一个四维非线性系统的簇发振荡及机理分析

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多时间尺度系统不仅具有广泛的工程应用背景,而且存在着丰富的非线性现象,特别是簇发振荡行为,关于该类系统的复杂动力学行为及机理分析一直以来都是非线性动力学领域的研究热点。此外,实际工程中不可避免地存在着的诸如碰撞、开关、干摩擦等非光滑因素也受到国内外学者的广泛关注。本论文针对含有非光滑因素的多时间尺度耦合系统展开研究,探讨此类系统的簇发振荡行为及其产生机理。为揭示单个激励下非线性动力系统的簇发振荡及其分岔机制,以一个四维激光系统为例,通过引入非光滑项和周期外激励项,建立了一个含有两时间尺度耦合的非光滑系统。当激励频率与系统固有频率之间存在明显的量级差异时,整个激励项可被视为一个慢变参数,首先分析了两光滑子系统内各类平衡点的稳定性,并给出了系统发生fold分岔、Hopf分岔等常规分岔的临界条件。其次,根据微分包含理论,利用辅助参数探究了边界平衡点分岔等非常规分岔条件。在慢变量变化的情况下,可以观察到系统轨线在穿越非光滑分界面时产生的几类特殊滑动分岔,例如擦边滑动分岔、多滑分岔等。此外,由于矢量场中稳定吸引子的共存,出现了振荡吸引子的对称破坏现象,最后,借助转换相图与分岔曲线的叠加图揭示了其振荡机理。多个激励联合作用下非线性系统的不同时间尺度效应及其机理更为复杂,在上述研究的基础上,进一步探讨了参外两激励联合作用下非光滑动力学系统的簇发振荡现象。首先,利用Moivre公式将两个激励项转化为用同一慢变量表示的形式后,严格调整激励频率,当其远远小于系统的固有频率时,系统将呈现明显的多尺度快慢耦合效应。然后,借助传统的快慢分析法判断其快子系统内平衡点的稳定性及可能发生的分岔类型。重点研究了两个不同激励之间的频率比,发现随着比值的增大,快子系统的fold分岔点和Hopf分岔点都显著增加,相应的平衡曲线结构也越为复杂,因此轨线也呈现出多样的混合振荡模式。根据激励频率比值为整数和分数两种情况,系统的振荡也表现为两种不同的对称形式。最后,还研究了参数变化对激发态和沉寂态之间转迁方式的影响。
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