The dynamical behaviour of a parametrically excited Duffing-van der Pol oscillator under linear-plus-nonlinear state feedback control with a time delay is concerned. By means of the method of averaging together with t...The dynamical behaviour of a parametrically excited Duffing-van der Pol oscillator under linear-plus-nonlinear state feedback control with a time delay is concerned. By means of the method of averaging together with truncation of Taylor expansions, two slow-flow equations on the amplitude and phase of response were derived for the case of principal parametric resonance, it is shown that the stability condition for the trivial solution is only associated with the linear terms in the original systems besides the amplitude and frequency of parametric excitation. And the trivial solution can be stabilized by appreciate choice of gains and time delay in feedback control. Different from the case of the trivial solution, the stability condition for nontrivial solutions is also associated with nonlinear terms besides linear terms in the original system. It is demonstrated that nontrivial steady state responses may lose their stability by saddle-node （SN） or Hopf bifurcation （HB） as parameters vary. The simulations, obtained by numerically integrating the original system, are in good agreement with the analytical results.展开更多
研究了 Van der Pol-Duffing振子在简谐与随机噪声联合激励下的响应问题。用参数变换法使方程出现小参数 ,用多尺度法分离系统的快变项 ,讨论系统的阻尼项、非线性项和随机项等参数对系统响应的影响。理论分析和数值模拟表明 ,当随机激...研究了 Van der Pol-Duffing振子在简谐与随机噪声联合激励下的响应问题。用参数变换法使方程出现小参数 ,用多尺度法分离系统的快变项 ,讨论系统的阻尼项、非线性项和随机项等参数对系统响应的影响。理论分析和数值模拟表明 ,当随机激励强度增大时 ,系统的响应可从一个极限环变为一个扩散的极限环 ;在一定的条件下 ,系统可有两个稳定的稳态解及随机跳跃现象。展开更多
研究了Duffing-van der Pol振子在一类时滞反馈控制下零解的稳定性问题以及极限环的振幅和稳定性问题。依平均法和对时滞反馈控制项泰劳展开的截断得到的平均方程表明,零解的稳定性除与原方程中线性项的系数有关外,只与线性反馈有关,与...研究了Duffing-van der Pol振子在一类时滞反馈控制下零解的稳定性问题以及极限环的振幅和稳定性问题。依平均法和对时滞反馈控制项泰劳展开的截断得到的平均方程表明,零解的稳定性除与原方程中线性项的系数有关外,只与线性反馈有关,与非线性反馈无关。通过调整线性反馈的增益和时滞,可以使不稳定的零解变得稳定。零解发生Hopf分岔导致的周期解的振幅除与原方程中非线性项的系数有关外,与线性反馈和非线性反馈均有关。通过调整反馈增益和时滞,不仅可以控制极限环的振幅,还可以抑制极限环的产生。此外,根据平均方程还容易发现反馈时滞对系统动力学行为的影响具有周期性。数值仿真的结果验证了理论分析的正确性。展开更多
