農業機械控制工程技術發展分析

張祥寧 張婷婷

近年來，農業機械控制工程技術經歷了從手工操作到機械化，再到自動化、智能化的演進過程。這一領域的技術發展日新月異，為我國農業提供了強大的技術支撐。

一、農業機械控制工程技術的歷史沿革

隨著工業革命的到來，蒸汽機、內燃機等動力機械逐漸進入農田，標志著農業機械化開始起步。20世紀中期，隨著電子技術、自動化技術的逐漸成熟，農業機械控制工程技術迎來了新的發展機遇。各類傳感器開始廣泛應用于農業機械，為農機提供了精確的數據支撐。此外，液壓控制系統、電子控制單元（ECU）、全球定位系統（GPS）等先進技術也紛紛應用于農業機械中，提高了農機的操作精確性和自動化程度。智能化農業機械開始走入農田，如自動導航拖拉機、無人駕駛收割機等。物聯網技術使得農業機械能夠實時與后臺數據中心通信，為農機操作提供了實時的數據支持。同時，遙感技術和無人機技術也在農業中得到了廣泛應用，為農機提供了空中的視角，實現了對農田的全面監控。此外，人工智能技術在農業機械控制工程技術中的應用也呈現出爆發式的增長。智能識別算法可以幫助農機實時識別作物與雜草，實現精準施藥和施肥。深度學習技術則通過大量的數據訓練，使農機能夠自動學習、優化操作策略，提高農機的工作效率。

農業機械控制工程技術從簡單的手工操作，經歷了機械化、自動化到現今的智能化，不斷地為農業生產帶來效率的提升和生產成本的降低，為現代農業的發展提供了強大的技術支撐。

二、農業機械控制工程技術的發展

（一）計算機技術的應用

農業機械控制工程技術在近年來得益于計算機技術的高速發展，顯著提升了其性能和應用范圍。首先，嵌入式系統在農業機械中的應用，提高了設備的智能化水平。嵌入式系統具有低功耗、高效率和小型化的特點，能夠為農業機械提供強大的數據處理能力。通過集成多種傳感器，如土壤濕度傳感器、光照強度傳感器和作物生長狀態傳感器，農業機械可以實時獲取田間的各種數據，再通過嵌入式系統進行數據的處理和分析，為農機操作提供精確的控制策略，從而實現精準施肥、灌溉和收割。其次，計算機模擬技術為農業機械設計提供了強大的工具。通過有限元分析、動力學模擬和流體動力學模擬等高級計算機模擬技術，工程師可以在計算機上對農業機械的性能進行預測和優化，縮短產品的研發周期。例如，在農業機械的結構設計中，有限元分析可以幫助工程師預測結構在不同工況下的應力和變形情況，確保機械的結構強度和使用壽命。而在農業機械的動力系統設計中，動力學模擬可以幫助工程師優化動力系統的參數，提高機械的工作效率和節能性。最后，人機交互技術在農業機械控制中也起到了至關重要的作用。通過觸摸屏、語音識別和增強現實（AR）等前沿的人機交互技術，農機操作者可以更加直觀、方便地與機械進行交互，提高操作的效率和準確性。例如，通過觸摸屏，操作者可以直接在屏幕上進行各種設置和調整，無需復雜的按鍵操作。而通過語音識別技術，操作者可以通過簡單的語音指令控制農業機械，無需手動操作。此外，增強現實技術可以為操作者提供實時的作物生長信息、土壤狀態等數據，幫助其更好地理解田間的實際情況，做出更加合理的決策。

