Control climático en ACE — temperatura, humedad, sensores, respuesta y acoplamiento

Dos experimentos en el navegador

El panel superior ejecuta la respuesta de enfriamiento: cambie la constante de tiempo del actuador, el calor sensible de la iluminación y la capacidad de enfriamiento. Los ajustes predefinidos de 0/300/900/1800 segundos mantienen las demás entradas en su valor de referencia publicado. La temperatura y el enfriamiento solicitado/entregado se representan por separado. No se requiere instalación de Python; los comandos de reproducción local que aparecen a continuación son opcionales.

El panel de control acoplado ejecuta tanto ON/OFF como PI para cada cambio de parámetro. Seis gráficos de barras independientes comparan las violaciones de banda, la superposición de comandos de enfriamiento/deshumidificador, el calor de enfriamiento, la remoción de agua y la variación del actuador. Cada gráfico tiene sus propias unidades y escala. A/B guarda un par completo de resultados de controlador, de modo que la comparación de controladores y el cambio de condiciones permanezcan distintos. Ambos Labs ofrecen métricas completas, series numéricas, descargas y condiciones compartidas.

La respuesta de enfriamiento conserva el modelo original de 12 horas, el paso de Euler de la sala de 10 segundos y la actualización exacta del actuador de primer orden con media de intervalo. Las luces cambian a las 2 y a las 8 horas; la temperatura inicial/objetivo es de 24 °C, el exterior 22 °C, el calor base 800 W, la capacidad calorífica 12 MJ/K, UA 300 W/K y las ganancias PI fijas 0,6 y 0,0004. Se representan todas las muestras originales, incluido el comando final retenido. La banda de evaluación sigue siendo 23–25 °C. El error y el tiempo en banda utilizan el inicio de cada intervalo; los extremos incluyen los puntos finales. El modelo excluye la humedad y el retardo del sensor.

El control acoplado conserva 24 horas con pasos explícitos de 60 segundos, luces de 08 a 24 h, condición inicial 24 °C/HR 70 %, 300 m³, 12 MJ/K, UA 450 W/K y ventilación de 0,05 m³/s. La temperatura exterior es 21 ± 6 °C y HR 60 %; la transpiración con y sin luz está prescrita en 2/0,35 kg/h. Los umbrales ON/OFF siguen siendo 23,5/24,5 °C y HR 65/75 %; los objetivos PI siguen siendo 24 °C/HR 70 % con las ganancias fijas originales y la integración condicional. Las violaciones utilizan los estados actualizados frente a 23–25 °C y HR 60–80 %. La variación total suma los cambios absolutos de comando, no el número de conmutaciones. La métrica de superposición original cuenta los comandos positivos de enfriamiento y deshumidificador aunque el recalentamiento interior esté fijado en cero.

El modelo acoplado limita el agua frente a la saturación a la temperatura anterior, antes de actualizar la temperatura; no reequilibra la condensación tras el enfriamiento ni devuelve el calor de condensación. El enfriamiento es solo sensible; el secado es un sumidero de masa prescrito con recalentamiento independiente. No incluye modelo de serpentín, retardo del actuador, dinámica del sensor ni acoplamiento con CO₂. Los dos Labs son experimentos sintéticos distintos, no configuraciones intercambiables. Los kWh térmicos no son electricidad, y los límites/ajustes predefinidos son supuestos didácticos, no parámetros de cultivo ni dimensionamiento de equipos. Se conservan los núcleos, configuraciones, ZIP y resultados de referencia originales.

cooling: experiment.py · cooling_kernel.py · config.json

coupled: experiment.py · coupled_kernel.py · config.json

Control de temperatura y humedad en ACE — por qué interactúan el enfriamiento, el secado y la ventilación

La temperatura y la HR pueden tener objetivos separados, pero los actuadores rara vez afectan a una sola magnitud. Un serpentín de enfriamiento elimina calor sensible y puede condensar agua por debajo del punto de rocío. Algunos deshumidificadores recogen agua mientras devuelven calor sensible al interior. La ventilación transporta juntos temperatura, vapor y CO₂ según las condiciones exteriores. Por eso los interruptores independientes de temperatura y humedad pueden llegar a contrarrestarse mutuamente.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Diagrama: Duskcoil. Un esquema por nivel de responsabilidad, independiente de una configuración de equipos específica.

