自動控制技術在農業機械中的應用

孟慶亮 陳亦軍 范巍挺

摘 要： 在推動農業現代化建設的背景下，將自動化技術引入農業生產是發展的重點。引入自動化技術不僅能夠使農業機械在生產中發揮最大作用，也能有效提升現代化農業的生產力、減少勞動力的需求。主要探析了自動控制技術在農業生產中的具體應用。

關鍵詞： 現代化農業;自動控制技術;農業機械

中圖分類號： F323.3? ? ? ? ?文獻標識碼： A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.10.062

1 自動控制技術的基本含義

由控制器、被控制對象、執行操作的設備和傳感器等部分構成的技術被稱為自動控制技術。包括開環控制、閉環控制和補償控制在內的多種控制技術是目前比較常見的自動控制技術種類。其中結構設置比較簡單，自動化水平低的是開環控制，這種方式操作時受外界環境影響比較大，同時缺少反饋功能;閉環一般采用專門的措施控制輸出，在輸入端也有控制技術應用從而形成閉環;如果想減少外界因素的影響，可利用補償控制采取提前設置控制方式的手段加以實現。

2 我國農業自動化控制現狀

我國是農業大國，但由于目前工業化程度不夠，所以大部分農民進行農業生產時主要還是以人力的方式進行，由于機械化水平不足，所以農民在進行生產時只是部分應用精細化的機械操作。但農民已經認識到，全面自動化不僅能夠提高農業生產效率，還能減輕勞動力負擔。隨著發達國家農業自動化技術趨于飽和，農業自動化也逐漸向亞洲國家轉移。

2.1 農業機械部分自動化控制技術

農業機械部分自動化指的是一部分機械具有自動化裝置，例如液壓三點懸掛的拖拉機就屬于這一范疇。傳統拖拉機運轉中會因為自身的抖動造成機器的零部件發生摩擦產生熱量，甚至引發火災。而新型拖拉機則有自動裝置的輔助，可以對機體的溫度進行感應，從而控制拖拉機的工作，這樣就能減少發生故障的幾率，不僅能夠提高使用效率，還能延長拖拉機的使用壽命。

半自動灌溉操作是由工作人員控制自動化技術進行，首先對農耕地進行劃分，一個設備負責三片區域，確定灌溉的范圍，從而節約成本;自動化灌溉技術也能減少農民和操作人員的工作量，節約水資源，發揮水資源的最大利用價值。

2.2 在精細化農業中應用自動化控制技術

自動控制技術是通過采用精細化管理模式來實現在精細化農業中應用的。這種模式下可以實現農業生產和管理優化，提升農業生產的品質。目前的精細化農業自動化控制技術主要應用于溫室，技術人員利用泵站和渠系對農產品的生長情況進行監控分析，并負責設備的管理維護。目前自動控制技術在精細化農業中的應用還處于起步階段，后期優化需要不斷降低操作人員的任務量。

技術人員通過互聯網和計算機對監控測量得到的數據進行整理后輸入到自動控制系統，來進行自動化管理，從而開展精細化作業。這種方式需要技術人員在初期定時去現場監督，避免設備卡頓影響測量結果。

3 自動控制技術應用于農業機械的優勢

3.1 精度高

自動化控制技術的精確性很大程度上由元器件的精度和準度決定，因此元器件的精度和準度直接關系到農業機械操作的精度。例如在位置信息的反饋中，傳統的傳感器不僅在響應方面落后，精度也很低;而目前使用的光電編碼器可以將精度縮小為傳統精度的1/25，可以說是巨大的進步和超越，農業機械自動化精度的提高可以明顯增大農業機械的應用范圍。此外，傳統機械傳感器的實際使用功率遠遠超出核定標準，而且由于損耗嚴重，需要常常更換零部件;而光電編碼器由于避免了部位之間的直接接觸，所以由于磨損帶來的損耗和浪費也就普遍低于傳統方式。這也是為什么光電編碼器目前能夠在農業機械自動化領域得到廣泛應用的原因。

3.2 穩定與可靠

自動化控制技術可以保持機械工作的穩定性，確保運行效率和經濟收益。同時光電隔離是機械控制中信號輸入輸出的主要實現方式，這使得電氣系統也能做到機械內外電路的有效隔離，各模塊之間的屏蔽措施使外部環境對機械化產生的干擾減少，從而使機械設備在不利條件下也能保證正常運行，使系統更加穩定可靠。

