Some of the largest and deepest mines in the world are situated in South Africa. Underground temperatures and humidity can be controlled by means of complex chilled water reticulation system. A cascade pumping system is used to pump the used water from the underground levels back to the surface. The dewatering process is energy intensive. Large volumes of water are used during the general mine drilling periods (06:00 to 12:00). During blasting periods (15:00 to 18:00) a minimum amount of personnel are underground, yet large volumes of water are still sent underground due to a lack of control. Reducing the water sent underground, will reduce the amount of water pumped back to the surface; resulting in significant energy savings. Water flow and pressure can be managed by installing control valves at appropriate positions throughout the water reticulation system. Selecting a control valve is typically governed by constraints such as cavitation, water hammer, flashing, safety ratings and control range. A basic set of calculations can be used to determine whether a valve conforms to a specific scenario. However, scenarios calculated by engineers are not indicative of all applied system scenarios. When control valves are installed, to optimise the operation of a system, it affects the system’s characteristics. Sampled system data will therefore no longer provide adequate readings to help with selecting the correct control valve. An analytical control valve selection method has been developed and implemented. The case study shows the results and practical implications of applying this method in the mining industry. Implementing the analytical valve selection method is shown to be viable, realising electrical energy cost savings for the mine by reducing power requirements from Eskom. Analytical control valve selection for mine water reticulation systems / Thesis (MIng (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

Some of the largest and deepest mines in the world are situated in South Africa. Underground temperatures and humidity can be controlled by means of complex chilled water reticulation system. A cascade pumping system is used to pump the used water from the underground levels back to the surface. The dewatering process is energy intensive. Large volumes of water are used during the general mine drilling periods (06:00 to 12:00). During blasting periods (15:00 to 18:00) a minimum amount of personnel are underground, yet large volumes of water are still sent underground due to a lack of control. Reducing the water sent underground, will reduce the amount of water pumped back to the surface; resulting in significant energy savings. Water flow and pressure can be managed by installing control valves at appropriate positions throughout the water reticulation system. Selecting a control valve is typically governed by constraints such as cavitation, water hammer, flashing, safety ratings and control range. A basic set of calculations can be used to determine whether a valve conforms to a specific scenario. However, scenarios calculated by engineers are not indicative of all applied system scenarios. When control valves are installed, to optimise the operation of a system, it affects the system’s characteristics. Sampled system data will therefore no longer provide adequate readings to help with selecting the correct control valve. An analytical control valve selection method has been developed and implemented. The case study shows the results and practical implications of applying this method in the mining industry. Implementing the analytical valve selection method is shown to be viable, realising electrical energy cost savings for the mine by reducing power requirements from Eskom. Analytical control valve selection for mine water reticulation systems / Thesis (MIng (Mechanical Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2013.

As válvulas de controle são os elementos finais da grande maioria das malhas de controle existentes na indústria. Além disso, sabe-se que o atrito pode causar variabilidade na malha em questão, o que geralmente é indesejável para o desempenho do processo. Ademais, cerca de 20 a 30% das oscilações nas malhas de controle são causadas por atrito ou histerese. Outro ponto relevante é que muitas vezes não é possível realizar a manutenção da válvula que esteja apresentando uma variabilidade considerável, já que muitas vezes não é desejado e nem possível parar o processo em questão para o reparo da válvula. Dessa forma, o estudo de métodos de compensação de atrito se faz necessário como uma maneira de melhorar o desempenho da malha de controle nesta situação até que seja feita a manutenção da planta industrial. Este trabalho apresenta controladores com compensação de atrito e analisa seu desempenho comparado com outros compensadores já conhecidos e amplamente utilizados, através de ensaios na Planta Piloto de Vazão da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. / The control valves are the final elements of most of the control loops in industry. Besides, the friction can cause variability in the process, which is an undesirable situation. Furthermore, about 20% to 30% of the oscillations in control loops are caused by friction or hysteresis. Another relevant fact is that much times it is not possible to make the maintenance of the valve that is under a considerable variability, because it is not desirable nor possible to stop the process to make the maintenance of the control valve. Thereby, studying friction compensation methods is necessary as a way to improve the control loop performance in this situation until the industrial plant maintenance is made. This dissertation presents controllers with friction compensation and analyzes its performances compared with other known and widely used compensators through experiments made at the Flow Pilot Plant of Polytechnic School of University of São Paulo.

