UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR ...

UNIVERSIDAD DE ALMERA ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

Departamento de Lenguajes y Computacin

TESIS DOCTORAL

MODELADO Y CONTROL JERRQUICO DE CRECIMIENTO DE CULTIVOS EN

INVERNADERO

Francisco Rodrguez Daz

Dirigida por el Dr. Manuel Berenguel Soria

Almera, noviembre 2002

TESIS DOCTORAL

MODELADO Y CONTROL JERRQUICO DE CRECIMIENTO DE CULTIVOS EN

INVERNADERO

por

Francisco Rodrguez Daz

Presentada en el

Departamento de Lenguajes y Computacin

Escuela Politcnica Superior de la

Universidad de Almera

Para la obtencin del

Grado de Doctor en Informtica

Director Autor

Dr. Manuel Berenguel Soria Francisco Rodrguez Daz

A Marimar

Agradecimientos

Cuando se alcanza un objetivo como ste y se recuerda quin ha ayudado de alguna manera, tcnica o moralmente, la lista de personas es casi interminable, as que espero que estn todos los que son. En primer lugar, mi ms sentido agradecimiento a Manolo Berenguel por todo: sus conocimientos, ideas, intuiciones, observaciones, trabajo, ilusin, nimo, confianza y amistad han constituido uno de los pilares bsicos para el desarrollo de la presente tesis. Es un lujo trabajar con Manolo en los temas relacionados con ingeniera de control y tenerlo como amigo en el mbito personal. Una mencin especial tengo que dedicarle a Fernando Bienvenido, que fue el que dirigi mis primeros pasos en el mundo de la investigacin y me ense las diferentes formas de abordar los problemas a los que me debera enfrentar a lo largo de mi carrera. Tambin hemos disfrutado de charlas tcnicas y personales que me han enriquecido en los dos aspectos y que espero sigamos teniendo. A Jos Ramn Daz y Alfredo Snchez les debo el que me introdujeran en el sector de la agricultura que me atrajo desde el principio, adems de su apoyo incondicional a lo largo de los ltimos aos. Dos personas que me han apoyado tcnica y moralmente, y de las que me considero afortunado de disfrutar de una relacin no slo laboral son Manuel Ruiz Arahal y Luis Yebra, que han aguantado estoicamente tardes de trabajo y, tambin, de ocio. El Director del Departamento de Lenguajes y Computacin, Samuel Tnez, confi en m hace unos aos, y por eso le estoy agradecido, adems de por algunas cosas que me ha enseado que, aunque no sean del mbito tcnico o de investigacin, seguro que me ayudan a lo largo de mi trayectoria en la Universidad. Tambin quiero mostrar mi gratitud a todos mis compaeros del Departamento de Lenguajes y Computacin y del grupo de Investigacin Automtica, Electrnica y Robtica por el inters mostrado y por su constante apoyo, en especial a mi compaero de despacho Rafa Guirado que ha aguantado algunos malos momentos, a Manolo Torres, Antonio Corral, Antonio Becerra, Jos Carlos Moreno, Daniel Landa, Isabel Flores, Jos Rafael Garca y un infiltrado de Arquitectura, Julin Garca. Hay otro grupo amplio de personas que me han aconsejado en aspectos puntuales de esta investigacin y a los que les agradezco su inters como Jos Lpez Glvez, Jos Antonio Gzquez, Gabriel Acin y Manuel Prez de la Universidad de Almera, Allain Baille y Mara Milagros Gonzlez de la Universidad de Cartagena, Ep Heuvelink y Cecilia Stanghellini de la Universidad de Wageningen, Armando Ramrez de la Universidad de Chapingo, Juan Carlos Lpez de la Estacin Experimental Las Palmerillas, Jos ngel Navarro de la empresa Sunsaver y Eduardo Garca, Rafa y Joaqun de la empresa ITC.

Un agradecimiento especial a la gerencia y personal de la empresa Dunia Export por la cesin de sus instalaciones para la realizacin de los ensayos. Tengo que agradecer su ayuda en determinados momentos a los becarios Jos Luis Guzmn y Jorge Fernndez. Evidentemente, sin el apoyo de mi familia, tanto natural como poltica, no habra sido posible llegar a este momento, en especial el de mi madre y seguro que el de mi padre si estuviera aqu. Por ltimo, y el orden no est relacionado con la importancia, gracias Marimar por tu amor, que me lo has demostrado con creces desde hace bastante tiempo. Te prometo que voy a intentar devolverte todo lo que me has dado, me das y, como tu eres, seguro que me dars, y recompensarte por los malos momentos que hayas podido sufrir por mi culpa.

RESUMEN

La agricultura es uno de los principales motores econmicos de la provincia de Almera (sudeste de Espaa), en la que se sita la mayor concentracin de invernaderos del mundo. Hasta hace unos aos, se ha mantenido una alta presencia en el mercado internacional, debido fundamentalmente a los relativamente bajos costes de produccin y a la oferta de productos fuera de estacin, existiendo adems poca competencia por parte de pases en vas de desarrollo. Esta competencia est creciendo actualmente, tanto por parte de sectores muy tecnificados de pases desarrollados, que ofertan buena calidad y servicio a costo medio, como con nuevos sectores en pases menos desarrollados con costes de produccin muy bajos. nicamente la mejora de la productividad y la calidad pueden permitir el mantenimiento de la rentabilidad, siendo la tecnologa parte esencial de este proceso. Actualmente, se est realizando un gran esfuerzo encaminado a la introduccin de tecnologa en cada una de las fases de la cadena de comercializacin agrcola. Evidentemente, la fase de produccin en el invernadero es la ms importante, por lo que deben realizarse los mayores esfuerzos por mejorar tanto la cantidad como la calidad de los frutos. El crecimiento de un cultivo se encuentra fundamentalmente determinado por las variables climticas del entorno en el que se encuentra y por la cantidad de agua y fertilizantes que se le aplican mediante el riego; por tanto, el adecuado manejo de estas variables permitir controlar el crecimiento del cultivo. Por esta razn un invernadero es ideal para cultivar, ya que al ser un recinto cerrado, se pueden manipular estas variables para alcanzar un crecimiento y desarrollo ptimo de las plantas. Sin embargo, el hecho de conseguir las condiciones ptimas de las variables climticas y de fertirrigacin1 supone un coste econmico en cuanto a energa, agua y fertilizantes. Por tanto, lo ideal desde el punto de vista econmico no ser obtener el mximo de produccin, sino maximizar el beneficio entendido como la diferencia entre los ingresos procedentes de la venta de la produccin final y sus costes asociados. El clima y la fertirrigacin son dos sistemas independientes, por lo que plantean problemas de control diferentes. Empricamente, se conocen las necesidades de agua y nutrientes de cada especie de cultivo y, de hecho, los primeros sistemas que se automatizaron son los que controlan estas variables. Como el problema de control de crecimiento de un cultivo bajo invernadero es complejo, una base de partida comn en este mbito consiste en suponer que las plantas reciben la cantidad de agua y fertilizantes que requieren en cada momento. De esta forma el problema se reduce al control del crecimiento de cultivos en funcin de las condiciones climticas de su entorno. Por tanto, el objetivo principal de la presente tesis es el diseo e implementacin de un sistema de control ptimo jerrquico del crecimiento de cultivos bajo invernadero en funcin de las variables climticas internas y externas, en el que se puedan integrar criterios econmicos de forma que se maximice la diferencia entre el beneficio bruto obtenido por la venta del cultivo y los costes de produccin asociados a los sistemas de actuacin climticos.

1 Riego y fertilizacin.

ix

Resumen

Para llevarlo a cabo se ha requerido el cumplimiento de algunos objetivos especficos, como el estudio y modelado de las variables climticas del interior del invernadero que afectan al crecimiento del cultivo, estudio y modelado de las variables que caracterizan al crecimiento del cultivo, as como el diseo y prueba de algoritmos de control de las variables climticas en el interior de un invernadero. Como solucin integrada se ha propuesto una arquitectura de control jerrquica de dos capas que controle el sistema cultivo/clima, basndose en la existencia de dos escalas de tiempo distintas en el problema de optimizacin. La capa superior, en funcin de la produccin esperada y sus costes asociados o de la fecha de recoleccin, resuelve un problema de optimizacin que maximiza una funcin objetivo que representa el beneficio obtenido en funcin de las variables climticas que afectan al crecimiento de las plantas, proporcionando las consignas que deben seguir dichas variables climticas a lo largo de la campaa. La capa inferior incluye los controladores necesarios para que se alcancen las consignas calculadas en la capa superior. Utilizando una estrategia de horizonte deslizante, en cada transicin de noche a da, o viceversa, se vuelve a resolver el problema de optimizacin realimentando con los datos reales que se han medido de las variables climticas y del crecimiento hasta ese momento, tratando as de reducir los errores que se pueden cometer debido a aspectos dinmicos no contemplados por los modelos usados para la prediccin, a desviaciones en la prediccin meteorolgica o al no poderse alcanzar las consignas climticas por efecto de las perturbaciones y limitaciones en los dispositivos de actuacin. La presente tesis no se ha limitado simplemente al desarrollo de modelos y estructuras de control, sino que ha requerido una importante labor de experimentacin en campo durante varios aos con la finalidad de obtener datos necesarios para la calibracin y validacin de modelos, as como para ensayar diversos algoritmos de control. Algunos de los desarrollos contenidos en esta tesis han sido incluso implantados en sistemas de control comerciales a travs de contratos de transferencia de tecnologa.

