保護性耕作機具作業(yè)控制技術(shù)是指在監(jiān)測機具作業(yè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過電子信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)和液壓與氣壓傳動技術(shù)等對機具的關(guān)鍵部件實現(xiàn)一定的主動控制，以滿足作業(yè)要求(如播種深度一致性、深松深度一致性等)，提高機具的作業(yè)質(zhì)量(如減小漏播率)。免少耕播種機漏播補償控制技術(shù)及機具作業(yè)深度控制技術(shù)是近年來在保護性耕作機具作業(yè)控制技術(shù)方向的研究熱點。
減少播種機漏播率的傳統(tǒng)方法是在作物出苗后進行人工補種，這種方式不僅會增大農(nóng)民勞動強度，也會增加種植成本。而播種參數(shù)監(jiān)測技術(shù)雖然能在一定程度上減少漏播率，但仍需駕駛員收到報警信號后下車進行調(diào)整，效率低。因此，免少耕播種機漏播補償控制技術(shù)的研究對減少漏播率，提高播種質(zhì)量，減少農(nóng)民勞動強度和種植成本具有重要意義。
近年來，研究人員對漏播補償控制技術(shù)進行了一定的研究。其中，加裝補種裝置是實現(xiàn)漏播補償?shù)挠行緩街唬缍∮状旱柔槍τ筒俗训刃×椒N子漏播補種問題，研發(fā)了一套螺管式補種系統(tǒng)，漏播補種率達到100%;吳南等針對玉米免耕播種時存在漏播問題，采用加裝補播器和補種導(dǎo)種管設(shè)計了一種漏播補償系統(tǒng)，補種成功率達96.5%。除加裝補種裝置外，朱瑞祥等根據(jù)超越離合器的單向鎖合原理設(shè)計了一種漏播補償系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生漏播時，啟動超越離合器，由步進電機驅(qū)動排種器使其加速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)補種，平均成功補種率為92.98%。
當(dāng)前，國內(nèi)外雖對漏播補償控制技術(shù)有一定研究，但還存在以下問題：①大多補種裝置都是加裝在正常播種裝置外，兩套排種裝置之間相互獨立，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;②由于正常排種與補種排種時的種子運動路徑不同，補種位置存在一定的滯后性，導(dǎo)致補種位置準(zhǔn)確性較差。
作業(yè)深度控制技術(shù)是保障保護性耕作機具作業(yè)深度一致性的必要手段，主要涉及免少耕播種深度、深松深度及表土耕作深度等。其基本原理是利用傳感器實時監(jiān)測機具的作業(yè)深度，將當(dāng)前作業(yè)深度與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)深度進行對比，若超過或未達到預(yù)先設(shè)定的閾值，則啟動控制系統(tǒng)進行調(diào)控，具體是通過調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮或氣壓裝置的壓力來實現(xiàn)作業(yè)深度控制。
適宜的播種深度可以為種子提供較為充足的水分和養(yǎng)分條件，有利于縮短種子出苗時間，提高種子出苗率，同時可以減小機具作業(yè)阻力，減小能耗。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)播種深度在3~4 cm且一直是最有利于出苗。Karayel和Zmerzi研究發(fā)現(xiàn)，即使在實驗室條件下，播種深度都不一致，而在免少耕播種作業(yè)時，作業(yè)環(huán)境更加惡劣，如土壤未翻耕，地表有秸稈覆蓋等更容易造成開溝器振動，導(dǎo)致播種深度不一致。傳統(tǒng)的免少耕播種機多通過安裝仿形機構(gòu)并加裝機械彈簧保持播深一致，但這種方式都是作業(yè)之前將仿形機構(gòu)、彈簧預(yù)緊力等調(diào)整好，無法根據(jù)作業(yè)環(huán)境的變化在作業(yè)過程中進行播種深度實時調(diào)節(jié)。因此，能夠在播種作業(yè)時對播種深度進行實時控制的技術(shù)與裝備得到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注與研究。
目前，國外知名農(nóng)機公司大多都在其播種機上安裝播深控制系統(tǒng)，工作原理如圖1所示，采用液壓或氣壓裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)播種機上的機械彈簧，通過壓力傳感器實時監(jiān)測限深輪下壓力，并與預(yù)先設(shè)置的壓力值進行比較，自動調(diào)節(jié)播種下壓力，保證播種深度一致。如Ag Leader公司的SureForce?下壓力控制系統(tǒng)，Maschino的Maximetro系列播種機，Horsch的Maestro SW系列播種機，John Deere公司的exactEmerge播種單體，Precision Planting公司的Deltaforce和AirForce下壓力控制系統(tǒng)及Kinze公司的TrueDepth?播深控制系統(tǒng)。
此外，國內(nèi)外學(xué)者也對播種深度的精確控制開展了一系列研究。根據(jù)調(diào)節(jié)裝置的不同將其分為兩大類，即液壓調(diào)節(jié)和氣壓調(diào)節(jié)。其中，液壓調(diào)節(jié)因具有響應(yīng)速度快、產(chǎn)生推力大、便于安裝等優(yōu)點在保護性耕作機具作業(yè)深度智能化調(diào)控上應(yīng)用更為廣泛。除通過安裝液壓或氣壓裝置實現(xiàn)播深調(diào)節(jié)外，李玉環(huán)等設(shè)計了一種覆土-鎮(zhèn)壓聯(lián)動監(jiān)控裝置，采用電推桿實時調(diào)節(jié)覆土量實現(xiàn)播深一致性控制。由于播深調(diào)節(jié)裝置類型比較明確，因此播深控制系統(tǒng)的研研究重點主要在波深檢測上。為實現(xiàn)波深準(zhǔn)確實時的檢測，學(xué)者們研發(fā)了多種波深檢測法，均取得較好的檢測效果，根據(jù)采用傳感器的工作原理不同將其分為剖面?zhèn)鞲衅鳈z測法、超聲波傳感器檢測法、角度傳感器檢測法、壓力傳感器檢測法、以及位移傳感器檢測法等。
保護性耕作機具的耕深一致性是評價其作業(yè)質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。美國John Deere公司經(jīng)過多年試驗發(fā)現(xiàn)，耕作深度一致性對土壤保水保墑、構(gòu)造良好的種床具有重要影響。目前，耕作深度控制主要利用角度或超聲波傳感器實時監(jiān)測耕深，同時在深松鏟、圓盤耙和鎮(zhèn)壓輪等觸土部件上安裝液壓系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮實現(xiàn)耕作深度的一致性控制。
John Deere公司的TruSet耕整地裝備耕深控制系統(tǒng)(圖2)利用安裝在地輪與機架上的耕深檢測傳感器獲取機具的耕作深度，并將其與預(yù)先設(shè)定的耕作深度值進行對比，然后通過配套的液壓系統(tǒng)實現(xiàn)圓盤耙、深松鏟和鎮(zhèn)壓輥等耕作部件的耕深控制，作業(yè)情況會實時顯示在人機界面，用戶還可根據(jù)自己需要進行手動調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)控制更深精度不超過2.5 mm。
Case公司研發(fā)的整地機械耕深智能控制系統(tǒng)(Advanced Farming Systems，AFS)(圖3)，能夠根據(jù)土壤條件(含水率、緊實度、秸稈覆蓋率等)，實現(xiàn)機具耕作深度的精準(zhǔn)控制。作業(yè)前，將根據(jù)土壤條件預(yù)先設(shè)定好的耕深信息處方圖導(dǎo)入系統(tǒng)，拖拉機上配備基于GNSS的導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)機具走到處方圖相應(yīng)位置，液壓系統(tǒng)就會根據(jù)處方圖中更深信息自動調(diào)節(jié)機具關(guān)鍵部件使其達到預(yù)設(shè)更深，同時液壓缸內(nèi)的行程檢測傳感器能夠?qū)崟r反饋液壓缸活塞的長度變化，保證精準(zhǔn)控制。
近年來，國內(nèi)學(xué)者的研究多集中在懸掛式耕作機具的耕深控制。如王云霞設(shè)計了一種深松機耕深控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對每個深松鏟作業(yè)深度的獨立控制，當(dāng)耕深設(shè)定為25和30 cm時，耕深控制誤差分別為3.2%和1.9%。吳依行設(shè)計了一種基于超聲波傳感器與液壓傳動的深松機耕深控制系統(tǒng)，當(dāng)深松深度在35~40 cm時，控制精度不超過3.3 cm，深松深度的穩(wěn)定性系數(shù)為92.54%。
綜上，無論是播種深度還是耕作深度的實時控制，其最終目標(biāo)都是實現(xiàn)作業(yè)深度的一致性。二者的控制原理基本相同，即利用傳感器實時監(jiān)測開溝器、深松鏟、圓盤耙、鎮(zhèn)壓輥等觸土部件的作業(yè)深度，并與預(yù)設(shè)作業(yè)深度進行對比，通過液壓系統(tǒng)或氣壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用在觸土部件上的壓力實現(xiàn)作業(yè)深度的控制。
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