O objetivo principal deste trabalho de Mestrado é avaliar compensadores que tentam diminuir o efeito do atrito estático existente em válvulas de controle. Os compensadores de atrito utilizados neste trabalho foram: CR1, CR2 Knocker, Two-move, controle por modos deslizantes e controle por modos deslizantes integrador. Estes compensadores são implementados em um ambiente industrial (SDCD). Devido ao atrito, o sistema tem um comportamento não-linear, o qual pode afetar o bom rendimento de um controlador PID, sendo que o sistema em malha fechada pode ter oscilações. Então, para obter uma diminuição do efeito do atrito, empregam-se compensadores de atrito. Para implementá-los, é necessário conhecer os parâmetros do atrito existente. Portanto, a primeira parte deste trabalho consiste em uma explicação dos diferentes modelos e métodos que se vai usar neste trabalho. Também foram realizadas simulações das estratégias de controle utilizadas. Após estes tópicos, vai se identificar o modelo do sistema que conta com uma malha de controle de vazão, com o objetivo de auxiliar na sintonia do controlador PID. Depois, introduzem-se os compensadores de atrito, os quais tentam minimizar os índices ITAE (Integrated Time Absolute Error) e IAE (Integrated Absolute Error), bem como o desgaste que se produz nos equipamentos, devido ao uso (excessiva movimentação da haste das válvulas). O objetivo assumido é implementar as estratégias de controle em um software industrial. Os resultados mostraram que os compensadores CR1 e CR2 obtiveram os melhores índices de desempenho e conseguiram compensar o atrito na haste da válvula de controle. / The main objective of this work is to evaluate compensators that try to decrease the static friction effect existent in control valves. The friction compensaters used in this work were: CR1, CR2, Knocker, Two-move, sliding mode control and sliding mode control with integrator. These compensators are implemented in an industrial environment (DCS). Due to friction, the system has a nonlinear behavior, which may affect the good performance of a PID controller, wherein the closed loop system can have oscillations. So to get a decrease in the effect of friction, friction compensators are employed. To implement them, it is necessary to know the parameters of the friction existent. So the first part of this work consists of an explanation of the different models and methods that will be use in this work. Also, simulations were made of the control strategies used. After these topics, it will be identify the system model which has a own control loop, in order to help the PID controller tuning. Then it will be introduced friction compensators, which attempt to minimize the ITAE (Integral Time Absolute Error) and IAE (Integrated Absolute Error), and wear that occurs on the equipment due to the use (excessive movement of the valve stem). The assumed objective is to implement control strategies in industrial software. The results show that the compensators CR1 and CR2 have the best performance indexes and they compensate for the friction in the control valve stem.

Este trabalho dedica-se ao desenvolvimento de um modelo matemático de uma planta piloto de vazão tendo em conta as não linearidades mais significativas no sistema como perdas de carga nos instrumentos e o efeito de atrito nas válvulas de controle. Este efeito foi modelado com procedimentos que foram estudados previamente em outras pesquisas e que neste documento vão ser brevemente descritos. Para realizar a modelagem se usaram valores fornecidos pelos fabricantes dos instrumentos para o modelo ser o mais próximo da realidade. Foram realizados testes comparativos em estado transitório e estacionário para avaliar e validar o desempenho do modelo e propor futuras melhorias que podem ser realizadas no modelo e na planta. / This work will develop a mathematic model of a flow pilot plant taking into account the most significant non-linearities in the system as load loses in the instruments and the effect of friction in the control valves. This effect was modeled with procedures that were studied in other researches and they will be briefly described. The modeling work was done using the values supplied by the manufacturers for the model to be as close to reality. Comparative tests were performed, on transient and steady-state in order to evaluate and validate the performance of the model and propose future improvements that can be made in the model and the plant.

