自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

劉強(qiáng)

摘要：隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械對自動化技術(shù)的要求越來越高，近年來，自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用也越來越廣泛。以自動化在農(nóng)業(yè)機(jī)械使用中的重要作用為中心，介紹了農(nóng)機(jī)自動化的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)以及技術(shù)應(yīng)用，說明了自動化是農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的大趨勢，強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中信息化和智能化的作用，倡導(dǎo)了農(nóng)機(jī)自動化通用標(biāo)準(zhǔn)的制定與相關(guān)要求的完善。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；自動化控制；規(guī)范化；智能化

中圖分類號：S2206文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.03.001

0前言

當(dāng)今時代，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是每個國家的重中之重，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的程度直接影響了一個國家的經(jīng)濟(jì)與未來，這是國計民生的頭等大事。科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展使得自動化技術(shù)逐漸成為機(jī)械與電氣合作開發(fā)的主流方向，現(xiàn)階段逐步使用虛擬儀器代替過去的微處理器，促進(jìn)了信息的溝通和交流。隨著計算機(jī)技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域之間，農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展也面向了自動化和信息化，這有別于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，結(jié)合了先進(jìn)控制設(shè)備的農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)不是簡單的代替農(nóng)業(yè)勞動力生產(chǎn)，而是向著更為先進(jìn)的智能化和信息化方向發(fā)展。更加重視從產(chǎn)前到產(chǎn)后的全產(chǎn)業(yè)鏈中農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的整體提高。如今，我國已經(jīng)全面進(jìn)入信息社會，農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化的發(fā)展關(guān)乎著每個人的生活，以現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展為前提，傳感器等電氣控制元件在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，這對播種與收獲的精確定位和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)分析，提供了更多的可能性以及廣闊的發(fā)展空間，對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)，在農(nóng)作物的播種、生產(chǎn)、收獲、貯藏與運(yùn)輸?shù)倪^程中，多種多樣的傳感器可以發(fā)揮重要作用。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化系統(tǒng)仍需進(jìn)一步發(fā)展，向著更加完善的集成化、智能化方向積極探究。

1農(nóng)機(jī)自動化發(fā)展現(xiàn)狀

美國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展極其迅速。是目前世界上技術(shù)最發(fā)達(dá)的農(nóng)機(jī)化國家之一，其研究水平也較為領(lǐng)先。近年來，美國開始廣泛在農(nóng)業(yè)機(jī)械上安裝GPS系統(tǒng)來進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)監(jiān)控，并向著農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的精準(zhǔn)化方向發(fā)展。日本如今的農(nóng)機(jī)作業(yè)從耕種到收獲也已經(jīng)全面實現(xiàn)了自動化控制，并將自動化技術(shù)應(yīng)用到了飼養(yǎng)業(yè)等方面。隨著進(jìn)一步研發(fā)，日本農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究比較注重大型高性能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的發(fā)展。歐洲很多國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作物為主，這些國家在小麥、玉米等糧食作物的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)均已全部實現(xiàn)機(jī)械自動化，其中一部分農(nóng)業(yè)機(jī)械還安裝了GPS系統(tǒng)來進(jìn)行更為精確的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)。近年來，歐洲農(nóng)業(yè)機(jī)械市場趨向于飽和，更加廣闊的農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化市場已在中國形成。

2自動控制農(nóng)業(yè)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

（1）實時控制。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)以電氣控制為基礎(chǔ)，信號傳輸?shù)臅r間短，速度極快。由于信號處理及時和程序運(yùn)行速度塊，自動控制用于處理農(nóng)業(yè)機(jī)械控制裝置的安全防護(hù)?？梢詽M足多種農(nóng)業(yè)機(jī)械的實時控制和安全防護(hù)。

（2）可靠性高。農(nóng)業(yè)機(jī)械控制中所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使農(nóng)業(yè)機(jī)械工作時的外部電路與控制器內(nèi)部電路之間實現(xiàn)電氣系統(tǒng)隔離。各輸入端均采用合理的濾波器，并選擇適合的濾波時間常數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的各模塊均采用相應(yīng)的屏蔽措施，以防止農(nóng)業(yè)機(jī)械在惡劣的工作環(huán)境所造成的干擾，同時需要對電控元件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，選用耐用的傳感器及開關(guān)電源等。

