Modelado y control jerárquico de crecimiento de cultivos en invernaderos

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Sinopsis de Modelado y control jerárquico de crecimiento de cultivos en invernaderos



La agricultura es entre los primordiales motores económicos de la provincia de Almería (sureste de España), en la que se sitúa la mayor concentración de invernaderos del planeta. Hasta hace unos años, se ha mantenido una alta presencia en el mercado internacional, debido esencialmente a los parcialmente bajos costes de producción y a la oferta de productos fuera de estación, existiendo además poca competencia por la parte de países en vías de desarrollo. Esta competencia está medrando hoy en día, tanto por parte de sectores muy tecnificados de países desarrollados, que ofertan buena calidad y servicio a costo medio, como con nuevos sectores en países menos desarrollados con costes de producción bajísimos. Únicamente la mejora de la productividad y la calidad pueden permitir el mantenimiento de la rentabilidad, siendo la tecnología parte esencial de este proceso. Actualmente, se está efectuando un enorme esfuerzo dirigido a la introducción de tecnología en cada una de las fases de la cadena de comercialización agrícola. Obviamente, la fase de producción en el invernadero es la más importante, con lo que deben realizarse los mayores sacrificios por mejorar tanto la cantidad como la calidad de los frutos. El desarrollo de un cultivo se encuentra esencialmente determinado por las variables climáticas del ambiente en el que se encuentra y por la cantidad de agua y fertilizantes que se le aplican a través de el riego; por consiguiente, el conveniente manejo de estas variables permitirá controlar el crecimiento del cultivo. Por esta razón un invernadero es ideal para cultivar, ya que al ser un circuito cerrado, se pueden manipular estas variables para lograr un crecimiento y desarrollo óptimo de las plantas. Sin embargo, el hecho de lograr las condiciones óptimas Volver de las variables climáticas y de fertirrigación1 supone un costo económico en lo que se refiere a energía, agua y fertilizantes. Por consiguiente, lo idóneo desde el punto de vista económico no será obtener el máximo de producción, sino aumentar al máximo el beneficio entendido como la diferencia entre los ingresos provenientes de la venta de la producción final y sus costes asociados. El clima y la fertirrigación son dos sistemas independientes, por lo que plantean inconvenientes de control diferentes. Empíricamente, 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 inconveniente de control de crecimiento de un cultivo bajo invernadero es complejo, una base de partida común en este ámbito consiste en suponer que las plantas reciben la cantidad de agua y fertilizantes que requieren en cada momento. De este modo el problema se reduce al control del desarrollo de cultivos en función de las condiciones climáticas de su ambiente. Por lo tanto, el objetivo primordial de la presente tesis es el diseño y también implementación de un sistema de control óptimo jerárquico del crecimiento de cultivos bajo invernadero en función de las variables climáticas internas y externas, en el que se puedan integrar criterios económicos de manera que se maximice la diferencia entre el beneficio salvaje logrado por la venta del cultivo y los costes de producción socios a los sistemas de actuación climáticos. Para llevarlo a cabo se ha requerido el cumplimiento de ciertos objetivos específicos, como el estudio y modelado de las variables climáticas del interior del invernadero que afectan al crecimiento del cultivo, estudio y modelado de las variables que caracterizan al crecimiento del cultivo, así como el diseño y prueba de algoritmos de control de las variables climáticas en el interior de un invernadero. 1 Riego y fertilización. Como solución integrada se ha propuesto una arquitectura de control jerárquica de 2 capas que controle el sistema cultivo/clima, basándose en la existencia de dos escalas de tiempo distintas en el problema de optimización. La capa superior, en función de la producción esperada y sus costes socios o de la fecha de recolección, resuelve un inconveniente de optimización que maximiza una función objetivo que representa el beneficio obtenido en función de las variables climáticas que afectan al desarrollo de las plantas, dando las consignas que deben continuar dichas variables climáticas a lo largo de la campaña. La capa inferior incluye los controladores precisos para que se alcancen las consignas calculadas en la capa superior. Usando una estrategia de horizonte deslizante, en todos y cada transición de noche a día, o a la inversa, se vuelve a solucionar el problema de optimización realimentando con los datos reales que se han medido de las variables climáticas y del crecimiento hasta ese momento, tratando así de reducir los fallos que se pueden cometer debido a aspectos dinámicos no contemplados por los modelos usados para la predicción, a desviaciones en la predicción meteorológica o bien al no poderse alcanzar las consignas climáticas por defecto de las perturbaciones y restricciones en los dispositivos de actuación. La presente tesis no se ha limitado simplemente al desarrollo de modelos y estructuras de control, sino ha requerido una esencial labor de experimentación en campo durante varios años con la finalidad de conseguir datos precisos para la calibración y validación de modelos, así para ensayar distintos algoritmos de control. Ciertos desarrollos contenidos en esta tesis han sido incluso implantados en sistemas de control comerciales a través de contratos de transferencia de tecnología.