一类分数阶分段Duffing振子的混沌研究

研究了谐波激励下含有分数阶微分项的分段Duffing振子的混沌运动,分数阶微分项采用Caputo定义进行计算,并利用等效刚度和等效阻尼的概念对其进行处理。运用Melnikov方法,建立了Smale马蹄意义下混沌运动的必要条件,得到了系统发生混沌运动的临界条件,并进行了解析解和数值解的比较,结果证明了解析必要条件的正确性。最后通过数值模拟,研究了系统线性刚度系数、阻尼系数、分数阶阶次、分数阶系数以及分段Duffing刚度系数对系统混沌运动的影响。

基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统设计

铁路轨道作为移频信号的传输载体,其对于信号对象传输轨迹疏密度的辨别能力,决定了轨道体系对移频信号的测量准确性;为实现对信号对象传输频率的准确辨别,设计基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统;将电源模块输出的电量信号,按需分配至STM32F103微处理器、移频信号辨别模块与DSP测量单元之中,完善各级应用部件之间的连接关系,实现铁路轨道移频信号测量系统的硬件方案设计;确定移频信号的Duffing振子描述条件,针对其定义形式,构造移频信号的相空间,完成对铁路轨道移频信号的提取;求解铁路轨道的Lyapunov指数,并构建移频信号的Duffing方程,确定混沌测量参数的取值范围,实现对铁路轨道移频信号的测量,联合各级应用部件,完成基于Duffing振子的铁路轨道移频信号测量系统设计;实验结果表明,上述系统测量所得信号传输轨迹疏密度与真实轨迹疏密度相似度较高,并且测量结果准确率最高值达到了84%左右,说明其能够实现对铁路轨道移频信号的准确测量。

基于Duffing混沌振子的长壁采煤机链轮摆线齿廓生成方法

长壁采煤技术的链轮摆线齿廓对采煤效率和安全至关重要,但其生成过程受开采不确定性影响,特征选择和提取难度大,难以满足高效安全采煤需求。因此,本文提出基于Duffing混沌振子的长壁采煤机链轮摆线齿廓生成方法。利用反转法建立摆线齿廓方程,推导摆线齿廓结构参数;结合实际啮合状态与应用原理,采用展成法对应切齿过程,修正链轮摆线齿廓几何参数;基于Duffing混沌振子构建动力学模型,在非线性周期驱动下描述齿廓几何参数变化过程,生成长壁采煤机链轮摆线齿廓。实验结果表明:在给定设计参数下,研究方法的径向位移、轴向位移,以及法向偏角均与理论值的偏差小,满足周向侧隙和齿廓间隙要求,能够保证采煤机链轮应用过程中的啮合状态和使用寿命。

准周期激励Duffing系统中奇异非混沌吸引子的判别方法

奇异非混沌动力学是非线性动力学领域中的新课题。本文以准周期激励Duffing振子为例,对其产生的奇异非混沌吸引子(strange nonchaotic attractors,SNAs)进行分析。通过三维庞加莱截面和定量方法如傅里叶变换、李雅普诺夫指数、李雅普诺夫维数、关联维数和盒维数检测SNAs是否存在。研究结果表明,傅里叶变换无法判断混沌与奇异非混沌行为。而李雅普诺夫指数、李雅普诺夫维数可以作为检测系统混沌与非混沌指标。关联维数和盒维数显著表明系统奇异与非奇异性,从而阐明适用于准周期驱动Duffing振子中存在SNAs的判别方法,并为其他类似系统检测SNAs提供指导。

基于CFAR和Duffing振子的FOD联合检测算法

机场跑道异物(Foreign Object Debris,FOD)对飞行器的安全运行危害巨大。图像处理识别目标,容易受到天气、光照的影响;毫米波雷达中常用的杂波图CFAR检测算法由于机场跑道的散射,在信杂比较低时,存在虚警较大的问题。针对现有的问题,提出一种CFAR与Duffing振子相结合的双层异物检测算法。利用传统的杂波图CFAR抑制杂波、设置阈值处理后,得到含有虚警信号的FOD回波信号,并提取FOD目标信号或者是虚警信号对应的频率信息,生成Duffing振子对应的本帧信号;再对FOD回波信号进行检测以剔除虚警信号,筛选出目标信号。通过Monte Carlo仿真验证了算法的有效性。

乘性色噪声激励下广义分数阶van der Pol-Duffing振子的随机分岔分析

本文研究了在乘性色噪声激励下含分数阶导数项的广义Duffing振子的随机分岔.首先,利用一种回复力和阻尼力的线性组合等效替换系统中的分数阶导数项;其次,对系统中的三次项进行线性化处理,利用最小均方误差原理,将系统转变成整数阶系统,由随机平均法求得系统的稳态概率密度函数;最后,通过拟不可积Hamilton系统随机平均法得到系统不变测度的最大Lyapunov指数,并对系统进行随机D-分岔和P-分岔分析.研究发现,分数阶导数阶数、噪声的自相关时间等参数的改变可以诱发系统发生随机P-分岔.

