自动控制技术在农业机械中的应用

2024-05-16范洋洋

南方农机 2024年8期

范洋洋

（武威职业学院，甘肃武威 733000）

0 引言

我国是一个以农业为主的国家，农业机械化程度直接关系到农业生产力，且农业水平直接决定着国内未来的经济步伐。在社会持续发展的当下，我国亟需对农业生产方式进行不断创新探索。随着信息化时代的来临，社会网络通信越来越发达，计算机技术的普及以及智能感知技术的兴起，使得越来越多的人工智能操作被运用到国内各个领域和产业中。而农业也正在朝着自动化控制技术的方向发展。具体而言，自动控制技术在农业中的运用，不仅让农民解放双手，还能使农业变得更加智能化、信息化，能有效地促进农业生产效率的提升[1-2]。

为此，本文对自动控制技术在农业机械生产中的应用进行了研究，并探讨后续应用方式，期望在未来农业生产中能够更好地应用自动化控制技术，确保农业生产高效。

1 自动控制技术的基本含义

就自动控制原理而言，自动控制是建立在数学理论基础上，运用反馈原理影响动力系统，使其达到或接近预定值[3]。根据微分方程，自动控制系统可划分为线性和非线性两类；根据传输信号特性可以将自动控制系统划分为连续和抽样；根据控制信号的变化规律可以分为稳定型系统、程序化控制系统[4]；依照信号变换规律可将自动控制系统分为随动、镇定、程序控制系统。自动控制技术是由被控制对象、控制器、传感器、执行操作装置等组成的技术，主要涵盖闭环控制、开环控制、补偿控制、复合控制等方法[5]。这些系统中开环控制属于结构相对简单、自动化程度不高的控制方法，在运行过程中受到外部环境的影响较大，且缺乏反馈功能。闭环控制通常使用特殊测量方法进行输出，且在输入上也运用了控制技术构成闭环。补偿控制可通过预先设定控制方式降低外部因素对系统性能的影响。复合控制是指把偏差控制和干扰控制相结合，以消除干扰对系统的影响。

2 自动控制技术在农业机械中的作用

2.1 提高农机可靠性能

农业机械应用电控元件来控制农业机械各执行机构，随之利用反馈元件自主化分析工作状况是否正确。当农业机械发生故障时，系统能自动分析农机故障，对其进行正确定位，提高农机的工作效率与使用效能[6]。同时，自动化控制技术和电子控制技术相结合，利用电控线路、电控驱动器、电控开关等控制部件，优化农业机械结构，实现农机各执行器运动特性的优化。这一过程能提升农业机械在复杂严酷条件下的自适应性，保障农业机械作业高效性，并借助环境传感装置，实现对作业环境的可视化感知，预防农业机械损伤和安全事故，全面提高农机可靠性。

2.2 提升农机作业效率

自动控制技术可方便地调节各种农机的控制功能，推进实现农机的自主调节和精确操作。根据具体工作，农机操作员可根据自身操作需要，对农业机械操作界面进行参数设定[7]。在调节农业机械有关机构后，农业机械能够按照设定的相应功能运动，并对工作状态进行反馈[8]。自动控制技术可在确保常规农机基本工作功能和生产品质的前提下，高效、低成本地完成相关的农机作业和生产，以达到农业机械与农业整体工作效率提高的目的。

2.3 实时监控农机作业

在农机作业过程中，由于采用自动化控制技术的数据实时反馈、多信号传输等机制，农业操作人员能对农机的工作状况进行实时监测，并掌握自身工作进度[9]。自动化控制技术的多路信息传递和自动控制装置运行，能对农业作业进行实时控制并确保农机的安全性、操纵性[10]。在此基础上，实现全程闭环操作和运营大数据采集，提升机械化水平和工作效率，为农机作业实时监控提供技术支撑。

2.4 降低农业机械维护成本

自动化控制技术可提高农业环境和地域的适应能力，使农机生产效率得到极大提高，也降低农机使用过程中出现故障的概率，确保农产品生产效率[11]，对促进农业机械化发展具有重要意义。同时，自动化控制技术应用可极大降低有关农业从业人员的劳动强度[12]，降低机械设备的维护、精力投入等方面的成本，还可提高农民幸福感。

2.5 实现农业设备自我故障诊断

自动控制技术通过安装在装置元件上的传感器，能够对农业设备进行故障诊断，以监控农业设备运转的有关参数，确保机器工作质量[13]。自动化控制技术在农业设备上的应用，可以确保农业机器的正常运行，可在机器发生故障时对其进行快速的诊断，并发出相应故障信号通知有关工作人员[14]，确保农业设备的安全运行。