（3）自我故障診斷。應(yīng)用自動化控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械，多種傳感器的使用，使得故障的檢測變得更加容易，由于農(nóng)業(yè)機(jī)械在惡劣工作環(huán)境下時常出現(xiàn)故障，這是得益于自動控制下農(nóng)機(jī)具有良好的自診斷功能，在工作過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械的某個部件運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生故障，則可在第一時間開啟診斷，引發(fā)警報、自動運(yùn)行停止或自我修復(fù)。同時科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展研發(fā)的高性能處理器和處理系統(tǒng)也保證了采取措施修復(fù)故障的有效性。

（4）配置簡單靈活?，F(xiàn)階段國際化的控制器及傳感器技術(shù)發(fā)展成熟，I/O卡件種類豐富，國際大廠生產(chǎn)的自動控制元件及系統(tǒng)成熟且使用趨向于簡單化，組合趨向于靈活化，針對于不同農(nóng)業(yè)機(jī)械工作時自動控制工程的要求選擇不同的現(xiàn)場信號，如脈沖或電位；開關(guān)量或模擬量；強(qiáng)電或弱電；電壓或電流等，有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備等。自動化控制系統(tǒng)多采用模塊化結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)各種農(nóng)業(yè)機(jī)械控制的需要，除了某些單元式小型控制器之外，絕大多數(shù)的控制器均采用了模塊化結(jié)構(gòu)?？刂破鞑煌M件，例如CPU，電源，I/O等組件均采用模塊化設(shè)計，由機(jī)架及電纜將不同模塊連接起來，農(nóng)機(jī)控制系統(tǒng)的功能和規(guī)模以不同的使用要求自行組合。

（5）售后成本降低。自動控制系統(tǒng)的介入提升了農(nóng)業(yè)機(jī)械的適應(yīng)能力，降低了農(nóng)機(jī)的故障率，提高了機(jī)械替代人工操作的效率，減輕了售后服務(wù)人員的的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)作業(yè)效率。

3農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部的自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家的各種類型農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛使用，例如在農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)與電子監(jiān)視應(yīng)用等。如今，拖拉機(jī)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢更加趨向于智能化以及網(wǎng)絡(luò)化，分布式控制技術(shù)得到了長足的發(fā)展。對于一些大馬力拖拉機(jī)、收獲機(jī)械等現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備來說，其系統(tǒng)中所涉及到的電子控制單元，是一個高度智能化的計算機(jī)控制終端系統(tǒng)，它具有非常獨(dú)立的信息處理與控制的能力，并包含很多標(biāo)準(zhǔn)化的接口，這使得網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和控制局域網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)得以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域?，F(xiàn)階段以大馬力拖拉機(jī)為代表的各類農(nóng)業(yè)機(jī)械上智能化自動控制單元的技術(shù)進(jìn)步，這就需要在此情況下建立相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范農(nóng)機(jī)控制行業(yè)的發(fā)展，強(qiáng)化此領(lǐng)域控制技術(shù)的通用程度。例如：在大型收獲類農(nóng)業(yè)機(jī)械的駕駛室內(nèi)安裝適用于收獲不同作物的通用型的智能顯示屏幕，并通過雙絞線或光纖電纜來組成控制數(shù)據(jù)的通信線路。它是基于電子控制單元總線技術(shù)的串行總線結(jié)構(gòu)，針對收獲機(jī)械不同工作要求的部件和對應(yīng)的電子控制單元都可以設(shè)計成具有與總線相連接的標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣有利于保證農(nóng)業(yè)機(jī)械內(nèi)部的各個電子控制單元都能夠?qū)崿F(xiàn)與中央控制器及其顯示部件之間的信息傳遞，并可以準(zhǔn)確和及時的完成相關(guān)的控制。與此同時，收獲機(jī)上所采用的標(biāo)準(zhǔn)化接口還可與其他同種類機(jī)械甚至不同農(nóng)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這對于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展非常有利。為了更好的保證農(nóng)業(yè)機(jī)械在自動控制系統(tǒng)內(nèi)部具有良好的兼容性和通用性，在農(nóng)機(jī)行業(yè)內(nèi)部建立可以通用的總線通信設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)就很有必要，這就使得控制元件的采購、更換以及升級變得更加容易且成本更低，網(wǎng)絡(luò)平臺的介入，使得零件的使用趨向于優(yōu)質(zhì)化，且不需要考慮購買元件能否使用等問題。

