Diseño e Implementación de un control predictivo para un sistema de distribución de iluminación artificial utilizado en cultivos cerrados de Orquídeas

Abstract

Conforme la sociedad avanza la calidad de los productos agrícolas, así como plantas de horticultura son cada vez más altos provocando que los métodos tradicionales de cultivo como el mulching, el uso de abonos o la rotación de cultivos, no puedan llegar a cumplir con los requisitos que son cada vez mayores. Los cambios climáticos causan grandes pérdidas económicas en el sistema tradicional de cultivo al aire libre en donde no se controla factores como humedad temperatura o cantidad de luz, lo cual ha generado un creciente uso de sistemas de cultivo protegidos y el desarrollo de nuevas tecnologías como el uso de lámparas LED (Light Emitting Diode) para procesos relacionados a la agricultura [1]. Los sistemas de invernadero presentan la ventaja de permitir controlar el clima interior para optimizar el crecimiento del cultivo protegiéndolos de las inclemencias del tiempo. Sin embargo, el control de estos sistemas es complejo debido fundamentalmente a que son procesos físico-químicos multivariables [2]. Es bien sabido que el crecimiento de las plantas está estrechamente relacionado con la luz. En un día nublado, dado que la intensidad de la luz y el tiempo de iluminación no son suficientes para el crecimiento de las plantas, la tasa de fotosíntesis cae bruscamente. Resulta en una menor acumulación de masa seca y más susceptible a enfermedades y plagas [3]. La tendencia actual va más allá del sólo hecho de controlar la temperatura y humedad del sistema, sino que, por el contrario, se desea controlar tanto el clima interior como aquellas variables físicas del cultivo, llegando a hacerse un control de crecimiento, plagas, etc. En [4] se analiza la relación que existe entre la intensidad de luz a la que es expuesta una planta y su capacidad para llevar a cabo el proceso de fotosíntesis. EL autor Ying analiza cuatro especies diferentes (hojas de soya, arroz, maíz y banaba) y debido a que los resultados de crecimiento han sido similares, proponen una única función de crecimiento en función de la intensidad lumínica. En cuanto a los métodos de control empleados existen diferentes técnicas que van desde simples circuitos de control que conmutan el estado de lámparas en función de las lecturas de los sensores de intensidad lumínica hasta circuitos más complejos que involucran un algoritmo de control más avanzado como puede ser el control difuso para el control de más de una lámpara [5] De igual manera se han sumado otros indicadores y variables a controlar a la par con la calidad. Por ejemplo, se requiere la disminución del consumo de materias primas, así como se ha integrado la disminución del consumo de energía estando las mismas en una estrecha relación con la mayoría de los procesos industriales modernos [6]. Estas exigencias a las variables interrelacionadas han hecho que muchas de las técnicas de ajuste PID desarrolladas para los procesos modelados como de simple entrada, simple salida (SISO) sean insuficientes para encarar este tipo de proceso de múltiple entrada, múltiple salida (MIMO) [7]. En los sistemas MIMO con control predictivo el ajuste de parámetros del controlador de un lazo afecta el desempeño de todos los lazos, lo que provoca la aparición de condiciones de inestabilidad en todo el sistema. Se han realizado grandes esfuerzos por encontrar técnicas de diseño, reglas de sintonía de los parámetros de los controladores para los sistemas MIMO; pero la implementación del sistema de control multivariable sigue siendo un problema difícil para los ingenieros de control debido a la falta de enfoques prácticos [7].