Separe los estados de los comandos

El Lab de balance térmico almacena la temperatura de la sala T; el Lab de balance de humedad almacena la masa de vapor m_v. La HR sigue siendo derivada en lugar de convertirse en otro estado conservado.

Las indicaciones de HVAC del DOE de EE. UU. distinguen el control sensible del latente y describen las interacciones de sobreenfriamiento/recalentamiento. La Extensión de la Universidad Estatal de Oklahoma también trata la ventilación del invernadero como parte de la gestión de la temperatura y la humedad.

La supervisión evita conflictos accidentales

Un enfriamiento impulsado por la humedad seguido de calefacción por baja temperatura puede hacer funcionar enfriamiento y calefacción a la vez. Eso no es automáticamente incorrecto —un recalentamiento deliberado puede reducir la humedad—, pero la intención, la duración permitida y el costo energético deben distinguir un modo diseñado de controladores que se anulan entre sí.

Un supervisor mínimo hace explícitas las prioridades:

1. Fallos de sensores, condensación y restricciones de protección del equipo
2. Límites estrictos de temperatura y humedad absoluta
3. Bandas objetivo normales e histéresis
4. Condiciones que permiten o prohíben el funcionamiento simultáneo
5. Límites de potencia y efectos secundarios, como la pérdida de CO₂ por ventilación

Condiciones de aceptación para la comparación de controladores

Las comparaciones ON/OFF, basadas en reglas y PI deben compartir el clima, la transpiración prescrita, el horario de LED y el estado inicial. Fije la capacidad del actuador, el tiempo mínimo de encendido/apagado, el retardo, la saturación y la contabilidad de potencia o agua recolectada. Reporte por separado el tiempo fuera de las bandas de temperatura y HR, la condensación, el número de conmutaciones, el tiempo simultáneo de calefacción/enfriamiento y la energía. Un único error promedio es insuficiente.

Rechace las ejecuciones que recorten los sensores silenciosamente, mantengan valores faltantes sin declararlo o entreguen el clima futuro a un solo controlador. Rechace también las ejecuciones que violen las comprobaciones de residuo de energía o agua subyacentes.

Este es un punto de partida para el diseño de control, no parámetros específicos de cultivo ni recomendaciones de equipos. La siguiente implementación debería acoplar únicamente los estados térmico y de humedad en una sola simulación, manteniendo el CO₂ como una restricción monitoreada por separado.

Referencias

• Grid-interactive Efficient Buildings: HVAC (DOE de EE. UU.)
• The Hobby Greenhouse (Extensión de la Universidad Estatal de Oklahoma)
• Assessing the Risk of Disease in Greenhouses (Extensión de Penn State)

Sensores de temperatura y humedad — ubicación, respuesta y calibración

¿Qué temperatura ve el controlador?

El Lab de respuesta de enfriamiento separó el comando de enfriamiento del enfriamiento entregado. Su controlador seguía recibiendo directamente la temperatura actual del modelo. Avanzar hacia una instalación real requiere separar también el entorno físico, la lectura del sensor y el valor pasado al control.

Considere un escalón ideal de temperatura del aire de 24 °C a 26 °C y un sistema de medición modelado con una constante de tiempo de primer orden de 60 segundos. Después de 30 segundos, su lectura es 24,787 °C. Comparar esa lectura con 25 °C pasa por alto una superación ya presente en la entrada. Este es un cálculo analítico ilustrativo, no datos de una instalación ni una especificación de producto.

