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Fundamentos de los sistemas de control del riego y la fertilización (Parte II)

Un controlador automático compara el valor real de la salida de un proceso determinado con una entrada de referencia, determina un error y produce una señal de control que reducirá el error a cero.

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FUNDAMENTOS DE LOS SISTEMAS DE CONTROL DEL RIEGO Y LA FERTILIZACIÓN

1. Introducción.
2. Definiciones.
2.1. Análisis de sistemas lineales.
2.2. Transformada de Laplace.
2.3. Función de transferencia de un sistema.
3. Elementos de un sistema de control.
3.1. Tipos de sistemas de control.
3.2. Ejemplos de sistemas de control.
3.3. Tipos de sistemas de control automático.
3.3.1. Control todo/nada.
3.3.2. Control de varias posiciones.
3.3.3. Control proporcional.
3.3.4. Acción de control integral.
3.3.5. Acción de control proporcional e integral (PI).
3.3.6. Acción de control proporcional y derivativo (PD).
3.3.7. Acción de control proporcional-integral-derivativo (PI).
4.Control del riego y la fertilización.
4.1. Variables a controlar en el riego y la fertilización.
4.2. Controladores en la programación de riego y la fertirrigación.
4.2.1. Programadores.
4.2.2. Ordenador o computador de riego.
4.3. Algoritmos de control de riego.
4.3.1. Control por tiempo.
4.3.2. Control por volumen.
4.3.3. Control basado en la radiación.
4.3.4. Control basado en la evaporación.
4.3.5. Control basado en el drenaje.
4.3.6. Control basado en la humedad del suelo.
4.4. Algoritmos de control de la fertirrigación.
4.4.1. Control basado en la medición continua del pH y la CE.
4.4.2. Sistemas expertos en tiempo real.
5. Bibliografía

3.2. Ejemplos de sistemas de control.

Por ejemplo, para controlar el nivel de un depósito de riego, se puede optar por aplicar un sistema de control en bucle cerrado. Dentro de este sistema en bucle cerrado se podría distinguir uno manual y otro automático.

En el primer caso se controlaría el nivel de agua del depósito visualmente por parte del operario y e el momento que se alcanzase una altura de agua de terminada (h) se abre una válvula de regulación manualmente para que el agua no supere el nivel establecido. Los elementos más destacados de este sistema de control serían los siguientes. Como consigna se establecería la altura (h) que alcanzaría el agua como máximo. El controlador en este caso es el operario y los actuadores son la válvula de regulación y los brazos del operario. Por último, los medidores son la visión del operador y la regla métrica.

En el caso de un control automático, se controlaría el nivel del depósito por medio de un ordenador que recibe la información de un sensor sobre el nivel del depósito y al alcanzarse el nivel deseado se lanza una orden para abrir la válvula de regulación. La altura (h) sigue siendo la consigna en este caso. Como controlador actúa el ordenador. El actuador es la válvula de regulación automática y el medidor es un sensor de nivel, que a su vez puede ser de ultrasonidos, una sonda de nivel, etc.

3.3. Tipos de sistemas de control automático.

Un controlador automático compara el valor real de la salida de un proceso de terminado con una entrada de referencia (valor deseado), determina un error y produce una señal de control que reducirá el error a cero o a un valor muy pequeño sin necesidad de supervisión por parte de un operario. La forma en la que se produce la señal de control por parte del controlador se denomina acción de control. Cualquier proceso tiene tres características que hay que considerar para automatizarlos:

- Cambios en la variable controlada producidos por alteraciones en las condiciones de funcionamiento. Se pueden producir por cambios en la consigna o por perturbaciones.
- Tiempo necesario para que la variable adopte un nuevo valor al ocurrir un cambio en las condiciones iniciales.
- Estabilidad.

Los controladores pueden ser de diversos tipos, en función de las acciones básicas de control que se puedan realizar. En general, estas acciones básicas dan lugar a los sistemas discontinuos, incluyendo a las acciones de control todo-nada y de control de varias posiciones. Por otro lado, los sistemas continuos incluyen los controles proporcional, integral y derivativo, entre otros. A continuación se describen las más importantes.

