两种不同类型噪声驱动下的非对称双稳系统的随机共振

研究了由色关联的乘性色噪声和加性白噪声联合激励下的非对称双稳系统的随机共振现象,运用两态模型理论和统一色噪声近似理论,在绝热近似条件下得到了信噪比的表达式.信噪比是乘性色噪声强度,加性白噪声强度,噪声耦合强度,乘性噪声自关联时间和噪声互关联时间的非单调函数,所以在该双稳系统中产生了随机共振. 在系统的偏度不是太大的情况下调节加性白噪声强度比调节乘性色噪声强度更容易控制随机共振,并且以信噪比作为噪声之间耦合强度的函数时可以观察到二次随机共振现象.     

双稳系统中随机共振与相同步时间的相关性

研究了双稳系统的随机共振(SR)与输入输出之间的相同步相关性. 首先得到系统的输出信噪比(SNR)与输入输出之间的平均相同步时间的表达式,然后讨论了随机共振与输入输出之间的平均相同步时间之间的关系. 结果表明:(1)系统出现了随机共振现象,且平均相同步时间对噪声是敏感的;由于加性与乘性噪声的相互影响,随加性噪声强度的增加,输出信噪比及平均相同步时间曲线上首先出现抑制现象,然后出现峰值,并且, 减小乘性与加性噪声强度比率,可提高输出信噪比和增长平均相同步时间. (2)系统的随机共振与平均相同步时间达到最大值不同步出现,但平均相同步时间对输出信噪比是敏感的. 该结论为信号传输中利用随机共振原则改变系统工作环境提供了依据.      

多稳态动力系统中随机共振的研究进展

非线性随机动力学是力学、数学、工程等多个领域关注的热点,在航空航天、机械工程、生物生态等领域有广泛的应用.多稳态动力系统作为其最重要的研究对象,在随机扰动下具有丰富的动力学行为,如随机分岔、随机共振等,尤其是随机共振,已经被应用于机械故障诊断、微弱信号检测和振动能量俘获等工程实际问题中.本文主要综述了多稳态动力系统中的随机共振理论、方法及工程应用.首先,通过几类典型的非线性随机动力学系统,介绍了随机共振的经典理论和度量指标;其次,重点阐述了多稳态动力学系统,尤其是三稳态和周期势系统,在各类噪声激励下的随机共振现象,分析了其诱发机理、演化规律和研究方法;最后,介绍了多稳态动力系统中随机共振的几类应用实例,并进一步给出了随机共振当前面临的难题和未来的发展趋势等开放性问题.     

随机共振系统输出的一种新的反演方法

随机共振是一种在非线性系统中噪声起促进作用的反直观的现象。近年来，这一现象被应用到信号处理领域，以前大部分关于随机共振的工作都集中在考虑受噪声污染的简谐信号或者数字信号，将考虑多频模拟信号，以获得随机共振在信号处理中的更多有价值的信息，还原型随机共振系统的输出一直是一个困难的问题，但是在信号比较简单，例如简谐模拟信号和数字信号的情况下，可以有一些比较简便的方法，对于多频模拟信号，系统输出的还原就会相应地变得比较复杂。在分析非线性系统输出波形畸变原因的基础上，提出了一种新的反演方法，这种方法包含一个简单的反演公式，跃迁区域（信号严重失真段）的线性插值和最小二乘法的多项式曲线拟合。仿真结果表明，在适当选择系统参数的基础上，应用上述的反演方法可以得到比较理想的结果。     

含时滞反馈与涨落质量的记忆阻尼系统的随机共振

针对具有记忆效应的欠阻尼系统, 存在时滞反馈与涨落质量, 本文主要研究了其输出稳态响应振幅的随机共振效应. 首先通过引入新变量和运用小时滞近似展开理论, 将具有非马尔科夫特性的原系统转化为等价的两维马尔科夫线性系统, 再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换获得了系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式. 结果表明: 当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时, 稳态响应振幅随质量涨落噪声强度、周期驱动信号频率以及时滞的变化均存在随机共振现象, 其中随机多共振现象也被观察到. 在适当范围内, 通过控制时滞反馈, 系统的随机共振效应随着时滞的增大而增强, 而较长的记忆时间及增大阻尼参数均对共振行为呈现抑制作用.有效调控时滞反馈与记忆效应的变化关系将有助于增强系统对周期驱动信号的响应强度. 最后, 通过数值模拟计算验证了理论结果的有效性.      

