農(nóng)業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)應(yīng)用方式及關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)分析

韓康樂，韓卓然，徐 俊

(1.清華大學(xué)，北京 100084；2.美國康涅狄格大學(xué)，康涅狄格 曼斯菲爾德 06269；3.黑龍江德沃科技開發(fā)有限公司，哈爾濱 150081)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利實(shí)施對于社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生產(chǎn)方式發(fā)生了很大改變，尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的實(shí)施，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率顯著提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力得到有效釋放的同時(shí)，生產(chǎn)效益和作物產(chǎn)量也得到了更好的保證[1]。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對于機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)和優(yōu)化目的在于進(jìn)一步提高機(jī)具的作業(yè)能力，從而再次降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力需求，使生產(chǎn)在高效、合理、規(guī)律、便捷的條件下實(shí)施。自動控制技術(shù)作為新興的尖端技術(shù)，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，有利于提高農(nóng)機(jī)操控的便捷程度，并使農(nóng)機(jī)的作業(yè)更加規(guī)范合理，顯著降低生產(chǎn)過程的成本和資源浪費(fèi)，進(jìn)一步提升生產(chǎn)的實(shí)際收益。

1 自動控制技術(shù)特征分析

自動控制技術(shù)是21世紀(jì)最實(shí)用且最重要的先進(jìn)技術(shù)之一，其在機(jī)械、制造、工程、農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)、軍事、航空航天等各個領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。從自動控制在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用來看，現(xiàn)階段高端農(nóng)機(jī)產(chǎn)品與自動控制技術(shù)已經(jīng)有了較好的融合，很多農(nóng)機(jī)功能的實(shí)施可以通過自動控制軟硬件及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來自動化實(shí)施，傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)使用中繁瑣的操作與檢查任務(wù)也能夠通過自動控制技術(shù)來便捷的實(shí)現(xiàn)。

總體來講自動控制技術(shù)就是將傳感器、PLC、信息、計(jì)算機(jī)等眾多先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成應(yīng)用，通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)與布局，使農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的動作執(zhí)行過程能夠按照預(yù)想方案準(zhǔn)確實(shí)施。從自動控制技術(shù)的實(shí)施方式來看，大體包括兩種形式，一是閉環(huán)控制的自動化技術(shù)，主要是通過視覺、傳感器等設(shè)備獲得感知，再通過分析與控制裝置獲得方案并傳輸給執(zhí)行裝置，再由執(zhí)行裝置完成動作的執(zhí)行；二是開環(huán)控制，就是機(jī)械裝備按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序一步一步執(zhí)行相關(guān)動作，直到工作完成為止。從現(xiàn)階段農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)來看，多數(shù)農(nóng)機(jī)只能依靠固有程序來完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，只有少數(shù)農(nóng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程的監(jiān)測與環(huán)境感知，我國農(nóng)機(jī)自動化要向閉環(huán)控制可感知的自動化技術(shù)進(jìn)步還有較多的工作要做[2]。

2 農(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

一是響應(yīng)速度快，自動控制技術(shù)以電氣技術(shù)為依托，實(shí)施過程中的信號傳輸具有時(shí)間短、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，幾乎可以達(dá)到農(nóng)機(jī)動作的實(shí)時(shí)響應(yīng)；二是性能穩(wěn)定可靠，自動控制技術(shù)的應(yīng)用多采用技術(shù)成熟的I/O輸入輸出信號技術(shù)，并配套光電隔離的抗干擾功能，加之在信息接收端配套濾波系統(tǒng)和濾波技術(shù)，有效保證了控制過程的可靠性；三是具有良好的性能提升與優(yōu)化空間，通過豐富的接口和可編程技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制能力和相關(guān)功能的不斷豐富，使農(nóng)機(jī)產(chǎn)品能夠不斷滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需求；四是故障診斷與處理功能能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀態(tài)的實(shí)施監(jiān)測，并對可能存在故障的零件或機(jī)構(gòu)及時(shí)作出警報(bào)響應(yīng)，對于部分因軟件而產(chǎn)生的故障問題，還具備一定的自我修復(fù)能力?？傊r(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)的應(yīng)用使農(nóng)機(jī)的使用更加便捷，操作體驗(yàn)顯著上升。

3 農(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)應(yīng)用形式

我國農(nóng)業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)的研究與應(yīng)用時(shí)間相對較短，總體應(yīng)用比例和尖端技術(shù)應(yīng)用量與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，從先進(jìn)農(nóng)機(jī)的發(fā)展趨勢來看，農(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)的應(yīng)用主要表現(xiàn)為以下幾種形式。

