远程液压实验虚拟仿真教学系统的设计

张宏 王殿龙 柴大利 刘振

摘要：远程虚拟实验教学系统因其共享性强、人机交互性能良好等优势，已经成为教育领域的关注热点。文章结合大连理工大学虚拟仿真实验室建设需求，以电比例阀特性研究为例设计出一套远程液压实验虚拟仿真教学系统。该系统可实现学生在远程客户端通过Web浏览器登录液压实验室网站，操控工程级别的力士乐DS4实验台实现液压系统的实际操作以及液压回路的虚拟仿真设计，并能获取真实实验表象及实验数据。该虚拟仿真教学系统的设计丰富了液压实验教学内容，在突破时间和空间的限制的同时，提高学生的空间想象力，增加了学生与试验台视觉近距离接触的机会。

关键词：液压实验;虚拟仿真;远程控制;实验教学

中图分类号：G642.4     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）41-0273-03

液压实验课是机械制造及其自动化专业学生的一项重要教学内容，通过实验环节，学生能够更好地掌握抽象的理论[1，2]，培养分析和解决问题的能力[3，4]。基于虚拟仿真的实验不仅可以辅助教师及学校科研工作，而且在授课方面也具有开放性强、安全性高、经济性好、人机交互界面友好等优点，因此，虚拟仿真实验教学是当前改革实验教学模式的必然趋势[5，6]。

伴随着虚拟现实技术、人机交互技术以及仿真技术等教育信息化技术的日益发展[7，8]，实验教学的时间和场地安排困难、实验内容有限等问题都可以迎刃而解。本文以电液比例阀特性及PID控制实验为例，设计开发出一套远程液压实验虚拟仿真教学系统，实现实验室液压实验平台控制的自动化和智能化，并且能够获得更好的实验体验[9，10]和更加优化的实验结果。

一、系统整体方案

用于构建远程实验教学系统的模型根据不同的控制方法和数据流方法可分为两种：C/S（Client/ Server，Client /Server）模型和B/S（Browser/Server）模型。本文选用的B/S体系结构如图1所示。这是一种基于Web的三层体系结构，主要由客户端浏览器、服务器和实验设备组成。在该结构中，客户端仅安装Web浏览器即可，一般无须安装专门的应用软件，远程学生用户通过Web浏览器向实验室的服务器端发出访问请求，服务器端做出相应响应，将相关数据返回客户端即可完成交互和远程控制。该结构具有开发简单、共享性强、扩展方便等优势，更适用于以教学为使用目的的远程液压实验教学系统。

二、硬件平台设计

本系统采用的硬件主要有四部分，如图2所示。第一部分为DS4液压试验台。其主要优点是模块化结构设計和元件的快速安装组件的德国博世力士乐DS4液压试验台，主要用于液压技术的教学和培训[11]。第二部分为检测元件。由于该系统以电液比例阀特性及PID控制实验为例，其执行元件为液压缸，故而采用拉线式位置传感器作为检测元件。

第三部分为数据采集与信号输入及输出元件。该系统采用NI公司的My RIO。NI my RIO是NI（美国国家仪器有限公司）针对教学而推出的嵌入式系统开发平台，该控制器除了常见的模拟输入、模拟输出、数字I/O之外，还包括I2C总线、SPI总线、PWM、编码器、UART等接口，是一款强大的嵌入式实时处理器[12]，可同时实现数据采集功能与信号输入输出功能。第四部分为用于实时监控的USB摄像头。

三、基于Lab VIEW平台的软件设计

远程液压虚拟仿真实验教学系统的软件是由Lab VIEW[13，14]软件开发平台实现的。用于开发虚拟仿真实验系统软件的平台有三种，即MATLAB/SIMULINK、高级文本语言（如C#、JAVA等）以及Lab VIEW。鉴于Lab VIEW采用图形化编程语言而非传统的文本方式来编写，其编程效率更高，并且其在构建优良的人机交互界面方面具有强大优势。同时，其在网络通信方面也非常方便，因此本文选用Lab VIEW作为远程液压实验虚拟仿真系统系统的主要软件开发平台。

Lab VIEW具有强大的通信功能，其内置Web服务器可将正在运行的各实验程序前面板生产的静态或动态图像嵌入HTML文档中，使得远程客户端的用户通过Web浏览器即可远程查看和控制实验程序。

服务器端的上位机上运行着各实验子模块的程序，而客户端上只需安装跟服务器端的Lab VIEW同版本的Lab VIEW Run Time Engine驱动，即可通过Web浏览器实现对Lab VIEW编写的实验程序的实时控制。

