自動控制技術在農業機械設計中的應用

陶浩然 鄧嫄媛 袁汐燁 戢 敏 喬水明

（成都大學機械工程學院，四川 成都 610000）

0 引言

農業機械化發展實現了農業生產方式以人畜力為主向以機械化為主的重大轉變。在全面推進鄉村振興戰略的背景下，大力發展農業機械自動化技術成為提升農業生產效率、保障糧食安全的重要舉措。自動化控制技術是農業機械智能化發展的關鍵技術支撐，所以，在推動農業高質量發展背景下，我國要擴大自動控制技術在農業機械設計中的應用范圍，以此助力農業經濟高質量發展。

1 自動控制技術概述

自動控制技術是控制論的技術實現應用，是通過具有一定控制功能的自動控制系統，來完成某種控制任務，保證某個過程按照預想進行，或者實現某個預設的目標。目前，自動控制技術主要包括3種控制方式。一是開環控制，是不將控制結果反饋回來影響當前控制的系統。其主要是按照事先確定好的程序，依次發出信號去控制對象。二是閉環控制，是輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對自動控制過程產生直接影響，其不易受外界環境影響，但是在具體實施過程中存在一定的震蕩、超調問題。三是復合控制，是將偏差控制與抗擾動控制結合起來，消除擾動帶來的偏差。

2 自動控制技術在農業機械設計中的應用優勢

隨著我國農業機械制造技術的不斷發展，自動控制技術在農業機械設計中的應用越來越廣泛。剖析原因，主要在于自動控制技術應用于農業機械設計中具有巨大的優勢，具體體現在以下幾個方面。

2.1 實現實時監控，提高農業機械運行效率

隨著農業機械化發展程度的不斷加深，要求農業機械不僅要具備穩定的運行系統，而且需要實現無人操作。自動控制系統具有響應速度快、反饋時間短等特點，其能針對農業機械設備的運行狀態進行實時監測，從而有效提高農業機械設備的運行效率。例如，基于自動控制技術的無人噴藥設備，通過利用遠程控制技術、紅外視覺技術能將設備的運行狀態反饋至控制系統，控制系統根據無人噴藥設備的運行參數做出相應的操作指令，實現對無人噴藥設備的遠程控制。

2.2 自動排除故障，降低農業機械故障發生率

由于農業生產環境比較復雜，傳統的農業機械設備在運行過程中易出現各種故障，影響農業生產。而將自動控制技術應用在農業機械設計中，可以有效解決機械設備無法實時診斷的問題。一方面通過引入自動控制技術可以對機械設備的運行狀態進行實時監測，當系統監測到異常信息后，控制系統會發出預警，并且做出自動診斷的指令，自動篩查農業機械運行參數，以此找出農業機械設備存在的故障；另一方面通過控制系統的自我診斷數據，對農業機械進行故障檢修，從而有效降低故障發生率。例如，玉米收割機運行時，通過對玉米收割機運行速度、準確度等數據的分析，能夠發現設備存在的潛在故障，進而及時利用控制系統調整相應的參數，從而有效降低故障發生率。

2.3 提高作業精度，降低農業機械操作難度

傳統的農業機械操作較為復雜，需要操作人員不斷操作各種控制設備，一旦出現操作失誤，就會產生嚴重的后果。而自動控制技術的應用大大降低了農業機械的操作難度，構建了集中化、簡約化的操作架構體系。一方面，通過集約化的操作系統大大提高了農業作業的精準度。自動控制系統具有監控攝像機聯動報警功能，當出現觸發自動控制系統的信號后，自動控制攝像機就會發出報警信號，從而便于及時調整農業機械的作業工藝。例如，在小麥收割機設計中，引入自動控制系統后，能實現對收割面積、收割長度的精準設計，達到精準化作業的效果。另一方面，依托自動控制技術所構建的操作系統不需要操作人員來回操作機械設備，操作人員定期管控中央控控制系統即可，大大減少了農業機械操作人員的勞動量。

3 自動控制技術在農業機械中的具體應用

農業機械是應用于農作物種植過程中的各種機械，包括農用動力機械、作物收獲機械、農產品加工機械、農田排灌機械及農用運輸機械等。自動控制技術在當前農業機械設計中已得到廣泛應用，具體應用情況如下。

3.1 自動控制技術在耕作機械中的應用

土壤質量直接影響農產品的產量和質量，土壤耕作是農業增產增收的重要措施。耕作機械是農業生產的主要機械設備，傳統的耕作機械忽視對土壤耕作深度、水分等諸多因素的考慮，導致耕作質量不高?；趥鹘y耕作機械存在的問題，可將自動控制技術引入耕作機械中提高其使用效果。一方面，構建耕作機械導航系統，提升耕作機械的安全性能。在耕作作業中，因深翻土壤會產生大量的灰塵，從而影響駕駛員的視野，易帶來安全隱患。利用自動控制技術構建導航駕駛系統，可實現對耕作機械的自動感應控制。具體是指利用環境感知技術、視覺導航技術及電磁導航技術，根據駕駛員的習慣及耕作線路要求對耕作機械進行遠程監控，實現對駕駛路線的及時優化。同時，為了簡化耕作機械的操作，可構建耕作機械智能操作系統，即在駕駛室內安裝Multi control扶手控制臺與CIP直觀控制面板，設置AFSPro700TM觸屏監視器，將其與駕駛座椅連接，將所有操作集成在一個簡單的控制器上。另一方面，構建傳感器控制系統，圍繞作業對象實施差異化的耕作方式。及時監測土壤結構對提高農作物產量意義重大，因此，在耕作機械中要設置傳感器控制系統，對土壤環境進行在線監測，根據監測的數值調整耕作的深度、廣度及耕作次數等數值。例如，利用氣流傳感器對土壤的透氣性進行測量，傳感器將測量的數據傳輸到移動終端設備中，移動終端設備根據反饋的數據與土壤標準進行對比，如果偏離標準數值，系統就會發出指令，以此控制耕作機械調整耕地工藝并改善土壤的透氣性。