x

ABSTRACT

Agriculture is one of the main economic sectors of the province of Almera (South-East Spain), where the largest concentration of greenhouses of the world is located. Until now, an important presence has been maintained in the international market, mainly due to the relatively low production costs and to the capability of supplying products outside station, in addition suffering little competence from developing countries. Currently, this competition is growing, due to the increase of production in developed countries, that supply good quality and service at average cost, and to the import of products coming from new sectors in less developed countries, characterised by low production costs. Only the improvement of the productivity and the quality will allow the maintenance of the yield, the technology being an essential part in this process. A large effort is nowadays being carried out directed to the introduction of technology in each one of the phases of the agricultural commercialisation chain. Obviously, the most important phase is that of greenhouse crop production and so, great efforts are required to improve quality and quantity of horticultural products. Crop growth is mainly influenced by surrounding environmental climatic variables and by the amount of water and fertilizers supplied by irrigation; therefore, the proper handling of these variables will allow the control of crop growth. This is the main reason of why a greenhouse is ideal to cultivate, as it constitutes a closed environment in which climatic and fertirrigation variables can be controlled to allow an optimal growth and development of the crop. Nevertheless, the control of climatic and fertirrigation variables has associate costs related to energy, water and fertilizers. Therefore, the objective from the economic point of view will not be to obtain the maximum production, but to maximize the benefit understood as the difference between the incomes coming from the sale of the final production and its associate costs. The climate and the fertirrigation are two independent systems with different control problems. Empirically, the requirements of water and nutrients of different crop species are known and, in fact, the first automated systems were those that control these variables. As the problem of greenhouse crop production is a complex issue, an extended simplification consists of supposing that the plants receive the amount of water and fertilizers that they require at every moment. In this way the problem is reduced to the control of crop growth as a function of climate environmental conditions. Therefore, the main objective of this thesis is the design and implementation of a hierarchical optimal control system of greenhouse crop growth as a function of inside and outside environmental conditions taking into account economic criteria, in such a way that the difference between the gross benefit obtained by the sale of the production and the associate costs is maximized. The fulfillment of some specific objectives has been required to account for the main objective of this thesis, such as studying and modelling those greenhouse inside climatic variables that affect crop growth, those that characterise crop growth, as well as the design and test of climate control algorithms.

xi

Abstract

A hierarchical control architecture has been proposed as an integral solution, constituted by two layers that control the system composed by crop and climate, based on the existence of two different time scales. The upper layer solves an optimisation problem as a function of the awaited production and associate costs or the desired date of harvesting. This optimisation problem maximize an objective function that represents the benefit obtained based on the climatic variables that affect the growth of the plants, providing the set points that must follow these climatic variables throughout the campaign. The lower layer includes the controllers that try to cancel set point tracking errors (these set points are those calculated by the upper layer). By using a receding horizon strategy, each time a transition night-day or vice versa occurs, the optimisation problem is again solved by using new real measured data of climatic variables and crop growth, trying to reduce errors coming from plant-model mismatch, deviations in the weather forecast or those appearing when the climatic variables are not able to reach the climatic set points due to disturbances or limitations in the actuators. The thesis has not been limited to the development of models and control strategies, but it has required an important work of experimentation in greenhouses during several years, with the purpose of collecting data required for the calibration and validation of models, as well as to test different control algorithms. Some of the developments included in the thesis have been implemented in commercial control systems through technology transference contracts.

xii

NDICE GENERAL

Resumen ix Nomenclatura xix 1. INTRODUCCIN 1

1.1. MOTIVACIN DE LA INVESTIGACIN Y OBJETIVOS ............................. 1 1.2. CONTEXTO DE INVESTIGACIN .................................................................. 5 1.3. PRINCIPALES CONTRIBUCIONES ................................................................ 7 1.4. ESTRUCTURA DE LA TESIS ................................................ .......................... 8

2. MATERIALES Y MTODOS 11

2.1. INTRODUCCIN ............................................................................................. 11 2.2. SISTEMA INVERNADERO.............................................................................. 12

2.2.1. Descripcin de la explotacin .................................................................. 12 2.2.2. Estructuras de los invernaderos ................................................................ 12 2.2.3. Sistemas de actuacin sobre el clima instalados ...................................... 13

2.2.3.1. Ventilacin natural ...................................................................... 13 2.2.3.2. Sistemas de calefaccin ............................................................... 15 2.2.3.3. Malla de sombreo ........................................................................ 16

2.3. SISTEMA DE CULTIVO .................................................................................. 17 2.3.1. Descripcin del cultivo de tomate y relacin con el clima ...................... 17 2.3.2. Sistema NFT ............................................................................................ 19 2.3.3. Experiencias realizadas ............................................................................ 20 2.3.4. Medidas tomadas ...................................................................................... 21

2.4. SISTEMA DE MEDIDA Y CONTROL DE LAS VARIABLES CLIMTICAS ................................................................................................... 23

2.4.1. Sistema de medida y control climtico comercial ................................... 23 2.4.2. Sistema de medida y control desarrollado ............................................... 25 2.4.3. Experiencias realizadas ............................................................................ 26 2.4.4. Validacin de datos .................................................................................. 28

2.5. HERRAMIENTAS DE MODELADO Y SIMULACIN ................................ 30 2.5.1. Modelado orientado a bloques frente a modelado orientado a objetos .... 30 2.5.2. Modelado con Simulink ........................................................................... 33 2.5.3. Modelado con Modelica ........................................................................... 35 2.5.4. Comparacin Simulink/Modelica ............................................................ 35

2.6. HERRAMIENTAS DE AJUSTE DE LOS PARMETROS CARACTERSTICOS DE LOS MODELOS ................................................... 38

xiii

ndice general

2.6.1. Conceptos generales .................................................................................38 2.6.2. Algoritmos genticos ................................................................................39 2.6.3. Metodologa utilizada ...............................................................................42

3. OBTENCIN DE MODELOS PARA SIMULACIN DEL CLIMA EN

EL INTERIOR DE UN INVERNADERO 45 3.1. MODELADO DEL CLIMA DE UN INVERNADERO ....................................45 3.2. PROCESOS FSICOS QUE SE PRODUCEN EN EL INTERIOR DE UN

INVERNADERO ...............................................................................................53 3.2.1. Introduccin ..............................................................................................53 3.2.2. Procesos de conduccin ............................................................................54 3.2.3. Procesos de conveccin ............................................................................57 3.2.4. Procesos de absorcin, reflexin y transmisin de radiacin solar ..........59 3.2.5. Procesos de absorcin de radiacin trmica .............................................63 3.2.6. Procesos de evaporacin y condensacin de vapor de agua .....................65 3.2.7. Procesos de transpiracin del cultivo .......................................................68 3.2.8. Procesos debidos a los sistemas de actuacin ..........................................71

3.2.8.1. Ventilacin .................................................................................71 3.2.8.2. Sistemas de calefaccin .............................................................73 3.2.8.3. Malla de sombreo ......................................................................74 3.2.8.4. Malla trmica .............................................................................75 3.2.8.5. Sistemas estticos de sombreo. Encalado .................................76 3.2.8.6. Sistemas de evaporacin de agua ..............................................77

3.2.9. Relacin entre los elementos del invernadero ..........................................77 3.3. ESTADO ACTUAL DE LOS ESTUDIOS DE MODELADO DEL CLIMA EN

INVERNADERO ..................................................................................................81 3.3.1. Introduccin ..............................................................................................81 3.3.2. Clasificacin de modelos ..........................................................................82 3.3.3. Descripcin de modelos de simulacin existentes ...................................83

3.4. DESARROLLO DEL SIMULADOR DE CLIMA ..............................................88 3.4.1. Descripcin del modelo ............................................................................88

3.4.1.1. Estructura del modelo e hiptesis generales de partida ...........88 3.4.1.2. Modelado de la radiacin PAR .................................................91 3.4.1.3. Modelado de la temperatura en la cubierta del invernadero ....92 3.4.1.4. Modelado de la temperatura en la superficie del suelo ............99 3.4.1.5. Modelado de la temperatura en las capas del suelo ...............103 3.4.1.6. Modelado de la temperatura del aire del invernadero ............104 3.4.1.7. Modelado de la humedad del aire del invernadero .................110

3.4.2. Implementacin del modelo ...................................................................111 3.4.2.1. Descomposicin jerrquica .....................................................111 3.4.2.2. Modelado orientado a bloques ................................................113 3.4.3.3. Modelado orientado a objetos .................................................115 3.4.3. Obtencin de parmetros del modelo .....................................................117

3.4.3.1. Problemtica de la calibracin de parmetros y metodologa propuesta ................................................................................117

xiv

ndice general

3.4.3.2. Estimacin de los parmetros ............................................................. 119 3.4.3.2.1. Metodologa utilizada ............................................... 119 3.4.3.2.2. Calibracin del modelo de la temperatura de la

superficie y la primera capa del suelo ..................... 121 3.4.3.2.3. Calibracin del modelo de la temperatura de

cubierta .................................................................... 124 3.4.3.2.4. Calibracin de los modelos de humedad y

temperatura del aire con el invernadero en vaco ... 125 3.4.3.2.5. Calibracin de los modelos de humedad y

temperatura del aire con cultivo y calefaccin ...... 128 3.4.3.2.6. Calibracin del modelo de la radiacin PAR .......... 130

3.4.3.3. Anlisis de sensibilidad ........................................................... 131 3.4.3.3.1. Anlisis de sensibilidad del modelo de la temperatura

del aire ................................................................... 131 3.4.3.3.2. Anlisis de sensibilidad del modelo de la temperatura

de la primera capa del suelo .................................... 133 3.4.3.3.3. Anlisis de sensibilidad del modelo de la temperatura

de la cubierta ........................................................... 133 3.4.3.3.4. Anlisis de sensibilidad del modelo de la temperatura

de la superficie de suelo ........................................... 133 3.4.3.3.5. Anlisis de sensibilidad del modelo de la humedad

del aire ..................................................................... 134 3.4.4. Validacin del modelo ........................................................................... 135

3.4.4.1. Metodologa utilizada ............................................................. 135 3.4.4.2. Validacin del modelo en el invernadero Araba nmero 2 .... 138 3.4.4.3. Validacin del modelo en el invernadero Araba nmero 3 .... 143 3.4.4.4. Validacin del modelo en el invernadero Inamed nmero 1 .. 145

3.5. CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ............................. 148 4. OBTENCIN DE MODELOS PARA CONTROL DEL CLIMA EN EL INTERIOR

