Doctorado en Ingeniería Agrícola y Uso Integral del Agua

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https://repositorio.chapingo.edu.mx/handle/20.500.12098/934

El posgrado hace énfasis en una sólida formación analítica, lógica y matemática de sus estudiantes, para proponer soluciones formales a problemas del campo mediante la aplicación de métodos estadísticos, modelos matemáticos e inteligencia artificial.

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    Redes neuronales artificiales para estimar y predecir variables climatológicas relacionadas con la evapotranspiración de referencia
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2010-12) Cervantes Osornio, Rocío ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Vázquez Peña, Mario Alberto ; Ojeda Bustamante, Waldo ; Quevedo Nolasco, Abel
    El objetivo general del presente trabajo fue realizar una comparación de metodologías convencionales con modelos de RNA para estimar presión real de vapor de agua, radiación global diaria y evapotranspiración de referencia. Los datos usados para dicha comparación fueron de cuatro estaciones del DR075 Valle del Fuerte, estado de Sinaloa, México. También se llevó a cabo una revisión de literatura del uso de redes neuronales artificiales (RNA) en la estimación de variables climáticas relacionadas con la agricultura. La cantidad de agua requerida para compensar la pérdida por evapotranspiración del cultivo se define como necesidades hídricas del cultivo. Sobreestimar la evapotranspiración resulta en desperdicio de grandes cantidades de agua que repercuten en los rendimientos de los cultivos, por otro lado, subestimar la evapotranspiración repercute en estrés hídrico para las plantas. Por tanto, se necesita conocer con precisión cuanto regar anticipadamente. Los agentes meteorológicos que afectan a la ET0 son las variables temperatura, radiación global, humedad relativa y velocidad del viento, donde la ET0 se calcula a partir de estos. En el desarrollo de este trabajo de tesis se observó que las redes neuronales artificiales mostraron ser una excelente herramienta de estimación y/o predicción de las variables: presión real de vapor de agua, radiación global y evapotranspiración de referencia. Específicamente la red neuronal radial basis function mostró sistemáticamente mejor desempeño que la feedforward backpropagation. En la revisión de literatura se observó que se ha hecho bastante trabajo en estimación y/o predicción de las variables mencionadas previamente con las RNA feedforward backpropagation y radial basis function, pero durante el desarrollo de este trabajo, se observó también que existe carencia de investigación en la estimación de variables climáticas con redes neuronales dinámicas, y es ahí donde se vislumbra el futuro de la investigación, y la investigación se encamina también en la mejora de algoritmos para no desperdiciar espacio de almacenamiento en la terminal cuando se trabaja con redes neuronales artificiales.
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    Design of automatic food dosing and oxygenation for a carp recirculating aquaculture system (RAS)
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2011-11) Mohamed Aly, El-Messery Wael ; Han Schlam, Fedérico Félix ; López Cruz, Irineo Lorenzo ; Hernández Eugenio, Guadalupe ; Figueroa Lucero, Gerardo
    During the past years the trend to move from conventional open systems to high density and highly productive recirculation aquaculture systems (RAS) was observed for its advantages. Recirculating aquaculture systems was poorly applied in Mexico, and the majority of its components were imported. The main objectives of the present study was to design and evaluate each component of a recirculating aquaculture system under local Mexican conditions, solids separator was evaluated obtaining optimum operations factors of water level in fish tank 90 cm and 2.54 cm of tank base diameter. Four suitable aerators locally designed for RAS was evaluated for choosing the máximum aeration efficiency (AAE). Spray column aerator records the highest AAE of 1.075 kgO2/kW hand oxygen transfer rate of 23.04 gO2/h. Tezontle (Volcanic sand) as an alternative media for the biostrata for its higher cost in biofilters was studied. Total ammonia nitrogen removal efficiency was 64.5 % and 73.4 % for the Tezontle and Bio-strata respectively, so the Tezontle can substitute the biostrata as an alternative media for the biofilter for its lower cost. The oxygen budgets in RAS was studied realizing one model to calculate aeration requirements and aerator size for whatever RAS producing mirror carp. Recirculating aquaculture system to preserve water; the total water used during the growing season to produce 18 kg/tank was 4666.55 liter of water. An automatic feeder was designed to provide predetermined amounts of food at controlled feeding times; food conveying was studied optimizing energy consumption.An intelligent instrumentation system monitoring and control three fish tanks with one galvanic dissolved oxygen probe and its transmitter. Peristaltic pumps extracted water from each tank without adding oxygen to the sample and dissolved oxygen measurements were auto-calibrated and statistically diagnosed.
