自動控制技術在農業機械中的應用

范洋洋

（武威職業學院，甘肅 武威 733000）

0 引言

我國是一個以農業為主的國家，農業機械化程度直接關系到農業生產力，且農業水平直接決定著國內未來的經濟步伐。在社會持續發展的當下，我國亟需對農業生產方式進行不斷創新探索。隨著信息化時代的來臨，社會網絡通信越來越發達，計算機技術的普及以及智能感知技術的興起，使得越來越多的人工智能操作被運用到國內各個領域和產業中。而農業也正在朝著自動化控制技術的方向發展。具體而言，自動控制技術在農業中的運用，不僅讓農民解放雙手，還能使農業變得更加智能化、信息化，能有效地促進農業生產效率的提升[1-2]。

為此，本文對自動控制技術在農業機械生產中的應用進行了研究，并探討后續應用方式，期望在未來農業生產中能夠更好地應用自動化控制技術，確保農業生產高效。

1 自動控制技術的基本含義

就自動控制原理而言，自動控制是建立在數學理論基礎上，運用反饋原理影響動力系統，使其達到或接近預定值[3]。根據微分方程，自動控制系統可劃分為線性和非線性兩類；根據傳輸信號特性可以將自動控制系統劃分為連續和抽樣；根據控制信號的變化規律可以分為穩定型系統、程序化控制系統[4]；依照信號變換規律可將自動控制系統分為隨動、鎮定、程序控制系統。自動控制技術是由被控制對象、控制器、傳感器、執行操作裝置等組成的技術，主要涵蓋閉環控制、開環控制、補償控制、復合控制等方法[5]。這些系統中開環控制屬于結構相對簡單、自動化程度不高的控制方法，在運行過程中受到外部環境的影響較大，且缺乏反饋功能。閉環控制通常使用特殊測量方法進行輸出，且在輸入上也運用了控制技術構成閉環。補償控制可通過預先設定控制方式降低外部因素對系統性能的影響。復合控制是指把偏差控制和干擾控制相結合，以消除干擾對系統的影響。

2 自動控制技術在農業機械中的作用

2.1 提高農機可靠性能

農業機械應用電控元件來控制農業機械各執行機構，隨之利用反饋元件自主化分析工作狀況是否正確。當農業機械發生故障時，系統能自動分析農機故障，對其進行正確定位，提高農機的工作效率與使用效能[6]。同時，自動化控制技術和電子控制技術相結合，利用電控線路、電控驅動器、電控開關等控制部件，優化農業機械結構，實現農機各執行器運動特性的優化。這一過程能提升農業機械在復雜嚴酷條件下的自適應性，保障農業機械作業高效性，并借助環境傳感裝置，實現對作業環境的可視化感知，預防農業機械損傷和安全事故，全面提高農機可靠性。

2.2 提升農機作業效率

自動控制技術可方便地調節各種農機的控制功能，推進實現農機的自主調節和精確操作。根據具體工作，農機操作員可根據自身操作需要，對農業機械操作界面進行參數設定[7]。在調節農業機械有關機構后，農業機械能夠按照設定的相應功能運動，并對工作狀態進行反饋[8]。自動控制技術可在確保常規農機基本工作功能和生產品質的前提下，高效、低成本地完成相關的農機作業和生產，以達到農業機械與農業整體工作效率提高的目的。

2.3 實時監控農機作業

在農機作業過程中，由于采用自動化控制技術的數據實時反饋、多信號傳輸等機制，農業操作人員能對農機的工作狀況進行實時監測，并掌握自身工作進度[9]。自動化控制技術的多路信息傳遞和自動控制裝置運行，能對農業作業進行實時控制并確保農機的安全性、操縱性[10]。在此基礎上，實現全程閉環操作和運營大數據采集，提升機械化水平和工作效率，為農機作業實時監控提供技術支撐。

2.4 降低農業機械維護成本

自動化控制技術可提高農業環境和地域的適應能力，使農機生產效率得到極大提高，也降低農機使用過程中出現故障的概率，確保農產品生產效率[11]，對促進農業機械化發展具有重要意義。同時，自動化控制技術應用可極大降低有關農業從業人員的勞動強度[12]，降低機械設備的維護、精力投入等方面的成本，還可提高農民幸福感。

2.5 實現農業設備自我故障診斷

自動控制技術通過安裝在裝置元件上的傳感器，能夠對農業設備進行故障診斷，以監控農業設備運轉的有關參數，確保機器工作質量[13]。自動化控制技術在農業設備上的應用，可以確保農業機器的正常運行，可在機器發生故障時對其進行快速的診斷，并發出相應故障信號通知有關工作人員[14]，確保農業設備的安全運行。