計算機技術在農業機械控制工程技術中的應用，不僅提高了農機的性能和智能化水平，也為農業生產帶來了更高的效率和更好的質量。

（二）傳感器技術的發展

農業機械控制工程技術在近幾十年中得益于傳感器技術的進步，從而實現了高精度、高效率的農作物生產。首先，土壤傳感器的廣泛應用已經變革了傳統農業灌溉、施肥策略。土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器以及土壤電導率傳感器等，通過實時監測土壤的水分、溫度及營養狀況，為農機提供了關鍵數據，從而確保精準灌溉和施肥，最大化農作物的產量并優化資源利用率。其次，作物生長監測傳感器已經成為農業機械不可或缺的一部分。通過植物光合作用率傳感器、葉面溫度傳感器及葉綠素含量傳感器等，農業機械現在能夠對作物的生長狀況進行實時、細致地監測。這不僅有助于及時發現作物生長中的問題，還可以在收獲時刻為機械提供準確的數據，確保最佳的收獲時間和最大化的作物質量。與此同時，這些傳感器還支持對農藥和肥料的精確施用，保證作物健康生長，同時減少對環境的影響。最后，近距離遙感傳感器在農業機械中的應用也呈現出日益增長的趨勢。這些傳感器，包括多光譜相機、熱紅外相機和激光雷達等，被集成在無人機或農業機械上，從空中對農田進行高分辨率的監測。與此同時，這些遙感傳感器可以為農機提供大面積的、連續的田間數據，為農機控制策略的優化提供了寶貴的信息源。例如，通過多光譜相機可以檢測到作物受到的病蟲害或缺水情況，進而農機可以在必要的區域進行精準噴藥或灌溉。

從土壤狀況的實時監測，到作物生長狀況的精細管理，再到空中的高分辨率遙感監測，傳感器技術確保了農業生產的高效率、高質量，同時對資源的合理利用和環境保護也作出了重要貢獻。

（三）自動控制系統的應用

農機自動控制技術近年來取得了顯著進展，為農業生產帶來了革命性的改變。首先，基于PID控制原理的閉環控制系統已廣泛應用于各種農業機械，如拖拉機、收割機和噴霧機等。這些控制系統能夠實時采集機械的工作狀態，如速度、位置和負荷等參數，然后通過PID控制算法對機械的動作進行調節，確保其穩定、準確地完成預定任務。例如，當收割機在不平整的地形上工作時，閉環控制系統可以自動調節刀片的高度，確保與地面的恒定距離，從而保證收割的均勻性和效率。其次，模糊控制和神經網絡控制技術也在農業機械中得到了廣泛應用。與傳統的PID控制相比，這些高級控制策略能夠更好地處理農業生產中的非線性、不確定和復雜的情況。例如，農田的土壤狀況、作物生長狀態和氣候條件等因素都可能影響農機的工作效果，而模糊控制和神經網絡控制可以根據這些因素的實時變化，自動調整農機的控制策略，確保最佳的工作效果。在施肥或噴藥時，這些控制技術可以實現對肥料或農藥量的精確控制，既保證作物的生長需求，又減少了對環境的影響。最后，機器視覺技術與自動控制系統的結合，為農業機械帶來了前所未有的智能化水平。通過裝載在農機上的攝像頭和圖像處理算法，農機可以實時識別田間的作物、雜草和病蟲等目標，并根據這些信息調整自己的工作策略。例如，當農機進行機械除草時，機器視覺系統可以幫助它識別并避開作物，只對雜草進行精確施藥或機械操作，提高工作的準確性和效率。

自動控制系統在農業機械控制工程技術中的應用，為農業生產帶來了高效、精確和環保的新模式。從基于PID原理的閉環控制，到模糊控制和神經網絡控制的高級策略，再到機器視覺技術的智能化應用，農業機械在自動控制系統的支持下，正朝著更高的智能化、自動化方向邁進。

三、結語

隨著科學技術的飛速發展，農業機械控制工程技術已經從簡單的機械操作轉化為高度自動化、智能化的系統集成。現代農業機械不僅能夠準確響應各種環境條件，還能通過先進的控制系統、傳感器技術和機器視覺等技術，進行自我調整，以最大化生產效率和資源利用率。這種技術變革不僅提高了農業生產的經濟效益，還降低了對環境的負面影響。未來，隨著物聯網、大數據和人工智能等技術在農業領域的進一步應用，農業機械控制工程技術將進入一個全新的創新高峰，為全球農業持續、可持續的發展提供強大的技術支持。

（作者單位：青島市即墨區龍山街道辦事處）