双频激励下Filippov系统的非光滑簇发振荡机理

旨在揭示含双频周期激励的不同尺度Filippov系统的非光滑簇发振荡模式及分岔机制.以Duffing和Van der Pol耦合振子作为动力系统模型,引入周期变化的双频激励项,当两激励频率与固有频率存在量级差时,将两周期激励项表示为可以作为一慢变参数的单一周期激励项的代数表达式,给出了当保持外部激励频率不变,改变参数激励频率的情况下,快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及因系统出现的fold分岔或Hopf分岔导致的系统分岔行为的演化机制.结合转换相图和由Hopf分岔产生稳定极限环的演化过程,得到了由慢变参数确定的同宿分岔、多滑分岔的临界情形及因慢变参数改变而出现的混合振荡模式,并详细阐述了系统的簇发振荡机制和非光滑动力学行为特性.通过对比两种不同情形下的平衡曲线及分岔图,指出虽然系统有相似的平衡曲线结构,却因参数激励频率取值的不同,致使平衡曲线发生了更多的曲折,对应的极值点的个数也有所改变,并通过数值模拟,对结果进行了验证.     

双频1:2激励下修正蔡氏振子两尺度耦合行为

不同尺度耦合系统存在的复杂振荡及其分岔机理一直是当前国内外研究的热点课题之一. 目前相关工作大都是针对单频周期激励频域两尺度系统,而对于含有两个或两个以上周期激励系统尺度效应的研究则相对较少. 为深入揭示多频激励系统的不同尺度效应,本文以修正的四维蔡氏电路为例,通过引入两个频率不同的周期电流源,建立了双频1:2周期激励两尺度动力学模型. 当两激励频率之间存在严格共振关系,且周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将两周期激励项转换为单一周期激励项的函数形式. 将该单一周期激励项视为慢变参数,给出了不同激励幅值下快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔行为的演化过程,重点考察了3种较为典型的不同外激励幅值下系统的簇发振荡行为. 结合转换相图,揭示了各种簇发振荡的产生机理. 系统的轨线会随慢变参数的变化,沿相应的稳定平衡曲线运动,而fold分岔会导致轨迹在不同稳定平衡曲线上的跳跃,产生相应的激发态. 激发态可以用从分岔点向相应稳定平衡曲线的暂态过程来近似,其振荡幅值的变化和振荡频率也可用相应平衡点特征值的实部和虚部来描述,并进一步指出随着外激励幅值的改变,导致系统参与簇发振荡的平衡曲线分岔点越多,其相应簇发振荡吸引子的结构也越复杂.      

参外联合激励下的簇发振荡及其机理

当周期激励频率远小于系统固有频率时，会存在快慢耦合效应，与单项激励不同，参外联合激励不仅会导致快子系统平衡曲线和分岔行为的复杂化，也会产生一些特殊的非线性现象，为此，本文以两耦合Hodgkin-Huxley细胞模型为例，引入周期参外联合激励，探讨在频域不同尺度耦合时该系统的簇发振荡的特点及其分岔机制．通过建立相应的快慢子系统，得到慢变参数变化下的快子系统的各种分岔模式以及相应的分岔行为，结合转换相图，揭示耦合系统随激励幅值变化时的动力学行为及其机理．研究表明，在激励幅值较小时，系统表现为概周期振荡，两频率分别近似于快子系统平衡曲线由Hopf分岔引起的两稳定极限环的振荡频率．概周期解随激励幅值的增加进入簇发振荡，导致这些簇发振荡的主要原因是在慢变参数变化的部分区间内，存在唯一稳定的平衡曲线，使得系统的轨迹逐渐趋向该平衡曲线，产生沉寂态，并随着慢变参数的变化，由分岔进入激发态．同时，快子系统中参与簇发振荡的稳定吸引子随激励幅值的变化也会不同，导致不同形式的簇发振荡．另外，与单项激励下的情形不同，联合激励时快子系统的部分稳定吸引子掩埋在其它稳定吸引子内，从而失去对簇发振荡的影响．     