微弱信号检测是一种重要的技术,已经被广泛用于许多领域。与众多微弱信号处理方法不同的是,随机共振(SR)可以利用噪声实现对特征信号的检测。Van der Pol振子具有丰富的动力学性质,被广泛运用在混沌检测中。基于此,将Duffing与Van der ...微弱信号检测是一种重要的技术,已经被广泛用于许多领域。与众多微弱信号处理方法不同的是,随机共振(SR)可以利用噪声实现对特征信号的检测。Van der Pol振子具有丰富的动力学性质,被广泛运用在混沌检测中。基于此,将Duffing与Van der Pol振子进行线性耦合,并添加微分项作为耦合系统的反馈以加强耦合强度,构建一种Duffing与Van der Pol强耦合系统,实验发现,该系统具有丰富的SR现象,且通过广义时间尺度变换,可以实现任意特征频率下的微弱信号检测。实验显示,强耦合系统比一般耦合系统具有更好的稳定性;在三值噪声背景下,该系统的输出平均信噪比增益(MSNRI)随着三值噪声状态值的变化呈现不同形式的对称分布;在被控系统中,随着阻尼系数的逐渐增强,输出响应将变得逐渐平滑;另外,在控制系统中,当阻尼系数很小时,系统输出将会出现二次共振现象,随着阻尼系数的增大,次级共振峰将逐渐减小直至消失,一级共振峰将逐渐增强,这是阱间共振完全取代了阱内,阱间联合共振的缘故。最后,借助遗传算法(GA)自适应参数寻优,与传统双稳以及耦合Duffing系统对比发现,所提系统具有更高的输出MSNRI。经测试,该系统对实际轴承故障信号也具有良好的检测效果,并且与传统双稳系统相比能更显著的消除边频信号干扰。展开更多
The principal resonance of Van der Pol-Duffing oscillator to combined deterministic and random parametric excitations is investigated. The method of multiple scales was used to determine the equations of modulation of...The principal resonance of Van der Pol-Duffing oscillator to combined deterministic and random parametric excitations is investigated. The method of multiple scales was used to determine the equations of modulation of amplitude and phase. The behavior, stability and bifurcation of steady state response were studied. Jumps were shown to occur under some conditions. The effects of damping, detuning, bandwidth, and magnitudes of deterministic and random excitations are analyzed. The theoretical analysis were verified by numerical results.展开更多
This paper discusses a novel technique and implementation to perform nonlinear control for two different forced model state oscillators and actuators. The paper starts by discussing the Duffing oscillator which featur...This paper discusses a novel technique and implementation to perform nonlinear control for two different forced model state oscillators and actuators. The paper starts by discussing the Duffing oscillator which features a second order non-linear differential equation describing complex motion whereas the second model is the Van der Pol oscillator with non-linear damping. A first order actuator is added to both models to expand on the chaotic behavior of the oscillators. In order to control the system without comprising linearization, Lyapunov non-linear control was used. A control Lyapunov function was tailored to the system. This led to improved maneuverability of the controller and the performance of the overall system. The controller was found to be highly efficient in system tracking and had swift response time. Simulations were performed on both the uncontrolled and controlled cases. Both simulation results ultimately confirmed the effectiveness of the proposed controller.展开更多