DE UN INVERNADERO 151 4.1. NECESIDADES Y TIPOS DE MODELOS DE CONTROL ......................... 151 4.2. MODELOS APROXIMADOS BASADOS EN PRINCIPIOS FSICOS ....... 153

4.2.1. Caractersticas de los modelos simplificados y referencias ................... 153 4.2.2. Diseo del modelo ................................................................................. 157

4.2.2.1. Estructura e hiptesis generales de partida ............................ 157 4.2.2.2. Modelo simplificado de temperatura de aire ........................... 158 4.2.2.3. Modelo simplificado de humedad de aire ............................... 161

4.2.3. Implementacin del modelo ................................................................... 162 4.2.4. Calibracin del modelo .......................................................................... 163 4.2.5. Validacin del modelo ........................................................................... 166

4.3. MODELOS DINMICOS OBTENIDOS A PARTIR DE ENSAYOS Y DATOS DE ENTRADA/SALIDA ............................................................... 168

4.3.1. Introduccin ....................................................................................... 168 4.3.2. Modelos lineales obtenidos a partir del ensayo de la curva de reaccin. 170

4.3.2.1. Conceptos generales y referencias .......................................... 170

xv

ndice general

4.3.2.2. Diseo del modelo propuesto ..................................................172 4.3.2.3. Validacin del modelo propuesto ............................................177

4.3.3. Modelos lineales obtenidos a partir de datos de entrada/salida ..............178 4.3.3.1. Conceptos generales y referencias ...........................................178 4.3.3.2. Diseo del modelo propuesto ..................................................183 4.3.3.3. Calibracin del modelo propuesto ...........................................184 4.3.3.4. Validacin del modelo propuesto ............................................186

4.3.4. Modelos no lineales basados en redes neuronales ..................................189 4.3.4.1. Conceptos generales y referencias ...........................................189 4.3.4.2. Diseo del modelo propuesto ..................................................195 4.3.4.3. Calibracin del modelo propuesto ...........................................197 4.3.4.4. Validacin del modelo propuesto ............................................199

4.4. CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES .............................201 5. MODELADO DEL CRECIMIENTO DEL CULTIVO DE TOMATE EN EL

INTERIOR DE UN INVERNADERO 205

5.1. CRECIMIENTO Y DESARROLLO DE CULTIVOS ....................................205 5.2. INFLUENCIA DEL CLIMA SOBRE EL CRECIMIENTO DE CULTIVOS 208

5.2.1. Factores climticos limitantes y lmites de tolerancia ............................208 5.2.2. Fotosntesis y clima ................................................................................209 5.2.3. Respiracin y clima ................................................................................211

5.3. MODELADO DEL CRECIMIENTO DE CULTIVOS ...................................212 5.3.1. Introduccin ............................................................................................212 5.3.2. Modelos empricos .................................................................................212 5.3.3. Modelos basados en principios fisiolgicos ............................................213 5.3.4. Escalas de tiempo ...................................................................................217

5.4. MODELADO DEL CRECIMIENTO DEL CULTIVO DE TOMATE ...........218 5.5. DESARROLLO DEL MODELO DE CRECIMIENTO DEL TOMATE ........222

5.5.1. Descripcin del modelo ..........................................................................222 5.5.2. Implementacin del modelo ...................................................................224 5.5.2.1. Implementacin con Simulink ....................................................224 5.5.2.2. Implementacin con Modelica ....................................................225 5.5.3. Obtencin de los parmetros del modelo ...............................................226 5.5.4. Anlisis de sensibilidad del modelo .......................................................229 5.5.5. Validacin del modelo ............................................................................231

5.6. CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ..............................236 6. ESTRATEGIAS DE CONTROL DEL CLIMA EN UN INVERNADERO 239

6.1. PROBLEMA DE CONTROL DE LAS VARIABLES CLIMTICAS ...........239 6.2. ESTADO ACTUAL DE LOS ESTUDIOS DE CONTROL DEL CLIMA

EN INVERNADERO .......................................................................................244 6.2.1. Clasificacin de las estrategias de control en la actualidad.....................244 6.2.2. Referencias de estrategias de control de un invernadero ........................245

6.3. CONTROL DE LA TEMPERATURA INTERIOR ........................................250 6.3.1. Problema general de control de la temperatura ......................................250

xvi

ndice general

6.3.2. Control de la temperatura diurna utilizando ventilacin natural ............ 252 6.3.2.1. Problema de control de la temperatura utilizando

ventilacin natural ................................................................... 252 6.3.2.2. Control con ajuste por tabla ...................................................... 254 6.3.2.3. Control PI por adelanto ............................................................ 263 6.3.2.4. Otras estrategias de control ...................................................... 271 6.3.2.5. Supervisin de condiciones climticas extremas ....................... 271

6.3.3. Control de la temperatura nocturna utilizando calefaccin ................... 272 6.3.3.1. Problema de control de la temperatura utilizando calefaccin 272 6.3.3.2. Esquema de control de la temperatura utilizando calefaccin . 275 6.3.3.3. Inclusin de un trmino por prealimentacin basado en

modelos ..................................................................................... 278 6.4. CONTROL DE LA HUMEDAD RELATIVA INTERIOR ............................ 280

6.4.1. Problema general de control de la humedad relativa ............................. 280 6.4.2. Efecto de la ventilacin y calefaccin sobre la humedad relativa ......... 281 6.4.3. Control de la humedad relativa .............................................................. 282

6.4.3.1. Control de la humedad relativa en periodos diurnos ................ 282 6.4.3.2. Control de la humedad relativa en periodos nocturnos ............. 284

6.5. CONTROL DE LA RADIACIN SOLAR ..................................................... 286 6.5.1. Problema general de control de la radiacin solar ................................. 286 6.5.2. Control de la radiacin solar .................................................................. 287

6.6. EXPERIENCIAS REALES EN UN INVERNADERO .................................. 288 6.7. CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ............................. 290

7. CONTROL JERRQUICO DEL CRECIMIENTO

DE CULTIVOS BAJO INVERNADERO 295

7.1. INTRODUCCIN AL CONTROL JERRQUICO MULTICAPA ............... 295 7.2. ESTADO ACTUAL DE LOS ESTUDIOS DEL CONTROL DEL

CRECIMIENTO DE CULTIVOS BAJO INVERNADERO .......................... 301 7.2.1. Control del crecimiento de cultivos bajo invernadero como

sistema jerrquico ................................................................................... 301 7.2.2. Estado actual del control jerrquico del crecimiento de cultivos

bajo invernadero ..................................................................................... 303 7.3. SISTEMA DE CONTROL JERRQUICO PROPUESTO ............................. 308

7.3.1. Arquitectura de control propuesta y algoritmo general de funcionamiento ...................................................................... 308 7.3.1.1. Definicin del problema e hiptesis generales de partida ......... 308 7.3.1.2. Arquitectura jerrquica propuesta ............................................ 310 7.3.1.3. Principio de funcionamiento de la arquitectura propuesta ....... 313

7.3.2. Aspectos particulares de la arquitectura de control propuesta ............... 317 7.3.2.1. Prediccin de condiciones climticas ....................................... 317 7.3.2.2. Proceso de optimizacin............................................................. 321

7.3.2.2.1. Modelos utilizados en el proceso de optimizacin ... 321 7.3.2.2.2. Funcin de coste ....................................................... 324 7.3.2.2.3. Algoritmo de optimizacin ....................................... 327

xvii

ndice general

7.3.3. Ensayos y resultados ...............................................................................329 7.3.3.1. Hiptesis generales de los ensayos ............................................329 7.3.3.2. Estudio de las tendencias de las trayectorias de referencia

de la temperatura ......................................................................330 7.3.3.3. Respuesta del sistema a cambios en los precios

del combustible .........................................................................332 7.3.3.4. Respuesta del sistema ante distintas predicciones .....................333 7.3.3.5. Respuesta del sistema ante modificaciones en la fecha

de recoleccin ............................................................................335 7.4. CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ..............................336

8. CONCLUSIONES Y FUTURAS LNEAS DE INVESTIGACIN 339 ANEXO A. CONCEPTOS BSICOS DE PSICROMETRA 343 Referencias bibliogrficas 349

xviii

NOMENCLATURA

ABREVIATURAS

Abreviatura Denominacin original Significado AR Auto Regresive Auto-regresivo

ARMA Auto Regresive Moving Average Auto-regresivo de media mvil ARX Auto Regresive with eXogenous

inputs Auto-regresivo con entradas exgenas

ARMAX AutoRegresive Moving Average with eXogeneous inputs

Auto-regresivo con entradas exgenas de media mvil

BJ Box-Jenkins Box-Jenkins DAE Differential Algebraic Ecuation Ecuacin algebraico diferencial

DMBPC Descentralised Model Based Predictive Control

Control predictivo basado en modelo descentralizado

CE Electrical Conductivity Conductividad elctrica FFT Fast Fourier Transform Transformada rpida de Fourier FL Feedback Linearization Linealizacin por realimentacin

GPC Generalised Predictive Control Control predictivo generalizado LAI Leaf Area Index ndice de rea foliar LMI Linear Matrix Inequalities Desigualdad matricial lineal

MBPC Model Based Predictive Control Control predictivo basado en modelo MELPC Modified Extended Linearised

Predictive Control Control predictivo modificado extendido y linealizado

NARX Nonlinear AutoRegresive with eXogenous inputs

Auto-regresivo no lineal con entradas exgenas

NFT Nutrient Film Technique Tcnica de pelcula de nutrientes ODE Ordinary differential equation Ecuacin diferencial ordinaria OE Output Error Error de salida

OMT Object Modeling Technique Tcnica de modelado orientado a objetos

P Proportional Proporcional PAR Photosynthetically Active Radiation Radiacin fotosintticamente activa PDF Pseudo-Derivative Feedback Realimentacin seudo-derivativa PE Polyethylene Polietileno PI Proportional Integral Proporcional Integral

PID Proportional Integral Derivative Proporcional Integral Derivativo PIP Proportional Integral Plus Proporcional Integral Plus

PRBS Pseudo Random Binary Sequence Secuencia binaria seudo-aleatoria QFT Quantitative Feedback Theory Teora de realimentacin cuantitativa QP Quadratic Programming Programacin cuadrtica

RAM Random Allocation Memory Memoria de acceso aleatorio RHOC Receding Horizon Optimal Control Control ptimo con horizonte

deslizante SQP Sequential Quadratic Programming Programacin cuadrtica secuencial

xix

Nomenclatura

NOTACIN La notacin utilizada se compone de dos o tres elementos (Ts1,s2): el primero identifica el tipo de variable o constante, el primer subndice indica el nombre de la variable o constante, el proceso fsico al que se refiere o algn modificador de la variable, y el segundo subndice, separado del primero por una coma, indica el elemento del sistema al que se refiere el primer subndice, relaciones entre ellos separados por un guin o, bien se refiere a propiedades de las variables o constantes. Se han incluido tambin las unidades de las distintas variables o constantes1. Tipo de variable o constante

Notacin Significado Unidades c Coeficientes o constantes del sistema J Funcin de coste o criterio de optimizacin M Flujos de masa [kg/m2 s] P Perturbaciones Q Flujos de energa [W/m2] Tiempo [s] f final i inicial

U Variables de control V Variables algebraicas X Variables de estado

Segundo subndice

Notacin Significado a Aire interior as Aire seco ax Volumen de aire interior nmero x

balsa Balsas del sistema de fertirrigacin recirculante bc Bveda celeste bl Blanqueo de la cubierta cal Calefaccin cb Cubierta

cilindro Hace referencia a un objeto de forma cilndrica (tuberas) cl Clima cu Cultivo e Exterior

fluido Hace referencia a cualquier fluido en contacto con un cuerpo slido hum Humidificador

malla Malla material Material que forma un sistema slido, lquido o gaseoso

nr Planta sin considerar races objeto Hace referencia a cualquier objeto slido, lquido o gaseoso

r Races sx Capa de suelo nmero x se Suelo exterior

1 A lo largo del texto en algunas grficas no se han utilizado unidades del sistema internacional (por ejemplo,

grados Centgrados [C] en vez de Kelvin [K]) para facilitar la interpretacin de los resultados.

xx

Nomenclatura

Notacin Significado solido Hace referencia a cualquier cuerpo slido

ss Superficie del suelo v Vapor de agua

volumen Volumen de distintos materiales donde se acumula energa Primer subndice Procesos fsicos y variables o constantes relacionadas Notacin Significado Unidades

cnd Conduccin ccnd,X Coeficiente de conduccin del elemento X [W/m K]

cnd-cnv Conduccin-conveccin a-e Coeficiente de prdidas por conduccin y conveccin

entre aire interior y exterior

[W/m2 K] cnv Conveccin

Vcnv,X-Y Coeficiente de conveccin entre los elementos X e Y [W/m2 K] evp Evaporacin foto Velocidad de fotosntesis del cultivo [kgCH2O/m2 s]

c Coeficiente de conversin de fotosntesis [(kgCO2/m2s)/ (molCO2/m2s)]

tmax Temperatura a la que la fotosntesis es mxima [K] tmin Temperatura a la que la fotosntesis es mnima [K]

lt Calor latente por condensacin, evaporacin o humidificacin vap Calor latente de vaporizacin [J/kg]

perd Prdidas por infiltracin va Prdidas por infiltracin con ventilacin cerrada y

viento alto [m3/s]

vb Prdidas por infiltracin con ventilacin cerrada y viento bajo

[m3/s]

rad Radiacin trmica resp Velocidad de respiracin del cultivo [kgCH2O/kgtejido s]

ref Respiracin a la temperatura de referencia [kgCH2O/kgtejido s] t Temperatura de referencia de respiracin [K]

sol Radiacin solar tra Transpiracin ven Ventilacin

aef Apertura efectiva de la ventilacin [m] areap rea de la seccin del invernadero perpendicular al flujo

de ventilacin [m2]

cd Coeficiente de descarga [-] cv Coeficiente de viento [-] flujo Flujo de ventilacin [m3/s] l Longitud de la ventilacin [m] n Nmero de ventilaciones [ventilaciones] reg Rgimen de flujo de aire [-]

Variables o constantes

Notacin Significado Unidades Duracin de un intervalo de tiempo [s] abn Coeficiente de absorcin de nutrientes [-] ac Calor acumulado [W/m2] alo Coeficiente de absorcin de radiacin de una longitud de onda [-] aoc Coeficiente de absorcin de onda corta [-]

xxi

Nomenclatura

Notacin Significado Unidades aol Coeficiente de absorcin de onda larga [-]

area Superficie [m2] cesp Calor especfico [J/ K kg] CO2 Concentracin de CO2 [molCO2/molaire]

Referente al flujo de masa de CO2 [kg/m2 s] cos Coste de utilizacin de un sistema de actuacin [euros/s]

cpms Capacidad potencial de creacin de materia seca de un rgano de una planta

[-]

c Constante de tiempo [s] sw Constante de tiempo del sistema antiwindup [s]

ct Capacidad trmica [J/ K m2] den Densidad [kg/m3]

cu Densidad de cultivo [plantas/m2] v Densidad de vapor de agua [kg/m3]

dim Dimetro de las hojas [m] dpv Dficit de presin de vapor [Hpa] dv Direccin del viento [rad] eol Coeficiente de emisividad de onda larga [-] esp Espesor [m] ext Coeficiente de extincin del cultivo [-]

ol de onda larga [-] oc de onda corta [-]

FF Factor de forma de radiacin de onda larga entre dos superficies [-] fMS Fraccin de materia seca [kg] gv Aceleracin de la gravedad [m/s2] H Nmero de hojas [Hojas]

H2O Referente al flujo de masa de vapor de agua [kg/m2 s] ha Humedad absoluta [kgagua/kgaire seco] he Humedad especfica [kgagua/kgaire]

hmax Humedad relativa mxima [%] hmin Humedad relativa mnima [%]

hr Humedad relativa [%] hsat Humedad de saturacin [kgagua/kgaire] ing Ingresos [euros] LAI ndice de rea foliar [-]

k Ganancia esttica del sistema bl Temperatura frente a radiacin solar con blanqueo [K/ W/m2] rs Temperatura frente a radiacin solar [K/ W/m2]

kp Ganancia del controlador de kptub Temperatura de aire utilizando calefaccin [Kagua/Kaire],

[Cagua/Caire] kpval Apertura de vlvulas del sistema de calefaccin [%/Kagua] [%/Cagua] kpven Temperatura de aire utilizando ventilacin [rad/Kaire] [/Caire]

lc Longitud caracterstica [m] ll Cantidad de agua de lluvia [l/m2] m Masa de un cuerpo [kg] ni Nmero de individuos de una poblacin [individuos] P Probabilidad [-] Pi Probabilidad asociada al individuo i [-]

p Presin [Pa] atm Presin atmosfrica [Pa]

precio Precio de venta del cultivo [euros/kg] prof Profundidad [m] PS Peso seco [kg/m2]

efi Eficiencia del cultivo [kgtejido/kgCH2O]

xxii

Nomenclatura

Notacin Significado Unidades psat Presin de saturacin [Hpa] pcsat Pendiente de la curva de saturacin [Hpa/s] psico Constante psicomtrica [HPa/K]

r Resistencia [s/m] cav Resistencia de la cavidad estomtica [s/m] cl Resistencia de la capa lmite [s/m] cu Resistencia de la hojas a la difusin de agua [s/m] cut Resistencia de la cutcula [s/m] ds Resistencia a la difusin de agua en el suelo [s/m] e Resistencia estomtica [s/m] tra Resistencia de transpiracin del cultivo [s/m]

rank Ranking. Lugar que ocupa un individuo de una determinada poblacin en funcin de un criterio clasificacin

[-]

rd Radio [m] rlo Coeficiente de reflexin de radiacin de una determinada longitud de

onda [-]

roc Coeficiente de reflexin de onda corta [-] rn Radiacin neta [W/m2] rp Radiacin PAR [W/m2]

[mol (fotn)/m2 s] efi Eficiencia de utilizacin de la luz de las hojas [molCO2/molfoton]

rpmax Radiacin PAR mxima [W/m2] rs Radiacin solar global [W/m2] Tiempo integral [s] t Temperatura [K] base Temperatura base de tuberas de calefaccin [K] con Temperatura de consigna [K] ref Temperatura de referencia [K]

tcalmax Temperatura mxima de tuberas de calefaccin con [K] vmax Velocidad de viento mxima [K] vmin Sin viento [K]

tcalmin Temperatura mnima de tuberas de calefaccin con [K] vmax Velocidad de viento mxima [K] vmin Sin viento [K]

teva Temperatura de evacuacin o desalojo [K] tlo Coeficiente de transmisin de radiacin de una determinada longitud

de onda [-]

tmH2O Coeficiente de transferencia msica de agua [-] tmax Temperatura mxima [K] tmin Temperatura mnima [K] toc Coeficiente de transmisin de onda corta [-] tol Coeficiente de transmisin de onda larga [-] tr Tiempo de retardo [s]

tro Temperatura de roco [K] tvenmax Temperatura exterior mxima de ventilacin con [K]

vmax Velocidad de viento mxima [K] vmin Sin viento [K]

tvenmin Temperatura exterior mnima de ventilacin con [K] vmax Velocidad de viento mxima [K] vmin Sin viento [K]

SB Constante de Stefan-Boltzmann [W/K4 m2] SPi Suma de probabilidades de una poblacin [-] val Apertura de vlvula del sistema de calefaccin [%] vH Velocidad de aparicin de hojas [Hojas/s] vol Volumen [m3]

xxiii

Nomenclatura

Notacin Significado Unidades vv Velocidad del viento [m/s] limcnv Velocidad viento lmite para considerar el trmino de

conveccin lineal o exponencial [m/s]

limven Velocidad viento lmite para considerarlo alto o bajo [m/s] Otros modificadores

Notacin Significado Coestados de la funcin Hamiltoniana

act Estado del actuador aleatorio Nmero aleatorio

art Enriquecimiento de CO2 artificial con Concentracin de vapor de agua o CO2 en un volumen ent Cantidad de energa o masa que entra en un volumen

error Seal de error gen Cantidad de energa o masa que genera un volumen Hm Hamiltoniana

indv-x Individuo x de una determinada poblacin intp Valores interpolados max Mximo min Mnimo

neuronal Valores estimados por un modelo basado en redes de neuronas real Valores reales sal Cantidad de energa o masa que abandona un volumen sim Valores estimados por el modelo tot Cantidad de energa o masa total acumulada en un volumen

U(ai,bi) Distribucin Uniforme de lmite inferior ai y lmite superior bi

xxiv

CAPTULO 1

INTRODUCCIN

1.1. MOTIVACIN DE LA INVESTIGACIN Y OBJETIVOS La agricultura es uno de los motores de la economa de la provincia de Almera, cuya principal actividad econmica es el sector de comercios y servicios (incluido el turismo). Supone el 24 % del valor aadido bruto al coste de los factores1, frente al 9 % de la industria y al 9 % de la construccin [Cam01]. La evolucin y xito de la agricultura en esta provincia se debe a tres factores bsicos [Gal99]. En primer lugar, las condiciones naturales son favorables: existen numerosos acuferos, adems de que el clima es el idneo ya que presenta una temperatura media anual de 19.2 C y, aproximadamente, 3000 horas de sol anuales (la mayor cifra de toda Europa) con una media de 8.3 horas de sol al da. Por otra parte, gracias al apoyo del antiguo Instituto Nacional de Colonizacin (Ministerio de Agricultura), se abrieron numerosos pozos y se extendi el uso del enarenado2 aprovechando la situacin costera de la zona, que conllev, casi inmediatamente, a la construccin del primer invernadero en 1963. Estas dos tcnicas permitieron producir en los meses ms fros, cuando no se cultiva en el resto de Espaa ni en Europa, lo que supuso el lanzamiento econmico del sector. En ltimo lugar, es el factor humano el elemento clave para consolidar dicho sector, emigrando de las zonas del interior a la costa, adquiriendo terrenos que se encontraban a precios bajos, construyendo estructuras de invernadero econmicas y basndose en una estructura familiar de propiedad que es el tipo ideal para esta agricultura por la cantidad de mano de obra necesaria, resaltando la capacidad emprendedora de estos productores (ayudados por los buenos resultados de las cosechas). A stos, hay que aadir otros profesionales autctonos de igual importancia que son los comercializadores, que han ido abriendo y consolidando unos canales de venta de los productos hortcolas que llegan a los mercados ms exigentes de Europa y Norteamrica, y en constante expansin, alcanzando un volumen de exportacin de 1451462 toneladas en la campaa 2000/2001 [Nov01].

1 El valor aadido bruto al coste de los factores es la diferencia entre el valor de la produccin y los costes de

materia prima, los productos intermedios y los servicios adquiridos de otros sectores o empresas. 2 El enarenado es una tcnica de cultivo basada en la utilizacin de arena junto a otros materiales como

sustrato para cultivo que se sita sobre un terreno natural no apropiado o poco rentable para la agricultura.

1

Captulo 1. Introduccin

Actualmente, existen 27800 Hectreas de cultivo bajo invernadero en Almera [San01], extendindose su construccin a otras provincias cercanas y convirtindose en el modelo productivo del sudeste de Espaa.

1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

20

30

40

50

60

70

80

90

Campa a agr cola

Ren

dim

ient

o (T

m/H

a)

iego por goteo (81)

Invernadero industrial (97)

Cabezal automatizado

de riego (99)

Control c lim tico (00)

Pl stico t rmico (84)

Tuber a con gotero

integrado (86)

Semillas h bridas (80)

Cultivo sin suelo (90)

Rendimiento generalRendimiento tomate

R

Fig. 1.1. Rendimientos de algunos productos y fecha deintroduccin de diversas innovaciones

El escenario comercial que supuso la aparicin y explosin de este sector se est manteniendo, como demuestran los buenos resultados de las campaas de los ltimos aos, pero existen algunos factores que pueden afectar negativamente. Hasta hace unos aos se ha podido competir en el mercado por los relativamente bajos costos de produccin (debido a las condiciones climticas favorables y bajo precio de la mano de obra) y por la oferta de productos fuera de estacin, siendo en esta poca la competencia con pases en vas de desarrollo poco importante. Sin embargo, actualmente, se tiene que competir con sectores muy tecnificados de pases desarrollados, que ofertan buena calidad y servicio a costo medio, y con nuevos sectores en pases menos desarrollados con costes de produccin muy bajos como Marruecos o Turqua. Por otra parte, el proceso de globalizacin que se est desarrollando a nivel mundial, favorece que las multinacionales de alimentacin dicten el camino de la produccin agraria y, en concreto, de la horticultura [Ali00]. nicamente, la mejora de la productividad y la calidad pueden permitir el mantenimiento de la rentabilidad, siendo la tecnologa parte esencial de este proceso, como se muestra en la figura 1.1, donde se indica la evolucin de la rentabilidad de la produccin hortcola total y, en particular, la del cultivo del tomate a lo largo de las ltimas dcadas, destacando los aos donde se han ido incorporando las innovaciones tecnolgicas ms destacables, observndose cmo favorecen el aumento de rentabilidad [Cam00]. Actualmente, se est realizando un gran esfuerzo para la introduccin de tecnologa en cada una de las fases de la cadena de comercializacin agrcola (desde la germinacin de las semillas hasta la venta al consumidor). Evidentemente, la fase de produccin en el invernadero es la principal, por lo que deben realizarse los mayores esfuerzos por mejorar tanto la cantidad como la calidad de los frutos. El crecimiento de un cultivo se encuentra fundamentalmente determinado por las variables climticas del entorno en el que se encuentra y por la cantidad de agua y fertilizantes que se le aplican mediante el riego; por tanto, controlando estas variables se podr controlar el crecimiento del cultivo. Por esta razn, un invernadero es ideal para cultivar, ya que al ser un recinto cerrado, se pueden manipular estas variables para alcanzar un crecimiento y desarrollo ptimo de las plantas. Un aspecto del problema que no hay que olvidar es el econmico, bajo dos puntos de vista. Por una parte, como se muestra en la figura 1.2, los precios de compra en origen (los que se pagan al agricultor) fluctan a lo largo de la campaa ([Nov99], [Nov00], [Nov01]), por lo que lo ideal sera obtener la produccin y vender cuando los precios fueran mximos, o bien, atrasar o adelantar el crecimiento del cultivo para recolectar en esos instantes. Hay que indicar que, aunque existan patrones de comportamiento, el mercado es impredecible.

2


Adems, para llevar a cabo esta poltica hay que considerar que el intervalo de tiempo en el que se puede adelantar/retrasar el cultivo est limitado a diez o quince das. Por otra parte, el hecho de conseguir las condiciones ptimas de las variables climticas y de fertirrigacin1 supone un coste econmico en cuanto a energa (electricidad y combustible), agua y fertilizantes se refiere. Por tanto, lo ideal desde el punto de vista econmico no ser en principio obtener el mximo de produccin, sino optimizar el beneficio entendido como la diferencia entre los ingresos procedentes de la venta de la produccin final y sus costes asociados.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tiempo (meses)

Pre

cios

(eur

os/K

g)

Oct Dic Feb Abr Jun

1998/991999/002000/01

5 10 15 20

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

Tiempo (semanas)

Pre

cio

(eur

os/k

g)

a. Evolucin mensual por campaas b. Evolucin por semanas en parte de campaa 99/00

Fig. 1.2. Evolucin de los precios del cultivo de tomate a lo largo de las campaas Este problema se puede considerar compuesto por tres sistemas que interactan entre s: invernadero (clima y fertirrigacin), cultivo y mercado, con tres dinmicas temporales distintas representadas por escalas de tiempo de minutos, das y meses, respectivamente. Para resolverlo, se han planteado en la literatura especializada distintas estrategias, que se describirn posteriormente, basndose en la idea de utilizar un sistema de control jerrquico con tres niveles, como el que se puede observar en la figura 1.3:

Fig. 1.3. Sistema de control jerrquico del crecimiento de cultivos bajo invernadero

Cultivo Mercado

Modeloscrecimiento

Modelosmercado

Controlcultivo

Controltctico

Usuario

Clima/fertirrigacin(minutos)

Cultivo(das)

Mercado(campaa)

Invernadero

Controlclima

Modelosclima

Modelosfertirrigacin

Controlfertirrigacin

BeneficioCultivo Mercado

Modeloscrecimiento

Modelosmercado

Controlcultivo

Controltctico

Usuario


Cultivo(das)

Mercado(campaa)

Invernadero

Controlclima

Modelosclima



BeneficioficioCultivo Mercado

Modeloscrecimiento

Modelosmercado

Controlcultivo

Controltctico

Usuario


Cultivo(das)

Mercado(campaa)

Invernadero

Controlclima

Modelosclima



Bene

1 Riego y fertilizacin.

3


Capa superior: Mercado. En funcin de unas condiciones iniciales estratgicas, como fecha de recoleccin o cantidad de produccin esperada, y de cmo evolucione el mercado a lo largo de la campaa, se determina la trayectoria de crecimiento que debe seguir el cultivo para optimizar el beneficio. Se le denomina control tctico y sera conveniente disponer de modelos de mercado que puedan predecir la demanda de los productos y otra serie de parmetros econmicos de inters.

Capa intermedia: Cultivo. En base a las consignas recibidas de la capa superior, debe determinar las trayectorias que deben seguir las variables climticas y de fertirrigacin implicadas en el crecimiento del cultivo para conseguir los objetivos fijados por el usuario. Como todo el sistema se basa en predicciones a largo plazo, es necesaria la utilizacin de modelos para poder conocer en qu estado se encontrar el cultivo en funcin de las condiciones climticas en el interior del invernadero y los aportes de agua y nutrientes.

Capa inferior: Invernadero. En base a las consignas recibidas de la capa intermedia, debe calcular el estado en el que deben encontrarse los sistemas de actuacin instalados para modificar las condiciones climticas y de fertirrigacin, de forma que se alcance el estado deseado del cultivo que optimice el beneficio econmico. En este nivel, tambin es aconsejable la utilizacin de modelos para el diseo e implementacin de los controladores.

Actualmente, es complicada la implementacin e integracin de la capa superior en una estructura de control jerrquico, ya que es necesaria la utilizacin de modelos de mercado de productos hortofrutcolas que todava no se han desarrollado, por lo que el problema del control del crecimiento queda reducido a un sistema con dos capas, permitiendo que el usuario en base a su experiencia y las observaciones en el mercado, modifique las condiciones del proceso de optimizacin del beneficio. Por otra parte, el clima y la fertirrigacin son dos sistemas independientes, por lo que plantean problemas diferentes. Empricamente, se conocen las necesidades de agua y nutrientes de cada especie de cultivo y, de hecho, los primeros sistemas que se automatizaron son los que controlan estas variables. Como el problema de control de crecimiento de un cultivo bajo invernadero es complejo, una base de partida consiste en suponer que las plantas reciben la cantidad de agua y fertilizantes que requieren en cada momento. De esta forma el problema se reduce al control del crecimiento de cultivos en funcin de las condiciones climticas de su entorno. Este problema ha sido abordado en otras zonas tradicionales de cultivo bajo invernadero, como Estados Unidos [Jon90a], Israel [Seg93], Japn [Mor00a], etc., destacando los estudios de la Universidad de Wageningen en Holanda [Tap00], que son los principales productores de Europa central, llegando a probar en campo un sistema completo basado en la filosofa descrita en la figura 1.3. Aunque en esta experiencia preliminar se han obtenido resultados aceptables, los efectos econmicos son difciles de evaluar con las pocas experiencias realizadas, y slo se puede probar su validez con una extensiva aplicacin de estas tcnicas en instalaciones comerciales reales [Str00]. El principal inconveniente de la utilizacin directa de los resultados obtenidos en otras zonas agrcolas en el sistema de produccin del sudeste espaol radica en que el clima es bastante diferente y en la utilizacin de distintas estructuras de invernadero, as como de materiales de cerramiento y sistemas de actuacin instalados (ventilacin, calefaccin, etc.); adems de diferir en los objetivos econmicos que se desean optimizar.

4


Por tanto, el objetivo principal de la presente tesis es el diseo e implementacin de un sistema de control ptimo jerrquico del crecimiento de cultivos bajo invernadero en funcin de las variables climticas internas y externas, en el que se puedan integrar criterios econmicos de forma que se maximice la diferencia entre el beneficio bruto obtenido por la venta del cultivo y los costes de produccin asociados a los sistemas de actuacin climticos. Concretamente se ha seleccionado el cultivo del tomate, ya que junto con el pimiento son los que ms se producen en la provincia de Almera, representando, respectivamente, el 16.48% y el 17.39% de la superficie invernada total, con un valor econmico de 406 y 372 millones de euros en la campaa 1999/00 [Nov01]. Para llevarlo a cabo se requiere el cumplimiento de los siguientes objetivos especficos:

Estudio, diseo, implementacin, calibracin y validacin de modelos de las variables climticas en el interior del invernadero que afecten directa o indirectamente al crecimiento del cultivo, tanto para su utilizacin en simulacin como en el diseo de controladores.

Estudio, diseo, implementacin, calibracin y validacin de modelos de las variables que caracterizan al crecimiento del cultivo de tomate.

Estudio, diseo, implementacin y prueba de algoritmos de control de las variables climticas en el interior de un invernadero.

Estudio, diseo, implementacin y prueba de una estructura de control jerrquica multicapa que controle el crecimiento del cultivo en funcin de las variables climticas de forma que se optimice el beneficio econmico.

En este sentido, como indica el profesor strm [Ast99], es fundamental comprender y caracterizar adecuadamente la dinmica del proceso que se va a controlar, aunque para ello haya que realizar un esfuerzo importante y combinar fundamentos y herramientas de distintas disciplinas. 1.2. CONTEXTO DE INVESTIGACIN La presente tesis se ha desarrollado en el contexto de tres proyectos de investigacin, requiriendo un esfuerzo importante de experimentacin en campo:

Diseo asistido mediante ordenador para la construccin de invernaderos automatizados (DAMOCIA), financiado por el Programa ESPRIT de la Unin Europea (Accin Especial P7510 PACE; 1994-1996) y el Ministerio de Industria Espaol (C.D.T.I.) (PATI PC191), cuyo investigador principal fue D. Jos Ramn Daz lvarez y con D. Fernando Bienvenido Brcena como responsable tcnico. El autor de la presente tesis particip como investigador y responsable de la lnea de monitorizacin y control. Su objetivo principal era el diseo de nuevas estructuras de invernaderos en las que se pudiera tener mejor control sobre las condiciones climticas de su interior. Para ello, una de las lneas de trabajo era el modelado y simulacin de las mismas, por lo que se dieron los primeros pasos en la comprensin de los procesos fsicos que tienen lugar entre los distintos elementos del sistema invernadero obtenindose modelos basados en principios fsicos de la radiacin interior y empricos de temperatura del aire. Otra de las principales aportaciones fue la adquisicin y el tratamiento de las seales procedentes de los sensores climticos que han servido de base para posteriores ensayos en campo.

5


Control y gestin del agrosistema invernadero mediterrneo (CAMED) (C.D.T.I./C.I.C.Y.T.; expediente 970068; 1997-1999) cuyo investigador principal fue D. Jos Ramn Daz lvarez. Su objetivo principal era la mejora de las prcticas de un manejo de cultivo de tomate de crecimiento determinado con frutos para cosecha individual en sistema NFT1 optimizando las condiciones climticas del invernadero. El autor de esta tesis particip en el citado proyecto como investigador en la lnea de trabajo correspondiente a los sistemas de medida, modelado y control de variables climticas y de crecimiento del cultivo. En este contexto se desarroll un modelo de las variables climticas (radiacin, temperatura y humedad del aire) basndose en principios fsicos, y se tomaron datos para el desarrollo del modelo de crecimiento del cultivo de tomate. Adems, se realizaron los primeros ensayos de control de la temperatura y humedad utilizando algoritmos de control por prealimentacin que aprovechan la informacin procedente de perturbaciones medibles.

Modelado y control ptimo de sistemas no lineales multivariables (CICYT QUI99-0663-C02-01/02, 1999-2002) coordinado entre la Universidad de Sevilla (D. Eduardo Fernndez Camacho) y la Universidad de Almera (D. Manuel Berenguel Soria). Como su nombre indica su objetivo principal consista en el modelado y control de sistemas no lineales multivariables. En concreto, la Universidad de Almera realiz sus investigaciones en el control de un fotobiorreactor para la produccin de microalgas y en el control del crecimiento de un cultivo bajo invernadero, donde se han diseado, implementado y probado en planta, tcnicas de control de las variables climticas, integrndolas en una arquitectura de control jerrquico para optimizar el beneficio.

Recientemente se ha solicitado un proyecto en el mbito del convenio Universidad de Almera-Cajamar titulado Control jerrquico del crecimiento de cultivos bajo invernadero en funcin de las condiciones climticas y de fertirrigacin, con la finalidad de ensayar, durante varias campaas agrcolas, las estrategias de control jerrquico que se han desarrollado en esta tesis y ampliar sus prestaciones, incorporando aspectos como la fertirrigacin. Por otra parte, cabe indicar que como consecuencia de los desarrollos de esta tesis, se han realizado algunos contratos de transferencia de tecnologa como los siguientes:

Asesoramiento al desarrollo de herramientas informticas de control climtico de invernaderos, con referencia 400216, firmado a peticin de Industria de Telecomunicacin y Control, durante los aos 1999 y 2000. La citada empresa desarroll un sistema de adquisicin y control propio, firmndose el contrato para mejorar los algoritmos de control que se estaban utilizando y adaptarlos a las estructuras de invernaderos, sistemas de actuacin y clima de la zona.

Diseo y desarrollo de un sistema de control climtico bajo invernadero abierto y configurable, con referencia 400343, firmado a peticin del Institut de Recrca I Tecnologa Agroalimentries de Catalua, en el ao 2002. El proyecto consista en el desarrollo de una herramienta para el control de las variables climticas en el interior de un invernadero, de forma que su arquitectura fuera modular y se pudieran modificar fcilmente los algoritmos que se utilizaban. En una primera fase, se incluyeron las tcnicas de control que se describen en el captulo 6 de la presente tesis.

1 Tcnica de cultivo sin suelo que se describir en el captulo 2.

6


Sistema de control distribuido de temperatura y humedad bajo invernadero utilizando ventilacin forzada, con referencia 400331, firmado a peticin de la Estacin Experimental Las Palmerillas (Cajamar), en el ao 2002. El proyecto consisti en el diseo y desarrollo de una herramienta para identificar y caracterizar el efecto de la ventilacin forzada sobre la temperatura y humedad del aire del invernadero. Este sistema de actuacin no se ha utilizado tpicamente en la zona del sudeste de Espaa, pero, como se est generalizando su uso por la necesidad de evacuar calor y vapor de agua, este centro de investigacin ha comenzado un estudio profundo sobre sus prestaciones. Adems, inclua el control de las citadas variables en distintos invernaderos mediante un sistema de control distribuido.

1.3. PRINCIPALES CONTRIBUCIONES En el sector agrcola del sudeste espaol no se han desarrollado tcnicas de control propias para el problema del control del crecimiento de un cultivo en base a las condiciones climticas. Adems, generalmente, slo se aborda la capa inferior de la estructura jerrquica correspondiente al control climtico, que se soluciona importando tecnologa de otros pases, no diseada para las caractersticas especficas de esta zona sino para otras con diferentes climas, estructuras de invernadero, cultivos y tcnicas culturales de produccin. En base a este comentario, esta tesis en s pretende ser una aportacin, ya que no se haba realizado hasta el momento un trabajo adaptado a estas caractersticas, que integre los niveles de clima y crecimiento, pudiendo ser la base para futuros trabajos relacionados con este tema. Adems, como aportaciones fundamentales de la presente tesis cabe destacar:

Anlisis, caracterizacin e identificacin con modelos empricos lineales y no lineales de las variables climticas principales que se producen en el interior de un invernadero del sudeste espaol, y que afectan, directa e indirectamente, al crecimiento del cultivo.

Desarrollo de un simulador de las variables climticas del interior de un invernadero del sudeste espaol basado en principios fsicos. Se ha diseado e implementado utilizando una estructura modular a cinco niveles, lo que permite un estudio independiente de cada una de las variables modeladas, la sustitucin de alguno de los mdulos sin necesidad de reprogramar el resto, la ampliacin del modelo con nuevas variables de estado y la inclusin fcil de nuevos sistemas de actuacin. Un aspecto importante es su portabilidad, pues se ha propuesto una metodologa para poder obtener los parmetros que lo caracterizan (ms de treinta) utilizando tcnicas heursticas de optimizacin, y se han probado sus prestaciones con tres estructuras de invernadero diferentes proporcionando buenos resultados.

Comparacin del comportamiento de los modelos en funcin de las herramientas de modelado y simulacin que se utilicen, en concreto, utilizando un paradigma basado en bloques y un paradigma basado en objetos. En este sentido, que se tenga noticia, es el primer modelo del clima y crecimiento de cultivos bajo invernadero desarrollado con herramientas orientadas a objetos.

Validacin de un modelo de crecimiento de cultivo de tomate, que es dependiente de las condiciones climticas del entorno y de las tcnicas culturales de produccin del rea geogrfica.

7


Desarrollo, implementacin y prueba de tcnicas de control que se han utilizado con xito en otros campos industriales, aplicndolas en el mbito del control de las variables climticas del interior del invernadero. Se ha hecho especial nfasis en tcnicas que aprovechen la informacin procedente de perturbaciones medibles, comparndose las distintas alternativas. Tambin, se han tratado de desarrollar tcnicas que sean fcilmente comprensibles por parte del usuario final y que permitan una fcil e intuitiva sintonizacin de los parmetros principales de control.

Propuesta, desarrollo e implementacin de una arquitectura de control jerrquico con dos capas de forma que se optimice el beneficio que se obtiene de la venta del producto en funcin de las variables climticas en el interior del invernadero. Se incluye el procesamiento necesario de la informacin entre las dos capas, la prediccin meteorolgica requerida y el proceso de optimizacin, de forma que se integran todos los desarrollos realizados para dar una solucin completa al problema y cubrir el objetivo principal de esta tesis.

Transferencia de tecnologa, ya que algunas de las tcnicas y herramientas desarrolladas en esta tesis se encuentran actualmente en funcionamiento en invernaderos comerciales de la provincia de Almera.

Adems, la presente tesis no slo contiene los estudios tericos que se han llevado a cabo, sino que expone una extensa coleccin de ensayos realizados en distintas estructuras de invernaderos que demuestran los buenos resultados obtenidos. El campo de estudio abarcado por esta tesis es muy amplio y cada uno de los captulos propuestos y desarrollados podran constituir trabajos de investigacin de entidad. Como se ha indicado anteriormente, el objetivo principal de la presente tesis ha sido aportar una solucin integrada al problema del control del crecimiento de cultivos bajo invernadero, para lo cual ha sido preciso estudiar y desarrollar objetivos parciales que pueden ser objeto de estudios futuros para ampliar los contenidos de esta tesis o proponer soluciones alternativas a los mismos. 1.4. ESTRUCTURA DE LA TESIS Esta tesis se encuentra estructurada en ocho captulos donde se profundiza en los aspectos fundamentales que se han desarrollado para cumplir con el objetivo principal de la misma. En cada uno de los captulos se ha abordado uno de los objetivos especficos que ha habido que cubrir hasta alcanzar el objetivo principal. El captulo 2 corresponde a los materiales y mtodos utilizados en el desarrollo de esta tesis. Se describirn las estructuras de los invernaderos en los que se han realizado las experiencias, as como los sistemas de medida y control utilizados y los sistemas de actuacin instalados en los mismos con el objeto de controlar las principales variables que describen el clima en su interior. Adems, se expondrn las herramientas utilizadas para el desarrollo y la implementacin de los modelos diseados para simulacin y control, as como las tcnicas de bsqueda de parmetros para la calibracin de los mismos, tanto para variables climticas como para las variables que describen el crecimiento del cultivo de tomate.

8


El captulo 3 est dedicado a la obtencin de modelos basados en principios fsicos, para simulacin de las principales variables climticas del interior de un invernadero. Los ensayos en invernaderos reales son problemticos ya que en su interior crece un ser vivo, las plantas, y una prueba con un mal resultado puede daar al cultivo. Por otra parte, una campaa de ciclo corto tiene una duracin mnima de cien das, por lo que los ensayos son demasiado largos. Por estas dos razones se deben desarrollar modelos climticos para poder simular las distintas estrategias diseadas antes de implantarlas en las instalaciones reales. En este captulo se van a describir los principales procesos fsicos que tienen lugar en el interior del invernadero y que modifican su clima, describiendo los estudios particulares ms importantes realizados sobre ellos, as como el efecto de los sistemas de actuacin ms comnmente utilizados. Adems, se expondr el estado actual en cuanto a las caractersticas principales de los modelos climticos existentes. A continuacin, se describir el desarrollo del simulador de clima, haciendo hincapi en las etapas de diseo, calibracin y validacin. El captulo finaliza con una exposicin de las conclusiones obtenidas en este mbito, aportaciones y los futuros trabajos relacionados. Para controlar el clima de un invernadero se deben determinar los valores adecuados de las entradas de control de forma que las variables de estado del sistema alcancen valores deseados teniendo en cuenta que el sistema est sometido a fuertes perturbaciones que tienen un efecto dominante sobre el clima en el interior del invernadero. Dada la complejidad inherente, el desarrollo de sistemas de control climtico de invernaderos se ha basado a menudo en sistemas heursticos basados en la experiencia de manejo climtico. En los ltimos aos se estn aplicando tcnicas de control que conllevan la necesidad de disponer de un modelo dinmico fiable del sistema a controlar. En el captulo 4 se expone el desarrollo de estructuras de modelos simplificados del clima que se genera en el interior de un invernadero basadas en procesos fsicos y en datos de entrada/salida (lineales y no lineales) para su utilizacin en el diseo de controladores. De cada una de ellas se comentarn sus fundamentos, sus hiptesis generales, los autores que las han utilizado en el mbito del control climtico de invernaderos, as como la metodologa seguida para la obtencin de sus parmetros caractersticos, su implementacin y la validacin de los mismos, mostrando los resultados experimentales obtenidos. Por ltimo, se expondrn las conclusiones del estudio y los futuros trabajos relacionados. El otro sistema que aparece en el problema de control planteado es el cultivo, concretamente el tomate. En el captulo 5 se van a describir, en un primer apartado, las relaciones generales entre el crecimiento del cultivo y las condiciones climticas del entorno en el que se encuentra. Posteriormente, se expondrn los tipos de modelos de crecimiento de cultivos hortcolas que existen en la bibliografa, as como las ideas generales en las que se basan, haciendo especial nfasis en los modelos existentes del crecimiento del cultivo del tomate. Adems, se describir el desarrollo del modelo de crecimiento de un cultivo de tomate utilizado en esta tesis incluyendo las etapas de implementacin, calibracin y validacin. Finalmente, se exponen las conclusiones, as como las mejoras y los futuros trabajos. El captulo 6 est dedicado al problema del control de las variables climticas del interior de un invernadero, as como las tcnicas utilizadas en la presente tesis para llevarlo a cabo. En este captulo se expondr una profunda revisin acerca de las diversas tcnicas de control utilizadas por distintos autores.

9


A continuacin, se describirn los esquemas y estrategias de control utilizadas en la presente tesis para controlar la temperatura diurna con la ventilacin y la nocturna con la calefaccin, as como el tratamiento de la humedad relativa. Adems, se expondr brevemente el control de la radiacin en el interior del invernadero. El captulo finaliza con una serie de conclusiones y los futuros trabajos a realizar en este campo. Una vez que se describen las soluciones a cada uno de los problemas especficos planteados, en el captulo 7 se expone la solucin aportada al problema del control ptimo del crecimiento de un cultivo bajo invernadero, consistente en la obtencin del mximo beneficio cuando se proceda a la venta de la produccin. Una de las principales caractersticas de este problema consiste en las notables diferencias en cuanto a la respuesta en el tiempo de los distintos sistemas que forman el problema (clima y cultivo). Cuando un sistema complejo contiene subsistemas que interactan entre s y poseen diferencias en cuanto a su respuesta en el tiempo, es comn realizar simplificaciones de forma que las variables del proceso se dividen en lentas y rpidas, de modo que a corto plazo slo se consideran los efectos de las variables rpidas y a largo plazo slo los de las lentas. De esta manera se produce una descomposicin jerrquica del problema de control. Evidentemente, por la propia naturaleza del problema, una forma de resolverlo es la utilizacin de tcnicas de control jerrquico, basadas en la idea de la divisin en la responsabilidad en la toma de decisiones. En este captulo se van a describir las soluciones aportadas por otros autores, as como la solucin desarrollada en esta tesis junto con los resultados obtenidos. Se comentarn las conclusiones del anlisis de los resultados y los futuros trabajos a realizar en este campo. La tesis finaliza con una exposicin de las conclusiones globales ms significativas y proponiendo futuras lneas de investigacin. Hay que recordar que en cada uno de los captulos se han comentado las conclusiones y los futuros trabajos a realizar en cada uno de esos campos.

