一类周期激励非线性系统复杂行为分析

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周期激励非线系统由于存在着激励频率与系统固有频率之间的耦合,因而会呈现出各种复杂动力学行为。本文考虑两种不同形式下的周期激励非线性系统,探讨其中不同的动力学行为及其产生机制。  首先探讨当激励频率与系统固有频率存在量级差距,即含有不同尺度时周期激励系统的各种簇发振荡行为及其产生机制。两时间尺度系统的动力学行为的相关成果有很多,得到了几种簇发振荡比如fold/fold和fold/Hopf。可是大多数的结果是基于自治系统的,其向量场可以被分为两个子系统,然而对于非自治系统,比如周期激励系统,当其激励频率和系统固有频率之间存在量级上的差距时也可以观察到两时间尺度效应,事实上系统的轨线受到两种频率的控制,表现为张驰振动。由于没有明显的慢子系统和快子系统存在,不能直接用快慢分析方法分析簇发机制。本文采用了一种典型的分析周期激励动力系统簇发机制的分析方法,其中引进了广义自治系统(GAS)和转换相图(TPP)的概念。基于广义自治系统的分岔分析,揭示了周期外激励电机振子不同类型簇发现象的产生机制。从参数变化导致的动力学行为演变过程中可以发现,在沉寂态(QS)和激发态(SP)转换时发生的不同形式的分岔,会导致不同模式的簇发现象。  其次考察激励在常量与周期项之间切换时的各种现象及其诱发机制。切换会导致系统产生丰富的行为。近年来,虽然在切换系统方面取得了一定的成果,但许多工作都是围绕着线性系统之间的切换开展的,对于非线性系统之间切换导致的复杂性及其机理的认识尚不深入。本文建立了外作用力不同形式之间周期切换的离心调速器的动力学模型,基于自治子系统的平衡点分析,给出了参数空间中相应的Hopf和fold分岔集,进而分别考虑切换系统随外作用力常量和周期激励幅值变化的动力学演化过程,指出当参数位于自治系统稳定平衡点区域时,切换系统表现为稳定的周期运动,并会通过倍周期分岔序列进入混沌。当参数位于自治子系统的Hopf分岔区域内时,切换系统通常表现为概周期振荡,而自治子系统的Hopf点则对应于周期振荡与概周期振荡的分界点,同时,在概周期振荡区域,存在着不同的周期窗口,这些周期窗口相应的Floquet乘子存在两种穿越单位圆的方式,也即存在着两种不同的失稳机制,分别对应于倍周期分岔和鞍结分岔,其中鞍结分岔导致周期窗口和概周期振荡之间的转换。
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