農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)發(fā)展分析

張祥寧 張婷婷

近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)經(jīng)歷了從手工操作到機(jī)械化，再到自動(dòng)化、智能化的演進(jìn)過程。這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展日新月異，為我國(guó)農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

一、農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)的歷史沿革

隨著工業(yè)革命的到來，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力機(jī)械逐漸進(jìn)入農(nóng)田，標(biāo)志著農(nóng)業(yè)機(jī)械化開始起步。20世紀(jì)中期，隨著電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的逐漸成熟，農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。各類傳感器開始廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械，為農(nóng)機(jī)提供了精確的數(shù)據(jù)支撐。此外，液壓控制系統(tǒng)、電子控制單元（ECU）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等先進(jìn)技術(shù)也紛紛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，提高了農(nóng)機(jī)的操作精確性和自動(dòng)化程度。智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械開始走入農(nóng)田，如自動(dòng)導(dǎo)航拖拉機(jī)、無人駕駛收割機(jī)等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠?qū)崟r(shí)與后臺(tái)數(shù)據(jù)中心通信，為農(nóng)機(jī)操作提供了實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)也在農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，為農(nóng)機(jī)提供了空中的視角，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田的全面監(jiān)控。此外，人工智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)中的應(yīng)用也呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長(zhǎng)。智能識(shí)別算法可以幫助農(nóng)機(jī)實(shí)時(shí)識(shí)別作物與雜草，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥和施肥。深度學(xué)習(xí)技術(shù)則通過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，使農(nóng)機(jī)能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)、優(yōu)化操作策略，提高農(nóng)機(jī)的工作效率。

農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)從簡(jiǎn)單的手工操作，經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化到現(xiàn)今的智能化，不斷地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來效率的提升和生產(chǎn)成本的降低，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

二、農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)的發(fā)展

（一）計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)在近年來得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，顯著提升了其性能和應(yīng)用范圍。首先，嵌入式系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，提高了設(shè)備的智能化水平。嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、高效率和小型化的特點(diǎn)，能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。通過集成多種傳感器，如土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和作物生長(zhǎng)狀態(tài)傳感器，農(nóng)業(yè)機(jī)械可以實(shí)時(shí)獲取田間的各種數(shù)據(jù)，再通過嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，為農(nóng)機(jī)操作提供精確的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥、灌溉和收割。其次，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的工具。通過有限元分析、動(dòng)力學(xué)模擬和流體動(dòng)力學(xué)模擬等高級(jí)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，工程師可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。例如，在農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有限元分析可以幫助工程師預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力和變形情況，確保機(jī)械的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。而在農(nóng)業(yè)機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，動(dòng)力學(xué)模擬可以幫助工程師優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)，提高機(jī)械的工作效率和節(jié)能性。最后，人機(jī)交互技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制中也起到了至關(guān)重要的作用。通過觸摸屏、語音識(shí)別和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等前沿的人機(jī)交互技術(shù)，農(nóng)機(jī)操作者可以更加直觀、方便地與機(jī)械進(jìn)行交互，提高操作的效率和準(zhǔn)確性。例如，通過觸摸屏，操作者可以直接在屏幕上進(jìn)行各種設(shè)置和調(diào)整，無需復(fù)雜的按鍵操作。而通過語音識(shí)別技術(shù)，操作者可以通過簡(jiǎn)單的語音指令控制農(nóng)業(yè)機(jī)械，無需手動(dòng)操作。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為操作者提供實(shí)時(shí)的作物生長(zhǎng)信息、土壤狀態(tài)等數(shù)據(jù)，幫助其更好地理解田間的實(shí)際情況，做出更加合理的決策。

計(jì)算機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)中的應(yīng)用，不僅提高了農(nóng)機(jī)的性能和智能化水平，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了更高的效率和更好的質(zhì)量。

（二）傳感器技術(shù)的發(fā)展

農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)在近幾十年中得益于傳感器技術(shù)的進(jìn)步，從而實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率的農(nóng)作物生產(chǎn)。首先，土壤傳感器的廣泛應(yīng)用已經(jīng)變革了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉、施肥策略。土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器以及土壤電導(dǎo)率傳感器等，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤的水分、溫度及營(yíng)養(yǎng)狀況，為農(nóng)機(jī)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而確保精準(zhǔn)灌溉和施肥，最大化農(nóng)作物的產(chǎn)量并優(yōu)化資源利用率。其次，作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)傳感器已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械不可或缺的一部分。通過植物光合作用率傳感器、葉面溫度傳感器及葉綠素含量傳感器等，農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)在能夠?qū)ψ魑锏纳L(zhǎng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、細(xì)致地監(jiān)測(cè)。這不僅有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)作物生長(zhǎng)中的問題，還可以在收獲時(shí)刻為機(jī)械提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，確保最佳的收獲時(shí)間和最大化的作物質(zhì)量。與此同時(shí)，這些傳感器還支持對(duì)農(nóng)藥和肥料的精確施用，保證作物健康生長(zhǎng)，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響。最后，近距離遙感傳感器在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用也呈現(xiàn)出日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這些傳感器，包括多光譜相機(jī)、熱紅外相機(jī)和激光雷達(dá)等，被集成在無人機(jī)或農(nóng)業(yè)機(jī)械上，從空中對(duì)農(nóng)田進(jìn)行高分辨率的監(jiān)測(cè)。與此同時(shí)，這些遙感傳感器可以為農(nóng)機(jī)提供大面積的、連續(xù)的田間數(shù)據(jù)，為農(nóng)機(jī)控制策略的優(yōu)化提供了寶貴的信息源。例如，通過多光譜相機(jī)可以檢測(cè)到作物受到的病蟲害或缺水情況，進(jìn)而農(nóng)機(jī)可以在必要的區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)噴藥或灌溉。

從土壤狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，到作物生長(zhǎng)狀況的精細(xì)管理，再到空中的高分辨率遙感監(jiān)測(cè)，傳感器技術(shù)確保了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效率、高質(zhì)量，同時(shí)對(duì)資源的合理利用和環(huán)境保護(hù)也作出了重要貢獻(xiàn)。

（三）自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)近年來取得了顯著進(jìn)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了革命性的改變。首先，基于PID控制原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)機(jī)械，如拖拉機(jī)、收割機(jī)和噴霧機(jī)等。這些控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集機(jī)械的工作狀態(tài)，如速度、位置和負(fù)荷等參數(shù)，然后通過PID控制算法對(duì)機(jī)械的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保其穩(wěn)定、準(zhǔn)確地完成預(yù)定任務(wù)。例如，當(dāng)收割機(jī)在不平整的地形上工作時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)刀片的高度，確保與地面的恒定距離，從而保證收割的均勻性和效率。其次，模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)也在農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的PID控制相比，這些高級(jí)控制策略能夠更好地處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的非線性、不確定和復(fù)雜的情況。例如，農(nóng)田的土壤狀況、作物生長(zhǎng)狀態(tài)和氣候條件等因素都可能影響農(nóng)機(jī)的工作效果，而模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以根據(jù)這些因素的實(shí)時(shí)變化，自動(dòng)調(diào)整農(nóng)機(jī)的控制策略，確保最佳的工作效果。在施肥或噴藥時(shí)，這些控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料或農(nóng)藥量的精確控制，既保證作物的生長(zhǎng)需求，又減少了對(duì)環(huán)境的影響。最后，機(jī)器視覺技術(shù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)合，為農(nóng)業(yè)機(jī)械帶來了前所未有的智能化水平。通過裝載在農(nóng)機(jī)上的攝像頭和圖像處理算法，農(nóng)機(jī)可以實(shí)時(shí)識(shí)別田間的作物、雜草和病蟲等目標(biāo)，并根據(jù)這些信息調(diào)整自己的工作策略。例如，當(dāng)農(nóng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械除草時(shí)，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以幫助它識(shí)別并避開作物，只對(duì)雜草進(jìn)行精確施藥或機(jī)械操作，提高工作的準(zhǔn)確性和效率。

自動(dòng)控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)中的應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了高效、精確和環(huán)保的新模式。從基于PID原理的閉環(huán)控制，到模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的高級(jí)策略，再到機(jī)器視覺技術(shù)的智能化應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械在自動(dòng)控制系統(tǒng)的支持下，正朝著更高的智能化、自動(dòng)化方向邁進(jìn)。

三、結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)已經(jīng)從簡(jiǎn)單的機(jī)械操作轉(zhuǎn)化為高度自動(dòng)化、智能化的系統(tǒng)集成。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械不僅能夠準(zhǔn)確響應(yīng)各種環(huán)境條件，還能通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和機(jī)器視覺等技術(shù)，進(jìn)行自我調(diào)整，以最大化生產(chǎn)效率和資源利用率。這種技術(shù)變革不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，還降低了對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械控制工程技術(shù)將進(jìn)入一個(gè)全新的創(chuàng)新高峰，為全球農(nóng)業(yè)持續(xù)、可持續(xù)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

（作者單位：青島市即墨區(qū)龍山街道辦事處）