含时滞反馈与涨落质量的记忆阻尼系统的随机共振

针对具有记忆效应的欠阻尼系统,存在时滞反馈与涨落质量,本文主要研究了其输出稳态响应振幅的随机共振效应.首先通过引入新变量和运用小时滞近似展开理论,将具有非马尔科夫特性的原系统转化为等价的两维马尔科夫线性系统,再利用Shapiro-Loginov公式和Laplace变换获得了系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式.结果表明:当系统参数满足Routh-Hurwitz稳定条件时,稳态响应振幅随质量涨落噪声强度、周期驱动信号频率以及时滞的变化均存在随机共振现象,其中随机多共振现象也被观察到.在适当范围内,通过控制时滞反馈,系统的随机共振效应随着时滞的增大而增强,而较长的记忆时间及增大阻尼参数均对共振行为呈现抑制作用.有效调控时滞反馈与记忆效应的变化关系将有助于增强系统对周期驱动信号的响应强度.最后,通过数值模拟计算验证了理论结果的有效性.     

双稳系统随机共振数值仿真中信号的过采样

数值仿真方法是非线性双稳系统随机共振研究中经常使用的方法。研究中发现，随机共振数值仿真时需要对信号过采样。但过采样的内在机制是什么，已有研究未能给出解释。通过对双稳系统数值仿真模型的稳定性进行分析，给出了系统的稳定性条件，解释了需要对信号过采样的原因。在此基础，已进行了数值仿真试验，数值仿真结果与理论分析结果相一致，为双稳随机共振系统数值仿真研究时的参数选择提供了依据。     

含噪双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振

研究了含噪声的双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振的关系，并根据它们的关系, 从另 一个角度揭示了随机共振发生的机制. 首先在It?方程的基础上，导出了双稳杜芬振子在白噪声和弱周期信号作用下的矩方程，其次以噪声强度 为分岔参数分析了矩方程的分岔特性，再次分析了矩方程的分岔与双稳杜芬振子随机共振 之间的关系，最后根据该对应关系从另一种观点提出了双稳杜芬振子随机共振的机制，该 机制是由于以噪声强度为分岔参数的矩方程发生了分岔，而分岔使得原系统响应均值的能量分布发生了转移，使能 量向频率等于输入信号频率的分量处集中，使得弱信号得到了放大，随机共振发生了.     

双稳杜芬振子的随机共振及其动力学机制

把矩方法应用于高斯白噪声和弱周期信号驱动的双稳杜芬振子,发现矩方法的收敛快慢与阻尼系数的大小有关,即在固定非线性参数的前提下,阻尼系数越大,收敛速度越快。在阻尼系数较大的情形,对于不同频率的弱周期输入信号,系统输出功率谱增益因子的演化防噪声强度呈单峰或双峰结构,亦即对于不同的激励频率,系统可表现出单峰或者重峰随机共振结构。为了解释这些共振结构,通过考察由波动谱密度定义的非零频率峰对噪声强度依赖性,发现重峰随机共振的发生在于噪声一方面抑制了井内运动,另一方面诱发了势垒上振动。研究结果为已有结论的修正,在统计力学等方面具有显著意义。     

加性和乘性三值噪声激励下周期势系统的动力学分析

周期势系统是一类在机械工程、物理、化学、神经生物等领域应用十分广泛的系统,其随机动力学特性的研究是非线性科学的一个热点和难点问题.三值噪声是真实噪声的典型模型, 不仅包含二值噪声和高斯白噪声情形,而且能更好地描述自然界中随机环境扰动的多样性,本文研究了由加性和乘性三值噪声驱动的周期势系统中概率密度的演化和随机共振.通过计算系统的平均稳态联合概率密度函数和瞬态联合概率密度函数,发现随着外周期力振幅的增大, 单自由度系统在多个稳态之间跃迁,其平均稳态联合概率密度具有多峰结构. 此外,利用随机能量法揭示了系统的随机共振,发现存在最优的噪声强度和外周期力振幅使得平均输入能量曲线存在一个极大值,即出现随机共振现象. 对于仅考虑加性噪声或乘性噪声激励的情况,平均输入能量曲线随噪声转迁率是否出现共振现象依赖于外周期激励振幅的大小.特别是仅考虑加性噪声的情形, 对于较小的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生抑制共振现象, 而对于较大的外周期激励振幅,加性噪声转迁率诱导产生随机共振现象.      

Second-order coupled tristable stochastic resonance and its application in bearing fault detection under different noises

Bearing fault is the most likely to occur in mechanical fault, and stochastic resonance (SR), as a noise enhanced signal processing tool, can find mechanical faults as early as possible, so as to avoid larger problems. However, most of the existing research methods are based on the first-order Langevin equation. According to the previous studies of many scholars, the weak signal detection ability of the second-order system is better than that of the first-order system, and the coupled system also has better performance due to the addition of the control system. So, in order to detect the fault signal more easily, a second-order coupled tristable stochastic resonance system (SCTSR) based on the adaptive genetic algorithm (AGA) is proposed, it is an improvement on improving the first-order coupled tristable stochastic resonance system (FCTSR). First, based on the fourth-order Runge–Kutta algorithm (F-RK), the performances of monostable, bistable and tristable control systems to SCTSR are compared, it is verified that the monostable system has the best performance as SCTSR’s control system. Secondly, the equivalent potential function of SCTSR is derived, and the influences of each system parameters on it are researched. The output signal-to-noise ratio gain (SNRG) is chosen as a measure to verify that SCTSR’s performance is better than that of FCTSR, and the influences of parameters on SNRG are discussed. SCTSR and FCTSR are used to detect low-, high- and multi-frequency cosine signals combined with AGA. The simulation results are compared with the wavelet transform method, which proves the performance superiority of SR, and also prove that SCTSR is easier to detect weak signals and has a stronger de-noising ability. Finally, SCTSR and FCTSR are applied in bearing fault detection under Gaussian white noise and trichotomous noise. The results also prove that SCTSR can get larger peaks and SNRG, and it is easier to detect fault signals. This proves that SCTSR’s performance is superior that of other methods in bearing fault detection, and has better engineering application value.