圖1為大馬力拖拉機(jī)自動控制系統(tǒng)的相關(guān)組件，通過GPS和控制系統(tǒng)可實現(xiàn)拖拉機(jī)在制定路徑的自動行駛，還可在拖拉機(jī)連接部位裝配噴藥機(jī)，旋耕機(jī)等相關(guān)組件，控制噴藥及旋耕的工作并監(jiān)控作業(yè)效果。在發(fā)達(dá)國家的某些大型農(nóng)場，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)時農(nóng)場辦公室計算機(jī)與移動作業(yè)機(jī)械間無線連接，這就建立了如圖1類似的通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的管理信息系統(tǒng)。這就使得工作人員通過農(nóng)場管理中心的計算機(jī)操作在田間作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，并按照主觀意圖隨時進(jìn)行調(diào)整，同時對田間作業(yè)數(shù)據(jù)等資料可以進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用和研究，并且直接保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫之中，供日后作業(yè)時參考，很大程度上提高了數(shù)據(jù)采集與分析的效率。

4農(nóng)機(jī)自動化普及存在的問題

4.1自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域受重視程度低

目前，我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械專業(yè)領(lǐng)域?qū)r(nóng)機(jī)自動化技術(shù)不夠重視。雖然有很多廠家以及專業(yè)技術(shù)人員已經(jīng)意識到了農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要作用和意義，但是現(xiàn)代化的自動化技術(shù)的應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域就要求得到農(nóng)業(yè)網(wǎng)站以及農(nóng)業(yè)氣象部門等許多職能機(jī)構(gòu)和政府相關(guān)部門的幫助，很多部門對于農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠重視，沒有進(jìn)行過細(xì)致和深入的研究工作，這就使得農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)對我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的促進(jìn)作用難以充分的發(fā)揮出來，這同時造成了我國目前與發(fā)達(dá)國家之間在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化方面存在較大的差距。因此，提高農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)的認(rèn)可度是目前需要亟待解決的問題。

4.2自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的技術(shù)資金投入少

農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)的普及需要大量的資金和設(shè)備做保障，對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的研究和投入相對于其他高新技術(shù)要少很多，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的發(fā)展需要配備大量研究型和技術(shù)型的高素質(zhì)人才。從目前看來，我國目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化方面的投入還相對不足，也就在一定程度上限制了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的研究和更深層次的探索。

4.3自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域技術(shù)研究能力較弱

與世界發(fā)達(dá)國家比較，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展較為緩慢，技術(shù)較為落后，信息化水平低，依托國際農(nóng)機(jī)技術(shù)嚴(yán)重等問題在很大程度上制約了我國農(nóng)業(yè)機(jī)械先進(jìn)的自動化技術(shù)應(yīng)用效率。農(nóng)機(jī)自動化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也急需完善，近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)研究的針對方向和我國位置區(qū)域有很大的關(guān)系。例如，大多數(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械只適合在平原地區(qū)使用，而對于我國丘陵或山地等復(fù)雜區(qū)域農(nóng)業(yè)機(jī)械研究也相對較弱，適應(yīng)能力較弱，沒能全面發(fā)展。

5結(jié)束語

綜上所述，我國未來農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的趨勢必然是自動化與智能化相結(jié)合。在農(nóng)業(yè)技術(shù)相對發(fā)達(dá)的國家，自動控制技術(shù)、GPS技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制器技術(shù)、圖像識別技術(shù)等現(xiàn)代科技已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備可以自動、智能、高效、精準(zhǔn)地完成各種農(nóng)業(yè)作物的作業(yè)任務(wù)，這已經(jīng)大大的不同于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)，而是具備了更為先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器、集成處理系統(tǒng)等智能控制系統(tǒng)的復(fù)合型農(nóng)業(yè)機(jī)械，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。我國政府及科研機(jī)構(gòu)應(yīng)對農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化發(fā)展給予足夠的重視與支持，積極鼓勵各大企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)探索先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械全自動化技術(shù)，推出農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)自動化模塊技術(shù)的發(fā)展與推廣，切實保證我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)走到世界前列，努力成為機(jī)、電、液一體化發(fā)展的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械大國。