自动控制技术在农业机械设计中的应用

［摘 要］ 大力推动农业机械自动化、智能化转型升级是保障乡村振兴战略实施的重要举措。实践证明，自动化控制技术在农业机械设计发展中起着关键性作用，尤其是在大数据时代下，将自动控制技术应用到农业机械设计中能有效提高农业机械设备的工作效率，降低机械设备故障发生率。自动控制技术可应用于耕作机械、农业喷雾机械、农业灌溉设备、农业打捆机等农业机械设计中。未来自动控制技术在农业机械设计中的应用需注重个性化、智能化设计及多层次协同仿真技术的融入，以助力农业机械自动化高质量发展。

［关键词］ 自动化控制技术；农业机械；农业喷雾机械；农业灌溉设备

［中图分类号］ S220.39 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1674-7909（2022）04--3

0 引言

农业机械化发展实现了农业生产方式以人畜力为主向以机械化为主的重大转变。在全面推进乡村振兴战略的背景下，大力发展农业机械自动化技术成为提升农业生产效率、保障粮食安全的重要举措。自动化控制技术是农业机械智能化发展的关键技术支撑，所以，在推动农业高质量发展背景下，我国要扩大自动控制技术在农业机械设计中的应用范围，以此助力农业经济高质量发展。

1 自动控制技术概述

自动控制技术是控制论的技术实现应用，是通过具有一定控制功能的自动控制系统，来完成某种控制任务，保证某个过程按照预想进行，或者实现某个预设的目标。目前，自动控制技术主要包括3种控制方式。一是开环控制，是不将控制结果反馈回来影响当前控制的系统。其主要是按照事先确定好的程序，依次发出信号去控制对象。二是闭环控制，是输出端与输入端之间存在反馈回路，输出量对自动控制过程产生直接影响，其不易受外界环境影响，但是在具体实施过程中存在一定的震荡、超调问题。三是复合控制，是将偏差控制与抗扰动控制结合起来，消除扰动带来的偏差。

2 自动控制技术在农业机械设计中的应用优势

随着我国农业机械制造技术的不断发展，自动控制技术在农业机械设计中的应用越来越广泛。剖析原因，主要在于自动控制技术应用于农业机械设计中具有巨大的优势，具体体现在以下几个方面。

2.1 实现实时监控，提高农业机械运行效率

随着农业机械化发展程度的不断加深，要求农业机械不仅要具备稳定的运行系统，而且需要实现无人操作。自动控制系统具有响应速度快、反馈时间短等特点，其能针对农业机械设备的运行状态进行实时监测，从而有效提高农业机械设备的运行效率。例如，基于自动控制技术的无人喷药设备，通过利用远程控制技术、红外视觉技术能将设备的运行状态反馈至控制系统，控制系统根据无人喷药设备的运行参数做出相应的操作指令，实现对无人喷药设备的远程控制。

2.2 自动排除故障，降低农业机械故障发生率

由于农业生产环境比较复杂，传统的农业机械设备在运行过程中易出现各种故障，影响农业生产。而将自动控制技术应用在农业机械设计中，可以有效解决机械设备无法实时诊断的问题。一方面通过引入自动控制技术可以对机械设备的运行状态进行实时监测，当系统监测到异常信息后，控制系统会发出预警，并且做出自动诊断的指令，自动筛查农业机械运行参数，以此找出农业机械设备存在的故障；另一方面通过控制系统的自我诊断数据，对农业机械进行故障检修，从而有效降低故障发生率。例如，玉米收割机运行时，通过对玉米收割机运行速度、准确度等数据的分析，能够发现设备存在的潜在故障，进而及时利用控制系统调整相应的参数，从而有效降低故障发生率。

2.3 提高作业精度，降低农业机械操作难度

传统的农业机械操作较为复杂，需要操作人员不断操作各种控制设备，一旦出现操作失误，就会产生严重的后果。而自动控制技术的应用大大降低了农业机械的操作难度，构建了集中化、简约化的操作架构体系。一方面，通过集约化的操作系统大大提高了农业作业的精准度。自动控制系统具有监控摄像机联动报警功能，当出现触发自动控制系统的信号后，自动控制摄像机就会发出报警信号，从而便于及时调整农业机械的作业工艺。例如，在小麦收割机设计中，引入自动控制系统后，能实现对收割面积、收割长度的精准设计，达到精准化作业的效果［1］。另一方面，依托自动控制技术所构建的操作系统不需要操作人员来回操作机械设备，操作人员定期管控中央控控制系统即可，大大减少了农业机械操作人员的劳动量。

3 自动控制技术在农业机械中的具体应用

农业机械是应用于农作物种植过程中的各种机械，包括农用动力机械、作物收获机械、农产品加工机械、农田排灌机械及农用运输机械等。自动控制技术在当前农业机械设计中已得到广泛应用，具体应用情况如下。

3.1 自动控制技术在耕作机械中的应用

土壤质量直接影响农产品的产量和质量，土壤耕作是农业增产增收的重要措施。耕作机械是农业生产的主要机械设备，传统的耕作机械忽视对土壤耕作深度、水分等诸多因素的考虑，导致耕作质量不高。基于传统耕作机械存在的问题，可将自动控制技术引入耕作机械中提高其使用效果。一方面，构建耕作机械导航系统，提升耕作机械的安全性能。在耕作作业中，因深翻土壤会产生大量的灰尘，从而影响驾驶员的视野，易带来安全隐患。利用自动控制技术构建导航驾驶系统，可实现对耕作机械的自动感应控制。具体是指利用环境感知技术、视觉导航技术及电磁导航技术，根据驾驶员的习惯及耕作线路要求对耕作机械进行远程监控，实现对驾驶路线的及时优化。同时，为了简化耕作机械的操作，可构建耕作机械智能操作系统，即在驾驶室内安装Multi control扶手控制台与CIP直观控制面板，设置AFSPro700TM触屏监视器，将其与驾驶座椅连接，将所有操作集成在一个简单的控制器上。另一方面，构建传感器控制系统，围绕作业对象实施差异化的耕作方式。及时监测土壤结构对提高农作物产量意义重大，因此，在耕作机械中要设置传感器控制系统，对土壤环境进行在线监测，根据监测的数值调整耕作的深度、广度及耕作次数等数值［2］。例如，利用气流传感器对土壤的透气性进行测量，传感器将测量的数据传输到移动终端设备中，移动终端设备根据反馈的数据与土壤标准进行对比，如果偏离标准数值，系统就会发出指令，以此控制耕作机械调整耕地工艺并改善土壤的透气性。

3.2 自动控制技术在农业喷雾机械中的应用

喷雾机械就是用于喷洒液体的机械设备。在我国绿色农业发展中，要求结合农作物的实际生长情况进行药剂喷洒作业，将喷洒作业的精度提高到厘米级，防止出现过度喷洒现象。传统的喷洒机械难以达到该要求，而自动控制技术的应用则可以实现喷洒作业的精准化控制。例如，在喷洒机械中设置视觉感应系统。喷洒除草剂时，视觉感应系统会将喷洒的区域图像传入控制系统中，控制系统利用计算机视觉算法识别区域内的杂草并计算杂草的相对或绝对位置，将该信息返回到控制系统中；控制系统会根据喷雾器自身的位置、速度及杂草的位置，到达杂草附近时开启喷嘴，喷洒除草剂。

3.3 自动控制技术在农业灌溉设备中的应用

农田灌溉是农业生产的重要环节。传统的农业灌溉设备不仅能耗高，而且故障发生率相对较高。利用自动控制技术的农业灌溉设备主要是利用传感器等实现对农业灌溉全过程的动态监控，具体就是通过对土壤、作物、气象等各类因素的采集、分析后，由操作系统发送相关指令对田间各类控制阀门进行控制，以降低人工分析决策的不合理性因素对农业灌溉的影响。农业灌溉自动控制系统的工作原理为传感器将采集的信号送入智能控制模块，通过通信系统上传至上位机或控制中心进行显示、处理及存储。系统根据实时采集的数据与相应的灌溉需求量的设定值进行比较判断，来控制电磁阀开启和延续时间长短，实现农业灌溉智能化控制［3］。

3.4 自动控制技术在农业打捆机中的应用

打捆机是秸秆回收必不可少的有效工具之一，构建智能化的控制系统可以提高秸秆回收效率、减少资源损失。通过引入自动控制技术能实现远程控制，提升打捆机的作业准确率。其主要是应用北斗定位、传感器、液压精密控制等技术，通过分析设备上的各类传感器数据来判断打捆机各关键部件的运行状态，并根据设定的触发条件控制电磁阀或电机动作，实现打捆自动化。具体就是在压捆室两侧各安装1个强度传感器，监测打捆机的运行状态，如果出现两侧密度较大的问题，系统会发出警报，提醒驾驶人员向密度小的一侧行驶，以此保障打捆质量［4］。同时，通过控制压捆室油缸自动卸出成型草捆，系统自动统计草捆数量，节省专人统计的人力成本，提高作业效率。

4 农业机械自动化控制设计的发展方向

基于自动化控制技术在农业机械设计中的应用，以智能化为代表的农业机械成为推动农业高质量发展、提升农业生产力的重要保障。随着我国人工智能技术的不断发展，未来农业机械自动化控制设计水平将不断提升，但需结合我国农业生产实际，从以下方面入手优化农业机械［5］。

4.1 农业机械个性化、差异化设计

我国土地资源丰富、农作物种类繁多，受自然环境、地理位置等诸多方面的影响，农业机械需求呈现差异化、个性化趋势。例如，基于南方多丘陵农田的特点研发小型化的机械设备，以此满足丘陵地区农业生产要求。

4.2 农业机械控制系统数字化、智能化设计

农业机械控制系统是农业机械设计的核心，虽然大数据技术、云计算技术在现代机械设计中得到了广泛应用，但是我国农业机械设备的控制系统仍然缺乏集成化控制模块，直接影响农业机械设备的设计性能。所以，在现代农业机械设计上要突出智能控制系统的创新发展，将农业机械控制系统与大数据、物联网进行融合，不断增强农业机械的适应性能，拓展其精准作业功能，提升其作业的高效性［6］。

4.3 在农业机械设计中融入多层次协同仿真技术

2018年国务院印发的《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》提出，要促进物联网、大数据、移动互联网、智能控制和卫星定位等信息技术在农机装备和农机作业上的应用。基于农业机械化发展要求，传统农业机械单一的功能已不能满足规模化生产要求。因此，基于土壤-植物-机器体系的复杂农业机械多领域仿真分析已成为当前研究的重点和热点，柔性建模技术、多学科协同、人机交互等成为优化农业机械性能的重要技术支撑。所以，在农业机械设计中要关注多层次协同仿真技术的融入，实现一体化作业要求［7］。

5 结语

随着我国乡村振兴战略的实施，提升农业机械设计水平对推动农业经济高质量发展具有重要意义。随着人工智能、机器人、云计算及区块链等技术的不断发展，我国要发挥自动控制技术的优势，依托自动控制技术提升农业机械装备的整体质量，拓展其功能，助力于机械设备智能化发展。

参考文献：

［1］刘建军.农业机械智能化设计技术发展现状与展望［J］.南方农机，2021（12）：70-71.

［2］申九菊.自动控制技术在农业机械中的应用探讨［J］.河北农机，2012（10）：34-35.

［3］王海龙，王秀华.探讨自动控制技术在农业机械中的应用［J］.农业开发与装备，2020（12）：16-17.

［4］张茫茫.自动控制技术在农业机械设计及发展中的应用［J］.现代农业研究，2021（3）：78-79.

［5］汪婧.乡村振兴战略背景下发展农业机械化的探讨［J］.当代农机，2022（3）：48-49.

［6］储胜国.浅析机电一体化技术在农业机械上的优势及发展前景［J］.河南农业，2022（5）：53-54.

［7］张万军.现代农业机械管理与新技术推广应用研究［J］.农业开发与装备，2021（5）：30-31.