氣調(diào)包裝機氣體流量控制系統(tǒng)設(shè)計

曹芳菊，梁舒，張爽

氣調(diào)包裝機氣體流量控制系統(tǒng)設(shè)計

曹芳菊1，梁舒1，張爽2

（1.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邢臺 054000；2.西安理工大學(xué)，西安 710048）

為提高氣調(diào)包裝充氣過程的穩(wěn)定性、氣體流量控制精度，基于內(nèi)?；Ｔ碓O(shè)計一種氣體流量控制器。以盒式氣調(diào)包裝機為例，介紹其基本結(jié)構(gòu)和包裝流程。針對充氣過程的非線性和滯后性，提出一種內(nèi)?；？刂葡到y(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括：控制模塊、流量監(jiān)測模塊和執(zhí)行模塊。在滑?？刂频幕A(chǔ)上，引入預(yù)估補償模型可消除純滯后導(dǎo)致的時間延遲，并給出改進(jìn)的滑?？刂品匠毯突Ｃ?。最后，進(jìn)行實驗研究。實驗結(jié)果表明，與滑模控制相比，內(nèi)模滑?？刂七M(jìn)行氣體流量控制所需調(diào)節(jié)時間只需1～3 s，縮減幅度達(dá)到90%以上，沒有超調(diào)量；實際控制精度可以達(dá)到±0.8 mL/min。內(nèi)?；？刂频捻憫?yīng)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(diào)包裝；氣體流量控制；內(nèi)?；？刂疲豁憫?yīng)滯后

氣調(diào)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(diào)包裝可以改變包裝內(nèi)部氣體成分，可以減緩食材呼吸速率、阻止微生物生長、預(yù)防霉變 等[1-3]。隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展以及消費需求激增，氣調(diào)包裝已成為使用十分廣泛的食品保鮮技術(shù)。一般情況下，氣調(diào)包裝大多使用二氧化碳、氧氣和氮氣，根據(jù)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(diào)包裝已成為食品保質(zhì)、果蔬產(chǎn)品保鮮的有效手段，但是氣調(diào)包裝效果取決于諸多因素，例如：包裝力學(xué)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(nèi)壓力等也會影響實際保鮮效果。如何確保充氣過程壓力穩(wěn)定以及包裝袋內(nèi)氣體定量控制是實現(xiàn)氣調(diào)包裝效果、提高包裝質(zhì)量的關(guān)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(diào)包裝機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種氣體流量控制器，以期實現(xiàn)氣體流量穩(wěn)定，并通過仿真和實驗驗證所述方法的有效性。

1 氣調(diào)包裝機組成及原理

以盒式氣調(diào)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(gòu)、4.觸摸屏、5.包裝盒輸送機構(gòu)、6.儲氣罐、7.機架、8.下模具。包裝盒輸送速度要求可調(diào)，可采用步進(jìn)電機驅(qū)動帶推桿的鏈條實現(xiàn)；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(xiàn)包裝膜的精準(zhǔn)控制；氣體置換方式采用真空補償法，即先將包裝盒內(nèi)空氣抽出，然后填充保護(hù)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(jù)不同包裝材料進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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

氣調(diào)包裝流程可簡要如下描述。

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

2）包裝袋抽氣。在一定時間內(nèi)，將包裝盒內(nèi)氣體抽出使其真空度達(dá)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(nèi)以穩(wěn)定流速將已混合氣體充入包裝盒內(nèi)。最后，進(jìn)行包裝盒封口，包裝盒內(nèi)需儲存一定數(shù)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(nèi)?；？刂扑惴▽崿F(xiàn)氣體流量恒定，保證充氣過程穩(wěn)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(jīng)減壓閥進(jìn)入管道，流量計實時檢測氣體流量；流量值經(jīng)整形、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入控制系統(tǒng)，與設(shè)定值流量值進(jìn)行比較、計算、處理后可得到一組控制信號；該控制信號可調(diào)節(jié)電磁閥開度，使流量值逐漸達(dá)到要求值。

