一种非线性动力学系统混沌现象的深入研究

本文在实验教学中引入一种非线性混沌摆系统,通过调节混沌摆的驱动力周期演示了该非线性动力学系统出现混沌现象的过程,从而让学生了解混沌现象的参数敏感性、相图特点、频谱特性等基本特性.为了进一步了解该混沌摆的特性,本文建立了该非线性摆系统的简化动力学方程,在数值上对其进行了研究.基于动力学方程的数值模拟,克服了实验上相关参数定量改变困难、摆动稳定性不易控制、实验时间周期长等问题.在数值模拟中,通过改变不同参数得到了相图、频谱图以及分岔图,比较深入详细地对这种混沌摆的相关特性进行了描述,也有利于学生加深对混沌摆的理解.     

关于多个节拍器自锁同步实验的探究

对多个节拍器自锁同步实验进行了分析,给出了对其出现自锁同步现象的一种物理解释,即:每个节拍器的摆锤被擒纵机构冲击后都在做阻尼振动,其间,各个节拍器擒纵机构对各自摆锤的冲击都通过同向弱耦合作用对其它摆锤的振动施加影响,影响的结果使得振动相位较前者后移,使得振动相位较后者前移,最后,众多节拍器都一起作同步振动.     

基于PASCO系统的混沌摆实验

基于PASCO系统研制了受周期外力驱动的混沌摆实验仪,调节混沌摆系统的参量可演示非线性动力学特征行为,描绘了无驱动及有驱动下的系统相位图,并分析了初值敏感性、奇异性(奇异吸引子)现象.应用混沌摆的动力学方程,进行Matlab仿真实验.实验结果表明:混沌摆实验系统动力学的性质依赖于振动频率值,系统驱动振幅必须大于一定阈值是混沌相出现的必要条件.     

不同控制参数下的弹簧摆

通过拉格朗日方程得出弹簧摆系统的动力学方程,并以频率比作为控制参数,利用Matlab软件对不同控制参数和初始摆角下的弹簧摆进行了数值模拟,从而直观地研究了弹簧摆的运动.     

转子耦合摆系统的同步行为理论研究

转子耦合摆系统广泛应用于航空动力装置、矿业筛分机械和并联机器人等高速旋转设备.但是对转子耦合摆系统同步行为(稳定相位差值)研究甚少,系统同步行为通常影响系统的工作执行精度.基于这一特殊背景,提出了转子与摆耦合系统的简化物理模型.利用庞加莱法研究转子耦合摆系统的同步问题,进一步揭示了该类系统同步现象的本质机理.首先运用拉格朗日方程建立了转子同向和反向旋转的系统动力方程,随后将系统动力方程转换为无量纲方程.然后利用拉普拉斯法对无量纲方程解耦,计算出了系统各个自由度的近似稳态响应解.继而采用庞加莱法导出了系统实现同步的平衡方程和稳定准则.只有系统的物理参数同时满足系统同步平衡方程和稳定准则时,系统才能实现稳定的同步行为.通过理论研究发现,系统的同步行为主要受弹簧刚度、摆杆安装倾角和转子旋转方向的影响.同时系统同步"临界点"会造成相位差角无解,导致系统动态特性表现为混沌.最后,使用计算机模拟验证了理论计算的正确性,两者的结果相符.     

激振摆参数振动的实验研究

研究了一种激振摆参数振动的实验.当激振频率为激振摆固有频率2倍时激振摆会产生共振.实验探讨了激振摆从微阻尼振动到共振的幅时特性和幅频特性.对于小振幅纵向激振,当激振频率接近激振摆固有频率2倍时,激振摆的摆幅对激振频率很敏感,在减小频宽数使激振摆振动接近共振的过程中,激振摆的摆幅数随时间数会震荡变化(类似"拍"现象),"拍"的周期数和峰谷差数都随频宽数减小而增加;"拍"现象消失后继续减小频宽数,摆幅数随时间数将持续指数增大,运动失稳;在频宽数为零时,摆幅数随时间数增加最剧烈,即共振发生.通过激振摆理论模型对实验结果进行了动力学分析,非线性动力学方程的数值解结果与实验结果吻合较好.该实验研究对于解决与共振相关的问题有潜在的应用价值.     

