自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用

孟慶亮 陳亦軍 范巍挺

摘 要： 在推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的背景下，將自動化技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是發(fā)展的重點。引入自動化技術(shù)不僅能夠使農(nóng)業(yè)機械在生產(chǎn)中發(fā)揮最大作用，也能有效提升現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力、減少勞動力的需求。主要探析了自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè);自動控制技術(shù);農(nóng)業(yè)機械

中圖分類號： F323.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.062

1 自動控制技術(shù)的基本含義

由控制器、被控制對象、執(zhí)行操作的設(shè)備和傳感器等部分構(gòu)成的技術(shù)被稱為自動控制技術(shù)。包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制和補償控制在內(nèi)的多種控制技術(shù)是目前比較常見的自動控制技術(shù)種類。其中結(jié)構(gòu)設(shè)置比較簡單，自動化水平低的是開環(huán)控制，這種方式操作時受外界環(huán)境影響比較大，同時缺少反饋功能;閉環(huán)一般采用專門的措施控制輸出，在輸入端也有控制技術(shù)應(yīng)用從而形成閉環(huán);如果想減少外界因素的影響，可利用補償控制采取提前設(shè)置控制方式的手段加以實現(xiàn)。

2 我國農(nóng)業(yè)自動化控制現(xiàn)狀

我國是農(nóng)業(yè)大國，但由于目前工業(yè)化程度不夠，所以大部分農(nóng)民進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時主要還是以人力的方式進行，由于機械化水平不足，所以農(nóng)民在進行生產(chǎn)時只是部分應(yīng)用精細(xì)化的機械操作。但農(nóng)民已經(jīng)認(rèn)識到，全面自動化不僅能夠提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，還能減輕勞動力負(fù)擔(dān)。隨著發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)趨于飽和，農(nóng)業(yè)自動化也逐漸向亞洲國家轉(zhuǎn)移。

2.1 農(nóng)業(yè)機械部分自動化控制技術(shù)

農(nóng)業(yè)機械部分自動化指的是一部分機械具有自動化裝置，例如液壓三點懸掛的拖拉機就屬于這一范疇。傳統(tǒng)拖拉機運轉(zhuǎn)中會因為自身的抖動造成機器的零部件發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱量，甚至引發(fā)火災(zāi)。而新型拖拉機則有自動裝置的輔助，可以對機體的溫度進行感應(yīng)，從而控制拖拉機的工作，這樣就能減少發(fā)生故障的幾率，不僅能夠提高使用效率，還能延長拖拉機的使用壽命。

半自動灌溉操作是由工作人員控制自動化技術(shù)進行，首先對農(nóng)耕地進行劃分，一個設(shè)備負(fù)責(zé)三片區(qū)域，確定灌溉的范圍，從而節(jié)約成本;自動化灌溉技術(shù)也能減少農(nóng)民和操作人員的工作量，節(jié)約水資源，發(fā)揮水資源的最大利用價值。

2.2 在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中應(yīng)用自動化控制技術(shù)

自動控制技術(shù)是通過采用精細(xì)化管理模式來實現(xiàn)在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的。這種模式下可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理優(yōu)化，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的品質(zhì)。目前的精細(xì)化農(nóng)業(yè)自動化控制技術(shù)主要應(yīng)用于溫室，技術(shù)人員利用泵站和渠系對農(nóng)產(chǎn)品的生長情況進行監(jiān)控分析，并負(fù)責(zé)設(shè)備的管理維護。目前自動控制技術(shù)在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還處于起步階段，后期優(yōu)化需要不斷降低操作人員的任務(wù)量。

技術(shù)人員通過互聯(lián)網(wǎng)和計算機對監(jiān)控測量得到的數(shù)據(jù)進行整理后輸入到自動控制系統(tǒng)，來進行自動化管理，從而開展精細(xì)化作業(yè)。這種方式需要技術(shù)人員在初期定時去現(xiàn)場監(jiān)督，避免設(shè)備卡頓影響測量結(jié)果。

3 自動控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械的優(yōu)勢

3.1 精度高

自動化控制技術(shù)的精確性很大程度上由元器件的精度和準(zhǔn)度決定，因此元器件的精度和準(zhǔn)度直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)機械操作的精度。例如在位置信息的反饋中，傳統(tǒng)的傳感器不僅在響應(yīng)方面落后，精度也很低;而目前使用的光電編碼器可以將精度縮小為傳統(tǒng)精度的1/25，可以說是巨大的進步和超越，農(nóng)業(yè)機械自動化精度的提高可以明顯增大農(nóng)業(yè)機械的應(yīng)用范圍。此外，傳統(tǒng)機械傳感器的實際使用功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出核定標(biāo)準(zhǔn)，而且由于損耗嚴(yán)重，需要常常更換零部件;而光電編碼器由于避免了部位之間的直接接觸，所以由于磨損帶來的損耗和浪費也就普遍低于傳統(tǒng)方式。這也是為什么光電編碼器目前能夠在農(nóng)業(yè)機械自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的原因。

3.2 穩(wěn)定與可靠

自動化控制技術(shù)可以保持機械工作的穩(wěn)定性，確保運行效率和經(jīng)濟收益。同時光電隔離是機械控制中信號輸入輸出的主要實現(xiàn)方式，這使得電氣系統(tǒng)也能做到機械內(nèi)外電路的有效隔離，各模塊之間的屏蔽措施使外部環(huán)境對機械化產(chǎn)生的干擾減少，從而使機械設(shè)備在不利條件下也能保證正常運行，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

