0 IntroducciÃn

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Control en invernaderos hidropónicos. 
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0. Introducción. Revolución agraria 
Los entornos agrícolas controlados (Controlled Environment Agricultura, CEA), o 
invernaderos, son una de las formas más exigentes e intensas de todas las formas de 
agricultura. En combinación con los invernaderos, la hidroponía o cultivo sin suelo se está 
convirtiendo en una técnica cada vez más popular. Se trata de alta tecnología y puede ser 
bastante intensiva. Un invernadero (CEA) es altamente productivo, conservando el agua y la 
tierra siendo un modo de protección del medio ambiente. Hay muchos tipos de sistemas de 
CEA. No todos los sistemas son rentables en cada lugar. Aunque las técnicas de cultivo 
hidropónico en los trópicos pueden ser muy similares a los utilizados en los desiertos y las 
regiones templadas del mundo, las estructuras de invernaderos y los métodos de control del 
medio ambiente pueden ser muy diferentes. Los ordenadores actuales operan cientos de 
dispositivos dentro de un invernadero mediante la utilización de docenas de parámetros de 
entrada para mantener el entorno más deseado de crecimiento. La tecnología de la agricultura 
en ambiente controlado está cambiando rápidamente con los sistemas actuales producen 
rendimientos nunca antes realizadas. 
 
De igual importancia en el diseño de un sistema de entorno controlado es el diseño 
estructural, el control del medio ambiente y el sistema de cultivo de la planta. Muy a menudo, 
se da importancia a sólo uno o dos de los componentes clave, pero falla debido a la falta de 
atención prestada a cualquiera de los componentes. El diseño estructural de un invernadero 
debe brindar protección contra los daños causados por el viento, la lluvia, el calor y el frío. Al 
mismo tiempo, las partes estructurales de un invernadero deben ser de tamaño mínimo con el 
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fin de permitir la máxima transmisión de luz para el cultivo. Si la atención indebida se da a la 
estructura del invernadero y su entorno, ningún sistema hidropónico puede resultar 
económicamente viable. 
0.1. Los entornos agrícolas controlados: invernaderos 
 
La introducción de plásticos, sustratos sin suelo, y otras tecnologías cambió para 
siempre la técnica de cultivo en invernadero. 
A mediados de los años sesenta, se originó un cambio drástico en la industria 
norteamericana de producción de hortalizas en invernadero, dirigido por subvenciones a 
universidades agrícolas. 
Los plásticos en agricultura iniciaron una revolución tecnológica con el advenimiento 
de invernaderos de plástico, coberturas para las camas de cultivo, y riego por goteo. 
Las universidades realizaron importantes contribuciones, a través de la introducción 
de cubiertas de invernadero de doble capa de polietileno con cámara de aire para conservar 
energía, así como el desarrollo de accesorios especiales llamados “polylocks,” para el ensamble 
o desacople rápido de grandes láminas de polietileno para cubrir la estructura del invernadero. 
Los sistemas de cortinas móviles fueron diseñados de manera que pudieran actuar 
como mantas aislantes para reducir las pérdidas de calor durante la noche, o la radiación solar 
diurna en los invernaderos. 
Las coberturas de suelo de polietileno se utilizaban para incrementar la reflexión de la 
luz en los cultivos recién plantados, reducir la incidencia de enfermedades generadas en el 
suelo en el interior del invernadero, y proporcionar mejor control de la humedad. 
Se puso un énfasis considerable en el desarrollo de sistemas de control ambiental de 
precisión, ya fuera con aire caliente forzado o calentamiento con agua caliente, y el desarrollo 
de sistemas de enfriamiento evaporativo por medio de ventiladores y muro húmedo durante 
los cálidos meses de verano. 
Se desarrollaron sustratos de cultivo sin suelo, tales como las mezclas de turba y 
perlita de Cornell, para los trasplantes de hortalizas que sirvieron como ingrediente básico 
para la producción hidropónica de hortalizas de invernadero. 
0.2. Manteniendo el calor 
 
Hoy en día, las estructuras europeas de vidrio, así como las norteamericanas de 
polietileno y policarbonato, son muy diferentes de las modestas naves de polietileno y fibra de 
vidrio que se utilizaron en producción hidropónica de hortalizas entre 1965 y 1990. 
Las estructuras son mucho más altas, con el fin de conseguir un ambiente de cultivo 
más uniforme. Para prevenir rápidas fluctuaciones de temperatura, se destina más volumen 
espacial en el interior del invernadero. La ventilación/enfriamiento pasivo a través del 
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caballete del tejado se ha mejorado enormemente con el incremento en la altura debido al 
efecto chimenea por el cual el aire caliente asciende. 
0.3. Ordenadores/Sistemas de Adquisición de Datos 
 