Este artículo es una guía de diseño de mediciones. No repite el Lab de lazo cerrado anterior ni clasifica productos, y su umbral de ejemplo no es una recomendación de cultivo.

Dé un propósito a cada ubicación de medición

Un único promedio de las lecturas de la zona de cultivo, el aire de suministro y el aire de retorno elimina información sobre dónde ocurrió un cambio. Defina la magnitud y la ubicación de interés antes de elegir una regla de agregación. El siguiente plan de investigación es una propuesta editorial, no un requisito universal de cantidad de sensores.

La guía de diseño de Sensirion identifica la ubicación representativa, el intercambio de aire del recinto y las influencias térmicas como aspectos a nivel de sistema. La precisión autónoma de un sensor no establece la precisión instalada.

Para un relevamiento, registre la iluminación, el funcionamiento de los ventiladores y la etapa de crecimiento del cultivo, y luego compare posiciones bajo condiciones de operación equivalentes. Si un sensor portátil se mueve entre posiciones, conserve un punto de referencia fijo: de lo contrario, un cambio en toda la sala durante el relevamiento puede parecer una diferencia espacial. Intercambiar dos instrumentos entre posiciones puede ayudar, pero las condiciones pueden cambiar durante el intercambio. Combine los intercambios con la colocación conjunta para acotar la causa.

Separe el tiempo de respuesta del intervalo de registro

Leer un valor cada segundo no establece una respuesta física de un segundo. La temperatura y la HR también pueden responder de forma distinta. Verifique la definición y la configuración instalada; la guía de diseño trata la respuesta en términos de alcanzar aproximadamente el 63 % de un escalón.

Solo para este ejemplo, sea T la temperatura objetivo, T_m la temperatura medida y \tau_s la constante de tiempo de la medición:

Con equilibrio inicial a 24 °C, una entrada constante de 26 °C y \tau_s=60 segundos, la solución es T_m(t)=26-2\exp(-t/60).

La lectura alcanza el umbral ilustrativo de 25 °C después de aproximadamente 41,6 segundos. El registro discreto puede posponer la detección hasta la siguiente muestra. Este modelo comienza a responder de inmediato; es distinto de un tiempo muerto puro, durante el cual no ocurre respuesta alguna.

Guarde el siguiente código Python de biblioteca estándar como sensor_example.py y ejecute python3 sensor_example.py para reproducir la tabla y el tiempo de cruce del umbral. No lee ni escribe archivos externos.

from math import exp, log

initial, final, tau = 24.0, 26.0, 60.0
for seconds in (30, 60, 180):
    measured = final + (initial - final) * exp(-seconds / tau)
    print(f"{seconds:3d} s: {measured:.3f} C, gap {final-measured:.3f} C")
threshold = 25.0
crossing = -tau * log((final - threshold) / (final - initial))
print(f"threshold crossing: {crossing:.1f} s")

Una sala real no necesariamente cambia como un escalón, y un sistema de medición instalado no necesariamente tiene una única constante de tiempo. Al investigar la respuesta a partir de registros, tenga en cuenta la dinámica del instrumento de referencia y la alineación de las marcas de tiempo. El intervalo entre un comando de enfriamiento y una lectura modificada combina los efectos del actuador, del transporte de aire y de la medición; ese intervalo por sí solo no puede identificar cada contribución.

Conserve el valor antes y después del filtrado

Si el control aplica una media móvil u otro filtro, registre tanto la salida adquirida del instrumento como la entrada de control procesada. La salida adquirida puede ya incluir procesamiento interno. Conserve también los ajustes del filtro.

Para extender el Lab anterior, use T_m-T_{sp} como error PI mientras conserva la temperatura verdadera T del modelo para la evaluación. Cuente por separado el tiempo fuera de banda para la temperatura medida y la real. El cálculo aquí no tiene lazo de retroalimentación, por lo que no hace ninguna afirmación numérica sobre la oscilación resultante ni sobre un sobreimpulso adicional.

