научная статья по теме СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО МНОЖЕСТВА ДЛЯ ХАОТИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО МНОЖЕСТВА ДЛЯ ХАОТИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ»

Автоматика и телемеханика, Л- 10, 2007

PACS 02.30.Oz. 47.20.Ку

© 2007 г. С.П. ГОРБИКОВ, д-р физ.-мат. наук, A.B. МЕНЬШЕНИНА (Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет)

СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО МНОЖЕСТВА ДЛЯ ХАОТИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ

Проводится численное исследование статистических свойств хаотических движений, которые возникают в одной виброударпой системе в результате бифуркации. связанной с приходом периодического движения па границу области бескопечпоударпых движений. Результаты численных расчетов указывают па существование необычного множества, которое является предельным для возникающих после бифуркации хаотических движений. Согласно численным исследованиям в окрестности предельного множества "среднее по ансамблю совпадает со средним по времени", т.е. при решении задач оптимизации в такой системе достаточно следить лишь за одной траекторией.

1. Введение

В динамических системах с ударными взаимодействиями может происходить [1, 2] бифуркация, приводящая к возникновению хаотических движений. Бифуркация связана с приходом периодического движения на границу области существования бесконечноударных движений. Под бесконечноударными понимаются [3. 4. с. 6] движения с бесконечным числом ударных взаимодействий, происходящих за конечный промежуток времени.

В данной работе исследуются статистические свойства хаотических движений, которые возникают в результате указанной выше бифуркации, в окрестности предельного множества [5].

2. Описание рассматриваемой виброударной системы

2.1. Уравнения движения

Изучается динамическая система, описывающая движение виброударного механизма. Механизм представляет собой подвешенный на пружине груз (ударник) массы M, который совершает соударения с неподвижным ограничителем.

Уравнение движения (под действием синусоидальной и постоянной сил) ударника в промежутках между ударами (при x < x0) имеет вид [6]

(1) Md2x/dr2 + kx = P + F sin шт.

При x = x0 происходит мгновенный удар массы M об ограничитель, в результате этого меняется только скорость движения массы

(2) dx/dT+ = —Rdx/dT_.

Здесь dx/dr_ и dx/dr+ - соответственно доударные и послеударные значения скорости; 0 < R < 1 - коэффициент восстановления скорости при ударе.

В данной работе рассматривается случай, когда ударник в состоянии покоя висит над поверхностью удара (осциллятор с зазором). Этому случаю соответствует выполнение соотношения kxo — P > 0. Тогда заменой переменных и параметров t = wr — п А2 = k/(Mw2), V = F/(kx0 — P), q = Mw2(i0 — x)/(kx0 — P) систему (1), (2) можно привести к виду [7]

q + А2q = V sin t + q > 0,

q+ = — Rq_, при q = 0.

Здесь q = dq/dt, q = d2q/dt2, q_ и q+ - соответственно доударные и послеударные V > 1 А > 0

R=1

риваются, например, в [8].

2.2. Сведение задачи к рассмотрению точечного отображения

Фазовые траектории системы (3) изучаются с помощью точечного отображения T = T2T полуповерхности q = 0 q ^ 0 в себя. Здесь Ti - отображение, переводящее точку (qo = 0, qo ^ 0, to) в точку (qo = 0, q- ^ 0, t) по траекториям первого уравнения системы (3); отображение T2 задается формулой ударных взаимодействий

T

полуполосы Ф = {(qo = 0, qo > 0,0 ^ to ^ 2п)} и имеет следующий вид: q(0,0,qo,to) = (—Л-2 - V(Л2 - 1)-i sinto) cos A(0 - to) + + (qoA-1 - VA-i(A2 - 1)-i costo) sin A(0 - to) + + V(A2 - 1)-i sin0 + A-2 =0,

q = -Rq(0,0, qro,to) = -R (A-i + VA(A2 - 1)-i sinto) sin A(0 - to) +

+ (qo - V(A2 - 1)-i cos to) cos A(0 - to) + V(A2 - 1)-i cos0 t = 0(mod 2n), 0 to to

( T, Ф)

( T, Ф)

T

соответствуют хаотические решения системы (3).

2. S. Фазовое пространство

Фазовое пространство системы (3) составляют точки (q, q, t), координаты которых удовлетворяют неравенствам q ^ 0 -то < q < 0 ^ t ^ 2п,а точки (q, q, t = 0) и (q, q, t = 2п) предполагаются отождествленными.

Из точек (q = 0, q > 0,t) выходят, рис. 1, фазовые траектории системы при возрастании времени t, а го точек (q = 0, q < 0, t) - при убывании t. Поведение траекторий вблизи точек (q = 0, q = 0,0 < t < 2п) зависит [8, 9] от знака q|q=o,q=o = = Vsint + 1 и q'"|g=o,q=o = d3q/dt3|q=oj(j=o = Vcost.

Фазовые траектории из малой окрестности точек (0,0,t), где ti < t < t2, представляют собой бесконечноударные движения, которые заканчиваются в точке (0, 0, tf), ti < tf < t2. Из точек (0,0, 0 < t < t^ и (0,0,t2 < t < 2п) выходят

Рис. 1. Разбиение фазового пространства системы (3) па траектории.

фазовые траектории первого уравнения системы (3) как при возрастании, так и при убывании времени Ь. Здесь Ь1 = п + агеэт V-1, Ь2 = 2п — агеэт V-1.

В системе (3) существуют [9] локальная особенность М*(0, 0, Ь2) пятого и локальная особенность N»(0,0,Ь1) шестого типа,, в которых выполняются условия д = 0, д = 0 9 = 0, д''' > 0 и д = 0 д = 0, 9 = 0 д''' < 0 соответственно. Из точки М* (0, 0, ¿2) выходит траектория первого уравнения системы (3). В малой окрестности точки N* существуют бесконечноударные движения, которые заканчиваются в этой же окрестности.

