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

范洋洋

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

0 引言

我國(guó)是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的國(guó)家，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，且農(nóng)業(yè)水平直接決定著國(guó)內(nèi)未來(lái)的經(jīng)濟(jì)步伐。在社會(huì)持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，我國(guó)亟需對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式進(jìn)行不斷創(chuàng)新探索。隨著信息化時(shí)代的來(lái)臨，社會(huì)網(wǎng)絡(luò)通信越來(lái)越發(fā)達(dá)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及以及智能感知技術(shù)的興起，使得越來(lái)越多的人工智能操作被運(yùn)用到國(guó)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中。而農(nóng)業(yè)也正在朝著自動(dòng)化控制技術(shù)的方向發(fā)展。具體而言，自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用，不僅讓農(nóng)民解放雙手，還能使農(nóng)業(yè)變得更加智能化、信息化，能有效地促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升[1-2]。

為此，本文對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并探討后續(xù)應(yīng)用方式，期望在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能夠更好地應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)，確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效。

1 自動(dòng)控制技術(shù)的基本含義

就自動(dòng)控制原理而言，自動(dòng)控制是建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用反饋原理影響動(dòng)力系統(tǒng)，使其達(dá)到或接近預(yù)定值[3]。根據(jù)微分方程，自動(dòng)控制系統(tǒng)可劃分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)深?lèi)；根據(jù)傳輸信號(hào)特性可以將自動(dòng)控制系統(tǒng)劃分為連續(xù)和抽樣；根據(jù)控制信號(hào)的變化規(guī)律可以分為穩(wěn)定型系統(tǒng)、程序化控制系統(tǒng)[4]；依照信號(hào)變換規(guī)律可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為隨動(dòng)、鎮(zhèn)定、程序控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制技術(shù)是由被控制對(duì)象、控制器、傳感器、執(zhí)行操作裝置等組成的技術(shù)，主要涵蓋閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制、補(bǔ)償控制、復(fù)合控制等方法[5]。這些系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)控制屬于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度不高的控制方法，在運(yùn)行過(guò)程中受到外部環(huán)境的影響較大，且缺乏反饋功能。閉環(huán)控制通常使用特殊測(cè)量方法進(jìn)行輸出，且在輸入上也運(yùn)用了控制技術(shù)構(gòu)成閉環(huán)。補(bǔ)償控制可通過(guò)預(yù)先設(shè)定控制方式降低外部因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。復(fù)合控制是指把偏差控制和干擾控制相結(jié)合，以消除干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。

2 自動(dòng)控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的作用

2.1 提高農(nóng)機(jī)可靠性能

農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用電控元件來(lái)控制農(nóng)業(yè)機(jī)械各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，隨之利用反饋元件自主化分析工作狀況是否正確。當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)分析農(nóng)機(jī)故障，對(duì)其進(jìn)行正確定位，提高農(nóng)機(jī)的工作效率與使用效能[6]。同時(shí)，自動(dòng)化控制技術(shù)和電子控制技術(shù)相結(jié)合，利用電控線(xiàn)路、電控驅(qū)動(dòng)器、電控開(kāi)關(guān)等控制部件，優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)各執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)特性的優(yōu)化。這一過(guò)程能提升農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜嚴(yán)酷條件下的自適應(yīng)性，保障農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)高效性，并借助環(huán)境傳感裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)環(huán)境的可視化感知，預(yù)防農(nóng)業(yè)機(jī)械損傷和安全事故，全面提高農(nóng)機(jī)可靠性。

2.2 提升農(nóng)機(jī)作業(yè)效率

自動(dòng)控制技術(shù)可方便地調(diào)節(jié)各種農(nóng)機(jī)的控制功能，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自主調(diào)節(jié)和精確操作。根據(jù)具體工作，農(nóng)機(jī)操作員可根據(jù)自身操作需要，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[7]。在調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)機(jī)械有關(guān)機(jī)構(gòu)后，農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠按照設(shè)定的相應(yīng)功能運(yùn)動(dòng)，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行反饋[8]。自動(dòng)控制技術(shù)可在確保常規(guī)農(nóng)機(jī)基本工作功能和生產(chǎn)品質(zhì)的前提下，高效、低成本地完成相關(guān)的農(nóng)機(jī)作業(yè)和生產(chǎn)，以達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)整體工作效率提高的目的。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)機(jī)作業(yè)

