基于数值延拓方法的自振荡凝胶周期调控

自振荡凝胶是一类由自振荡反应驱动的高分子形变聚合物,其无需外界刺激就会自发地形成周期性的形变,广泛运用于仿生蠕动机器人的研究。自振荡凝胶的化学-力学耦合关系一直是研究的重点,本文基于Ru(bpy)₃催化IPAAm(N-isopropylacrylamide)高分子凝胶的力学特征及BZ(Belousov-Zhabotinsky)反应的三维Oregonator模型构造自振荡凝胶的化学-力学耦合动态模型,并构建数值延拓算法分析自振荡凝胶周期性随反应参数和力学参数变化情况。通过本文构建的微分-代数方程组数值延拓方法,可以有效求解自振荡凝胶的极限环,为自振荡凝胶周期调控提供设计基础。     

神经系统疾病与认知动力学(II): 神经振荡与认知动力学

大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律, 这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现, 其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关. 本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展, 并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象, 综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作, 解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理, 提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制. 研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用, 为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.      

DYNAMIC MODEL OF SELF-OSCILLATING GELS AND THE CONTROLLABILITY ANALYSIS

自振荡凝胶是一类在Belousov-Zhabotinsky化学反应（BZ反应）驱动下能够产生周期性收缩和膨胀大变形的智能软材料,简称为BZ凝胶,在微型激励器、传感器、药物释放、仿生材料等领域有着广泛的应用前景。基于BZ化学反应的Oregonator模型以及凝胶变形的力平衡方程,建立了由二阶微分方程表示的BZ凝胶的简化动力学模型,并通过对BZ凝胶的振荡动力学模型的分析,发现其在动力学相轨迹空间内呈现出稳定的周期性极限环振荡,进而利用改进的打靶法求得了BZ凝胶的振荡周期解,系统研究了反应物浓度、催化剂效率和链状高分子的亲水性等可控系统参数对其振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有在特定的系统参数取值下,BZ凝胶才能发生持续的周期性振荡;随着这些参数的改变,BZ凝胶的振荡形式、周期和幅值均产生规律性变化。证明了对自振荡凝胶实施周期性调控在理论上是可行的。     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长-回射流产生及发展-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长-激波产生及传播-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加.不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.     

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．     

基于Hilbert-Huang变换的极端气温时间序列的尺度分析

极端气温时间序列作为非常复杂的非线性非平稳信号由多个不同频率的信号组成,本身频谱中包含多个不同尺度特征波.本文应用Hilbert-Huang变换方法分析了2005年-2014年上海市奉贤区10年间最高气温时间序列和最低气温时间序列.通过该分析展示了Hilbert-Huang变换对非线性非稳定信号具有良好的自适应性;通过分析极端气温的时间序列原始数据来判断极端事件频率和强度变化特征;结果表明,最高气温和最低气温都有不同程度的升高.通过周期性分析,模态数和平均周期之间存在着一定的关系,各模态的平均周期变化呈现渐近的质数增长;结果还显示,最高最低气温时间序列所表现出来的平均周期性和模态能量分布大体相同.通过多尺度观察极端气温的时间序列探寻了其内在的发展规律及时空变化关系,得到了原始信号中时-频-能之间的联系.     

周期激励下广义蔡氏电路混沌运动中的概周期行为

由于广义蔡氏电路存在2个对称的稳定平衡点,周期激励可能导致系统出现相应于不同初值的2种共存的分岔模式. 概周期解由环面破裂进入混沌,混沌吸引子从相位不同步逐渐演化为同步,并进一步随着参数的变化,产生分裂现象. 分裂后的2个相互对称的混沌吸引子仍存在相位同步效应,这2个混沌吸引子再次相互作用后形成扩大了的混沌吸引子,并交替围绕2个子混沌结构来回振荡. 同时,在混沌过程中,其轨迹在相当长的一段时间内严格按照概周期行为振荡,即混沌结构中存在局部概周期行为,这种局部概周期行为随参数的变化会逐步减弱,直至消失.      

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.     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加. 不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.      

由多平衡态快子系统所诱发的簇发振荡及机理

通过引入子电路模块, 并选取适当的参数及非线性电阻特性, 建立了多时间尺度下具有多平衡态的四维广义哈特利(Hartley) 电路模型. 基于快子系统的多平衡态及其稳定性, 给出了参数空间的分岔集, 得到了不同区域中的动力学特性及其相应的分岔模式和临界条件. 针对两种典型具有不同分岔特征的情形, 分别给出了多平衡态参与下的两种不同的周期簇发振荡行为, 结合快子系统的分岔分析, 揭示了沉寂态和激发态之间相互转化的产生机制, 指出多平衡态不仅会导致多种沉寂态和激发态同时参与同一周期簇发振荡, 也会导致簇发振荡模式的多样性.      

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.      

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.     

基于FPGA内部自激振荡与温度相关性的温度传感器

温度是IMU及其他导航器件等精密仪器中需要监测的重要参数,传统的温度监测一般使用热电偶或者数字温度传感器(如DS18B20)等,监测程序复杂,功耗高,因此使用精密仪器中广泛采用的FPGA芯片独立完成高集成度、低功耗温度监测具有重要意义。在FPGA中通过搭建环形振荡器产生了自激振荡信号,该信号周期与FPGA芯片温度具有正相关性,通过对振荡信号周期的检测完成了对温度的监测,设计了一种以FPGA芯片同时作为敏感头和处理模块的温度传感器。通过对Xilinx Virtex-2系列FPGA芯片进行实验,得到该传感器在-40℃⁺60℃的范围内具有优于0.1℃的分辨率,优于0.5℃的检测精度,满足一般温度监测需要。实验表明该传感器具有功耗低、集成度高、可靠性好等优点。     