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    Detección y estimación de la salinidad de aguas residuales utilizadas en riego por espectroscopía infrarrojo cercano
    ( 2012-06) Ontiveros Capurata, Ronald Ernesto ; Diakite Diakite, Lamine ; Álvarez Sánchez, María Edna ; Coras Merino, Pablo ; Ramírez Ayala, Carlos
    Las propiedades espectrales de las principales sales encontradas en las aguas residuales fueron estudiadas para determinar sus impactos sobre las bandas de absorción del agua en la región del infrarrojo cercano con la finalidad de evaluar cuantitativamente el contenido de sales de estas aguas residuales. Noventa muestras de aguas residuales provenientes de los tres principales canales de drenaje de la Zona Metropolitana de la Ciudad de México (ZMCM) fueron analizadas para determinar el contenido de cationes (Ca+2, Mg+2, K+1, Na+1) y aniones (CO3-2, HCO3-1, SO4-2 y Cl-1) mediante métodos convencionales de análisis químico conforme a las Normas Mexicanas vigentes. Las soluciones estándar requeridas para la calibración del modelo de predicción del contenido de sales fueron preparadas sobre la proporción de los cationes Ca:Mg:K:Na medidos. Simultáneamente se tomaron las firmas espectrales de las muestras de aguas residuales y de la solución estándar preparada mediante un espectroradiómetro ASD (FieldSpect3) portátil de alta resolución. El modelo que relaciona la absorbancia con la concentración de sales fue obtenido mediante regresión múltiple de componentes principales de las firmas espectrales (RCP) usando el software The Unscrambler de CAMO. La validación del modelo en aguas residuales reporta una adecuada precisión en la predicción de la salinidad (R2= 0.89). El ajuste del modelo fue mejor en soluciones con alta concentración. Estos resultados permiten implementar esta técnica en el uso de imágenes hiperspectrales para la detección y cuantificación de la salinidad de cuerpos de agua y suelos tanto en distritos riego como en regiones áridas y semiáridas.
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    Relaciones lluvia-escurrimiento en la cuenca del río Coatán, Chiapas, México
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2013-10) Alonso Sánchez, Homero ; Ibañez Castillo, Laura Alicia ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Vázquez Peña, Mario Alberto ; Chávez Morales, Jesús
    El objetivo principal de este trabajo fue estudiar las relaciones lluvia escurrimiento en la Cuenca del Río Coatán, una de las cuencas pioneras del monitoreo en México, donde los asentamientos en las partes bajas han sido víctimas de recientes desastres por la crecida de sus ríos. Con información de los años 2010 y 2011 de cuatro microcuencas de monitoreo establecidas por la CONAGUA en la parte baja media y alta de la cuenca, se trabajó con hidrogramas unitarios sintéticos (métodos de Snyder y del SCS), se identificaron los Números de Curva de escurrimiento a partir de mediciones, también se identificaron los usos de suelo con imagen Spot V, y mediante la técnica de análisis espacial, se extrapolaron los parámetros encontrados a las subcuencas para poder alimentar el modelo hidrológico HEC-HMS. De los hidrogramas unitarios sintéticos se encontró que el de Snyder tuvo menor error en los gastos pico estimados que el triangular del SCS respecto a los gastos unitarios máximos medidos, también se identificaron los coeficientes de Snyder Cp y Ct. Los números de curva identificados a partir de mediciones resultaron más conservadores, es decir, los valores de tablas los sobreestimaron. El modelo HMS se corrió como cuenca no instrumentada y con los parámetros obtenidos a partir de las mediciones. Se modelaron dos eventos extremos: 4 de octubre de 2005 y 11 de octubre de 2011. En ambos eventos la modelación empírica sobreestimo la modelación con parámetros medidos bajo un programa de monitoreo.
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    Técnicas de inteligencia artificial en modelado y control del clima en invernaderos
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-01) Trejo Zúñiga, Elmer César ; López Cruz, Irineo L. ; Ramírez Arias, J. Armando ; Fitz Rodríguez, Efrén ; Gordad Close, Jhon Ch.
    En esta tesis, se analizan algunas Técnicas de Inteligencia Artificial (TIA) aplicadas principalmente al modelado y control del ambiente de invernaderos. El modelo para crecimiento potencial de cultivos SUCROS (a Simple and Universal CROp growth Simulator) fue calibrado usando algoritmos evolutivos y bio-inspirados. Las TIA, tales como: Logica difusa (FL), Redes Neuronales Artificiales (ANN), Algoritmos Evolutivos (EA), Algoritmos Bio-inspirados y Algoritmos Híbridos, han cobrado una importancia relevante dentro de la investigación científica, debido a su capacidad para dar solución a problemas complejos y no-lineales que los métodos convencionales no pueden resolver. En la última década se ha dado énfasis a la aplicación de estas técnicas para el desarrollo de algoritmos inteligentes que permitan identificar, pronosticar, optimizar y controlar el clima para cultivos en ambientes controlados (invernaderos) y generar condiciones climáticas cercanas a las óptimas para el crecimiento y desarrollo de los cultivos y obtener así un mayor rendimiento y calidad de productos. De acuerdo a lo antes dicho, se presenta un resumen de algunas aplicaciones de la inteligencia artificial en modelado y control del ambiente en invernaderos poniendo énfasis en los resultados obtenidos por los investigadores. La calibración de modelos dinámicos para crecimiento y desarrollo de cultivos con muchos parámetros, genera estimaciones imprecisas de estos y predicciones erróneas del modelo cuando se usa estimación por mínimos cuadrados o máxima verosimilitud. Por lo tanto, es necesario el uso de métodos globales de optimización para resolver este problema. Para mostrar lo anterior, se realizó una comparación del desempeño entre dos algoritmos evolutivos: Evolución diferencial (DE) y Estrategias evolutivas con matriz de covarianza adaptable (CMA-ES) y cuatro bio-inspirados: Búsqueda Cuco (CS), B ´ búsqueda Cuco Modificado (MCS), Optimización por enjambre de partículas (PSO) y Colonia artificial de abejas (ABC). El problema prueba consistió en estimar los 25 parámetros del modelo para crecimiento potencial de cultivos SUCROS (a Simple and Universal CROp growth Simulator). Se usaron datos obtenidos de un experimento de crecimiento de un cultivo de tomate de cáscara (Physalis ixocarpa Brot. ex Horm.) llevado a cabo en Chapingo, México. El objetivo fue determinar qué algoritmo genera valores para los parámetros del modelo que permitan lograr las predicciones más precisas. Se realizó un análisis de varianza (ANDEVA) para evaluar estadísticamente la eficiencia y efectividad de los algoritmos propuestos. Las variables de entrada del modelo fueron la temperatura mínima diaria, temperatura máxima diaria y la radiación global. Siendo las variables de salida (estimadas) el peso seco total, peso seco de tallos, peso seco de frutos, peso seco de hojas e índice de área foliar. Los resultados mostraron un mejor desempeño del algoritmo DE estándar (DE/rand/1/bin) en términos de eficiencia y eficacia para converger a una solución óptima. Los algoritmos bio-inspirados mostraron un buen desempeño, debido a esto, son confiables y pueden ser aplicados en el proceso de estimación de parámetros de modelos de cultivos.