En una instalación real, la temperatura verdadera no está directamente disponible. Las mediciones de referencia independientes también conllevan incertidumbre; documente el instrumento de referencia, la posición y la información de calibración al reportar una comparación.

Trate la temperatura y la HR como un par

La humedad relativa expresa la presión de vapor en relación con la presión de vapor de saturación a la temperatura correspondiente. Para los cálculos de VPD, use temperatura y HR que representen el mismo aire y alinee sus marcas de tiempo. Combinar la temperatura del estante con la HR del aire de suministro no mide la VPD del estante.

Una sonda de humedad calentada requiere distinguir la región de detección calentada del aire ambiente. La nota de Vaisala sobre sondas calentadas describe el uso de una medición adicional de temperatura ambiente para obtener la HR ambiente. Siga la especificación de salida del instrumento seleccionado en lugar de tratar la salida de toda sonda calentada como temperatura y HR de la zona de cultivo.

Al suministrar valores al Lab de VPD, distinga un cálculo de temperatura del aire de un cálculo hoja-aire que use temperatura foliar. Sin una medición de temperatura foliar, no etiquete el resultado basado en el aire como una condición foliar medida.

Mantenga separados calibración, ajuste y relevamientos de ubicación

La nota de calibración de Vaisala distingue la comparación con una referencia del ajuste de un instrumento. La concordancia en un punto no verifica todo el rango de operación. Elija puntos de comparación y límites de aceptación teniendo en cuenta el rango de operación y la incertidumbre de la referencia.

Registre el ID del instrumento, la lectura previa al ajuste, la lectura de referencia, las condiciones de estabilización y la fecha. Si se realiza un ajuste, añada los cambios de configuración y la comparación posterior. Descartar la discrepancia original dificulta evaluar los registros de cultivo anteriores.

Que dos instrumentos coincidan no descarta un sesgo compartido. La calibración tampoco establece que la posición instalada represente la zona de cultivo. Complete la comparación de instrumentos y el relevamiento de ubicación como tareas separadas.

Defina el registro que se pasa al control

Los siguientes campos son una propuesta de diseño de registro, no un conjunto de datos medido.

Mantener la última lectura durante un fallo de comunicación puede producir una visualización engañosamente plana. Pase la antigüedad y la validez de la muestra junto con el valor. Defina el límite de datos obsoletos y la acción de control resultante para el equipo y el cultivo reales, y luego verifique ese comportamiento durante la puesta en marcha.

Antes del siguiente experimento, investigue las diferencias entre instrumentos mediante colocación conjunta, las diferencias espaciales mediante un relevamiento de ubicación y la latencia desde la adquisición hasta la entrada de control. En conjunto, esos registros respaldan la decisión de cambiar el controlador o mejorar el proceso de medición.

Lab de respuesta de enfriamiento — separar el comando PI del enfriamiento entregado

Igual capacidad de enfriamiento no significa igual respuesta

La comparación de control acoplado anterior asumía que un cambio de comando modificaba de inmediato la capacidad de enfriamiento y secado. Este experimento aísla el enfriamiento sensible y deja que la capacidad entregada siga al comando de forma gradual. Es un modelo sintético de sala, no una instalación de cultivo medida.

En las mismas 12 horas, aumentar la constante de tiempo del actuador de cero a 900 segundos cambia el error absoluto integrado de temperatura de 2,287 a 4,351 K·h y la temperatura mínima de 23,419 a 23,044 °C. Ambos casos permanecen dentro de la banda elegida de 23–25 °C. Por eso, una simple verificación de banda de aprobado/reprobado oculta una diferencia sustancial en la respuesta.

Diagram 2 · Use the button to switch views

Figura: Duskcoil, generada a partir de la simulación en Python distribuida. La traza roja de 1800 segundos es un caso de esfuerzo. La banda es un supuesto experimental, no una recomendación de cultivo.