3.3.1. Control todo/nada.

En este tipo de controlador, el elemento de control sólo proporciona dos niveles: Todo (encendido) y Nada (apagada). El actuador tiene, por tanto, sólo dos posiciones fijas, que en la mayoría de los casos son, simplemente, conectado y desconectado. Si el error que presenta el controlador es e(t), y la señal de control que proporciona es u(t), el controlador todo o nada se representa por:


El principal inconveniente de este controlador se produce en el momento en que se debe producir la conmutación a un determinado estado, ya que puede ocurrir que el sistema oscile con mucha frecuencia. Por ejemplo, para controlar la radiación PAR en el interior de un invernadero utilizando una malla de sombreo. Por ejemplo, si se define una consigna de 200 W · m-2, y la radiación en el interior supera este valor, la malla de sombreo se debe cerrar, y si no lo supera, debe permanecer abierta. Después de la primera conmutación, si la radiación permanece alrededor de 200 W · m-2, el motor está continuamente abriéndose y cerrándose, lo que puede llegar a dañarlo. Para evitarlo se pueden utilizar métodos que intentan disminuir la frecuencia de trabajo del motor que gobierna la malla de sombreo, tales como aplicar un tiempo de retardo, o que el controlador actúe con el valor medio en vez de con el valor instantáneo.

3.3.2. Control de varias posiciones.

El funcionamiento es similar al controlador todo-nada, con la diferencia de que puede tener más de dos estados de salida. Igual que el controlador todo- nada, se pueden producir oscilaciones en cada cambio de fase. Por ejemplo, para un controlador de tres posiciones se tendría la siguiente función:


3.3.3. Control proporcional.

En un controlador proporcional se genera una señal de control proporcional al error. Su acción se representa por:

Figura 7. Curva característica de la salida del controlador proporcional en función del error.

donde u0 es la salida del controlador cuando el error es cero. La curva característica de la salida del controlador proporcional en función del error se muestra en la figura 7.

3.3.4. Acción de control integral.

La acción proporcional, expuesta en el apartado anterior, presenta un serio inconveniente, denominado error de régimen permanente, consistente en la desviación permanente de la variable controlada respecto a su consigna al alcanzar el estado estacionario cuando se produce un cambio de consigna. Una acción integral anula el error por si misma.

3.3.5. Acción de control proporcional e integral (PI).

Si se combinan las dos acciones anteriores, proporcional e integral, se obtiene un controlador Proporcional Integral representado por la siguiente ecuación:


donde τi regula la ganancia del integrador, y Kp ajusta el integrador y la ganancia proporcional. Hay que obtener los parámetros del controlador para obtener la respuesta óptima del sistema, existiendo varios métodos para calcularlos.

Un ejemplo de este tipo de acción de control podría ser la regulación automática del accionamiento de bombas para evitar sobrepresiones. Si se consigna un arranque consecutivo de bombas con un cierto retardo, la sobrepresión se evitará y la bomba tendrá una vida útil mayor.

3.3.6. Acción de control proporcional y derivativo (PD).

Se puede combinar una acción proporcional con una derivativa, resultando una señal del siguiente tipo:


donde Td es el tiempo con que la acción derivativa se anticipa al efecto de la acción proporcional sobre el elemento final de control. Permite eliminar las oscilaciones pero no elimina el error de régimen permanente.

3.3.7. Acción de control proporcional-integral-derivativo (PI).

Si se combinan las tres acciones de control, surge el controlador PID que no presenta error de desplazamiento y reduce la tendencia a las oscilaciones:


Se trata del control más general y más utilizado porque permite una explotación de los tres tipos de control. Se crea una respuesta de salida que sigue la señal de entrada, sin retardos en procesos lentos o rápidos, incluyendo aquéllos en los que la carga varía constantemente.

4. CONTROL DEL RIEGO Y LA FERTILIZACIÓN.

Los sistemas de control de fertirrigación son herramientas fundamentales para poder suministrar agua y nutrientes al cultivo en la cantidad y frecuencia adecuadas, optimizando el aprovechamiento del cultivo y evitando situaciones de estrés. Este control infiere de forma significativa en los costes y el consumo de agua.

Los sistemas de control del riego llevan consigo una serie de rutinas en función de parámetros hidráulicos. Para controlar el riego y la fertilización las funciones que se tienen que dar se integran en los denominados algoritmos de control. Los algoritmos responden a tres preguntas: ¿Cuándo regar? ¿Qué cantidad de agua hay que aplicar? ¿Qué sistema de inyección de fertilizante hay que utilizar?

4.1. Variables a controlar en el riego y la fertilización.

Existen distintos métodos para controlar el riego de un cultivo y en función del que se utilice habrá que controlar una serie de variables. En general, en el riego y la fertilización se pueden controlar las siguientes variables:

Control del riego: en bucle abierto se puede controlar por tiempo o caudal de agua. En bucle cerrado se puede controlar la humedad del suelo, evapotranspiración, ración, micromorfometría, etc.

