噴桿噴霧機(jī)變量噴施中的自動控制技術(shù)的應(yīng)用*

劉新軍 ，田多林 ，張紹軍 ，王杰華

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉州 831100）

作物生育期控制是變量系統(tǒng)噴施技術(shù)應(yīng)用最多的一個控制技術(shù)環(huán)節(jié)。在對作物進(jìn)行噴施作業(yè)時需要人工完成打藥、施肥等作業(yè)動作。人工在打藥、施肥等作業(yè)過程中也要使用精量噴霧器等機(jī)器完成作業(yè)，同時還要考慮作物對藥物或者肥料有不同的吸收速度，通過數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。因此，為提高工作效率，課題組對噴桿機(jī)控制系統(tǒng)中的噴桿設(shè)計了自動設(shè)置和自動檢測技術(shù)，以提高該系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，保證噴桿自動連接到作物上，自動控制噴霧液滴大小以保證噴灑效果和作物質(zhì)量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有很多傳統(tǒng)種植業(yè)是靠人工進(jìn)行種植作業(yè)，但隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的加快以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來越多的農(nóng)民開始通過科學(xué)配比來種植作物并掌握耕種技巧，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 不同變量技術(shù)在變量施藥設(shè)備中的應(yīng)用

1.1 改變氣流速度

對于果樹而言，在其生長過程中，改變氣流速度會導(dǎo)致不同植物的葉片間距不同，進(jìn)而導(dǎo)致其光合作用能力也會不同。同時，也會對葉片生長帶來一定影響，例如葉片的光合作用能力越強(qiáng)，藥效越好。對于農(nóng)作物而言，通過改變氣流速度能夠?qū)r(nóng)作物產(chǎn)生影響。在這種情況下，同樣可以通過改變氣流速度來實現(xiàn)作物藥效大小的控制。如在西紅柿的生長過程中，可以通過改變氣流速度實現(xiàn)對西紅柿的生長產(chǎn)生影響。通過改變氣流速度不僅能夠有效地控制農(nóng)作物的藥效，同時也為農(nóng)作物的抗病抗旱等提供了良好環(huán)境[1]。

1.2 控制霧量大小

目前，無論是采用單因素技術(shù)還是多因素算法技術(shù)，都對果樹藥效產(chǎn)生著較大影響。具體來看，果樹藥效主要受到水分蒸發(fā)等因素的影響。當(dāng)水分蒸發(fā)量增大時，藥效增強(qiáng)，所以霧量也隨之增加。通過水力作用對果樹藥效的影響可以分為兩類：一類是植物自身內(nèi)部水分蒸發(fā)對藥物的影響，比如果樹體內(nèi)水分蒸發(fā)速率隨著其溫度變化[2]；另外一類則是由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致藥物吸收障礙從而影響作物藥效。那么采用單因素技術(shù)進(jìn)行定量調(diào)整就可以通過水分蒸發(fā)量大小來實現(xiàn)對果樹藥效的控制。比如，適當(dāng)增加噴頭噴射角度能使水分蒸發(fā)更快，降低水密度能使藥效更好，結(jié)合其他變量技術(shù)，控制噴頭與氣流夾角，加大噴霧距離等技術(shù)可以使果樹藥效顯著提高。但是這種方式還需要在科學(xué)論證前提下合理使用水資源[3]。

2 噴桿控制技術(shù)在變量施藥設(shè)備中的優(yōu)勢

2.1 智能化控制

智能化控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制。首先，它是對人工作業(yè)時控制效果進(jìn)行監(jiān)控的一種重要手段，其利用自動控制方法對各種作業(yè)參數(shù)進(jìn)行采集和處理后進(jìn)行智能化控制，從而實現(xiàn)對作業(yè)過程中各種參數(shù)的精準(zhǔn)控制，所以自動控制系統(tǒng)在變量施藥設(shè)備中應(yīng)用較多。其次，對自動控制器進(jìn)行智能化改造的關(guān)鍵是根據(jù)噴灑的農(nóng)藥種類及噴灑壓力的大小對各種參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。例如，將噴桿控制系統(tǒng)中最重要的一個參數(shù)設(shè)定為微電機(jī)額定功率及噴桿與藥液量的關(guān)系系數(shù)，這樣就能有效地克服由于微電機(jī)本身參數(shù)變化引起的噴桿與藥液量關(guān)系波動的問題[4]。此外，這種智能化改造還可以根據(jù)實際情況對控制參數(shù)作出相應(yīng)控制。