Un experimento deliberadamente más pequeño

Este es un experimento independiente para aislar la respuesta del actuador, no una repetición de un solo parámetro del modelo acoplado anterior. Excluye la humedad, la transpiración, el recalentamiento del deshumidificador y el CO₂. Todos los casos usan 22 °C de aire exterior, 800 W de calor de fondo y 8000 W adicionales de calor sensible relacionado con la iluminación entre las horas 2 y 8. Los 8000 W no son una estimación de la demanda eléctrica de iluminación.

El proyecto de separación sensible/latente del DOE describe tecnología que gestiona las cargas de temperatura y humedad por separado. Este modelo de sala no reproduce ese equipo; el control de humedad y la electricidad requieren modelos y evaluaciones adicionales.

Dé variables separadas al comando y a la salida entregada

Defina el error de modo que una temperatura por encima del punto de ajuste aumente el enfriamiento. La salida PI recortada a 0–1 es el comando u. El enfriamiento entregado como fracción de la capacidad máxima es a.

Esto es un retardo de primer orden. Bajo un comando constante, una constante de tiempo cubre aproximadamente el 63,2 % del cambio solicitado. Una constante de tiempo de 900 segundos no significa que no ocurra nada durante 900 segundos: eso sería tiempo muerto. La salida entregada comienza en cero; solo el caso de constante de tiempo cero sigue el comando de forma instantánea.

La sala usa un balance de calor sensible:

El código mantiene el comando durante cada intervalo de diez segundos y calcula analíticamente el punto final del actuador y la media del intervalo. La temperatura de la sala usa Euler hacia adelante con el enfriamiento promediado en el intervalo. Esto evita contar la tasa de enfriamiento del punto final como si se hubiera entregado durante todo el intervalo.

El controlador PI usa integración condicional: congela la integral cuando el comando no restringido supera su límite superior y el error lo empujaría más hacia la saturación, pero permite la integración que libera la saturación. MathWorks distingue este método del seguimiento de la salida real del actuador. Aquí solo se implementa la integración condicional; por sí sola no compensa la dinámica del actuador.

Compare métricas en el mismo intervalo

El error absoluto integrado acumula |T-T_{sp}|, de modo que las desviaciones cálidas y frías no pueden cancelarse. La duración en banda y el error usan la temperatura al inicio de cada intervalo: son aproximaciones de diez segundos. Los mínimos y máximos incluyen todos los puntos finales de la grilla, incluidos el estado inicial y el final.

Al apagarse las luces, la entrada de calor sensible cae de inmediato mientras que el enfriamiento entregado decae gradualmente. Compare la salida restante del panel inferior tras la disminución del comando con la incursión fría del panel superior. Un mayor calor de enfriamiento no puede interpretarse directamente como mayor electricidad o costo: no hay modelo de COP de enfriamiento, bomba ni ventilador.

Ejecute y luego cambie una condición

Extraiga el ZIP reproducible en un directorio vacío. El cálculo y las pruebas requieren solo la biblioteca estándar de Python; la validación usó Python 3.12.

python3 reproduce.py
python3 -m unittest -v
python3 experiment.py config.json --tau 900 --csv trace-local.csv
python3 experiment.py config.json --tau 1800

reproduce.py verifica los hashes de los archivos distribuidos y recalcula los casos guardados de 0, 300 y 900 segundos. La exportación a CSV se niega a sobrescribir un archivo existente. La fila final del CSV lleva el comando retenido precedente; no representa una nueva actualización de control en el punto final.

Descargas individuales: configuración, código fuente del cálculo, resultados de referencia, resultado de 1800 segundos, CSV de 900 segundos y manifiesto.

Primero pruebe 1800 segundos sin cambiar las ganancias. Pasa 3,650 horas fuera de banda. Esto significa el incumplimiento del criterio de aceptación elegido, no una divergencia ni un fallo demostrado del equipo. Luego vuelva a 900 segundos y cambie dt_s a 5 para inspeccionar los efectos de discretización. Cambiar todas las condiciones a la vez oscurece la causa de la mejora.

