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Programa de doctorado
Agroplasticultua, Agrónica y Desarrollo Rural
Sostenible en Zonas Áridas e Intertropicales
Cálidas
Memoria docente e investigadora
Diploma de estudios avanzados
Autor:
Ana Paola Montoya Ríos
Tutor:
Dr. Francisco Rodríguez Díaz
Almería, Noviembre de 2008
Índice
1.
Introducción
1.1
Contexto
1.2
Motivación
1.3
Objetivos del trabajo de investigación tutelada
1.4
Resumen resultados periodo de investigación
1.5
Descripción de la memoria
2.
Actividad Docente del programa de doctorado
2.1
Descripción del programa de doctorado
2.2
Cursos ofrecidos por el de Doctorado
2.3
Cursos matriculados
3.
Memoria de investigación tutelada
3.1
Introducción
3.2
Líneas de investigación
3.3
Descripción del sistema Invernadero
3.4
Modelado de sistemas
3.4.1
Etapas en la identificación de sistemas
3.4.1.1
Diseño del experimento
3.4.1.2
Procesamiento de datos
3.4.1.3
Selección de la estructura
3.4.1.4
Estimación de parámetros
3.4.1.5
Validación de modelos
3.4.2
Obtención de modelos mediante curva de reacción
3.4.3
Modelos auto regresivos
3.4.4
Toolbox de identificación de sistemas
3.4.5
Identificación de la temperatura del aire del invernadero.
3.4.5.1
Descripción del invernadero
3.4.5.2
Ensayos
3.5
Control de clima en invernaderos
3.5.1
Técnicas mas aplicadas
3.5.1.1
Control todo o nada
3.5.1.2
Control PID
3.5.1.3
Control ganancia tabulada
3.5.1.4
Control por adelanto
3.5.2
Aplicación de control al invernadero
4.
Resultados del periodo de investigación
4.1
Resultados de identificación de temperatura
4.1.1
Procesamiento de datos
4.1.2
Selección de estructura y estimación de modelos
4.1.3
Validación de modelos
4.1.4
Selección de estructura y estimación de modelos con temperatura del suelo
4.1.5
Selección de modelo con fines de control
4.1.6
Reducción de modelo
4.2
Resultados control
4.2.1
Control por realimentación
4.2.2
Control por adelanto
5.
Proyecto de tesis doctoral
6.
Conclusiones
7.
Bibliografía
Capítulo 1
Introducción
En la actualidad a nivel mundial la agricultura tiende a ser más productiva, debido a las
altas exigencias de cantidad, calidad y precio de un mercado cada vez más globalizado.
Este aumento de productividad es solo alcanzable por medio de la tecnificación de la
agricultura.
El crecimiento y desarrollo de todos los cultivos depende notablemente de las
condiciones climáticas que lo rodean. Las variables como temperatura, humedad,
radiación y concentración de CO
2
influyen en la productividad de los cultivos, haciendo
de estos altamente competitivos o por el contrario, pueden llegar a hacer perder una
cosecha por completo. Esta es una de las razones por las que en los países altamente
productivos en materia agrícola se produce bajo condiciones protegidas o bajo
invernadero; dado que al cultivar bajo estas condiciones los cultivos no dependen del
clima que haya en el exterior, sino de un microclima que se genera en el interior del
invernadero, que lo protege de las variaciones climáticas que hayan en el exterior.
En control climático de invernaderos es una herramienta indispensable para alcanzar en
este tipo de cultivos las condiciones ambientales apropiadas para el crecimiento y
desarrollo de este. Permitiéndole al agricultor no solo la posibilidad de proteger sus
cultivos de las condiciones climáticas externas, sino también en proporcionarle a dicho
cultivo las condiciones ambientales óptimas, de tal forma que se maximicen las
ganancias para el agricultor.
Este trabajo se encuentra enfocado hacia el modelamiento y control climático de
invernaderos, consiste en un resumen del trabajo adelantado en el periodo de
investigación tutelada. El primer capítulo consiste en un resumen del trabajo
adelantado, en él se detalla el contexto del control climático de invernaderos junto con
la motivación al tema. Además se presentan los objetivos del trabajo de investigación
tutelada junto con el resumen de los resultados obtenidos en este trabajo.
1.1.
Contexto
Las estructuras de protección, entre ellas los invernaderos, son un componente esencial
en la agricultura moderna en todo el mundo. Estas se vienen usando desde la antigüedad
[Bak95] y hoy en día existen grandes extensiones de este tipo de cultivos en todo el
mundo debido a las múltiples ventajas que esta agricultura presenta [Cia99], destacando
que:
·
Permite cosechar durante todo el año mediante condiciones climáticas controladas,
logrando así obtener productos fuera de temporada.
