一種食品真空貼體包裝溫度控制方法

河南職業(yè)技術(shù)學院（鄭州 450046）

隨著人們生活水平不斷提高，人均購買力大幅提升，普通民眾不僅關(guān)心吃得飽，更關(guān)心吃得健康。一些水產(chǎn)品如魚、蝦及牛羊肉常見于餐桌。另外，中國貿(mào)易規(guī)模不斷擴大，對高端水產(chǎn)品、生鮮肉制品的進出口規(guī)模呈指數(shù)增加。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，包裝方式至關(guān)重要，既要保證產(chǎn)品新鮮度又要不失美觀性。因此，保鮮、高效、美觀的包裝方式勢必成為水產(chǎn)品、生鮮肉類產(chǎn)品包裝的發(fā)展方向[1-2]。比較常見的包裝方式主要包括簡單覆膜包裝、傳統(tǒng)真空包裝及氣調(diào)包裝。簡單覆膜包裝保鮮效果比較差而且是大塊裹包，實際銷售時還需要分切、托盤包裝，會造成二次污染；包裝檔次不高，產(chǎn)品附加值不大。傳統(tǒng)真空包裝的適應(yīng)性較差、包裝表面存在大量褶皺，不僅美觀性不佳而且影響消費者對產(chǎn)品新鮮度的判斷。氣調(diào)包裝保護作用較好，但是高濃度氧氣會滋生好氧細菌、不飽和脂肪酸腐敗，包裝內(nèi)表面的水霧、反霜會降低產(chǎn)品品質(zhì)和美觀性[3-5]。

為解決生鮮類食品包裝所存在的問題，通過改進現(xiàn)有真空包裝技術(shù)，提出一種食品用真空貼體包裝方式。針對真空貼體包裝過程中溫度控制難題，設(shè)計一種基于滑模理論的溫度控制器，通過試驗驗證所述控制方法的有效性。

1 真空貼體包裝簡介

食品真空貼體包裝主要采用硬膜托底、頂部覆膜的方式實現(xiàn)包裝膜緊貼物料，是一種真空包裝模式。一般情況下，將物料放置在硬盒中，硬盒頂部覆膜并送入密封模具；加熱使頂膜軟化，同時對膜與底盒之間腔體抽真空；受壓力差作用，頂膜向下運動逐漸貼在物料表面同時利用頂膜熔融狀態(tài)與底盒粘附，最終實現(xiàn)貼體效果。底部硬盒可避免抽真空過程中頂膜出現(xiàn)褶皺。

真空貼體包裝工藝流程如圖1所示。硬膜底盒可選用預(yù)制盒，也可使用底膜熱成型制盒；人工或機器實現(xiàn)物料填充；頂膜覆蓋在裝有物料的底盒上，傳送至真空貼體工位加熱、抽真空；經(jīng)沖切、廢膜回收等工序后，即可輸出成品完成整個包裝過程。

圖1 真空貼體包裝工藝流程

在整個工藝流程中，熱封至關(guān)重要。選用熱板熱封的方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。熱封部件主要包括上、下兩部分，上部為電加熱板，下部既可以是帶隔熱層的底座也可以是帶隔熱層的電加熱板。在熱封過程中，包裝材料放置在兩部分之間，通過壓合、加熱實現(xiàn)覆膜熔化以及粘連完成熱封。該裝置具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等優(yōu)點，故其使用范圍比較廣。

圖2 熱封部件結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際生產(chǎn)要求及貼體膜預(yù)熱工藝，加熱部件需要滿足幾個要求：1）電加熱板溫度可調(diào)，溫控范圍需滿足20～200 ℃，溫度偏差不能超過1 ℃；2）電加熱板預(yù)熱時間不能大于15 min；3）加熱部件可適應(yīng)不同工位要求；4）加熱部件和貼體膜之間需要做防黏處理，避免二者之間相互粘連。為實現(xiàn)所述要求，采用滑模理論設(shè)計一種溫度控制器。

2 滑模溫度控制器

考慮到電加熱板預(yù)熱過程具有比較強的非線性、時變性和耦合性，可將這些特性視作一種擾動[5-7]，設(shè)計一種時變滑?？刂破鲗崿F(xiàn)擾動抑制。雖然傳統(tǒng)滑?？刂瓶梢蕴岣邷囟瓤刂凭龋谴嬖跍囟瘸{(diào)、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題[6-9]。所述非線性滑模PID控制，不僅可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且能夠提高溫度控制精度。預(yù)熱過程的強時變、強耦合性會導(dǎo)致滑?？刂破鞒霈F(xiàn)劇烈抖振。為解決此問題，在非線性滑模PID控制器中引入時變控制。

傳統(tǒng)滑模PID控制的面函數(shù)可表示為

式中：e為溫度誤差；Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，二者均大于0；積分項可以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度，但容易引起超調(diào)、飽和不穩(wěn)定等問題，可以采用一種非線性PID函數(shù)作為滑模面，即

式中：φ(e)可表示為

式（2）和（3）中：φ(e)表示一種非線性函數(shù)；e'表示溫度誤差e的一階導(dǎo)數(shù)；θ表示φ(e)輸出值的限制常數(shù)。

如式（3）所示，使用連續(xù)可微函數(shù)φ(e)代替積分函數(shù)，如果溫度誤差e的絕對值比較小，非線性函數(shù)φ(e)能夠放大溫度誤差e；如果溫度誤差e的絕對值比較大，非線性函數(shù)φ(e)可使誤差e趨于飽和。本質(zhì)上，函數(shù)φ(e)的輸出值會被限制在區(qū)間[-θ,θ]內(nèi)。

為抑制溫度控制器的抖振現(xiàn)象，在式（2）的基礎(chǔ)上加入時變因子，即非線性時變滑模PID控制器，其滑模面可表示為

式中：λ為時間收斂常數(shù)；a為時間指數(shù)常數(shù)，二者均大于零。

為確保滑?？刂频娜拄敯粜裕O(shè)定如下約束條件：t=0時，存在s(0)=0。對非線性時變滑模PID控制器的滑模面求導(dǎo)，可得

令s′=0，可得溫控系統(tǒng)到達滑模面的等效控制量ueq，即

那么滑?？刂坡煽杀硎緸?/p>

式（6）和（7）中：η表示增益系數(shù)，η＞0。

可采用李雅普諾夫函數(shù)證明所述控制系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性[10-13]，文中設(shè)定Lyapunov函數(shù)選擇為V=1/2s2，那么則有

考慮到擾動ΔN是有界的，其最大值為C，所以只要滿足η＞C，就會使V'＜0。根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)，此時說明系統(tǒng)漸進穩(wěn)定。

3 試驗研究

為驗證所述熱封機構(gòu)溫度控制方法的有效性，自制真空貼體包裝試驗臺，進行相關(guān)試驗研究。

包裝頂膜選用聚乙烯薄膜，厚度約0.08 mm；包裝盒選用PP材質(zhì)預(yù)制盒，厚度約0.8 mm，外部尺寸為200 mm×150 mm×30 mm，內(nèi)部尺寸約175 mm×123 mm×0 mm，盒頂部有約10 mm的熱封邊緣。

作為對比，分別采用傳統(tǒng)PID控制、滑模PID控制、非線性時變滑模PID控制對熱封機構(gòu)進行溫度控制[14-16]，利用紅外測溫設(shè)備實時采集熱封機構(gòu)溫度。設(shè)定熱封溫度100和150 ℃，每隔5 s讀取1次熱封機構(gòu)溫度數(shù)值并記錄，試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

由試驗結(jié)果可以看出，目標溫度100 ℃時，采用所述方法系統(tǒng)達到穩(wěn)定需要約390 s，超調(diào)量接近于0，溫度控制精度可達±0.5 ℃，滿足工藝要求。而采用傳統(tǒng)PID控制，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)需要約570 s，超調(diào)量達45%，溫度控制精度只有±1.8 ℃；采用滑模PID控制，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)需要約410 s，超調(diào)量為20%，溫度控制精度為±0.9 ℃。

目標溫度150 ℃時，采用所述方法系統(tǒng)達到穩(wěn)定需要約440 s，超調(diào)量接近于0，溫度控制精度可達±0.6 ℃，滿足工藝要求。而采用傳統(tǒng)PID控制，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)需要約650 s，超調(diào)量達到50%，溫度控制精度只有±2 ℃；采用滑模PID控制，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)需要約450 s，超調(diào)量為25%，溫度控制精度為±0.5 ℃。

通過對比可知，所述非線性時變滑模PID控制在響應(yīng)速度、超調(diào)量、溫控精度方面均存在一定優(yōu)勢，能夠滿足真空貼體包裝熱封要求。傳統(tǒng)PID控制顯然無法滿足要求，而滑模PID控制則在溫度控制精度方面無法滿足要求。另外，通過實際包裝測試，真空貼體包裝在美觀性、保鮮測試等方面均適合食品包裝，具有一定推廣價值。

圖3 目標溫度100 ℃時試驗結(jié)果

圖4 目標溫度150 ℃時試驗結(jié)果

4 結(jié)語

以食品包裝為研究對象，提出一種真空貼體包裝方式，針對其加熱結(jié)構(gòu)溫度控制問題，設(shè)計一種非線性時變滑模PID控制器。結(jié)果表明，真空貼體包裝在美觀性、保鮮測試等方面均適合食品包裝；非線性時變滑模PID控制在響應(yīng)速度、超調(diào)量、溫控精度方面均存在一定優(yōu)勢，能夠滿足真空貼體包裝熱封要求。所述食品真空貼體包裝溫度控制方法具有借鑒意義。