在農(nóng)機(jī)作業(yè)過(guò)程中，由于采用自動(dòng)化控制技術(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋、多信號(hào)傳輸?shù)葯C(jī)制，農(nóng)業(yè)操作人員能對(duì)農(nóng)機(jī)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并掌握自身工作進(jìn)度[9]。自動(dòng)化控制技術(shù)的多路信息傳遞和自動(dòng)控制裝置運(yùn)行，能對(duì)農(nóng)業(yè)作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并確保農(nóng)機(jī)的安全性、操縱性[10]。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全程閉環(huán)操作和運(yùn)營(yíng)大數(shù)據(jù)采集，提升機(jī)械化水平和工作效率，為農(nóng)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控提供技術(shù)支撐。

2.4 降低農(nóng)業(yè)機(jī)械維護(hù)成本

自動(dòng)化控制技術(shù)可提高農(nóng)業(yè)環(huán)境和地域的適應(yīng)能力，使農(nóng)機(jī)生產(chǎn)效率得到極大提高，也降低農(nóng)機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)故障的概率，確保農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率[11]，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用可極大降低有關(guān)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[12]，降低機(jī)械設(shè)備的維護(hù)、精力投入等方面的成本，還可提高農(nóng)民幸福感。

2.5 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備自我故障診斷

自動(dòng)控制技術(shù)通過(guò)安裝在裝置元件上的傳感器，能夠?qū)r(nóng)業(yè)設(shè)備進(jìn)行故障診斷，以監(jiān)控農(nóng)業(yè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的有關(guān)參數(shù)，確保機(jī)器工作質(zhì)量[13]。自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)備上的應(yīng)用，可以確保農(nóng)業(yè)機(jī)器的正常運(yùn)行，可在機(jī)器發(fā)生故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速的診斷，并發(fā)出相應(yīng)故障信號(hào)通知有關(guān)工作人員[14]，確保農(nóng)業(yè)設(shè)備的安全運(yùn)行。

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

3.1 在農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械通常為谷物收割機(jī)，主要涵蓋曬谷機(jī)、打谷機(jī)、收割機(jī)等機(jī)器。伴隨現(xiàn)代科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)糧食收獲機(jī)械也逐漸趨向于自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了收割、脫粒等多環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制，由中央電腦有效地進(jìn)行糧食管理。近年來(lái)，以草莓、黃瓜、荔枝、蘋(píng)果、番茄、卷心菜、西瓜等為目標(biāo)的果蔬收獲機(jī)械也逐步進(jìn)入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。在此基礎(chǔ)上，新型的采收機(jī)械能通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別出目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)操作。例如，挪威環(huán)境和生命科學(xué)大學(xué)已經(jīng)引進(jìn)了Noronn 草莓采收機(jī)器人，該裝置可識(shí)別生長(zhǎng)草莓的成熟度，并將其按尺寸進(jìn)行自動(dòng)分揀。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研發(fā)了移動(dòng)式黃瓜采收機(jī)器人，該機(jī)器人采用三菱7自由度工業(yè)機(jī)械手，對(duì)地面0.8 m～1.5 m無(wú)莖、無(wú)枝的黃瓜進(jìn)行采收，利用高壓電機(jī)切割，避免病菌侵染，并利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)其進(jìn)行精確定位，完成目標(biāo)采集的時(shí)間大約為45 s。美國(guó)一家名為“Abundant Robotics”的農(nóng)業(yè)機(jī)器人初創(chuàng)科技公司，開(kāi)發(fā)出了一種可以通過(guò)先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)區(qū)分蘋(píng)果的成熟程度并對(duì)蘋(píng)果進(jìn)行真空采集的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，從而有效防止機(jī)器對(duì)果實(shí)表面造成損傷。而我國(guó)華南農(nóng)大科研小組也已研制出了一臺(tái)可以采收40 kg左右荔枝的機(jī)器人，比人力采摘速度高出2 倍左右。該機(jī)器人通過(guò)雙眼立體視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)荔枝的精確定位，獲取多個(gè)視線(xiàn)范圍內(nèi)的多個(gè)物體，并自動(dòng)規(guī)劃采摘工作路線(xiàn)，最終通過(guò)機(jī)械手末端的擬人式手指實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)的修剪和果實(shí)采摘。

