自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陶浩然 鄧嫄媛 袁汐燁 戢 敏 喬水明

（成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610000）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以人畜力為主向以機(jī)械化為主的重大轉(zhuǎn)變。在全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的背景下，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化技術(shù)成為提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保障糧食安全的重要舉措。自動化控制技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)支撐，所以，在推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展背景下，我國要擴(kuò)大自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范圍，以此助力農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

1 自動控制技術(shù)概述

自動控制技術(shù)是控制論的技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，是通過具有一定控制功能的自動控制系統(tǒng)，來完成某種控制任務(wù)，保證某個過程按照預(yù)想進(jìn)行，或者實(shí)現(xiàn)某個預(yù)設(shè)的目標(biāo)。目前，自動控制技術(shù)主要包括3種控制方式。一是開環(huán)控制，是不將控制結(jié)果反饋回來影響當(dāng)前控制的系統(tǒng)。其主要是按照事先確定好的程序，依次發(fā)出信號去控制對象。二是閉環(huán)控制，是輸出端與輸入端之間存在反饋回路，輸出量對自動控制過程產(chǎn)生直接影響，其不易受外界環(huán)境影響，但是在具體實(shí)施過程中存在一定的震蕩、超調(diào)問題。三是復(fù)合控制，是將偏差控制與抗擾動控制結(jié)合起來，消除擾動帶來的偏差。

2 自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械制造技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。剖析原因，主要在于自動控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中具有巨大的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行效率

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展程度的不斷加深，要求農(nóng)業(yè)機(jī)械不僅要具備穩(wěn)定的運(yùn)行系統(tǒng)，而且需要實(shí)現(xiàn)無人操作。自動控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、反饋時間短等特點(diǎn)，其能針對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率。例如，基于自動控制技術(shù)的無人噴藥設(shè)備，通過利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)、紅外視覺技術(shù)能將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)無人噴藥設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)做出相應(yīng)的操作指令，實(shí)現(xiàn)對無人噴藥設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2 自動排除故障，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械故障發(fā)生率

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)各種故障，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而將自動控制技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以有效解決機(jī)械設(shè)備無法實(shí)時診斷的問題。一方面通過引入自動控制技術(shù)可以對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常信息后，控制系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警，并且做出自動診斷的指令，自動篩查農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行參數(shù)，以此找出農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備存在的故障；另一方面通過控制系統(tǒng)的自我診斷數(shù)據(jù)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行故障檢修，從而有效降低故障發(fā)生率。例如，玉米收割機(jī)運(yùn)行時，通過對玉米收割機(jī)運(yùn)行速度、準(zhǔn)確度等數(shù)據(jù)的分析，能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛在故障，進(jìn)而及時利用控制系統(tǒng)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，從而有效降低故障發(fā)生率。

2.3 提高作業(yè)精度，降低農(nóng)業(yè)機(jī)械操作難度

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械操作較為復(fù)雜，需要操作人員不斷操作各種控制設(shè)備，一旦出現(xiàn)操作失誤，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。而自動控制技術(shù)的應(yīng)用大大降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械的操作難度，構(gòu)建了集中化、簡約化的操作架構(gòu)體系。一方面，通過集約化的操作系統(tǒng)大大提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)的精準(zhǔn)度。自動控制系統(tǒng)具有監(jiān)控攝像機(jī)聯(lián)動報警功能，當(dāng)出現(xiàn)觸發(fā)自動控制系統(tǒng)的信號后，自動控制攝像機(jī)就會發(fā)出報警信號，從而便于及時調(diào)整農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)工藝。例如，在小麥?zhǔn)崭顧C(jī)設(shè)計(jì)中，引入自動控制系統(tǒng)后，能實(shí)現(xiàn)對收割面積、收割長度的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，達(dá)到精準(zhǔn)化作業(yè)的效果。另一方面，依托自動控制技術(shù)所構(gòu)建的操作系統(tǒng)不需要操作人員來回操作機(jī)械設(shè)備，操作人員定期管控中央控控制系統(tǒng)即可，大大減少了農(nóng)業(yè)機(jī)械操作人員的勞動量。

