научная статья по теме ХАОТИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ В СИСТЕМЕ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ ПРИ СЛАБОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ХАОТИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ В СИСТЕМЕ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ ПРИ СЛАБОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 1, с. 69-76

ДИНАМИЧЕСКИМ ХАОС В РАДИОФИЗИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

УДК 621.383.63

ХАОТИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИИ В СИСТЕМЕ С ЗАПАЗДЫВАНИЕМ

ПРИ СЛАБОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ © 2004 г. Э. В. Кальянов

Поступила в редакцию 17.06.2003 г.

Рассмотрена хаотизация колебаний системы с запаздыванием с помощью коммутирующего устройства, когда нелинейность активного элемента настолько слабая, что автономно (без коммутации) система генерирует только регулярные колебания. Описана математическая модель системы и приведены результаты численного анализа при двух характерных режимах работы (при двух и одном бассейнах притяжения), определяемых временем задержки сигнала в цепи обратной связи.

ВВЕДЕНИЕ

Возможность хаотизации колебаний в системах с запаздывающей обратной связью (ЗОС) при наличии сильной нелинейности хорошо известна [1-4] и исследованию хаотических режимов в различных системах с запаздыванием посвящено относительно большое число работ [2-27]. При слабых нелинейностях активного элемента в системах с запаздыванием реализуется режим регулярных колебаний.

Одной из особенностей автоколебательных систем с запаздыванием является возможность существования при слабых нелинейностях бистабиль-ных режимов работы. Как показано в [28, 29], в системе с запаздыванием и инерционностью, моделирующей транзисторный генератор с ЗОС, при слабой нелинейности активного элемента могут существовать режимы с двумя бассейнами притяжения, когда колебания возбуждаются в одном из них, а в другом бассейне колебания возможны лишь потенциально. Колебания в потенциально автоколебательном бассейне притяжения могут стимулироваться внешним сигналом, оставаясь в нем и после прекращения его воздействия. Для перехода системы в первоначальное состояние необходим опять-таки внешний стимул. Иными словами, с помощью внешней силы в бистабильной системе можно осуществлять переключение регулярных колебаний из одного бассейна притяжения в другой. Система ведет себя подобно ждущему триггеру, отличаясь тем, что для переключения колебаний из одного бассейна притяжения в другой необходимо ее "подвозбуж-дение" на частоте, близкой к частоте колебаний, присущей движениям системы в соответствующем бассейне притяжения.

Представляется возможным создание хаотического генератора с переключением, в основе которого лежит бистабильная система с запаздыванием. Вопрос сводится к созданию управляющей обратной связи, обеспечивающей хаотичес-

кое переключение системы из одного бассейна притяжения в другой и обратно. Исследование этого вопроса целесообразно не только с практической точки зрения, но и с позиций лучшего понимания физических процессов, происходящих в хаотических системах с переключением движений.

В данной работе приводится математическая модель генератора с запаздыванием, в котором при параметрах, обеспечивающих только квазигармонические колебания, создаются условия для генерации хаотических колебаний с их хаотическим переключением. Рассматривается математическая модель бистабильной системы с "автокоммутацией", как наиболее наглядной для иллюстрации переключения колебаний, и приводятся результаты ее численного анализа. Рассматривается также возможность хаотизации колебаний путем создания условий для их переключения, когда в слабо нелинейной системе с запаздыванием реализуется только один бассейн притяжения.

1. СХЕМА ХАОТИЗАЦИИ КОЛЕБАНИЙ ГЕНЕРАТОРА И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Рассматриваемая схема хаотизации колебаний генератора представлена на рис. 1. Она применима как к бистабильному режиму работы генератора, так и к режиму его генерации с одним бассейном притяжения. Однако пояснения схемы рис. 1 представляются более простыми применительно к бис-

Рис. 1. Схема хаотизации колебаний бистабильного генератора: 1 - генератор, 2 - коммутирующее устройство.

(а)

-5 -4

ДБ

-30 -

^(у) = Ву/(1 + у2),

(1)

где В - постоянный коэффициент, эти уравнения, с учетом воздействия /(г), можно представить следующим образом:

ШРх/ШР + (щ/0)(йх/йг) + ш2 х =

= ш 0 [Вф»(ШуШ) + /)],

8ШуШ + у = хт,

(2)

Рис. 3. Бифуркационная диаграмма изменения максимальных значений колебательного процесса х(г) в зависимости от частоты внешнего гармонического сигнала.

где х, у, хт - переменные (х = х(г), у = у (г), хт = х(г - т)), ш0, Q - резонансная частота и добротность фильтра второго порядка, 8 - постоянная времени фильтра первого порядка, т - запаздывание в цепи обратной связи, Б - коэффициент связи. Нелинейная функция ф(у) имеет вид

Ф(у) =(1 - у2)/(1 + у2)

22

(3)

Рис. 2. Фазовые портреты регулярных колебаний (а) и спектры мощности (б) при т = 9.22 (1) и 9.24 (2).

табильному режиму генератора, в связи чем будем рассматривать генератор 1 как бистабильный.

В соответствии с рис. 1 часть колебаний с выхода генератора 1 подается на его вход через коммутирующее устройство 2. Последнее содержит два фильтрующих элемента и обеспечивает поочередное подключение того или иного фильтра по заданным параметрам колебательного процесса. При необходимости увеличения амплитуды колебаний на входе фильтров коммутирующее устройство может содержать также и усилитель.

