自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的實踐初探

張海霞

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

近年來，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程日益加快，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用越來越廣泛，有利于提升作物產(chǎn)量及質(zhì)量、節(jié)省人力成本和資源投入。科學(xué)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新進(jìn)步，促使農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸呈現(xiàn)自動化和智能化的特征，農(nóng)戶可以按照預(yù)先設(shè)定的程序和參數(shù)，進(jìn)行無人化生產(chǎn)和遠(yuǎn)程管理，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力和效率。

1 自動化控制技術(shù)概述

1.1 內(nèi)涵

自動化控制技術(shù)是指計算機(jī)技術(shù)與電力機(jī)械相結(jié)合，促使機(jī)械實現(xiàn)自動控制，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無人化管理的目標(biāo)。通常情況下，自動化控制技術(shù)以計算機(jī)編程設(shè)定的指令或者程序等作為基礎(chǔ)，利用一系列單片機(jī)控制部件和各種程序控制元器件進(jìn)行自動化運行[1]。在實際運用過程中，自動化控制技術(shù)不僅僅是單獨的技術(shù)，往往還涉及計算機(jī)技術(shù)、微處理技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)等，有效提升了機(jī)械的智能化水平。在當(dāng)前自動化技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的背景下，將其運用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有較為廣闊的前景。

1.2 優(yōu)勢

自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，具有諸多優(yōu)勢。

1）有利于實現(xiàn)實時監(jiān)控。自動化控制技術(shù)能夠促使系統(tǒng)之間的信息傳遞速度加快，提升效率。比如對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采取實時監(jiān)控，能夠及時掌握作物生產(chǎn)活動情況，監(jiān)測作物生長發(fā)育現(xiàn)狀，為田間管理提供支持，促使農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量得到大幅提升。

2）有利于開展自我故障診斷。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)手工勞動方式逐漸被淘汰，農(nóng)業(yè)機(jī)械被廣泛應(yīng)用在各類農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而在自然環(huán)境、操作方式以及使用時間等方面的影響下，農(nóng)業(yè)機(jī)械不可避免地會出現(xiàn)故障問題，不僅會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度，還會釀成嚴(yán)重的事故后果。而利用自動化控制技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)自我故障診斷，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警故障信息，如利用傳感器對元器件的運行狀態(tài)進(jìn)行實時采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后發(fā)出警報，并采取自我控制和診斷，幫助操作人員明確故障點，有效進(jìn)行維修，確保農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠高效運行。

3）降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。對農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用自動化控制技術(shù)可提升其使用率，減少傳統(tǒng)人工作業(yè)量，節(jié)省人工成本。并且，農(nóng)業(yè)機(jī)械注重運用計算機(jī)和傳感技術(shù)，可根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，極大地提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，可大幅降低成本支出，增加農(nóng)業(yè)收益空間[2]。

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

2.1 耕作機(jī)械應(yīng)用自動化控制技術(shù)

目前，對于自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用實踐，主要表現(xiàn)在耕作機(jī)械方面。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植活動中，土壤質(zhì)量對農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量會產(chǎn)生較大的影響，為改善土壤條件，往往需要利用耕作機(jī)械進(jìn)行翻耕。利用傳統(tǒng)耕作機(jī)械時，很容易對土壤耕作深度以及水分等因素缺乏合理考慮，導(dǎo)致耕作質(zhì)量不理想，影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。而在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，通過在耕作機(jī)械中引入自動化控制技術(shù)，則能夠有效提升農(nóng)機(jī)使用效果。比如，在耕作機(jī)械中建立導(dǎo)航系統(tǒng)，提前設(shè)定耕作路線、深度等參數(shù)，有利于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，改善以往農(nóng)戶通過手動控制耕作操作的現(xiàn)狀。并且，應(yīng)用自動控制駕駛技術(shù)，有利于實現(xiàn)無人化作業(yè)，節(jié)省勞動力投入，還能夠避免在耕作期間因深翻土壤而產(chǎn)生大量灰塵影響安全駕駛的情況。針對耕作機(jī)械運用自控控制技術(shù)建立導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)的原理，即融合環(huán)境感知技術(shù)、視覺導(dǎo)航技術(shù)、GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)、電磁導(dǎo)航技術(shù)等，按照駕駛員的習(xí)慣以及耕作線路等要求，對耕作機(jī)械實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時優(yōu)化耕作質(zhì)量[3]。

另外，為進(jìn)一步降低耕作機(jī)械的操作難度，可應(yīng)用自動控制技術(shù)構(gòu)建智能化操作系統(tǒng)，如在機(jī)械駕駛室內(nèi)安裝計算機(jī)控制臺、CIP 直觀控制面板、觸屏監(jiān)視器等，與駕駛座椅進(jìn)行連接，將所有操作全部集成到一個簡單的控制器中，便于開展耕作作業(yè)。同時，運用自動控制技術(shù)能夠建立傳感器控制系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)對象的不同實現(xiàn)差異化耕作，針對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，有利于提升農(nóng)作物生產(chǎn)量。例如，在現(xiàn)有耕作機(jī)械中可增加氣流傳感器，對土壤環(huán)境實施在線監(jiān)測，在傳感器獲取土壤透氣性數(shù)據(jù)后，立即傳輸?shù)揭苿咏K端設(shè)備，與預(yù)設(shè)的土壤標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，如監(jiān)測數(shù)據(jù)偏離標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，系統(tǒng)可下達(dá)工藝調(diào)整的指令，合理控制耕作深度，有效改善土壤透氣性[4]。

2.2 噴霧機(jī)械應(yīng)用自動化控制技術(shù)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為保障作物健康生長，需采取有效的植保措施，而通過噴灑藥劑進(jìn)行病蟲害防治是一項重要內(nèi)容。隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植面積的不斷擴(kuò)大，病蟲害防治任務(wù)日益加重，如采用以往的人工噴灑施藥方式，則會耗費大量的人力和物力，而且防治效率較低。結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，逐漸重視對噴霧農(nóng)業(yè)機(jī)械的應(yīng)用，結(jié)合作物生長情況適時開展藥劑噴灑作業(yè)，有助于加強(qiáng)病蟲害防治效果。但現(xiàn)有的噴霧機(jī)械難以滿足精準(zhǔn)化作業(yè)控制，無法滿足當(dāng)前的病蟲害防治和植保要求。因此，可在噴霧機(jī)械中應(yīng)用自動化控制技術(shù)，將噴灑作業(yè)精度提高到厘米級，避免發(fā)生過度噴灑的現(xiàn)象。比如，可在噴灑作業(yè)中設(shè)置視覺感應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)噴灑除草劑時，利用視覺感應(yīng)系統(tǒng)將噴灑區(qū)域的圖像有效傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，再利用計算機(jī)視覺算法對區(qū)域中的雜草進(jìn)行識別，計算相對和絕對位置，將采集圖像信息傳遞到控制系統(tǒng)內(nèi)，可按照噴霧器的自身角度、噴灑速度以及雜草位置等，快速開啟雜草附近的噴嘴，有效噴灑除草劑，達(dá)到清除雜草的目的。通過應(yīng)用自動控制技術(shù)，有利于節(jié)省人工除草的成本，并能夠提高除草效率，確保農(nóng)作物健康、順利地生長發(fā)育[5]。

2.3 農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備應(yīng)用自動化控制技術(shù)

農(nóng)業(yè)灌溉是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用，注重節(jié)約用水和提高水資源利用率。而傳統(tǒng)的灌溉設(shè)施和方法，均會導(dǎo)致嚴(yán)重的水資源浪費現(xiàn)象和資源利用率不足等問題。通過應(yīng)用自動化控制技術(shù)，能夠聯(lián)合計算機(jī)、通信技術(shù)等構(gòu)建智能化的灌溉系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)田的監(jiān)測情況、未來天氣預(yù)測等，實施精準(zhǔn)灌溉。例如，可應(yīng)用農(nóng)田灌溉自動控制系統(tǒng)，其由灌水器、水分傳感器、溫度傳感器、壓力和水位傳感器等構(gòu)成，按照數(shù)據(jù)采集結(jié)果利用計算機(jī)進(jìn)行分析，明確農(nóng)田需水量，再對滴灌、噴灌等灌溉設(shè)施進(jìn)行自動控制，在蒸發(fā)量較小的時段進(jìn)行灌水，以此實現(xiàn)動態(tài)化和標(biāo)準(zhǔn)化管理，有效提升灌溉效率，避免出現(xiàn)水資源浪費等情況。例如在干旱時期，相關(guān)人員根據(jù)農(nóng)田分布土壤含水率檢測傳感器的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，設(shè)定自動灌溉參數(shù)，可實現(xiàn)分區(qū)灌溉，協(xié)調(diào)用水量，保障對水資源的高效利用[6]。

2.4 采收機(jī)械應(yīng)用自動化控制技術(shù)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，收獲是利用農(nóng)業(yè)機(jī)械較為頻繁的階段，有助于節(jié)省人力成本、提高采收效率。而這一過程中，利用自動化控制技術(shù)，如設(shè)置智能儀器監(jiān)測農(nóng)作物的發(fā)育狀態(tài)、判斷農(nóng)作物成熟情況，再利用智能系統(tǒng)精準(zhǔn)執(zhí)行操作命令，可實現(xiàn)田間農(nóng)作物自動采收。比如，在農(nóng)田固定位置安裝設(shè)備傳感器，收集全面的外部信息，對比儀器的手動控制程序參數(shù)，有序執(zhí)行程序指令，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)作物的自主采收。在水稻采收活動中，應(yīng)用履帶自走式全喂入谷物聯(lián)合收割機(jī)，配備雙攝像頭、AI 處理器、控制器等，在實際開展作業(yè)時，有助于感知作物的密度和潮濕程度、谷物品質(zhì)等情況。再利用AI控制器進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，有利于減少人工操作壓力，提升收獲質(zhì)量，減少作物損失量[7]。同時，在收割機(jī)行駛期間，可在駕駛室內(nèi)的計算機(jī)屏幕上動態(tài)顯示道路路況、收割機(jī)運行狀態(tài)、障礙監(jiān)測等，如遭遇復(fù)雜地形，可及時改變收割機(jī)位置，實現(xiàn)自動控制，提升采收作業(yè)效率和質(zhì)量。

