MODELADO Y CONTROL JERÁRQUICO DE CRECIMIENTO DE CULTIVOS EN INVERNADEROS

Control de radiación solar, temperatura y humedadGrupo de Automática, Electrónica y Robótica de la Universidad de Almería

Modelo completo de clima y crecimiento de cultivo de tomate parainvernaderos del sudeste

Telecontrol del clima y fertirrigación de invernaderos a través de Internet

Sistema de control óptimo jerárquico del crecimiento de cultivo en invernaderos

Maqueta de invernadero

Control de radiación con malla de sombreo

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

Instalaciones donde se han llevado a cabo las experiencias

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.

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

• 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.; 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.

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

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

• 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.

CULTIVO

Modelo cultivo

Algoritmos y criterios de optimización

CONTROL CULTIVO

Perturbaciones

climáticas:• Radiación exterior• Temperatura exterior• Humedad exterior• Velocidad viento,• Dirección viento

Modelo clima invernadero

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

CONTROL CLIMÁTICO

ENTRADASDE CONTROL

Peso seco

Trayectorias climáticas

de referencia

Predicción climaa largo plazo (campaña)

• Tipo de campaña

• Fecha de finalización del cultivo

• Datos económicos

• Reglas de decisión

CAPA INFERIORControl climático

(escala temporal: minutos)

CAPA SUPERIORControl crecimiento cultivo

(escala temporal: días/meses)

Objetivos acorto plazo

Gestor de decisión de consignas Objetivos a

largo plazo

SALIDAS CULTIVO

Número de hojasÍndice área foliar

SALIDAS CLIMA

TemperaturaHumedadRadiación PAR(Concentración CO2)

INVERNADERO

Perturbaciones

del cultivo:Índice área foliar

Ventilación

CalefacciónMalla sombreo

• Precio productos

• Precios energía

Predicción climaa corto plazo (horas/días)

CULTIVO

Modelo cultivo

Algoritmos y criterios de optimización

CONTROL CULTIVO

Perturbaciones

climáticas:• Radiación exterior• Temperatura exterior• Humedad exterior• Velocidad viento,• Dirección viento

Modelo clima invernadero

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

CONTROL CLIMÁTICO

ENTRADASDE CONTROL

Peso seco

Trayectorias climáticas

de referencia

Predicción climaa largo plazo (campaña)

• Tipo de campaña

• Fecha de finalización del cultivo

• Datos económicos

• Reglas de decisión

CAPA INFERIORControl climático

(escala temporal: minutos)

CAPA SUPERIORControl crecimiento cultivo

(escala temporal: días/meses)

Objetivos acorto plazo

Gestor de decisión de consignas

Gestor de decisión de consignas Objetivos a

largo plazo

SALIDAS CULTIVO

Número de hojasÍndice área foliar

SALIDAS CLIMA

TemperaturaHumedadRadiación PAR(Concentración CO2)

INVERNADERO

Perturbaciones

del cultivo:Índice área foliar

Ventilación

CalefacciónMalla sombreo

• Precio productos

• Precios energía

Predicción climaa corto plazo (horas/días)

Temperatura

Radiación

Conc. CO2

Humedad

VentilaciónCalefacciónMallasEnriq. CO2

Humidificador

Cultivo

Temperaturaexterior

Radiaciónexterior

VelocidadViento Dirección

Viento

Humedadexterior

Lluvia

Conc CO2exterior

PERTURBACIONES

Relacionadas con crecimiento del

cultivo

Sistema de control climático

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

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

ARABAInvernaderos industriales en producción

estructura interior

estación climática exterior

Sensores internos de temperatura, humedad,

radiación y CO2

calefacción por tubos aéreos

ventilación cenital

Malla de sombreo

Sensores

de temperatura de suelo y cubierta

Calefacción

Cabezal de riego

Malla de sombreo

Detalle mecanismo arrastre

Ventilacióncenital

Detalle mecanismo

Ventilación lateral

Red Nacional de Laboratorios Remotos de Automática

←←←← actuadores y sensores de radiación ↑↑↑↑

[T,Dws_e]

Wind speed

CwhWhitening

[T,UVEN]

Vents opening

Xt_ss

Soil surface temperature

[T,Ushd]

Shading screen

[T,Dt_e]

Outside temperature

[T,Dre_e]

Outside Radiation

[T,VLAI]

Leaf Area Index

Xt_a

Inside air temperature

Xhr_a

Inside air humidity

Xha_a

Inside air absolute humidity

Xrp_a

Inside PAR radiation

[T,PHEXT_abs']

Hum. abs. exterior

[T,Ut_heat]

Heating tubes temp.

Outside radiation

Outside temperature.

Wind speed

Vents opening

Shading screen

Whitening

Heating tubes temp.

LAI

Outside absolute humidity

inside PAR radiation

Cover temperature

Soil surface temperature

1st layer soil temperature

Inside air temperature

Inside relative humidity

Inside absolute humidity

Greenhouse climate

Xt_s1

Fisrt layer soil temperature

Xt_cv

Cover temperature

Temperatura aire

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

20

25

30

35

40

45

50

Tie m po (minutos )

Tem

p. a

ire (

ºC

)

1 .4 1 .45 1. 5 1.55 1. 6 1.65 1. 7 1. 75 1.8 1. 85 1.9

x 104

25

30

35

40

45

Tie m po (m inutos )

Tem

p. a

ire (

ºC

)

0 5 10 15

x 104

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Tie mpo

Pes

o se

co (

gr)

6/18

10/20

14/22

20/28

25/34

30/40

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

Crecimiento

+ TemperaturaConsigna

temperatura

-

Perturbaciones

Ut,ref UvenControladorpor adelanto Invernadero

Ventilación

Inversa controladorpor adelanto

Antiwindup

Uven,sat

-+ Ut,sat

ckp /c ττττ ,tk

Controlador PI

cKp

ckp /cττττ ,i 1/s++

+

+

+ TemperaturaConsigna

temperatura

-

Perturbaciones

Ut,ref UvenControladorpor adelanto Invernadero

VentilaciónVentilación

Inversa controladorpor adelanto

Antiwindup

Uven,sat

-+ Ut,sat

ckp /c ττττ ,tk

Controlador PI

cKp

ckp /cττττ ,i 1/s++

+

+

5 10 15 20 25 30 35 40 4512

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

Invernadero

Control enadelanto

ControladorPI con

antiwindup

Temperatura exterior

+ Temperatura

Consignatemperatura calefacción

Velocidad viento exterior

-Sistema decalefacción

+

-

Temperaturatuberías

Posiciónválvula

++

+-

Temperatura de referencia tuberías

Temperaturabase

ControladorPI con

antiwindup+-

Invernadero

Control enadelanto

ControladorPI con

antiwindup

Temperatura exterior

+ Temperatura

Consignatemperatura calefacción

Velocidad viento exterior

-Sistema decalefacción

+

-

Temperaturatuberías

Posiciónválvula

++

+-

Temperatura de referencia tuberías

Temperaturabase

ControladorPI con

antiwindup+-

16 5 17 0 17 5 18 0 185 190 195 200

15

15.2

15.4

15.6

15.8

16

16.2

16.4

16.6

16.8

17

2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

Posición de la malla de sombreo Evolución de la radiación con y sin malla de sombreo

Tiempo (horas) Tiempo (horas)

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

Esquema de control de temperatura nocturna con calefacción

Ejemplo de control de temperatura diurna Ejemplo de control de temperatura nocturna

←←←←Sistemas de control climático desarrollados