研究了改进型Van der Pol-Duffing混沌振子的同步问题。当驱动系统的参数已知时,根据Lyapunov稳定性理论,设计了一个线性反馈控制器,使两个相同的改进型Van der Pol-Duffing混沌振子同步,并得出了保守性较小的同步条件;当驱动系统的参...研究了改进型Van der Pol-Duffing混沌振子的同步问题。当驱动系统的参数已知时,根据Lyapunov稳定性理论,设计了一个线性反馈控制器,使两个相同的改进型Van der Pol-Duffing混沌振子同步,并得出了保守性较小的同步条件;当驱动系统的参数未知时,利用自适应控制方法,选择了适当的自适应律,构造了两个简单的控制器,使响应系统与驱动系统同步,并同时实现了驱动系统中未知参数的辨识。通过数值仿真,表明了这些方法的有效性。展开更多
运用分岔图、相图、Poincare截面图、快速傅里叶变换(FFT)图、最大Lyapunov指数图、吸引域等各种数值方法,研究了Duffing-Van Der Pol振子在参数激励下的一系列动力学行为,揭示了该系统复杂的分岔、混沌现象.通过共存时吸引子及相应吸...运用分岔图、相图、Poincare截面图、快速傅里叶变换(FFT)图、最大Lyapunov指数图、吸引域等各种数值方法,研究了Duffing-Van Der Pol振子在参数激励下的一系列动力学行为,揭示了该系统复杂的分岔、混沌现象.通过共存时吸引子及相应吸引域的变化,研究了混沌吸引子的形成与激变.展开更多
用平均法研究了含分数阶导数项的van der Pol-Duffing振子的动力学行为和力传递率。得到了主共振时振子的一阶解析解、定常解幅频曲线和相频曲线的解析表达式,进一步通过与数值解作对比,验证了解析解的正确性,分析了不同参数对幅频曲线...用平均法研究了含分数阶导数项的van der Pol-Duffing振子的动力学行为和力传递率。得到了主共振时振子的一阶解析解、定常解幅频曲线和相频曲线的解析表达式,进一步通过与数值解作对比,验证了解析解的正确性,分析了不同参数对幅频曲线和力传递率的影响。结果表明:解析解与数值解吻合良好;在无量纲情况下,共振区分数阶项系数、非线性参数、分数阶阶次、阻尼比对幅频曲线和力传递率的共振峰值均有抑制作用;不同频率区段参数对隔振效果的影响不同,在低频隔振区非线性参数和幅值越小隔振效果越好,此外阻尼比对力传递率影响很小;在高频隔振区增大非线性参数、幅值和阻尼比有助于提高隔振效果。展开更多
为解决双势阱Duffing-van der Pol振子同频微弱信号定量检测问题,分析发现了Poincare截面能明显区分系统不同状态的现象,构建了基于Poincare截面的检测统计量,并以此为基础设计了信号检测的有效实现方法。首先对Poincare截面进行数值计...为解决双势阱Duffing-van der Pol振子同频微弱信号定量检测问题,分析发现了Poincare截面能明显区分系统不同状态的现象,构建了基于Poincare截面的检测统计量,并以此为基础设计了信号检测的有效实现方法。首先对Poincare截面进行数值计算得到系统关于策动力幅值的分岔点图,其次对不同状态下各幅值对应分布点做方差统计构建检测统计量。不同状态的检测统计量分布区间不同,按照统计值落入的区间即可判断信号有无。仿真实验给出了不同策动力角频率下检测统计量的临界值和检测区间,并通过与相平面检测结果的对比验证了该检测方法的可行性,为微弱信号定量检测提供了参考。展开更多
研究了一类Duffing-van der Pol系统在谐和与随机噪声联合激励下的主共振响应和稳定性问题.运用多尺度法分离了系统的快慢变量,得到了系统的一阶近似解;运用奇异性理论得到系统是叉形分岔结构;用线性化方法求出了系统响应幅值的一、二阶...研究了一类Duffing-van der Pol系统在谐和与随机噪声联合激励下的主共振响应和稳定性问题.运用多尺度法分离了系统的快慢变量,得到了系统的一阶近似解;运用奇异性理论得到系统是叉形分岔结构;用线性化方法求出了系统响应幅值的一、二阶矩.数值模拟验证了理论结果的有效性.展开更多
传统方法检测微弱信号具有一定的困难,利用混沌振子对微弱信号敏感以及对强噪声具有良好免疫力的特性,提出基于耦合Van der Pol-Duffing振子系统检测微弱信号的新方法。对比不同参数下耦合系统的动力学行为,通过分岔图和二分法确定临界...传统方法检测微弱信号具有一定的困难,利用混沌振子对微弱信号敏感以及对强噪声具有良好免疫力的特性,提出基于耦合Van der Pol-Duffing振子系统检测微弱信号的新方法。对比不同参数下耦合系统的动力学行为,通过分岔图和二分法确定临界阈值,保证阈值搜索速度和阈值精度。阐述基于相图的微弱信号检测原理,通过从混沌态到周期态的转变成功检测淹没在强噪声中的微弱信号,信噪比门限达到–30 d B。同时考察不同精度幅值下噪声对系统状态的影响,不同频率信号以及相移对检测的影响。仿真结果表明,该耦合系统在强噪声条件下对微弱信号敏感,用于检测微弱信号是可行的。展开更多