·
Permite mejorar la calidad de los productos, ya que provee mejores condiciones para
el crecimiento y desarrollo del cultivo.
Mejora las condiciones fitosanitarias del cultivo.
·
Disminuye y facilita el control de plagas, ya que se trata de un lugar cerrado.
·
Disminuye la aplicación de pesticidas, fungicidas y fertilizantes, logrando así una
agricultura menos perjudicial con el medio ambiente.
·
Permite aumentar la productividad al tratarse de un método de agricultura intensiva.
En la actualidad los países industrializados con vocación agraria han desarrollado
notablemente el cultivo bajo condiciones protegidas, como es el caso de Estados
Unidos, Holanda, Israel, España entre otros [Min06]. Estos países han implementado
este tipo de cultivo debido a las condiciones ambientales que presentan, dado que
requieren brindar a sus cultivos las condiciones climáticas adecuadas en todas las
épocas del año.
En el caso de Colombia los invernaderos se vienen implementado desde hace muchos
años en el cultivo de flores [Cia96], solo desde hace una década se ha venido
adquiriendo interés en aplicar esta técnica de cultivo a otras especies agrícolas como
hortalizas, frutas y especias ([Cia02], [Dan04]). Los invernaderos usados en éste país
son poco tecnificados, por lo que no cuentan con los dispositivos de manejo climático y
de riego que presentan los invernaderos holandeses o Israelíes. Estos invernaderos son
simples estructuras de madera (
Guadua
) cubiertas con plástico, que le permiten al
agricultor abrir o cerrar las ventilaciones en forma manual teniendo en cuenta la
temperatura que marca un termómetro [Acu06]. En la actualidad se presenta gran
necesidad e interés de tecnificar este tipo de agricultura en el país dado que es necesario
mejorar los niveles de productividad que presentan los cultivos, puesto que es un país
cuya economía depende en gran parte de la agricultura [Min06a].
España es uno de los países que presenta mayor productividad gracias al cultivo bajo
invernadero, y esto a pesar de que la tecnificación de sus invernaderos no es tan elevada
como la de otros países [Min07]. España presenta la mayor concentración de
invernaderos a nivel mundial en la provincia de Almería, es por esta razón que han
prestado notable interés y es uno de los países mas avanzados en la investigación de esta
técnica de cultivo [Min06], en donde se trabajan temas como:
·
Estructuras: desarrollo de nuevas, estudio estructural y climático de las más usadas.
·
Cubiertas: nuevos materiales.
·
Método de cultivo: sustrato, manejo de agua, prácticas culturales, y manejo
fitosanitario
Biotecnología: nuevas especies y especies mejoradas.
·
Automatización y control: control climático y de riego.
El grupo de investigación
Automática, Electrónica y Robótica
de la junta de Andalucía
,
perteneciente a la
Universidad de Almería
tiene entre sus líneas de investigación el
control climático de invernaderos y en la actualidad es uno de los lideres a nivel de
mundial en investigaciones relacionadas con la ingeniería de control y automatización
aplicados en la agricultura en zonas semiáridas e intertropicales. Actualmente este grupo
centra sus esfuerzos en una técnica de control llamada control jerárquico, en donde lo
que se pretende es optimizar todos los procesos relacionados con el cultivo bajo
invernadero [Rod02], como se muestra en la figura:
Figura 1. Problema jerárquico del manejo de cultivos
Este esquema de control es llamado control jerárquico multicapa en donde se aborda la
producción bajo invernadero de manera global y donde se pretende la obtención del
máximo beneficio para el agricultor. Para esto se considera que el sistema de control se
encuentra compuesto por tres elementos distintos: clima, cultivo y mercado. Cada uno
de estos elementos necesita ser modelado y controlado. En este problema de control
jerárquico multicapa se distinguen tres capas fundamentales: capa inferior (control de
clima y riego), capa media (Control de crecimiento de cultivo) y capa superior (Control
táctico). Por esta razón se aborda el problema de control como un proceso o sistema
compuesto por múltiples subsistemas que deben ser controlados de forma simultanea,
los cuales se rigen todos por la consigna propuesta por las capas superiores de control.
Como parte de este trabajo se plantea entonces abordar uno de los subsistemas de este
amplio problema de control. Este grupo de investigación me ha invitado a formar parte
de su investigación en el área de control climático (capa inferior). De manera puntual se
plantea trabajar por medio de una estancia de tres meses llevada a cabo en la
Universidad de Almería, en el tema de modelado y control de la temperatura interna del
aire de un invernadero por medio de ventilación natural. Para trabajar desde este punto
de vista se requiere de modelos simplificados lineales que permitan diseñar algoritmos
de control basados en modelo, por lo que el problema a resolver consiste en:
·
·
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