空间关联白噪声影响下小世界神经元网络系统的同步动力学

以电耦合的Terman-Wang小世界神经元网络系统为研究对象, 研究了空间关联白噪声影响下神经元网络系统的同步动力学. 首先将动力学平均场近似理论扩展到受空间关联白噪声影响下的小世界网络系统中, 将描述网络系统动力学演化的2N维随机微分方程简化为11个确定性的矩微分方程. 其次, 基于动力学平均场近似理论所推导的矩方程, 讨论了空间关联噪声、网络结构参数对神经元网络系统同步动力学的关键影响, 发现较大的噪声空间关联系数、耦合强度及节点平均度均对神经元网络系统同步放电具有积极作用. 进一步地, 利用计算机仿真数值模拟原神经元网络系统的同步动力学, 并与基于动力学平均场近似理论所得到的结果进行比较, 发现二者具有较好的一致性.     

质量不对称重离子阻尼碰撞中的电荷(质量)弛豫过程

本文利用耗散动力学方程与主方程耦合求解计算了质量不对称重离子阻尼碰撞过程中电荷(质量)的一次矩和二次矩.理论计算很好地解释了实验上存在的用通常扩散模型无法解释的电荷一次矩的漂移现象.同时电荷二次矩与实验值也得到了很好地符合.     

探究耦合双摆系统测度同步的影响因素

同步是自然界中普遍存在的一种现象,是许多复杂系统实现功能的动力学基础.本文首先对无耗散耦合双摆系统进行建模,然后利用Matlab软件对影响测度同步的因素进行分析,包括横梁和摆锤之间的质量比、两个摆的长度差和质量差等.研究发现,随着横梁和摆锤的质量比的减小,两个摆之间的耦合强度逐渐增大;当质量比达到某一阈值时,两个摆达到测度同步并且相位相反.同时发现,随着两个摆的摆长差和质量差的增加,两个摆之间的同步能力将会变弱,系统将出现退同步现象.     

弹簧车摆的动力学模拟研究

弹簧牵引下的车摆模型是一个复杂的不可积非线性动力学体系,采用牛顿力学定律建立了车摆模型的动力学方程,运用Matlab软件进行计算机数值模拟并详细讨论了车摆模型中小球和车随时间动力学演化过程和运动特征。研究发现摆球的运动在多数情况下是混沌的,同时也会出现拟周期运动,并在一定范围内出现混沌和拟周期运动并存且交替变化的阵发性混沌运动现象。直观描绘出摆球运动中轨迹图、相图、时域图对下落角度初始值的极端敏感依赖性。通过数值模拟处理不可积系统得到的计算结果为车摆相关模型的物理教学和研究提供参考依据。     

用打点摆锤钟做节拍器

在做演示实验或学生分组实验时,常须用节拍器来测时间。由于一般学校节拍器很少,甚至没有,因此,有人想用水银槽、电铃和铜丝做的复摆连接在电源上制成一个节拍器。但是,这种节拍器是有缺点的,因为摆的振动受着空气阻力的影响,是一种阻尼振动,周期就会逐渐地减小,所以,测得的时间就不够准确。为了     

一种数字控制三相逆变电路的局部振荡行为分析

针对数字控制三相逆变系统, 对其在同步旋转坐标系比例控制下的局部振荡行为进行了分析.通过建立系统各个状态变量离散迭代方程, 针对这个高阶系统提出了各种不稳定行为的解析判别式. 以此为基础,得到了系统产生局部振荡的条件,以及控制参数与局部振荡点的关系. 最后,通过Simulink仿真以及电路实验证明了理论分析的正确性以及有效性. 研究结果揭示了三相逆变系统的运动行为及各相之间的内在耦合关系, 并准确地描述了系统产生的局部振荡现象. 关键词： 三相逆变电路 数字控制 运动行为 局部振荡     

