自动控制技术对农业机械的促进作用

时间：2024-05-23

(柳河县农机管理服务中心,吉林柳河 135300)

0 引言

随着社会对农业生产力要求的不断提高,传统的机械化生产与单一人工生产方式已无法满足现实社会的需求。现阶段,由于我国的农业生产主要以粗放型生产为主,农业经营者与农业生产者传统的固有机械特征思维的限制,农业机械总体生产的质量、效率、能耗、可靠性及成本等方面仍有较大提升空间。农业机械中应用的自动控制技术是将空间遥感技术、全球定位技术、信息处理技术等与传统农业机械技术深度融合,改变我国农业生产模式单一与机械化程度较低的现状。在充分保证传统农业机械作业质量与可靠性的基础上,自动控制技术在农业机械中的应用,有利于减轻农业生产劳动力、降低农业生产成本、提高劳动生产效率、优化农业生产结构,有利于提高农业机械生产的技术水平、推动我国“农业机械化”生产向“农业自动化及智能化”生产转型升级[1-3]。

1 自动控制技术在农业机械中的应用

我国的自动控制技术在农业机械中的应用起步较晚,与欧美国家相比仍存在较大差距,但是随着计算机控制技术、人工智能技术、电子信息技术及物联网技术的发展,自动控制技术在我国农业机械中的应用越来越广泛[4-7],主要表现在以下几个方面。

1.1 在自动耕作机械中的应用

自动耕作机械是利用自动化牵引机械或传统拖拉机作为牵引动力,根据不同农作物耕作要求,耕作系统自动调节工作模式(牵引方式、耕作深度、耕作要求等),通过自动化电液控制技术驱使耕作机械进行不同农作物的生产作业。随着电子信息技术与自动控制技术的发展,自动控制技术在自动耕作机械中应用越来越广泛。例如,为解决深翻土壤粉尘影响操作安全问题,基于自动控制技术与全球定位技术,自动感应式导航系统在深翻耕地作业中的应用;为解决多因素对耕作质量影响,基于自动控制技术与信息融合技术,多传感器控制系统在耕地作业全过程中的应用。通过自动控制技术在自动耕作机械中应用,不但提高耕地作业效率与质量,降低传统耕地管理工作量,并提高耕种后农作物产量,降低农业生产种植强度,推进我国农业机械化及智能化的发展。

1.2 在自动采收机械中的应用

自动采收机械是在农作物成熟后或农作物生长过程中,采用自动控制设施对农作物的生长密度、发育状态、成熟程度、品质情况等进行监测记录与判断分析,通过自动控制系统中程序自动控制采收机械对应的执行机构进行农作物的自动采摘。随着人工智能技术与自动控制技术的发展,自动控制技术在自动采收机械中应用越来越广泛。例如,基于AI +自动控制技术中联重科PL70水稻收割机,通过AI控制器感知农作物生长的密度、发育状态、成熟程度、品质情况等基本信息,采收控制系统动态收集其他相关信息(作业路面情况、障碍物、采收机械工作状态等),在自动控制系统作用下,自动调节采收机械的功能配置与运动轨迹规划,从而保证收获质量。通过自动控制技术在自动调节采收机械中应用不但降低农作物采收的损失量和破损度,提高农忙时节的采收效率、减轻劳动强度、节约劳动成本、提高农机使用率,推进我国智能化农机的发展。

1.3 在变量植保机械中的应用

变量植保机械是根据不同农作物的生长情况、农业耕地情况、土壤肥力情况等,基于视觉识别技术与处方图技术等,采集目标农作物的相关信息,确定目标农作物及非目标农作物的空间位置数据,并通过控制系统将分析数据反馈到变量喷药机械对应的执行机构单元,采用自动控制技术自动打开开关并调节开关大小,依据植保机械的位置和速度作为参考对目标农作物及非目标农作物实施动态可变量植保作业。随着计算机控制技术与自动控制技术的发展,自动控制技术在自动植保机械中应用越来越广泛,植保机械的使用效率与作业精度不断提高,将喷药、灌溉与施肥环节相结合,通过合理匹配控制对应的执行机构,实现农药、肥料和水资源的结合,从而提高农业自动化与智能化水平。例如,图1为我国建大仁科公司生产的水肥一体化系统,将灌溉与施肥技术融合,实行“按需分配”,按比例直接提供给农作物,从而实现可变量精准植保作业[8]。通过自动控制技术在植保机械中应用不但减轻劳动强度、提高生产效率,而且节约劳动成本、提高农作物产量及农资使用率,推进我国精准农业及可持续农业的发展。

图1 水肥一体化系统示意图

1.4 在节约灌溉机械中的应用

节约灌溉机械是基于传统灌溉设施与农业多传感器融合,通过灌溉系统的数据采集系统采集田间土壤信息(温度和湿度),数据处理系统决策土壤湿度情况,利用自动控制技术开启并调节灌溉执行机构(电控阀门或控制电机)的水泵工作,实现自动化节约灌溉。随着人工智能技术与自动控制技术的发展,自动控制技术在节约灌溉机械中应用越来越广泛,例如,精讯畅通智慧园林灌溉系统(图2)利用节约灌溉机械监控和记录农作物的灌溉需求,合理匹配最优灌溉方式、时间和灌溉用量等实施智能化精准灌溉,再利用传感器记录农作物的生长情况,反馈灌溉机械后不断优化节约灌溉机械的灌溉性能,通过土壤检测、气象检测、浇灌控制与云端数据处理流程,实现农作物稳产增收。通过自动控制技术在节约灌溉机械中应用不但降低传统的农业灌溉设施能耗,减轻农业生产的种植压力,而且降低人工劳作的人为误差因素对农业生产的影响,提高灌溉过程准确性,推进我国生态农业及可持续农业的发展[9]。

图2 智慧园林灌溉系统示意图

2 自动控制技术对农业机械促进作用

2.1 实现农机可靠性能提升

农业机械应用电控元件实现农业机械各个执行机构的控制,再通过反馈元件的自主分析判断执行机构的运行状态是否合理准确,在农业机械出现故障时,系统自动分析农业机械故障原因,及时准确地确定故障位置,提高农业机械使用性能。同时,自动控制技术与电控技术的应用,通过控制线路、电控开关、电控驱动器等自动控制单元简化传统农业机械复杂的机械结构,优化农业机械各个执行机构的运动学性能,提高农业机械复杂恶劣工况的适应能力,保证农业机械生产效率,通过环境感知设备对作业环境进行可视化的感知,避免农机损坏与安全事故发生。从而实现农业机械可靠性全面提升。

2.2 实现农机作业效率提升

农业机械应用自动控制系统实现不同农业机械控制功能的便捷调整,自主调控、精准作业。农机操作者依据实际作业需求,通过农业机械中的操作台或手机等设置相关技术参数,调整农业机械相关机构后,农业机械能按预先设置自动完成相应功能运动、反馈相应作业情况等,在保证传统农业机械基本作业功能与生产质量的基础上,省时省力地完成相应的农机作业生产,从而实现农业机械作业效率的全面提升。

2.3 实现农机作业全时监控

农业机械应用自动控制技术多信号传输与数据信息实时反馈的特点,农机操作者可以实时监控农业机械的运行情况,及时了解农业机械的工作状态,通过多信号传输与自动控制单元快速响应,农业机械可实现即时控制,保证农业机械操作性与安全性。同时,数据信息实时反馈与自动控制单元数据处理,农业机械可实现全过程闭环作业与农机运行大数据积累,有效提高农业机械的机械化程度及作业效果,实现农机作业全时监控与农业的持续发展。

2.4 实现农机故障自我诊断

农业机械应用自动控制技术中多种传感器信息融合采集农业机械工作状态的相关数据,并将数据信息反馈到大数据人工智能处理系统,通过数据库对比与“农业经验集”分析,确定相关故障原因及解决方案,利用人工智能技术与自动控制技术,基于对应的控制算法实现在故障点位置的预警与处理,保证农业机械正常操作,确保农业机械在“故障检测→故障诊断→故障处理→正常运行→故障检测”区间循环稳定运行[10-11]。

3 自动控制技术对农业机械应用价值

随着我国对农业生产技术的要求不断提高,自动控制技术在农业机械中应用越来越广泛。在现代化农业背景下,融合智能传感技术和计算机技术的农业机械,促进农业机械自动化进步,将有利于实现我国农业生产的自动化变量植保、节水灌溉、温室控制、耕作生产、打捆采收等应用的推广与普及。同时,在农业生产过程中,通过自动控制农业机械的应用可以降低农业机械操作难度,自动实时监控技术应用可以有效提高农业机械的实际运行效率,自动故障诊断技术应用可以合理地降低农业机械的故障发生率。自动控制技术在农业机械中应用,可以解决困扰农业生产的多方面技术问题,将有利于国内农业现代化进程的推进。总之,自动控制技术在农业机械应用中具有较大的科学价值[12]。