分数阶Duffng振子的超谐共振

研究了含分数阶微分项的Duffing振子的超谐共振,通过平均法得到了系统的一阶近似解. 提出了超谐共振时等效线性 阻尼和等效线性刚度的概念,分析了分数阶微分项的系数和阶次对等效线性阻尼和等效线性刚度的影响. 建立了超谐共振解的幅频曲线的解析表达式和稳定性判断准则,对分数阶Duffing振子与传统整数阶Duffing振子的超谐共振解进行了比较. 最后通过数值仿真研究了分数阶微分项的参数对超谐共振幅频曲线的影响.     

基于速度反馈分数阶PID控制的达芬振子的主共振.

与传统整数阶比例-积分-微分(PID)控制器相比,分数阶比例-积分-微分控制器由于增加了两个控制参数,因此能够更灵活地控制受控对象.研究了基于速度反馈分数阶比例-积分-微分控制的达芬振子的主共振,利用平均法获得了系统的近似解析解.研究发现分数阶比例-积分-微分控制器的比例环节以等效线性阻尼的形式影响系统的共振振幅,积分环节以等效线性阻尼和等效线性刚度的形式影响系统的动力学特性,微分环节以等效线性阻尼和等效质量的形式影响系统的动力学特性.建立了主共振幅频响应方程的解析表达式和稳定性判断准则,并对主共振幅频响应的近似解析解和数值解进行了比较,二者吻合良好,验证了求解过程和近似解析解的正确性.分析了分数阶比例-积分-微分控制器的比例环节系数、积分环节系数、微分环节系数以及分数阶阶次变化时,对系统主共振幅频响应的影响.对分数阶比例-积分-微分控制器与传统整数阶比例-积分-微分控制器的控制效果进行了对比,发现当控制器各个环节的系数相同时,基于速度反馈的分数阶比例-积分-微分控制对达芬振子主共振的控制效果要优于传统整数阶比例-积分-微分控制.      

Duffing系统的主--亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.     

Duffing 系统的主-亚谐联合共振

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象:刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.      

分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析

分数阶微积分有着诸多优异的特点, 目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性. 本文在拟周期Mathieu方程的基础上, 引入分数阶微积分理论, 研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响. 首先, 采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式, 利用数值方法验证了解析结果的准确性, 图像显示两者吻合较好. 随后, 通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式, 发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在. 根据这一特点, 得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式, 并且定义了非稳定区域厚度. 最后, 通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响. 结果发现, 分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性, 并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置. 合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性, 方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.      

含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制

针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.      

复合干摩擦的准零刚度隔振系统的亚谐共振

利用增量平均法研究了复合干摩擦阻尼器的准零刚度非线性隔振系统在外部简谐激励作用下的1/3次亚谐共振. 首先利用平均法得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振近似解析解, 然后在系统主共振近似解析解的基础上将系统的亚谐共振响应看作增量, 并利用平均法得到了准零刚度隔振系统的亚谐共振近似解析解. 利用李雅普诺夫方法得到了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振稳态解的稳定性条件, 并推导了系统1/3次亚谐共振的存在条件. 根据近似解析解分别得到了复合干摩擦的准零刚度隔振系统的主共振和亚谐共振力传递率. 利用数值解验证了准零刚度隔振系统主共振和亚谐共振近似解析解的准确性. 利用系统的近似解析解详细分析了准零刚度参数和干摩擦力对系统主共振和亚谐共振的幅频响应以及力传递特性的影响. 分析结果表明, 通过选取合适的干摩擦力参数, 可以消除准零刚度隔振系统在主共振区域的亚谐共振. 通过复合干摩擦阻尼器不但可以提高准零刚度隔振系统在低频区域的振幅抑制效果, 而且可以降低准零刚度隔振系统的起始隔振频率, 但是会增大系统在有效隔振频带内的力传递率.      

非线性时滞反馈控制系统超谐共振分析

采用增量谐波平衡法求解了非线性时滞微分方程的超谐共振解,研究了时滞、反馈控制增益、激励幅值、非线性项系数等系统参数对系统超谐共振响应的影响,分析了超谐共振响应随系统参数变化的规律。结果表明:三次谐波与一次谐波振幅的比值随时滞量呈周期性变化;反馈控制增益对系统超谐共振的影响与非线性项系数和激励幅值有关;随着非线性项系数和激励幅值的不断增大,三次谐波项与一次谐波项振幅的比值都是先增大后减小,而且减小的趋势逐渐减弱;一次谐波成份在振幅中占主导地位。     

横向荷载作用下弹性地基上梁的主共振分析

基于Winkler地基模型及Euler-Bernoulli梁理论,建立了弹性地基上有限长梁的非线性运动方程.运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,并利用多尺度法求得该系统主共振的一阶近似解.分析了长细比、地基刚度、外激励幅值和阻尼系数等参数对系统主共振幅频响应的影响,然后通过与非共振硬激励情况对比分析主共振对其动力响应的影响.结果表明:主共振幅频响应存在跳跃和滞后现象;阻尼对主共振响应有抑制作用;主共振显著增大系统稳态动力响应位移.     

