Презентация на тему Синхронизация периодических автоколебаний. Эффективная синхронизация в присутствии шума

система (АК)
период T (для периодических АК);
основная частота

автоколебаний ω0 (для
периодических АК ω0 = 2π / T );
фаза колебаний Φ (для гармонических
автоколебаний Φ = ω0t + ϕ0 ).

Вынужденная
синхронизация

Взаимная
синхронизация

В результате взаимодействия происходит согласование периодов, захват частот и фаз автоколебаний.

взаимной синхронизации маятниковых часов.

Маятники

двух часов, подвешенных к одной и той же деревянной балке двигались всегда в противоположные стороны, а периоды колебаний точно совпадали. Если такой порядок искусственно нарушался, то он сам восстанавливался в короткое время. Т.е. часы синхронизовались в противофазе за счет связи через балку.

Христиан Гюйгенс
1629 -- 1695

в акустических системах.
Рэлей наблюдал взаимную синхронизацию двух органных труб.

Различные, но схожие по параметрам, трубы, расположенные близко друг от друга, начинали звучать в унисон. Был также установлен эффект гашения колебаний, когда взаимодействие приводило к уменьшению колебаний.

1920 г., В. Экклес, Дж. Винсент – экспериментально установлен и исследована взаимна синхронизация двух триодных автогенераторов.

1927 г., Э. Эпплтон, Б. Ван дер Поль – основы теории эффекта синхронизации триодного автогенератора внешним гармоническим сигналом.

Первая половина XX в. – исследование и применение синхронизации в радиотехнике.

Балтазар Вар дер Поль
1889 -- 1959

-- создана законченная теория синхронизации автогенератора внешним гармоническим сигналом,

обоснованная с точки зрения теории нелинейных колебаний.

Александр Александрович
Андронов
1901 -- 1952

Синхронизация в живых системах

Все биологические системы имеют внутренние биологические часы.
Эти часы могут подстраивать свои ритмы ко внешним сигналам.

1727 г. Синхронизация свечения роя светлячков (Э. Кэмпфер).

1729 г. Листья фасоли поднимаются и опускаются в соответствии со сменой дня и ночи (Ж. Ж. Дорту де Меран).

mω02,
nΦ1(t) -- mΦ2(t) = const,
где

n и m – целые числа.

Области синхронизации на плоскости параметров, характеризующих частотную расстройку и степень взаимодействия систем
(качественный рисунок)

Синие линии – синхронизация через захват фазы автоколебаний;
красные линии синхронизация через подавление автоколебаний.
θ -- отношение частот парциальных систем в области синхронизации

Поля с внешним гармоническим
воздействием:
a и ω1 – амплитуда

и частота внешней силы, ϕ0 – начальная фаза внешней силы (положим, для простоты, ϕ0 = 0 ) .

Рассмотрим синхронизацию на основном тоне.
Считаем малыми
расстройку частот Δ = ω0 -- ω1 ,
нелинейность ε .

Решение ищется на частоте воздействия.

(1)

-ω1 – расстройка частот, A0 – невозмущенная амплитуда.
Состояния равновесия

системы (3) соответствуют периодическим решениям системы (1). Существует область значений μ и Δ , для которых система (3) имеет устойчивое состояние равновесия.
В системе (1), соответственно, наблюдаются устойчивые колебания на частоте воздействия. Эта область -- есть область синхронизации.

(3)

где A( t ) и ϕ( t ) – медленно меняющиеся функции по сравнению с
sin(ω1 t ), cos( ω1 t ). Подставляя эти выражения в исходное уравнение
и усредняя за период воздействия, получаем укороченные уравнения
для амплитуды A( t ) и фазы ϕ( t ).

(2)

Замена переменных:

A( t )≈ A0 и можно записать уравнение только

для фазы ϕ :

где Δc =μ / A0 .

Состояния равновесия (4):

(4)

Уравнение для малого отклонения θ фазы ϕ от состояния равновесия.

Решение ϕ c2 -- устойчиво, а ϕ c1 – неустойчиво.

| Δ | < Δc (оно задает границы

области синхронизации у её основания).

В этой области в системе (1) существуют устойчивые и неустойчивые периодические колебания на частоте воздействия. Разность фаз между колебаниями и воздействием постоянна.

На границе области синхронизации происходит слияние и исчезновение точек равновесия ϕ c12 . Вне области синхронизации уравнение (4) имеет решение

Область синхронизации

0

Средняя частота биений
характеризует расстройку частоты автоколебаний и воздействия.
Модель

(4) качественно описывает синхронизацию АК через захват фазы и частоты, но не описывает эффект подавления автоколебаний сигналом воздействия.

Зависимость средней частоты
биений в модели (4) от расстройки

движения
передемпфированной частицы в заданном потенциале.
Профиль потенциала U(ϕ

) в случае захвата фазы при Δ ≠ 0

Синхронизация соответствует наличию потенциальных ямок.
В этом случае частица все время остается на дне ямки (разность фаз ϕ = const ). В отсутствии синхронизации нет минимумов потенциала и частица скатывается вниз по потенциальному профилю.

двумерный цилиндр. В системе (3) возможны три или одно

состояния равновесия: O1, O2, O3 (устойчивый узел, седло и репеллер).

