氣調包裝機氣體流量控制系統設計

曹芳菊，梁舒，張爽

氣調包裝機氣體流量控制系統設計

曹芳菊1，梁舒1，張爽2

（1.邢臺職業技術學院，邢臺 054000；2.西安理工大學，西安 710048）

為提高氣調包裝充氣過程的穩定性、氣體流量控制精度，基于內模滑模原理設計一種氣體流量控制器。以盒式氣調包裝機為例，介紹其基本結構和包裝流程。針對充氣過程的非線性和滯后性，提出一種內模滑模控制系統。該控制系統包括：控制模塊、流量監測模塊和執行模塊。在滑模控制的基礎上，引入預估補償模型可消除純滯后導致的時間延遲，并給出改進的滑模控制方程和滑模面。最后，進行實驗研究。實驗結果表明，與滑模控制相比，內模滑模控制進行氣體流量控制所需調節時間只需1～3 s，縮減幅度達到90%以上，沒有超調量；實際控制精度可以達到±0.8 mL/min。內模滑模控制的響應速度更快、控制精度更高，對氣體流量控制效果比較理想。

氣調包裝；氣體流量控制；內模滑模控制；響應滯后

氣調包裝可以在很大程度上延長食品的貨架期，主要是因為氣調包裝可以改變包裝內部氣體成分，可以減緩食材呼吸速率、阻止微生物生長、預防霉變 等[1-3]。隨著相關技術不斷發展以及消費需求激增，氣調包裝已成為使用十分廣泛的食品保鮮技術。一般情況下，氣調包裝大多使用二氧化碳、氧氣和氮氣，根據食品特性將3種氣體按不同比例混合后充入包裝中，最大程度延長貨架期、提升保鮮度[4-5]。雖然氣調包裝已成為食品保質、果蔬產品保鮮的有效手段，但是氣調包裝效果取決于諸多因素，例如：包裝力學性能、包裝材料阻隔性、混合氣體成分等。除此之外，充氣時間、充氣壓力以及包裝袋內壓力等也會影響實際保鮮效果。如何確保充氣過程壓力穩定以及包裝袋內氣體定量控制是實現氣調包裝效果、提高包裝質量的關鍵[6-7]。

文中以充氣過程恒流量控制為主要研究對象，在盒式氣調包裝機的基礎上，設計一種氣體流量控制器，以期實現氣體流量穩定，并通過仿真和實驗驗證所述方法的有效性。

1 氣調包裝機組成及原理

以盒式氣調包裝機為例，如圖1所示，該包裝機包括：1.上模具、2.電控柜、3.包裝膜輸送機構、4.觸摸屏、5.包裝盒輸送機構、6.儲氣罐、7.機架、8.下模具。包裝盒輸送速度要求可調，可采用步進電機驅動帶推桿的鏈條實現；包裝膜輸送長度要匹配不同尺寸包裝盒，可采用PLC控制剎車電機實現包裝膜的精準控制；氣體置換方式采用真空補償法，即先將包裝盒內空氣抽出，然后填充保護氣體；封合方式采用板式熱封法，利用上下壓板完成包裝盒與包裝膜壓合，通過加熱使包裝膜熔融并與包裝盒粘合。熱封溫度根據不同包裝材料進行調節。

1.上模具2.電控柜3.包裝膜輸送機構4.觸摸屏5.包裝盒輸送機構6.儲氣罐7.機架8.下模具

氣調包裝流程可簡要如下描述。

1）混合氣體調制。利用氣體混合配置裝備實現CO2、N2和O2等3種氣體按一定比例混合并儲存在儲氣罐內。

2）包裝袋抽氣。在一定時間內，將包裝盒內氣體抽出使其真空度達到包裝要求，減少剩余氣體可提高充氣精度。

3）混合氣體充入。在一定時間內以穩定流速將已混合氣體充入包裝盒內。最后，進行包裝盒封口，包裝盒內需儲存一定數量的混合氣體并保持一定的包裝頂空體積。

文中以混合氣體充入過程為研究對象，利用內模滑模控制算法實現氣體流量恒定，保證充氣過程穩定可靠。

2 氣體流量控制

氣體流量控制過程可描述為：已壓縮混合氣體從儲氣罐中釋放經減壓閥進入管道，流量計實時檢測氣體流量；流量值經整形、放大、A/D轉換后送入控制系統，與設定值流量值進行比較、計算、處理后可得到一組控制信號；該控制信號可調節電磁閥開度，使流量值逐漸達到要求值。

流量計所使用氣體流量傳感器的響應曲線具有一定非線性，為解決此問題，文中采用滑模控制使系統狀態點沿軌跡逐漸穩定到平衡點，滑模控制的表達式可描述為：

(1)

為進一步解決響應延遲問題，文中設計了一種內模滑模控制器，在滑模控制中加入一個預估補償模 型——一階加純滯后，以消除純滯后帶來的時間延遲，提高系統動態響應。根據滑模控制原理，一階加純滯后的表達式可描述為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：為可調參數；為設定值；為無滯后輸出；為模型誤差；為設定值與無滯后輸出之間的誤差。

圖2 內模滑模控制原理

Fig.2 Internal sliding mode control principle

由式（5）可以得到變形公式：

(6)

那么式（5）可以簡化為：

(7)

(8)

若將延遲函數（4）代入式（1）并進行微分， 則有：

(9)

那么一階加純滯后的模態控制方程[9-10]可表 示為：

(10)

將式（10）代入原滑模控制方程，可以得到滑模控制改進方程，即：

(11)

為提高輸出響應特性、加快系統收斂速度、減小系統誤差，文中采用Neider-Mead算法對式（11）所示滑模控制方程進行約束[11-13]，相應約束方程可描述為：

(12)

(13)

(14)

根據式（12—14）結合滑模控制方程，可得終態滑模控制方程和滑模面，即：

(15)

(16)

3 實驗研究

3.1 系統方案設計

總體上，系統主要包括3部分：軟件設計、硬件設計和上位機。其中軟件設計就是如何實現內模滑模控制算法；硬件設計包括硬件電路和氣路結構；上位機，即獲取氣體傳感器動態響應曲線和性能參數。上位機為普通PC機，采用酷睿i7系列處理器，主頻可以達到3.5 GHz；主控制器采用STM32F103系列處理器，其采用ARM Cortex-M3內核，該控制器性能高且功耗低。氣體流量控制模塊主要包括氣體流量傳感器和蠕動泵，氣體流量傳感器檢測范圍為10～1000 mL/min，測試精度為0.1 mL/min；電磁閥采用PWM脈寬控制模式，可根據控制量調節氣體實際流量。控制系統設計指標為：調節時間（系統達到設定值并保持穩定狀態）不大于3 s；氣體流量控制誤差小于1 mL/min。主控制器見圖3。

圖3 主控制器

3.2 實驗研究

為進一步驗證所述控制方法的有效性，文中進行了相關實驗研究。設定氣體流量值為300、600和900 mL/min，分別對比滑模控制和內模滑模氣體流量控制效果。實際結果見圖4。

圖4 實驗結果

由實驗結果可知，滑模控制進行氣體流量控制所需調節時間大約為17～20 s；內模滑模控制進行氣體流量控制所需調節時間只需1～3 s，最大縮減幅度達到90%以上。內模滑模控制的精度可以達到±0.8 mL/min，而普通滑模控制的精度只有±2 mL/min，氣體流量越大精度差距越明顯。實驗結果表明，所述系統輸出穩定性高，整個系統運行十分穩定。

綜上所述，與滑模控制相比，內模滑模控制不僅可以提高系統響應速度，而且可以提高系統控制精度，穩定性較好，可實現氣調包裝氣體的穩定輸出。

4 結語

以氣調包裝機充氣過程氣體流量控制為研究對象，設計了一種基于內模滑模的氣體流量控制器。引入預估補償模式可解決滑模控制的滯后問題。實驗結果表明，與傳統PID控制和滑模控制相比，所述控制方法具有響應速度快、精度高等特點，可滿足氣調包裝充氣過程控制要求，具有一定的借鑒意義。

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Design of Gas Flow Control System for Gas Transferring and Packing Machine

CAO Fang-ju1, LIANG Shu1, ZHANG Shuang2

(1.Xingtai Vocational and Technical College, Xingtai 054000, China; 2.Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The work aims to design a gas flow controller based on the internal sliding mode principle, so as to improve the stability and the precision of gas flow control in gas transferring and packing. The basic structure and packing flow of the box-type gas transferring and packing machine were introduced. Aiming at the non-linearity and hysteresis of the aeration process, an internal sliding mode control system was proposed. The control system included: control module, flow detection module and execution module. Based on the sliding mode control, the time delay caused by pure lag was eliminated by the predictive compensation model, and the improved sliding mode control equation and sliding mode surface were given. Finally, the experimental research was carried out. The verification results indicated that compared with the sliding mode control, the adjustment time needed by internal sliding mode control for gas flow control was only 1～3 s, and the reduction range reached more than 90% without overshoot. The actual control accuracy reached ±0.8 mL/min. The internal sliding mode control has the advantages of faster response speed and higher control precision, thus having better effect on gas flow control.

gas transferring and packing; gas flow control; internal sliding mode control; response lag

TB485.9

A

1001-3563(2022)03-0252-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.031

2021-08-26

曹芳菊（1979—），碩士，邢臺職業技術學院講師，主要研究方向為電氣自動化控制、工業機器人等。