具有采样反馈的力控制系统稳定性

基于计算机的数字采样控制对离散信号进行运算并向作动器提供控制输入,是当前的主流控制技术.数字采样控制系统是这样一类控制系统,其控制对象由微分方程(组)描述,而控制律由离散采样信号给出.以采样PD(proportional-derivative)反馈作用下的单自由度力控制系统为例,基于离散系统的稳定性分析方法,研究采样控制律对控制系统稳定性的影响.为了突出采样反馈的作用,将系统取为无刚度、无阻尼的最简单形式.不同于已有研究假设位移采样信号与速度采样信号相互同步,本文研究当位移采样信号与速度采样信号不同步时受控系统的稳定性,发现位移采样信号与速度采样信号的采样周期不同组合对受控系统在增益平面上的稳定性区域有重要影响.结果表明,对所关心的三种数字采样反馈控制律,当位移采样信号滞后于速度采样信号一个采样周期时,受控系统具有最大的稳定性区域且对相同的增益值可以有最好的稳定效果.论文对这种现象进行分析,给出了一种力学解释.     

受径向振荡激励的黏弹性液滴稳定性分析

当液滴受到外部周期性的径向激励时, 在其表面会形成驻波模式的不稳定, 这就是在球面上的Faraday不稳定问题. 不稳定的表面波的振荡频率根据流体物性参数和所施加激励条件的不同呈现为谐波或是亚谐波模式的振荡. 本文基于线性小扰动理论, 研究了受径向振荡体积力的黏弹性液滴表面波的不稳定性. 振荡的体积力导致动量方程为含有时间周期系数的Mathieu方程, 系统因此变成参数不稳定问题, 采用Floquet理论进行求解. 本模型中将黏弹性的特征处理为与流变模型参数相关的等效黏度, 从而简化了问题的求解. 基于对中性稳定曲线及增长率的分析, 研究了黏弹性参数对液滴稳定性的影响. 结果表明零剪切黏度和应变驰豫时间的增加具有抑制液滴表面波增长的作用, 提高了使液滴表面发生谐波不稳定的激励幅值. 随着振荡幅值的增加, 增长率不稳定的区域减少, 且随着振荡频率的增加, 液滴表面波增长率减小. 通过对增长率的分析可以得出, 应力松弛时间的增加使得增长率增加, 从而促进了液滴表面波的增长.      

脑科学中若干非线性动力学问题

对近年发展起来的脑科学中的非线性问题作一介绍.这些问题得到脑科学界的广泛注意.它们是同步, 混沌与混沌周游, 噪声与随机共振.在很多不同背景下的神经生理实验表明脑皮层的振荡活动都存在同步与去同步现象.混沌在人与动物的脑中扮演着重要的角色, 混沌周游与Freeman模型被认为与联想记忆或记忆的动态连接有关.适当噪声强度导致信噪比的极大提高------随机共振是脑神经系统能检测到极其微弱信号的工作机制.噪声也导致同步态并使之稳定.此外,噪声的一些其他作用也在本文中提及.      

翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k-ε湍流模式,自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件,对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟.计算结果与实验数据的对比表明,空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近,验证了计算结果的可靠性.空泡在大约一个周期的2/3时间段内成长,并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落.这两个特征时间与高速摄像实验结果一致.所取工况对应的组合参数σ/2α=2.865,以翼弦长计算可得St=0.217,与文献的最新试验结果吻合.空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡,时均值C<,1>=0.41,C<,d>=0.097,振荡频率与空泡脱落频率一致.对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析,结果表明在大攻角条件下,空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展,沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因,回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演化过程存在密切的联系,探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理.     

串联式叉型滞后簇发振荡及其动力学机制

簇发振荡是自然界和科学技术中广泛存在的快慢动力学现象,其具有与通常的振荡显著不同的特性.根据不同的动力学机制可将其分为多种模式,例如,点-点型簇发振荡和点-环型簇发振荡等.叉型滞后簇发振荡是由延迟叉型分岔诱发的一类具有简单动力学特性的点-点型簇发振荡.研究以多频参数激励Duffing系统为例,旨在揭示一类与延迟叉型分岔相关的具有复杂动力学特性的簇发振荡,即串联式叉型滞后簇发振荡.考虑了一个参激频率是另一个的整倍数情形,利用频率转换快慢分析法得到了多频参数激励Duffing系统的快子系统和慢变量,分析了快子系统的分岔行为.研究结果表明,快子系统可以产生两个甚至多个叉型分岔点;当慢变量穿越这些叉型分岔点时,形成了两个或多个叉型滞后簇发振荡;这些簇发振荡首尾相接,最终构成了所谓的串联式叉型滞后簇发振荡.此外,分析了参数对串联式叉型滞后簇发振荡的影响.      

周期光照下液晶弹性体简支梁的振动响应研究

液晶弹性体(LCE)因其具有快速的光热响应和可逆变形等特性,在能量转换、软机器人和非接触控制等领域具有广泛的应用前景。本文利用液晶弹性体在外部光刺激下可与机械变形耦合的特性,建立了LCE简支梁的动态模型,研究了其在周期光照下的弯曲振动现象。首先建立了LCE简支梁的光驱动控制方程,然后通过振型叠加法获得方程的半解析解,再用Matlab软件编程计算其变化规律。计算结果表明,周期光照可以使LCE简支梁发生周期性振动,梁跨中的振动幅值可以通过阻尼因子、热弛豫时间、光照强度、光照周期和光照时间率来调节,振动平衡位置可以通过光强与热弛豫时间来调节,振动反应时间可以通过热弛豫时间与阻尼来调节。本文结果对光驱动运动的控制和光机能量转换系统的设计具有一定的指导意义。