Бифуркационная диаграмма системы (3).

Линии la и lc соответствуют
седло—узловой бифуркации в (3);
lb обозначает линию бифуркации Андронова – Хопфа;
ld -- линия перестройки C1 в C2;
lh --бифуркация рождения тора из резонансного цикла в исходной систем (1);
B и C -- точки сборки, куда входят линии la и lc;
D – точки Богданова – Такенса, в которых сходятся линии la и lb

бифуркационной диаграммы
Область I
Область II
Область III (ниже ld )

Область III (выше ld )

(качественный вид)
Эволюция фазовых портретов при движении по различным направлениям

R1:

R2:

R3:

R4:

Линия ld соответствует образованию петли сепаратрисы седла и кризису инвариантной кривой C2 в области синхронизации. Вне области синхронизации на продолжении этой линии (штрих—пунктир) в полной системе (1) бифуркации не наблюдается. Тор C2 эволюционирует в C1.

шум (внутренний шум и случайные воздействия со стороны внешней

среды). Каково влияние шума на эффект синхронизации?

Проблема синхронизации генератора типа Ван дер Поля в присутствии шума была решена в начале 60-х годов XX в. в работах Р.Л. Стратоновича и А. Н. Малахова. Рассматривалась задача при условии, что мощность шума гораздо меньше мощности гармонического воздействия и источник шума можно описать гауссовским
δ--коррелированным процессом.

Руслан Леонтьевич
Стратонович
1930 -- 1997

гармоническим
воздействием и источником шума:
где ξ ( t

) – гауссовский шум со средним < ξ ( t )> ≡ 0 и корреляционной функцией < ξ ( t ) ξ ( t + τ ) > = δ (τ ) . Величина D0 характеризует интенсивность шума.

Решение стохастического уравнения (5) есть случайный процесс x( t ).
Считая x( t ) гармоническим (узкополосным) шумом ищем решение в виде (2), где A( t ) и ϕ( t ) – случайные функции, медленно меняющиеся по сравнению с sin(ω1 t ), cos(ω1 t ).

(5)

Вынужденная синхронизация автогенератора в присутствии шума. Классическая теория

и фазы ϕ ( t ) имеют вид:
(6)
где ϕ

-- мгновенная разность фаз автоколебаний и внешней силы,
μ = a/2ω1, Δ = ω0 -ω1 , D = D0 /2ω12. Случайные воздействия ξ1 ( t ) и ξ2 ( t ) – независимые гауссовские источники белого шума: < ξ1,2 ( t )> ≡ 0,
< ξ1,2 ( t ) ξ1,2 ( t + τ ) > = δ (τ ) .
Если a << ε, D << ε, то возмущением амплитуды автоколебаний можно пренебречь и считать A = A0 . В этом случае поведение разности фаз можно приближенно описать следующим стохастическим уравнением

(7)

где Δc =μ / A0 .

ϕ в одномерном наклонном периодическом потенциале
Наличие шума приводит

к диффузии разности фаз ϕ: фаза ϕ флуктуирует вблизи минимумов потенциала и совершает случайные переходы из одной потенциальной ямы в другую, меняясь скачком на 2π.

Зависимость мгновенной разности фаз ϕ от времени для нескольких значений интенсивности шума. Параметы: Δ = 0.06, μ = 0.15

ϕ одной потенциальной ямке. Частица быстрее скатывается по потенциальному

профилю. Соответственно, при отличной от нуля расстройке значение /ϕ / быстрее растет во времени и средняя частота биений <Ω (t)> = <ω ( t ) > -- ω1 увеличивается.

Распределение разности фаз ϕ описывается уравнением Фоккера – Планка -- Колмогорова

где Q = D/ A02. Если считать, что ϕ ∈ [ -- π, π ] и рассматривать уравнение (8) при периодических граничных условиях, то можно найти стационарное решение в виде:

(8)

где C – нормировочная константа.

Зная стационарную плотность вероятности pst(ϕ) можно рассчитать среднюю частоту <Ω (t)> = <ω ( t ) > -- ω1 :

Зависимость разности средней частоты автоколебаний в системе (7) и

частоты воздействия от параметра рассторойки Δ при различный значениях интенсивности шума D.

Хотя распределение величины ϕ (t) (если считать, что ϕ ∈ [ -- ∞, ∞ ] ),
задаваемой СДУ (7), не является гауссовским, и, соответственно, ϕ (t) нельзя считать винеровским процессом, однако дисперсия < ϕ 2(t) > -- < ϕ (t) >2 растет во времени по линейному закону. Соответствующий
Угловой коэффициент называют коэффициентом эффективной диффузии разности фаз:

на 2π в единицу времени. Она возрастает с ростом

интенсивности шума и частотной расстройки.

Таким образом, наличие случайных гауссовских возмущений приводит к тому, что синхронизация автоколебаний оказывается нестрогой. Разность частот <ω ( t ) > -- ω1 отлична от нуля при любой сколь угодно малой расстройке Δ. Однако, в случае слабого шума можно выделить область эффективной синхронизации, исходя из выполнения неравенства | <ω ( t ) > -- ω1 | ≤ δ или Deff ≤ Deffmin, где δ и Deffmin -- некоторые заданные значения.