分?jǐn)?shù)階vanderPol振子的超諧與亞諧聯(lián)合共振

姜源 申永軍 溫少芳

摘要： 基于平均法研究了分?jǐn)?shù)階van der Pol振子3次超諧與1/3次亞諧聯(lián)合共振時的動力學(xué)特性。得到了系統(tǒng)的一階近似解析解，提出了超、亞諧聯(lián)合共振時等效線性阻尼和等效線性剛度的概念。建立了聯(lián)合共振定常解幅頻曲線的解析表達(dá)式，又結(jié)合變分方程進(jìn)行線性化處理，推導(dǎo)出分?jǐn)?shù)階van der Pol振子在聯(lián)合共振時的周期解穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則。通過與單一諧波下超諧共振、亞諧共振的對比，發(fā)現(xiàn)在不同基本參數(shù)下該系統(tǒng)可分別表現(xiàn)出單諧波超諧共振、單諧波亞諧共振以及兩者共存時的特征現(xiàn)象。研究表明，分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)通過等效線性阻尼和等效線性剛度的形式對系統(tǒng)的響應(yīng)幅值、共振頻率、定常解穩(wěn)定性、周期解數(shù)量、共振區(qū)域、曲線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及跳躍現(xiàn)象等復(fù)雜動力學(xué)特性均產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞： 非線性振動; van der Pol振子; 聯(lián)合共振; 分?jǐn)?shù)階微分; 平均法

中圖分類號： O322; O241.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-4523（2019）05-0863-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.05.015

引 言

早在1695年，分?jǐn)?shù)階微積分作為一項重要的數(shù)學(xué)分支由德國數(shù)學(xué)家Leibniz和法國數(shù)學(xué)家Hopital在一次探討半階導(dǎo)數(shù)的通信中被首次提出。分?jǐn)?shù)階微積分幾乎與經(jīng)典微積分同時出現(xiàn)，距今已有300多年的歷史，但是由于技術(shù)的局限性，其相關(guān)應(yīng)用在當(dāng)時并未受到過多關(guān)注。進(jìn)入20世紀(jì)以后，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)分?jǐn)?shù)階微積分的研究及應(yīng)用重返研究人員關(guān)注的舞臺，大量科研成果脫穎而出，其中包括黏彈性系統(tǒng)[1-2]、混沌動力學(xué)[3-4]、非哈密頓系統(tǒng)[5-6]、量子力學(xué)[7]、熱動力學(xué)[8-9]等。在工程問題中，其應(yīng)用領(lǐng)域主要分為兩類：一類是在控制系統(tǒng)中引入分?jǐn)?shù)階反饋控制從而改善系統(tǒng)的魯棒性和控制效果，如無人機(jī)滑模姿態(tài)的控制[10]、永磁同步電動機(jī)的雙閉環(huán)控制[11]、速度反饋的PID控制[12]、集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制[13]等領(lǐng)域。另一類是用來模擬含記憶特性工程材料的真實本構(gòu)關(guān)系，如隔振器件的建模（油氣懸架的建模[14]、空氣懸架的建模[15]、磁流變阻尼器的建模[16]等）、單相逆變器的建模[17]、非定常蠕變本構(gòu)模型的研究[18]、黏彈性材料變形研究[19]等領(lǐng)域。

目前，分?jǐn)?shù)階微積分在動力系統(tǒng)中的研究包含定性分析、數(shù)值計算和解析研究，其中具有代表性的導(dǎo)數(shù)定義形式又可分為以下三種：Riemann-Liouville型、Grünwald-Letnikov型和Caputo型定義。近幾年，有關(guān)分?jǐn)?shù)階微積分理論知識的研究成果頗為豐碩，例如申永軍、楊紹普等[20-24]通過平均法對含分?jǐn)?shù)階微分項的線性和非線性單自由度振子進(jìn)行了動力學(xué)研究，并提出等效線性阻尼和等效線性剛度概念，分析了分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響規(guī)律;李常品等[25-27]在分?jǐn)?shù)階微積分的數(shù)學(xué)理論方面進(jìn)行了大量研究，提出了一些高效數(shù)值算法;Atanackovic等[28]研究了分?jǐn)?shù)階歐拉-拉格朗日方程;王學(xué)彬等[29] 通過Riemann-Liouville型和Caputo型兩種常見的分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)定義，研究了如何利用拉普拉斯變換方法求解分?jǐn)?shù)階微分方程;陳明杰[30]研究了一種嶄新的信號分析工具即分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，并用經(jīng)典的傅里葉變換觀點對分?jǐn)?shù)階傅里葉變換進(jìn)行了充分的解釋等等。