在远程虚拟仿真液压实验教学系统中，对数据库的访问是用户的信息管理的必要步骤，但本文所使用的Lab VIEW软件平台不具备访问数据库的功能，因此需要使用Lab VIEW的Lab SQL工具包来访问数据库，该方法简单且实用，且支持所有基于OBDC的数据库。该系统依托于大连理工大学液压实验室而建立，故而系统可直接使用液压实验室的数据库、网站以及服务器等资源。

对于远程客户端和服务器，其中只有一个可以同时拥有Lab VIEW程序的控制权。此外，主计算机可以控制客户端用户的控制权限。要阻止浏览器获得控制权，只需右键单击上部计算机页面中的“锁定控制”按钮即可锁定实验程序的控制权。而选择“解锁控制”即可恢复远程客户端的控制。对于Lab VIEW生成的HTML页面，使用HTML5和JavaScript对其进行编程。将页面修改为图4中所示的样式。在网页上添加登录屏幕和实验参考视频。

四、网络通信

（一）网络通信系统结构

远程控制系统的控制器在本地端，参与实验设备闭环控制，网络包含在闭环控制系统外，远程端仅负责监控。根据现场实际情况，在原有控制策略的基础上，选择最优控制。另外远程监控端与本地端控制器分开，远程监控端因而不必持续监控被控实验设备运行，减轻了实验者的工作强度。

（二）网络通信方案

目前实验的网络化远程通信主要有以下三种方案：

1.基于以太网直接进行网络通信，这种基于网络的测量采集仪器自身带有网络接口，设置地址后即可直接联网通信。

2.传统设备利用接口转换卡进行网络通信，采用Serial-ENET或GPIB-ENET将传统设备接入网络实现远程控制。

3.客户端计算机利用网络与服务器端计算机通信，服务器端计算机通过USB、以太网、GPIB等总线控制实验设备。

本设计选用第三种方案实现网络通信。上位机通过My RIO控制液压实验设备，客户端计算机利用网络与上位机进行通信，从而远程控制设备进行实验。TCP/IP即传输控制协议/互联网络协议，作为网络层和传输层协议，主要帮助数据信息实现在网络中的传输。通过三次握手来建立通信连接，以确保数据传输的准确性。超文本传输协议（HTTP）作为应用层协议，主要规定了浏览器与Web服务器之间的通信规则，允许超文本标记语言文档从服务器传输到远程客户端浏览器。

五、应用实例

液压实验课分为液压缸顺序动作、液压泵性能实验、液压缸负载特性实验以及电液比例阀特性实验。其中，电液比例阀特性实验是本校液压教学的重中之重。由此，本文以电液比例阀特性及PID控制实验为例，在实验中学生须了解比例方向阀的工作原理以及比例方向阀的流量特性等。该软件的四个部分分别为该系统所能实现的实验的四部分内容，其界面如图6所示。

系统的第一部分内容为相关文字和图表介绍，主要包括电液比例阀工作原理信息、PID控制、液压试验台、液压实验回路、实验注意事项等信息。第二部分为学生操作模块，主要涉及大量信号输入与显示控件，如PID控制的三个主要参数Kp、Ki、Kd的输入控件、液压缸的速度随时间变化的图表等。第三部分为虚拟仿真部分，该部分为平面的虚拟液压回路仿真动图，其突出的创新点在于，该仿真动图的程序引用了真实的实验数据，保证了仿真动图的液体流动速度与真实发生的实验现象同步。第四部分为实时监控部分，由于系统采用的数据采集模块—NI My RIO同时具备USB接口来采集图像信息，所以该系统将USB摄像头与My RIO连接进行实时监控，帮助学生更好地掌握真实的实验现象，尽可能减小远程操作实验与在实验室内进行操作实验之间的差距。从实验结果来看，该远程液压实验虚拟仿真教学系统较为圆满地完成了既定任务，在节约时间和空间的同时，达到了实验目的。

六、结论

基于B/S體系结构，以DS4实验台、Lab VIEW为主要手段的虚拟液压实验室，在维持国内现有研究虚拟实验室优点的基础上，优化了实验的同步性以及对比的可视化性能。软件界面上的相关文字和图表、操作模块、虚拟仿真、实时监控4个部分也有利于学生更好地掌握相关的液压知识，通过液压传动实验，学生对液压回路有初步的调节和测试能力。网络通信方案通过使用HTTP和TCP/IP协议的形式实施，方便了后台人员的管理，在线工具包有助于后续的实验更新，为软件的发展提供了指导。该远程液压虚拟仿真实验教学系统还添加了一些国内目前较为新颖的液压实验教学项目，解决实验教学的时间和场地安排困难等问题的同时，帮助学生自主利用实验室资源，独立进行液压实验。

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