn)實(shí)漫游系統(tǒng)，該技術(shù)的提出為虛擬實(shí)驗(yàn)室沉浸漫游提供了參考。周佳樂等［10］針對(duì)現(xiàn)有教育資源交互仿真流暢不高的問題，基于點(diǎn)云配準(zhǔn)和桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)交互仿真平臺(tái)，最終產(chǎn)品具有更新速度快、流暢性好、交互仿真度高等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工程中，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬引擎技術(shù)被分別應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)監(jiān)控［4］、漁業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室模擬訓(xùn)練［11］、水電站系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)［12］。目前，相關(guān)技術(shù)與液壓實(shí)驗(yàn)室的結(jié)合研究鮮有報(bào)道，液壓專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)驗(yàn)仍以傳統(tǒng)方式進(jìn)行。

本文聚焦液壓伺服課程的配套實(shí)驗(yàn)，以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)臺(tái)為參照，在需求分析基礎(chǔ)上，采用三維建模技術(shù)和虛擬引擎相結(jié)合，開展液壓伺服控制仿真虛擬實(shí)驗(yàn)室的邏輯設(shè)計(jì)、框架設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)等研究，利用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)、模型動(dòng)作、用戶界面的交互，最終實(shí)現(xiàn)液壓伺服控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)。

1 液壓伺服控制虛擬實(shí)驗(yàn)室需求分析

1.1 用戶需求

（1）學(xué)生用戶：能夠在線學(xué)習(xí)液壓伺服課程所涉及的基本理論及相關(guān)應(yīng)用，進(jìn)行多種虛擬實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的理解和掌握；能夠與教師、同學(xué)在線交流討論、分享學(xué)習(xí)心得和經(jīng)驗(yàn)；能夠查看個(gè)人學(xué)習(xí)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

（2）教師用戶：能夠創(chuàng)建和編輯液壓伺服實(shí)驗(yàn)課程、相關(guān)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，上傳并維護(hù)教學(xué)資源；能夠查看學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)操作，為學(xué)生提供實(shí)時(shí)指導(dǎo)；能夠在線批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為學(xué)生提供反饋和建議；能夠與學(xué)生在線交流，解答學(xué)生的疑問。

（3）管理員用戶：能夠管理用戶賬號(hào)，包括創(chuàng)建、修改和刪除用戶信息；能夠管理課程和教學(xué)資源，包括創(chuàng)建、修改和刪除課程；能夠監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新，以滿足不斷變化的教學(xué)需求。

1.2 系統(tǒng)需求

一個(gè)直觀、友好的用戶界面是系統(tǒng)運(yùn)行的首要需求。其次，系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的液壓伺服開發(fā)功能，包括液壓系統(tǒng)建模、仿真和控制算法的實(shí)現(xiàn)，以支持學(xué)生對(duì)液壓技術(shù)的理解；另外，系統(tǒng)還要具備跨平臺(tái)特征，能夠在不同終端設(shè)備上穩(wěn)定運(yùn)行，包括電腦、平板和手機(jī)等。該虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的具體需求包括但不限于以下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)應(yīng)具備良好的兼容性，支持主流瀏覽器訪問；

（2）系統(tǒng)應(yīng)具備較高的性能，能夠應(yīng)對(duì)大量用戶同時(shí)在線操作；

（3）系統(tǒng)應(yīng)具備良好的擴(kuò)展性，能夠高效地?cái)U(kuò)充新功能和模塊；

（4）系統(tǒng)應(yīng)具備較強(qiáng)的安全性，確保用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源不受侵害；

（5）系統(tǒng)應(yīng)具備穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保證用戶在線學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的流暢性。