Control de la inyección de fertilizantes: se puede controlar el pH de la solución nutritiva, la conductividad eléctrica (CE) y la inyección de microelementos.

Hay otras variables que conviene controlar y que informan sobre el estado del sistema y la calidad del agua de riego. Por ejemplo, el nivel de los depósitos, la presión del agua en las tuberías, la pérdida de carga de los filtros, etc.

Se describen a continuación los principales elementos de control en la programación de riegos y los sistemas genéricos de control del riego y la fertilización según las variables a controlar. Estos sistemas también se conocen con el nombre de algoritmos de control.

4.2. Controladores en la programación de riego y la fertirrigación.

Los elementos que controlan la programación del riego y la fertirrigación son muy variados. Cada explotación requerirá de los elementos necesarios específicos para cada caso. Se detallan a continuación los principales elementos utilizados en el control del riego y la fertirrigación.

4.2.1. Programadores.

En diversos procesos industriales que siguen una relación determinada de una variable con el tiempo requieren un control automático para seguir y reproducir un programa fijo. Los instrumentos que realizan esta función se denominan programadores controladores y realizan tres funciones básicas: control automático de las variables, temporizadores, variación del punto de consigna del controlador (función de programación).

Un programador se compone de: generador de punto de consigna, que determina la temporización y fija la evolución de la variable a lo largo del tiempo; un controlador todo-nada, PI o PID con indicador o registro de la variable. El programador permite almacenar un número determinado de programas que pueden utilizarse cuando se desee con una salida por relé o analógica. Se puede visualizar en el monitor el programa seleccionado y los resultados obtenidos en el proceso. Estos instrumentos son muy versátiles en la programación del riego.

Un programador de riego puede controlar la apertura o cierre de sectores o válvulas de riego. Además puede controlar la apertura de Venturas. De entrada pueden incorporar contadores de agua y medidores de presión. Los datos que pueden almacenar son muy variados (CE, pH, temperatura, etc.). Incorporan, además, varios programas de riego.

4.2.2. Ordenador o computador de riego.

Para realizar la fertirrigación de varios sectores de riego utilizando rutinas o algoritmos de control más sofisticados (utilizando variables climáticas) debido a que aumenta la complejidad se requiere la utilización de un ordenador para obtener un control óptimo. Los ordenadores de riego que se instalan en los sistemas de riego controlan por un lado la nutrición y por otro la distribución y dosificación del riego. Mediante estas herramientas se pueden monitorizar los riegos, configurar los parámetros de la máquina de riego de forma sencilla, acumular y mostrar histórico de actividades y consumos de la instalación de riego, realizar gráficas del histórico, almacenar históricos de actividades y eventos de la agenda de riego, etc.

Además existen sistemas que permiten la conexión en red de los ordenadores que componen la explotación, la creación de una intranet o la conexión con Internet para poder recopilar datos de las estaciones agrometeorológicas de los distintos programas de asesoramiento al regante que existen en las diferentes Comunidades Autónomas.

Según lo establecido en este apartado se pueden considerar cuatro niveles de automatización en el proceso de fertirrigación:

- Un primer nivel en el que se pueden incluir los sistemas semiautomáticos con preajustes en cada operación de las válvulas.
- Un segundo nivel consiste en instalar sistemas secuenciales de operación repetida, lo que implica mediciones tanto de tiempo como volumétricas, mediante la implantación d programadores de riego, con lo que se puede controlar el sistema de bombas dosificadoras.
- Dentro del tercer nivel se encuentra el riego por computadora. Consiste en controlar y procesar todos los parámetros esenciales del regadío en tiempo real y determinar de forma óptima cuándo y cuánto se debe regar en cada momento.
- El cuarto nivel consiste en redes de sistemas de control de riego centralizadas desde un sistema que, en función de determinada información, determine las condiciones óptimas de riego para cada una de las parcelas.

Autor:
Ruiz Canales, A. (Departamento de Ingeniería. Escuela Politécnica Superior de Orihuela. Universidad Miguel Hernández (Alicante)).
Molina Martínez, J.M. (Departamento de Ingeniería de los Alimentos y del Equipamiento Agrícola. Área de Ingeniería Agroforestal. Universidad Politécnica de Cartagena (Murcia))


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Cap. 1
   Fundamentos de los sistemas de control del riego y la fertilización (Parte I)
Cap. 2
   Fundamentos de los sistemas de control del riego y la fertilización (Parte II)
Cap. 3
   Fundamentos de los sistemas de control del riego y la fertilización (Parte III)


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