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MODELADO Y CONTROL JERÁRQUICO DE CRECIMIENTO DE CULTIVOS EN INVERNADEROS Control de radiación solar, temperatura y humedad Grupo de Automática, Electrónica y Robótica de la Universidad de Almería Sistema de control óptimo jerárquico del crecimiento de cultivo en invernaderos CAPA INFERIOR Control climático (escala temporal: minutos) Predicción clima a largo plazo (campaña)

CONTROL CULTIVO Algoritmos y criterios de optimización

Control clásico/ /ajuste por tabla/ /por adelanto/ etc.

Sensores internos de temperatura, humedad, radiación y CO2

estructura interior

Objetivos a largo plazo

• Fecha de finalización del cultivo • Precio productos • Datos económicos • Precios energía • Reglas de decisión

Sensores de temperatura de suelo y cubierta

SALIDAS CLIMA

Ventilación

• • • • •

• 6 capillas orientadas E-O • 7,5 x 35 m x nave (1575 m2) • Cultivo de pepino

Modelo cultivo

Modelo clima invernadero

Perturbaciones

Perturbaciones

climáticas:

del cultivo:

←Sistemas de control climático desarrollados

Peso seco Número de hojas

CULTIVO

calefacción por tubos aéreos

estación climática exterior

SALIDAS CULTIVO

Temperatura Humedad Radiación PAR (Concentración CO2)

INVERNADERO

Malla sombreo

INAMED

• Cubierta asimétrica curva

• Tipo de campaña

CONTROL CLIMÁTICO

Calefacción

z

• 5 capillas orientadas N-S • 7,5 x 40 m x nave (1500 m2) • Cultivo de tomate

Predicción clima a corto plazo (horas/días)

Gestor de decisión de consignas

ENTRADAS DE CONTROL

z ARABA • Cubierta simétrica curva

CAPA SUPERIOR Control crecimiento cultivo (escala temporal: días/meses)

Trayectorias climáticas de referencia

Objetivos a corto plazo

Instalaciones donde se han llevado a cabo las experiencias Invernaderos industriales en producción

Maqueta de invernadero

Ventilación cenital

Calefacción

Índice área foliar Radiación exterior Temperatura exterior Humedad exterior Velocidad viento, Dirección viento

ventilación cenital

Malla de sombreo

Índice área foliar

Red Nacional de Laboratorios Remotos de Automática

Detalle mecanismo

Cabezal de riego

Sistema de control climático Malla de sombreo

PERTURBACIONES Humedad Velocidad Viento Dirección exterior Viento

Radiación exterior

Conc CO2 exterior

Lluvia

Ventilación lateral

Relacionadas con crecimiento del cultivo

Cultivo

Radiación

Modelo completo de clima y crecimiento de cultivo de tomate para invernaderos del sudeste

Humedad

Control de radiación con malla de sombreo Posición de la malla de sombreo 2 50

inside PAR radiation

Evolución de la radiación con y sin malla de sombreo

Outside temperature

Cover temperature

[T,Dws_e]

Cover temperature

Wind speed Vents opening

Soil surface temperature

Shading screen

[T,Ushd] 70

1st layer soil temperature

Shading screen 1 50

Inside air temperature

50

Leaf Area Index

Inside absolute humidity Outside absolute humidity

Hum. abs. exterior 50

100

150

20

200

Tiempo (horas)

40

60

80

100

120

140

160

1 80

200

Greenhouse climate

220

Tiempo (horas)

cKp -

+

ckp /cττ,i

+ +

1/s

+

Controlador por adelanto

Uven

Ventilación

Uven,sat

Temperatura

Invernadero

Consigna temperatura calefacción

+ Ut,sat

Velocidad viento exterior

Temperatura base + -

ckp /cττ,tk

Controlador PI con antiwindup

+

+ +

Controlador PI con antiwindup -

-

Antiwindup

Temperatura tuberías

Posición válvula

-

Inversa controlador por adelanto

Sistema de calefacción

Invernadero

Temperatura

+

+ Temperatura de referencia tuberías

Esquema de control de temperatura diurna con ventilación usando controladores por prealimentación

Esquema de control de temperatura nocturna con calefacción 17

32

16.8

30

16.6

28

16.2

24

16

22

15.6

18 15.4

12

15

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Ejemplo de control de temperatura diurna

0.8 1 1. 2 Tie m po (m inutos )

1.4

1. 6

1. 8

2 x 10

4

35

30

30/40 6/18

2500

25

2000 1500

1 .4

1 .4 5

1.5

1 .5 5

1.6

1 .6 5

1.7

1 . 75

1 .8

1.85

Tie m p o (m in u to s )