双频1:2激励下修正蔡氏振子两尺度耦合行为

不同尺度耦合系统存在的复杂振荡及其分岔机理一直是当前国内外研究的热点课题之一.目前相关工作大都是针对单频周期激励频域两尺度系统,而对于含有两个或两个以上周期激励系统尺度效应的研究则相对较少.为深入揭示多频激励系统的不同尺度效应,本文以修正的四维蔡氏电路为例,通过引入两个频率不同的周期电流源,建立了双频1:2周期激励两尺度动力学模型.当两激励频率之间存在严格共振关系,且周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将两周期激励项转换为单一周期激励项的函数形式.将该单一周期激励项视为慢变参数,给出了不同激励幅值下快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔行为的演化过程,重点考察了3种较为典型的不同外激励幅值下系统的簇发振荡行为.结合转换相图,揭示了各种簇发振荡的产生机理.系统的轨线会随慢变参数的变化,沿相应的稳定平衡曲线运动,而fold分岔会导致轨迹在不同稳定平衡曲线上的跳跃,产生相应的激发态.激发态可以用从分岔点向相应稳定平衡曲线的暂态过程来近似,其振荡幅值的变化和振荡频率也可用相应平衡点特征值的实部和虚部来描述,并进一步指出随着外激励幅值的改变,导致系统参与簇发振荡的平衡曲线分岔点越多,其相应簇发振荡吸引子的结构也越复杂.     

一类混沌系统中的簇发振荡及其延迟叉形分岔行为

由于多时间尺度问题在实际工程系统中广泛存在,关于其复杂动力学行为及其产生机制的研究已成为当前国内外的热点课题之一.簇发振荡是多时间尺度系统复杂动力学行为的典型代表,而分岔延迟又是簇发振荡中的常见现象.本文为探讨非线性系统中分岔延迟所引发的簇发振荡的分岔机制,在一个三维混沌系统中引入参数激励,当激励频率远小于系统的固有频率时,系统产生了两时间尺度簇发振荡.将整个激励项看做慢变参数,激励系统转化为广义自治系统也即快子系统,分析快子系统平衡点的稳定性以及分岔条件,并运用快慢分析法和转换相图揭示了簇发振荡的动力学机理.文中考察了4组参数条件下系统的动力学行为,研究发现当慢变激励项周期性地通过分岔点时,系统产生了明显的超临界叉形分岔延迟行为,随着参数激励振幅的增大,分岔延迟的时间也逐渐延长,当这种延迟的动态行为终止于不同的参数区域时,导致系统轨线围绕不同稳定吸引子(平衡点,极限环)运动,从而得到了不同的簇发振荡行为.      

一类混沌系统中的簇发振荡及其延迟叉形分岔行为

由于多时间尺度问题在实际工程系统中广泛存在,关于其复杂动力学行为及其产生机制的研究已成为当前国内外的热点课题之一.簇发振荡是多时间尺度系统复杂动力学行为的典型代表,而分岔延迟又是簇发振荡中的常见现象.本文为探讨非线性系统中分岔延迟所引发的簇发振荡的分岔机制,在一个三维混沌系统中引入参数激励,当激励频率远小于系统的固有频率时,系统产生了两时间尺度簇发振荡.将整个激励项看做慢变参数,激励系统转化为广义自治系统也即快子系统,分析快子系统平衡点的稳定性以及分岔条件,并运用快慢分析法和转换相图揭示了簇发振荡的动力学机理.文中考察了4组参数条件下系统的动力学行为,研究发现当慢变激励项周期性地通过分岔点时,系统产生了明显的超临界叉形分岔延迟行为,随着参数激励振幅的增大,分岔延迟的时间也逐渐延长,当这种延迟的动态行为终止于不同的参数区域时,导致系统轨线围绕不同稳定吸引子(平衡点,极限环)运动,从而得到了不同的簇发振荡行为.     