3.2 自動控制技術在農業噴霧機械中的應用

噴霧機械就是用于噴灑液體的機械設備。在我國綠色農業發展中，要求結合農作物的實際生長情況進行藥劑噴灑作業，將噴灑作業的精度提高到厘米級，防止出現過度噴灑現象。傳統的噴灑機械難以達到該要求，而自動控制技術的應用則可以實現噴灑作業的精準化控制。例如，在噴灑機械中設置視覺感應系統。噴灑除草劑時，視覺感應系統會將噴灑的區域圖像傳入控制系統中，控制系統利用計算機視覺算法識別區域內的雜草并計算雜草的相對或絕對位置，將該信息返回到控制系統中；控制系統會根據噴霧器自身的位置、速度及雜草的位置，到達雜草附近時開啟噴嘴，噴灑除草劑。

3.3 自動控制技術在農業灌溉設備中的應用

農田灌溉是農業生產的重要環節。傳統的農業灌溉設備不僅能耗高，而且故障發生率相對較高。利用自動控制技術的農業灌溉設備主要是利用傳感器等實現對農業灌溉全過程的動態監控，具體就是通過對土壤、作物、氣象等各類因素的采集、分析后，由操作系統發送相關指令對田間各類控制閥門進行控制，以降低人工分析決策的不合理性因素對農業灌溉的影響。農業灌溉自動控制系統的工作原理為傳感器將采集的信號送入智能控制模塊，通過通信系統上傳至上位機或控制中心進行顯示、處理及存儲。系統根據實時采集的數據與相應的灌溉需求量的設定值進行比較判斷，來控制電磁閥開啟和延續時間長短，實現農業灌溉智能化控制。

3.4 自動控制技術在農業打捆機中的應用

打捆機是秸稈回收必不可少的有效工具之一，構建智能化的控制系統可以提高秸稈回收效率、減少資源損失。通過引入自動控制技術能實現遠程控制，提升打捆機的作業準確率。其主要是應用北斗定位、傳感器、液壓精密控制等技術，通過分析設備上的各類傳感器數據來判斷打捆機各關鍵部件的運行狀態，并根據設定的觸發條件控制電磁閥或電機動作，實現打捆自動化。具體就是在壓捆室兩側各安裝1個強度傳感器，監測打捆機的運行狀態，如果出現兩側密度較大的問題，系統會發出警報，提醒駕駛人員向密度小的一側行駛，以此保障打捆質量。同時，通過控制壓捆室油缸自動卸出成型草捆，系統自動統計草捆數量，節省專人統計的人力成本，提高作業效率。

4 農業機械自動化控制設計的發展方向

基于自動化控制技術在農業機械設計中的應用，以智能化為代表的農業機械成為推動農業高質量發展、提升農業生產力的重要保障。隨著我國人工智能技術的不斷發展，未來農業機械自動化控制設計水平將不斷提升，但需結合我國農業生產實際，從以下方面入手優化農業機械。

4.1 農業機械個性化、差異化設計

我國土地資源豐富、農作物種類繁多，受自然環境、地理位置等諸多方面的影響，農業機械需求呈現差異化、個性化趨勢。例如，基于南方多丘陵農田的特點研發小型化的機械設備，以此滿足丘陵地區農業生產要求。

4.2 農業機械控制系統數字化、智能化設計

農業機械控制系統是農業機械設計的核心，雖然大數據技術、云計算技術在現代機械設計中得到了廣泛應用，但是我國農業機械設備的控制系統仍然缺乏集成化控制模塊，直接影響農業機械設備的設計性能。所以，在現代農業機械設計上要突出智能控制系統的創新發展，將農業機械控制系統與大數據、物聯網進行融合，不斷增強農業機械的適應性能，拓展其精準作業功能，提升其作業的高效性。

4.3 在農業機械設計中融入多層次協同仿真技術

2018年國務院印發的《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》提出，要促進物聯網、大數據、移動互聯網、智能控制和衛星定位等信息技術在農機裝備和農機作業上的應用?；谵r業機械化發展要求，傳統農業機械單一的功能已不能滿足規模化生產要求。因此，基于土壤-植物-機器體系的復雜農業機械多領域仿真分析已成為當前研究的重點和熱點，柔性建模技術、多學科協同、人機交互等成為優化農業機械性能的重要技術支撐。所以，在農業機械設計中要關注多層次協同仿真技術的融入，實現一體化作業要求。

5 結語

隨著我國鄉村振興戰略的實施，提升農業機械設計水平對推動農業經濟高質量發展具有重要意義。隨著人工智能、機器人、云計算及區塊鏈等技術的不斷發展，我國要發揮自動控制技術的優勢，依托自動控制技術提升農業機械裝備的整體質量，拓展其功能，助力于機械設備智能化發展。