第6期2025年3月無線互聯(lián)科技·技術(shù)應(yīng)用No.6March，2025

第6期2025年3月無線互聯(lián)科技·技術(shù)應(yīng)用 No.6March，2025

1.3 功能需求

首先，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠提供液壓伺服的基本原理和相關(guān)應(yīng)用知識(shí)介紹，以便學(xué)生對(duì)液壓控制技術(shù)有全面的了解；其次，能夠提供液壓系統(tǒng)的建模和仿真功能，幫助學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)深入理解液壓系統(tǒng)的工作原理和特性；最后，系統(tǒng)能夠提供液壓控制算法的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試功能。該虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能需求包括但不限于以下幾點(diǎn)：

（1）課程與教學(xué)資源管理。支持課程創(chuàng)建、編輯和刪除，支持教學(xué)資源上傳、下載和共享，支持課程目錄結(jié)構(gòu)和組織方式；

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)與操作。提供完整的液壓伺服控制系統(tǒng)模型，支持實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景創(chuàng)建和調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，采集和處理分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（3）在線交流與協(xié)作。具備在線交流功能，支持發(fā)表帖子、回復(fù)評(píng)論和實(shí)時(shí)聊天，支持用戶權(quán)限管理，確保在線交流的安全性和秩序；

（4）學(xué)習(xí)進(jìn)度與成績(jī)管理。自動(dòng)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)成果，教師可以查看和評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告，支持成績(jī)統(tǒng)計(jì)和排名功能；

（5）系統(tǒng)設(shè)置與維護(hù)。管理員可以管理用戶、課程和系統(tǒng)設(shè)置，支持系統(tǒng)日志查看和故障排查，定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和更新。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用分層、分模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示為邏輯框架和執(zhí)行框架的交互及分層模塊。邏輯框架選擇分層設(shè)計(jì)方案，在職責(zé)清晰的基礎(chǔ)上保證了足夠的靈活性，其中，基礎(chǔ)設(shè)施層提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和元數(shù)據(jù)管理等基礎(chǔ)功能；引擎層是系統(tǒng)核心，承擔(dān)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，為上層提供功能支持；應(yīng)用服務(wù)層承擔(dān)業(yè)務(wù)邏輯處理及一定的傳輸功能，確保系統(tǒng)命令符合預(yù)期；用戶界面層提供用戶交互，實(shí)現(xiàn)指令輸入和結(jié)果采集、輸出。執(zhí)行框架設(shè)計(jì)包含設(shè)備組件、交互界面、實(shí)驗(yàn)室功能及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件設(shè)計(jì)包括虛擬實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地、機(jī)械設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備、虛擬模塊的三維建模、排布和相互之間的通信。其中，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、機(jī)械設(shè)備、控制設(shè)備根據(jù)學(xué)校實(shí)際實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)合其銘牌型號(hào)等信息，通過三維建模進(jìn)行還原、裝配，如圖2所示為部分設(shè)備組件三維模型與實(shí)物對(duì)比，如圖3所示為閥控缸工作臺(tái)裝配體模型與實(shí)物對(duì)比。

隨后，將這些三維模型通過虛擬引擎支持的格式導(dǎo)入引擎開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)一步對(duì)模型的材質(zhì)、顏色、場(chǎng)景光線進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)備在虛擬平臺(tái)中具有較高的環(huán)境貼合度。如圖4所示為虛擬實(shí)驗(yàn)室中的液壓站和伺服閥控缸工作臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)液壓伺服系統(tǒng)的控制仿真。在虛擬實(shí)驗(yàn)室的墻面設(shè)置多個(gè)顯示模塊，支持PPT演示、視頻播放、答題測(cè)試等功能。其中，PPT模塊和視頻模塊可整合實(shí)驗(yàn)資料、優(yōu)質(zhì)慕課等教學(xué)資源，供用戶自主學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了液壓元件展示臺(tái)，用于擺放電機(jī)、泵、多路閥塊、電磁閥、液壓缸等元件，對(duì)每一元件配置了用于展示結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，如圖5所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)交互界面設(shè)計(jì)主要包含系統(tǒng)登錄界面設(shè)計(jì)、知識(shí)回顧界面設(shè)計(jì)、液壓伺服仿真實(shí)驗(yàn)交互界面設(shè)計(jì)。登錄界面是用戶與系統(tǒng)交互的第一接觸點(diǎn)，此處設(shè)置“學(xué)生登錄、教師登錄、管理員登錄”3個(gè)子模塊；學(xué)生登錄成功后，自動(dòng)進(jìn)入“知識(shí)回顧”界面，可對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)、了解并掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求；液壓伺服控制仿真實(shí)驗(yàn)交互界面是用戶和實(shí)驗(yàn)設(shè)備之間的溝通媒介，用戶可在該界面輸入控制參數(shù)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)據(jù)此執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，將重要參數(shù)信息以動(dòng)態(tài)圖線或單個(gè)數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)交互界面為例，交互界面包含控制參數(shù)輸入、傳感器反饋信息顯示、系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)跟蹤及操作按鈕等模塊，通過模塊化的界面設(shè)計(jì)和后期的數(shù)據(jù)顯示，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的直觀呈現(xiàn)，輔助用戶全面掌握伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)