余维三fold-fold-Hopf分岔下簇发振荡及其分类

不同尺度耦合系统存在着广泛的工程背景, 通常表现为大幅振荡与微幅振荡交替出现的簇发振荡, 其产生机理一直是当前国内外研究的前沿课题之一. 传统的几何奇异摄动分析方法仅对时域上的两尺度耦合有效, 无法揭示频域上不同尺度之间的相互作用, 同时, 当前相关研究仅针对余维一fold或Hopf分岔展开. 本文针对频域两尺度耦合向量场存在余维三fold-fold-Hopf分岔时的复杂动力特性, 基于包含三阶非线性项以内的该分岔向量场的标准型及其普适开折, 给出相应的分岔集, 从而将双开折参数平面划分为对应于不同行为的子区域. 引入慢变周期激励项取代其中一个开折参数, 随慢变激励项的变化, 会存在两类轨迹访问子区域途径, 产生周期Hopf/LPC, Hopf/LPC/Hopf/LPC, fold/LPC/Hopf/Homoclinic和fold/LPC 4种簇发振荡类型. 在分析过程中, 发现系统轨迹上的真实分岔, 往往与理论上的分岔点之间存在着滞后效应, 这种滞后效应的滞后时间也会随着激励幅值的增大而延长, 因为激励幅值的增大, 会导致轨迹沿相应平衡态运动的惯性增大, 特别是, 当激励幅值增大到一定值后, 会导致轨迹沿某平衡态运动并穿越该区域, 也即相关分岔效应来不及出现, 从而导致振荡形式的改变. 本工作表明, 对于局部分岔下的快慢效应, 通过向量场标准型开折参数的周期扰动, 在一定程度可以对该分岔所导致的所有可能的各种簇发进行归类, 并得到其相应的产生机制.      

一类三维非线性系统的复杂簇发振荡行为及其机理

由多时间尺度耦合效应引起的簇发振荡行为是非线性动力学研究的重要课题之一.本文针对一类参数激励下的三维非线性电机系统(该系统可以描述两种自激同极发电机系统的动力学行为,两种系统在数学上等效),研究了当参数激励频率远小于系统自然频率时的各种复杂簇发振荡行为及其产生机理.通过快慢分析方法, 将参数激励作为慢变参数,得到了非自治系统对应的广义自治系统及快子系统和慢变量,并给出了快子系统的稳定性和分岔条件以及系统关于典型参数的单参数分岔图.借助转换相图与分岔图的叠加, 分析了对称式delayed subHopf/fold cycle簇发振荡的产生机理及其动力学转迁, 即delayed subHopf/fold cycle簇发振荡、焦点/焦点型对称式叉形分岔滞后簇发振荡和焦点/焦点型叉形分岔滞后簇发振荡.研究结果表明, 系统会出现两种不同的分岔滞后形式, 一种是亚临界Hopf分岔滞后,另一种是叉形分岔滞后,而且控制参数显著影响平衡点的稳定性和分岔滞后区间的宽度.同时初始点的选取则会影响系统动力学行为的对称性.本文的研究进一步加深了对由分岔滞后引起的簇发振荡的认识和理解.      

COMPLICATED BURSTING BEHAVIORS AS WELL AS THE MECHANISM OF A THREE DIMENSIONAL NONLINEAR SYSTEM 1)

由多时间尺度耦合效应引起的簇发振荡行为是非线性动力学研究的重要课题之一.本文针对一类参数激励下的三维非线性电机系统(该系统可以描述两种自激同极发电机系统的动力学行为,两种系统在数学上等效),研究了当参数激励频率远小于系统自然频率时的各种复杂簇发振荡行为及其产生机理.通过快慢分析方法, 将参数激励作为慢变参数,得到了非自治系统对应的广义自治系统及快子系统和慢变量,并给出了快子系统的稳定性和分岔条件以及系统关于典型参数的单参数分岔图.借助转换相图与分岔图的叠加, 分析了对称式delayed subHopf/fold cycle簇发振荡的产生机理及其动力学转迁, 即delayed subHopf/fold cycle簇发振荡、焦点/焦点型对称式叉形分岔滞后簇发振荡和焦点/焦点型叉形分岔滞后簇发振荡.研究结果表明, 系统会出现两种不同的分岔滞后形式, 一种是亚临界Hopf分岔滞后,另一种是叉形分岔滞后,而且控制参数显著影响平衡点的稳定性和分岔滞后区间的宽度.同时初始点的选取则会影响系统动力学行为的对称性.本文的研究进一步加深了对由分岔滞后引起的簇发振荡的认识和理解.     

快慢耦合振子的张驰簇发及其非光滑分岔机制

通过引入适当的参数值, 得到了两时间尺度下的快慢耦合振子, 分析了耦合系统及子系统的平衡点及其性质, 进而利用微分包含理论, 探讨了非光滑分界面上的奇异性, 指出在适当的参数条件下, 系统轨迹在穿越分界面时会产生由Hopf分岔和Fold分岔组合的非常规分岔. 给出了不同参数条件下的周期簇发行为, 分析了簇发过程的振荡特性, 指出激发态的频率取决于快子系统在非光滑分界面上的Hopf分岔频率, 而慢子系统的固有频率影响了簇发行为的振荡周期, 并进一步揭示了由非光滑分岔引起的不同周期簇发的分岔机制.     