1927年，荷蘭電子工程師van der Pol為了描述電子電路中三極管的振蕩效應(yīng)，首次推導(dǎo)出了著名的van der Pol方程。此后，在物理學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)學(xué)、甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)中，van der Pol方程已經(jīng)成為描述振蕩過程的一種基礎(chǔ)模型。在非線性動力學(xué)中，van der Pol方程由于具有豐富的動力學(xué)行為而極具代表性。近幾年來，有關(guān)分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)在非線性系統(tǒng)中的研究受到諸多學(xué)者的青睞。例如分?jǐn)?shù)階van der Pol振子的超諧共振[31]、分?jǐn)?shù)階van der Pol振子的亞諧共振[32]、寬帶噪聲激勵下分?jǐn)?shù)階van der Pol-Duffing振子的可靠性分析[33]、分?jǐn)?shù)階van der Pol振子網(wǎng)絡(luò)的混沌同步[34]等等。但是，在相關(guān)文獻(xiàn)中絕大多數(shù)的研究僅局限于單一諧波激勵下非線性系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，較少涉及到多頻激勵。在實際工程中，多頻激勵的發(fā)生并不少見。因此，多頻激勵下非線性系統(tǒng)具有更加豐富的現(xiàn)象，尤其是聯(lián)合共振較為突出。如Nayfeh等的專著[35]中以整數(shù)階Duffing振子聯(lián)合共振為例，簡單介紹了其中復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象。在分?jǐn)?shù)階Duffing振子的聯(lián)合共振[36]中，其非線性現(xiàn)象更加豐富。本文對一類分?jǐn)?shù)階van der Pol振子的3次超諧與1/3次亞諧聯(lián)合共振進(jìn)行了研究，采取平均法得到了系統(tǒng)的定常解及穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則，并與單一諧波下的超諧共振、亞諧共振進(jìn)行了對比，分析了分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)幅值、共振頻率、定常解穩(wěn)定性、周期解數(shù)量、共振區(qū)域、曲線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及跳躍現(xiàn)象等復(fù)雜動力學(xué)特性的影響。

3.2 整數(shù)階van der Pol振子聯(lián)合共振幅頻特性曲線 ?選取一組基本系統(tǒng)參數(shù)m=5，k=15，α1=45， F1=20，F(xiàn)2=180，K1=0和p=0.4，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。此時，該系統(tǒng)為傳統(tǒng)整數(shù)階van der Pol振子的3次超諧與1/3次亞諧聯(lián)合共振。根據(jù)式（31），可以得到整數(shù)階van der Pol振子聯(lián)合共振下的幅頻曲線如圖2所示。分析圖2可知，在一定激勵頻率范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以出現(xiàn)多至7個解共存的特征現(xiàn)象。再根據(jù)式（38），對定常解穩(wěn)定性條件分析判斷，其解的特征存在4種可能性：a） 1個非平凡的穩(wěn)定解;b） 3個非平凡解，其中一個是不穩(wěn)定的;c） 5個非平凡解，其中2個是不穩(wěn)定的;d） 7個非平凡解，其中3個是不穩(wěn)定的?？梢姡?lián)合共振系統(tǒng)豐富的多解性體現(xiàn)出單一諧波下超諧共振與亞諧共振的雙重特征，這與傳統(tǒng)整數(shù)階Duffing振子聯(lián)合共振時的幅頻曲線特征近似[35]。

3.3 分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對聯(lián)合共振穩(wěn)定性參數(shù)的影響 ?由于在一定激勵頻率范圍內(nèi)存在著幾個定常解共存的現(xiàn)象，需要對解的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，尤其是穩(wěn)定性條件參數(shù)R。設(shè)置一組基本系統(tǒng)參數(shù)m=5，k=15，F(xiàn)1=20，F(xiàn)2=180，和α1=46對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)式（38），可以得到分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對聯(lián)合共振穩(wěn)定性參數(shù)的影響規(guī)律，如圖3所示?？芍?，當(dāng)R>0時，該系統(tǒng)存在著穩(wěn)定的周期解如圖3中實線部分所示;反之，當(dāng)R<0時，圓圈標(biāo)記線為系統(tǒng)不穩(wěn)定的周期解。其中圖3（a）為K1=0.5，階次p從0逐漸增大到1時，對系統(tǒng)穩(wěn)定性參數(shù)的影響?？梢钥闯鲈谝欢铑l率范圍下，隨著階次p的逐漸增大，該系統(tǒng)周期解的個數(shù)依次呈7，5，3遞減的趨勢，最后保持2個穩(wěn)定解、1個非穩(wěn)定解。當(dāng)0 ? ?