基于GeoGebra对一种弹簧摆问题的可视化研究

通过对一种弹簧摆问题的动力学方程的研究,得到它的运动规律.然后借助GeoGebra软件对不同参数下的弹簧摆进行了数值模拟,得到其运动轨迹图像,从而直观地研究了弹簧摆运动.     

负微分电导下晶闸管的动力学行为与混沌现象

研究了晶闸管处于负微分电导状态下的非线性动力学行为,推导了晶闸管动力学系统不稳定需满足的边界条件,解释了晶闸管混沌现象产生机理.建立了晶闸管的非线性动力学方程,分析了该动力学方程的线性稳定性.在此基础上根据Jacobi矩阵得到了系统不稳定需满足的边界条件,指出晶闸管的混沌行为并非只由负微分电导特性引起,还与外界条件和器件本身物理参数等因素有关.最后,通过数值仿真和实验研究证实了理论分析的正确性,从而完整地解释了晶闸管的倍周期分岔和混沌行为.     

弹簧摆动力学行为演示仪

在非线性保守系统中,弹簧摆结构简单,运动特性较为典型.本文通过拉格朗日方程对弹簧摆系统进行理论分析解得运动方程,并在径向和切向将运动分解,运用图像处理技术设计制作了弹簧摆演示仪和实验软件,对运动轨迹与时序图进行可视化.软件绘制的弹簧摆轨迹与理论结果具有较好的一致性.     

能量法分析重力和点电荷双场联合作用下的微幅摆动

单摆是经典的教学案例.为了丰富教学材料,文章分析了点电荷场和重力场联合作用下的摆动.采用了适合于单自由度的自然坐标系描述系统,使用了适合于复杂力学的能量法建立动力学方程.针对固定点电荷处于摆悬挂点垂线的特殊情形,通过理论分析界定了摆球最低、倒立和倾斜等平衡位置的参数范围.     

单摆非线性特征的研究

通过实验精准地测量了大摆角情况下单摆的摆角与周期,同时利用Matlab软件,求解了非线性的单摆动力学方程.理论模拟与实验测量的结果进行对比分析,证明了大摆角单摆具有典型的非线性特征.     

随机脉冲微分方程的p阶矩稳定性和参激白噪声作用下Lorenz系统的脉冲同步

考察了随机脉冲微分系统的p阶矩稳定性问题,在更符合脉冲系统一般假设的情况下,建立了条件更弱的随机脉冲微分系统p阶矩稳定性判定定理.并应用该判定定理,考察了参激白噪声作用下Lorenz系统的脉冲同步问题,证明了同步误差系统的p阶矩稳定性,从而说明在p阶矩的意义下,两个系统是可以用脉冲方法实现同步的.数值模拟验证了随机Lorenz系统脉冲同步的可行性.     

基于引力场理论的混沌同步

通过引入分布引力场,将混沌系统的同步问题等效为引力场中系统运行轨道一致问题,从而实现更多不同动力学混沌系统的同步.通过将混沌系统之间的耦合度定义为速度,因其与运动方程无关,从而有别于常见的混沌同步控制项,具有较强通用性.基于轨道逼近导出引力场中多个混沌系统同步的条件,给出同步轨道方程.数值仿真实验说明了该方法的有效性.     

受不稳定约束弹簧摆运动的研究

利用拉格朗日方程建立了受不稳定约束弹簧摆运动的动力学方程,运用Matlab软件进行数字模拟,描绘了受不稳定约束弹簧摆坐标随时间变化的演化曲线、运动轨迹、运动相图,分析了其运动情况,得出了更为直观的运动规律.