3.1 農(nóng)用拖拉機(jī)的自動控制技術(shù)

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心機(jī)型之一，在拖拉機(jī)上應(yīng)用自動控制技術(shù)對于提高生產(chǎn)效率具有顯著的作用。拖拉機(jī)的自動控制技術(shù)主要包括以下幾方面內(nèi)容，一是自動駕駛技術(shù)，主要是通過電子控制技術(shù)控制拖拉機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向、擋位、液壓、動力輸出等功能，使拖拉機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)自動化；二是利用導(dǎo)航技術(shù)指導(dǎo)拖拉機(jī)的行駛路線，現(xiàn)階段應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)以衛(wèi)星導(dǎo)航為主，部分農(nóng)機(jī)也會結(jié)合視覺導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、傳感器導(dǎo)航等技術(shù)。自動控制技術(shù)的拖拉機(jī)能夠配套耕整地、播種、施肥、植保等機(jī)具完成自動化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。

3.2 播種機(jī)自動控制技術(shù)

播種機(jī)的自動控制技術(shù)也是自動化農(nóng)機(jī)的典型代表之一，國際上對于自動化播種設(shè)備的研究已經(jīng)有較長時(shí)間，且很多國家都已經(jīng)開始應(yīng)用自動控制的播種機(jī)完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)。圖1為CLASS公司生產(chǎn)的自動化播種機(jī)設(shè)備，配套了無人駕駛拖拉機(jī)進(jìn)行全程自動化作業(yè)。播種機(jī)的自動化功能包括排種器轉(zhuǎn)速感知與自動調(diào)整、開溝器受力狀態(tài)及警報(bào)、種子量檢測、漏播檢測及警報(bào)等，通過精量播種與精量施肥的同步實(shí)施，使種子萌發(fā)率和生長健康狀態(tài)大幅改善[3]。

圖1 CLASS公司生產(chǎn)的自動化播種機(jī)設(shè)備

3.3 自動灌溉技術(shù)的實(shí)施

自動灌溉技術(shù)是精確灌溉實(shí)施的保證，自動灌溉的控制系統(tǒng)包含土壤含水量檢測和供水控制兩方面的功能，通過土壤溫濕度傳感器檢測土壤濕度或通過遙感技術(shù)檢測土壤濕度，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)信息分析和選擇適當(dāng)?shù)墓喔葧r(shí)機(jī)，是自動灌溉技術(shù)實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)邏輯。自動控制的關(guān)鍵功能在于灌溉條件的判斷，當(dāng)確定灌溉后，控制水泵提供灌溉動力，即可滿足及時(shí)灌溉的要求。

3.4 糧食烘干的自動化技術(shù)

近年來，我國糧食烘干的自動化技術(shù)發(fā)展很快，如圖2所示的自動烘干設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動進(jìn)糧、自動烘干、溫濕度可調(diào)、熱風(fēng)循環(huán)、糧食貯存等功能，烘干過程按照預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行，由傳感器檢測糧食烘干程度，全程不需要人工干預(yù)，已具備較高的自動化水平。

圖2 糧食自動化烘干設(shè)備

4 農(nóng)機(jī)自動控制關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動控制關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾方面內(nèi)容：一是信息感知與獲取技術(shù)，主要利用傳感器技術(shù)、視覺技術(shù)、遙感技術(shù)來獲得生產(chǎn)所需的外界信息；二是信息傳輸與處理技術(shù)，采用光纖傳輸配合ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，部分機(jī)型還具有網(wǎng)絡(luò)化分析處理的功能；三是動作執(zhí)行功能，通過控制系統(tǒng)控制電控開關(guān)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)動作、液壓管路、啟動裝置、電機(jī)裝置的快速控制，使其按照程序要求執(zhí)行相關(guān)動作；四是狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，利用農(nóng)機(jī)內(nèi)部的傳感器檢測農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)速、位置、溫度、振動等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常則提示駕駛員檢查和調(diào)整[4]。

農(nóng)機(jī)自動控制技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)裝備的性能得到了大幅的提升，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的精確性、環(huán)保性、節(jié)能性也同時(shí)提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)逐漸向無人化和智能化轉(zhuǎn)變，這也是農(nóng)業(yè)機(jī)械未來發(fā)展的主要趨勢之一?？梢娨袁F(xiàn)階段的農(nóng)機(jī)技術(shù)為依托，大力發(fā)展和應(yīng)用農(nóng)機(jī)自動化技術(shù)是農(nóng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)步的必由之路。