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Control automático de la temperatura diurna en invernaderos mediante ventilación natural

Francisco García Mañas, Francisco Rodríguez Díaz, José Luis Guzmán Sánchez, Manuel Berenguel Soria

Grupo de Automática, Robótica y Mecatrónica (TEP-197, arm.ual.es), Departamento de Informática, Universidad de Almería, CIESOL, ceiA3, 04120, Almería

13/04/2021
La ventilación natural es el sistema que tradicionalmente se utiliza en los invernaderos del sureste de España para controlar la temperatura en su interior, regulando la apertura de las ventanas en función de una temperatura óptima para el cultivo. En los últimos años se están incorporando soluciones de automatización como son los controladores comerciales, que evitan que los agricultores tengan que realizar el manejo de la ventilación manualmente. En el ámbito de la investigación, se han desarrollado nuevas técnicas de control, de sencilla implantación y que aportan excelentes resultados. Este hecho confirma que el control automático resulta una contribución fundamental para mejorar las condiciones de crecimiento del cultivo y, por tanto, para mejorar el rendimiento de las explotaciones agrícolas.

El crecimiento de un cultivo depende de las variables climáticas del entorno en el que se encuentra. La temperatura es una variable climática que influye directamente sobre el crecimiento del cultivo y que se suele controlar en los invernaderos. El problema de control de la temperatura diurna radica en evitar que la temperatura del aire en el interior del invernadero supere un valor en el que su efecto sea perjudicial para el cultivo. Tradicionalmente, la ventilación natural es el sistema de actuación que más se utiliza para regular la temperatura en los invernaderos, sobre todo en clima mediterráneo.

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La ventilación natural proporciona un intercambio de aire entre el interior y el exterior del invernadero. El aire exterior, generalmente más frío que el aire interior, se sitúa en las capas inferiores del volumen de aire del invernadero, desplazando al aire caliente que asciende a las capas superiores y sale al exterior por la ventilación abierta.

El control automatizado de la ventilación natural se efectúa normalmente mediante motores eléctricos, encargados de realizar el cierre y la apertura de las ventanas del invernadero. Para las ventanas cenitales, se suelen instalar motorreductores con un sistema de piñón-cremallera, mientras que para las ventanas laterales se emplean motores enrollables, permitiendo que el plástico gire alrededor de un eje conectado al motor.

Control con sistemas comerciales

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El control de la temperatura diurna en un invernadero puede realizarse con un controlador encargado de efectuar automáticamente la apertura de la ventilación para alcanzar la consigna de temperatura deseada. En la actualidad se comercializan controladores no solamente enfocados al control de temperatura, sino también a una gestión completa del clima interior del invernadero, teniendo en cuenta sistemas de calefacción, humidificación, inyección de CO2, entre muchos otros. Para el problema de control de la temperatura mediante ventilación natural, la mayoría de los controladores comerciales disponen de una interfaz que permite a los agricultores establecer la consigna de temperatura que desean en su invernadero. Este tipo de controladores suelen gestionar la apertura y el cierre de las ventanas según algoritmos basados en reglas. El controlador recibe continuamente información de un conjunto de sensores y actúa según las reglas que tenga programadas. Por ejemplo, si la temperatura en el interior del invernadero sobrepasa el valor de consigna indicado por los agricultores, el controlador abrirá la ventilación; si la temperatura es inferior a la consigna, entonces cerrará las ventanas. Cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura interior y el valor de consigna deseado, mayor será el porcentaje de apertura o cierre de las ventanas. Estos controladores también pueden tener en cuenta el clima en el exterior del invernadero y tomar decisiones como acciones de protección, efectuando, por ejemplo, el cierre de las ventanas cenitales si la velocidad del viento en el exterior alcanza valores muy elevados.

Los controladores comerciales ofrecen un incremento de productividad, comodidad y seguridad frente a la tradicional operación manual de la ventilación, pero presentan limitaciones debido a la complejidad de los fenómenos que ocurren en el interior de un invernadero y a las variaciones del clima exterior que actúan como perturbaciones (variables exógenas que provocan que la temperatura interior varíe de forma permanente).

