Modelado y control jerárquico de crecimiento de cultivos en invernaderos

Francisco Rodríguez Díaz

Apr 2005 · Tesis Doctorales Book 182 · Universidad Almería

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La agricultura es uno de los principales motores económicos de la provincia de Almería (sudeste de España), en la que se sitúa la mayor concentración de invernaderos del mundo. Hasta hace unos años, se ha mantenido una alta presencia en el mercado internacional, debido fundamentalmente a los relativamente bajos costes de producción y a la oferta de productos fuera de estación, existiendo además poca competencia por parte de países en vías de desarrollo. Esta competencia está creciendo actualmente, 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 muy bajos. 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 realizando un gran esfuerzo encaminado a la introducción de tecnología en cada una de las fases de la cadena de comercialización agrícola. Evidentemente, la fase de producción en el invernadero es la más importante, por lo que deben realizarse los mayores esfuerzos por mejorar tanto la cantidad como la calidad de los frutos. El crecimiento de un cultivo se encuentra fundamentalmente determinado por las variables climáticas del entorno en el que se encuentra y por la cantidad de agua y fertilizantes que se le aplican mediante el riego; por tanto, el adecuado manejo de estas variables permitirá controlar el crecimiento del cultivo. Por esta razón un invernadero es ideal para cultivar, ya que al ser un recinto cerrado, se pueden manipular estas variables para alcanzar un crecimiento y desarrollo óptimo de las plantas. Sin embargo, el hecho de conseguir las condiciones óptimas Volver de las variables climáticas y de fertirrigación1 supone un coste económico en cuanto a energía, agua y fertilizantes. Por tanto, lo ideal desde el punto de vista económico no será obtener el máximo de producción, sino maximizar el beneficio entendido como la diferencia entre los ingresos procedentes de la venta de la producción final y sus costes asociados. El clima y la fertirrigación son dos sistemas independientes, por lo que plantean problemas 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 problema 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 esta forma el problema se reduce al control del crecimiento de cultivos en función de las condiciones climáticas de su entorno. Por tanto, el objetivo principal de la presente tesis es el diseño e 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 forma que se maximice la diferencia entre el beneficio bruto obtenido por la venta del cultivo y los costes de producción asociados a los sistemas de actuación climáticos. Para llevarlo a cabo se ha requerido el cumplimiento de algunos 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 dos 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 asociados o de la fecha de recolección, resuelve un problema de optimización que maximiza una función objetivo que representa el beneficio obtenido en función de las variables climáticas que afectan al crecimiento de las plantas, proporcionando las consignas que deben seguir dichas variables climáticas a lo largo de la campaña. La capa inferior incluye los controladores necesarios para que se alcancen las consignas calculadas en la capa superior. Utilizando una estrategia de horizonte deslizante, en cada transición de noche a día, o viceversa, se vuelve a resolver 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 errores que se pueden cometer debido a aspectos dinámicos no contemplados por los modelos usados para la predicción, a desviaciones en la predicción meteorológica o al no poderse alcanzar las consignas climáticas por defecto de las perturbaciones y limitaciones en los dispositivos de actuación. La presente tesis no se ha limitado simplemente al desarrollo de modelos y estructuras de control, sino que ha requerido una importante labor de experimentación en campo durante varios años con la finalidad de obtener datos necesarios para la calibración y validación de modelos, así como para ensayar diversos algoritmos de control. Algunos de los desarrollos contenidos en esta tesis han sido incluso implantados en sistemas de control comerciales a través de contratos de transferencia de tecnología.