Modified slow-fast analysis method for slow-fast dynamical systems with two scales in frequency domain

A modified slow-fast analysis method is presented for the periodically excited non-autonomous dynamical system with an order gap between the exciting frequency and the natural frequency. By regarding the exciting term as a slow-varying parameter, a generalized autonomous fast subsystem can be defined, the equilibrium branches as well as the bifurcations of which can be employed to account for the mechanism of the bursting oscillations by combining the transformed phase portrait introduced. As an example, a typical periodically excited Hartley model is used to demonstrate the validness of the method, in which the exciting frequency is far less than the natural frequency. The equilibrium branches and their bifurcations of the fast subsystem with the variation of the slow-varying parameter are presented. Bursting oscillations for two typical cases are considered, which reveals that, fold bifurcation may cause the the trajectory to jump between different equilibrium branches, while Hopf bifurcation may cause the trajectory to oscillate around the stable limit cycle.     

Bifurcations and chaotic dynamics in suspended cables under simultaneous parametric and external excitations

The bifurcations and chaotic dynamics of parametrically and externally excited suspended cables are investigated in this paper. The equations of motion governing such systems contain quadratic and cubic nonlinearities, which may result in two-to-one and one-to-one internal resonances. The Galerkin procedure is introduced to simplify the governing equations of motion to ordinary differential equations with two-degree-of-freedom. The case of one-to-one internal resonance between the modes of suspended cables, primary resonant excitation, and principal parametric excitation of suspended cables is considered. Using the method of multiple scales, a parametrically and externally excited system is transformed to the averaged equations. A pseudo arclength scheme is used to trace the branches of the equilibrium solutions and an investigation of the eigenvalues of the Jacobian matrix is used to assess their stability. The equilibrium solutions experience pitchfork, saddle-node, and Hopf bifurcations. A detailed bifurcation analysis of the dynamic (periodic and chaotic) solutions of the averaged equations is presented. Five branches of dynamic solutions are found. Three of these branches that emerge from two Hopf bifurcations and the other two are isolated. The two Hopf bifurcation points, one is supercritical Hopf bifurcation point and another is primary Hopf bifurcation point. The limit cycles undergo symmetry-breaking, cyclic-fold, and period-doubling bifurcations, whereas the chaotic attractors undergo attractor-merging, boundary crises. Simultaneous occurrence of the limit cycle and chaotic attractors, homoclinic orbits, homoclinic explosions and hyperchaos are also observed.     

Nonlinear Nonplanar Dynamics of Parametrically Excited Cantilever Beams

The nonlinear nonplanar response of cantilever inextensional metallic beams to a principal parametric excitation of two of its flexural modes, one in each plane, is investigated. The lowest torsional frequencies of the beams considered are much larger than the frequencies of the excited modes so that the torsional inertia can be neglected. Using this condition as well as the inextensionality condition, we develop a Lagrangian whose variation leads to two integro-partial-differential equations governing the motions of the beams. The method of time-averaged Lagrangian is used to derive four first-order nonlinear ordinary-differential equations governing the modulation of the amplitudes and phases of the two interacting modes. These modulation equations exhibit symmetry properties. A pseudo arclength scheme is used to trace the branches of the equilibrium solutions and an investigation of the eigenvalues of the Jacobian matrix is used to assess their stability. The equilibrium solutions experience pitchfork, saddle-node, Hopf, and codimension-2 bifurcations. A detailed bifurcation analysis of the dynamic solutions of the modulation equations is presented. Five branches of dynamic (periodic and chaotic) solutions were found. Two of these branches emerge from two Hopf bifurcations and the other three are isolated. The limit cycles undergo symmetry-breaking, cyclic-fold, and period-doubling bifurcations, whereas the chaotic attractors undergo attractor-merging and boundary crises.     

Border collision bifurcations in 3D piecewise smooth chaotic circuit

A variety of border collision bifurcations in a three-dimensional (3D) piecewise smooth chaotic electrical circuit are investigated. The existence and stability of the equilibrium points are analyzed. It is found that there are two kinds of non-smooth fold bifurcations. The existence of periodic orbits is also proved to show the occurrence of non-smooth Hopf bifurcations. As a composite of non-smooth fold and Hopf bifurcations, the multiple crossing bifurcation is studied by the generalized Jacobian matrix. Some interesting phenomena which cannot occur in smooth bifurcations are also considered.