研究含时滞的大规模van der Pol-Duffing耦合振子系统的非线性动力学.通过讨论特征方程根分布情况确定系统的稳定性,并在耦合时滞和强度平面上给出振幅死亡区域.结合数值算例,揭示同步和异步周期振荡、概周期运动以及混沌吸引子等现象....研究含时滞的大规模van der Pol-Duffing耦合振子系统的非线性动力学.通过讨论特征方程根分布情况确定系统的稳定性,并在耦合时滞和强度平面上给出振幅死亡区域.结合数值算例,揭示同步和异步周期振荡、概周期运动以及混沌吸引子等现象.基于非线性振子电路和时滞电路,构建电路实验平台,有效验证理论和数值结果.研究结果表明,时滞可以显著影响系统动力学特性,如诱发振幅死亡、稳定性切换以及复杂振荡等.展开更多
以2个激励作用下的Duffing-van der Pol振子为例,研究了两时间尺度下系统的复杂动力学行为。首先,分析了单个激励下的系统稳定性和分岔,给出了典型参数条件下的复合式delayed sub Hopf/fold-cycle簇发及其产生机制;然后,利用改进型快慢...以2个激励作用下的Duffing-van der Pol振子为例,研究了两时间尺度下系统的复杂动力学行为。首先,分析了单个激励下的系统稳定性和分岔,给出了典型参数条件下的复合式delayed sub Hopf/fold-cycle簇发及其产生机制;然后,利用改进型快慢分析方法,研究了第2个激励频率为第1个频率的整数倍时的滞后翻转型复合式delayed sub Hopf/fold-cycle簇发,并借助(δ,x)平面上的慢变流形与分岔图的叠加,揭示了这种复杂复合式簇发的机理。展开更多
研究了同时含有平方项和高次幂项的Van der Pol-Duffing系统的混沌行为及混沌控制问题,数值仿真分析了该系统存在的典型非线性动力学行为.主要采用单初始点分岔分析方法、最大Lyapunov指数和Poincare映射方法,从不同侧面揭示了在周期激...研究了同时含有平方项和高次幂项的Van der Pol-Duffing系统的混沌行为及混沌控制问题,数值仿真分析了该系统存在的典型非线性动力学行为.主要采用单初始点分岔分析方法、最大Lyapunov指数和Poincare映射方法,从不同侧面揭示了在周期激振力作用下系统的周期运动、混沌运动,以及运动形式的演化过程,并用x|x|控制方法实现了系统的混沌抑制问题.展开更多
基金Project supported by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholar of Ministry of Eduction, China (No.2006-331)
文摘The dynamical behaviour of a parametrically excited Duffing-van der Pol oscillator under linear-plus-nonlinear state feedback control with a time delay is concerned. By means of the method of averaging together with truncation of Taylor expansions, two slow-flow equations on the amplitude and phase of response were derived for the case of principal parametric resonance, it is shown that the stability condition for the trivial solution is only associated with the linear terms in the original systems besides the amplitude and frequency of parametric excitation. And the trivial solution can be stabilized by appreciate choice of gains and time delay in feedback control. Different from the case of the trivial solution, the stability condition for nontrivial solutions is also associated with nonlinear terms besides linear terms in the original system. It is demonstrated that nontrivial steady state responses may lose their stability by saddle-node （SN） or Hopf bifurcation （HB） as parameters vary. The simulations, obtained by numerically integrating the original system, are in good agreement with the analytical results.
