Sistemas de control on-off para regulación en invernaderos

Todo o Nada

Los invernaderos cada día necesitan tener más autonomía, es decir, una menor intervención de los seres humanos en su funcionamiento, lo cual permita tener cultivos con una mayor calidad y homogeneidad entre cosechas. Se ha demostrado que los sistemas de control aplicados a invernaderos incrementan la productividad y calidad de los cultivos. Es por ello que cada día, más compañías dedican su tiempo y esfuerzos a diseñar controladores con diferentes tipos de leyes de control implementadas dentro de un controlador.

 

Leyes de control

Una ley de control es el algoritmo programado dentro de un microcontrolador o cualquier dispositivo, generalmente digital, que permite mantener las variables deseadas dentro de los rangos específicos. Para poder dotar al invernadero de autonomía es necesario implementar una ley de control automático que permita tomar decisiones bajo las condiciones preestablecidas de operación. Por esta razón, los sistemas de control son de vital importancia dentro de los esquemas de invernaderos autónomos y semiautónomos. Los autónomos no requieren de la intervención del ser humano en ninguna tarea, mientras que los semiautónomos (los más empleados) requieren de ayuda del ser humano en algunas tareas. Teniendo en mente que los sistemas de control se originaron hace mucho tiempo con la finalidad de realizar tareas específicas, se cuenta con desarrollos de varias leyes de control validadas para el empleo de las mismas en los invernaderos.

Lazo abierto y cerrado

De forma general, se pueden clasificar los sistemas de control en lazo abierto y cerrado. Esta clasificación es de acuerdo a las condiciones de la ley de control implementada. 

Lazo cerrado se define como un sistema que requiere de retroalimentación, normalmente procedente de sensores, mientras que los sistemas de control en lazo abierto no requieren de retroalimentación.

De una forma sencilla, se puede pensar en los sistemas en lazo cerrado como aquellos sistemas que preguntan todo el tiempo sobre el estado de las variables a controlar, y con esta información realizan correcciones. Por otro lado, los sistemas en lazo abierto no requieren de esta información y envían señales de control de acuerdo a condiciones preestablecidas. 

Un ejemplo sencillo de entender es el control de temperatura dentro de un invernadero. Imaginemos que tenemos un control en lazo abierto implementado. Esto quiere decir que cada determinado tiempo se manda ajustar la temperatura a través del actuador correspondiente. Por ejemplo, cada 8 horas se pueden abrir ventilas para cambiar las condiciones de temperatura, mientras que con un sistema en lazo cerrado, se estaría comprobando la variable de temperatura, y cada vez que existiera un cambio en la misma, se mandaría ajustar el sistema y de esta forma, el control reaccionaría más rápido para poder mantener siempre la temperatura bajo una referencia específica.

Como se puede inferir, el tener la posibilidad de conocer los valores de las variables a controlar es de suma importancia si se quiere mantener las variables de control sobre una referencia específica y ser más tolerante a los disturbios.

Ley de control ON-OFF

La ley de control ON-OFF es una de las más empleadas en diferentes controladores comerciales. Es una ley de control que se emplea en esquemas de control en lazo abierto y cerrado.

Si explicamos primero la implementación de esta ley en un esquema en lazo cerrado, como el que se muestra en la figura 1, requeriríamos tener la información de los sensores instalados.

La descripción general de la ley de control ON-OFF se puede escribir de una forma sencilla empleando las expresiones 1 y 2.

  1. Si el error es mayor o igual que A, entonces activar B.
  2. Si el error es menor o igual que B, entonces apagar C.

Ejemplo de control de temperatura en lazo cerrado.
Imaginemos que se fija una temperatura de 23ºC y se tiene un sensor de temperatura instalado que manda información cada 40 minutos. Se podrían emplear las expresiones 1 y 2 de acuerdo a la variable de temperatura: Si la temperatura es mayor o igual que 26ºC, abrir ventilas; si la temperatura es menor o igual que 20ºC, cerrar ventilas.

El límite superior es el valor de la temperatura de referencia más 3 grados, y el inferior, el valor de la temperatura de referencia menos 3 grados.

En este caso, cada 40 minutos se actualizaría el sistema tomando diferentes acciones.

Ejemplo de control de temperatura en lazo abierto.
Primero se determinaría un tiempo prefijado. Si fijamos cada 40 minutos abrir o cerrar las ventilas, es muy probable que esto afecte el sistema de manera negativa, ya que no tenemos la certeza de qué pasa en todas las condiciones durante el tiempo prefijado. Si hay como disturbio una baja de temperatura exterior drástica que afecte de manera directa al invernadero, mandamos una acción de control que aparte nuestro invernadero de su referencia. En otras palabras, el sistema no tolera los disturbios.

Es por esta razón que muchos diseñadores de controles de invernaderos emplean esta ley en lazo abierto en intervalos de tiempo grandes, como por ejemplo, abrir ventilas en el día y cerrar en la noche. Esto permite tener el sistema dentro de las referencias, asumiendo que la temperatura en la noche siempre sea inferior que durante el día, lo cual es verdad.

Controladores

La figura 3 muestra un controlador con una ley de control ON-OFF, dentro de una topología de control de lazo abierto. En esta figura se puede ver que la temperatura del invernadero sale de los límites superior e inferior, teniendo dos cambios, dependiendo si es de día o de noche.

La figura 4 muestra la respuesta de una ley de control con un sistema en lazo cerrado. Se puede apreciar que la temperatura del invernadero se mantiene dentro de los límites superior e inferior y es más próxima a la temperatura de referencia deseada. Los cambios se realizan cada vez que el sensor manda una señal que es igual o mayor que los límites superior e inferior fijados.

Criterios de respuesta

Se puede concluir que la ley de control “todo o nada” se puede emplear en lazo abierto o cerrado, dependiendo de los criterios de respuesta que se busquen, además de la relación costo-beneficio.

Recordando que un sistema en lazo cerrado mantendrá la variable a controlar más cercana a nuestros valores de referencia, sin importar la existencia de disturbios, esta ley se puede emplear para el control de cualquier variable dentro del invernadero.

Se recomienda revisar la página de los fabricantes para saber qué tipo de ley de control están empleando para controlar la variable de interés, la cual afecta de manera directa la calidad de la producción de nuestro cultivo. 


Para más información, puedes escribir al autor, Dr. Pedro Ponce Cruz[email protected].
 

El Dr. Ponce Cruz es Director de Maestría en Ciencias de la Ingeniería (MCI), Escuela de Graduados en Ingeniería y Arquitectura (EGIA), Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de México.

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