На полуповерхности д = 0, Ч ^ 0 существуют [8] множества 7г,г = 1, 2, 3,..., которые являются образами множества [0,Ь1^(Ь2, 2п] при действии соответствующего отображения Т-г. Из точек, заключенных между множествами ^г и 7г+1, выходят фазовые траектории системы (3), попадающие после г-го удара в малую окрестность точки М*, из которой выходят по траекториям первого уравнения системы (3) в об-д > 0

Часть множества, заключенного между множествами 7Ы и +ъ обозначается через Ды, N =1, 2, 3,... (в состав границы множества Ды входят части множеств 7ы и 7ы+1).

При стремлении г к предельным для последовательпости 7г является множество 7*. Множество 7* входит в состав границы области Д существования беско-нечноударных движений.

3. Описание бифуркации, происходящей в исследуемой системе

В системе (3) при достаточно больших значениях А при фиксированных V и Д

существует [10] периодическое движение Г периода 2п с одним ударом, после кото-

Д

движений, т.е. выполняются соотношения М* € Г, ТМ* € Д. Из точки ТМ* выходит бесконечноударное движение, оканчивающееся в точке (0; 0; Ь), Ь1 < Ь < Ь2. Далее фазовая точка движется по осп Ь до точки М*, из которой выходит траектория первого уравнения системы (3).

При переходе через границу А = А*(У, Д) области существования периодического ГГ дит па границу 7* облает и Д существования бесконечноударных движений. Тогда

из точки ТМ* выходит траектория, являющаяся бесконечноударным движением,

М*

При Л < А*(У, Д) периодическое движение Г исчезает, а вместо него в системе (3) могут возникать [1, 2] хаотические движения.

Замечание 1. Под хаотическими движениями понимаются [11, с. 32] движения, которые обладают следующими свойствами:

чувствительная зависимость от начальных условий (т.е. небольшие изменения начальных значений фазовых траекторий приводят к значительным отличиям в положении фазовых точек через некоторый промежуток времени):

нерегулярность эволюционного поведения в фазовом пространстве системы (т.е. поведение фазовых траекторий системы при изменении времени является беспорядочным ).

4. Предельное множество для хаотических движений, возникающих в результате изучаемой бифуркации

После бифуркации могут образоваться следующие множества и = У где

N е^1

д = (ж | тNс и}.

и

четы, имеют [5] предельным необычное множество Б С и. При значениях параметров Д = 0,7, V = 4, Л = 2,55 множество Б изображено на рис. 2. В этом случае множество и = Бб и и У Бд.

Численные расчеты показали, что найденное множество Б обладает [5] следующими свойствами:

- множество Б являете предельным множеством для траекторий системы (Т, Ф),

и

Б

ческий характер:

- справедливо включение: ТN+1Р(0, </ > 0,4) € Б, если Р(0, </ > 0,4) € Б.

Б

достаточно велика. Часть этой области для значения Д = 0,7 изображена на рис. 3.

г

N

(0,2;2.

V 10 9 8 7 6 5 4 3 2

X = Х*^, Я)

2,00 2,16 2,32 2,48 2,64

Рис. 3.

Рис. 2. Вид предельного множества ^^и К = 0,7; V = 4; Л = 2,55.

Рис. 3. Вид границы области существования периодического движения Г при К = 0,7.

Х

5. Статистические характеристики хаотических движений в окрестности предельного множества

Исследование статистических характеристик хаотических движений в окрестности предельного множества S проводилось следующим образом. В качестве малой окрестности множества S рассматривался прямоугольник H = {(q, t)|<?i ^ q ^ ^ 92 5 ti ^ t ^ ¿2} внутри которого множество S лежит целиком. Прямоугольник H составлен из нескольких прямоугольников со сторонами е1 х е2. В результате исследования было найдено распределение частот попаданий в эти прямоугольники траектории системы (T, Ф), выходящей из произвольно выбранной точки из множества U, за достаточно большое число итераций отображения TN +1.

В статье приводятся результаты численных расчетов, полученные для значений параметров R = 0,7; V = 4; ^ = 2,55. В данном случае множество S целиком лежит внутри прямоугольника H, для которого q1 = 0,33, q2 = 0,38, t1 = 2,96, t2 = 3,02. Прямоугольник H разбивался на 25 ячеек — прямоугольников со сторонами £1 = 0,01 и £2 = 0,012, которые обозначались следующим образом:

Hk = {(^,t)|^1 + £1((k mod 5) - 1) < q < q1 + £1(k mod 5); t1 + £2((k - 1) div5) < t < t1 + £2(((k - 1) div5) + 1)}, k = 1725.

В приведенной формуле запись "k mod 5" означает, что берется остаток от деления числа k на 5; запись "(k — 1)div5" означает, что рассматривается целое от k - 1 5

( T, Ф)

моугольники Hk те попадают, а в прямоугольники H4, H10 и H15 попадают редко (не более 5 раз за 104 итераций отображения TN+1). Поэтому эти прямоугольники

H5

ставляет собой объединение ячеек H4 и H5, прямоугольник H9 представляет собой

объединение ячеек H9 и H10, прямоуголь ник H14 представляет собой объединение H14 H15

Пусть J = {j | Hj p| S = 0} обозначает множество прямоугольников, которые имеют непустое пересечение с множеством S, а через | J | обозначается количество J

В данном случае J = {5, 8 9 12 13 14 16 17 18 19 21 22}, т.е. | J| = 12.

В качестве начальных рассматривались точки P1 (0; 0; 2,8^ P2(0; 0,2; 2,75) и Рз(0; 0,32; 3). Были найдены ча

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