2.2 準(zhǔn)確檢測農(nóng)藥性能

農(nóng)藥在農(nóng)作物生產(chǎn)中的作用是巨大的，其也是農(nóng)民脫貧致富和國家糧食安全的重要基礎(chǔ)，且種類多、使用范圍廣。因此，保證噴用藥的質(zhì)量，降低農(nóng)藥使用不當(dāng)造成的危害，提高我國農(nóng)藥利用率，是變量施藥設(shè)備長期穩(wěn)定運行的重要前提。農(nóng)藥管理部門在對其進(jìn)行監(jiān)督管理時，主要是對農(nóng)藥使用現(xiàn)狀進(jìn)行檢測、分析工作。一般情況下，在規(guī)定時間內(nèi)很難出具農(nóng)藥防治效果的檢測報告，所以要建立一個農(nóng)藥檢測數(shù)據(jù)庫將農(nóng)藥信息錄入數(shù)據(jù)庫中。通過對農(nóng)藥質(zhì)量參數(shù)值的分析，利用數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行處理，實現(xiàn)農(nóng)藥性能檢測的目的[5]。對于各種農(nóng)藥性能是否能夠滿足農(nóng)民在進(jìn)行噴灑作業(yè)時對于農(nóng)藥安全性、有效性和持效性的要求，均有相關(guān)數(shù)據(jù)可以支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的檢測和控制要求。自動控制系統(tǒng)對各種參數(shù)進(jìn)行自動實時控制以實現(xiàn)施藥設(shè)備準(zhǔn)確測量和控制的功能。其基本功能主要包括：1）農(nóng)藥狀態(tài)觀測；2）農(nóng)藥成分測量；3）農(nóng)藥性能測定；4）殺蟲劑的釋放效率監(jiān)測；5）殺蟲燈及誘蟲板上農(nóng)藥種類監(jiān)控；6）農(nóng)藥殘留量檢測；7）毒性指標(biāo)檢測；8）除草劑藥效測試。這些檢測都需要通過試驗確定其作用機(jī)理，實現(xiàn)對施藥設(shè)備的性能管理。

3 變量施藥設(shè)備的應(yīng)用

3.1 變量施藥設(shè)備的選擇

變量施藥設(shè)備是將藥液加入噴霧裝置內(nèi)，利用機(jī)械作用使藥物產(chǎn)生變化，從而達(dá)到防治病蟲害的目的。一般是將噴桿及噴霧裝置分成兩大類，即噴射式變量施藥設(shè)備和自控變量施藥設(shè)備。在噴霧式變量噴霧機(jī)工作時，噴桿與藥液不斷地進(jìn)行噴灑，噴桿的旋轉(zhuǎn)與藥液進(jìn)入噴霧裝置內(nèi)產(chǎn)生作用并將液滴噴出，形成連續(xù)霧滴。在自控變量噴桿噴霧機(jī)工作時，則需通過調(diào)節(jié)噴桿與藥液接觸部位的接觸強(qiáng)度，或通過調(diào)節(jié)噴桿與噴淋裝置中農(nóng)藥量控制裝置之間的速度來調(diào)整噴桿旋轉(zhuǎn)與藥液接觸部位的接觸位置，進(jìn)而實現(xiàn)噴霧效果。所以變量施藥設(shè)備多為離心式和噴射式變量施藥設(shè)備[6]，這兩種設(shè)備不僅功能不同，結(jié)構(gòu)上也有很大的差別。因而變量施藥設(shè)備除具有上述兩種類型外，還可以根據(jù)實際需要采用其他類型的變量施藥設(shè)備，如自控變量施藥設(shè)備、自動駕駛變量噴霧機(jī)（變幅）等多種類型。

3.2 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制管理功能，達(dá)到變量施藥的目的

變量施藥的控制技術(shù)在我國植保領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。例如，農(nóng)藥噴淋、滴灌，也包括噴霧、噴施技術(shù)。尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，變量施藥技術(shù)具有十分重要的意義，它不僅能提高噴打效果，而且可以減輕勞動強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。我國采用的變量施藥方式主要有霧化方法、加濕方法、氣霧方式。采用氣霧或加濕法進(jìn)行施藥有利于水資源的有效利用（即在噴完農(nóng)藥后把水帶到田間），從而避免施藥量與噴霧器噴灑量之間相差較大，農(nóng)藥揮發(fā)與蒸發(fā)又極易造成環(huán)境污染（即殘留藥液不能完全除去）。采用加濕法進(jìn)行施藥可以減少施藥時間和噴藥量，使單位勞動質(zhì)量更加明顯，對環(huán)境的保護(hù)更加有利。因此，現(xiàn)在一般采取噴霧施肥法和噴霧淋浴法進(jìn)行農(nóng)作物植保[7]。

3.3 自動控制技術(shù)使農(nóng)藥防治達(dá)到高效、低毒、低殘留的要求

自動控制技術(shù)可以有效地保護(hù)農(nóng)藥使用者的權(quán)益，并且能使農(nóng)藥的使用量最小化。目前的變量施藥控制技術(shù)有手動式、自動式和電腦全自動式三種類型。1）手動式：可以用手動機(jī)械噴桿噴霧機(jī)來完成噴霧工作；2）自動式：可以用自動機(jī)械噴桿噴霧機(jī)來完成噴霧工作；3）電腦全自動式：由遙控自動噴頭來完成噴霧工作，噴出霧滴并能自動回收，電腦可根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)自動控制程序噴出農(nóng)藥粒子和水分后再回收。其特點是操作簡單、精度高、維護(hù)方便、可多次重復(fù)使用。電腦控制程序可以自動地將參數(shù)調(diào)整到合理值，實現(xiàn)自動停止噴藥工作和噴霧器自動排空工作，功能強(qiáng)大，操作簡便，應(yīng)用廣泛。

3.4 準(zhǔn)確控制農(nóng)藥施藥量

以美國為例，采用變量施藥設(shè)備進(jìn)行噴灑時，必須設(shè)定好計量的標(biāo)準(zhǔn)，一般會設(shè)定兩個標(biāo)準(zhǔn)：一是農(nóng)藥實際用量，二是藥劑用量。美國規(guī)定施667 m2田地（即1畝地）要用2 kg農(nóng)藥，但實際用量為3 kg。這就是美國在農(nóng)藥科學(xué)試驗中的結(jié)果，根據(jù)這一試驗結(jié)果來計算藥量是不合理的[8]。所以，美國制定農(nóng)藥施藥量標(biāo)準(zhǔn)時采取的是在全國范圍內(nèi)統(tǒng)一使用的辦法。變量施藥設(shè)備也可以通過計算機(jī)進(jìn)行設(shè)定，并通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，隨時查看藥量是否超標(biāo)或不足，以實現(xiàn)對施藥量的控制。

3.5 噴施植物對養(yǎng)分的要求

噴施施肥水平與作物種類、生長階段、作物種類對養(yǎng)分的需求、噴施養(yǎng)分濃度以及作物對養(yǎng)分分布時間的反應(yīng)等都有著密切的關(guān)系。作物對養(yǎng)分濃度的反應(yīng)，是作物營養(yǎng)水平對養(yǎng)分供應(yīng)狀況要求的直接反映，其反應(yīng)曲線表現(xiàn)為“先大后小”。當(dāng)肥料濃度較高時，植物對營養(yǎng)元素的吸收能力增強(qiáng)，吸收的養(yǎng)分含量增多[9]。

3.6 用噴施設(shè)備進(jìn)行不同時期植物長勢調(diào)節(jié)

當(dāng)植物長勢發(fā)生異常時，通常會采用人工的方式進(jìn)行實時的長勢調(diào)整，如在棉花處于幼苗期時可噴催芽劑；在水稻處于孕穗至抽穗前期時可噴脫葉劑；在小麥處在幼苗期時可噴尿素等生長調(diào)節(jié)劑。當(dāng)植物生長出現(xiàn)異常時，噴施人員還會采用各種噴施設(shè)備來進(jìn)行不同時期植物長勢調(diào)節(jié)。在棉花脫葉后至開花前這段時間內(nèi)進(jìn)行葉面噴施尿素，可有效降低棉花葉片葉綠素蒸發(fā)量，提高作物葉片光合作用強(qiáng)度；在水稻處于花芽分化期后（分蘗期至穗期）噴施氮肥，也可增加作物根系活力，促進(jìn)水稻植株快速生長；在玉米孕穗至開花前這段時間內(nèi)噴施尿素，能促進(jìn)玉米植株快速生長。除了植物本身長勢控制和植物之間長勢控制以外，為了確保噴施后植物能夠正常發(fā)育生長，并實現(xiàn)作物對土壤肥料養(yǎng)分吸收良好而噴施尿素促進(jìn)肥料養(yǎng)分吸收，可以對植物進(jìn)行合理追肥而增加作物養(yǎng)分吸收能力，如果植物生長出現(xiàn)異常情況不能及時用噴施設(shè)備進(jìn)行有效抑制而導(dǎo)致作物出現(xiàn)不良生長情況時，通常會采用多量、多時段噴施設(shè)備來對植物進(jìn)行生長抑制[10]。

4 結(jié)束語

綜上所述，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，植保技術(shù)的合理應(yīng)用十分重要，尤其在資源與環(huán)境問題成為社會關(guān)注熱點的新時代，變量噴霧技術(shù)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景十分廣闊。但從我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況來看，先進(jìn)的噴霧機(jī)械占比仍不高，生產(chǎn)過程中的中小型噴桿噴霧機(jī)仍存在質(zhì)量低下、農(nóng)藥跑冒滴漏、故障頻發(fā)、噴霧質(zhì)量不合格等問題。因此，要真正提高變量噴霧技術(shù)的應(yīng)用和普及程度，還應(yīng)進(jìn)一步提升基層噴桿噴霧機(jī)的整體應(yīng)用水平，鼓勵農(nóng)民及時更新?lián)Q代農(nóng)業(yè)機(jī)械，保證先進(jìn)的變量噴霧技術(shù)更快普及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。