文摘研究了 Van der Pol-Duffing振子在简谐与随机噪声联合激励下的响应问题。用参数变换法使方程出现小参数 ,用多尺度法分离系统的快变项 ,讨论系统的阻尼项、非线性项和随机项等参数对系统响应的影响。理论分析和数值模拟表明 ,当随机激励强度增大时 ,系统的响应可从一个极限环变为一个扩散的极限环 ;在一定的条件下 ,系统可有两个稳定的稳态解及随机跳跃现象。
文摘研究了Duffing-van der Pol振子在一类时滞反馈控制下零解的稳定性问题以及极限环的振幅和稳定性问题。依平均法和对时滞反馈控制项泰劳展开的截断得到的平均方程表明,零解的稳定性除与原方程中线性项的系数有关外,只与线性反馈有关,与非线性反馈无关。通过调整线性反馈的增益和时滞,可以使不稳定的零解变得稳定。零解发生Hopf分岔导致的周期解的振幅除与原方程中非线性项的系数有关外,与线性反馈和非线性反馈均有关。通过调整反馈增益和时滞,不仅可以控制极限环的振幅,还可以抑制极限环的产生。此外,根据平均方程还容易发现反馈时滞对系统动力学行为的影响具有周期性。数值仿真的结果验证了理论分析的正确性。
文摘微弱信号检测是一种重要的技术,已经被广泛用于许多领域。与众多微弱信号处理方法不同的是,随机共振(SR)可以利用噪声实现对特征信号的检测。Van der Pol振子具有丰富的动力学性质,被广泛运用在混沌检测中。基于此,将Duffing与Van der Pol振子进行线性耦合,并添加微分项作为耦合系统的反馈以加强耦合强度,构建一种Duffing与Van der Pol强耦合系统,实验发现,该系统具有丰富的SR现象,且通过广义时间尺度变换,可以实现任意特征频率下的微弱信号检测。实验显示,强耦合系统比一般耦合系统具有更好的稳定性;在三值噪声背景下,该系统的输出平均信噪比增益(MSNRI)随着三值噪声状态值的变化呈现不同形式的对称分布;在被控系统中,随着阻尼系数的逐渐增强,输出响应将变得逐渐平滑;另外,在控制系统中,当阻尼系数很小时,系统输出将会出现二次共振现象,随着阻尼系数的增大,次级共振峰将逐渐减小直至消失,一级共振峰将逐渐增强,这是阱间共振完全取代了阱内,阱间联合共振的缘故。最后,借助遗传算法(GA)自适应参数寻优,与传统双稳以及耦合Duffing系统对比发现,所提系统具有更高的输出MSNRI。经测试,该系统对实际轴承故障信号也具有良好的检测效果,并且与传统双稳系统相比能更显著的消除边频信号干扰。
文摘The principal resonance of Van der Pol-Duffing oscillator to combined deterministic and random parametric excitations is investigated. The method of multiple scales was used to determine the equations of modulation of amplitude and phase. The behavior, stability and bifurcation of steady state response were studied. Jumps were shown to occur under some conditions. The effects of damping, detuning, bandwidth, and magnitudes of deterministic and random excitations are analyzed. The theoretical analysis were verified by numerical results.
文摘This paper discusses a novel technique and implementation to perform nonlinear control for two different forced model state oscillators and actuators. The paper starts by discussing the Duffing oscillator which features a second order non-linear differential equation describing complex motion whereas the second model is the Van der Pol oscillator with non-linear damping. A first order actuator is added to both models to expand on the chaotic behavior of the oscillators. In order to control the system without comprising linearization, Lyapunov non-linear control was used. A control Lyapunov function was tailored to the system. This led to improved maneuverability of the controller and the performance of the overall system. The controller was found to be highly efficient in system tracking and had swift response time. Simulations were performed on both the uncontrolled and controlled cases. Both simulation results ultimately confirmed the effectiveness of the proposed controller.
文摘研究了改进型Van der Pol-Duffing混沌振子的同步问题。当驱动系统的参数已知时,根据Lyapunov稳定性理论,设计了一个线性反馈控制器,使两个相同的改进型Van der Pol-Duffing混沌振子同步,并得出了保守性较小的同步条件;当驱动系统的参数未知时,利用自适应控制方法,选择了适当的自适应律,构造了两个简单的控制器,使响应系统与驱动系统同步,并同时实现了驱动系统中未知参数的辨识。通过数值仿真,表明了这些方法的有效性。
文摘运用分岔图、相图、Poincare截面图、快速傅里叶变换(FFT)图、最大Lyapunov指数图、吸引域等各种数值方法,研究了Duffing-Van Der Pol振子在参数激励下的一系列动力学行为,揭示了该系统复杂的分岔、混沌现象.通过共存时吸引子及相应吸引域的变化,研究了混沌吸引子的形成与激变.