Для иллюстрации работы схемы, представленной на рис. 1, удобно выбрать уравнения, описывающие математическую модель генератора с запаздывающей обратной связью и инерционностью [29]. При аппроксимации нелинейного элемента генератора с помощью функции, отображающей относительно малую крутизну падающего участка характеристики

а функция /(г) определяет воздействие сигналов z1(t) и 12(г) с выхода фильтрующих элементов коммутирующего устройства, которые описываются уравнениями

&г{ /Шг2 + (Ш; /Ql)(dzi Ш) + ш2 ^ = Д ш2 х, (4)

где I = 1, 2, = ^(0, ш;, Qi - собственные частоты и добротности фильтров, Д; - параметры связи.

Когда управляемый генератор 1 работает в режиме регулярных колебаний при наличии двух устойчивых состояний процесс хаотизации колебаний х(г), как уже отмечалось, представляется наиболее наглядным. Такой бистабильный режим может быть реализован в системе (2) при определенных значениях ее параметров, например [29] при ш0 = 1, Q = 2, 8 = 0.1, В = 3, Д = 0. При этих параметрах существует область бистабильности в окрестности значения т = 9.23, в соответствии с чем реализуются два бассейна притяжения. При изменении запаздывания между величинами задержек 9.22 и 9.24 происходит скачок частоты регулярных колебаний. При т = 9.22 возбуждаются колебания в "низкочастотном" бассейне притяжения с частотой колебаний, равной ш = ш01 = 0.78. При этом потенциально существует возможность стимулирования "высокочастотных" колебаний частоты ш02 = 1.26. Колебания в "высокочастотном" бассейне притяжения возбуждаются при т = 9.24, причем возбуждение "низкочастотных" колебаний (на частоте ш01) становится потенциально возможным. Потенциально автоколебательные состояния стимулируются внешним сигналом даже при кратковременном воздействии соответствующей часто-

0

0

х

[х]

-6

(а)

- 1 ■ 1 1 * . " ■ ■ ■ . ■ » .: 1 " 1 ■

0.8

1.2

-6

(б)

0.4

0.6

0.8

02

-6

(в) :

-

V- »-т % 1 ! Г .

_

■■:. ■ * ■ ..у

| I " "

0.6

0.8

1.0

0

Рис. 4. Бифуркационные диаграммы изменения максимальных значений колебательного процесса х(г) в зависимости от коэффициентов Б (а), Б (б) и Б (в) при т = 9.22.

ты [29]. После такого "подвозбуждения" потенциально автоколебательного состояния система остается в бассейне притяжения, соответствующем частоте воздействия внешнего сигнала, даже после прекращения воздействия.

В соответствии с отмеченными свойствами системы при наличии потенциально автоколебательного состояния представляется возможным обеспечение переключения колебаний путем изменения сигнала, определяемого функцией /(г). Роль коммутирующего устройства 2 как раз сводится к заданию значений для функции /(г) на основе данных для выходных колебаний х(г). Особенностью задания значений /(г) с помощью коммутирующего устройства является использование обратной связи, чем достигается возможность хаотического изменения колебательного процесса /(г). В этом случае для хаотизации колебаний в системе (2) управляющий сигнал /(г) может быть за-

240

360

Рис. 5. Реализации колебаний в интервалах времени г е [0, 240] (а) и г е [240, 480] (б) при т = 9.22.

дан с помощью коммутирующего устройства, например -

/(г) =

2, если 1 > а, [г 1, если |г2| > Ь,

(5)

где а, Ь - численные значения, определяемые уровнем сигнала в коммутирующем устройстве.

Соотношения (2)-(5) описывают математическую модель обеспечения возможности генерирования хаотических колебаний, когда в системе (2) при бистабильном режиме автономно реализуются колебания с простым предельным циклом в одном из двух бассейнов притяжения.

Хаотизация колебаний по схеме рис. 1 может быть реализована не только при бистабильных режимах работы, но и в случае, когда существует один бассейн притяжения и частота генерации близка к частоте резонансного контура (ш - ш0). Этот случай, хотя и не обладает наглядностью, представляет даже больший интерес, чем случай бистабильного режима работы.

Ниже путем численного анализа соотношений (2)-(5) будут рассмотрены случаи хаотизации колебаний системы (2) как при бистабильном режиме ее работы, так и при работе с одним бассейном притяжения.

2. ХАОТИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ДВУХ БАССЕЙНАХ ПРИТЯЖЕНИЯ

Бистабильные режимы работы в системе (2) возможны при различных параметрах и, в частности, при различных задержках в цепи обратной связи генератора. При изменении задержки сигнала в цепи ЗОС бистабильные режимы чередуются с режимами с одним бассейном притяжения. При этом в области бистабильности изменение

6

0

6

г

0

6

0

dx/dt

S, дБ

dx/dt

Рис. 6. Хаотический аттрактор в интервале времени г е [240, 480] (а) и спектр мощности (б) при т = 9.22.

Рис. 7. Фазовые портреты регулярных колебаний (а) и спектры мощности (б) при т = 12 (1) и 0.04 (2).

0

частоты подобно графику Вина. В приведенном численном анализе в качестве исходного режима для иллюстрации процесса хаотизации колебаний в системе, описываемой уравнением (2), удобно использовать бистабильный режим работы,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком