两子系统在周期切换连接下的振荡行为及其机理

研究了两非线性系统在周期切换连接下的分岔和混沌行为.通过局部分析,分别给出了两子系统参数空间诸如Fold分岔、Hopf分岔等临界条件,进而考虑两子系统存在不同稳态解时通过周期切换连接下的复合系统的分岔特性,给出了不同的周期振荡行为,并揭示了其相应的产生机理.指出系统轨迹可以由切换点分割成不同的部分,分别受两子系统的控制,而随参数的变化,切换点数目成倍增加,导致系统由倍周期分岔序列进入混沌.同时,在其演化过程中,虽然子系统定性保持不变,但由于切换导致的非光滑性,复合系统不仅仅表现为两子系统动力特性的简单连接,而是会产生各种分岔,导致诸如混沌等复杂振荡行为.     

周期切换下Rayleigh振子的振荡行为及机理

本文研究了自治与非自治电路系统在周期切换连接下的动力学行为及机理.基于自治子系统平衡点和极限环的相应稳定性分析和切换系统李雅普诺夫指数的理论推导及数值计算.讨论了两子系统在不同参数下的稳态解在周期切换连接下的复合系统的各种周期振荡行为,进而给出了切换系统随参数变化下的最大李雅普诺夫指数图及相应的分岔图,得到了切换系统在不同参数下呈现出周期振荡,概周期振荡和混沌振荡相互交替出现的复杂动力学行为并分析了其振荡机理.给出了切换系统通过倍周期分岔,鞍结分岔以及环面分岔到达混沌的不同动力学演化过程.     

非线性切换系统的动力学行为分析

建立了周期切换下的非线性电路模型,基于子系统平衡点及其稳定性分析,分别给出了其相应的fold分岔和Hopf分岔条件,讨论了子系统在不同平衡态下由周期切换导致的各种复杂行为,指出切换系统的周期解随参数的变化存在着倍周期分岔和鞍结分岔两种失稳情形,并相应地导致不同的混沌振荡,进而结合系统轨迹及其相应的分岔分析,揭示了各种振荡模式的动力学机理. 关键词： 周期切换 倍周期分岔 鞍结分岔 混沌     

切换电路系统的复杂行为及其机理

建立了不同类型Jerk电路之间存在开关的切换电路系统．基于平衡态分析,指出随参数的变化,两子系统分别存在着稳定的焦点以及由Hopf分岔导致其失稳而产生的周期振荡．考察了开关周期切换引起的各种复杂行为,分别给出了点／环和环／环切换周期振荡现象及其相应的产生机理．在不同的切换振荡过程中,切换点的数目随参数的变化会产生倍化序列,导致系统由倍周期分岔进入混沌,同时,由于参数的变化影响着子系统周期振荡的幅值,进而引起整个切换系统吸引子结构的变化．     

周期切换下Chen系统的振荡行为与非光滑分岔分析

研究了不同参数Chen系统之间进行周期切换时的分岔和混沌行为.基于平衡态分析,考虑Chen系统在不同稳态解时通过周期切换连接生成的复合系统的分岔特性,得到系统的不同周期振荡行为.在演化过程中,由于切换导致的非光滑性,复合系统不仅仅表现为两子系统动力特性的简单连接,而且会产生各种分岔,导致诸如混沌等复杂振荡行为.通过Poincaré映射方法,讨论了如何求周期切换系统的不动点和Floquet特征乘子.基于Floquet理论,判定系统的周期解是渐近稳定的.同时得到,随着参数变化,系统既可以由倍周期分岔序列进入混沌,也可以由周期解经过鞍结分岔直接到达混沌.研究结果揭示了周期切换系统的非光滑分岔机理.     

一个跃变电路切换系统的振荡行为及分岔机理分析

本文研究两个非线性电路系统通过开关组成的时间切换系统的复杂振荡行为及其产生机理.利用开环运算放大器放大倍数为极大值的特性,即运算放大器总是处于正的或负的饱和状态,当输入电压从负过零变正时,输出电压从正饱和状态跃变为负饱和状态,本文选择子电路系统中的非线性部分为跃变函数.首先对两个子系统进行了稳定性分析,给出了不同参数条件下的振荡行为,然后在子系统单个参数在一定范围内变化,而其他参数保持不变的情况下,研究了切换系统的复杂振荡特征,并分析了其产生机理.由于子系统方程的非光滑性和切换带来的整个系统的非光滑性,使得整个系统的周期振荡轨迹有四个切换点,随着参数的变化,周期振荡轨线与非光滑分界面发生擦边分岔,导致周期振荡分裂成两个对称的周期振荡.并且研究了切换点位置改变对整个系统周期振荡行为的影响以及切换点处的分岔机理.     

切换电路系统的振荡行为及其非光滑分岔机理

探讨了周期时间开关及控制阈值下在两个Rayleigh型子系统之间切换的电路系统随参数变化的复杂动力学演化过程, 通过对子系统平衡点的分析, 给出了参数空间中Fold分岔和Hopf分岔的条件, 考察了切换面处广义Jacobian矩阵特征值随辅助参数变化的分布情况, 得到了切换面处系统可能存在的各种分岔行为, 进而讨论了系统不同行为的产生机理, 指出系统的相轨迹存在分别由周期开关和控制阈值决定的两类不同的分界点, 而系统轨迹与非光滑分界面的多次碰撞将导致系统由周期倍化分岔导致混沌振荡.     

分段Filippov系统的簇发振荡及擦边运动机理

本文旨在揭示非光滑Filippov系统中由频域上不同尺度耦合导致的簇发振荡行为及其产生机理.以经典的周期激励Duffing振子为例,通过引入对状态变量的分段控制及适当选取参数,使得激励频率与系统固有频率之间存在量级差距,建立了频域两尺度耦合的Filippov系统.当激励频率远小于系统的固有频率时,可以将整个激励项视为慢变参数或慢变子系统,从而得到广义自治快子系统.分析了由非光滑分界面划分的不同区域中各快子系统的平衡点及其分岔特性随慢变参数变化的演化过程.考察了两种典型参数条件下系统的振荡行为及其动力学特性,指出参数变化不仅会引起其相应子系统平衡曲线及其分岔特性的改变,也会导致不同模式的簇发振荡.同时,轨迹穿越非光滑分界面时会产生不同的动力学行为,特别是在一定参数条件下,由于运动轨迹受不同子系统的交替控制,存在着擦边运动现象,从而导致特殊形式的非光滑簇发振荡.基于转换相图及各区域中快子系统的平衡曲线及其分岔特性,揭示了非光滑分界面对系统簇发振荡的影响规律及不同簇发振荡的分岔机理.     

余维-1非光滑分岔下的簇发振荡及其机理

不同尺度耦合会导致一些特殊的振荡行为,通常表现为大幅振荡与微幅振荡的组合,也即所谓的簇发振荡.迄今为止,相关工作大都是围绕光滑系统开展的,而非光滑系统中由于存在着各种形式的非常规分岔,从而可能会导致更为复杂的簇发振荡模式.本文旨在揭示存在非光滑分岔时动力系统的不同尺度耦合效应.以典型的含两个非光滑分界面的广义蔡氏电路为例,通过引入周期变化的电流源以及一个用于控制的电容,选取适当的参数使得周期频率与系统频率之间存在量级差距,建立了含不同尺度的四维分段线性动力系统模型.基于快子系统在不同区域中的平衡点及其稳定性分析,以及系统轨迹穿越非光滑分界面时的分岔分析,得到了不同余维非光滑分岔的存在条件及其分岔行为.重点探讨了余维-1非光滑分岔下的簇发振荡的吸引子结构及其产生机理,揭示了非光滑分岔下系统复杂振荡行为的本质.     

非对称型簇发振荡吸引子结构及其机理分析

旨在揭示频域不同尺度耦合时非对称动力系统簇发振荡的特点及其分岔机理,并进一步揭示快子系统多平衡点共存导致的不同簇发模式及其产生原因.以经典的蔡氏振子为例,通过引入非对称控制项及周期变化的电流源,选取适当参数,构建存在频域两尺度耦合的非对称动力系统模型.当周期激励频率远小于系统的固有频率时,将整个周期激励项视为慢变参数,得到随慢变参数变化的快子系统平衡曲线及其不同的分岔点以及分岔行为.重点分析了三种不同周期激励幅值下典型的非对称簇发振荡及吸引子结构,揭示其相应的产生机理.指出外激励幅值的变化不仅会引起不同稳定平衡点吸引域的变化,也会使得慢变量穿越不同分岔点的时间间隔发生变化,导致系统产生不同形式的簇发振荡.     

脉冲作用下Chen系统的非光滑分岔分析

研究了脉冲作用下Chen系统的复杂动力学行为. 对脉冲作用下的Chen系统进行了非光滑分岔分析. 该系统可经级联倍周期分岔到达混沌, 也可由周期解经鞍结分岔直接到达混沌. 最后通过Floquet理论揭示了该系统周期解的非光滑分岔机理.     

Bifurcation analysis of the logistic map via two periodic impulsive forces

The complex dynamics of the logistic map via two periodic impulsive forces is investigated in this paper. The influences of the system parameter and the impulsive forces on the dynamics of the system are studied respectively. With the parameter varying, the system produces the phenomenon such as periodic solutions, chaotic solutions, and chaotic crisis. Furthermore, the system can evolve to chaos by a cascading of period-doubling bifurcations. The Poincare′ map of the logistic map via two periodic impulsive forces is constructed and its bifurcation is analyzed. Finally, the Floquet theory is extended to explore the bifurcation mechanism for the periodic solutions of this non-smooth map.     

