随机共振的分岔控制及其应用研究

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随机共振的产生需要弱信号、噪声和非线性系统三个要素的协同作用。非线性系统结构对随机共振效应具有重要影响,而改变稳态个数是改变其结构的方法之一。本文利用非线性系统的分岔特性来实现系统稳态个数的灵活改变,提出了随机共振的分岔控制方法,并将其应用于工程实际。具体研究内容如下:(1)构造了一种含分岔参数的8次势函数,研究了其在双稳态、三稳态、四稳态之间的切换规律。推导了分岔系统对于周期信号的输出响应的近似解析表达式,引入功为衡量指标,分析了分岔参数对系统随机能量共振的影响,提出了随机共振的分岔控制方法。(2)调节分岔参数可使得系统为由左、右2个小尺度双稳子系统和中间势垒构成的四稳系统。通过理论分析和数值仿真发现,当中间势垒高度大于左右2个小尺度双稳势的势垒高度时,四稳系统的响应随着噪声强度的变化由束缚在小尺度双稳系统中做小幅振动转变为跨越中间势垒的大幅振动,功随噪声强度的变化出现了双峰曲线,存在着双重随机共振,且小尺度共振能增强大尺度共振的效应。(3)设计了基于分岔控制的随机共振仿真电路,并通过Multisim软件进行了仿真分析。仿真结果表明,通过调节分岔控制参数能诱导电路系统产生随机共振现象并增强共振效应;当系统存在四个稳态时,能产生噪声诱导的双重随机共振现象。电路仿真结果与理论分析结果一致。(4)将随机共振的分岔控制方法应用于轴承早期故障信号和涡街流量信号的检测。结果表明,该方法能有效地增强随机共振效应,提高输出信号特征频率处的功率谱峰值,实现待测信号特征频率的准确检测,具有良好的应用前景。
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