文摘用平均法研究了含分数阶导数项的van der Pol-Duffing振子的动力学行为和力传递率。得到了主共振时振子的一阶解析解、定常解幅频曲线和相频曲线的解析表达式,进一步通过与数值解作对比,验证了解析解的正确性,分析了不同参数对幅频曲线和力传递率的影响。结果表明:解析解与数值解吻合良好;在无量纲情况下,共振区分数阶项系数、非线性参数、分数阶阶次、阻尼比对幅频曲线和力传递率的共振峰值均有抑制作用;不同频率区段参数对隔振效果的影响不同,在低频隔振区非线性参数和幅值越小隔振效果越好,此外阻尼比对力传递率影响很小;在高频隔振区增大非线性参数、幅值和阻尼比有助于提高隔振效果。
文摘为解决双势阱Duffing-van der Pol振子同频微弱信号定量检测问题,分析发现了Poincare截面能明显区分系统不同状态的现象,构建了基于Poincare截面的检测统计量,并以此为基础设计了信号检测的有效实现方法。首先对Poincare截面进行数值计算得到系统关于策动力幅值的分岔点图,其次对不同状态下各幅值对应分布点做方差统计构建检测统计量。不同状态的检测统计量分布区间不同,按照统计值落入的区间即可判断信号有无。仿真实验给出了不同策动力角频率下检测统计量的临界值和检测区间,并通过与相平面检测结果的对比验证了该检测方法的可行性,为微弱信号定量检测提供了参考。
文摘传统方法检测微弱信号具有一定的困难,利用混沌振子对微弱信号敏感以及对强噪声具有良好免疫力的特性,提出基于耦合Van der Pol-Duffing振子系统检测微弱信号的新方法。对比不同参数下耦合系统的动力学行为,通过分岔图和二分法确定临界阈值,保证阈值搜索速度和阈值精度。阐述基于相图的微弱信号检测原理,通过从混沌态到周期态的转变成功检测淹没在强噪声中的微弱信号,信噪比门限达到–30 d B。同时考察不同精度幅值下噪声对系统状态的影响,不同频率信号以及相移对检测的影响。仿真结果表明,该耦合系统在强噪声条件下对微弱信号敏感,用于检测微弱信号是可行的。
文摘研究含时滞的大规模van der Pol-Duffing耦合振子系统的非线性动力学.通过讨论特征方程根分布情况确定系统的稳定性,并在耦合时滞和强度平面上给出振幅死亡区域.结合数值算例,揭示同步和异步周期振荡、概周期运动以及混沌吸引子等现象.基于非线性振子电路和时滞电路,构建电路实验平台,有效验证理论和数值结果.研究结果表明,时滞可以显著影响系统动力学特性,如诱发振幅死亡、稳定性切换以及复杂振荡等.
文摘以2个激励作用下的Duffing-van der Pol振子为例,研究了两时间尺度下系统的复杂动力学行为。首先,分析了单个激励下的系统稳定性和分岔,给出了典型参数条件下的复合式delayed sub Hopf/fold-cycle簇发及其产生机制;然后,利用改进型快慢分析方法,研究了第2个激励频率为第1个频率的整数倍时的滞后翻转型复合式delayed sub Hopf/fold-cycle簇发,并借助(δ,x)平面上的慢变流形与分岔图的叠加,揭示了这种复杂复合式簇发的机理。
文摘研究了同时含有平方项和高次幂项的Van der Pol-Duffing系统的混沌行为及混沌控制问题,数值仿真分析了该系统存在的典型非线性动力学行为.主要采用单初始点分岔分析方法、最大Lyapunov指数和Poincare映射方法,从不同侧面揭示了在周期激振力作用下系统的周期运动、混沌运动,以及运动形式的演化过程,并用x|x|控制方法实现了系统的混沌抑制问题.