3.4 分?jǐn)?shù)階微分項系數(shù)對幅頻特性曲線的影響

考慮到響應(yīng)幅值能夠反映穩(wěn)定周期解能量的大小，下面研究分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對聯(lián)合共振幅頻特性曲線的影響。設(shè)置第1組基本系統(tǒng)參數(shù)m=5， k=45， F1=47， F2=2 和α1=2對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)式（31）可以得到該系統(tǒng)的幅頻曲線如圖4所示。圖4（a）為p=0.5，系數(shù)K1依次取0（傳統(tǒng)整數(shù)階），0.5，1和1.5時的幅頻特性曲線圖。可以看出，隨著分?jǐn)?shù)階系數(shù)K1的逐漸增大，圖中幅頻曲線呈現(xiàn)向高頻方向移動的趨勢且發(fā)生變形，并且系統(tǒng)的振幅衰減，共振頻率增大，周期解的個數(shù)變?yōu)橐粋€且穩(wěn)定，共振區(qū)面積及多值性發(fā)生顯著變化。圖4（b）為K1=1，階次p依次取0，0.1，0.2和0.3時的幅頻曲線?？梢钥闯觯S著分?jǐn)?shù)階階次p的逐漸增大，圖中幅頻曲線呈現(xiàn)向低振幅方向移動的趨勢，并且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，系統(tǒng)的振幅衰減，解的多值性及跳躍現(xiàn)象消失，周期解的個數(shù)降為一個并且穩(wěn)定，共振區(qū)面積發(fā)生顯著變化。顯然，在系統(tǒng)發(fā)生3次超諧與1/3次亞諧聯(lián)合共振的情況下，當(dāng)高次諧波項幅值F1高于低次諧波項幅值F2數(shù)倍時，該系統(tǒng)出現(xiàn)與分?jǐn)?shù)階van der Pol振子超諧共振時的相似情況，表現(xiàn)出3次超諧共振[31]特性。

設(shè)置第2組基本系統(tǒng)參數(shù)m=5， k=15， F1=2， F2=40 和α1=15對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)式（31）可以得到該系統(tǒng)的幅頻特性曲線，如圖5所示。圖5（a）為p=0.5，系數(shù)K1依次取0，1，3和5時的幅頻曲線?？梢钥闯鲭S著分?jǐn)?shù)階系數(shù)K1的逐漸增大，圖中“卵形”幅頻曲線呈現(xiàn)向高頻方向移動的趨勢且發(fā)生縮減，并且系統(tǒng)的振幅衰減，共振頻率增大，共振區(qū)面積減小，周期解的個數(shù)及穩(wěn)定性并未發(fā)生顯著變化。當(dāng)系數(shù)K1持續(xù)增大到某一范圍時，“卵形”幅頻曲線逐漸縮減，最終在特殊位置縮聚成一點。圖5（b）為K1=0.5，階次p依次取0，0.4，0.7和1時的幅頻特性曲線圖。可以看出，隨著分?jǐn)?shù)階階次p的逐漸增大，圖中“卵形”幅頻曲線呈向低頻方向移動的趨勢，并且系統(tǒng)的振幅衰減，共振區(qū)面積、解的多值性及跳躍現(xiàn)象等并未發(fā)生顯著變化。因此，當(dāng)高次諧波項幅值F1低于低次諧波項幅值F2數(shù)倍時，該系統(tǒng)出現(xiàn)與分?jǐn)?shù)階van der Pol振子亞諧共振時的相似情況，表現(xiàn)出3次亞諧共振[32]特性。

設(shè)置第3組基本系統(tǒng)參數(shù)m=5， k=15， F1=20， F2=120和α1=35對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究不同分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對多解情況下幅頻曲線的影響，結(jié)果如圖6所示。圖中左側(cè)為p=0.5，系數(shù)K1依次取3，5和7時的幅頻曲線?？梢钥闯?，隨著分?jǐn)?shù)階系數(shù)K1的逐漸增大，共振區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，而整體輪廓并未發(fā)生顯著變化。該系統(tǒng)3個解的發(fā)生區(qū)域向高頻方向移動且逐漸縮減，5個解、7個解的發(fā)生區(qū)域向高頻方向移動并逐漸擴(kuò)大?？梢姺?jǐn)?shù)階系數(shù)K1在小范圍變化時，對聯(lián)合共振系統(tǒng)的幅頻曲線影響并不明顯。當(dāng)系數(shù)K1持續(xù)增大到某一范圍時，該系統(tǒng)會出現(xiàn)與上述曲線類似現(xiàn)象，其最大幅值衰減，共振頻率增大，周期解數(shù)目減少，跳躍現(xiàn)象消失等。圖中右側(cè)為K1=5，階次p依次取0.5，0.75和1時的幅頻曲線?？梢钥闯鲭S著分?jǐn)?shù)階階次p的逐漸增大，圖中幅頻曲線呈向低振幅方向移動的趨勢且內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形。由于等效線性阻尼的增大導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定解幅值開始衰減，內(nèi)部不穩(wěn)定解幅值開始增長，共振頻率減小，同時對系統(tǒng)解的多值性及跳躍現(xiàn)象也有很大影響。隨著p的逐漸增大，對多解現(xiàn)象的發(fā)生將起到抑制作用。當(dāng)p增大到一定程度時，系統(tǒng)的7個平凡解現(xiàn)象隨之消失，系統(tǒng)發(fā)生共振區(qū)面積不斷縮減，振幅多值現(xiàn)象隨之減少，跳躍現(xiàn)象逐漸消失。

4 結(jié) 論

本文針對含一類分?jǐn)?shù)階微分項van der Pol振子的3次超諧與1/3次亞諧聯(lián)合共振進(jìn)行了研究，采用平均法得到系統(tǒng)的一階近似解析解，并建立了聯(lián)合共振定常解幅頻曲線的解析表達(dá)式與周期響應(yīng)的穩(wěn)定性判斷準(zhǔn)則。通過聯(lián)合共振等效線性剛度和等效線性阻尼的概念分析了分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對系統(tǒng)幅頻曲線及周期解穩(wěn)定性的影響，并與單一諧波下的超諧共振、亞諧共振進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果顯示，在不同的基本參數(shù)下，該系統(tǒng)可分別表現(xiàn)出單諧波超諧共振、單諧波亞諧共振以及兩者共同存在時的特征現(xiàn)象。除此之外，分?jǐn)?shù)階微分項參數(shù)對系統(tǒng)的響應(yīng)幅值、共振頻率、定常解穩(wěn)定性、周期解數(shù)量、共振區(qū)域、曲線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及跳躍現(xiàn)象等都有重要影響。

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Abstract： Based on the averaging method， the dynamical characteristics of third-order super-harmonic and one-third order sub-harmonic simultaneous resonance of a van der Pol oscillator with a fractional-order differential term are analytically studied. The first-order approximate analytical solution is obtained， and the definitions of the equivalent linear damping coefficient and the equivalent linear stiffness efficient for super-harmonic and sub-harmonic simultaneous resonance are presented. The analytical amplitude-frequency equation for steady-state solution of the simultaneous resonance is established. Combined with the variational equation for linearization， the criteria for the periodic solution stability of the van der Pol oscillator under simultaneous resonance are derived. Through the comparison with super-harmonic resonance and sub-harmonic resonance under single harmonic excitation， it is found that the system can exhibit characteristic phenomenon of single harmonic super-harmonic resonance， single harmonic sub-harmonic resonance and both existence of these two resonances under different system parameters. The results show that the system parameters in fractional-order differential term have important influence on the response amplitude， the resonance frequency， the stability of stationary solution， the number of periodic solutions， the resonance region， topological structure of the amplitude-frequency curve， jumping phenomena and other complex dynamic characteristics through the equivalent linear damping and equivalent linear stiffness.

Key words： nonlinear vibration; van der Pol oscillator; simultaneous resonance; fractional-order derivative; averaging method

作者簡介： 姜 源（1992-），男，研究生。電話： 15032270856; E-mail： 416560053@qq.com

通訊作者： 申永軍（1973-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。電話： （0311）87936710; E-mail： shenyongjun@126.com