3 自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的具體應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械是應(yīng)用于農(nóng)作物種植過程中的各種機(jī)械，包括農(nóng)用動力機(jī)械、作物收獲機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、農(nóng)田排灌機(jī)械及農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)械等。自動控制技術(shù)在當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用，具體應(yīng)用情況如下。

3.1 自動控制技術(shù)在耕作機(jī)械中的應(yīng)用

土壤質(zhì)量直接影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，土壤耕作是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的重要措施。耕作機(jī)械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要機(jī)械設(shè)備，傳統(tǒng)的耕作機(jī)械忽視對土壤耕作深度、水分等諸多因素的考慮，導(dǎo)致耕作質(zhì)量不高。基于傳統(tǒng)耕作機(jī)械存在的問題，可將自動控制技術(shù)引入耕作機(jī)械中提高其使用效果。一方面，構(gòu)建耕作機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，提升耕作機(jī)械的安全性能。在耕作作業(yè)中，因深翻土壤會產(chǎn)生大量的灰塵，從而影響駕駛員的視野，易帶來安全隱患。利用自動控制技術(shù)構(gòu)建導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對耕作機(jī)械的自動感應(yīng)控制。具體是指利用環(huán)境感知技術(shù)、視覺導(dǎo)航技術(shù)及電磁導(dǎo)航技術(shù)，根據(jù)駕駛員的習(xí)慣及耕作線路要求對耕作機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對駕駛路線的及時優(yōu)化。同時，為了簡化耕作機(jī)械的操作，可構(gòu)建耕作機(jī)械智能操作系統(tǒng)，即在駕駛室內(nèi)安裝Multi control扶手控制臺與CIP直觀控制面板，設(shè)置AFSPro700TM觸屏監(jiān)視器，將其與駕駛座椅連接，將所有操作集成在一個簡單的控制器上。另一方面，構(gòu)建傳感器控制系統(tǒng)，圍繞作業(yè)對象實(shí)施差異化的耕作方式。及時監(jiān)測土壤結(jié)構(gòu)對提高農(nóng)作物產(chǎn)量意義重大，因此，在耕作機(jī)械中要設(shè)置傳感器控制系統(tǒng)，對土壤環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)值調(diào)整耕作的深度、廣度及耕作次數(shù)等數(shù)值。例如，利用氣流傳感器對土壤的透氣性進(jìn)行測量，傳感器將測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿咏K端設(shè)備中，移動終端設(shè)備根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)與土壤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，如果偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，系統(tǒng)就會發(fā)出指令，以此控制耕作機(jī)械調(diào)整耕地工藝并改善土壤的透氣性。

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

噴霧機(jī)械就是用于噴灑液體的機(jī)械設(shè)備。在我國綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中，要求結(jié)合農(nóng)作物的實(shí)際生長情況進(jìn)行藥劑噴灑作業(yè)，將噴灑作業(yè)的精度提高到厘米級，防止出現(xiàn)過度噴灑現(xiàn)象。傳統(tǒng)的噴灑機(jī)械難以達(dá)到該要求，而自動控制技術(shù)的應(yīng)用則可以實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)的精準(zhǔn)化控制。例如，在噴灑機(jī)械中設(shè)置視覺感應(yīng)系統(tǒng)。噴灑除草劑時，視覺感應(yīng)系統(tǒng)會將噴灑的區(qū)域圖像傳入控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)視覺算法識別區(qū)域內(nèi)的雜草并計(jì)算雜草的相對或絕對位置，將該信息返回到控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)會根據(jù)噴霧器自身的位置、速度及雜草的位置，到達(dá)雜草附近時開啟噴嘴，噴灑除草劑。