Non-smooth bursting analysis of a Filippov-type system with multiple-frequency excitations

The main purpose of this paper is to explore the patterns of the bursting oscillations and the non-smooth dynamical behaviours in a Filippov-type system which possesses parametric and external periodic excitations. We take a coupled system consisting of Duffing and Van der Pol oscillators as an example. Owing to the existence of an order gap between the exciting frequency and the natural one, we can regard a single periodic excitation as a slow-varying parameter, and the other periodic excitations can be transformed as functions of the slow-varying parameter when the exciting frequency is far less than the natural one. By analysing the subsystems, we derive equilibrium branches and related bifurcations with the variation of the slow-varying parameter. Even though the equilibrium branches with two different frequencies of the parametric excitation have a similar structure, the tortuousness of the equilibrium branches is diverse, and the number of extreme points is changed from 6 to 10. Overlying the equilibrium branches with the transformed phase portrait and employing the evolutionary process of the limit cycle induced by the Hopf bifurcation, the critical conditions of the homoclinic bifurcation and multisliding bifurcation are derived. Numerical simulation verifies the results well.     

广义BVP电路系统的振荡行为及其非光滑分岔机理

探讨了具有分段线性特性的广义BVP电路系统随参数变化的复杂动力学演化过程. 其非光滑分界面将相空间划分成不同的区域, 分析了各区域中平衡点的稳定性, 得到其相应的简单分岔和Hopf分岔的临界条件. 给出了不同分界面处广义Jacobian矩阵特征值随辅助参数变化的分布情况, 讨论了分界面处系统可能存在的分岔行为, 指出当广义特征值穿越虚轴时可能引起Hopf分岔, 导致系统由周期振荡转变为概周期振荡, 而当出现零特征值时则导致系统的振荡在不同平衡点之间转换. 针对系统的两种典型振荡行为, 结合数值模拟验证了理论分析的结果.     

Complex dynamics analysis of impulsively coupled Duffing oscillators with ring structure

Impulsively coupled systems are high-dimensional non-smooth systems that can exhibit rich and complex dynamics.This paper studies the complex dynamics of a non-smooth system which is unidirectionally impulsively coupled by three Duffing oscillators in a ring structure.By constructing a proper Poincare map of the non-smooth system,an analytical expression of the Jacobian matrix of Poincare map is given.Two-parameter Hopf bifurcation sets are obtained by combining the shooting method and the Runge-Kutta method.When the period is fixed and the coupling strength changes,the system undergoes stable,periodic,quasi-periodic,and hyper-chaotic solutions,etc.Floquet theory is used to study the stability of the periodic solutions of the system and their bifurcations.     

Saddle-node bifurcation of invariant cones in 3D piecewise linear systems

In this work, the existence of a saddle-node bifurcation of invariant cones in three-dimensional continuous homogeneous piecewise linear systems is considered. First, we prove that invariant cones for this class of systems correspond one-to-one to periodic orbits of a continuous piecewise cubic system defined on the unit sphere. Second, let us give the conditions for which the sphere is foliated by a continuum of periodic orbits. The principal idea is looking for the periodic orbits of the continuum that persist when this situation is perturbed. To do this, we establish the relationship between the invariant cones of the three-dimensional system and the periodic orbits of two planar hybrid piecewise linear systems. Next, we define two functions whose zeros provide the invariant cones that persist under the perturbation. These functions will be called Melnikov functions and their properties allow us to state some results about the existence of invariant cones and other results about the existence of saddle-node bifurcations of invariant cones, which is the principal goal of this paper.     

Nonlinear dynamics of two harmonically excited elastic structures with impact interaction

In this paper, non-smooth dynamics of two elastic beams excited by harmonic force with impact interaction is studied through analyses, simulations, and experiments. A two degree-of-freedom vibro-impact model is improved by applying the Galerkin approach and Newton's impact law for the two cantilever beams with impact interaction. Numerical analysis is taken to investigate the vibro-impact motions of cantilever beams excited by harmonic force. The l-adding periodic motions and k=1/1, k=2/2, k=3/4, and k=4/4 type of stable periodic motions of the impacted cantilever beam are presented. Poincaré map is established and the Floquet multipliers of the periodic motions are obtained through semi-analytical method to determine the stability of the motions near the bifurcation point. Through associated experiments, typical bifurcations and chaos of the non-smooth system are examined, which are in good agreement with numerical results.     

一类可变禁区的不连续系统的加周期分岔

研究了一类可变禁区不连续系统的加周期分岔行为, 发现由可变禁区导致不同类型的加周期分岔. 研究表明, 系统的迭代轨道和禁区的上下两个边界均可发生边界碰撞, 从而产生加周期分岔. 基于边界碰撞分岔理论, 定义基本的迭代单元, 解析推导出了相应的分岔曲线, 在全参数空间中给出了不同加周期所出现的范围. 与数值模拟结果比较, 理论分析结果与数值结果高度一致.