Este trabalho dedica-se ao estudo de métodos para detecção e quantificação do atrito em válvulas de controle. Tais válvulas são, em geral, o elemento final em malhas de controle de processos industriais. A presença de atrito nessas válvulas pode elevar a variabilidade da malha de controle, causando perdas de qualidade do produto, aumento nas paradas para manutenção e impactos econômicos significativos. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar e medir o atrito. Neste trabalho, serão implementadas algumas técnicas propostas na literatura para detecção e quantificação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, serão apresentadas comparações dos resultados obtidos em simulação e ensaios em bancada com válvulas reais. / This work will study methods for detection and quantification of friction in control valves. These valves are the main final elements of control loops in industrial processes. The presence of friction can increase the variability of the control loop, causing loss of product quality, increase need of maintenance and significant economical impacts. Many studies have been presented in order to diagnose and measure the friction. In this work, some techniques proposed in the literature will be implemented. In order to evaluate its performance, it will be presented some comparisons of the results obtained from simulation and laboratory experiments.

O objetivo deste trabalho é reduzir o efeito do atrito estático em malhas de controle. A não-linearidade inserida por esse fenômeno pode diminuir a eficiência de um controlador PID e até tornar o sistema em malha fechada oscilatório. Para minimizar esse problema, são testados compensadores presentes na literatura e que não necessitam de modelos internos, os quais, em princípio, podem ser implementados em CLPs e SDCDs com facilidade. Apesar dos compensadores não utilizarem um modelo da válvula em seu algoritmo, é necessário conhecer a magnitude do atrito para parametrizá-los. Por este motivo, os primeiros tópicos desta dissertação são sobre modelos de atrito e técnicas para estimar seus parâmetros. Após estes tópicos, são introduzidos os compensadores de atrito. Alguns dos métodos avaliados foram modificados para tentar aprimorar os resultados. Apesar da teoria poder ser aplicada para uma grande diversidade de processos, os algoritmos foram aplicados a uma malha de controle de vazão de água utilizando válvulas de controle. O objetivo assumido é minimizar o ITAE (Integral Time Absolute Error) e o desgaste gerado nos equipamentos, devido à movimentação excessiva da haste da válvula. Também se verifica o tempo de subida do sistema em malha fechada. Além de testar os compensadores em uma malha de controle de vazão, também foram realizados testes com os compensadores em uma malha de controle de posição, que por sua vez recebe o set-point de uma malha de controle de vazão (controle em cascata). Os resultados mostram que, utilizando os compensadores, é possível que uma válvula com alto índice de atrito apresente um desempenho próximo ao de uma válvula com baixo índice de atrito sem compensação, ou seja, foi possível compensar o atrito na haste. / The aim of this work is to reduce the effect of the static friction in control loops. The non-linearity inserted by this phenomenon may decrease the efficiency of a PID controller and even make the closed loop system oscillatory. To minimize this problem some compensation methods present in the literature that do not require internal models were tested, which, theoretically, can be easily implemented in a PLC or DCS. Even thought the compensation methods do not require internal models, it is necessary to know the friction magnitude in order to set their parameters. With that in mind, the first topics of this dissertation friction models and how to identify their parameters. After these topics the friction compensation methods are introduced. Some of these methods where modified, with the purpose of improving the results. Although the theory may be applied to a great variety of process, these algorithms were applied to a water flow control loop using control valves. The assumed objective is to minimize the ITAE (Integral Time Absolut Error) and the wearing of the equipments due to excessive movement of the valve stem. The rising time of the closed loop system is also verified. Besides testing these compensation methods in a flow control loop, they were also tested in a position control loop, that receives its set-point from a flow control loop (cascade control).

O atrito em válvulas e a sintonia inadequada de controladores são duas das maiores causas de degradação no desempenho das malhas de controle que incluem tais dispositivos. Assim como modelos de atrito são necessários para diagnosticar o mau funcionamento das válvulas ou para compensar os efeitos indesejáveis causados pelo atrito, modelos de processos são de fundamental importância para o projeto de controladores. Este trabalho estende métodos existentes para estimar parâmetros de modelos de atrito e processo, de modo que uma estrutura não-linear é adotada para representar o processo. O procedimento é baseado em dados de operação em malha fechada. Os algoritmos de estimação desenvolvidos são testados com dados simulados e gerados por uma plataforma híbrida (composta por uma válvula real e por uma planta simulada de neutralização de pH), a partir da qual avaliam-se as influências de perturbações, da magnitude do sinal de teste e da sintonia do controlador nos modelos estimados. Os resultados demonstram que o nível de atrito é corretamente quantificado, assim como bons modelos para o processo são estimados em diversas situações. Além disso, a extensão proposta apresenta vantagens significativas em relação a outros métodos, como: (1) maior exatidão na quantificação do nível de atrito, principalmente para processos em que as não-lineares sejam mais severas e (2) estimativas razoáveis do comportamento estático não-linear. / The friction in control valves and inadequate controller tuning are two of the major sources of performance degradation in control loops that include such devices. As friction models are needed to diagnose abnormal valve operation or to compensate such undesirable effects, process models play an essential role in controller design. This work extends existing methods that jointly identify the friction and process model parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The procedure is based on data from closed-loop experiments. The developed estimation algorithms are tested with data from simulations and generated by a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process), in which the influences of the process disturbances, of the excitation signal magnitude and of the controller tuning on estimated models are investigated. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as good process models are estimated in several situations. In addition, the proposed extension presents significant advantages in relation to other methods, such as: (1) greater accuracy for friction quantification, especially for highly nonlinear processes and (2) reasonable estimates of the nonlinear steady state characteristics.