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    Modelación matemática y análisis del ambiente de un invernadero con ventilación natural
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-01) Ruíz García, Agustín ; López Cruz, Irineo L. ; Ramírez Arias, J. Armando ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Fitz Rodríguez, Efrén
    El objetivo general fue desarrollar, analizar y validar un modelo matemático dinámico para el clima de un invernadero con ventilación natural para climas templados del centro de México, para ser usado en el diseño de algoritmos de control basado en modelos y en optimización del invernadero. El modelo propuesto describe la dinámica de la temperatura y humedad del aire, e incorpora submodelos para los procesos de transpiración del cultivo y ventilación natural del invernadero. Cuatro modelos matemáticos de transpiración, incluyendo Stanghellini, Wang & Boulard, Baille y Jolliet, fueron calibrados y validados en términos de precisión en la estimación. El modelo de Jolliet mostró el mejor desempeño. Para estimar las tasas de ventilación natural, calibrar y validar el modelo desarrollado para el clima del invernadero, se llevó a cabo un experimento en el cual se midieron las variables ambientales en el interior y exterior del invernadero, así como el área de ventilación. Las tasas de ventilación natural fueron estimadas con el método de balance de energía. Las tasas de ventilación fueron en general bajas e insuficientes para lograr las renovaciones de aire recomendadas para tener las condiciones climáticas optimas dentro de un invernadero. Para seleccionar los parámetros del modelo del clima del invernadero a ser estimados se llevó a cabo un análisis de identificabilidad, y los parámetros seleccionados fueron estimados con un algoritmo de computación evolutiva. Las predicciones del modelo calibrado mostraron un buen ajuste con las mediciones. Para mejorar la calidad de las predicciones del modelo dinámico NICOLET, se diseñó un filtro de Kalman sin esencia como método de asimilación de datos. El filtro estimó apropiadamente las variables de estado y mejoró significativamente las predicciones del contenido de nitratos del modelo.
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    Análisis de tracción en tractores agrícolas 4x4
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-02) Morelos Moreno, Alvaro ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio ; Pérez Sobrevilla, Luciano ; López Casteñs, Gilberto de Jesús ; Velázquez López, Noé
    El tractor agrícola 4x4 es un vehículo con tracción en las cuatro ruedas, donde la tracción de las ruedas delanteras es conectada a la tracción de las ruedas traseras por medio de una transmisión. La discrepancia cinemática es un indicador importante de la eficiencia del tractor 4x4 e influye en los gastos de combustible y la productividad. El objetivo de este trabajo es analizar los índices de trabajo del tractor agrícola 4x4 con diferentes condiciones de operación. La metodología consistió en la instrumentación del tractor agrícola y en la investigación teórica y práctica de los índices de trabajo. El tractor agrícola fue instrumentado con sensores para determinar la velocidad de trabajo, las velocidades angulares de las ruedas, la fuerza de tracción, el consumo de combustible, así como el diseño, construcción e instrumentación de un banco para la medición de los radios de rodadura. A partir del análisis de las fuerzas de tracción de las ruedas motrices en la curva, se determinó que los patinajes incrementan en las ruedas traseras y disminuyen en las ruedas delanteras, también fueron definidas las condiciones críticas para desconectar la tracción delantera, cuando el patinaje de las ruedas delanteras se aproxima a cero. La discrepancia cinemática del tractor depende de las variaciones entre las velocidades angulares, los radios de rodadura, los patinajes, las fuerzas de tracción y los torques de las ruedas delanteras y traseras, así como también de los radios de giro y ángulo de dirección al tomar una curva. Fueron definidas las zonas de trabajo del tractor 4x4 para la transmisión entre las ruedas conectada y desconectada, en dependencia de la carga aplicada, la cual fue definida por la profundidad, el ancho y la velocidad de trabajo, lo que permitió mejorar los índices de trabajo, tales como el incremento de la productividad y ahorros de combustible.
