机械控制中的机械自动化技术的应用研究

李彦龙

（长江大学文理学院，辽宁 营口 115000）

目前，机械自动化技术已经在多个领域有所应用。其中，农业和工业应用较多，尤其是农业种植中设备控制的应用，此项技术的应用，对促进我国农业发展的帮助较大。虽然此项技术在农业播种环节的自动化控制中的应用方法较为成熟，但是，喷药自动化技术薄弱，仍需进一步探究。

1 机械自动化技术及其应用领域

机械自动化技术是在没有人干预的情况下，按照设定的操作程序作业，采取自动化控制的方式，完成预期操作任务。在此时代背景下，本文依据机械自动化技术作业原理，尝试探究此项技术在农业种植变量喷药控制中的应用方法。

2 机械自动化技术在农业种植变量喷药控制中的应用研究

2.1 变量喷药设备自动控制总体结构设计

目前，关于变量喷药设备自动控制的研究，大部分是以设备内部压力控制作为切入点，根据药物喷洒控制需求，调节内部压力大小，从而实现变量喷药。从应用效果来看，这些喷药设备自动控制方案存在着不同问题，主要包括喷药流量控制不精准、装置内部压力不稳定等问题。在自动化喷药过程中，很难根据农作物生长分布情况调节喷药量，大部分情况下，作业喷药量较大，导致资源浪费，并且对周围环境也会造成不同程度的影响。为了弥补以往开发的变量喷药设备自动控制装置的不足，本文在现有的研究成果上，对变量喷药设备机械结构进行了调整，如图1所示。

图1 变量喷药机结构图

图1中，变量喷药机主要由升降系统、机架、药箱、转向系统、底盘、动力部分、喷杆组成。以下为该设备自动化控制作业流程：设备处于休眠状态时，喷杆折叠，从此状态切换到作业状态时，喷杆逐渐舒展开来。其中，喷杆高度及长度均根据实际喷药环境的控制需求进行设置。为了准确控制喷杆点位，本装置添加了传感器，采用红外检测技术，采集农作物基本信息，从而获取当前待喷药农作物的外形大小、位置指标数据。根据这些数据，确定喷药高度、喷药量、喷药压力等参数数值，从而完成农作物变量喷药设备的自动化精准控制。

2.2 变量喷药设备自动化运动模型设计

喷药设备作业期间容易受振荡、偏转、翻滚3项因素的影响。其中，振荡因素指设备作业期间以机体为中心，喷杆沿着垂直方向上下摆动；偏转因素指的是沿着与机体垂直的方向发生的旋转；翻滚指的是沿着机体前进水平方向，喷杆上下旋转。从喷药设备结构来看，喷药运动很有可能受到周围环境的干扰。为了尽可能降低环境干扰，本研究构建了悬架式设备喷杆模型。该模型的喷杆宽幅为25m，等分为5份，两端向外延展，根据喷药控制需求，调节喷杆宽度，按照各个因素指标操控命令旋转、翻滚、偏转。悬架作为设备的核心部分，在喷杆的一端连接弹簧阻尼器，利用该装置实现喷杆作业控制，实现各个方向自动完成矢量运动。如图2所示为运动模型。

图2 运动模型

该模型中布设了两个弹簧，分别编号为1和2，C代表弹簧阻尼系数；S0代表悬架运动期间生成的位移；K代表弹簧刚度系数；θ0代表悬架作业期间旋转角度大小；T0代表时间；L代表旋转中心与阻尼器之间的距离。

根据各个参数之间的关系，构建关于设备作业时间的函数，分别为旋转角函数和位移函数，假设设备转动惯量为25000kg·m2，喷杆质量为500g，将两函数归并为一个系统模块，形成关于弹簧阻尼器控制的喷杆运动方程：