     

基于概率统计方法的微弱GPS信号捕获算法

微弱GPS信号的信噪比较低,需采用更长的相干和非相干积分时间增强信噪比,提出一种从概率统计角度分析相干和非相干积分运算过程的方法。首先给出了复数下变频信号输入的相关运算表达式;然后推导了相干积分的相关输出数学期望和方差,计算出单元捕获失败的概率密度和概率表达式;最后,用Matlab对GPS信号的相干和非相干积分进行仿真。仿真结果验证了捕获失败概率表达式的结论,即由于高斯近似和非相干平均产生的性能损失,非相干积分的捕获性能比相干积分弱3.5 dB。     

Stochastic resonance in a harmonic oscillator with damping trichotomous noise

In this paper, the phenomenon of stochastic resonance (SR) in a prototype fluctuating damping harmonic oscillator with trichotomous Markovian noise is investigated. The exact expression of output amplitude gain has been calculated using the well-known Shapiro–Loginov formula. The phenomenon of SR has been found in a broad sense—that is, the non-monotonic behavior of output amplitude gain as a function of noise parameters. Then the influences of noise amplitude, noise switching rate, and noise flatness on the output amplitude gain have also been discussed. Finally, the reverse resonance phenomenon has been presented.     

基于时频变换的激波风洞天平信号分析与处理

在激波风洞中开展测力试验时,测力系统在风洞流场起动瞬间会受到冲击激励,从而对天平的输出信号产生惯性干扰.天平输出信号中叠加有动态气动力信号和惯性振动信号,有可能无法直接分辨出气动力信号的规律性,信号处理结果与真实气动力之间会产生较大的误差,导致处理结果不可靠.由于模型测力天平系统结构的复杂性,在极短的有效试验时间(毫秒...     

Finite-time output feedback control for a class of second-order nonlinear systems with application to DC–DC buck converters

The problem of output feedback control for a class of second-order nonlinear systems is investigated in this paper. Using the techniques of finite-time control and finite-time convergent observer, an observer-based finite-time output feedback controller is proposed which can guarantee that the system’s state converges to the equilibrium in a finite time. As an application of the proposed theoretical results, the problem of finite-time control without current signal for the DC–DC buck converters is solved. Simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

基于粒子滤波的烧结钕铁硼材料疲劳破坏预测方法研究

针对烧结钕铁硼在服役期间产生疲劳破坏过程的突发性和不确定性,提出了一种粒子滤波与微磁监测方法相融合的疲劳破坏预测方法。通过将烧结钕铁硼的力磁耦合模型引入粒子滤波理论框架中,设计了基于相对磁导率的粒子滤波状态方程,并采用构建的微磁监测系统来获取烧结钕铁硼疲劳破坏过程中不断变化的磁感应强度信号,建立了基于磁感应强度的粒子滤波观测方程。进一步地,将状态方程和观测方程联立,实现了基于粒子滤波方法的烧结钕铁硼疲劳破坏预测过程。试验结果表明:粒子滤波方法对于烧结钕铁硼疲劳破坏演变过程的预测具有良好的可靠性和准确性,其中在疲劳载荷为120MPa时粒子滤波预测结果的RMSE（Root Mean Square Error,均方根误差）仅为76.69,是支持向量机预测结果的1/4。本研究为脆性磁体的疲劳损伤预测提供了新的思路。     

PARAMETER IDENTIFICATION IN OFFSHORE PLATFORM USING ARMA MODEL AND TECHNOLOGY OF EXTRACTING FREE VIBRATION SIGNAL

IntroductionOffshoreplatformisoneofthemostimportantresearchedstructuresofoceanengineeringin2 1stcentury .Forthemal_conditionandsufferedfromimpactingofwind ,wave,flowandiceandenvironmentalcorrosionfrequently ,thecontrolofvibrationandon_linemonitoringofstructurearebecomingmoreandmoreimportant.Parametersidentificationisoneofkerneltechnologieswhicharemadeofseriesmoderndesigntechniquesinoffshoreplatform[1].Thedynamicactionbetweenwind ,wave,flow ,iceandoffshoreplatformaretypicalnonstationarystochast…