MODELADO Y CONTROL CLMÁTICO DE UNA MAQUETA DE INVERNADERO

3.1.1 Justificación

Como ya es bien conocido, la agricultura, y más concretamente el cultivo bajo invernadero, es uno de los motores económicos principales de la provincia de Almería, algo que ha llevado a consolidar los estudios de agronomía como una de las referencias principales de la universidad almeriense. En la formación de un ingeniero técnico agrícola o ingeniero agrónomo es fundamental hoy día poseer conocimientos relacionados con modelado y control, debido a la presencia, cada día más frecuente, de sistemas de control automático en los invernaderos. Es por ello que desde el área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Almería se esta apostando fuertemente en mejorar la docencia en este campo, trasladando los avances obtenidos en los campos de modelado y control gracias a las nuevas tecnologías [8], [13], [14].

En esta práctica se pretende describir los pasos necesarios para lleva a cabo el desarrollo de un sistema de control, su implementación y prueba en una instalación real. Concretamente, se utilizará como planta una maqueta de invernadero en la que

se han instalado sensores y sistemas de actuación para el control de las variables climáticas en su interior y de fertirrigación, con el fin de reflejar lo más fielmente posible el comportamiento climático de un invernadero real. Como controlador se utilizará un computador en el que se programarán los algoritmos de control diseñados. Con esta práctica el alumno desarrollará un diseño completo del sistema de control de un determinado proceso, desde la obtención del modelo realizando ensayos reales en una planta hasta su implementación y prueba, pasando por todas las fases intermedias en las que realizará ensayos de simulación del sistema para obtener los parámetros característicos del mismo.

El objetivo principal de la práctica se resume en el desarrollo de un proyecto de control completo de una variable climática en el interior de un invernadero o de fertirrigación de cultivos. Los problemas de control disponibles en la maqueta de invernadero son los siguientes [8]:

• Control de la temperatura diurna utilizando ventilación natural.

• Control de la temperatura nocturna utilizando un sistema de calefacción.

• Control de la radiación incidente en el cultivo utilizando una malla de sombreo.

• Control de riego bajo demanda.

Esta práctica se utiliza en tercer curso de Ingeniería Técnica Agrícola dentro del marco de la asignatura Control y Robótica en Agricultura, así como en un curso de doctorado internacional impartido para alumnos de Sudamérica denominado Control Automático y Robótica en Agricultura.

3.1.2 Descripción de la herramienta Descripción de la maqueta de invernadero

La maqueta representa un invernadero multicapilla, de cubierta curva asimétrica a dos aguas con orientación Este-Oeste y de dimensiones 25 x 50 m (ver Figura 1). Concretamente, se trata de una estructura construida dentro del proyecto DAMOCIA (Diseño Asistido Mediante Ordenador para la Construcción de Invernaderos Automatizados) [13].

La maqueta esta dotada de una serie de sensores y actuadores que permiten simular el clima de un invernadero real. De esta manera es posible tomar medidas de temperatura con una Pt100, de humedad con un higrotermotransmisor potenciométrico, y de radiación con sensores basados en termoelementos (radiación global y neta) y fotodiodos (radiación PAR). En cuanto a actuadores se refiere actualmente la maqueta de invernadero dispone de los siguientes: ventilación lateral, ventilación cenital, mallas de sombreo, calefacción en los dos sectores, instalaciones de riego y fertirrigación para dos sectores independientes [8].

Para aproximar la maqueta a un sistema real se han incorporado a la maqueta un foco de 500 W haciendo la función del sol, una resistencia de un secador de cabello para poder calentar el aire interior del invernadero y un ventilador de una fuente de alimentación haciendo la función de ventilación forzada. Los tres dispositivos son controlados con relés [8].

Herramienta desarrollada

Consiste en un laboratorio remoto desarrollado en LabVIEW que permite a los estudiantes llevar a cabo los principales objetivos de la práctica: ensayos sobre la variable climática a controlar e implementación del algoritmo de control correspondiente. De esta manera, la herramienta desarrollada consta de tres pantallas diferentes tal y como se observa en la Figura 2.

Para llevar a cabo un ensayo sobre la variable climática deseada, el alumno accederá al sitio web de la herramienta y deberá seleccionar el tipo de ensayo a realizar en el menú desplegable Escalón mostrado en la Figura 2(a), cuyas opciones son: calefacción, ventilación y radiación. Tras dicha selección el alumno realiza el ensayo correspondiente, descarga los datos en formato ASCII ordenados por columnas, y los analiza haciendo uso de Matlab atendiendo a la información mostrada en la Tabla 1.

Tabla 1. Relación de datos obtenidos en un ensayo sobre la Maqueta de Invernadero.

Columna Sensor Unidades

1 Temperatura exterior ºC

2 Humedad relativa interior %

3 Temperatura interior ºC

4 Radiación global interior W/m2

5 Velocidad del viento m/s

6 Lluvia -

7 Temperatura tubos de

calefacción

ºC

8 Dirección del viento º

(a) Pantalla para realización de ensayos

(b) Pantalla para implementación del algoritmo de control

(c) Pantalla para lectura de sensores

Figura 2. Laboratorio Remoto para Modelado y control de variables climáticas de invernadero. Una vez analizados los datos obtenidos del ensayo seleccionado, los estudiantes implementarán el algoritmo de control pertinente haciendo uso del editor remoto mostrado en la Figura 2(b). Esta pantalla permite a los estudiantes implementar en código Matlab el algoritmo de control, utilizando una serie de variables preestablecidas para acceder a los sensores (variable sensores) y modificar el estado de los actuadores (variable out). De esta manera una vez implementado el algoritmo de control, el lazo se cierra haciendo uso de estas variables. Existen otra serie de variables utilizadas para indicar alarmas y algunas otras auxiliares disponibles para realizar cálculos extra, las cuales se pueden mostrar en la pantalla de visualización junto a los valores de las variables climáticas (ver Figura 2(c)). Una vez realizado el control, los

alumnos pueden descargar los datos en formato ASCII, de la misma forma que para los ensayos, y analizar los resultados haciendo uso de Matlab. Con el fin de aumentar la motivación del alumno, el laboratorio remoto esta dotado de una serie de cámaras que permiten obtener realimentación visual, tal y como se muestra en la Figura 3 [8].

Figura 3. Cámaras para maqueta de invernadero.

3.2 MODELADO Y CONTROL DE UN