As válvulas de controle são elementos finais muito importantes na indústria de processos, pois são as responsáveis por controlar a pressão em dutos ou vazão dos fluidos de processo, impactando diretamente na qualidade do produto final. Por serem elementos mecânicos móveis estão sujeitas ao atrito, uma não linearidade que quando excessiva, pode causar oscilações e erros na abertura da válvula. A presença de oscilações nas malhas de controle aumenta a variabilidade das variáveis de processo, o desgaste dos componentes e o consumo de energia, além de provocar o desperdício de materiais. O desenvolvimento de novas técnicas de compensação de atrito é fundamental para melhorar o desempenho das malhas de controle, sendo, portanto, de grande interesse para a indústria de processos industriais. Este trabalho apresenta o estudo de cinco compensadores não lineares: controlador rastreador de trajetória, controlador por modos deslizantes, controlador por modos deslizantes integrador, controlador por modelo interno não linear e controlador PI não linear, os quais são desenvolvidos desde a teoria à implementação prática em uma válvula de controle real. Os resultados obtidos, mostram que os controladores projetados apresentaram desempenho bastante satisfatórios, sendo que o controlador por modos deslizantes e por modos deslizante integrador apresentaram os melhores desempenho. / Control valves are very important final elements in process industry, due they are the responsible to control the pressure in pipelines and the flow of the process fluids, directly impacting in the quality of the final product. Due to the mechanical mobile elements, they are subjected to friction, a nonlinearity that can generate oscillations and errors in the valve aperture. Oscillations in the control loops increase the process variability, wear in the actuators and the power consumption, besides generating raw material waste. The development of new friction compensation techniques is very important to increase the control loops performance, therefore, it is of great interest for the process industry. This work presents the study of five nonlinear compensators: Trajectory tracking controller, sliding mode controller, sliding mode controller integrator, nonlinear internal model controller and nonlinear PI controller, which ones are developed from theory to practical implementation in a real control valve. The results show that the controllers presented satisfactory performance, where the sliding mode controller and sliding mode control integrator presented the best performance.

Supplying haptic or force feedback to operators using hydraulic machinery such as excavators has the potential to increase operator capabilities. Haptic, robotic, human-machine interfaces enable several enhancing features including coordinated motion control and programmable haptic feedback. Coordinated or resolved motion control supplies a more intuitive means of specifying the equipment's motion. Haptic feedback is used to relay meaningful information back to the user in the form of force signals about digging force acting on the bucket, programmable virtual constraints and system limitations imposed by the mechanism, maximum pressure or maximum flow. In order to make this technology economically viable, the benefits must offset the additional cost associated with implementation. One way to minimize this cost is to not use high-end hydraulic components. For smaller backhoes and mini-excavators this means that the hydraulic systems are comprised of a constant displacement pump and proportional direction control valves. Hydraulic and haptic control techniques suitable for backhoes/excavators are developed and tested on a small backhoe test-bed. A virtual backhoe simulator is created for controller design and human evaluation. Not only is the virtual simulator modeled after the test-bed, but the control algorithm used in the simulator is the same as the actual backhoe test-bed. Data from human subject tests are presented that evaluate the control strategies on both the real and virtual backhoe. The end goal of this project is to incorporate coordinated haptic control algorithms that work with low-cost systems and maximize the enhancement of operator capabilities.