公式（1）中，V代表喷杆运动速度；V0代表悬架运动速度；S和S0均代表位移，前者为喷杆作业期间产生的位移，后者为悬架作业期间产生的位移。

利用Laplace变换处理方法，对设备喷杆作业产生的位移进行模拟，得到平移传递函数。根据变量喷药作业环境控制需求，C和K的参数数值，赋予变量，得到控制范围内的平移传递函数，得到关系式如下：

2.3 变量喷药设备控制系统设计

（1）系统硬件框架结构设计。本文通过构建变量喷药设备控制系统，实现喷药机械设备自动化控制。该系统主要分为硬件控制板块和软件控制板块，前者通过搭建硬件框架结构，根据自动化控制需求，合理布设硬件设备，后者借助操作终端，下达设备作业控制命令，令设备自行完成喷药任务。

按照功能部分，在系统硬件框架结构中布设8个节点，分别用于支路控制、线路模拟控制、数字量控制、主流阀控制。其中，编号为1的节点，作为喷药控制开关，作用于支路阀门开/关状态切换控制；编号为2～6的节点，布设超声测高、支路压力控制装置，通过数模控制，实现装置两种装置控制；编号为7的节点，布设液位计、GPS装置，通过数模控制，实现装置两种装置控制；编号为8的节点，布设回路压力装置、流量统计装置、速度测量装置，通过数模控制，实现装置三种装置控制，同时，对主节流阀进行有效控制。

（2）变量喷药自动化控制结构设计。本设计方案采用自动化控制模式，以系统的流量统计结果作为控制命令下达依据，确定喷药装置作业参数，同时，测量装置行走速度。该控制结构主要由流量计、节流阀、喷头、下位机、上位机5部分组成。其中，上位机作为命令下达装置，设定目标流量参数数值，作为喷药作业控制标准。该控制结构利用流量计采集喷头实际作业流量，发送至下位机，在此环境下，对比实际流量与目标流量差异，要求定量误差控制在5%以内。如果两个流量差值超出了5%，则认为当前自动化控制装置作业改善效果不明显，不符合论文研究要求。

（3）流量阀控制结构设计。为了尽可能减小实际流量与目标流量差值，本研究在自动控制系统硬件架构中添加了流量控制阀门，通过调节阀门参数数值，从而实现流量控制。首先，下发电机额定电压作业命令，控制电机转动速度。其次，适当减小电机转动速度，测量此时实际流量，将该数值与目标流量数值进行对比。最后，依据流量差值，调节节流阀球度，使得二者流量达到相似水平，控制差值在5%以内。

3 应用测试分析

机械自动化控制技术在农作物喷药中的应用，根据传感器等装置采集的数据，确定喷药流量控制要求，在模糊控制系统作用下，不断调节喷头流量、作业方向、喷射角度等参数，从而达到提高控制精准度的目的。为了检验本文提出的自动化控制系统设计方案可行性，本文将此系统投入使用，选取某试验田作为系统测试环境，对系统作业性能进行测试。其中，测试指标为喷药流量控制精准度，通过测试实际喷药流量，将此数值与目标喷药流量进行对比，随机选取5株农作物作为喷药对象，计算喷药流量精准度，如果误差在5%以内，则认为该自动化控制方案可行。另外，本次测试还观察了设备自动化控制持续性能，连续10小时作业，系统并未出现异常，支持连续喷药自动控制，满足田间喷药需求。所以，本文设计的喷药设备机械自动化控制系统可以作为田间喷药控制装置。

4 结语

本文围绕机械控制中的自动化技术展开研究，以该技术在农业喷药控制领域中的应用方案为例，探究自动化技术原理及应用方法。通过本文的研究，设计了一套高精准度喷药流量控制的自动化控制系统，以此减少喷杆作业受周围环境的影响，使得喷药装置流量控制性能得以提升，希望对我国农业发展有所帮助。在下一步的研究中，可以将机械自动化技术与软件程序开发聚集到一起，从程序控制角度出发，进一步改善变量喷药控制系统性能。