随着农业现代化推进,设施农业已成为发展农业现代化基础指标。现代温室能够为作物提供适宜的生长环境,实现作物的高效高质生产。其中,温室的环境调控作为调节作物生长环境的主要手段,是实现现代温室的关键技术之一。对被控对象建立精确的数学模型是传统控制方法的主要形式,建立合理精确的温室环境模型是实现温室环境控制的重要前提。由于温室环境的复杂性,在模型的建立过程中往往含有不确定的参数,因此需要对模型进行参数辨识。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的建模技术,虽然可以模拟温室小气候环境,但CFD计算量大,计算耗时久,因此需要对其进行并行计算。计算以溧阳地区温室大棚为研究对象,建立夏季、秋季、冬季温室小气候环境的CFD模型,在MATLAB与FLUENT协同平台上实现对温室CFD模型的参数辨识,并搭建四种不同并行结构的计算平台,对比得到并行效率最高计算平台,并在此基础上探索了基于CFD模型的温室小气候环境预测控制方法。论文主要研究内容有以下几点:(1)在对温室合理简化的基础上,采集数据,构建夏季自然通风条件下、秋季自然通风条件下、冬季封闭条件下温室小气候环境CFD模型。在FLUENT平台的单机单核、单机多核、多机多核三种运行环境下对夏季自然通风条件下、秋季自然通风条件下、冬季封闭条件下的温室CFD模型分别进行计算,所得温室温湿度分布符合实际,且在单机单核环境下计算耗时300s在单机多核与多机多核的并行环境下计算耗时90s,并行环境下,计算耗时大幅减少。此模型的建立为后续模型参数辨识与预测控制做好了准备。(2)在MATLAB并行化环境搭建与程序设计基础上,实现PPSO算法(Parallel Particle Swarm Optimization)对温室CFD模型参数辨识。其中MATLAB作为PPSO算法运行平台,FLUENT作为温室CFD模型计算平台,利用MATLAB与FLLUENT的I/O文件操作功能,建立基于共享文件机制下的MATLAB与FLUENT协同平台,CFD模型参数辨识及后续试验均在此平台上完成。设计搭建了四种结构的计算平台并对比各计算平台下温室环境CFD模型参数辨识的计算效率,结构1单机单核PSO+单机多核FLUENT计算耗时9.6h;结构2单机单核PSO+多级多核FLUENT计算耗时30.1h;结构3单机多核PPSO+单机多核FLUENT计算耗时11h;结构4多机多核PPSO+单机多核FLUENT计算耗时5.7h。结构4计算耗时最短、效率最高,解决了温室CFD模型辨识耗时久的问题,故结构4为最优计算结构。(3)基于最优计算结构,利用最优辨识参数建立温室环境CFD预测模型,分别对夏季自然通风条件下、秋季自然通风条件下、冬季封闭条件下的CFD预测模型的预测结果与实测结果进行对比分析。在最优辨识参数取值下温室预测模型的预测结果与实测结果误差较小。因此辨识到的最优参数合理,建立的温室环境CFD预测模型有效。(4)基于MATLAB与FLUENT协同平台,探索研究基于CFD模型的温室环境模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法。模型选择为湿帘-风机通风条件下的温室CFD模型,控制设备选择为温室的湿帘和风机,预测时域设置为3,采样时间设置为6。将其结果与同等条件下采用比例-积分-微分控制(Proportion Integral Derivative,PID)此温室CFD模型结果对比,MPC控制算法下温室温度计算结果与参考温度绝对偏差为1.27℃,相对湿度计算结果与参考相对湿度绝对偏差为18%。PID控制算法下温室温度计算结果与参考温度绝对偏差为1.83℃,相对湿度计算结果与参考相对湿度绝对偏差为18.89%,因此使用MPC控制算法结果稳定且优于PID控制。且在MPC控制算法最优控制量下,温室温湿度空间分布情况较符合实际情况。