3.3 自我診斷

自動控制技術可以通過多種傳感設備對農業機械設備中出現的故障進行自動檢測和診斷，當發生故障時立刻以光或者聲音的形式釋放出信號發出警報，并提供相關參數作為操作人員的參考，方便他們結合故障警報，及時準確地找到故障點和原因，第一時間高效完成故障排查和維護。

3.4 模塊化方便管理

雖然目前我國還沒有全面普及和實現農業機械自動化控制，但由于研究人員在設計中引進了模塊化的思想，為日后使用中維護、保養的問題帶來了極大的便利。這樣一來，某一部分出現問題時就可以有針對性地進行檢查維護而不必對整體進行檢查。根據不同部位的需求選擇不同的模塊設備也使操作更加靈活，讓農業的機械操作變得更加簡單方便。

3.5 即時控制

電氣控制是農業自動化的技術基礎，電氣控制由于信號傳輸速度快，所以耗費時間也就更短，程序運行也比較及時快速。自動化控制可以對不同的設備進行合理管理，及時有效地保護農業控制裝置，提高系統的工作效率，完成對管控和安全方面的雙重要求，從而確保達到預期的生產目標。

4 在農業機械中應用自動控制技術

自動控制技術可以減輕農戶的工作量，提高生產效率。目前常見的農業機械自動控制技術包括以下幾類。

4.1 溫度濕度自動控制技術的應用

反季節蔬菜能為農戶帶來較高的利潤，但反季節蔬菜由于對生長環境的溫度和濕度有很高的要求，因此關于它們的管理也就更為復雜。由于農戶需要對種植蔬菜的生長情況進行全方位的監督和管理，所以研究人員將溫濕度傳感器嵌入大棚的研發和安裝中，在大棚的幾個固定位置設置溫濕度傳感器，對其中種植的農作物的生長情況進行全天記錄，并將數據返回到系統內，計算機根據反饋的參數分析實際情況后再根據預設的標準來控制和調整溫濕度，進行排風、干燥、加濕、制冷或制熱等操作，從而維持棚內的溫濕度在一個適合農作物生長的范圍內。

4.2 自動采摘技術的應用

現在的自動控制技術已經被應用的比較成熟廣泛，可以同時實現對多種農作物的自動化管理，比如農作物的采摘設備根據預設的路線，將采摘目標的相關情況返回系統，再由計算機對采摘設備下達指令。采摘設備沿規定的路線前進時，會根據多種自動傳感器的反饋對蔬菜的生長情況進行分析判斷。如果農作物滿足采摘條件，再進一步結合其他不確定因素決定是否進行采摘操作。

這類技術由于自動化程度較高，比較適合那些已經完成全面自動化的蔬菜大棚，同時也對工作人員計算機操作水平提出了新要求，需要操作員根據不同的蔬菜種類設置采摘指標。自動化采摘技術的好處是避免了人工采摘工作的繁瑣枯燥和人工失誤，同時也減少了非自動化統一采摘設備造成的浪費，節省了采摘設備的數量，降低了農戶的成本。

4.3 視覺識別技術的應用

由于不同蔬菜對光照的需求不同，種植了多種蔬菜的大棚，農戶需要不斷根據蔬菜的生長周期來調整光照類型和強度，這對農戶來說是比較大的勞動量，并且難度較大，難以實現精確控制。在蔬菜大棚的自動化控制系統內添加視覺識別系統，可以對大棚內不同的蔬菜進行區分，根據不同生長周期對應的不同外觀變化，對棚內自動遮光系統的轉動進行調整，從而實現對光照強度變化的控制，保證了蔬菜對光照的需求。這一過程也不需要人的參與，有效降低了農戶的勞動成本。不過由于視覺識別技術的成本較高，因此更加適合那些具有高附加值的蔬菜，在普通蔬菜大棚內仍未得到普及應用。

5 結語

綜上所述，在農村地區推廣自動化機械設備能夠極大促進農業生產效率，解放勞動力。由于目前農村并未對自動化控制技術進行全面的推廣使用，所以可以先在生產中針對某些環節進行模塊化的設置，如應用文中提到的自動采摘、視覺識別和溫度濕度控制等技術，這樣做既是為日后全面推廣自動控制技術作鋪墊，也能夠在一定程度上緩解農村的勞動壓力，進而有效推動農業自動化建設。

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