8.5 Monitoreo y Control
En el control de retroalimentación clásico, como PI o PID (Derivado Proporcional-Integral-Derivativo), las variables controladas (CV) se miden directamente, en comparación con un punto de consigna, y posteriormente se transmiten al proceso a través de una ley de control de retroalimentación.
En la Fig. 8.10, las señales, sin el argumento de tiempo, se denotan con una letra pequeña, donde y es la variable controlada (CV) que se compara con la señal de referencia (punto de referencia) r. El error de rastreo ε (es decir, r - y) se introduce en el controlador, ya sea en hardware o software, desde el cual la entrada de control u, también conocida como variable manipulada (MV), se genera. La entrada u afecta directamente al proceso (P) del que resulta una salida (y). La salida muestreada se compara posteriormente con r, que cierra el bucle. En la práctica, este bucle continúa hasta que el controlador se apaga. Existe una extensa literatura sobre el control de retroalimentación (Doyle et al. 1992; Morris 2001; Ogata 2010), y esto ha sido objeto de investigación durante muchos años, comenzando con las obras de Bode (1930) y Nyquist (1932).
Fig. 8.10 Control de retroalimentación con controlador (C) y proceso (P). r señal de referencia, error de seguimiento eps, señal de entrada u, y sigma de salida
En RAS, los CV típicos son la temperatura, el pH y la concentración de oxígeno disuelto (DO), para los cuales existen sensores confiables. En consecuencia, el control de retroalimentación de estos parámetros de calidad del agua se puede realizar fácilmente. Sin embargo, en la práctica, la mayoría de las veces, las señales de entrada y salida se ven perturbadas por procesos de ruido, como entradas aleatorias desconocidas y ruido de medición. Además, el proceso global (P) puede cambiar con el tiempo como resultado del crecimiento, la maduración, la senescencia, etc. La alimentación de los peces es otra entrada en el RAS y su efecto sobre el crecimiento de los peces no se puede ver ni medir directamente. Para estos parámetros, normalmente se introducen controladores basados en modelos (por ejemplo, avance, predictivo del modelo y control óptimo) para predecir la respuesta de un cambio en la entrada del control. Sin embargo, el alimento para peces se agrega comúnmente sobre la base de valores encontrados en tablas o recetas, pero este control basado en reglas puede necesitar algún ajuste en la práctica real para actuar como controlador de retroalimentación. Los comportamientos de los peces en RAS son una medida clásica de control de retroalimentación, ya que los peces reaccionan fisiológicamente a los cambios ambientales con variaciones en el movimiento, la ubicación, la receptividad a la alimentación, etc.
La producción hidropónica generalmente se lleva a cabo en entornos protegidos como invernaderos o fábricas de plantas donde tanto la raíz como el ambiente aéreo necesitan ser controlados. Los controladores de encendido y apagado que modelan predictivamente entornos aéreos óptimos han demostrado ser superiores en la investigación experimental, pero la comercialización ha sido lenta, mientras que los controladores de retroalimentación son estándar en la mayoría de los invernaderos controlados por el clima. Sin embargo, el actuador varía según el tipo de controlador con válvulas de calefacción y respiraderos normalmente controlados por retroalimentación, pero la iluminación suele tener un mecanismo ON-OFF y sólo unos pocos son regulables. Los controladores que dependen de la entrada de sensores o datos pueden responder al rápido crecimiento en un entorno protegido y dar lugar a productos de alta calidad con altos precios de mercado que mejoran sus beneficios de costo. Muchos invernaderos comerciales todavía tienen el clásico sensor situado en el centro que cuelga de 1—2 m por encima de la cosecha y cubre varios cientos de metros cuadrados todavía está en uso, pero se están introduciendo múltiples sensores inalámbricos que cubren áreas más pequeñas, aunque gran parte de los datos detallados no se puede utilizar porque es bastante grande las zonas climáticas están controladas por los mismos actuadores. Los avances en la tecnología de sensores (por ejemplo, sensores de temperatura del microclima, procesadores de imágenes, mediciones de fluorescencia de clorofila o intercambio de gases en tiempo real) conectados a programas informáticos de modelización podrían utilizar sistemas de apoyo a la toma de decisiones y convertirse en sistemas de control automatizados.
En sistemas biorreactores típicos, la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto en sistemas aireados y los flujos de gas en sistemas anaeróbicos se miden y ajustan continuamente con los controladores de temperatura, pH y oxígeno disuelto disponibles. Además de esto, los tiempos hidráulicos (HRT) y de retención de lodos (TER) también se fijan frecuentemente controlando los flujos de agua (residual) y los flujos de residuos de biomasa, respectivamente.