一種食品真空貼體包裝溫度控制方法

河南職業技術學院（鄭州 450046）

隨著人們生活水平不斷提高，人均購買力大幅提升，普通民眾不僅關心吃得飽，更關心吃得健康。一些水產品如魚、蝦及牛羊肉常見于餐桌。另外，中國貿易規模不斷擴大，對高端水產品、生鮮肉制品的進出口規模呈指數增加。為確保產品質量，包裝方式至關重要，既要保證產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品、生鮮肉類產品包裝的發展方向[1-2]。比較常見的包裝方式主要包括簡單覆膜包裝、傳統真空包裝及氣調包裝。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，產品附加值不大。傳統真空包裝的適應性較差、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品新鮮度的判斷。氣調包裝保護作用較好，但是高濃度氧氣會滋生好氧細菌、不飽和脂肪酸腐敗，包裝內表面的水霧、反霜會降低產品品質和美觀性[3-5]。

為解決生鮮類食品包裝所存在的問題，通過改進現有真空包裝技術，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與底盒粘附，最終實現貼體效果。底部硬盒可避免抽真空過程中頂膜出現褶皺。

真空貼體包裝工藝流程如圖1所示。硬膜底盒可選用預制盒，也可使用底膜熱成型制盒；人工或機器實現物料填充；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，熱封至關重要。選用熱板熱封的方式，其結構如圖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、加熱實現覆膜熔化以及粘連完成熱封。該裝置具有成本低、結構簡單、使用壽命長等優點，故其使用范圍比較廣。

圖2 熱封部件結構

根據實際生產要求及貼體膜預熱工藝，加熱部件需要滿足幾個要求：1）電加熱板溫度可調，溫控范圍需滿足20～200 ℃，溫度偏差不能超過1 ℃；2）電加熱板預熱時間不能大于15 min；3）加熱部件可適應不同工位要求；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。為實現所述要求，采用滑模理論設計一種溫度控制器。

2 滑模溫度控制器

考慮到電加熱板預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]，設計一種時變滑模控制器實現擾動抑制。雖然傳統滑模控制可以提高溫度控制精度，但是存在溫度超調、系統不穩定等問題[6-9]。所述非線性滑模PID控制，不僅可以確保系統的穩定性，而且能夠提高溫度控制精度。預熱過程的強時變、強耦合性會導致滑模控制器出現劇烈抖振。為解決此問題，在非線性滑模PID控制器中引入時變控制。

傳統滑模PID控制的面函數可表示為

式中：e為溫度誤差；Kp為比例系數，Ki為積分系數，二者均大于0；積分項可以提高系統穩態精度，但容易引起超調、飽和不穩定等問題，可以采用一種非線性PID函數作為滑模面，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；e'表示溫度誤差e的一階導數；θ表示φ(e)輸出值的限制常數。

如式（3）所示，使用連續可微函數φ(e)代替積分函數，如果溫度誤差e的絕對值比較小，非線性函數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φ(e)可使誤差e趨于飽和。本質上，函數φ(e)的輸出值會被限制在區間[-θ,θ]內。

為抑制溫度控制器的抖振現象，在式（2）的基礎上加入時變因子，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；a為時間指數常數，二者均大于零。

為確保滑模控制的全局魯棒性，設定如下約束條件：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，可得

令s′=0，可得溫控系統到達滑模面的等效控制量ueq，即

那么滑模控制律可表示為

式（6）和（7）中：η表示增益系數，η＞0。

可采用李雅普諾夫函數證明所述控制系統的漸進穩定性[10-13]，文中設定Lyapunov函數選擇為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。根據穩定性判據，此時說明系統漸進穩定。

3 試驗研究

為驗證所述熱封機構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材質預制盒，厚度約0.8 mm，外部尺寸為200 mm×150 mm×30 mm，內部尺寸約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PID控制、滑模PID控制、非線性時變滑模PID控制對熱封機構進行溫度控制[14-16]，利用紅外測溫設備實時采集熱封機構溫度。設定熱封溫度100和150 ℃，每隔5 s讀取1次熱封機構溫度數值并記錄，試驗結果如圖3和圖4所示。

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

目標溫度150 ℃時，采用所述方法系統達到穩定需要約440 s，超調量接近于0，溫度控制精度可達±0.6 ℃，滿足工藝要求。而采用傳統PID控制，系統達到穩定狀態需要約650 s，超調量達到50%，溫度控制精度只有±2 ℃；采用滑模PID控制，系統達到穩定狀態需要約450 s，超調量為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控制在響應速度、超調量、溫控精度方面均存在一定優勢，能夠滿足真空貼體包裝熱封要求。傳統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 ℃時試驗結果

圖4 目標溫度150 ℃時試驗結果

4 結語

以食品包裝為研究對象，提出一種真空貼體包裝方式，針對其加熱結構溫度控制問題，設計一種非線性時變滑模PID控制器。結果表明，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控制在響應速度、超調量、溫控精度方面均存在一定優勢，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。