Duffing振子在水工结构动力响应信号检测应用中的一种混沌判据

【目的】Duffing振子是一种典型的非线性动力系统,混沌状态的判断是利用Duffing振子进行水工结构动力响应信号检测的基础准则。Duffing振子系统进入混沌状态时,系统状态时序图和相图会变得更为无序和复杂,可以对系统状态进行直观反映,但直接将二者作为系统混沌状态的判断依据,存在较为模糊和主观性较大的问题。为了对Duffing振子系统状态时序图和相图的复杂程度进行定量描述,以便更准确地利用二者对Duffing振子系统混沌状态的判断,【方法】提出了一种利用系统内状态量的时序图和相图盒维数的指数组合的指标,将该指标是否发生突变作为利用Duffing振子进行信号检测时的混沌状态的判断依据。【结果】所提出的Duffing振子混沌状态识别指标在Duffing方程的仿真分析、正弦波仿真信号检测和悬臂梁锤击动力响应信号检测试验中分别表现出22.611%、17.514%和30.975%的相对变化率。同时振子对应的李雅普诺夫指数也由负转正,但Duffing方程的仿真分析结果显示李雅普诺夫指数作为识别指标更为敏感,在振子系统的时序图和相图未明显表现出混沌状态时,其已经由负转正。【结论】由试验结果可知:可以根据所提出识别指标是否发生突变进行识别振子混沌状态,达到信号检测的目的。同时,所提出的混沌状态识别指标以时序图和相图的复杂程度直接作为判断标准,与其他指标相比更为直接和合理。悬臂梁动力响应信号检测试验初步验证了所选取的识别指标应用到具体工作中的可行性,有望应用于结构损伤识别,共振发现等工作中。

EMD及Duffing振子在小电流系统故障选线方法中的应用

针对小电流系统发生故障时,各线路零序电流的非平稳、非线性等复杂特性,给出一种基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)和Duffing振子检测的方法。EMD方法具有很好的自适应性,而Duffing振子系统对于与内驱动力同频的外界信号具有高度敏感性。首先对故障零序电流进行EMD分解,提取出第1个内禀模态函数作为故障零序电流特征量;然后提出特征量中的五次谐波分量,将其输入到Duffing振子中,通过系统相图变化来确定当前线路是否发生故障。对各条线路进行不同条件下故障模拟,仿真结果证明了该算法的可靠性。

Duffing振子微弱信号检测方法的统计特性研究

利用混沌振子可以检测极其微弱的信号，并且具有很多优点.本文根据随机微分方程理论，通过对噪声经过Duffing系统后统计特性的分析，确定了采用此方法检测的信噪改善比，从而为该方法的实际应用提供了指导并且，本文针对周期系数线性微分方程的特点。

Duffing振子的Lyapunov指数与Floquet指数研究

针对现有基于Duffing振子的信号检测与估计方法在确定振子相变临界阈值和Floquet指数曲线的临界分岔处位置两方面所存在的问题,本文在更大范围上对Duffing振子的Lyapunov指数曲线进行了研究,提出了振子相变临界阈值的改进判定方法和利用Lyapunov指数曲线来获得Floquet指数曲线临界分岔处的方法。理论分析和仿真结果表明,上述改进在不增加系统误报率的前提下,能有效降低系统的漏报率。

基于Duffing振子的微弱正弦信号检测方法研究

利用混沌振子系统的初值敏感性和对噪声的免疫力检测微弱正弦信号，可以获得很高的检测灵敏度和很好的抗噪性能。文中分析了待测正弦信号幅值和相位对混沌系统状态的影响。基于Duffing振子系统的相变特性，提出了检测微弱正弦信号幅值和相位的新方法，即：反相补偿幅值检测方法和三分对称相位检测方法，介绍了检测的原理和具体实现步骤；利用Duffing方程的位移X波形的包络特性，提出了适合于含噪声情况的混沌特性自动判别方法，以正确判别混沌系统的状态并应用于文中的信号检测方法之中。最后，将该方法和最大似然法进行了比较。数字仿真结果证明了文中所提方法的可行性和有效性。只需改变策动力的频率，该方法即可适用于检测各种频率的微弱正弦信号，对于扩大光传感器的测量范围、电力系统谐波分析等应用具有实用价值。

基于强耦合Duffing振子的微弱脉冲信号检测与参数估计

耦合Duffing振子在检测强噪声中的微弱脉冲信号时具有可检测信噪比低等优点,但目前检测模型还存在系统性能与初始状态有关、只能工作在倍周期分岔状态等缺陷.为此本文构建了一种能克服上述缺点的新的微弱脉冲信号检测模型,通过对两个Duffing振子同时施加较大的恢复力和阻尼力耦合,可使振子间产生广义的"阱内失同步"现象,基于这种现象可实现微弱脉冲信号的检测与恢复.以信噪比改善和波形相似度为衡量指标,研究了周期策动力幅值与周期、耦合系数、计算步长、阻尼系数等参量对模型信号检测与波形恢复效果的影响.对方波、双指数脉冲和高斯导数脉冲进行检测和恢复的实验结果表明,本文所构建的模型能够在较低信噪比条件下有效地检测并恢复出高斯白噪声背景中的微弱脉冲信号,进而改善了现有的Duffing振子对非周期脉冲信号的检测能力并扩展了其应用领域.