Hoy en día, los sistemas informáticos de control son comunes en la instalación en 
invernaderos en toda Europa, Japón, Canadá y Estados Unidos. Los sistemas informáticos 
pueden proporcionar un control totalmente integrado de la temperatura, la humedad, la 
irrigación y la fertilización, dióxido de carbono, la luz y los niveles de sombra para 
prácticamente cualquier instalación. El control preciso sobre un cultivo permite a los 
productores realizar un ahorro del 15 - 50% de energía, aplicaciones de agua, químicos y 
plaguicidas. Los ordenadores controlan normalmente una mayor consistencia de la planta, el 
horario de producción, mayor calidad de la planta, y la pureza del medio ambiente. 
Un ordenador puede controlar cientos de dispositivos dentro de un invernadero 
(respiraderos, calefactores, ventiladores, válvulas mezcladoras de agua caliente, válvulas de 
riego, cortinas, luces, etc) mediante la utilización de docenas de parámetros de entrada, tales 
como la temperatura exterior e interior, humedad, dirección del viento de fuera y velocidad, 
los niveles de dióxido de carbono e incluso la hora del día o de la noche. Los sistemas 
informáticos consultan a todos los sensores, evalúan todas las condiciones, y envían comandos 
apropiados a cada minuto para cada equipo en el invernadero manteniendo así las condiciones 
ideales en cada una de las zonas independientes del invernadero definidas por el productor. 
Los ordenadores pueden recopilar y registrar los datos proporcionados por los 
sensores del invernadero. Una computadora puede realizar un seguimiento de toda la 
información relevante, como la temperatura, la humedad, los niveles de CO2, luz, etc, y la 
almacena para su uso actual o posterior. Un sistema de adquisición de datos permitirá al 
productor obtener un conocimiento global de todos los factores que afectan a la calidad y 
oportunidad del producto. Una computadora crea gráficos de las condiciones ambientales 
pasadas y actuales, tanto dentro y fuera del complejo. Usando una opción de impresión de 
datos, los productores pueden producir informes y resúmenes de las condiciones ambientales 
tales como la temperatura, la humedad y el estado de CO2 durante un día dado, o durante un 
período más largo de tiempo. 
Como los costos informáticos continúan disminuyendo y como los agricultores 
adquieren conocimientos de informática, los ordenadores son cada vez más populares en la 
agricultura de invernadero. En los países en desarrollo, donde los agricultores carecen de 
educación, los recursos financieros, y la habilidad para operar las computadoras, la utilización 
de estos sistemas de producción en invernadero es remota. 
0.4. Control en el entorno de los invernaderos. 
 
Los invernaderos se utilizan para el propósito principal de mejorar las condiciones 
ambientales en las que se cultivan las plantas. El objetivo en un control de clima del 
invernadero es mejorar aún más estas condiciones con el fin de optimizar el proceso de 
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producción de la planta. El clima del invernadero es uno de los factoresclave que afectan a la 
producción de plantas, y está influenciada por muchos elementos, como el tiempo exterior, los 
actuadores y el propio cultivo. 
El interés en asegurar un crecimiento óptimo en condiciones de sostenibilidad 
aumenta la demanda de productos de invernadero, que a su vez, conduce a un aumento de la 
demanda de los sistemas de control del invernadero de alta eficiencia. Sin embargo el clima de 
un invernadero es un problema de un sistema no lineal, multi-entrada, multi-salida, con 
retardo de tiempo y fase no de mínima. Debido a la variedad de parámetros y al fuerte 
acoplamiento, el desarrollo de un modelo físico basado en principios termodinámicos es 
bastante difícil. 
Las funciones del control de clima computarizado se pueden resumir de la siguiente 
manera: (a) se encarga de mantener un ambiente protegido a pesar de las fluctuaciones del 
clima externo, y (b) Actúa como un programa, que puede ser operado por los productores 
como una herramienta para controlar sus cultivos. Las principales ventajas de la utilización de 
control climático computarizado son la conservación de energía, mejora de la productividad de 
las plantas, y la reducción de la intervención humana. 
 
El control del clima del invernadero es complejo debido a la alta interacción no lineal 
entre el subsistema biológico y el subsistema físico, y debido a un fuerte acoplamiento de las 
dos variables controladas principales: temperatura y humedad. Los invernaderos son 
considerados como procesos complejos. De hecho, se trata de sistemas no lineales, de 
múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) que presentan comportamientos variables en el 
tiempo, y están sujetas a las perturbaciones dependiendo generalmente de las condiciones 
meteorológicas. Todo esto hace que sea difícil describir un invernadero con modelos analíticos 
y de control con los controladores clásicos. 
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Por lo general, el control del clima del invernadero emplea controladores PI/PID para 
el modelo equivalente reducido a procesos desacoplados con control integral con tiempo 
muerto (IPDT, integral plus dead time) para regular la temperatura y humedad. Aunque hay 
varias técnicas de control avanzado para el invernadero, la mayoría de estos métodos 
funcionan con independencia del punto de referencia sobre la base de los controladores PID 
convencionales debido a su arquitectura simple, fácil aplicación y excelente rendimiento en 
aplicaciones prácticas. Sin embargo, la sintonización de varios controladores sigue siendo un 
reto para los operadores de la producción en invernadero. Muchos Los controladores están 
mal sintonizado en la práctica debido a la complejas propiedades tales como las fuertes 
interacciones entre las variables, no linealidades, múltiple restricciones, y objetivos variables 
en el tiempo. 
El problema del control invernadero es crear un ambiente favorable para el cultivo con 
el fin de alcanzar predeterminada resultados: alto rendimiento, alta calidad y bajo costo. Se 
trata de un problema de control muy difícil de aplicar en la práctica, debido a la complejidad 
de los entornos del invernadero. Por ejemplo, que son altamente no lineales, fuertemente 
acoplado y múltiples entradas y salidas (MIMO), presentan comportamientos variables en el 
tiempo y en su mayoría son perturbados por el tiempo exterior (velocidad del viento, la 
temperatura exterior, la humedad, etc) y también por otras muchas dificultades prácticas 
(actuadores, ciclo humedeciendo, etc.).