李彥龍

（長(zhǎng)江大學(xué)文理學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000）

目前，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用。其中，農(nóng)業(yè)和工業(yè)應(yīng)用較多，尤其是農(nóng)業(yè)種植中設(shè)備控制的應(yīng)用，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的幫助較大。雖然此項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)播種環(huán)節(jié)的自動(dòng)化控制中的應(yīng)用方法較為成熟，但是，噴藥自動(dòng)化技術(shù)薄弱，仍需進(jìn)一步探究。

1 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域

機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)是在沒(méi)有人干預(yù)的情況下，按照設(shè)定的操作程序作業(yè)，采取自動(dòng)化控制的方式，完成預(yù)期操作任務(wù)。在此時(shí)代背景下，本文依據(jù)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)作業(yè)原理，嘗試探究此項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植變量噴藥控制中的應(yīng)用方法。

2 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植變量噴藥控制中的應(yīng)用研究

2.1 變量噴藥設(shè)備自動(dòng)控制總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，關(guān)于變量噴藥設(shè)備自動(dòng)控制的研究，大部分是以設(shè)備內(nèi)部壓力控制作為切入點(diǎn)，根據(jù)藥物噴灑控制需求，調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力大小，從而實(shí)現(xiàn)變量噴藥。從應(yīng)用效果來(lái)看，這些噴藥設(shè)備自動(dòng)控制方案存在著不同問(wèn)題，主要包括噴藥流量控制不精準(zhǔn)、裝置內(nèi)部壓力不穩(wěn)定等問(wèn)題。在自動(dòng)化噴藥過(guò)程中，很難根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)分布情況調(diào)節(jié)噴藥量，大部分情況下，作業(yè)噴藥量較大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，并且對(duì)周圍環(huán)境也會(huì)造成不同程度的影響。為了彌補(bǔ)以往開(kāi)發(fā)的變量噴藥設(shè)備自動(dòng)控制裝置的不足，本文在現(xiàn)有的研究成果上，對(duì)變量噴藥設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，如圖1所示。

圖1 變量噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，變量噴藥機(jī)主要由升降系統(tǒng)、機(jī)架、藥箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤、動(dòng)力部分、噴桿組成。以下為該設(shè)備自動(dòng)化控制作業(yè)流程：設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)，噴桿折疊，從此狀態(tài)切換到作業(yè)狀態(tài)時(shí)，噴桿逐漸舒展開(kāi)來(lái)。其中，噴桿高度及長(zhǎng)度均根據(jù)實(shí)際噴藥環(huán)境的控制需求進(jìn)行設(shè)置。為了準(zhǔn)確控制噴桿點(diǎn)位，本裝置添加了傳感器，采用紅外檢測(cè)技術(shù)，采集農(nóng)作物基本信息，從而獲取當(dāng)前待噴藥農(nóng)作物的外形大小、位置指標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定噴藥高度、噴藥量、噴藥壓力等參數(shù)數(shù)值，從而完成農(nóng)作物變量噴藥設(shè)備的自動(dòng)化精準(zhǔn)控制。

2.2 變量噴藥設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)

噴藥設(shè)備作業(yè)期間容易受振蕩、偏轉(zhuǎn)、翻滾3項(xiàng)因素的影響。其中，振蕩因素指設(shè)備作業(yè)期間以機(jī)體為中心，噴桿沿著垂直方向上下擺動(dòng)；偏轉(zhuǎn)因素指的是沿著與機(jī)體垂直的方向發(fā)生的旋轉(zhuǎn)；翻滾指的是沿著機(jī)體前進(jìn)水平方向，噴桿上下旋轉(zhuǎn)。從噴藥設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)看，噴藥運(yùn)動(dòng)很有可能受到周圍環(huán)境的干擾。為了盡可能降低環(huán)境干擾，本研究構(gòu)建了懸架式設(shè)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(jù)噴藥控制需求，調(diào)節(jié)噴桿寬度，按照各個(gè)因素指標(biāo)操控命令旋轉(zhuǎn)、翻滾、偏轉(zhuǎn)。懸架作為設(shè)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(shí)現(xiàn)噴桿作業(yè)控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向自動(dòng)完成矢量運(yùn)動(dòng)。如圖2所示為運(yùn)動(dòng)模型。

圖2 運(yùn)動(dòng)模型

該模型中布設(shè)了兩個(gè)彈簧，分別編號(hào)為1和2，C代表彈簧阻尼系數(shù)；S0代表懸架運(yùn)動(dòng)期間生成的位移；K代表彈簧剛度系數(shù)；θ0代表懸架作業(yè)期間旋轉(zhuǎn)角度大?。籘0代表時(shí)間；L代表旋轉(zhuǎn)中心與阻尼器之間的距離。

根據(jù)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建關(guān)于設(shè)備作業(yè)時(shí)間的函數(shù)，分別為旋轉(zhuǎn)角函數(shù)和位移函數(shù)，假設(shè)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為25000kg·m2，噴桿質(zhì)量為500g，將兩函數(shù)歸并為一個(gè)系統(tǒng)模塊，形成關(guān)于彈簧阻尼器控制的噴桿運(yùn)動(dòng)方程：

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

利用Laplace變換處理方法，對(duì)設(shè)備噴桿作業(yè)產(chǎn)生的位移進(jìn)行模擬，得到平移傳遞函數(shù)。根據(jù)變量噴藥作業(yè)環(huán)境控制需求，C和K的參數(shù)數(shù)值，賦予變量，得到控制范圍內(nèi)的平移傳遞函數(shù)，得到關(guān)系式如下：

2.3 變量噴藥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)構(gòu)建變量噴藥設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴藥機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)主要分為硬件控制板塊和軟件控制板塊，前者通過(guò)搭建硬件框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)自動(dòng)化控制需求，合理布設(shè)硬件設(shè)備，后者借助操作終端，下達(dá)設(shè)備作業(yè)控制命令，令設(shè)備自行完成噴藥任務(wù)。

按照功能部分，在系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)中布設(shè)8個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別用于支路控制、線路模擬控制、數(shù)字量控制、主流閥控制。其中，編號(hào)為1的節(jié)點(diǎn)，作為噴藥控制開(kāi)關(guān)，作用于支路閥門開(kāi)/關(guān)狀態(tài)切換控制；編號(hào)為2～6的節(jié)點(diǎn)，布設(shè)超聲測(cè)高、支路壓力控制裝置，通過(guò)數(shù)模控制，實(shí)現(xiàn)裝置兩種裝置控制；編號(hào)為7的節(jié)點(diǎn)，布設(shè)液位計(jì)、GPS裝置，通過(guò)數(shù)?？刂?，實(shí)現(xiàn)裝置兩種裝置控制；編號(hào)為8的節(jié)點(diǎn)，布設(shè)回路壓力裝置、流量統(tǒng)計(jì)裝置、速度測(cè)量裝置，通過(guò)數(shù)?？刂?，實(shí)現(xiàn)裝置三種裝置控制，同時(shí)，對(duì)主節(jié)流閥進(jìn)行有效控制。

（2）變量噴藥自動(dòng)化控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案采用自動(dòng)化控制模式，以系統(tǒng)的流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為控制命令下達(dá)依據(jù)，確定噴藥裝置作業(yè)參數(shù)，同時(shí)，測(cè)量裝置行走速度。該控制結(jié)構(gòu)主要由流量計(jì)、節(jié)流閥、噴頭、下位機(jī)、上位機(jī)5部分組成。其中，上位機(jī)作為命令下達(dá)裝置，設(shè)定目標(biāo)流量參數(shù)數(shù)值，作為噴藥作業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)。該控制結(jié)構(gòu)利用流量計(jì)采集噴頭實(shí)際作業(yè)流量，發(fā)送至下位機(jī)，在此環(huán)境下，對(duì)比實(shí)際流量與目標(biāo)流量差異，要求定量誤差控制在5%以內(nèi)。如果兩個(gè)流量差值超出了5%，則認(rèn)為當(dāng)前自動(dòng)化控制裝置作業(yè)改善效果不明顯，不符合論文研究要求。

（3）流量閥控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了盡可能減小實(shí)際流量與目標(biāo)流量差值，本研究在自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)中添加了流量控制閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門參數(shù)數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)流量控制。首先，下發(fā)電機(jī)額定電壓作業(yè)命令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。其次，適當(dāng)減小電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，測(cè)量此時(shí)實(shí)際流量，將該數(shù)值與目標(biāo)流量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。最后，依據(jù)流量差值，調(diào)節(jié)節(jié)流閥球度，使得二者流量達(dá)到相似水平，控制差值在5%以內(nèi)。

3 應(yīng)用測(cè)試分析

機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)作物噴藥中的應(yīng)用，根據(jù)傳感器等裝置采集的數(shù)據(jù)，確定噴藥流量控制要求，在模糊控制系統(tǒng)作用下，不斷調(diào)節(jié)噴頭流量、作業(yè)方向、噴射角度等參數(shù)，從而達(dá)到提高控制精準(zhǔn)度的目的。為了檢驗(yàn)本文提出的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行性，本文將此系統(tǒng)投入使用，選取某試驗(yàn)田作為系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)作業(yè)性能進(jìn)行測(cè)試。其中，測(cè)試指標(biāo)為噴藥流量控制精準(zhǔn)度，通過(guò)測(cè)試實(shí)際噴藥流量，將此數(shù)值與目標(biāo)噴藥流量進(jìn)行對(duì)比，隨機(jī)選取5株農(nóng)作物作為噴藥對(duì)象，計(jì)算噴藥流量精準(zhǔn)度，如果誤差在5%以內(nèi)，則認(rèn)為該自動(dòng)化控制方案可行。另外，本次測(cè)試還觀察了設(shè)備自動(dòng)化控制持續(xù)性能，連續(xù)10小時(shí)作業(yè)，系統(tǒng)并未出現(xiàn)異常，支持連續(xù)噴藥自動(dòng)控制，滿足田間噴藥需求。所以，本文設(shè)計(jì)的噴藥設(shè)備機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以作為田間噴藥控制裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞機(jī)械控制中的自動(dòng)化技術(shù)展開(kāi)研究，以該技術(shù)在農(nóng)業(yè)噴藥控制領(lǐng)域中的應(yīng)用方案為例，探究自動(dòng)化技術(shù)原理及應(yīng)用方法。通過(guò)本文的研究，設(shè)計(jì)了一套高精準(zhǔn)度噴藥流量控制的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以此減少噴桿作業(yè)受周圍環(huán)境的影響，使得噴藥裝置流量控制性能得以提升，希望對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展有所幫助。在下一步的研究中，可以將機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)與軟件程序開(kāi)發(fā)聚集到一起，從程序控制角度出發(fā)，進(jìn)一步改善變量噴藥控制系統(tǒng)性能。