Control por planificación de ganancias

En el ámbito del control automático, la mayoría de los procesos utilizan las distintas variedades de controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo), que presentan unos parámetros cuyos valores se calculan para obtener una respuesta de control que cumpla con unos requisitos deseados. Sin embargo, el uso de un controlador PID no siempre garantiza que la respuesta de control sea adecuada o estable, especialmente en procesos no lineales sometidos a perturbaciones, como es el caso de un invernadero, en el que las perturbaciones externas influyen notablemente en el efecto de la ventilación sobre la temperatura.
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Para hacer frente a los efectos no deseados de las perturbaciones, se emplean técnicas de control más avanzadas. Un ejemplo de estas técnicas es el control adaptativo, enfocado a reajustar los valores de los parámetros de un controlador en base a distintas condiciones operacionales. El control por planificación de ganancias, también llamado control de ajuste por tabla, es un esquema muy utilizado en este contexto. Con esta técnica de control, los parámetros del controlador se modifican a partir de una tabla o función calculada previamente para distintos puntos de funcionamiento según la relación conocida entre las perturbaciones y el comportamiento del proceso a controlar. En el caso de un invernadero, esta relación viene determinada por la velocidad con la que se puede evacuar el aire caliente, que depende del tamaño de las ventanas, de la diferencia entre la temperatura interior y exterior, y de la velocidad del viento. La relación entre la temperatura del aire exterior y la temperatura del aire interior a través de la ventilación es conocida, pues a menor temperatura exterior más disminuye la temperatura del invernadero. En el caso del viento, el efecto es el contrario, y es que a mayor velocidad de viento se favorece la renovación de aire, disminuyendo la temperatura del invernadero. En base a estas relaciones, se puede aplicar el esquema de control que se muestra en la Figura 1, en el que el mecanismo de ajuste se centra en modificar el controlador en función de la temperatura exterior y de la velocidad del viento. De esta forma, el controlador puede abrir y cerrar más rápido las ventanas, adaptándose a las variaciones que puedan aparecer en el clima exterior y minimizando su impacto en la temperatura regulada.

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Figura 1. Esquema de control por planificación de ganancias aplicado para controlar la temperatura diurna del aire en el interior de un invernadero mediante ventilación natural.

Control por prealimentación

El control por prealimentación, también denominado control por adelanto o anticipativo, es otra estrategia que permite tener en cuenta las perturbaciones medibles que afectan a un proceso y tratar de eliminarlas o reducir su efecto sobre el mismo. A diferencia del control por planificación de ganancias, el control por prealimentación no reajusta el valor de los parámetros del controlador, sino que, para cada perturbación medible, se introduce una señal que modifica a la señal de control con objeto de anticiparse y eliminar el efecto no deseado que causaría la perturbación sobre la variable controlada. Para calcular las señales de control por prealimentación, es necesario emplear unos modelos matemáticos que relacionan la variable controlada con las perturbaciones que le afectan.

En el caso del control de la temperatura del aire de un invernadero utilizando ventilación natural, las relaciones entre la temperatura del aire interior y las perturbaciones exteriores son fuertemente no lineales, e incluso ocurren en distintas escalas de tiempo. Para caracterizarlas con precisión, en el ámbito de la investigación se emplean modelos que consisten en ecuaciones diferenciales, expresando intercambios de energía y balances de masas. Sin embargo, estos modelos no lineales son muy complejos de utilizar para calcular estrategias de control.

Recientemente, en un artículo científico publicado en la revista Agronomy (Montoya-Ríos et al., 2020), se ha planteado el problema de control de la temperatura diurna con la ventilación natural utilizando el control por prealimentación. El enfoque presentado en el citado artículo consiste en aplicar una metodología sencilla para obtener una estrategia de control implementable en cualquier invernadero. En lugar de utilizar complejos modelos matemáticos, se propone el uso de métodos de identificación de sistemas basados en datos, es decir, se utilizan los históricos de datos que captan los sensores instalados en un invernadero para determinar las relaciones entre la temperatura interior, la ventilación natural y las perturbaciones exteriores. De esta forma, dichas relaciones se simplifican y se caracterizan de forma aproximada por modelos lineales de bajo orden. Con estos modelos, y siguiendo una serie de reglas simples, se calculan los parámetros del controlador.