流量計所使用氣體流量傳感器的響應(yīng)曲線具有一定非線性，為解決此問題，文中采用滑?？刂剖瓜到y(tǒng)狀態(tài)點沿軌跡逐漸穩(wěn)定到平衡點，滑模控制的表達(dá)式可描述為：

(1)

為進(jìn)一步解決響應(yīng)延遲問題，文中設(shè)計了一種內(nèi)?；？刂破?，在滑?？刂浦屑尤胍粋€預(yù)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(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。根據(jù)滑?？刂圃?，一階加純滯后的表達(dá)式可描述為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：為可調(diào)參數(shù)；為設(shè)定值；為無滯后輸出；為模型誤差；為設(shè)定值與無滯后輸出之間的誤差。

圖2 內(nèi)?；？刂圃?/p>

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(shù)（4）代入式（1）并進(jìn)行微分， 則有：

(9)

那么一階加純滯后的模態(tài)控制方程[9-10]可表 示為：

(10)

將式（10）代入原滑?？刂品匠?，可以得到滑?？刂聘倪M(jìn)方程，即：

(11)

為提高輸出響應(yīng)特性、加快系統(tǒng)收斂速度、減小系統(tǒng)誤差，文中采用Neider-Mead算法對式（11）所示滑?？刂品匠踢M(jìn)行約束[11-13]，相應(yīng)約束方程可描述為：

(12)

(13)

(14)

根據(jù)式（12—14）結(jié)合滑?？刂品匠?，可得終態(tài)滑?？刂品匠毯突Ｃ?，即：

(15)

(16)

3 實驗研究

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

總體上，系統(tǒng)主要包括3部分：軟件設(shè)計、硬件設(shè)計和上位機。其中軟件設(shè)計就是如何實現(xiàn)內(nèi)?；？刂扑惴?；硬件設(shè)計包括硬件電路和氣路結(jié)構(gòu)；上位機，即獲取氣體傳感器動態(tài)響應(yīng)曲線和性能參數(shù)。上位機為普通PC機，采用酷睿i7系列處理器，主頻可以達(dá)到3.5 GHz；主控制器采用STM32F103系列處理器，其采用ARM Cortex-M3內(nèi)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(jù)控制量調(diào)節(jié)氣體實際流量?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計指標(biāo)為：調(diào)節(jié)時間（系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定狀態(tài)）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(jìn)一步驗證所述控制方法的有效性，文中進(jìn)行了相關(guān)實驗研究。設(shè)定氣體流量值為300、600和900 mL/min，分別對比滑?？刂坪蛢?nèi)模滑模氣體流量控制效果。實際結(jié)果見圖4。

圖4 實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，滑?？刂七M(jìn)行氣體流量控制所需調(diào)節(jié)時間大約為17～20 s；內(nèi)?；？刂七M(jìn)行氣體流量控制所需調(diào)節(jié)時間只需1～3 s，最大縮減幅度達(dá)到90%以上。內(nèi)?；？刂频木瓤梢赃_(dá)到±0.8 mL/min，而普通滑?？刂频木戎挥小? mL/min，氣體流量越大精度差距越明顯。實驗結(jié)果表明，所述系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性高，整個系統(tǒng)運行十分穩(wěn)定。

綜上所述，與滑?？刂葡啾龋瑑?nèi)?；？刂撇粌H可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，而且可以提高系統(tǒng)控制精度，穩(wěn)定性較好，可實現(xiàn)氣調(diào)包裝氣體的穩(wěn)定輸出。

4 結(jié)語

以氣調(diào)包裝機充氣過程氣體流量控制為研究對象，設(shè)計了一種基于內(nèi)?；５臍怏w流量控制器。引入預(yù)估補償模式可解決滑?？刂频臏髥栴}。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)PID控制和滑?？刂葡啾?，所述控制方法具有響應(yīng)速度快、精度高等特點，可滿足氣調(diào)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(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向為電氣自動化控制、工業(yè)機器人等。