基于Duffing振子的天然气管道泄漏检测方法

针对天然气管道泄漏因泄漏声波信号信噪比(SNR)过低而难于检测的问题,研究了基于Duffing振子的天然气管道泄漏检测方法。该方法将待检测数据输入Duffing振子系统,以振子系统的状态转化实现非周期信号中周期信号的检测。为了更好地提高Duffing振子的检测性能,在Duffing振子设计阶段,以随机共振的有关理论为基础,通过对系统输出信噪比的优化来实现Duffing振子的参数设计。基于实际天然气管道泄漏数据的测试结果表明,所提出方法可在低信噪比(-68dB)的情况下有效检测出泄漏,具有较好的检测性能。

驱动输入白噪声对Duffing振子运动影响分析

强噪声背景下混沌弱信号检测是利用弱信号的周期扰动使系统运动状态发生改变实现的,研究了数值解算时计算步长和驱动输入白噪声对弱信号检测中Duffing振子运动特征的影响,重点研究了对Duffing振子混沌临界态和大尺度周期态的影响,结果表明采用数值解算的步长不同系统运动状态不相同,与统计意义下任何零均值噪声都不会改变系统原有运行轨迹不同,不同功率的驱动输入白噪声会导致系统状态改变,分析了产生原因。

用相位差值判别Duffing振子相变的新方法

针对Duffing振子微弱信号检测中相变(即混沌态与大尺度周期态状态的转变)判别算法复杂、计算量大等问题,推导了对Holmes型Duffing振子的增量谐波法求解方程,根据计算结果分析了相变过程中系统解的谐波特性,利用系统解与周期策动力的相位变化规律,提出一种用相位差值来判别相变的新方法。数值仿真和实验测试表明,在强噪声背景下系统相轨迹波动严重,但该方法仍能对系统相变实时准确地判别。

基于哈密顿量的Duffing振子微弱信号检测

针对目前基于Duffing振子微弱信号检测方法大多停留在对相图的定性分析上,提出了利用哈密顿量构造统计量的微弱信号检测的定量判别方法。哈密顿量能够实时地表征系统的动力学行为,有利于在短时间内进行判决。利用平均伪哈密顿量实时地刻画Duffing系统状态的变化情况,能够在低信噪比下实现微弱信号的快速检测。仿真实验验证了该方法的有效性。

考虑噪声影响的Duffing振子弱周期信号检测

利用计算机仿真研究混沌弱信号检测。指出了用于弱信号检测的Duffing系统是连续系统,研究了适于连续系统仿真的输入噪声生成方法。分析了计算步长对Duffing系统运动状态仿真结果的影响。探讨了仿真计算应采用的合理步长。接着分析输入噪声对系统临界状态运动的影响,重点研究在典型强度背景噪声下系统弱信号检测性能。通过估计最小能够检测幅值分析检测信噪比。最后提出一种实用的弱信号检测方法。

Duffing振子在低信噪比雷达目标微动特征提取中的应用

雷达目标部件的旋转运动引起的微多普勒效应为目标精确识别提供了新的技术途径,近年来获得了广泛研究。该文以含旋转部件目标为例,提出了一种利用Duffing振子在低信噪比条件下提取雷达目标微动特征的方法。由于经参考信号共轭相乘后的旋转散射点回波信号是由多个正弦分量组成的,因此采用Duffing振子系统对回波信号中的正弦分量进行检测,并对该正弦分量频率所对应的距离单元在距离-慢时间平面上进行能量增强,最后结合Hough变换完成对雷达目标微动特征的提取。仿真实验验证了该方法的有效性。

基于双Duffing振子差分的微弱信号频率检测

利用混沌振子检测微弱信号幅值需要先确定待测信号频率。本文在间歇混沌的基础上采用双振子差分方法构建振子阵列检测信号频率,将驱动力频率公比由1.03提高到1.06。计算机仿真实验证明该方法可以提高检测的带宽,减小计算量,降低误判几率。

谐和与随机噪声联合作用下Duffing振子的双峰稳态密度

研究Duffing振子在谐和与随机噪声联合作用下系统响应的双峰稳态概率密度问题.用多尺度法分离了系统的快变项,得到了系统慢变项满足的随机微分方程.用线性化方法求出了双峰稳态概率密度的表达式.数值模拟表明提出的方法是有效的.