依托實(shí)驗(yàn)組件、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)功能模塊和虛擬引擎功能，設(shè)計(jì)液壓伺服虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的具體功能，包含基于數(shù)據(jù)鏈接的虛實(shí)交互功能、液壓伺服控制實(shí)時(shí)仿真模擬功能和數(shù)據(jù)可視化與分析功能。通過傳感器監(jiān)測(cè)、反饋及標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)硬件之間的互聯(lián)、數(shù)據(jù)的傳遞和用戶界面的交互；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)液壓伺服控制實(shí)時(shí)仿真功能，能夠進(jìn)行電液伺服閥靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、液壓缸位置伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)、液壓缸位置伺服控制階躍實(shí)驗(yàn)、正弦曲線位置跟蹤實(shí)驗(yàn)等；同時(shí)，用戶可根據(jù)個(gè)人興趣和知識(shí)儲(chǔ)備進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的拓展開發(fā)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)按照實(shí)際設(shè)備樣式搭建并提供原理性演示，包括實(shí)驗(yàn)過程中管道內(nèi)油液的流向、伺服閥芯的運(yùn)動(dòng)、液壓缸活塞的動(dòng)作等，液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)如圖6所示，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)可形成實(shí)時(shí)變化的曲線、散點(diǎn)圖并提供數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、篩選、排序功能，幫助用戶深入理解、把握實(shí)驗(yàn)過程中液壓系統(tǒng)的介質(zhì)、元件狀態(tài)變化，定量探索分析系統(tǒng)參數(shù)和性能指標(biāo)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，為多維度理解液壓系統(tǒng)、伺服控制等方面提供強(qiáng)大的工具支持。

4 結(jié)語

本文基于三維建模和虛擬引擎技術(shù)對(duì)液壓伺服課程配套的液壓伺服控制實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室開展了虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新研究，得到以下3點(diǎn)結(jié)論：

（1）在對(duì)用戶進(jìn)行多維需求分析的基礎(chǔ)上，提出了分層、分模塊的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)邏輯框架和執(zhí)行框架設(shè)計(jì)，保證了職責(zé)清晰和靈活性兼具特征；

（2）開展實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、機(jī)械設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備測(cè)繪建模，搭建液壓伺服控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、答題測(cè)試等功能；

（3）設(shè)計(jì)開發(fā)模塊化的實(shí)驗(yàn)交互界面，借助在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際硬件之間 的互聯(lián)，在實(shí)驗(yàn)執(zhí)行的同時(shí)可對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、篩選和初步分析。

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［11］陳李萍.基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的現(xiàn)代漁業(yè)裝備虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)及開發(fā)［D］.舟山：浙江海洋大學(xué)，2022.

［12］劉文元，張揚(yáng)，三梅英，等.基于水電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的BIM與虛擬引擎技術(shù)融合應(yīng)用研究［J］.陜西水利，2023（9）：122-124，127.

（編輯 沈 強(qiáng)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