遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張宏 王殿龍 柴大利 劉振

摘要：遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)因其共享性強(qiáng)、人機(jī)交互性能良好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為教育領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。文章結(jié)合大連理工大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需求，以電比例閥特性研究為例設(shè)計(jì)出一套遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)學(xué)生在遠(yuǎn)程客戶端通過(guò)Web瀏覽器登錄液壓實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，操控工程級(jí)別的力士樂(lè)DS4實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的實(shí)際操作以及液壓回路的虛擬仿真設(shè)計(jì)，并能獲取真實(shí)實(shí)驗(yàn)表象及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)豐富了液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在突破時(shí)間和空間的限制的同時(shí)，提高學(xué)生的空間想象力，增加了學(xué)生與試驗(yàn)臺(tái)視覺(jué)近距離接觸的機(jī)會(huì)。

關(guān)鍵詞：液壓實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;遠(yuǎn)程控制;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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

液壓實(shí)驗(yàn)課是機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠更好地掌握抽象的理論[1，2]，培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力[3，4]?；谔摂M仿真的實(shí)驗(yàn)不僅可以輔助教師及學(xué)校科研工作，而且在授課方面也具有開(kāi)放性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好、人機(jī)交互界面友好等優(yōu)點(diǎn)，因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是當(dāng)前改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的必然趨勢(shì)[5，6]。

伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和場(chǎng)地安排困難、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限等問(wèn)題都可以迎刃而解。本文以電液比例閥特性及PID控制實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制的自動(dòng)化和智能化，并且能夠獲得更好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)[9，10]和更加優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、系統(tǒng)整體方案

用于構(gòu)建遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(wù)器和實(shí)驗(yàn)設(shè)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(wú)須安裝專門(mén)的應(yīng)用軟件，遠(yuǎn)程學(xué)生用戶通過(guò)Web瀏覽器向?qū)嶒?yàn)室的服務(wù)器端發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求，服務(wù)器端做出相應(yīng)響應(yīng)，將相關(guān)數(shù)據(jù)返回客戶端即可完成交互和遠(yuǎn)程控制。該結(jié)構(gòu)具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、共享性強(qiáng)、擴(kuò)展方便等優(yōu)勢(shì)，更適用于以教學(xué)為使用目的的遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

二、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(yàn)臺(tái)。其主要優(yōu)點(diǎn)是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和元件的快速安裝組件的德國(guó)博世力士樂(lè)DS4液壓試驗(yàn)臺(tái)，主要用于液壓技術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)[11]。第二部分為檢測(cè)元件。由于該系統(tǒng)以電液比例閥特性及PID控制實(shí)驗(yàn)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(cè)元件。

第三部分為數(shù)據(jù)采集與信號(hào)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(guó)國(guó)家儀器有限公司）針對(duì)教學(xué)而推出的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該控制器除了常見(jiàn)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(qiáng)大的嵌入式實(shí)時(shí)處理器[12]，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能與信號(hào)輸入輸出功能。第四部分為用于實(shí)時(shí)監(jiān)控的USB攝像頭。

三、基于Lab VIEW平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的軟件是由Lab VIEW[13，14]軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。用于開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的平臺(tái)有三種，即MATLAB/SIMULINK、高級(jí)文本語(yǔ)言（如C#、JAVA等）以及Lab VIEW。鑒于Lab VIEW采用圖形化編程語(yǔ)言而非傳統(tǒng)的文本方式來(lái)編寫(xiě)，其編程效率更高，并且其在構(gòu)建優(yōu)良的人機(jī)交互界面方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其在網(wǎng)絡(luò)通信方面也非常方便，因此本文選用Lab VIEW作為遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)系統(tǒng)的主要軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

Lab VIEW具有強(qiáng)大的通信功能，其內(nèi)置Web服務(wù)器可將正在運(yùn)行的各實(shí)驗(yàn)程序前面板生產(chǎn)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像嵌入HTML文檔中，使得遠(yuǎn)程客戶端的用戶通過(guò)Web瀏覽器即可遠(yuǎn)程查看和控制實(shí)驗(yàn)程序。

服務(wù)器端的上位機(jī)上運(yùn)行著各實(shí)驗(yàn)子模塊的程序，而客戶端上只需安裝跟服務(wù)器端的Lab VIEW同版本的Lab VIEW Run Time Engine驅(qū)動(dòng)，即可通過(guò)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)Lab VIEW編寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)程序的實(shí)時(shí)控制。

在遠(yuǎn)程虛擬仿真液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)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(tái)不具備訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，因此需要使用Lab VIEW的Lab SQL工具包來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，該方法簡(jiǎn)單且實(shí)用，且支持所有基于OBDC的數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)依托于大連理工大學(xué)液壓實(shí)驗(yàn)室而建立，故而系統(tǒng)可直接使用液壓實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)站以及服務(wù)器等資源。

對(duì)于遠(yuǎn)程客戶端和服務(wù)器，其中只有一個(gè)可以同時(shí)擁有Lab VIEW程序的控制權(quán)。此外，主計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)頁(yè)面中的“鎖定控制”按鈕即可鎖定實(shí)驗(yàn)程序的控制權(quán)。而選擇“解鎖控制”即可恢復(fù)遠(yuǎn)程客戶端的控制。對(duì)于Lab VIEW生成的HTML頁(yè)面，使用HTML5和JavaScript對(duì)其進(jìn)行編程。將頁(yè)面修改為圖4中所示的樣式。在網(wǎng)頁(yè)上添加登錄屏幕和實(shí)驗(yàn)參考視頻。

