自動控制技術對農業(yè)機械的促進作用

(柳河縣農機管理服務中心,吉林 柳河 135300)

0 引言

隨著社會對農業(yè)生產(chǎn)力要求的不斷提高,傳統(tǒng)的機械化生產(chǎn)與單一人工生產(chǎn)方式已無法滿足現(xiàn)實社會的需求。現(xiàn)階段,由于我國的農業(yè)生產(chǎn)主要以粗放型生產(chǎn)為主,農業(yè)經(jīng)營者與農業(yè)生產(chǎn)者傳統(tǒng)的固有機械特征思維的限制,農業(yè)機械總體生產(chǎn)的質量、效率、能耗、可靠性及成本等方面仍有較大提升空間。農業(yè)機械中應用的自動控制技術是將空間遙感技術、全球定位技術、信息處理技術等與傳統(tǒng)農業(yè)機械技術深度融合,改變我國農業(yè)生產(chǎn)模式單一與機械化程度較低的現(xiàn)狀。在充分保證傳統(tǒng)農業(yè)機械作業(yè)質量與可靠性的基礎上,自動控制技術在農業(yè)機械中的應用,有利于減輕農業(yè)生產(chǎn)勞動力、降低農業(yè)生產(chǎn)成本、提高勞動生產(chǎn)效率、優(yōu)化農業(yè)生產(chǎn)結構,有利于提高農業(yè)機械生產(chǎn)的技術水平、推動我國“農業(yè)機械化”生產(chǎn)向“農業(yè)自動化及智能化”生產(chǎn)轉型升級[1-3]。

1 自動控制技術在農業(yè)機械中的應用

我國的自動控制技術在農業(yè)機械中的應用起步較晚,與歐美國家相比仍存在較大差距,但是隨著計算機控制技術、人工智能技術、電子信息技術及物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,自動控制技術在我國農業(yè)機械中的應用越來越廣泛[4-7],主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 在自動耕作機械中的應用

自動耕作機械是利用自動化牽引機械或傳統(tǒng)拖拉機作為牽引動力,根據(jù)不同農作物耕作要求,耕作系統(tǒng)自動調節(jié)工作模式(牽引方式、耕作深度、耕作要求等),通過自動化電液控制技術驅使耕作機械進行不同農作物的生產(chǎn)作業(yè)。隨著電子信息技術與自動控制技術的發(fā)展,自動控制技術在自動耕作機械中應用越來越廣泛。例如,為解決深翻土壤粉塵影響操作安全問題,基于自動控制技術與全球定位技術,自動感應式導航系統(tǒng)在深翻耕地作業(yè)中的應用;為解決多因素對耕作質量影響,基于自動控制技術與信息融合技術,多傳感器控制系統(tǒng)在耕地作業(yè)全過程中的應用。通過自動控制技術在自動耕作機械中應用,不但提高耕地作業(yè)效率與質量,降低傳統(tǒng)耕地管理工作量,并提高耕種后農作物產(chǎn)量,降低農業(yè)生產(chǎn)種植強度,推進我國農業(yè)機械化及智能化的發(fā)展。

1.2 在自動采收機械中的應用

自動采收機械是在農作物成熟后或農作物生長過程中,采用自動控制設施對農作物的生長密度、發(fā)育狀態(tài)、成熟程度、品質情況等進行監(jiān)測記錄與判斷分析,通過自動控制系統(tǒng)中程序自動控制采收機械對應的執(zhí)行機構進行農作物的自動采摘。隨著人工智能技術與自動控制技術的發(fā)展,自動控制技術在自動采收機械中應用越來越廣泛。例如,基于AI +自動控制技術中聯(lián)重科PL70水稻收割機,通過AI控制器感知農作物生長的密度、發(fā)育狀態(tài)、成熟程度、品質情況等基本信息,采收控制系統(tǒng)動態(tài)收集其他相關信息(作業(yè)路面情況、障礙物、采收機械工作狀態(tài)等),在自動控制系統(tǒng)作用下,自動調節(jié)采收機械的功能配置與運動軌跡規(guī)劃,從而保證收獲質量。通過自動控制技術在自動調節(jié)采收機械中應用不但降低農作物采收的損失量和破損度,提高農忙時節(jié)的采收效率、減輕勞動強度、節(jié)約勞動成本、提高農機使用率,推進我國智能化農機的發(fā)展。

1.3 在變量植保機械中的應用

變量植保機械是根據(jù)不同農作物的生長情況、農業(yè)耕地情況、土壤肥力情況等,基于視覺識別技術與處方圖技術等,采集目標農作物的相關信息,確定目標農作物及非目標農作物的空間位置數(shù)據(jù),并通過控制系統(tǒng)將分析數(shù)據(jù)反饋到變量噴藥機械對應的執(zhí)行機構單元,采用自動控制技術自動打開開關并調節(jié)開關大小,依據(jù)植保機械的位置和速度作為參考對目標農作物及非目標農作物實施動態(tài)可變量植保作業(yè)。隨著計算機控制技術與自動控制技術的發(fā)展,自動控制技術在自動植保機械中應用越來越廣泛,植保機械的使用效率與作業(yè)精度不斷提高,將噴藥、灌溉與施肥環(huán)節(jié)相結合,通過合理匹配控制對應的執(zhí)行機構,實現(xiàn)農藥、肥料和水資源的結合,從而提高農業(yè)自動化與智能化水平。例如,圖1為我國建大仁科公司生產(chǎn)的水肥一體化系統(tǒng),將灌溉與施肥技術融合,實行“按需分配”,按比例直接提供給農作物,從而實現(xiàn)可變量精準植保作業(yè)[8]。通過自動控制技術在植保機械中應用不但減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率,而且節(jié)約勞動成本、提高農作物產(chǎn)量及農資使用率,推進我國精準農業(yè)及可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展。

圖1 水肥一體化系統(tǒng)示意圖

1.4 在節(jié)約灌溉機械中的應用

節(jié)約灌溉機械是基于傳統(tǒng)灌溉設施與農業(yè)多傳感器融合,通過灌溉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集田間土壤信息(溫度和濕度),數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)決策土壤濕度情況,利用自動控制技術開啟并調節(jié)灌溉執(zhí)行機構(電控閥門或控制電機)的水泵工作,實現(xiàn)自動化節(jié)約灌溉。隨著人工智能技術與自動控制技術的發(fā)展,自動控制技術在節(jié)約灌溉機械中應用越來越廣泛,例如,精訊暢通智慧園林灌溉系統(tǒng)(圖2)利用節(jié)約灌溉機械監(jiān)控和記錄農作物的灌溉需求,合理匹配最優(yōu)灌溉方式、時間和灌溉用量等實施智能化精準灌溉,再利用傳感器記錄農作物的生長情況,反饋灌溉機械后不斷優(yōu)化節(jié)約灌溉機械的灌溉性能,通過土壤檢測、氣象檢測、澆灌控制與云端數(shù)據(jù)處理流程,實現(xiàn)農作物穩(wěn)產(chǎn)增收。通過自動控制技術在節(jié)約灌溉機械中應用不但降低傳統(tǒng)的農業(yè)灌溉設施能耗,減輕農業(yè)生產(chǎn)的種植壓力,而且降低人工勞作的人為誤差因素對農業(yè)生產(chǎn)的影響,提高灌溉過程準確性,推進我國生態(tài)農業(yè)及可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展[9]。

圖2 智慧園林灌溉系統(tǒng)示意圖

2 自動控制技術對農業(yè)機械促進作用

2.1 實現(xiàn)農機可靠性能提升

農業(yè)機械應用電控元件實現(xiàn)農業(yè)機械各個執(zhí)行機構的控制,再通過反饋元件的自主分析判斷執(zhí)行機構的運行狀態(tài)是否合理準確,在農業(yè)機械出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動分析農業(yè)機械故障原因,及時準確地確定故障位置,提高農業(yè)機械使用性能。同時,自動控制技術與電控技術的應用,通過控制線路、電控開關、電控驅動器等自動控制單元簡化傳統(tǒng)農業(yè)機械復雜的機械結構,優(yōu)化農業(yè)機械各個執(zhí)行機構的運動學性能,提高農業(yè)機械復雜惡劣工況的適應能力,保證農業(yè)機械生產(chǎn)效率,通過環(huán)境感知設備對作業(yè)環(huán)境進行可視化的感知,避免農機損壞與安全事故發(fā)生。從而實現(xiàn)農業(yè)機械可靠性全面提升。

2.2 實現(xiàn)農機作業(yè)效率提升

農業(yè)機械應用自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)不同農業(yè)機械控制功能的便捷調整,自主調控、精準作業(yè)。農機操作者依據(jù)實際作業(yè)需求,通過農業(yè)機械中的操作臺或手機等設置相關技術參數(shù),調整農業(yè)機械相關機構后,農業(yè)機械能按預先設置自動完成相應功能運動、反饋相應作業(yè)情況等,在保證傳統(tǒng)農業(yè)機械基本作業(yè)功能與生產(chǎn)質量的基礎上,省時省力地完成相應的農機作業(yè)生產(chǎn),從而實現(xiàn)農業(yè)機械作業(yè)效率的全面提升。

2.3 實現(xiàn)農機作業(yè)全時監(jiān)控

農業(yè)機械應用自動控制技術多信號傳輸與數(shù)據(jù)信息實時反饋的特點,農機操作者可以實時監(jiān)控農業(yè)機械的運行情況,及時了解農業(yè)機械的工作狀態(tài),通過多信號傳輸與自動控制單元快速響應,農業(yè)機械可實現(xiàn)即時控制,保證農業(yè)機械操作性與安全性。同時,數(shù)據(jù)信息實時反饋與自動控制單元數(shù)據(jù)處理,農業(yè)機械可實現(xiàn)全過程閉環(huán)作業(yè)與農機運行大數(shù)據(jù)積累,有效提高農業(yè)機械的機械化程度及作業(yè)效果,實現(xiàn)農機作業(yè)全時監(jiān)控與農業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

2.4 實現(xiàn)農機故障自我診斷

農業(yè)機械應用自動控制技術中多種傳感器信息融合采集農業(yè)機械工作狀態(tài)的相關數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)信息反饋到大數(shù)據(jù)人工智能處理系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)庫對比與“農業(yè)經(jīng)驗集”分析,確定相關故障原因及解決方案,利用人工智能技術與自動控制技術,基于對應的控制算法實現(xiàn)在故障點位置的預警與處理,保證農業(yè)機械正常操作,確保農業(yè)機械在“故障檢測→故障診斷→故障處理→正常運行→故障檢測”區(qū)間循環(huán)穩(wěn)定運行[10-11]。

3 自動控制技術對農業(yè)機械應用價值

隨著我國對農業(yè)生產(chǎn)技術的要求不斷提高,自動控制技術在農業(yè)機械中應用越來越廣泛。在現(xiàn)代化農業(yè)背景下,融合智能傳感技術和計算機技術的農業(yè)機械,促進農業(yè)機械自動化進步,將有利于實現(xiàn)我國農業(yè)生產(chǎn)的自動化變量植保、節(jié)水灌溉、溫室控制、耕作生產(chǎn)、打捆采收等應用的推廣與普及。同時,在農業(yè)生產(chǎn)過程中,通過自動控制農業(yè)機械的應用可以降低農業(yè)機械操作難度,自動實時監(jiān)控技術應用可以有效提高農業(yè)機械的實際運行效率,自動故障診斷技術應用可以合理地降低農業(yè)機械的故障發(fā)生率。自動控制技術在農業(yè)機械中應用,可以解決困擾農業(yè)生產(chǎn)的多方面技術問題,將有利于國內農業(yè)現(xiàn)代化進程的推進?？傊?自動控制技術在農業(yè)機械應用中具有較大的科學價值[12]。

4 結論

通過自動控制技術在變量植保機械、節(jié)約灌溉機械、自動耕作機械及自動采收機械等方面應用情況的討論,深入分析了自動控制技術對農業(yè)機械的促進作用,并總結自動控制技術對農業(yè)機械的應用價值,為實現(xiàn)我國農業(yè)機械智能化與信息化水平的提升提供參考。