横向荷载作用下Winkler地基上有限长梁3次超谐共振分析

基于Winkler地基模型和Euler-Bernoulli梁理论,建立了Winkler地基上有限长梁的非线性运动方程。运用Galerkin方法对运动方程进行一阶模态截断,得到了离散的非线性振动方程,然后利用多尺度法求得了该系统3次超谐共振的幅频响应方程及其位移的一阶近似解。为揭示弹性地基上有限长梁的3次超谐共振响应的特性,分别分析了长细比、弹性模量、基床系数、阻尼、密度等主要参数对该系统3次超谐共振幅频响应曲线的影响,并通过与非共振硬激励情况的对比分析了3次超谐共振对系统实际动力反应的影响。研究结果表明:3次超谐共振响应曲线有跳跃和滞后现象;增大阻尼和基床系数均对3次超谐共振的发生有抑制作用;增大外激励幅值,系统3次超谐共振区域增大;3次超谐共振将增大系统的稳态动力响应幅值和加速度。     

Primary resonance of Duffing oscillator with two kinds of fractional-order derivatives

In this paper, the primary resonance of Duffing oscillator with two kinds of fractional-order derivatives is investigated analytically. Based on the averaging method, the approximately analytical solution and the amplitude–frequency equation are obtained. The effects of the two kinds of fractional-order derivatives on the system dynamics are analyzed, and it is found that these two kinds of fractional-order derivatives could affect not only the linear viscous damping, but also the linear stiffness, which could be characterized by the equivalent damping coefficient and the equivalent stiffness coefficient. The different effects are analyzed based on these two deduced equivalent parameters, when the two fractional orders are limited in the typical intervals, i.e. p₁∈[0 1] and p₂∈[1 2]. Moreover, the comparisons of the amplitude–frequency curves obtained by the approximately analytical solution and the numerical integration are fulfilled, and the results certify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. Especially, the effects of the parameters in the second kind of fractional-order derivative are studied when the coefficient of the first kind of fractional-order derivative is zero or not. At last, two special cases for the coefficient of the second kind of fractional-order derivative are analyzed, which could make engineers obtain satisfactory vibration control performance and keep the frequency characteristic almost unchanged. These results are very useful in vibration control engineering.     

Primary resonance of fractional-order van der Pol oscillator

In this paper the primary resonance of van der Pol (VDP) oscillator with fractional-order derivative is studied analytically and numerically. At first the approximately analytical solution is obtained by the averaging method, and it is found that the fractional-order derivative could affect the dynamical properties of VDP oscillator, which is characterized by the equivalent damping coefficient and the equivalent stiffness coefficient. Moreover, the amplitude–frequency equation for steady-state solution is established, and the corresponding stability condition is also presented based on Lyapunov theory. Then, the comparisons of several different amplitude–frequency curves by the approximately analytical solution and the numerical integration are fulfilled, and the results certify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. At last, the effects of the two fractional parameters, i.e., the fractional coefficient and the fractional order, on the amplitude–frequency curves are investigated for some typical excitation amplitudes, which are different from the traditional integer-order VDP oscillator.     

Analysis of Duffing oscillator with time-delayed fractional-order PID controller

The free vibration of Duffing oscillator with time-delayed fractional-order Proportional-Integral-Derivative (FOPID) controller based on displacement feedback is studied. The second-order approximate analytical solution is obtained by KBM asymptotic method. The effects of the parameters in FOPID controller on the dynamical properties are characterized by some equivalent parameters. The correctness of the approximate analytical results is verified by the numerical results. The effects of the time-delayed FOPID controller with displacement feedback on control performances of Duffing oscillator are analyzed in detail by time response, and the stability conditions of zero solution and periodic motions are also presented. Finally, the control performances on Duffing oscillator with large damping are further analyzed. And the results show that one could take the advantage of time delay, when the parameters of time-delayed FOPID controller are chosen reasonably.     

Primary and subharmonic simultaneous resonance of fractional-order Duffing oscillator

Nonlinear Dynamics - The primary and subharmonic simultaneous resonance of Duffing oscillator with fractional-order derivative is studied. Firstly, the approximately analytical solution of the...