1000

1 .9 x 10

4

500

0

5

10

15 x 10

4

Referencias • J.L. Guzmán. Diseño multiplataforma y escalable de un sistema de control integrado de riego y clima en invernaderos vía Internet para uso en laboratorios remotos y en sistemas industriales. Proyecto Fin de Carrera. Universidad de Almería, 2002. strategies

for

• Moreno, J.C., Berenguel, M.; Rodríguez, F.; Baños, A.; 2002; Robust control of greenhouse climate exploiting measurable disturbances; 15th IFAC World Congress; Barcelona; España; pp. 365 (Abstract); 6 pp. • Rodríguez, F.; Yebra, L.,J.; Berenguel, M.; Dormido, S.; 2002; Modelling and simulation of greenhouse climate using Dymola; 15th IFAC World Congress; Barcelona; España; pp. 209 (Abtracs); 6 pp. (Versión completa). • Rodríguez, F.; Berenguel, M.; Arahal, M.R.; 2001; Feedforward controllers for greenhouse climate control based on physical models; European Control Conference 2001; Oporto; Portugal; pp. 2158-2163.

• Rodríguez, F.; Berenguel, M.; 2000; Sistemas de control climático de invernaderos (I); Riegos y Drenajes XXI (Elsevier); Vol. 115; pp. 30-36.

15.2

14

0. 6

• Rodríguez, F.; Berenguel, M.; 2001; Sistemas de control climático de invernaderos (II); Riegos y Drenajes XXI (Elsevier); Vol. 116; pp. 28-37.

15.8

20

16

0.4

• Rodríguez, F.; Berenguel, M.; 2001; Obtención de modelos simplificados para el control climático de invernaderos; 1er Congreso Nacional para la Agricultura y el Medio Rural; Valencia; España; 429-437 pp.

16.4

26

Xha_a Inside air absolute humidity

0.2

• Berenguel, M.; Yebra, L.J.; Rodríguez, F.; 2003; Adaptive control greenhouse temperature control; enviado a ECC’03, Cambridge, UK.

Temperatura exterior

Control en adelanto Ut,ref

25/34 10/20

Tie mpo

Perturbaciones Controlador PI +

40

0

3000

0

Sistemas de control de temperatura y humedad con ventilación natural y calefacción

Consigna temperatura

Xhr_a Inside air humidity

LAI

[T,PHEXT_abs']

10

4000 3500

Inside relative humidity

[T,VLAI]

20

20/28

4500

Inside air temperature

Heating tubes temp.

Heating tubes temp. 30

20

Xt_a

14/22

[T,Ut_heat]

1 00

45

25

P e s o s e c o (te m pe ra tura noc turna /diurna ) 5000

Whitening

Cwh

35

30

Crecimiento

Xt_s1 Fisrt layer soil temperature

Whitening

50

Xt_ss Soil surface temperature

Vents opening

2 00

40

45

Xt_cv 40

Wind speed

[T,UVEN]

60

50

Xrp_a Inside PAR radiation

Outside temperature.

[T,Dt_e]

90 80

Temperatura aire

Outside radiation

[T,Dre_e] Outside Radiation

Te m p . a ire (º C)

Conc. CO2

100

← actuadores y sensores de radiación ↑

Temperatura

Te m p. a ire (º C)

Ventilación Calefacción Mallas Enriq. CO2 Humidificador

Detalle mecanismo arrastre

P e s o s e c o (gr)

Temperatura exterior

16 5

17 0

17 5

18 0

185

190

195

200

Ejemplo de control de temperatura nocturna

Telecontrol del clima y fertirrigación de invernaderos a través de Internet

• Rodríguez, F.; Arahal, M.R.; Berenguel, M.; 1999; Application of artificial neural networks for greenhouse climate modelling; European Control Conference 1999; Karlsruhe, Germany, pp. 1098 (Proceedings), 6 pp. • Rodríguez, F.; Corral, A.; Bienvenido, F.; 1999; Application of distributed techniques in a set of tools to climatic sensor signal validation and data analysis; Advances in intelligent systems: Concepts, tools and Applications; (Ed. S. Tzafestas); Kluwer Academic Publisher; pp. 439-450. • Rodríguez, F.; Bienvenido, F.; Casado, A.; Corral, J.R. Díaz; Tallón, M.; 1998; A distributed set of tools for experimental data treatment in agroresearch; International Conference Engineering of Decision Support Systems in Bio-Industries, BIO-DECISION 98; Montpellier-Narbonne; Francia; pp 49-50 (artículo extendido 10 pp.) • Ureña, R.; Rodríguez, F.; Berenguel, M.; 2001; A machine vision system for seeds germination quality evaluation using fuzzy logic; Computers and Electronics in Agriculture; Vol. 32; pp. 1-20. • Rodríguez,F. Modelado y control jerárquico de crecimiento de cultivos en invernadero. Tesis Doctoral. Universidad de Almería, 2002.

Agradecimientos • Ministerio de Ciencia y Tecnología. Proyecto CICYT-QUI-0663-C02-02. • Empresa DUNIA EXPORT S.A.