3.3 自我診斷

自動控制技術(shù)可以通過多種傳感設(shè)備對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中出現(xiàn)的故障進行自動檢測和診斷，當(dāng)發(fā)生故障時立刻以光或者聲音的形式釋放出信號發(fā)出警報，并提供相關(guān)參數(shù)作為操作人員的參考，方便他們結(jié)合故障警報，及時準(zhǔn)確地找到故障點和原因，第一時間高效完成故障排查和維護。

3.4 模塊化方便管理

雖然目前我國還沒有全面普及和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械自動化控制，但由于研究人員在設(shè)計中引進了模塊化的思想，為日后使用中維護、保養(yǎng)的問題帶來了極大的便利。這樣一來，某一部分出現(xiàn)問題時就可以有針對性地進行檢查維護而不必對整體進行檢查。根據(jù)不同部位的需求選擇不同的模塊設(shè)備也使操作更加靈活，讓農(nóng)業(yè)的機械操作變得更加簡單方便。

3.5 即時控制

電氣控制是農(nóng)業(yè)自動化的技術(shù)基礎(chǔ)，電氣控制由于信號傳輸速度快，所以耗費時間也就更短，程序運行也比較及時快速。自動化控制可以對不同的設(shè)備進行合理管理，及時有效地保護農(nóng)業(yè)控制裝置，提高系統(tǒng)的工作效率，完成對管控和安全方面的雙重要求，從而確保達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)。

4 在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)可以減輕農(nóng)戶的工作量，提高生產(chǎn)效率。目前常見的農(nóng)業(yè)機械自動控制技術(shù)包括以下幾類。

4.1 溫度濕度自動控制技術(shù)的應(yīng)用

反季節(jié)蔬菜能為農(nóng)戶帶來較高的利潤，但反季節(jié)蔬菜由于對生長環(huán)境的溫度和濕度有很高的要求，因此關(guān)于它們的管理也就更為復(fù)雜。由于農(nóng)戶需要對種植蔬菜的生長情況進行全方位的監(jiān)督和管理，所以研究人員將溫濕度傳感器嵌入大棚的研發(fā)和安裝中，在大棚的幾個固定位置設(shè)置溫濕度傳感器，對其中種植的農(nóng)作物的生長情況進行全天記錄，并將數(shù)據(jù)返回到系統(tǒng)內(nèi)，計算機根據(jù)反饋的參數(shù)分析實際情況后再根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)來控制和調(diào)整溫濕度，進行排風(fēng)、干燥、加濕、制冷或制熱等操作，從而維持棚內(nèi)的溫濕度在一個適合農(nóng)作物生長的范圍內(nèi)。

4.2 自動采摘技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在的自動控制技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用的比較成熟廣泛，可以同時實現(xiàn)對多種農(nóng)作物的自動化管理，比如農(nóng)作物的采摘設(shè)備根據(jù)預(yù)設(shè)的路線，將采摘目標(biāo)的相關(guān)情況返回系統(tǒng)，再由計算機對采摘設(shè)備下達(dá)指令。采摘設(shè)備沿規(guī)定的路線前進時，會根據(jù)多種自動傳感器的反饋對蔬菜的生長情況進行分析判斷。如果農(nóng)作物滿足采摘條件，再進一步結(jié)合其他不確定因素決定是否進行采摘操作。

這類技術(shù)由于自動化程度較高，比較適合那些已經(jīng)完成全面自動化的蔬菜大棚，同時也對工作人員計算機操作水平提出了新要求，需要操作員根據(jù)不同的蔬菜種類設(shè)置采摘指標(biāo)。自動化采摘技術(shù)的好處是避免了人工采摘工作的繁瑣枯燥和人工失誤，同時也減少了非自動化統(tǒng)一采摘設(shè)備造成的浪費，節(jié)省了采摘設(shè)備的數(shù)量，降低了農(nóng)戶的成本。

4.3 視覺識別技術(shù)的應(yīng)用

由于不同蔬菜對光照的需求不同，種植了多種蔬菜的大棚，農(nóng)戶需要不斷根據(jù)蔬菜的生長周期來調(diào)整光照類型和強度，這對農(nóng)戶來說是比較大的勞動量，并且難度較大，難以實現(xiàn)精確控制。在蔬菜大棚的自動化控制系統(tǒng)內(nèi)添加視覺識別系統(tǒng)，可以對大棚內(nèi)不同的蔬菜進行區(qū)分，根據(jù)不同生長周期對應(yīng)的不同外觀變化，對棚內(nèi)自動遮光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對光照強度變化的控制，保證了蔬菜對光照的需求。這一過程也不需要人的參與，有效降低了農(nóng)戶的勞動成本。不過由于視覺識別技術(shù)的成本較高，因此更加適合那些具有高附加值的蔬菜，在普通蔬菜大棚內(nèi)仍未得到普及應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜上所述，在農(nóng)村地區(qū)推廣自動化機械設(shè)備能夠極大促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動力。由于目前農(nóng)村并未對自動化控制技術(shù)進行全面的推廣使用，所以可以先在生產(chǎn)中針對某些環(huán)節(jié)進行模塊化的設(shè)置，如應(yīng)用文中提到的自動采摘、視覺識別和溫度濕度控制等技術(shù)，這樣做既是為日后全面推廣自動控制技術(shù)作鋪墊，也能夠在一定程度上緩解農(nóng)村的勞動壓力，進而有效推動農(nóng)業(yè)自動化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 劉強.自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用[J].農(nóng)機使用與維修，2017（3）：1-2.

[2] 彭宏麗.自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的運用探討[J].電子質(zhì)量，2018（4）：6-7+10.

[3] 潘治理.自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的運用[J].南方農(nóng)機，2018，49（4）：69.