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    Trayectoria de un tractor con guiado automático
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-06) Yam Tzec, José Antonio ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio ; López Casteñs, Gilberto de Jesús ; Pérez Sobrevilla, Luciano ; Paneque Rondon, Pedro
    Los tractores agrícolas guiados automáticamente son tractores convencionales que se encuentran equipados con sistemas de geo-posicionamiento, sensores y actuadores que permiten programar su trayectoria. Se modeló un conjunto agrícola, se simuló la trayectoria y se realizaron pruebas en campo con un tractor Massey Ferguson 592T, al cual le fue instalado el sistema de guiado automático EZ-Steer 250 de Trimble® con el objetivo de comparar la precisión del modelo y evaluar la eficiencia del sistema de autoguiado en campo. Los resultados obtenidos en la modelación reportan una media del error en la trayectoria de 0.087 y una Desviación estándar de 0.18, con relación a las trayectorias realizadas con el tractor Massey Ferguson 592T se obtiene que con el uso del sistema de guiado EZ-Steer® en trayectoria lineal y con un sistema de corrección diferencial, se reportan errores promedio de 2.2 cm sobre la trayectoria predeterminada. Las características de las trayectorias obtenidas en campo mostraron que los errores o desviaciones laterales en la trayectoria lineal aumentaron de 4 hasta 10 cm al cambiar la velocidad de 5 a 9 km h-1; y para el caso de la trayectoria en pivote central las desviaciones laterales variaron de 6 hasta 15 cm, sin diferencias significativas estadísticamente (P≤0.05). Los tratamientos que corresponden a las trayectorias sin corrección diferencial presentaron errores de hasta 90 cm, encontrando diferencias significativas con el tratamiento testigo sin implemento agrícola (P≤0.05). Se encontró una trayectoria óptima con un error de 7.5 cm cuando el tractor circula a velocidades de 5 km h-1 con implemento agrícola.
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    Desarrollo de un implemento agrícola para mejorar la aireación y la humedad del suelo
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-09) Peña Peralta, Miguel Ángel ; Romantchik Kriuchkova, Eugenio ; Pérez Sobrevilla, Luciano ; Morelos Moreno, Álvaro ; Paneque Rondón, Pablo
    La aireación y humedad del suelo son elementos esenciales para el crecimiento y desarrollo de las raíces de los cultivos, y su disponibilidad se reduce debido a la compactación del suelo, la cual es reflejada por el incremento en la densidad del suelo y la reducción de los espacios porosos. La labranza vertical es un tipo de labranza de conservación que mejora la aireación y la infiltración del agua de lluvia en el suelo sin voltear el prisma del suelo para no degradar su estructura, como sucede en la labranza convencional. En este trabajo se diseñó y construyó un rodillo aireador para mejorar la aireación del suelo e incrementar la infiltración del agua de lluvia en el suelo. Se desarrollaron las ecuaciones que describen 1) la cinemática de la rotación del rodillo aireador con el avance del tractor, 2) la relación esfuerzo-deformación y la deflexión de los elementos de corte, y 3) las propiedades físicas del suelo, tales como la humedad, densidad aparente, espacio poroso, compactación y difusión del oxígeno en el suelo. El rodillo aireador consistió de cuchillas metálicas de geometría triangular, montadas en discos portacuchillas en un eje solido de acero, el cual fue fijado a un chasis acoplado al enganche de tres puntos de un tractor MF-592T. El implemento fue evaluado en diferentes condiciones de humedad del suelo, velocidad de trabajo, tipo de cuchillas y carga vertical adicional. El rodillo aireador incrementó la humedad, la porosidad total y la tasa de difusión del oxígeno. Las cuchillas de geometría asimétrica presentaron un mejor desempeño que las cuchillas simétricas, cuya mayor rigidez las hace más susceptibles a presentar fatigas y rupturas por las condiciones cíclicas de operación. La penetración apropiada de las cuchillas en el suelo se logró a una velocidad de 3 km h-1 con una carga adicional de 200 kg.
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    Fundamentación de los modos y regímenes de vibración del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo del mango (Mangifera indica L.) de la cosecha selectiva del mango
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-09-30) Mayans Céspedes, Pedro Ramón ; López Casteñs, Gilberto de Jesús ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio ; Pérez Sobrevilla, Luciano ; Paneque Rondón, Pedro
    El mango es la fruta tropical más comercializada en el mundo después del aguacate y el plátano, siendo México el principal exportador y tercer productor del mundo. A pesar de la alta demanda de este frutal la cosecha se realiza manualmente. El presente trabajo tiene como objetivo determinar las propiedades físicomecánicas del sistema fruto-pedicelo-pedúnculo del mango de la variedad Manila, en tres estadios de maduración, las cuales se utilizan como datos de entrada para aplicar la modelación matemática y obtener los regímenes óptimos de vibración para el desprendimiento selectivo de los frutos. Las muestras se tomaron de una parcela experimental localizada en Ídolos, Veracruz; se elaboró una metodología y se construyeron los dispositivos para obtener los valores medios de las dimensiones del fruto y el pedicelo, propiedades inerciales de los frutos, propiedades elásticas del pedicelo y el momento flector de desprendimiento del fruto. La prueba de Tukey indica que para el 95% de nivel de significación existe diferencias entre los valores medios de las propiedades objeto de estudio para frutos maduros, con maduración fisiológica y verde, siendo un aspecto que favorece la cosecha selectiva de los frutos. Se obtuvieron las respuestas de frecuencias del desplazamiento lineal, ángulo de giro, momento flector y fuerza de tracción en los tres niveles de maduración, observándose separación en las frecuencias de resonancia entre frutos maduros y verdes, lo que constituye una fortaleza para la cosecha selectiva de los frutos. En el primer módulo de vibración es suficiente una amplitud de 10 mm para desprender sólo los frutos maduros en un ancho de banda de 14.3 Hz (27.5–41.8 Hz), los frutos verdes comenzarían a desprenderse a partir de los 56 Hz, lo que le da mayor argumento a la cosecha selectiva del mango. En un módulo de vibración en contrafase se amplía aún más la separación entre las frecuencias de resonancia de los frutos maduros y verdes, estos se producen a valores de frecuencias de vibración más altas, lo que dificulta obtenerlo por medios mecánicos. El análisis modal y el de respuesta de frecuencia de aplicación del sistema se realizaron por elementos finitos.