10

CAPTULO 2

MATERIALES Y MTODOS

2.1. INTRODUCCIN En este captulo se van a exponer los principales materiales y mtodos utilizados en el desarrollo de la presente tesis. Se comenzar con la descripcin de la estructura de los invernaderos en los que se han realizado las experiencias, as como de los sistemas de actuacin instalados en los mismos con el objeto de controlar las principales variables que describen el clima en su interior, es decir, temperatura y humedad del aire, as como la radiacin solar que atraviesa la cubierta y alcanza al cultivo. Posteriormente, se expondrn las principales caractersticas del cultivo de tomate utilizado y las experiencias realizadas en el marco del proyecto Control y gestin del agrosistema invernadero mediterrneo (CAMED). A continuacin, se van a describir los sistemas de medida y control utilizados, tanto el sistema comercial adquirido que se usa de referencia, como el diseado y desarrollado por el Grupo de investigacin Automtica, Electrnica y Robtica (TEP197), perteneciente al Plan Andaluz de Investigacin y que se implant y utiliz en las mismas instalaciones dentro del marco del proyecto de investigacin Modelado y control ptimo de sistemas no lineales multivariables. Para cumplir los objetivos fijados en esta tesis, ha sido necesario el desarrollo de distintos modelos tanto para las variables que caracterizan el clima interior de un invernadero como para las variables que describen el crecimiento del cultivo de tomate. Para finalizar este captulo, se describirn y compararn las dos herramientas utilizadas para el desarrollo y la implementacin de los modelos diseados para simulacin y control: Simulink, basado en una metodologa orientada a bloques, y Modelica, basado en una metodologa orientada a objetos. Por otra parte, una de las principales fases del modelado consiste en la calibracin y ajuste de los parmetros caractersticos de los modelos, por lo que se van a mostrar las tcnicas que se han utilizado en esta tesis para llevar a cabo esta tarea, concretamente, el mtodo de bsqueda secuencial directo y mtodos heursticos basados en algoritmos genticos, de forma que se optimice un criterio de mnimos cuadrados.

11

Captulo 2.- Materiales y mtodos

2.2. SISTEMA INVERNADERO 2.2.1. Descripcin de la explotacin Las experiencias realizadas han tenido lugar en las instalaciones de la S.A.T. Duniagro, situada en el Trmino Municipal de El Ejido (Almera) en el paraje La Cumbre s/n, a 3642 N y 247 O y a una altura de 45 m sobre el nivel del mar. La finca, que la empresa utiliza para investigacin, se compone de cuatro invernaderos cuya estructura se describir en los siguientes apartados. Los invernaderos numerados como 2 y 3 son de tipo Araba con las mismas dimensiones y se utilizan para produccin. Los invernaderos 1 y 4 son de tipo Inamed, utilizndose el primero para produccin y el cuarto como semillero. Este ltimo, aunque de dimensiones similares, presenta singularidades respecto al resto tanto en el tipo de suelo, como en los sistemas de actuacin instalados, por lo que no se ha utilizado en las experiencias relativas a la investigacin a que se refiere esta tesis. El emplazamiento de los invernaderos rene las condiciones adecuadas tanto de radiacin, como de temperatura y humedad, encontrndose protegidos de los vientos, tan perjudiciales para su estructura. Por otra parte, al no ubicarse en ninguna vaguada, se encuentran aislados de las masas de aire fro que se suelen producir en ellas. Adems, la finca consta de una construccin industrial donde se encuentran los distintos elementos del cabezal del sistema de fertirrigacin, la caldera y las vlvulas del sistema de calefaccin, as como los sistemas de adquisicin de datos y control del clima y la fertirrigacin de los cuatro invernaderos. Tambin se utiliza como almacn de apoyo a la instalacin de investigacin y como soporte de la instalacin meteorolgica en el exterior.

n industrial donde se encuentran los distintos elementos del cabezal del sistema de fertirrigacin, la caldera y las vlvulas del sistema de calefaccin, as como los sistemas de adquisicin de datos y control del clima y la fertirrigacin de los cuatro invernaderos. Tambin se utiliza como almacn de apoyo a la instalacin de investigacin y como soporte de la instalacin meteorolgica en el exterior.

12

2.2.2. Estructuras de los invernaderos 2.2.2. Estructuras de los invernaderos Las dos estructuras de los invernaderos se caracterizan por ser de bveda a dos aguas, con una altura de cumbrera algo superior a los invernaderos tradicionales de la zona y con gran anchura entre pilares, lo que facilita la entrada y trabajo de operarios y mquinas en su interior. Estas estructuras son calculadas y fabricadas de manera industrial, de forma que todas sus piezas son ensambladas posteriormente como si se tratara de un kit de construccin. Actualmente, se est extendiendo el uso de este tipo de estructuras industriales, si bien, todava no presentan una extensa implantacin en el sector agrcola del sudeste espaol, donde todava dominan los invernaderos tradicionales que no permiten su automatizacin. En todo caso, si se desea realizar un control climtico automtico donde crezca un determinado cultivo es necesario disponer de estructuras de invernaderos de este tipo debido a su alto grado de estanqueidad, lograda con el cuidado diseo de todas las piezas de su estructura, lo que evita prdidas de calor por la noche, manteniendo ms tiempo la temperatura interior lograda durante el da. Adems, la instalacin de sistemas de actuacin se puede realizar de forma ms fcil y efectiva. Por otra parte, cumplen las actuales normativas espaolas y europeas de construccin de invernaderos.

Las dos estructuras de los invernaderos se caracterizan por ser de bveda a dos aguas, con una altura de cumbrera algo superior a los invernaderos tradicionales de la zona y con gran anchura entre pilares, lo que facilita la entrada y trabajo de operarios y mquinas en su interior. Estas estructuras son calculadas y fabricadas de manera industrial, de forma que todas sus piezas son ensambladas posteriormente como si se tratara de un kit de construccin. Actualmente, se est extendiendo el uso de este tipo de estructuras industriales, si bien, todava no presentan una extensa implantacin en el sector agrcola del sudeste espaol, donde todava dominan los invernaderos tradicionales que no permiten su automatizacin. En todo caso, si se desea realizar un control climtico automtico donde crezca un determinado cultivo es necesario disponer de estructuras de invernaderos de este tipo debido a su alto grado de estanqueidad, lograda con el cuidado diseo de todas las piezas de su estructura, lo que evita prdidas de calor por la noche, manteniendo ms tiempo la temperatura interior lograda durante el da. Adems, la instalacin de sistemas de actuacin se puede realizar de forma ms fcil y efectiva. Por otra parte, cumplen las actuales normativas espaolas y europeas de construccin de invernaderos.

Invernadero Araba

N 2

InvernaderoArabaN 3

Invernadero Inamed

N 1

Invernadero Inamed

N 4

Casetacontrol

Invernadero Araba

N 2

InvernaderoArabaN 3

Invernadero Inamed

N 1

Invernadero Inamed

N 4

Casetacontrol

Fig. 2.1. Esquema de la finca de investigacin


La tabla 2.1 muestra las caractersticas fsicas ms importantes de ambas estructuras ([Lao98] y [Rue98]), cuyo aspecto se puede observar en las figuras 2.2 y 2.3.

Caractersticas Araba Inamed Cubierta Simtrica curva Asimtrica curva Orientacin cumbrera Norte-Sur Este-Oeste Planta Rectangular Rectangular Material de cubierta Polietileno 800 galgas Polietileno 800 galgas Superficie [m2] 1500 1575 Anchura [m] 37.5 45 Longitud [m] 40 35 Altura cumbrera [m] 5.50 5.60 Altura lateral [m] 3.75 4 Nmero capillas 5 6 Anchura capilla [m] 7.5 7.5 Longitud capilla [m] 40 35

Tabla 2.1. Caractersticas fsicas de las estructuras de invernaderos utilizados

Fig. 2.2. Estructura invernadero tipo Araba N 2 Fig. 2.3. Estructura invernadero tipo Inamed N 1

2.2.3. Sistemas de actuacin sobre el clima instalados 2.2.3.1. Ventilacin natural La ventilacin natural consiste en un conjunto de ventanas laterales que normalmente recorren todo el permetro del invernadero, ventanas cenitales situadas en la cubierta, o bien, una combinacin de ambas. Cuando se encuentran abiertas se produce un intercambio de aire entre el interior y exterior del invernadero debido a la distribucin de presiones distintas en la superficie de la estructura causadas por el viento exterior y a la diferencia de temperatura entre los dos volmenes de aire (interior y exterior). Debido a este intercambio de aire con el exterior, se utilizan para controlar la temperatura, humedad y concentracin de CO2 del aire interior. Estas ventanas se mueven con un motor elctrico de corriente alterna. En funcin de las condiciones que se den en el interior y exterior del invernadero, el controlador determinar cunto se deben abrir las ventilaciones, dando la orden correspondiente al motor. Generalmente, no se mide la apertura real de la ventilacin, sino que se calcula el tiempo que tarda en abrir hasta la posicin que se desea, y la orden de apertura permanece activa durante ese periodo de tiempo. Esto presenta el problema de que las ventilaciones se cierran ms rpidamente que se abren (efecto de la gravedad) y que, evidentemente, se producen errores que se van acumulando a lo largo del tiempo de funcionamiento.

13


Estos problemas se pueden resolver colocando sensores de posicin en las ventilaciones tal y como se puede observar en la figura 2.4, o bien, calculando tiempos diferentes de mantenimiento de la seal de orden para una misma posicin, dependiendo de que la ventilacin este subiendo o bajando. Hay que indicar que cuando la ventilacin alcance el punto de mxima apertura o al cerrarse completamente, se debe informar al controlador, ya que si el motor sigue funciona

UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR ...

Documents

Transcript of UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR ...