機械控制中的機械自動化技術的應用研究

李彥龍

（長江大學文理學院，遼寧 營口 115000）

目前，機械自動化技術已經在多個領域有所應用。其中，農業和工業應用較多，尤其是農業種植中設備控制的應用，此項技術的應用，對促進我國農業發展的幫助較大。雖然此項技術在農業播種環節的自動化控制中的應用方法較為成熟，但是，噴藥自動化技術薄弱，仍需進一步探究。

1 機械自動化技術及其應用領域

機械自動化技術是在沒有人干預的情況下，按照設定的操作程序作業，采取自動化控制的方式，完成預期操作任務。在此時代背景下，本文依據機械自動化技術作業原理，嘗試探究此項技術在農業種植變量噴藥控制中的應用方法。

2 機械自動化技術在農業種植變量噴藥控制中的應用研究

2.1 變量噴藥設備自動控制總體結構設計

目前，關于變量噴藥設備自動控制的研究，大部分是以設備內部壓力控制作為切入點，根據藥物噴灑控制需求，調節內部壓力大小，從而實現變量噴藥。從應用效果來看，這些噴藥設備自動控制方案存在著不同問題，主要包括噴藥流量控制不精準、裝置內部壓力不穩定等問題。在自動化噴藥過程中，很難根據農作物生長分布情況調節噴藥量，大部分情況下，作業噴藥量較大，導致資源浪費，并且對周圍環境也會造成不同程度的影響。為了彌補以往開發的變量噴藥設備自動控制裝置的不足，本文在現有的研究成果上，對變量噴藥設備機械結構進行了調整，如圖1所示。

圖1 變量噴藥機結構圖

圖1中，變量噴藥機主要由升降系統、機架、藥箱、轉向系統、底盤、動力部分、噴桿組成。以下為該設備自動化控制作業流程：設備處于休眠狀態時，噴桿折疊，從此狀態切換到作業狀態時，噴桿逐漸舒展開來。其中，噴桿高度及長度均根據實際噴藥環境的控制需求進行設置。為了準確控制噴桿點位，本裝置添加了傳感器，采用紅外檢測技術，采集農作物基本信息，從而獲取當前待噴藥農作物的外形大小、位置指標數據。根據這些數據，確定噴藥高度、噴藥量、噴藥壓力等參數數值，從而完成農作物變量噴藥設備的自動化精準控制。

2.2 變量噴藥設備自動化運動模型設計

噴藥設備作業期間容易受振蕩、偏轉、翻滾3項因素的影響。其中，振蕩因素指設備作業期間以機體為中心，噴桿沿著垂直方向上下擺動；偏轉因素指的是沿著與機體垂直的方向發生的旋轉；翻滾指的是沿著機體前進水平方向，噴桿上下旋轉。從噴藥設備結構來看，噴藥運動很有可能受到周圍環境的干擾。為了盡可能降低環境干擾，本研究構建了懸架式設備噴桿模型。該模型的噴桿寬幅為25m，等分為5份，兩端向外延展，根據噴藥控制需求，調節噴桿寬度，按照各個因素指標操控命令旋轉、翻滾、偏轉。懸架作為設備的核心部分，在噴桿的一端連接彈簧阻尼器，利用該裝置實現噴桿作業控制，實現各個方向自動完成矢量運動。如圖2所示為運動模型。

圖2 運動模型

該模型中布設了兩個彈簧，分別編號為1和2，C代表彈簧阻尼系數；S0代表懸架運動期間生成的位移；K代表彈簧剛度系數；θ0代表懸架作業期間旋轉角度大小；T0代表時間；L代表旋轉中心與阻尼器之間的距離。

根據各個參數之間的關系，構建關于設備作業時間的函數，分別為旋轉角函數和位移函數，假設設備轉動慣量為25000kg·m2，噴桿質量為500g，將兩函數歸并為一個系統模塊，形成關于彈簧阻尼器控制的噴桿運動方程：

公式（1）中，V代表噴桿運動速度；V0代表懸架運動速度；S和S0均代表位移，前者為噴桿作業期間產生的位移，后者為懸架作業期間產生的位移。

利用Laplace變換處理方法，對設備噴桿作業產生的位移進行模擬，得到平移傳遞函數。根據變量噴藥作業環境控制需求，C和K的參數數值，賦予變量，得到控制范圍內的平移傳遞函數，得到關系式如下：

2.3 變量噴藥設備控制系統設計

（1）系統硬件框架結構設計。本文通過構建變量噴藥設備控制系統，實現噴藥機械設備自動化控制。該系統主要分為硬件控制板塊和軟件控制板塊，前者通過搭建硬件框架結構，根據自動化控制需求，合理布設硬件設備，后者借助操作終端，下達設備作業控制命令，令設備自行完成噴藥任務。

按照功能部分，在系統硬件框架結構中布設8個節點，分別用于支路控制、線路模擬控制、數字量控制、主流閥控制。其中，編號為1的節點，作為噴藥控制開關，作用于支路閥門開/關狀態切換控制；編號為2～6的節點，布設超聲測高、支路壓力控制裝置，通過數模控制，實現裝置兩種裝置控制；編號為7的節點，布設液位計、GPS裝置，通過數模控制，實現裝置兩種裝置控制；編號為8的節點，布設回路壓力裝置、流量統計裝置、速度測量裝置，通過數模控制，實現裝置三種裝置控制，同時，對主節流閥進行有效控制。

（2）變量噴藥自動化控制結構設計。本設計方案采用自動化控制模式，以系統的流量統計結果作為控制命令下達依據，確定噴藥裝置作業參數，同時，測量裝置行走速度。該控制結構主要由流量計、節流閥、噴頭、下位機、上位機5部分組成。其中，上位機作為命令下達裝置，設定目標流量參數數值，作為噴藥作業控制標準。該控制結構利用流量計采集噴頭實際作業流量，發送至下位機，在此環境下，對比實際流量與目標流量差異，要求定量誤差控制在5%以內。如果兩個流量差值超出了5%，則認為當前自動化控制裝置作業改善效果不明顯，不符合論文研究要求。

（3）流量閥控制結構設計。為了盡可能減小實際流量與目標流量差值，本研究在自動控制系統硬件架構中添加了流量控制閥門，通過調節閥門參數數值，從而實現流量控制。首先，下發電機額定電壓作業命令，控制電機轉動速度。其次，適當減小電機轉動速度，測量此時實際流量，將該數值與目標流量數值進行對比。最后，依據流量差值，調節節流閥球度，使得二者流量達到相似水平，控制差值在5%以內。

3 應用測試分析

機械自動化控制技術在農作物噴藥中的應用，根據傳感器等裝置采集的數據，確定噴藥流量控制要求，在模糊控制系統作用下，不斷調節噴頭流量、作業方向、噴射角度等參數，從而達到提高控制精準度的目的。為了檢驗本文提出的自動化控制系統設計方案可行性，本文將此系統投入使用，選取某試驗田作為系統測試環境，對系統作業性能進行測試。其中，測試指標為噴藥流量控制精準度，通過測試實際噴藥流量，將此數值與目標噴藥流量進行對比，隨機選取5株農作物作為噴藥對象，計算噴藥流量精準度，如果誤差在5%以內，則認為該自動化控制方案可行。另外，本次測試還觀察了設備自動化控制持續性能，連續10小時作業，系統并未出現異常，支持連續噴藥自動控制，滿足田間噴藥需求。所以，本文設計的噴藥設備機械自動化控制系統可以作為田間噴藥控制裝置。

4 結語

本文圍繞機械控制中的自動化技術展開研究，以該技術在農業噴藥控制領域中的應用方案為例，探究自動化技術原理及應用方法。通過本文的研究，設計了一套高精準度噴藥流量控制的自動化控制系統，以此減少噴桿作業受周圍環境的影響，使得噴藥裝置流量控制性能得以提升，希望對我國農業發展有所幫助。在下一步的研究中，可以將機械自動化技術與軟件程序開發聚集到一起，從程序控制角度出發，進一步改善變量噴藥控制系統性能。