En la Figura 2 se muestra el esquema de control ensayado en el citado trabajo de investigación. El objetivo fundamental del esquema propuesto consiste en mantener regulada la temperatura diurna del aire en el interior del invernadero sin variaciones que alejen su valor del establecido como consigna óptima para el cultivo. El control por prealimentación se encarga de compensar el efecto de las perturbaciones para que no provoquen dichas variaciones en la temperatura interior, por lo que en cada instante de tiempo se va modificando la apertura de las ventanas como respuesta. Por ejemplo, en días nublados, un descenso brusco en la radiación solar puede provocar que, tras unos minutos, la temperatura en el interior del invernadero también descienda. Cuando el control por prealimentación detecta que la radiación solar disminuye en un instante de tiempo concreto, se adelanta a que la temperatura del invernadero disminuya por debajo de la consigna, y lo evita cerrando la ventilación (o disminuyendo proporcionalmente el porcentaje de apertura) justo en ese instante.

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Figura 2. Esquema de control por prealimentación aplicado para controlar la temperatura diurna del aire en el interior de un invernadero mediante ventilación natural.

El comportamiento descrito anteriormente se puede apreciar en la Figura 3, que muestra una comparativa entre el control por prealimentación y la respuesta de un controlador comercial. Estos resultados se han obtenido mediante una simulación usando datos reales medidos para el clima en el exterior de un invernadero ubicado en la Estación Experimental 'Las Palmerillas' de la Fundación Cajamar, en El Ejido, Almería. Se puede observar cómo el control por prealimentación ofrece mejores resultados, pues la temperatura del aire interior se controla con variaciones menores a ± 0,3 °C en torno a la consigna impuesta.

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Figura 3. Simulación de resultados de control para comparar el control por prealimentación frente a un controlador comercial (de tipo proporcional).

Conclusiones

El control automático de la ventilación natural con sistemas comerciales se está implantando progresivamente en más invernaderos debido a las ventajas que ofrece en términos de comodidad, sencillez, seguridad e incremento de productividad. Sin embargo, los controladores comerciales pueden tener una respuesta errática en algunas situaciones debido a las perturbaciones que influyen en el clima interior de un invernadero. En diversos trabajos de investigación, se han desarrollado nuevas técnicas de control para compensar dichas perturbaciones. Los ejemplos expuestos en este artículo son el control por planificación de ganancias y el control por prealimentación. El control por planificación de ganancias presenta la ventaja de poder reajustar rápidamente un controlador, aunque, como inconveniente, hay que destacar la dificultad en el diseño de la tabla o la función del mecanismo de ajuste. Por otro lado, el control por prealimentación permite eliminar o atenuar el efecto no deseado de perturbaciones provocadas por el clima exterior, pero para su diseño se requieren datos climáticos medidos previamente en el invernadero para poder calcular modelos matemáticos simplificados. No obstante, en los próximos años se espera una mayor digitalización de la agricultura gracias a nuevos paradigmas emergentes, como el Internet de las Cosas, que abaratará la instalación de sensores y facilitará la incorporación de técnicas de control más avanzadas en invernaderos y el procedimiento de autoajuste de los controladores.

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Agradecimientos

Al proyecto I+D+i del Plan Nacional DPI2017-85007-R, financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, y Fondos FEDER. A la Estación Experimental “Las Palmerillas” de la Fundación Cajamar. El autor Francisco García Mañas es beneficiario de una ayuda FPU del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

Bibliografía

  • García-García, F.J.; Martínez-Tomero, J.F. (2016). Control climático en invernaderos y las nuevas aplicaciones. Agricolae 7, 52-60.
  • Montoya-Ríos, A.P.; García-Mañas, F.; Guzmán, J.L.; Rodríguez, F. (2020). Simple tuning rules for feedforward compensators applied to greenhouse daytime temperature control using natural ventilation. Agronomy 10 (9), 1327.
  • Rodríguez, F.; Berenguel, M.; Guzmán, J.L.; Ramírez-Arias, A. (2015). Modeling and control of greenhouse crop growth. Springer.
  • Valera-Martínez, D.L.; Molina-Aiz, F.D. (2008). Evolución tecnológica de los invernaderos. Phytoma 199, 47-55.

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