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

孟慶亮 陳亦軍 范巍挺

摘 要： 在推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的背景下，將自動(dòng)化技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是發(fā)展的重點(diǎn)。引入自動(dòng)化技術(shù)不僅能夠使農(nóng)業(yè)機(jī)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(dòng)力的需求。主要探析了自動(dòng)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(dòng)控制技術(shù);農(nóng)業(yè)機(jī)械

中圖分類號(hào)： F323.3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.062

1 自動(dòng)控制技術(shù)的基本含義

由控制器、被控制對(duì)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(dòng)控制技術(shù)。包括開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和補(bǔ)償控制在內(nèi)的多種控制技術(shù)是目前比較常見(jiàn)的自動(dòng)控制技術(shù)種類。其中結(jié)構(gòu)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，自動(dòng)化水平低的是開(kāi)環(huán)控制，這種方式操作時(shí)受外界環(huán)境影響比較大，同時(shí)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(bǔ)償控制采取提前設(shè)置控制方式的手段加以實(shí)現(xiàn)。

2 我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)狀

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

2.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械部分自動(dòng)化控制技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械部分自動(dòng)化指的是一部分機(jī)械具有自動(dòng)化裝置，例如液壓三點(diǎn)懸掛的拖拉機(jī)就屬于這一范疇。傳統(tǒng)拖拉機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)因?yàn)樽陨淼亩秳?dòng)造成機(jī)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(jī)則有自動(dòng)裝置的輔助，可以對(duì)機(jī)體的溫度進(jìn)行感應(yīng)，從而控制拖拉機(jī)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(zhǎng)拖拉機(jī)的使用壽命。

半自動(dòng)灌溉操作是由工作人員控制自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行，首先對(duì)農(nóng)耕地進(jìn)行劃分，一個(gè)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(dòng)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(jià)值。

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

自動(dòng)控制技術(shù)是通過(guò)采用精細(xì)化管理模式來(lái)實(shí)現(xiàn)在精細(xì)化農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的。這種模式下可以實(shí)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(dòng)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(duì)農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控分析，并負(fù)責(zé)設(shè)備的管理維護(hù)。目前自動(dòng)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)控測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后輸入到自動(dòng)控制系統(tǒng)，來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化管理，從而開(kāi)展精細(xì)化作業(yè)。這種方式需要技術(shù)人員在初期定時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，避免設(shè)備卡頓影響測(cè)量結(jié)果。

3 自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)勢(shì)

3.1 精度高

自動(dòng)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(jī)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(shuō)是巨大的進(jìn)步和超越，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化精度的提高可以明顯增大農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用范圍。此外，傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的實(shí)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(lái)的損耗和浪費(fèi)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(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的原因。

3.2 穩(wěn)定與可靠

自動(dòng)化控制技術(shù)可以保持機(jī)械工作的穩(wěn)定性，確保運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)收益。同時(shí)光電隔離是機(jī)械控制中信號(hào)輸入輸出的主要實(shí)現(xiàn)方式，這使得電氣系統(tǒng)也能做到機(jī)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(duì)機(jī)械化產(chǎn)生的干擾減少，從而使機(jī)械設(shè)備在不利條件下也能保證正常運(yùn)行，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

3.3 自我診斷

自動(dòng)控制技術(shù)可以通過(guò)多種傳感設(shè)備對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中出現(xiàn)的故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和診斷，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)立刻以光或者聲音的形式釋放出信號(hào)發(fā)出警報(bào)，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(bào)，及時(shí)準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)和原因，第一時(shí)間高效完成故障排查和維護(hù)。

3.4 模塊化方便管理

雖然目前我國(guó)還沒(méi)有全面普及和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制，但由于研究人員在設(shè)計(jì)中引進(jìn)了模塊化的思想，為日后使用中維護(hù)、保養(yǎng)的問(wèn)題帶來(lái)了極大的便利。這樣一來(lái)，某一部分出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)就可以有針對(duì)性地進(jìn)行檢查維護(hù)而不必對(duì)整體進(jìn)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(jī)械操作變得更加簡(jiǎn)單方便。

3.5 即時(shí)控制

電氣控制是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)，電氣控制由于信號(hào)傳輸速度快，所以耗費(fèi)時(shí)間也就更短，程序運(yùn)行也比較及時(shí)快速。自動(dòng)化控制可以對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行合理管理，及時(shí)有效地保護(hù)農(nóng)業(yè)控制裝置，提高系統(tǒng)的工作效率，完成對(duì)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(jī)械中應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)

自動(dòng)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(jiàn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)包括以下幾類。

4.1 溫度濕度自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

反季節(jié)蔬菜能為農(nóng)戶帶來(lái)較高的利潤(rùn)，但反季節(jié)蔬菜由于對(duì)生長(zhǎng)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(duì)種植蔬菜的生長(zhǎng)情況進(jìn)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(gè)固定位置設(shè)置溫濕度傳感器，對(duì)其中種植的農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行全天記錄，并將數(shù)據(jù)返回到系統(tǒng)內(nèi)，計(jì)算機(jī)根據(jù)反饋的參數(shù)分析實(shí)際情況后再根據(jù)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制和調(diào)整溫濕度，進(jìn)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(gè)適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的范圍內(nèi)。

4.2 自動(dòng)采摘技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)在的自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用的比較成熟廣泛，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種農(nóng)作物的自動(dòng)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(jì)算機(jī)對(duì)采摘設(shè)備下達(dá)指令。采摘設(shè)備沿規(guī)定的路線前進(jìn)時(shí)，會(huì)根據(jù)多種自動(dòng)傳感器的反饋對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析判斷。如果農(nóng)作物滿足采摘條件，再進(jìn)一步結(jié)合其他不確定因素決定是否進(jìn)行采摘操作。

這類技術(shù)由于自動(dòng)化程度較高，比較適合那些已經(jīng)完成全面自動(dòng)化的蔬菜大棚，同時(shí)也對(duì)工作人員計(jì)算機(jī)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(dòng)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(shí)也減少了非自動(dòng)化統(tǒng)一采摘設(shè)備造成的浪費(fèi)，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(jué)識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

由于不同蔬菜對(duì)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(zhǎng)周期來(lái)調(diào)整光照類型和強(qiáng)度，這對(duì)農(nóng)戶來(lái)說(shuō)是比較大的勞動(dòng)量，并且難度較大，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。在蔬菜大棚的自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)添加視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，可以對(duì)大棚內(nèi)不同的蔬菜進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)不同生長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng)的不同外觀變化，對(duì)棚內(nèi)自動(dòng)遮光系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度變化的控制，保證了蔬菜對(duì)光照的需求。這一過(guò)程也不需要人的參與，有效降低了農(nóng)戶的勞動(dòng)成本。不過(guò)由于視覺(jué)識(shí)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(yǔ)

綜上所述，在農(nóng)村地區(qū)推廣自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備能夠極大促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，解放勞動(dòng)力。由于目前農(nóng)村并未對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行全面的推廣使用，所以可以先在生產(chǎn)中針對(duì)某些環(huán)節(jié)進(jìn)行模塊化的設(shè)置，如應(yīng)用文中提到的自動(dòng)采摘、視覺(jué)識(shí)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(dòng)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(dòng)壓力，進(jìn)而有效推動(dòng)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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