3 自动控制技术在农业机械中的具体应用

3.1 在农业收获机械中的应用

传统的农业收获机械通常为谷物收割机，主要涵盖晒谷机、打谷机、收割机等机器。伴随现代科技的进步，传统粮食收获机械也逐渐趋向于自动控制，实现了收割、脱粒等多环节的自动化控制，由中央电脑有效地进行粮食管理。近年来，以草莓、黄瓜、荔枝、苹果、番茄、卷心菜、西瓜等为目标的果蔬收获机械也逐步进入现代化农业。在此基础上，新型的采收机械能通过机器视觉识别出目标，并对目标进行相应操作。例如，挪威环境和生命科学大学已经引进了Noronn 草莓采收机器人，该装置可识别生长草莓的成熟度，并将其按尺寸进行自动分拣。荷兰农业环境工程研究所研发了移动式黄瓜采收机器人，该机器人采用三菱7自由度工业机械手，对地面0.8 m～1.5 m无茎、无枝的黄瓜进行采收，利用高压电机切割，避免病菌侵染，并利用机器视觉对其进行精确定位，完成目标采集的时间大约为45 s。美国一家名为“Abundant Robotics”的农业机器人初创科技公司，开发出了一种可以通过先进的机器视觉技术来区分苹果的成熟程度并对苹果进行真空采集的农业机器人，从而有效防止机器对果实表面造成损伤。而我国华南农大科研小组也已研制出了一台可以采收40 kg左右荔枝的机器人，比人力采摘速度高出2 倍左右。该机器人通过双眼立体视觉技术，实现对荔枝的精确定位，获取多个视线范围内的多个物体，并自动规划采摘工作路线，最终通过机械手末端的拟人式手指实现对果树的修剪和果实采摘。

3.2 在农业温室大棚中的应用

反季节瓜果蔬菜既能让人们吃到新鲜蔬菜，亦能够使得农民收入得以显著提升。但是，反季节瓜果蔬菜具有较高的生长环境湿度、温度等方面的要求，管理也就更为复杂。鉴于农民需对瓜果蔬菜生长情况实时监管，需通过相关技术加持对农业温室大棚进行有效管理。对此，首先，通过自动控制技术的应用，温室大棚的内部构造可配置温度控制、供水、湿度控制以及照明等相关农业机械设备。这些农业机械设备统称为辅助机械，主要是由自动控制技术的具体运用而形成。每一个自动化控制机械设备均能动态化、实时化收集温室大棚内部情况数据，随之由计算机中心展开详细整合、分析、梳理及储存，再将处理完毕的数据反馈至每台自动化控制机械设备之上，以此实现对农业温室大棚的全面监管。其次，自动控制技术应用于农业温室大棚中，能够完善农业温室大棚温湿度传感器功能，助力实现固定位置温湿度检测。这一过程中温湿度传感器能够对种植的瓜果蔬菜生长情况展开全天候记录，再根据预设标准来控制及调整大棚内温度湿度，进行干燥、制冷制热、排风、加湿等一系列操作，使得农业温室大棚始终保持在温湿度适宜的环境中。再次，自动控制技术还能精确监测农业温室大棚中光照情况、二氧化碳浓度等，有效确保农业温室大棚内反季节瓜果蔬菜良好的生长状态，使得农民获得期望的经济收益。最后，自动控制技术可将有关农业温室内的检测数据系统且完整地进行保存，为瓜果蔬菜生长发育研究提供精准、优质数据。总而言之，自动控制技术应用于温度、湿度控制等农业机械设备中，能实现对瓜果蔬菜生长的精确控制，助力农业高效生产。

3.3 在农业节水灌溉中的应用

农业节水灌溉包含管道输水、微喷、渠道防渗、喷灌及滴灌等方式，而不管采取哪种方式也都离不开自动控制技术的加持。自动化控制技术应用下的农业节水灌溉机械装置包含电子负压计、土壤水分传感器、中央控制计算机、变频控制器、电磁阀、水动阀等等，能做到农业水分调节、精量灌溉等事项，进而提高农产品经济效益。就喷灌机械装置而言，自动控制喷灌能使农业水灌溉效率提升80%、农作物产量提升30%、农渠与毛渠播种面积提高15%～25%。自动化控制技术能对土壤湿度展开实时监测，并由中心控制电脑进行灌溉。具体而言，在需要进行灌溉时候，电脑程序中的自动化控制程序便会自动开启灌溉机械装置电磁阀，当土壤湿度传感器数据达到要求时便会停止灌溉，确保农作物始终处在最优土壤环境生长的同时，极大地节省水资源，促进农作物健康成长。

3.4 在农业无土栽培中的应用

在农业无土栽培中，自动控制技术能够通过电脑控制系统对农业无土栽培每一环节进行实时动态监测，针对不同植株所需水分、养分实施培育。自动控制技术能够将贮液容器、种植容器、排放管线、营养液输送等机制相连，协同作用，并引导滴灌、自动灌溉等相关无土栽培作业。作为自动控制的关键组成部分，专家系统含有多元、大量农业知识资源与软件，属于智能计算机程序，可取代传统人工诊断。专家系统中的图像分析、模式识别等功能可根据执行口令自动归纳、比较和推断数据，实现对农作物的全方位监管，驱动农作物健康成长，带动我国农业高质量、智能化发展。