Diseño de la estructura de un sistema de barras pulverizadoras y control de la altura de irrigación para disminuir la deriva en superficies de terrenos irregulares

Abstract

La introducción de la Mecatrónica aplicada en la agricultura ha sido una forma innovadora de mecanización y diseño de sistemas inteligentes que dan como resultado una solución a múltiples problemas que se presentan en las prácticas relacionadas con la agricultura de precisión. Esta área es una labor que se ha llevado a cabo en las últimas décadas, con el propósito de automatizar diversas actividades y acelerar procesos en respuesta al aumento en la demanda mundial de productos agrícolas. Una de las actividades agrícolas primordiales es la implementación de los sistemas de riego, ya que el agua es el sustento principal para el crecimiento de las plantas. En esta tesis se propone una estrategia para disminuir la pérdida de fluido presurizado que se aplica sobre los cultivos agrícolas (efecto de la deriva). Este consiste en corregir la altura de irrigación de un sistema de barras pulverizadoras expuestas a perfiles de terrenos irregulares. Para ello se propone el diseño conceptual de la estructura de un sistema de barras pulverizadoras en el software de SolidWorks. El trabajo también incluye la selección de los sensores, actuadores, módulos de potencia y un sistema de adquisición de datos. La integración sinérgica del diseño mecánico, los elementos eléctricos/electrónicos y con un sistema de control adecuado se consigue un prototipo virtual. El modelo matemático dinámico del sistema se obtiene mediante las ecuaciones de movimiento de Euler-Lagrange y para el estudio numérico del modelo y esquemas de control se plantean diferentes condiciones de operación por medio del software de Matlab-Simulink. La respuesta del sistema se complementa con las ecuaciones cinemáticas del modelo, que establecen la relación entre las variables dinámicas y las características físicas de la estructura que tiene el sistema. La altura de irrigación es una variable medida por los sensores ultrasónicos y la estructura de los mecanismos de cadena cinemática cerrada se usan para transformar el movimiento lineal de los actuadores eléctricos a movimiento angular. La altura de irrigación de las barras pulverizadoras se corrige mediante la retroalimentación de las señales eléctricas de los sensores, y con la aplicación de un esquema de control activo se calcula la energía que debe aplicarse en los actuadores lineales para posicionar las barras en la altura de irrigación deseada. Los esquemas de control activo que se aplicaron son: el PID basado en el modelo (control particionado), control por planitud diferencial y el controlador proporcional integral generalizado (GPI). Los controladores con menor información del sistema presentan errores pequeños en el comportamiento del estado transitorio. Por último, en los resultados numéricos del sistema en lazo cerrado los tres esquemas de control corrigen de forma favorable la altura de irrigación, cuando se proponen perfiles de terrenos irregulares.