2.5 打捆機(jī)應(yīng)用自動化控制技術(shù)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，為實現(xiàn)資源重復(fù)利用，減少浪費情況，人們越來越注重秸稈回收。這一過程中主要應(yīng)用打捆機(jī)設(shè)備，改善以往人工收割、拾取等落后操作方式。在具體實踐中，可在打捆機(jī)設(shè)備中構(gòu)建智能化控制系統(tǒng)，促使秸稈回收效率提升，盡量減少資源損失量。比如，將自動控制技術(shù)加入到打捆機(jī)操作系統(tǒng)中，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，盡可能提升打捆機(jī)的作業(yè)準(zhǔn)確率。該自動控制技術(shù)主要引入北斗定位系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、液壓精密控制技術(shù)等，再結(jié)合各種分析設(shè)備對傳感器設(shè)備進(jìn)行處理，有利于判斷打捆機(jī)各個關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)，可按照事前設(shè)定的觸發(fā)條件，有效控制電磁閥或者電機(jī)動作等，實現(xiàn)打捆操作自動化。在現(xiàn)有的自動化打捆機(jī)設(shè)備中，主要是在壓捆室的兩側(cè)各安裝一個強(qiáng)度傳感器，便于對打捆機(jī)的運行狀態(tài)實施監(jiān)測。若兩側(cè)秸稈密度較大，系統(tǒng)將會發(fā)生警報提醒，促使駕駛員向密度較小的一側(cè)行駛，確保打捆質(zhì)量得到提升。通過對壓捆室油缸自動卸出成型草捆進(jìn)行控制，有利于自動統(tǒng)計打捆數(shù)量，節(jié)省人力成本，盡可能提升作業(yè)效率。

3 自動化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用展望

1）農(nóng)業(yè)機(jī)械個性化和差異化設(shè)計。我國農(nóng)業(yè)資源豐富、農(nóng)作物種類相對較多，但受自然環(huán)境以及地理位置等影響，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求具有差異化和個性化的特征。在今后發(fā)展階段中，將會注重利用自動控制技術(shù)設(shè)計研發(fā)適宜當(dāng)?shù)刈鳂I(yè)的小型化農(nóng)機(jī)設(shè)備，以此滿足復(fù)雜地形的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求[8]。同時，各級政府部門要增加農(nóng)機(jī)技術(shù)扶持，通過加大資金投入、科研投入、人才投入等，推廣普及自動控制技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)運行效能，滿足作物生產(chǎn)管理需求，提升作物產(chǎn)量和質(zhì)量。

2）提升農(nóng)業(yè)機(jī)械操作智能化水平。目前，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展相比于發(fā)達(dá)國家仍有較大的差距，主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化操作水平方面，現(xiàn)階段大部分農(nóng)業(yè)機(jī)械尚未實現(xiàn)無人化、遠(yuǎn)程操控，其系統(tǒng)智能性有待提升。因此，在機(jī)械化作業(yè)全面普及的未來趨勢下，將更關(guān)注農(nóng)機(jī)智能化的發(fā)展，深入分析農(nóng)業(yè)自動化控制調(diào)節(jié)技術(shù)，提升農(nóng)業(yè)操作效率、綜合考慮農(nóng)業(yè)自然環(huán)境的影響，提升機(jī)械運作安全性和可靠性，降低事故發(fā)生率[9]。

3）符合新農(nóng)村生產(chǎn)需求，適應(yīng)農(nóng)業(yè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化規(guī)范。在城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的過程中，農(nóng)村剩余勞動力大量涌入城市，未來從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力數(shù)量還將進(jìn)一步減少，為保障農(nóng)村生產(chǎn)力得到提升，則必須強(qiáng)化農(nóng)機(jī)研發(fā)成果，提升自動化控制水平，盡可能節(jié)省人力資源[10]。所以在未來發(fā)展階段，自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，將重點趨向自動調(diào)節(jié)控制的集約化智能生產(chǎn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的研發(fā)，這些符合農(nóng)村社會生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，機(jī)械化已經(jīng)成為一項重要趨勢，為高效利用農(nóng)業(yè)機(jī)械從事生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)注重運用自動化控制技術(shù)。在具體實踐中，可對耕作機(jī)械、噴霧機(jī)械、灌溉設(shè)備、采收機(jī)械以及打捆機(jī)等引進(jìn)自動化控制技術(shù)，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。并且，在未來發(fā)展階段，農(nóng)業(yè)機(jī)械將會朝個性化和差異化設(shè)計、提高智能化水平以及適應(yīng)農(nóng)村生產(chǎn)需求等方向前進(jìn)，切實加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。