四、網(wǎng)絡(luò)通信

（一）網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的控制器在本地端，參與實(shí)驗(yàn)設(shè)備閉環(huán)控制，網(wǎng)絡(luò)包含在閉環(huán)控制系統(tǒng)外，遠(yuǎn)程端僅負(fù)責(zé)監(jiān)控。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在原有控制策略的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)控制。另外遠(yuǎn)程監(jiān)控端與本地端控制器分開(kāi)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端因而不必持續(xù)監(jiān)控被控實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行，減輕了實(shí)驗(yàn)者的工作強(qiáng)度。

（二）網(wǎng)絡(luò)通信方案

目前實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程通信主要有以下三種方案：

1.基于以太網(wǎng)直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，這種基于網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量采集儀器自身帶有網(wǎng)絡(luò)接口，設(shè)置地址后即可直接聯(lián)網(wǎng)通信。

2.傳統(tǒng)設(shè)備利用接口轉(zhuǎn)換卡進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用Serial-ENET或GPIB-ENET將傳統(tǒng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.客戶端計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端計(jì)算機(jī)通信，服務(wù)器端計(jì)算機(jī)通過(guò)USB、以太網(wǎng)、GPIB等總線控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

本設(shè)計(jì)選用第三種方案實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。上位機(jī)通過(guò)My RIO控制液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備，客戶端計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信，從而遠(yuǎn)程控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。TCP/IP即傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，作為網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，主要幫助數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。通過(guò)三次握手來(lái)建立通信連接，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。超文本傳輸協(xié)議（HTTP）作為應(yīng)用層協(xié)議，主要規(guī)定了瀏覽器與Web服務(wù)器之間的通信規(guī)則，允許超文本標(biāo)記語(yǔ)言文檔從服務(wù)器傳輸?shù)竭h(yuǎn)程客戶端瀏覽器。

五、應(yīng)用實(shí)例

液壓實(shí)驗(yàn)課分為液壓缸順序動(dòng)作、液壓泵性能實(shí)驗(yàn)、液壓缸負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)以及電液比例閥特性實(shí)驗(yàn)。其中，電液比例閥特性實(shí)驗(yàn)是本校液壓教學(xué)的重中之重。由此，本文以電液比例閥特性及PID控制實(shí)驗(yàn)為例，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)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(gè)部分分別為該系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(guān)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(yàn)臺(tái)、液壓實(shí)驗(yàn)回路、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等信息。第二部分為學(xué)生操作模塊，主要涉及大量信號(hào)輸入與顯示控件，如PID控制的三個(gè)主要參數(shù)Kp、Ki、Kd的輸入控件、液壓缸的速度隨時(shí)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(dòng)圖，其突出的創(chuàng)新點(diǎn)在于，該仿真動(dòng)圖的程序引用了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證了仿真動(dòng)圖的液體流動(dòng)速度與真實(shí)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同步。第四部分為實(shí)時(shí)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(shí)具備USB接口來(lái)采集圖像信息，所以該系統(tǒng)將USB攝像頭與My RIO連接進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，幫助學(xué)生更好地掌握真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，盡可能減小遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)與在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)之間的差距。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該遠(yuǎn)程液壓實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)較為圓滿地完成了既定任務(wù)，在節(jié)約時(shí)間和空間的同時(shí)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

六、結(jié)論

基于B/S體系結(jié)構(gòu)，以DS4實(shí)驗(yàn)臺(tái)、Lab VIEW為主要手段的虛擬液壓實(shí)驗(yàn)室，在維持國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究虛擬實(shí)驗(yàn)室優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)的同步性以及對(duì)比的可視化性能。軟件界面上的相關(guān)文字和圖表、操作模塊、虛擬仿真、實(shí)時(shí)監(jiān)控4個(gè)部分也有利于學(xué)生更好地掌握相關(guān)的液壓知識(shí)，通過(guò)液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)液壓回路有初步的調(diào)節(jié)和測(cè)試能力。網(wǎng)絡(luò)通信方案通過(guò)使用HTTP和TCP/IP協(xié)議的形式實(shí)施，方便了后臺(tái)人員的管理，在線工具包有助于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)更新，為軟件的發(fā)展提供了指導(dǎo)。該遠(yuǎn)程液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還添加了一些國(guó)內(nèi)目前較為新穎的液壓實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和場(chǎng)地安排困難等問(wèn)題的同時(shí)，幫助學(xué)生自主利用實(shí)驗(yàn)室資源，獨(dú)立進(jìn)行液壓實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶春燕，吉淑嬌.基于LabVIEW的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shè)計(jì)[J].電子器件，2018，（2）.

[3]梁莉娟.學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].高教學(xué)刊，2017，（3）：114-115.

[4]萬(wàn)桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)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(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，（12）：114-116.

[6]彭慧.基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（6）：264-265.

[7]馬馳，王開(kāi)宇，姜艷紅，等.電工電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展淺析[J].工業(yè)和信息化教育，2018，（1）.

[8]孫雋，楊延梅.高校實(shí)驗(yàn)課分層教學(xué)的改革探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（7）：200-204.

[9]趙宏偉，秦昌明.基于B/S 3層體系結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)方法研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（7）：64-66.

[0]趙磊，趙國(guó)生，張艷芳.基于B/S結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中心管理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（18）：1-2.

[1]王佳慶，彭芳.基于PLC的博世力士樂(lè)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的改造及應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2013，（20）：149-153.

[12]明仲，蔡茂國(guó)，朱安民.虛實(shí)結(jié)合建設(shè)高水平虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（11）：146-150.

[13]郭潤(rùn)蘭，康艷萍，楊東亞.機(jī)械原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室資源共享平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（06）：108-110.

[14]陳敏捷，羊榮金，沈孟鋒.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（04）：136-139.