3.2 在農(nóng)業(yè)溫室大棚中的應(yīng)用

反季節(jié)瓜果蔬菜既能讓人們吃到新鮮蔬菜，亦能夠使得農(nóng)民收入得以顯著提升。但是，反季節(jié)瓜果蔬菜具有較高的生長(zhǎng)環(huán)境濕度、溫度等方面的要求，管理也就更為復(fù)雜。鑒于農(nóng)民需對(duì)瓜果蔬菜生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)管，需通過(guò)相關(guān)技術(shù)加持對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚進(jìn)行有效管理。對(duì)此，首先，通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用，溫室大棚的內(nèi)部構(gòu)造可配置溫度控制、供水、濕度控制以及照明等相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。這些農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為輔助機(jī)械，主要是由自動(dòng)控制技術(shù)的具體運(yùn)用而形成。每一個(gè)自動(dòng)化控制機(jī)械設(shè)備均能動(dòng)態(tài)化、實(shí)時(shí)化收集溫室大棚內(nèi)部情況數(shù)據(jù)，隨之由計(jì)算機(jī)中心展開(kāi)詳細(xì)整合、分析、梳理及儲(chǔ)存，再將處理完畢的數(shù)據(jù)反饋至每臺(tái)自動(dòng)化控制機(jī)械設(shè)備之上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚的全面監(jiān)管。其次，自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室大棚中，能夠完善農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度傳感器功能，助力實(shí)現(xiàn)固定位置溫濕度檢測(cè)。這一過(guò)程中溫濕度傳感器能夠?qū)ΨN植的瓜果蔬菜生長(zhǎng)情況展開(kāi)全天候記錄，再根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)控制及調(diào)整大棚內(nèi)溫度濕度，進(jìn)行干燥、制冷制熱、排風(fēng)、加濕等一系列操作，使得農(nóng)業(yè)溫室大棚始終保持在溫濕度適宜的環(huán)境中。再次，自動(dòng)控制技術(shù)還能精確監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)溫室大棚中光照情況、二氧化碳濃度等，有效確保農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)反季節(jié)瓜果蔬菜良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，使得農(nóng)民獲得期望的經(jīng)濟(jì)收益。最后，自動(dòng)控制技術(shù)可將有關(guān)農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)且完整地進(jìn)行保存，為瓜果蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育研究提供精準(zhǔn)、優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)。總而言之，自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于溫度、濕度控制等農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中，能實(shí)現(xiàn)對(duì)瓜果蔬菜生長(zhǎng)的精確控制，助力農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)。

3.3 在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉包含管道輸水、微噴、渠道防滲、噴灌及滴灌等方式，而不管采取哪種方式也都離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)的加持。自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用下的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉機(jī)械裝置包含電子負(fù)壓計(jì)、土壤水分傳感器、中央控制計(jì)算機(jī)、變頻控制器、電磁閥、水動(dòng)閥等等，能做到農(nóng)業(yè)水分調(diào)節(jié)、精量灌溉等事項(xiàng)，進(jìn)而提高農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益。就噴灌機(jī)械裝置而言，自動(dòng)控制噴灌能使農(nóng)業(yè)水灌溉效率提升80%、農(nóng)作物產(chǎn)量提升30%、農(nóng)渠與毛渠播種面積提高15%～25%。自動(dòng)化控制技術(shù)能對(duì)土壤濕度展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并由中心控制電腦進(jìn)行灌溉。具體而言，在需要進(jìn)行灌溉時(shí)候，電腦程序中的自動(dòng)化控制程序便會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟灌溉機(jī)械裝置電磁閥，當(dāng)土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到要求時(shí)便會(huì)停止灌溉，確保農(nóng)作物始終處在最優(yōu)土壤環(huán)境生長(zhǎng)的同時(shí)，極大地節(jié)省水資源，促進(jìn)農(nóng)作物健康成長(zhǎng)。

3.4 在農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培中的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培中，自動(dòng)控制技術(shù)能夠通過(guò)電腦控制系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培每一環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，針對(duì)不同植株所需水分、養(yǎng)分實(shí)施培育。自動(dòng)控制技術(shù)能夠?qū)①A液容器、種植容器、排放管線(xiàn)、營(yíng)養(yǎng)液輸送等機(jī)制相連，協(xié)同作用，并引導(dǎo)滴灌、自動(dòng)灌溉等相關(guān)無(wú)土栽培作業(yè)。作為自動(dòng)控制的關(guān)鍵組成部分，專(zhuān)家系統(tǒng)含有多元、大量農(nóng)業(yè)知識(shí)資源與軟件，屬于智能計(jì)算機(jī)程序，可取代傳統(tǒng)人工診斷。專(zhuān)家系統(tǒng)中的圖像分析、模式識(shí)別等功能可根據(jù)執(zhí)行口令自動(dòng)歸納、比較和推斷數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的全方位監(jiān)管，驅(qū)動(dòng)農(nóng)作物健康成長(zhǎng)，帶動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量、智能化發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用能促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化，不僅能提高農(nóng)作物產(chǎn)量，還能節(jié)省大量時(shí)間和人力成本，達(dá)到精準(zhǔn)化生產(chǎn)的目的。在具體應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)的過(guò)程中，自動(dòng)溫室控制、節(jié)水灌溉、施肥控制等的實(shí)現(xiàn)，能提高農(nóng)業(yè)資源利用效率，在一定程度上保護(hù)農(nóng)業(yè)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。