La corrección numérica y la idoneidad para la instalación son verificaciones distintas

Diez pruebas cubren la respuesta analítica de primer orden, la subdivisión de intervalos, los límites del actuador, la congelación/liberación de la integral, la solución conocida de calor constante, el residuo del balance de calor, los resultados de referencia, la entrada inválida, la convergencia al reducir el paso a la mitad y la violación de banda del caso de esfuerzo. En los tres casos estándar, reducir el paso de diez a cinco segundos a la mitad cambia los extremos, el error absoluto y el calor de enfriamiento en menos de 0,03 °C, 0,03 K·h y 0,03 kWh respectivamente. La convergencia numérica no establece que los parámetros sintéticos representen una instalación.

Para una instalación real, recopile historiales de comandos y mediciones que permitan estimar el enfriamiento entregado, y luego separe los datos de identificación y validación. El retardo del sensor, los tiempos mínimos de funcionamiento, la operación escalonada, el tiempo muerto y el acoplamiento con la humedad son extensiones adicionales. Los puntos de ajuste de cultivo, el riesgo de enfermedad y los porcentajes de ahorro de energía no son resultados de este experimento.

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Sensores de temperatura y humedad examina la ubicación, la respuesta de medición y la calibración antes de pasar las lecturas al control.

Lab de control acoplado — comparar ON/OFF y PI bajo perturbaciones idénticas

Comience con el resultado

Bajo las mismas 24 horas sintéticas, PI reduce la variación total del actuador de 34,0 a 2,853 y la remoción de enfriamiento de 182,233 a 178,854 kWh. Pero la violación de temperatura aumenta de 7,95 a 10,02 h, y el enfriamiento simultáneo con recalentamiento del deshumidificador aumenta de 9,37 a 14,65 h. Esta ejecución no establece que PI sea superior.

Diagram 3 · Use the button to switch views

Diagrama: Duskcoil. Límite de sistema compartido para la comparación de controladores.

Condiciones compartidas

Los balances térmico y de humedad se combinan con solo dos estados: la temperatura de la sala T y la masa de vapor m_v. El clima, los LED, la transpiración prescrita, el estado inicial, el paso de 60 segundos, los 14 kW de enfriamiento y los 2,5 kg/h de secado son idénticos. El deshumidificador sintético devuelve 1,8 kW de calor sensible al interior. El CO₂ sigue siendo independiente.

Los interruptores de histéresis operan alrededor de 24 ± 0,5 °C y 65/75 % HR. Las salidas PI se saturan en 0–1 y usan anti-windup condicional. Las ganancias son sintéticas, no ajustes de equipo calibrados.

Como explican las indicaciones del DOE, el control sensible y latente puede implicar sobreenfriamiento y recalentamiento. Una menor energía por sí sola no resuelve el diseño cuando aumentan las violaciones o el funcionamiento simultáneo.

Ejecute y verifique

Extraiga el ZIP:

python3 experiment.py config.json > result.json
python3 -m unittest -v

Vea config.json, expected.json y experiment.py. Ocho pruebas cubren ambos controladores, el determinismo, los residuos de energía/agua y las entradas inválidas.

Antes de ajustar las ganancias, fije las bandas de aceptación, los pesos de las métricas, los límites de operación simultánea, la conversión eléctrica y los retardos del actuador. El despliegue real debe separar los datos de identificación y validación. Este artículo no proporciona parámetros de cultivo, ahorros reales de equipo ni una garantía de superioridad de PI.

El seguimiento de respuesta de enfriamiento separa el comando de la salida de enfriamiento entregada y varía únicamente la constante de tiempo del actuador.

Referencias

• Grid-interactive Efficient Buildings: HVAC (DOE de EE. UU.)
• The Hobby Greenhouse (Extensión de la Universidad Estatal de Oklahoma)