3 自動控制技術在農業機械中的具體應用

3.1 在農業收獲機械中的應用

傳統的農業收獲機械通常為谷物收割機，主要涵蓋曬谷機、打谷機、收割機等機器。伴隨現代科技的進步，傳統糧食收獲機械也逐漸趨向于自動控制，實現了收割、脫粒等多環節的自動化控制，由中央電腦有效地進行糧食管理。近年來，以草莓、黃瓜、荔枝、蘋果、番茄、卷心菜、西瓜等為目標的果蔬收獲機械也逐步進入現代化農業。在此基礎上，新型的采收機械能通過機器視覺識別出目標，并對目標進行相應操作。例如，挪威環境和生命科學大學已經引進了Noronn 草莓采收機器人，該裝置可識別生長草莓的成熟度，并將其按尺寸進行自動分揀。荷蘭農業環境工程研究所研發了移動式黃瓜采收機器人，該機器人采用三菱7自由度工業機械手，對地面0.8 m～1.5 m無莖、無枝的黃瓜進行采收，利用高壓電機切割，避免病菌侵染，并利用機器視覺對其進行精確定位，完成目標采集的時間大約為45 s。美國一家名為“Abundant Robotics”的農業機器人初創科技公司，開發出了一種可以通過先進的機器視覺技術來區分蘋果的成熟程度并對蘋果進行真空采集的農業機器人，從而有效防止機器對果實表面造成損傷。而我國華南農大科研小組也已研制出了一臺可以采收40 kg左右荔枝的機器人，比人力采摘速度高出2 倍左右。該機器人通過雙眼立體視覺技術，實現對荔枝的精確定位，獲取多個視線范圍內的多個物體，并自動規劃采摘工作路線，最終通過機械手末端的擬人式手指實現對果樹的修剪和果實采摘。

3.2 在農業溫室大棚中的應用

反季節瓜果蔬菜既能讓人們吃到新鮮蔬菜，亦能夠使得農民收入得以顯著提升。但是，反季節瓜果蔬菜具有較高的生長環境濕度、溫度等方面的要求，管理也就更為復雜。鑒于農民需對瓜果蔬菜生長情況實時監管，需通過相關技術加持對農業溫室大棚進行有效管理。對此，首先，通過自動控制技術的應用，溫室大棚的內部構造可配置溫度控制、供水、濕度控制以及照明等相關農業機械設備。這些農業機械設備統稱為輔助機械，主要是由自動控制技術的具體運用而形成。每一個自動化控制機械設備均能動態化、實時化收集溫室大棚內部情況數據，隨之由計算機中心展開詳細整合、分析、梳理及儲存，再將處理完畢的數據反饋至每臺自動化控制機械設備之上，以此實現對農業溫室大棚的全面監管。其次，自動控制技術應用于農業溫室大棚中，能夠完善農業溫室大棚溫濕度傳感器功能，助力實現固定位置溫濕度檢測。這一過程中溫濕度傳感器能夠對種植的瓜果蔬菜生長情況展開全天候記錄，再根據預設標準來控制及調整大棚內溫度濕度，進行干燥、制冷制熱、排風、加濕等一系列操作，使得農業溫室大棚始終保持在溫濕度適宜的環境中。再次，自動控制技術還能精確監測農業溫室大棚中光照情況、二氧化碳濃度等，有效確保農業溫室大棚內反季節瓜果蔬菜良好的生長狀態，使得農民獲得期望的經濟收益。最后，自動控制技術可將有關農業溫室內的檢測數據系統且完整地進行保存，為瓜果蔬菜生長發育研究提供精準、優質數據。總而言之，自動控制技術應用于溫度、濕度控制等農業機械設備中，能實現對瓜果蔬菜生長的精確控制，助力農業高效生產。

3.3 在農業節水灌溉中的應用

農業節水灌溉包含管道輸水、微噴、渠道防滲、噴灌及滴灌等方式，而不管采取哪種方式也都離不開自動控制技術的加持。自動化控制技術應用下的農業節水灌溉機械裝置包含電子負壓計、土壤水分傳感器、中央控制計算機、變頻控制器、電磁閥、水動閥等等，能做到農業水分調節、精量灌溉等事項，進而提高農產品經濟效益。就噴灌機械裝置而言，自動控制噴灌能使農業水灌溉效率提升80%、農作物產量提升30%、農渠與毛渠播種面積提高15%～25%。自動化控制技術能對土壤濕度展開實時監測，并由中心控制電腦進行灌溉。具體而言，在需要進行灌溉時候，電腦程序中的自動化控制程序便會自動開啟灌溉機械裝置電磁閥，當土壤濕度傳感器數據達到要求時便會停止灌溉，確保農作物始終處在最優土壤環境生長的同時，極大地節省水資源，促進農作物健康成長。

3.4 在農業無土栽培中的應用

在農業無土栽培中，自動控制技術能夠通過電腦控制系統對農業無土栽培每一環節進行實時動態監測，針對不同植株所需水分、養分實施培育。自動控制技術能夠將貯液容器、種植容器、排放管線、營養液輸送等機制相連，協同作用，并引導滴灌、自動灌溉等相關無土栽培作業。作為自動控制的關鍵組成部分，專家系統含有多元、大量農業知識資源與軟件，屬于智能計算機程序，可取代傳統人工診斷。專家系統中的圖像分析、模式識別等功能可根據執行口令自動歸納、比較和推斷數據，實現對農作物的全方位監管，驅動農作物健康成長，帶動我國農業高質量、智能化發展。

4 結語

自動化控制技術在農業機械中的應用能促進農業產業數字化、智能化、自動化，不僅能提高農作物產量，還能節省大量時間和人力成本，達到精準化生產的目的。在具體應用自動化控制技術的過程中，自動溫室控制、節水灌溉、施肥控制等的實現，能提高農業資源利用效率，在一定程度上保護農業環境，促進農業可持續發展。