3.3 自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備中的應(yīng)用

農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備不僅能耗高，而且故障發(fā)生率相對較高。利用自動控制技術(shù)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備主要是利用傳感器等實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)灌溉全過程的動態(tài)監(jiān)控，具體就是通過對土壤、作物、氣象等各類因素的采集、分析后，由操作系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)指令對田間各類控制閥門進(jìn)行控制，以降低人工分析決策的不合理性因素對農(nóng)業(yè)灌溉的影響。農(nóng)業(yè)灌溉自動控制系統(tǒng)的工作原理為傳感器將采集的信號送入智能控制模塊，通過通信系統(tǒng)上傳至上位機(jī)或控制中心進(jìn)行顯示、處理及存儲。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的灌溉需求量的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，來控制電磁閥開啟和延續(xù)時間長短，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉智能化控制。

3.4 自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)打捆機(jī)中的應(yīng)用

打捆機(jī)是秸稈回收必不可少的有效工具之一，構(gòu)建智能化的控制系統(tǒng)可以提高秸稈回收效率、減少資源損失。通過引入自動控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提升打捆機(jī)的作業(yè)準(zhǔn)確率。其主要是應(yīng)用北斗定位、傳感器、液壓精密控制等技術(shù)，通過分析設(shè)備上的各類傳感器數(shù)據(jù)來判斷打捆機(jī)各關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)條件控制電磁閥或電機(jī)動作，實(shí)現(xiàn)打捆自動化。具體就是在壓捆室兩側(cè)各安裝1個強(qiáng)度傳感器，監(jiān)測打捆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如果出現(xiàn)兩側(cè)密度較大的問題，系統(tǒng)會發(fā)出警報，提醒駕駛?cè)藛T向密度小的一側(cè)行駛，以此保障打捆質(zhì)量。同時，通過控制壓捆室油缸自動卸出成型草捆，系統(tǒng)自動統(tǒng)計(jì)草捆數(shù)量，節(jié)省專人統(tǒng)計(jì)的人力成本，提高作業(yè)效率。

4 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

基于自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以智能化為代表的農(nóng)業(yè)機(jī)械成為推動農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要保障。隨著我國人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，未來農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制設(shè)計(jì)水平將不斷提升，但需結(jié)合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，從以下方面入手優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械。

4.1 農(nóng)業(yè)機(jī)械個性化、差異化設(shè)計(jì)

我國土地資源豐富、農(nóng)作物種類繁多，受自然環(huán)境、地理位置等諸多方面的影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械需求呈現(xiàn)差異化、個性化趨勢。例如，基于南方多丘陵農(nóng)田的特點(diǎn)研發(fā)小型化的機(jī)械設(shè)備，以此滿足丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

4.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的核心，雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，但是我國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)仍然缺乏集成化控制模塊，直接影響農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)性能。所以，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上要突出智能控制系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，將農(nóng)業(yè)機(jī)械控制系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行融合，不斷增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的適應(yīng)性能，拓展其精準(zhǔn)作業(yè)功能，提升其作業(yè)的高效性。

4.3 在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中融入多層次協(xié)同仿真技術(shù)

2018年國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》提出，要促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能控制和衛(wèi)星定位等信息技術(shù)在農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)機(jī)作業(yè)上的應(yīng)用?；谵r(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展要求，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械單一的功能已不能滿足規(guī)模化生產(chǎn)要求。因此，基于土壤-植物-機(jī)器體系的復(fù)雜農(nóng)業(yè)機(jī)械多領(lǐng)域仿真分析已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，柔性建模技術(shù)、多學(xué)科協(xié)同、人機(jī)交互等成為優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械性能的重要技術(shù)支撐。所以，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中要關(guān)注多層次協(xié)同仿真技術(shù)的融入，實(shí)現(xiàn)一體化作業(yè)要求。

5 結(jié)語

隨著我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)水平對推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。隨著人工智能、機(jī)器人、云計(jì)算及區(qū)塊鏈等技術(shù)的不斷發(fā)展，我國要發(fā)揮自動控制技術(shù)的優(yōu)勢，依托自動控制技術(shù)提升農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的整體質(zhì)量，拓展其功能，助力于機(jī)械設(shè)備智能化發(fā)展。