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    Modelación del sistema de descascarado y limpieza de un prototipo descascarador estacionario de cápsulas de higuerilla (Ricinus communis L.)
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-12) Cruz Mesa, Pedro ; García Silva, Samuel ; López Casteñs, Gilberto de Jesús ; Márquez Rosano, Conrado ; Cervantes Osornio, Rocío
    El objetivo del presente trabajo es modelar el proceso de descascarado y la limpieza de un prototipo descascarador de las cápsulas de higuerilla (Ricinus communis L.). Dos bancos de pruebas se construyeron e instrumentaron para evaluar el comportamiento de los sistemas principales del prototipo. Tres modelos matemáticos se desarrollaron para el dispositivo descascarador: la eficiencia del descascarado de las cápsulas, la cantidad de grano no descascarado y el grano dañado. Los modelos fueron validados con los datos experimentales a 120 rpm. La variable utilizada fue la holgura del disco y el cóncavo. El modelo de la predicción de la eficiencia del descascarado de las cápsulas y el grano no descascarado se ajustaron apropiadamente al valor experimental (R2 = 93%) y error estándar de 4.74. Mientras que el modelo de predicción del grano dañado se ajustó adecuadamente al experimental (R2= 95%) con un error estándar de 0.39. El ducto para el sistema de limpieza es muy importante, debido a que el diseño correcto debe asegurar una distribución homogénea del caudal del aire y el material. El análisis numérico se realizó mediante la técnica de la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), para determinar la velocidad mínima adecuada. Los modelos k-epsilon y DPM (Modelo de fase discreta) se utilizaron para el análisis de la mezcla aire y grano-cáscara como un flujo en fase diluida. La comparación de los resultados experimentales y los computacionales mostró una buena concordancia cualitativa y cuantitativa (R2= 82%) en el perfil de la velocidad a un nivel de significancia del 5%, con error estándar de 0.82. La velocidad estimada y experimental fue 5.98 ± 1.85 y 5.09 ± 1.63 ms-1 respectivamente. Además, en CFD se identificaron los puntos críticos en la entrada de la mezcla al ducto, que coincide con lo observado en pruebas realizadas sobre el banco de ensayos, por lo cual se tiene que aumentar el ángulo de reposo de la caja de vacío para la construcción del nuevo prototipo.
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    Análisis del comportamiento de la estructura de un invernadero con ventila cenital
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2014-12) López Bautista, Vicente ; Villaseñor Perea, Carlos Alberto ; López Casteñs, Gilberto de Jesús ; Carrillo García, Mauricio ; Cervantes Osornio, Rocío
    Los invernaderos se deben diseñar de acuerdo a normas en vigor o considerando las condiciones climáticas de la zona; es probable que la estructura diseñada para un país específico no cumpla la eficiencia estructural de un país diferente. En este trabajo se evaluó la capacidad estructural de un invernadero con ventila cenital, en su pórtico más limitativo, esa variante es típica en la región central de México. Se aplicó el Método de los Elementos Finitos (FEM) a un modelo tridimensional con el programa ROBOT V. 2014. Obteniéndose las tensiones que se producen en los diferentes elementos, a partir de un estado combinado de cargas. Para el caso de columnas y cuerda inferior las tensiones son superiores a las admisibles, por lo que se recomienda emplear perfiles de mayor sección, o la incorporación de otros elementos estructurales. La aplicación de estas herramientas ingenieriles ayudaría a garantizar la seguridad mecánica de la estructura de invernaderos y su optimización. Previamente se realizaron estudios de la carga de viento y la caracterización del material. En túnel de viento con un modelo a escala fueron estimados coeficientes de presión y la carga aerodinámica. Además, se realizó una visualización del comportamiento del flujo de aire utilizando inyección de humo y simulación FEM. Resultó que la tendencia de los coeficientes de presión y la visualización del flujo de aire coinciden para esta geometría, los resultados del estudio de la carga del viento se usaron para definir la carga dinámica. Para la caracterización mecánica del acero se llevó a cabo un análisis teórico; un análisis de flexión de una viga en voladizo utilizando probetas del material, en este caso se midieron deformaciones con extensometría eléctrica; también se empleó simulación con ordenador. Las predicciones teóricas indicaron una mayor flexión que la que se presenta en las mediciones experimentales. Encontrándose un valor promedio del módulo de Young no coincidente con los valores estándares. Como resultado del ensayo experimental, el desplazamiento del eje neutro es mayor en las probetas sin soldadura, lo cual concuerda con la simulación FEM. Los valores de las constantes encontradas se emplearon en el software utilizado para determinar las tensiones.
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    Modelación mediante dinámica de fluidos computacional 3D de la temperatura y humedad en un invernadero con humidificación
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2015-01) Pérez Vargas, Cuauhtémoc
    Los invernaderos instalados en regiones cálidas y templadas usan solamente ventilación natural como método de control de la temperatura y humedad. Sin embargo, en ciertos periodos del año está es insuficiente para extraer el exceso de calor durante los días con altos niveles de radiación. Este control limitado dificulta mantener valores óptimos del clima requerido para el crecimiento y desarrollo de cultivos. Por lo tanto, se requiere usar sistemas de refrigeración con nebulización o humidificación. El objetivo general de esta investigación fue conocer la distribución espacial de la temperatura y humedad mediante experimentación y modelación con dinámica de fluidos computacional (CFD) en 3D de un invernadero ventilado naturalmente y equipado con humidificadores. Primero se determinó la porosidad, la permeabilidad y el factor inercial de las mallas anti-insectos usadas en las ventanas del invernadero. Posteriormente, estas características geométricas y aerodinámicas junto con mediciones ambientales experimentales internas y externas fueron usadas como condiciones de frontera en el modelo CFD-3D. Además, se usaron los modelos de turbulencia k-ε, de flotabilidad, de radiación DO, de medio poroso, de transporte de especies y de fase discreta. La transpiración del cultivo fue calculada con el modelo de Baille. Se estimó que las mallas anti-insectos reducen la tasa de ventilación natural desde un 21% hasta un 50%. El modelo CFD 3D describió satisfactoriamente la temperatura y humedad del invernadero estudiado ya que los porcentajes del error en las simulaciones con cultivo fueron de 0.11–3.43% para temperatura y 0.44–10.80% para humedad, respectivamente. Por otro lado, el porcentaje del error en las simulaciones sin cultivo fueron de 2.72–14.47% para temperatura y 5.89–23.56% para humedad, respectivamente. Además, el uso de humidificadores mejoró la distribución espacial de la temperatura y humedad del invernadero, aunque sus valores más grandes se presentaron en la parte central del mismo.
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    Modelo hidrológico de onda cinemática de la cuenca del río turbio, Guanajuato, México
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2015-10) Vargas Castañeda, Gregorio ; Ibañez Castillo, Laura Alicia ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Arévalo Galarza, Gustavo ; Becerra Moreno, Antonio
    Entre los fenómenos naturales que afectan a las poblaciones en forma de desastres, las inundaciones representan en México alrededor de dos terceras partes de los mismos y, además de los daños directos a la salud y economía de las personas también afectan a la economía nacional al requerirse grandes cantidades de dinero para apoyar la recuperación de las zonas afectadas. En la cuenca del río Turbio que comprende parte de los estados de Jalisco y Guanajuato se han presentado diversas inundaciones tanto en áreas rurales como urbanas en las recientes 4 décadas, siendo la más catastrófica la del año 2003. En la presente investigación se emplea como principal propuesta el modelo hidrológico de Onda Cinemática para simular la respuesta de la cuenca en forma de producción de escurrimientos; además con fines comparativos se aplica el modelo del hidrograma unitario del Servicio de Conservación de Suelos con el método de Muskingum para tránsito de avenidas y una combinación de Onda Cinemática con Muskingum, todos ellos incluidos en el programa HEC-HMS. Los resultados obtenidos indican que la combinación Onda Cinemática-Muskingum proporciona el mejor ajuste estadístico confirmado por el índice de Nash-Sutcliffe. Asimismo, que en las subcuencas que incluyen zonas urbanas se produce casi la totalidad de los escurrimientos de la cuenca.
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    Pineapple drying: mathematical modelling and experiments using high-precision system and a greenhouse-type solar dryer
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2015-12) López Cerino Ignacio ; López Cruz, Irineo L. ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio ; Arteaga Ramírez, Ramón ; Rossel Kipping, Erich Dietmar
    The most economical option for preserving agricultural products has been solar drying. However, new knowledge and technology are currently required for drying large quantities of products, where quality and food safety are requirements that dehydrated products must meet. Performance optimization of solar dryers according to the characteristics of the product and the environment is especially required. The main goal in this research was to generate basic knowledge to improve the management of solar drying of pineapple (Ananas Comosus, L.) under greenhouse–type dryers. Two drying experiments were carried out to generate thin-layer models for pineapple fruit. The first used a high-precision laboratory dryer at the University of Hohenheim, Germany. Pineapple drying curves were obtained under constant air temperatures, relative humidity and air velocity. The second experiment was conducted in a greenhouse-type solar dryer at Silpakorn University, Nakhon Pathom, Thailand. Pineapple drying curves were determined under variable conditions of air temperature, relative humidity and air velocity. It was found that the thin-layer mathematical model proposed by Hasibuan and Daud predicts adequately the moisture content measurements of the product in both experiments.
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    Diseño y construcción de un sistema de corte de hojas para la propagación in vitro
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2016-04-08) Cebada Reyes, José Guillermo ; Félix Hahn, Federico ; Romantchick Kriuchkova, Eugenio ; Ruíz García, Agustín ; Rodríguez de la O, José Luis ; Michua Camarillo, Antonio
    En la propagación a través de hojas se considera la porción apical de la planta, es decir, la porción que contiene las hojas jóvenes de un tamaño promedio de 5 a 6 centímetros de longitud, para posteriormente tomar de 5 a 7 trozos de 2cm2 cada uno según la especie. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar un robot cartesiano de tres grados de libertad, dedicada a la disección de hojas, cuya electrónica fue desarrollada usando tecnología Arduino. La interfaz gráfica de usuario fue desarrollada con el software GUIDE-MATLAB creando ventanas interactivas que permite al usuario manipular e interpretar con facilidad el comportamiento del robot. Por otra parte, se evaluó dos herramientas de corte, un cortador vertical y un sacabocados, encontrando que la herramienta tipo sacabocados genera mejores cortes sin presentar desagarres, por el contrario, el cortador vertical presenta desgarros de 1mm. Sin embargo, en este proceso se encontraron problemas de sintonización en la estructura de control PD+, los cuales se solucionaron empleando algoritmos evolutivos y bio-inspirados. Encontrando que las ganancias ajustadas con estos algoritmos, mejoran el comportamiento del sistema. Los algoritmos Cuckoo, JDE y DE son buenos métodos para el sintonizado de ganancias. Este ajuste fue implementado en el controlador para el posicionamiento, visión y seguimiento de trayectoria. Como sistema de identificación de hojas se implementó el algoritmo de Bhargav. Este se basa en la manipulación de colores RGB, que para el caso de hojas de (Philodendron spp, se fijo el espectro a R=1, G=1 y B=0.45. Para asignar un centroide sobre las hojas. Y con la herramienta de corte obtuvimos secciones de 1cm, 2cm de diámetro y 4cm de diámetro, sobre hojas de Helecho (Philodendron spp. Dando pauta como trabajo futuro la evaluación de estos cortes en laboratorio.
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    Co-digestión anaeróbica de chlorella vulgaris libre de aceite y glicerol como alternativa para la producción de metano y ácidos carboxílicos.
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2017-01) Meneses Reyes, José Carlos ; Espinosa Solares, Teodoro ; Hernández Eugenio, Guadalupe ; Balagurusamy, Nagamani ; Robles Martínez, Fabián
    El objetivo de este trabajo fue evaluar la viabilidad técnica usando microalga Chlorella vulgaris extraída de aceite (M) y glicerol (G) en co-digestión con pollinaza (P). Las diferentes proporciones de materia prima M (0 - 30%), G (0 - 3%) y P (67 - 100%) fueron investigadas para determinar la mejor condición en co-digestión bajo condiciones mesofílicas. Según el modelo de Gompertz modificado, se obtuvo el mejor potencial bioquímico de metano (PBM) (131.1 mL CH4 gSValimentados-1) con la triple co-digestión (M-G-P) en una proporción de 30:3:67. Dando seguimiento al estudio, tres mezclas fueron probadas para aumentar la productividad en digestión anaeróbica, usando estado estacionario en reactores de tanque agitado continuo (CSTR, siglas en inglés). Los tratamientos combinados de M-G-P fueron los siguientes: 0:0:100, 30:0:70 y 30:3:67, estos fueron definidos en base a los resultados de las pruebas de PBM. La mejor actividad de metano específica (AME) estadísticamente fue 30:3:67 con 270 mL CH4 gSVañadidos-1, esto confirmó el resultado de PBM obtenido con CSTR. Los CSTR fueron perturbados con una sobrealimentación, el substrato pasó de 3 % sólidos totales (ST) con 30 días tiempo de retención hidráulica (TRH) al 14 % ST con 20 días TRH durante 11 días, esto generó ácidos carboxílicos de cadena media. El tratamiento 30:3:67 obtuvo altas concentraciones de acetato (7.54 g L-1) y propionato (3.3 g L-1), producidos a un pH 7.3 y una tasa de producción de 0.68 g L-1 d-1 y 0.3 g L-1 d-1 respectivamente. Este resultado mostró que la producción de metano y ácidos carboxílicos pueden ser obtenidos a partir de residuos de microalga.
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    Deshidratador híbrido para productos agrícolas: construcción, evaluación y modelación matemática del proceso
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2017-02) Santos Hernández, Alberto Mauricio ; Rojano Aguilar, Abraham ; Ruíz García, Agustín ; Salazar Moreno, Raquel ; Nava Gómez, Gilberto Ángel
    El uso de fuentes alternas de energía para deshidratar alimentos es una opción viable para procesar dichos productos. Sin embargo, estas tecnologías dependen de la climatología del lugar y las características constructivas del equipo, por lo cual se requiere desarrollar dispositivos para controlar el proceso. En la primera etapa de la investigación se construyó y evaluó un deshidratador híbrido portátil, solar-eléctrico, para productos agrícolas, que aprovecha la radiación solar y la convección natural mediante un sistema de calentamiento indirecto del aire, que combina y recircula el calor generado por la radiación y por una calefacción eléctrica. El ingreso del aire es generado por un sistema de ventilación hacia la cámara de deshidratado, donde un control automático estabiliza la temperatura al calentar o enfriar el sistema. Para evaluar el prototipo se deshidrataron hojas de lechuga manteniendo una temperatura constante. Los datos experimentales se utilizaron para estimar el tiempo de deshidratado del producto con base en la modelación matemática del proceso. Con este equipo las hojas se deshidrataron en menor tiempo respecto al método tradicional. Al controlar la temperatura se obtuvo un deshidratado uniforme, independientemente de las variaciones de radiación durante el experimento. El prototipo está dirigido a pequeños y medianos productores, su costo es accesible comparado con otros equipos que cuestan hasta el triple del valor estimado. En el siguiente trabajo se estudió la cinética de deshidratado en hojas de Stevia para nueve condiciones de temperatura, determinando los valores de difusividad efectiva, el factor de Arrhenius y la energía de activación para efectuar el deshidratado. Para estimar el comportamiento del proceso los datos se ajustaron a 8 modelos de deshidratado, donde el modelo Midilli presentó el mejor ajuste estadístico. Finalmente, se obtuvieron los valores de entropía, entalpia y energía libre de Gibbs para deshidratar el producto.
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    Desarrollo de un sistema mecatrónico para el control de los dosificadores de semilla, fertilizante y pesticida de una sembradora – fertilizadora
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2017-02) Torres Sandoval, Julio ; Romantchik Kriuchkova, Eugenio ; López Cruz, Irineo Lorenzo ; López Canteñs, Gilberto de Jesús ; Morelos Moreno, Álvaro
    En las máquinas sembradoras-fertilizadoras, los elementos de mayor importancia que afecta la calidad de aplicación de los insumos son los dosificadores, los cuales para su accionamiento utilizan una rueda motriz y un sistema de transmisión por cadena o engranes, para las máquinas más utilizadas en el campo mexicano. Este tipo de accionamiento se ve afectado por las condiciones del suelo, cubierta vegetal y velocidad de avance de la máquina debido al deslizamiento de la rueda motriz o bloqueo del sistema de transmisión por residuos vegetales, afectando así el funcionamiento de los dosificadores. En algunos países este tipo de accionamiento ha sido reemplazado por sistemas electromecánicos (utilizan motores eléctricos para accionar los dosificadores) e hidráulicos (utilizan motores hidráulicos para accionar los dosificadores) que permiten eliminar esta desventaja. En el presente trabajo se desarrolló un sistema mecatrónico (SM) para el control de los dosificadores de semilla, fertilizante y pesticida de la máquina sembradora-fertilizadora Modelo LC-U-N del fabricante Sembradoras del Bajío S.A. de C.V.; además del desarrollo de la instrumentación y el equipo necesario para la realización de las pruebas de laboratorio de la máquina. El SM está basado en la plataforma de desarrollo Arduino como unidad de procesamiento y control, además de motores de corriente directa para accionar los dosificadores. El SM permite el cambio continuo y en tiempo real de la dosis de aplicación de cada uno de los insumos (semilla, fertilizante y agroquímico), así como el control de la presión de vacío en la cámara de succión del sistema neumático. Los cambios de la dosis de aplicación se logran con el control de la frecuencia de rotación de los dosificadores, utilizando la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM) y el diseño de controladores tipo ProporcionalIntegral (PI) y Proporcional-Integral-Derivativo (PID). Los controladores permiten alcanzar la dosis de aplicación deseada para cada uno de los insumos en un tiempo máximo de 2 s, alcanzando el estado estable en un tiempo máximo de 2.5 s, con errores de la variable de control (frecuencia de rotación) dentro del intervalo del ± 5%, a excepción del dosificador de pesticida que presenta errores dentro del ± 10%. Se logra obtener un desempeño aceptable para los controladores de cada uno de los dosificadores y del controlador de la presión de vacío del sistema neumático de semilla.
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    Desarrollo, análisis y evaluación de un modelo dinámico de crecimiento, transpiración y absorción de nitrógeno para jitomate en invernadero.
    (Universidad Autónoma Chapingo, 2017-10) Martínez Ruiz, Antonio ; López Cruz, Irineo Lorenzo ; Pineda Pineda, Joel ; Ruíz García, Agustín ; Martínez Gutiérrez, Gabino Alberto
    El modelo HortSyst es un modelo en tiempo discreto para describir la dinámica del tiempo fototérmico (PTI), producción de materia seca (DMP), nitrógeno absorbido (Nup), índice de área foliar (LAI) y la transpiración del cultivo (ETc) para cultivos en invernadero. El modelo asume que no existen limitaciones de agua y nutrimentos. Las variables de entrada son la temperatura del aire, humedad relativa, y la radiación global solar diaria. Este modelo cuenta con trece parámetros. Para evaluar la predicción del modelo, se llevaron a cabo dos experimentos en invernadero, durante otoño-invierno y primavera-verano en Chapingo México. Se trabajó con dos cultivos de jitomate (Solanum lycopersicom L.) variedad “CID F1” en sistemas hidropónicos. Las plantas se distribuyeron con densidad de 3.5 plantas m-2. El objetivo de esta investigación fue desarrollar un modelo de cultivo y adaptarlo a invernaderos mexicanos y comparar el rendimiento de este modelo HortSyst con el modelo Vegsyst, también se llevó a cabo un análisis de sensibilidad global usando el método de Sobol para determinar cuáles parámetros fueron más importantes y después se realizó una calibración para encontrar los valores correctos de los parámetros, se usó el método de mínimos cuadrados no lineales y un método heurístico (evolución diferencial), también se llevó a cabo un análisis de incertidumbre para cuantificar la incertidumbre de las predicciones del modelo para ello se aplicó un método frecuentista y el método GLUE. Finalmente, se presentó una propuesta para el uso del modelo HortSyst para el manejo del riego y nitrógeno para jitomate en cultivo sin suelo. Se usaron diferentes estadísticas para juzgar la efectividad del modelo por ejemplo; la raíz del cuadrado medio del error (RMSE), sesgo, la eficiencia de modelación (EF), coeficiente de variación (CV), kurtosis, skewness, etc. el análisis y evaluación del modelo fue exitoso y las estadísticas resultaron aceptablemente. En conclusión el modelo podría ser una buena herramienta para el manejo de los sistemas de producción en invernadero.