機械控制中的機械自動化技術(shù)的應(yīng)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(shù)已經(jīng)在多個領(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，此項技術(shù)的應(yīng)用，對促進我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的幫助較大。雖然此項技術(shù)在農(nóng)業(yè)播種環(huán)節(jié)的自動化控制中的應(yīng)用方法較為成熟，但是，噴藥自動化技術(shù)薄弱，仍需進一步探究。

1 機械自動化技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域

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

2 機械自動化技術(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)備自動控制總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，關(guān)于變量噴藥設(shè)備自動控制的研究，大部分是以設(shè)備內(nèi)部壓力控制作為切入點，根據(jù)藥物噴灑控制需求，調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力大小，從而實現(xiàn)變量噴藥。從應(yīng)用效果來看，這些噴藥設(shè)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(nèi)部壓力不穩(wěn)定等問題。在自動化噴藥過程中，很難根據(jù)農(nóng)作物生長分布情況調(diào)節(jié)噴藥量，大部分情況下，作業(yè)噴藥量較大，導致資源浪費，并且對周圍環(huán)境也會造成不同程度的影響。為了彌補以往開發(fā)的變量噴藥設(shè)備自動控制裝置的不足，本文在現(xiàn)有的研究成果上，對變量噴藥設(shè)備機械結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，如圖1所示。

圖1 變量噴藥機結(jié)構(gòu)圖

圖1中，變量噴藥機主要由升降系統(tǒng)、機架、藥箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、底盤、動力部分、噴桿組成。以下為該設(shè)備自動化控制作業(yè)流程：設(shè)備處于休眠狀態(tài)時，噴桿折疊，從此狀態(tài)切換到作業(yè)狀態(tài)時，噴桿逐漸舒展開來。其中，噴桿高度及長度均根據(jù)實際噴藥環(huán)境的控制需求進行設(shè)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(shù)，采集農(nóng)作物基本信息，從而獲取當前待噴藥農(nóng)作物的外形大小、位置指標數(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)備的自動化精準控制。

2.2 變量噴藥設(shè)備自動化運動模型設(shè)計

噴藥設(shè)備作業(yè)期間容易受振蕩、偏轉(zhuǎn)、翻滾3項因素的影響。其中，振蕩因素指設(shè)備作業(yè)期間以機體為中心，噴桿沿著垂直方向上下擺動；偏轉(zhuǎn)因素指的是沿著與機體垂直的方向發(fā)生的旋轉(zhuǎn)；翻滾指的是沿著機體前進水平方向，噴桿上下旋轉(zhuǎn)。從噴藥設(shè)備結(jié)構(gòu)來看，噴藥運動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，按照各個因素指標操控命令旋轉(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，利用該裝置實現(xiàn)噴桿作業(yè)控制，實現(xiàn)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(shè)了兩個彈簧，分別編號為1和2，C代表彈簧阻尼系數(shù)；S0代表懸架運動期間生成的位移；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??；T0代表時間；L代表旋轉(zhuǎn)中心與阻尼器之間的距離。

根據(jù)各個參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建關(guān)于設(shè)備作業(yè)時間的函數(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)動慣量為25000kg·m2，噴桿質(zhì)量為500g，將兩函數(shù)歸并為一個系統(tǒng)模塊，形成關(guān)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(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，對設(shè)備噴桿作業(yè)產(chǎn)生的位移進行模擬，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

（1）系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文通過構(gòu)建變量噴藥設(shè)備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)噴藥機械設(shè)備自動化控制。該系統(tǒng)主要分為硬件控制板塊和軟件控制板塊，前者通過搭建硬件框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)自動化控制需求，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個節(jié)點，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，編號為1的節(jié)點，作為噴藥控制開關(guān)，作用于支路閥門開/關(guān)狀態(tài)切換控制；編號為2～6的節(jié)點，布設(shè)超聲測高、支路壓力控制裝置，通過數(shù)?？刂疲瑢崿F(xiàn)裝置兩種裝置控制；編號為7的節(jié)點，布設(shè)液位計、GPS裝置，通過數(shù)?？刂疲瑢崿F(xiàn)裝置兩種裝置控制；編號為8的節(jié)點，布設(shè)回路壓力裝置、流量統(tǒng)計裝置、速度測量裝置，通過數(shù)模控制，實現(xiàn)裝置三種裝置控制，同時，對主節(jié)流閥進行有效控制。

（2）變量噴藥自動化控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。本設(shè)計方案采用自動化控制模式，以系統(tǒng)的流量統(tǒng)計結(jié)果作為控制命令下達依據(jù)，確定噴藥裝置作業(yè)參數(shù)，同時，測量裝置行走速度。該控制結(jié)構(gòu)主要由流量計、節(jié)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(shè)定目標流量參數(shù)數(shù)值，作為噴藥作業(yè)控制標準。該控制結(jié)構(gòu)利用流量計采集噴頭實際作業(yè)流量，發(fā)送至下位機，在此環(huán)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(nèi)。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(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。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(tǒng)硬件架構(gòu)中添加了流量控制閥門，通過調(diào)節(jié)閥門參數(shù)數(shù)值，從而實現(xiàn)流量控制。首先，下發(fā)電機額定電壓作業(yè)命令，控制電機轉(zhuǎn)動速度。其次，適當減小電機轉(zhuǎn)動速度，測量此時實際流量，將該數(shù)值與目標流量數(shù)值進行對比。最后，依據(jù)流量差值，調(diào)節(jié)節(jié)流閥球度，使得二者流量達到相似水平，控制差值在5%以內(nèi)。

3 應(yīng)用測試分析

機械自動化控制技術(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(tǒng)設(shè)計方案可行性，本文將此系統(tǒng)投入使用，選取某試驗田作為系統(tǒng)測試環(huán)境，對系統(tǒng)作業(yè)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(shù)值與目標噴藥流量進行對比，隨機選取5株農(nóng)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(nèi)，則認為該自動化控制方案可行。另外，本次測試還觀察了設(shè)備自動化控制持續(xù)性能，連續(xù)10小時作業(yè)，系統(tǒng)并未出現(xiàn)異常，支持連續(xù)噴藥自動控制，滿足田間噴藥需求。所以，本文設(shè)計的噴藥設(shè)備機械自動化控制系統(tǒng)可以作為田間噴藥控制裝置。

4 結(jié)語

本文圍繞機械控制中的自動化技術(shù)展開研究，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，探究自動化技術(shù)原理及應(yīng)用方法。通過本文的研究，設(shè)計了一套高精準度噴藥流量控制的自動化控制系統(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，希望對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展有所幫助。在下一步的研究中，可以將機械自動化技術(shù)與軟件程序開發(fā)聚集到一起，從程序控制角度出發(fā)，進一步改善變量噴藥控制系統(tǒng)性能。